丹霞山陽元石景區(qū)丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

歐陽杰，張云鵬，莊長偉，王金傳，喬 雁，段一男，鄭穗芳

（1.廣東開放大學 文化傳播與設計學院,廣東 廣州 510091；2.廣東理工職業(yè)學院,廣東 廣州 510091；3.南京工業(yè)大學 測繪科學與技術(shù)學院,江蘇 南京 211816；4.廣東省環(huán)境科學研究院,廣東 廣州 510045；5.山東省國土測繪院,山東 濟寧 250102）

丹霞梧桐是由徐祥浩[1]等于1987年在丹霞山首次發(fā)現(xiàn)的新物種,屬于國家II級重點保護野生植物[2]。由于珍稀物種潛在的或尚未查明的在醫(yī)學藥用、遺傳育種、生殖生態(tài)、物種起源等方面的價值,對其加強科研和保護,是全人類所面臨的、共同的、迫切的任務。陽元石景區(qū)的拓展開發(fā)最早始于20世紀90年代初,中山大學的保繼剛教授[3]等撰文論述了陽元石景區(qū)內(nèi)楓香、秀麗椎、木荷、烏崗櫟、樟樹、板栗、杉樹等山岳風景植被的重要價值。近年來,國內(nèi)學者對丹霞山珍稀物種丹霞梧桐的研究有明顯“增溫”的趨勢。筆者[4]于2017年首次對丹霞山核心區(qū)陽元山游覽區(qū)丹霞梧桐密集地帶進行了高程、坡度、坡面的微地貌環(huán)境分析,提供了丹霞梧桐在小區(qū)域地帶相對比較準確的空間范圍。在生物學研究領域,張薇[5]等發(fā)現(xiàn)珍稀瀕危植物丹霞梧桐種子存在硬實休眠現(xiàn)象,在自然條件下發(fā)芽率極低,試驗表明,酸蝕20 min和高溫浸種能顯著促進丹霞梧桐種子萌發(fā)；文亞峰研究員的團隊通過實地考察對韶關(guān)丹霞山和南雄蒼石寨丹霞梧桐進行了數(shù)量估計[6-7]。在新技術(shù)手段方面,LIU C[8]等和筆者研究團隊[9]利用無人機航測進行了珍稀物種丹霞梧桐數(shù)據(jù)采集的實驗研究。在此基礎上,結(jié)合多年的實地調(diào)查數(shù)據(jù),筆者[10]對丹霞山核心區(qū)珍稀物種丹霞梧桐生態(tài)保護紅線進行了研究。

1 研究方法

獲取珍稀物種的準確數(shù)據(jù),再經(jīng)過空間分析得到準確結(jié)論,是制定正確保護決策的基礎。本文需要獲取兩個重要數(shù)據(jù):①研究區(qū)內(nèi)丹霞梧桐的數(shù)量以及每株丹霞梧桐的位置數(shù)據(jù)（X、Y坐標）；②研究區(qū)高精度的DEM數(shù)據(jù)。因此,如何獲取準確數(shù)據(jù)是本文的必要條件。傳統(tǒng)的野外調(diào)查采用GPS定位,獲取的研究區(qū)珍稀物種丹霞梧桐的位置數(shù)據(jù)具有直觀、可信度高的優(yōu)點,有助于研究者總結(jié)研究區(qū)珍稀物種丹霞梧桐空間分布的微地貌環(huán)境規(guī)律。然而,在無道路可進入的丹霞地貌區(qū)以及樹木遮蔽視線觀測不到的地帶,都會產(chǎn)生目測統(tǒng)計數(shù)據(jù)的誤差,影響后期分析的準確性。同時,珍稀物種丹霞梧桐大多分布在丹霞崖壁上,利用傳統(tǒng)的GPS定位獲取每株丹霞梧桐的位置數(shù)據(jù)難度很大。即使在完成GPS定位數(shù)據(jù)采集后,高精度的DEM數(shù)據(jù)是影響空間分析結(jié)論準確性的另一個重要限制條件,若DEM數(shù)據(jù)不夠準確,則通過位置數(shù)據(jù)計算得到的丹霞梧桐海拔高度以及坡面和坡度數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生誤差,從而影響后期空間分析的準確度。利用傳統(tǒng)的人工測量方式獲取的研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)精度較高,但無疑會大大提高人力、物力、時間和經(jīng)費成本。

解決丹霞梧桐位置數(shù)據(jù)和高精度DEM數(shù)據(jù)獲取的最好辦法是將野外人工調(diào)查與無人機航測獲取數(shù)據(jù)相結(jié)合,優(yōu)勢互補。目前,無人機低空攝影測量技術(shù)可快速完成1∶2 000地面正射影像圖和高精度DEM數(shù)據(jù)的制作（地面分辨率可達0.2 m）；帶有地面像控點的無人機航測影像數(shù)據(jù)的精度可滿足1∶500制圖的要求（地面分辨率可達5 cm）,在珍稀物種資源調(diào)查數(shù)據(jù)獲取等方面極具應用推廣的價值。

