基于ArcGIS的艾比湖周边灌丛沙堆三维形态特征的提取与分析

李晓媛

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引言

灌丛沙堆是干旱地区沙漠、半干旱半湿润沙地和沙质海岸带常见的风积生物地貌类型，由于风沙流遇到灌丛阻拦，沙物质在灌丛及其周围堆积而形成的［1］。新疆艾比湖湖滨广泛分布着柽柳、白刺、盐节木、梭梭、麻黄等植被，以这些固沙能力较强的灌丛植被为依托，在艾比湖较充足的沙源和强劲的风力作用下，形成了不同植被类型、不同形态的灌丛沙堆。灌丛沙堆被吹扬继而沙堆与流沙相间分布是土地沙漠化过程的重要环节［2］，灌丛沙堆在半干旱草原和稀树草原的沙漠化过程中扮演了重要的角色，沙漠化过程实际上就是沙漠灌丛大范围取代草原的过程。沙堆的形成不仅改变了风速和风向，也在很大程度上优化了当地的小生境［3］。

本文尝试以点线面调查相结合的方法，以RTK为平台重点对艾比湖周边典型样方内灌丛沙堆的形态特征、植物生态学特征进行了实测和采样分析，利用GIS技术生成数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，结合对艾比湖的高分辨率遥感影像进行目视解译的结果，从灌丛沙堆的植被类型、密度、高度、面积和体积几个方面进行定量描述，从而研究艾比湖周边灌丛沙堆的空间分布格局，并探讨其成因。为研究区荒漠化防治以及区域生态保护提供基础数据和科学依据。

2 研究区概况

新疆艾比湖湿地国家级自然保护区地处新疆博尔塔拉蒙古自治州东北角。地理坐标东经82°36'～83°50'，北纬 44°30'～45°09'。位于准噶尔盆地西南缘，三面环山，东北部与古尔班通古特沙漠相连，远离海洋，干燥少雨，光热充足，属于典型的温带干旱大陆性气候。艾比湖为准噶尔盆地最低洼地，是地表、地下水汇集中心，湖水矿化度高，湖面海拔196 m，现有水域面积683 km2。其地处阿拉山口大风的主风道上，常年以西北风居多，年平均≥8级以上的大风160多天，瞬时极大风速达 55m/s［4］。

3 研究意义

由于艾比湖地处阿拉山口大风通道区，气候极端干旱，生态区位极为重要，成为影响这个新疆北部乃至内地生态系统的重要因素之一，是指征准噶尔盆地生态环境变化的关键地区，在我国内陆荒漠自然生态系统中具有典型性和较高的保护价值［5］。灌丛沙堆的退化演替过程通常是自然因素和人为活动对生态系统的压力综合作用的结果［6］。受气候变化和人类活动的影响和控制，灌丛沙堆的形成与发育是群落演替过程中植被与环境相互作用的结果，对其地貌形态特征的研究分析不仅有利于进一步结实灌丛沙堆发育过程中植被生态特征与沙堆演化的关系，而且对研究区域的荒漠化防止有一定的现实意义［7］。

4 技术路线

图1 技术路线图

5 主要步骤

5.1 样方设置及测量

在野外调查过程中，结合对研究区遥感影像进行目视解译的结果，通过对现地的观察，根据对研究区地形地貌以及植被、土壤等各种自然地理要素分析，选择能带代表灌丛种群特征的6个典型样区4种不同植被类型的灌丛沙堆进行数据实测，样方分别为:样方A，100 m×100 m，白刺沙堆;样方 B，50 m×50 m，盐节木沙堆;样方 C，50 m×50 m，白刺沙堆;样 方 D，50 m×50 m，梭梭和白刺混生沙堆;样方 E和样方F，为100 m×100 m柽柳沙堆，如图2所示。

图2 样方分布图

其中样方A、B、C、D使用RTK进行测量，样方E、F为人工测量。在实施测量时，根据所选样区位置、卫星状况等进行基准站布设，硬件安装。先以GPS圈定样方范围，用移动站动态测量每个沙堆轮廓线，脊线及顶点坐标。在实际操作过程中，只需要设置好基准站，然后带上移动测站在每个沙堆轮廓线及脊线上走一遍，GPS将会每秒记录一次坐标，形成连续的航迹，如图3所示，在获得数据后，对其进行删除冗余点和精度分析的操作。为了提高测量精度，一般对每个沙堆测量两遍，取平均值。人工测量主要采用目测或者皮尺、钢卷尺和罗盘等工具，测量沙堆迎风坡坡长(Ls)、迎风坡坡角(α)、背风坡坡长(L1)与背风坡坡角(β)，长轴长度(L)与走向、短轴长度(W)以及沙堆高度(H)等形态学数据，如图4所示。

图3 GPS动态测量航迹图

图4 沙堆形态参数示意图

5.2 构建DEM

本文利用Trimble 5700获取的实地三维数据，运用美国ESRI公司的ArcGIS 9.1软件中的三维分析(3DAnalyst)模块、空间分析(Spatial Analyst)模块，构建四个灌丛沙堆样区的DEM。

(1)高程点创建栅格DEM

在ArcGIS 9.1中内插方法主要包括反距离权重插值(Interpolate to Raster)、样条函数插值(Spline)、克利金插值(Kriging)和自然领域内插(Natural Neighbors)。

本文采用反距离权重插值方法来创建样区的栅格DEM。

(2)栅格表面生成等高线图

本文运用ArcGIS 9.1软件的三维分析(3DAnalyst)模块和栅格DEM中的表面分析功能生成样区的等高线图。经过反复试验，为得到最佳效果，其等高距分别设置为:样区A:0.02 m;样区B:0.1 m;样区C:0.05 m;样区D:0.05 m。

