基于RS與GIS的大通縣青海云杉分布規(guī)律分析

吳雨亭，章 好，李強(qiáng)峰

(青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院農(nóng)林系，青海 西寧 810016)

青海云杉(PiceacrassifoliaMast.)為松科云杉屬喬木，樹(shù)干較為通直，枝葉生長(zhǎng)密集，分布面積廣，在中國(guó)大陸的青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地都有分布，生長(zhǎng)在海拔1600～3800 m的山地陰坡、半陰坡及濕潤(rùn)谷地，具有比較強(qiáng)的適應(yīng)性，耐寒、耐旱和耐瘠薄，是青海省森林植被的建群樹(shù)種，形成了特有的高海拔森林植被景觀，在涵養(yǎng)水源、保持水土以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展方面都具有十分重要的作用[1-3]。

隨著3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用，3S技術(shù)滲透到森林調(diào)查與規(guī)劃、森林災(zāi)害監(jiān)測(cè)和損失估計(jì)、資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、森林生態(tài)效益評(píng)價(jià)等眾多方面。在林地極其復(fù)雜和人為不可控的地理環(huán)境下，利用3S技術(shù)可大幅度減輕

林業(yè)資源調(diào)查的工作難度，提高精度和效率。3S技術(shù)在監(jiān)測(cè)各種災(zāi)害等方面都帶來(lái)了較大的貢獻(xiàn)，且監(jiān)測(cè)森林資源信息時(shí)，具有實(shí)時(shí)性與可靠性[4]。21世紀(jì)初，常禹等[5]利用GIS和RS研究長(zhǎng)白山自然保護(hù)區(qū)的森林景觀，胥曉等[6]運(yùn)用3S技術(shù)研究冶勒的紅豆杉種群分布格局與坡度的關(guān)系，曾宏達(dá)等[7-8]運(yùn)用3S技術(shù)分析森林的空間分布格局，鐵玲等[9]運(yùn)用3S技術(shù)研究林分齡組的空間分布情況；封志明等[10]利用RS和GIS，基于遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)(Digital Elevation Model，縮寫(xiě)DEM)，定量分析了中老緬交界地區(qū)橡膠種植的時(shí)空格局及地形因素。丁程鋒等[11]以天山中部烏魯木齊河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，運(yùn)用3S技術(shù)研究云杉林的空間分布情況。此后，新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所又以阿勒泰林場(chǎng)喬木林為研究對(duì)象，運(yùn)用3S技術(shù)定量分析喬木林與地形因子的空間關(guān)系[12]。

青海云杉是大通縣森林建群樹(shù)種，也是造林的主栽樹(shù)種，本文以大通縣的遙感影像和地形圖為數(shù)據(jù)源，采用RS與GIS分析技術(shù)，分析大通縣青海云杉分布規(guī)律，以期為大通縣森林經(jīng)營(yíng)、造林區(qū)劃以及青海省林業(yè)生態(tài)建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

研究區(qū)為大通回族土族自治縣，位于青海省的東部，祁連山麓的南部，湟水支流北川河流域。介于100°51′—101°56′E、36°43′—37°23′N之間，海拔2280～4622 m。屬典型的高原大陸性氣候，春季干旱，夏季濕潤(rùn)，秋短冬長(zhǎng)，冬季寒冷干燥。年平均氣溫5.2 ℃，年降水量461 mm左右，年無(wú)霜期119 d左右。氣候特點(diǎn)為氣溫較高，作物生長(zhǎng)期長(zhǎng)。

大通縣林業(yè)用地98.12 hm2，占全縣總面積的21.17%，其中有林地面積21.75 hm2。森林覆蓋率為26.4%，森林主要集中分布在大通縣的娘娘山和東峽林場(chǎng)以及大通縣的寶庫(kù)等。構(gòu)成該地區(qū)森林植被的主要樹(shù)種有青海云杉、青杄、祁連圓柏 、油松、山楊、白樺、紅樺、糙皮樺等。大通是青海云杉良種基地的主要分布區(qū)，青海云杉的占比較大，主要可分為蘚類青海云杉林、草類青海云杉林、灌叢青海云杉林3種，在大通河兩岸還廣泛分布著青海云杉樺樹(shù)混交林，這也是青海云杉林演替過(guò)程種的一個(gè)過(guò)渡階段[13]。