為獲取研究區(qū)丹霞梧桐位置數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù),筆者團隊于2017年10月29日采用多旋翼大疆無人機（DJI-Phantom 4 Pro V2.0）航測了研究區(qū)2 km2的范圍。主要航測參數(shù)設置為:相機平行于主航線、等距間隔拍照,航高為290.3 m,飛行速度為9.6 m/s,航向重疊度和旁向重疊度均為75%,拍攝間隔為8.0 s,單幅照片大小為190.04 cm×108.59 cm,地面分辨率為12.6 cm/px,共獲取435幅影像數(shù)據(jù)（總計2.99 GB）。順利完成無人機數(shù)據(jù)采集工作后,利用Agisoft PhotoScan軟件進行影像拼接,制作航測區(qū)的正射影像圖和DEM數(shù)據(jù),如圖1所示。

圖1 利用PhotoScan軟件制作的航測區(qū)正射影像圖和DEM數(shù)據(jù)

2 航測區(qū)丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

2.1 柵格數(shù)據(jù)裁剪、批量分割、目標識別

首先將PhotoScan軟件生產(chǎn)的影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)導入ArcGIS10.5軟件中,對柵格數(shù)據(jù)邊緣不規(guī)則處進行裁剪,獲取實際距離長和寬為2 000 m×1 000 m的矩形影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)；然后利用ArcGIS10.5空間分析模塊中的批量提取功能將影像數(shù)據(jù)按照實地長和寬為100 m×100 m的范圍進行批量分割,將經(jīng)過密集匹配后合成的影像分割成200幅圖像,其中第一行從左到右分割序號依次為1-2、1-2、…、1-20,以此類推,最后一行的序號為10-1、10-2、…、10-20；最后在比例尺為1∶1 000的范圍內(nèi)進行目標查找。結(jié)果表明,在分割的200幅圖像里,有58幅圖像上可識別確認出321株珍稀物種丹霞梧桐。通過室內(nèi)人機交互在大比例尺（1∶1 000）小范圍（100 m×100 m的實地距離）的影像數(shù)據(jù)中查尋特征目標珍稀物種丹霞梧桐,大大提高了準確度和效率,完成了整個航測區(qū)321株丹霞梧桐的目標定位,如圖2所示。

圖2 航測區(qū)丹霞梧桐位置目標識別

2.2 丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

目測識別完成后,在ArcGIS10.5軟件中建立丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫（.gdb）,并將裁減后的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、丹霞梧桐位置數(shù)據(jù)全部導入數(shù)據(jù)庫中。啟用ArcGIS10.5空間分析模塊中的坡向和坡度分析功能,對DEM數(shù)據(jù)進行計算,生成航測區(qū)的坡向數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)并導入數(shù)據(jù)庫。丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫中存儲了經(jīng)過裁剪的實地面積為2 km2的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、丹霞梧桐位置（點）數(shù)據(jù)以及通過計算獲取的坡向數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)。在丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫中,打開丹霞梧桐位置圖層表屬性,通過Calculate Geometry功能計算表中每株丹霞梧桐的點坐標（X、Y值）；通過ArcToolbox-Spatial analyst tools-Extraction-Extract values to points命令獲取航測區(qū)每株丹霞梧桐的高程（Z）、坡度（S）和坡向（A）數(shù)據(jù)（部分數(shù)據(jù)如表1所示,總計為321株）,為后續(xù)數(shù)據(jù)空間分析做好準備。

表1 數(shù)據(jù)庫中通過計算獲取的丹霞梧桐位置、高程、坡向和坡度

3 丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫的空間分析

3.1 丹霞梧桐分布的高程分析

在ArcGIS10.5中,對航測區(qū)丹霞梧桐分布的高程特點進行定量分析。在軟件中打開數(shù)據(jù)庫“丹霞梧桐”點圖層屬性表,對321株丹霞梧桐分布的高程進行統(tǒng)計,結(jié)果表明,測區(qū)內(nèi)丹霞梧桐分布在88.79～254.60 m之間,平均海拔高度為159.16m；通過高程分布頻率分析發(fā)現(xiàn),在航測區(qū)138.1～187.4m的海拔段內(nèi),丹霞梧桐出現(xiàn)的頻率最大。將丹霞梧桐點數(shù)據(jù)疊加到DEM數(shù)據(jù)圖層上,在丹霞梧桐點數(shù)據(jù)屬性表中選擇“按屬性選擇”菜單,具體分析丹霞梧桐在不同高程之間的空間分布變化,結(jié)果表明,航測區(qū)內(nèi)高程在100～220 m的丹霞梧桐有298株（占總量的92.8%）,即航測區(qū)內(nèi)絕大部分丹霞梧桐都分布在等高線160±60 m的范圍內(nèi)；高程在100 m以下和220 m以上的只有23株（僅占總量的7.2%）。航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的高程分析如圖3所示。