(3)等高线生成TIN

通常TIN是从多种矢量数据源中创建的。可以用点、线与多边形要素作为创建TIN的数据源。其中，不要求所有要素都具有Z值，但有一些要素必须有Z值。同时，这些用以创建TIN的输入要素还可以包含整数属性值，并且这些属性值也将在输出的TIN要素中保留。TIN可以有效模拟样区的地形表面。本文运用ArcGIS 9.1软件的三维分析(3DAnalyst)模块中的创建TIN用等高线生成样区的TIN，如图5所示。

图5 样区TIN

5.3 灌丛沙堆三维形态特征提取

地貌形态的测量和表述，有很大的科学意义。量测得到的形态数字指标，既是表述和比较地貌形态特征的数字参数，也是划分地貌形态类型的科学依据［8］。对于多边形地理实体，主要是以其形状指数的测度来对其空间分布格局进行描述，对三维空间特征分析时，需要考虑高程、体积等指标［9］。

本文从灌丛沙堆的分布密度、高度、面积和体积几个方面做分析。

(1)点密度特征提取

分布密度是指单位分布区域内的分布对象的数量，是两个比率尺度数据的比值。本文对灌丛沙堆点分布密度计算以频数计，即分子为点的出现频率，分母为样地面积，公式为:

本文按此方法对样区内灌丛沙堆的点密度进行统计计算，如表1所示。

样区灌丛沙堆点分布密度统计表 表1

总体看来，单位面积内，盐节木沙堆出现的频率最高，分布密度为7.6×10－3个/m2，即盐节木沙堆分布最密集;其次为梭梭沙堆，分布密度为5.2×10－3个/m2;白刺沙堆的分布在不同区域其密度不同，在湖西北岸的分布密度为5.2×10－3个/m2，湖东南岸分布密度为1.6×10－3个/m2。

(2)灌丛沙堆高度和体积特征提取

灌丛沙堆高度和体积的提取以前期工作得到的TIN格式DEM及等高线为基础，将每一个沙堆单独提取出来，应用ArcGIS 9.2中三维分析模块的创建垂直剖面图。剖面图直观的表现出沿表面上某条线前进时高程变化的情况，因此，对样区内所有灌丛沙堆的剖面进行统计分析，以计算灌丛沙堆的高度参数［11］。

将最高高程值与最低高程值相减，即得到灌丛沙堆的高度值。样区内灌丛沙堆高度的最高值、最小值和平均值，如表2所示。

样区灌丛沙堆高度统计表 表2

本文利用ArcGIS中三维分析模块的计算体积的功能，对样区内每个灌丛沙堆进行统计计算，如表3所示。

样区灌丛沙堆体积统计表 表3

样区E、F分别为艾比湖南岸和北岸的柽柳沙堆，测量数据如表4所示。

人工样区数据统计表 表4

5 结论

总体看来，艾比湖周边的柽柳沙堆高度最高，体积最大，除柽柳沙堆以外，艾比湖周边灌丛沙堆的高度分布呈一定规律性，即灌丛沙堆的高度随植被高度的增加而增加，盐节木的高度最低，其形成的沙堆最矮小;白刺的高度整体比盐节木高，其形成的沙堆比盐节木略高大;梭梭的高度最高，其形成的沙堆最为高大。

结合图2中艾比湖周边灌丛沙堆的分布与距湖远近的规律性，可以得出艾比湖周边灌丛沙堆的高度和体积与湖滨距离远近的关系，即灌丛沙堆的高度和体积随与湖滨距离的增加而增大。与湖滨距离最近的盐节木沙堆的高度和体积最小，随与湖滨距离的增加，渐变为高度体积略大的白刺沙堆，随与湖滨距离的继续增加，则渐变为高度体积更大的梭梭沙堆。

［1］穆桂金.塔克拉玛干沙漠灌草丘类型、成因及演变规律［J］.干旱区研究，1995(增刊):31－37

［2］孙秋梅.和田河流域灌丛沙堆形成动力机制风洞实验研究［D］.新疆师范大学，2007

［3］赵存玉，王涛.沙质草原沙漠化过程中植被演替研究现状和展望［J］.生态学杂志，2005，24(11):1343－1346

［4］苏颖君.艾比湖流域水资源合理配置战略思考.博尔塔拉蒙古自治州专家顾问团新疆社科院博州社会经济发展所简报，第14期［R］，2005

［5］陈蜀江，李文华.新疆艾比湖湿地自然保护区综合科学考察［M］.乌鲁木齐，新疆科技出版社，2006:1－14

［6］Mares M A.Encyclopedia of Deserts［M］.Norman:Univesity of Oklahoma Press，1999:21

［7］武胜利，李志忠，肖晨曦等.灌丛沙堆的研究进展与意义［J］.中国沙漠，2006，26(5):734－738

［8］曾雅娟.基于DEM的伊犁塔克尔莫乎尔沙漠抛物线沙丘形态及其成因研究［D］.新疆师范大学，2008

［9］白彬.基于GPS与GIS的艾比湖流域灌丛沙堆空间格局分析［D］.新疆师范大学，2008

［10］李志林，朱庆.数字高程模型［M］.武汉:武汉大学出版社，2001

［11］李晓媛.基于RS和DEM的艾比湖周边灌丛沙堆空间分布格局的研究［D］.新疆师范大学，2010