1.2 研究?jī)?nèi)容

1.2.1 數(shù)據(jù)信息源 大通縣1∶50000數(shù)字地形圖，2019年大通縣ETM遙感影像圖，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)。

1.2.2 儀器設(shè)備 硬件：電腦、麥哲倫210型手持GPS衛(wèi)星定位儀、上海華測(cè)靜態(tài)GPS；軟件：ArcGIS 10.4、ERDAS 9.2、Excel 2016。

1.2.3 青海云杉分布圖的制作 通過(guò)ERDAS 9.2軟件，將遙感影像光盤(pán)中7個(gè)單色波段影像進(jìn)行合成，生成1個(gè)7波段文件。確定GCP，即在原始畸變圖像空間與標(biāo)準(zhǔn)空間尋找控制點(diǎn)對(duì)。本文利用靜態(tài)GPS在大通縣內(nèi)采集控制點(diǎn)，為河床交匯點(diǎn)和道路交匯點(diǎn)，采集了10個(gè)控制點(diǎn)。然后在ERDAS軟件下利用所采集的控制點(diǎn)采用多項(xiàng)式變換校正對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何精校正，控制點(diǎn)的總誤差在1個(gè)像素以內(nèi)。在ERDAS軟件下對(duì)校正后的影像做掩膜運(yùn)算，就可裁剪出大通縣的遙感影像(信息見(jiàn)圖1，衛(wèi)星：Landsat 8，拍攝時(shí)間2015年5月，像素分辨率121.94 m)。采用432波段合成圖像，通過(guò)實(shí)地調(diào)查，建立青海云杉分類訓(xùn)練區(qū)；通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類，獲得青海云杉分布柵格圖，進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)精度達(dá)80%，通過(guò)矢量化獲得青海云杉分布圖層(圖2)。

圖1 分類前遙感影像

圖2 青海云杉分布圖

圖3 大通縣DEM圖

圖4 坡度和坡向示意圖

圖5 青海云杉分布圖制作路線圖

圖6 青海云杉地形分布圖提取路線圖

圖7 青海云杉坡度分布圖

圖8 青海云杉坡度分布餅狀圖

圖9 青海云杉海拔分布圖

圖10 青海云杉海拔分布餅狀圖

圖11 青海云杉坡向分布圖

圖12 青海云杉坡向分布餅狀圖

1.2.4 地形因子的提取

1)提取研究區(qū)等高線。生成研究區(qū)DEM，首先要對(duì)大通縣地形圖進(jìn)行地理配準(zhǔn)，然后手動(dòng)勾畫(huà)等高線圖，進(jìn)行矢量化賦高程及拼接等處理，獲得等高線圖；再對(duì)等高線圖進(jìn)行定義投影，選擇地理坐標(biāo)系；最終輸出大通縣的等高線矢量化圖。

2)生成研究區(qū)DEM。DEM是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)(X，Y)及其高程(Z)的數(shù)據(jù)集，主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，是通過(guò)等高線或相似立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(包括采樣和量測(cè))，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成的。DEM是對(duì)地形地貌的模擬表示，由DEM可以派生出坡向圖、坡度圖、海拔梯度等信息。在ArcGIS中利用研究區(qū)的等高線生成研究區(qū)的DEM，本文用規(guī)則的網(wǎng)格法(Grid)生成DEM，利用ArcGIS中的三維分析得到大通縣的DEM(圖3)。