圖3 航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的高程分析

上述數(shù)據(jù)表明,航測區(qū)丹霞梧桐在海拔相對較低的（＜100 m）山腳分布較少,其原因可能是由于山腳相對平坦的地帶有著更多的人類生產(chǎn)生活活動,對自然環(huán)境的影響較大,導致珍稀物種較少分布。該研究結(jié)果反映了進行丹霞山珍稀物種丹霞梧桐基礎數(shù)據(jù)調(diào)查研究劃定生態(tài)保護紅線的迫切性,以及保護其生存自然環(huán)境的重要性。

3.2 丹霞梧桐分布的坡度分析

利用DEM數(shù)據(jù)計算得到的坡度圖可提供直觀的航測區(qū)丹霞梧桐在不同坡度的空間分布規(guī)律。在ArcGIS10.5環(huán)境中, 打開丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫文件,將丹霞梧桐點數(shù)據(jù)疊加到坡度數(shù)據(jù)上,獲取測區(qū)內(nèi)丹霞梧桐坡度的空間分布示意圖。在點屬性內(nèi)按照屬性進行選擇查詢,并計算發(fā)現(xiàn):丹霞梧桐分布坡度＞30°的占據(jù)優(yōu)勢（231株,占總數(shù)的74.3%）,坡度＜30°的僅90株。航測區(qū)丹霞梧桐密集分布在坡度相對較陡的丹霞崖壁上,這也與實地觀察到的獅子巖丹霞崖壁上丹霞梧桐分布較多相吻合。航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡度分析如圖4所示。

圖4 航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡度分析

從目前航測區(qū)丹霞梧桐多長于不利于其他物種生存的丹霞崖壁地帶來看,其分布的空間地域非常狹窄,且其果實難以在山腳地帶存活發(fā)育新種,其生存環(huán)境一旦遭到破壞,有可能造成物種滅絕。因此,亟待調(diào)查清楚丹霞山珍稀物種丹霞梧桐的基礎數(shù)據(jù),摸清“家底”,加強珍稀物種丹霞梧桐保護措施等方面的研究。

3.3 丹霞梧桐分布的坡向分析

在ArcGIS10.5中,打開丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫文件,將丹霞梧桐點數(shù)據(jù)疊加到坡向數(shù)據(jù)上,在圖層點屬性內(nèi)按照屬性進行選擇,得到不同坡向的丹霞梧桐數(shù)據(jù)為:南東65株、南86株、南西45株、西19株、北西34株、北26株、北東24株、東22株。

坡向空間展示如圖5所示,航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡向分析如圖6所示,可以看出,丹霞梧桐在航測區(qū)陽元石景區(qū)山體四周均有分布,其主要原因是丹霞山是典型的丹霞地貌,丹霞地貌具有“頂平、坡陡、麓緩”的坡面形態(tài)特點,其相對高度并不太大。植物在自然環(huán)境狀況下,往往會選擇最適宜的生存環(huán)境,由數(shù)據(jù)分析可知,在南東（65株）、南（86株）、南西（45株）3個坡向的丹霞梧桐分布相對集中,共計196株,占總數(shù)的61.1%；而其他5個坡向丹霞梧桐只占到總數(shù)的38.9%,這主要是由于南坡向陽,光照雨水等條件相對較好,珍稀物種丹霞梧桐大多位于丹霞崖壁上,可以滿足其耐旱喜光照需雨水的生存條件所導致的。

圖5 航測區(qū)丹霞梧桐坡向空間展示圖

圖6 航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡向分析

本文分別從高程、坡度、坡向3個微地貌層面對航測區(qū)珍稀物種丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫進行了空間定量分析,得到的主要結(jié)論為:航測區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的321株丹霞梧桐,有92.8%（298株）分布在海拔160±60 m的范圍內(nèi)；丹霞梧桐的空間分布受坡度影響較明顯,有74.3%（231株）的丹霞梧桐分布在坡度＞30°的丹霞崖壁地帶；在航測區(qū)的南東（65株）、南（86株）、南西（45株）3個向陽坡向上,丹霞梧桐分布集中,約占總數(shù)的61.1%（196株）。研究區(qū)丹霞梧桐多集中分布在陽坡與王衛(wèi)[11]等最新研究結(jié)論一致。

4 結(jié) 語

本文采用多旋翼無人機（DJI-Phantom 4 Pro V2.0）航測丹霞山陽元石景區(qū),獲取了高精度影像數(shù)據(jù),并制作了航測區(qū)正射影像圖和DEM數(shù)據(jù)。研究表明,在航測區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的321株丹霞梧桐,大部分（298株,占總數(shù)的92.8%）分布在海拔160±60 m的范圍內(nèi)；74.3%（231株）的丹霞梧桐分布在坡度＞30°的丹霞崖壁地帶；在航測區(qū)的南東（65株）、南（86株）和南西（45株）3個向陽坡向上,丹霞梧桐分布集中,約占總數(shù)的61.1%（196株）。珍稀丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建,不僅可提供每株丹霞梧桐精準的位置、高程、坡度、坡向等微地貌的準確信息,還可提供丹霞梧桐在不同高程、坡度和坡向上的空間分布圖譜,為珍稀物種資源保護與研究提供可靠的依據(jù),是丹霞山珍稀物種丹霞梧桐生態(tài)保護紅線能夠準確落地的基石。