3)根據(jù)DEM提取海拔梯度、坡向、坡度圖。本文的主導(dǎo)因子為海拔、坡度、坡向3個(gè)因子，在ArcGIS 10.4系統(tǒng)中通過(guò)Spatial Anaylst工具中的表面分析，進(jìn)行坡向(Aspect)和坡度(Slope)分析，分別得到坡向圖和坡度圖，海拔圖則可由DEM圖直接獲得。再進(jìn)行矢量化，獲得坡向、坡度圖、海拔矢量化圖層。

其中，海拔依據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況劃分，以2200 m為基準(zhǔn)，每增加300 m為1級(jí)，共劃分為7級(jí)：2200～2500、2500～2800、2800～3100、3100～3400、3400～3700、3700～4000、4000～4300 m。坡度劃分為6個(gè)等級(jí)(圖4A)：平坡(0～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°)、險(xiǎn)坡(>45°)。坡向劃分：將二維平面分布圖以正北方向?yàn)槠瘘c(diǎn)，順時(shí)針將坡向分割為6個(gè)區(qū)間(圖4B)：陰坡(0～45°、315°～360°)、東北坡(45°～90°)、東南坡(90°～135°)、陽(yáng)坡(135°～225°)、西南坡(225°～270°)、西北坡(270°～315°)。

1.3 研究方法及技術(shù)路線圖

1.3.1 研究方法 運(yùn)用ArcGIS 10.4，將大通縣青海云杉分布圖分別與海拔、坡向、坡度分級(jí)圖進(jìn)行疊加分析，得到青海云杉在海拔、坡向、坡度上的分布面積，并計(jì)算青海云杉在各地形因子上的面積比。運(yùn)用Excel分析，得到研究區(qū)青海云杉在海拔、坡向、坡度等因子上的分布直方圖。

1.3.2 技術(shù)路線圖

1)青海云杉分布圖的制作，見(jiàn)圖5。

2)地形分布圖的提取，見(jiàn)圖6。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel軟件分析處理數(shù)據(jù)，并制表；運(yùn)用ArcGIS 10.4將大通縣青海云杉分布圖分別與海拔、坡向、坡度分級(jí)圖進(jìn)行疊加分析；通過(guò)ERDAS 9.2軟件，將遙感影像光盤(pán)中7個(gè)單色波段影像進(jìn)行合成，最終生成一個(gè)7波段文件。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海云杉的坡度分布規(guī)律分析

將青海云杉分布圖與坡度圖疊加后得到青海云杉坡度分布圖(圖7)。青海云杉坡度分布情況分析見(jiàn)圖8。由圖8可知，研究區(qū)青海云杉分布在緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)，占比達(dá)到96.77%。其中，斜坡分布最多，占59.29%，其次是緩坡，占19.86%，陡坡占17.62%。平坡(0～5°)、急坡(36°～45°)、險(xiǎn)坡(>45°)幾乎不分布。

2.2 青海云杉的海拔分布規(guī)律分析

將青海云杉分布圖與海拔圖疊加后得到青海云杉海拔分布圖(圖9)。青海云杉的海拔分布情況見(jiàn)圖10。由圖10可知，研究區(qū)青海云杉集中分布在海拔2500～3400 m，占比達(dá)到98.59%。其中，海拔2500～2800 m占36.38%，海拔2800～3100 m占25.27%，海拔3100～3400 m占36.94%，其余海拔區(qū)間未見(jiàn)分布。

2.3 青海云杉的坡向分布規(guī)律分析

將青海云杉分布圖與坡向圖疊加后得到青海云杉坡向分布圖(圖11)。青海云杉的坡向分布情況見(jiàn)圖12。由圖12可知，研究區(qū)青海云杉在陰坡占24.47%，半陰坡(西北坡和東北坡)占33.60%，陽(yáng)坡占11.23%，半陽(yáng)坡(西南坡和西北坡)占28.19%。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

坡度上，青海云杉分布在緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°) 、陡坡(26°～35°)三者的占比達(dá)到96.77%，其中斜坡分布最多，占59.29%。海拔上，青海云杉分布在海拔2500～3400 m的占比達(dá)98.59%，其中海拔2500～2800 m占36.38%，海拔2800～3100 m占25.27%，海拔3100～3400 m占36.94%。坡向上，主要分布在陰坡、半陰坡(西北坡和東北坡)、半陽(yáng)坡(西南坡和東南坡)。其中，陰坡和半陰坡分布最多，占60.58%；半陽(yáng)坡占28.19%。表明大通縣青海云杉適宜生長(zhǎng)在斜坡，海拔2500～3400 m，陰坡、半陰坡的區(qū)域。

3.2 討論

1)坡度與山地的太陽(yáng)輻射分布有關(guān)，不同坡度的山坡，因太陽(yáng)投射角度不同，其所獲得的太陽(yáng)輻射也有所差異，間接導(dǎo)致了氣溫、土溫、水分及其它生態(tài)因子的變化。在一定海拔條件下，平坡(0～5°)和緩坡(6°～15°)因坡度小接受到的太陽(yáng)光照比其它坡度大，相應(yīng)的水分蒸發(fā)量也比其它坡度大。因此，平坡、緩坡由于土壤水分少，不適宜青海云杉的生長(zhǎng)，所以青海云杉在平坡和緩坡分布較少。而陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°) 、險(xiǎn)坡(>45°)又由于坡度過(guò)大，導(dǎo)致水分流失嚴(yán)重，使土壤水分較少，也不利于青海云杉的生長(zhǎng)，所以在陡坡、急坡、險(xiǎn)坡青海云杉分布也較少。而斜坡(16°～25°)的水分條件則剛好適宜青海云杉的生長(zhǎng)，因此青海云杉在斜坡分布最多。

2)海拔是山坡地形變化最顯著，對(duì)林木生長(zhǎng)影響最大的因素。在山地地區(qū)，海拔每升高100 m，溫度平均下降0.5～0.6 ℃。在一定條件下，空氣濕度和降水量與海拔成正比關(guān)系，即海拔升高，空氣濕度和降水量也增加。海拔2200～2500 m山地的溫度條件能夠滿足青海云杉的生長(zhǎng)需要，但由于水分條件不足以及人為因素(如放牧破壞青海云杉幼苗，影響其天然更新速度)等的干擾，導(dǎo)致該海拔區(qū)域內(nèi)青海云杉分布較少；海拔2500～3400 m的山地地形可以充當(dāng)一個(gè)天然屏障，對(duì)青海云杉起到保護(hù)作用。這一海拔區(qū)域的水分以及溫度條件能夠滿足青海云杉的生長(zhǎng)需要，且在該海拔區(qū)域內(nèi)青海云杉的林型比較完整，有利于促進(jìn)內(nèi)部的水熱循環(huán)，保持其生長(zhǎng)所需要的水分和溫度條件，因此青海云杉在該海拔區(qū)間內(nèi)的分布面積最大；海拔>3400 m的山地雖然降水量充足，但由于溫度太低(限制了青海云杉林木種子的萌發(fā)、生長(zhǎng))，風(fēng)力太大，不宜青海云杉的生長(zhǎng)，因此青海云杉在海拔>3400m的范圍內(nèi)分布較少。

3)坡向在山地地區(qū)主要影響降水量的分布，陰坡和半陰坡是迎風(fēng)坡，降水量比較充足，可以滿足青海云杉對(duì)水分的生長(zhǎng)需要；而陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡是背風(fēng)坡，降水量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，且陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡日照時(shí)間長(zhǎng)，輻射強(qiáng)度大，導(dǎo)致水分蒸發(fā)量也大，不能滿足青海云杉對(duì)水分的生長(zhǎng)需求，因此，陰坡和半陰坡青海云杉的分布比陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡多。純天然青海云杉林在正陽(yáng)坡沒(méi)有分布，本文中劃分的坡向陽(yáng)坡(135°～225°)是一個(gè)大的范圍，且分布有人工林，因此青海云杉在陽(yáng)坡有少量分布。