基于GIS的湖北省杨树良种基地空间布局研究

2014-09-13王瑞文

森林工程 2014年3期

胡超，于静，王瑞文

(1.湖北省林业厅林木种苗管理总站，武汉 430079；2.棕榈园林股份有限公司风景园林研究院，上海 200443；3.湖北省林业科学研究院，武汉 430075)

在湖北省范围内，对杨树良种基地进行合理规划布局是保障杨树产业发展所需良种的基础。根据林业发展和我省造林绿化对杨树良种的需求，立足当前，放眼长远，科学定位，以科技为支撑，以杨树良种基地为核心，明确重点，逐步建设一批布局合理，结构优化，高效特色的杨树良种基地，形成一个以国家级杨树良种基地为龙头，省级杨树良种基地为骨干，市、县级杨树良种基地网点式布局做支撑的全省杨树良种繁育体系，加强杨树良种繁育与推广，为造林绿化提供数量足够、质量优良、品种多样的杨树良种壮苗，逐步实现我省杨树供种基地化，质量标准化，造林良种化的发展目标[1]。

遥感技术、层次分析法和地理信息系统技术在规划布局中不断发展和深入。在农业中，运用描述性统计、GIS、空间统计等方法，详细地分析了粮食、小麦、稻谷和玉米生产布局历史变迁与空间集聚状况[2]；开展了基于GIS技术的基本农田的确定与空间布局研究[3]。在土地利用规划中，运用基于GIS技术与数学模型相结合的县级土地利用总体规划修编的技术和方法[4]。在商业中，开展了基于GIS的大型百货零售商业设施布局分析研究[5]。在工业中，运用基于GIS分析影响中国钢铁产业布局优化的条件，设计出未来钢铁产业布局优化方案[6]。在园林中，开展了基于GIS的城市公园绿地布局优化研究[7]；开展了基于GIS的常州市绿地系统规划布局的研究[8]。

在林业生态方向，借助GIS的加权叠加分析模块分析了辽河三角洲主要鸟类各代表种主要现状生境分布状况[9]；对鹤壁市淇河生态区内的土地资源进行了建设用地适宜性评价和生态敏感性评价[10]。在林业种苗行业中，张涛等[11]对河北省林木良种基地建设规划布局与对策措施进行了探讨，但是，凭借个人的直观感受不能合理公平的布局杨树良种基地，为了使规划更加客观、更加科学、更加合理，从而引入遥感技术、层次分析法和地理信息系统技术，对传统湖北省杨树良种基地规划布局方法进行了新的尝试，结果显示石首市、潜江市、嘉鱼县、赤壁市和咸安区适宜建立国家级杨树良种基地。

1 数据来源和处理

1.1 气象数据

本文使用的气象基础数据(气温、地温、日照、相对湿度和降水)来源于中国气象科学数据共享服务网，时间为2010年、2011年和2012年3期日数据，辐射站点为31个，站点数据包括日平均气温值、日平均地表气温值、日照时数值、日平均相对湿度值和日累计降水量。对异常缺失数据进行剔除和补充，计算出31个辐射站点2010-2012年平均气温值、2010-2012年平均地表气温值、2010-2012年累计照时数值、2010-2012年平均相对湿度值和2010-2012年累计降水量。在ArcGIS9.3中，采用Kriging插值法进行插值[12-13]，分辨率为100 m，并以湖北省矢量边界为掩膜，裁剪出研究区域的气象数据。

1.2 土壤数据

土壤基础数据，来源于中国西部环境与生态科学数据中心，数据分辨率为100 m。基础数据包括土壤ph值、土壤厚度和土壤含沙量，在ArcGIS9.3中，对原始数据进行投影坐标设置，以湖北省边界为掩膜，裁剪出研究区域的土壤数据。

1.3 DEM数据

本文使用的DEM数据来源于国际科学数据服务平台，原始数据分辨率90 m，时间为2009年，研究区范围内共6幅标准分幅的高程DEM数据，对数据进行拼接和裁边，异常值平滑处理，在ArcGIS9.3中，以湖北省矢量边界为掩膜，裁剪出研究区域的高程DEM数据，并将数据重采样为分辨率100 m的数据。

1.4 其他数据

其它研究数据均引自湖北省林业调查规划院和湖北省林业厅林木种苗管理总站法定的调查数据和统计数据，主要包括湖北省矢量边界、湖北省县市矢量边界、湖北省林木良种基地档案资料、湖北省林木良种审定档案资料、湖北省林木良种补贴档案资料、2011-2012年湖北省各县市林木穗条采收情况统计表和2011-2012年湖北省各县市林木育苗情况统计表等。首先，以县市为单位在湖北省县市矢量边界图形上添加属性信息，属性信息分别为：该县市是否有杨树良种基地、杨树良种基地种源是否清楚、杨树良种基地是否有技术支撑、杨树良种基地是否进行子代林测定工作、杨树良种基地是否有自己选育的杨树品种、该县市是否有苗木补贴、该县市是否有良种基地补贴、该县市劳动力情况、该县市杨树产业十二五规划发展规模、该县市杨树穗条产量、该县市杨树育苗面积和该县市杨树种植面积。再分别依据12个属性值，利用ArcInfo->Conversion Tools->To Raster->Feature to Raster 功能模块，将湖北省县市矢量边界图形转换成对应的单因子栅格数据图层，输出的分辨率为100 m。

对于不能直接获得的数据，采用了分析、实验和调查的方法。利用遥感分类方法和目视解译相结合的方法，在航测图上提取高速公路信息生成高速公路图层，运用ARCGIS9.3的Buffer功能分析后转换成对应的栅格数据图层，输出的分辨率为100 m。

2 研究方法

2.1 评价指标选取

根据湖北省杨树良种基地的现状及特点并且结合杨树良种基地布局适宜性评价一些公认性指标，确定从立地条件(B1)、杨树良种基地建设现状(B2)、杨树产业环境(B3)、杨树产业现状(B4)4个方面(含有22个影响因子)来构建湖北省杨树良种基地布局适宜性评价体系。

立地条件。立地条件在林业生产中，影响林木的生长发育、形态和生理活动。湖北引种栽培的意杨及欧美杨杂交种，多属南方型栽培品种，对温度较为敏感，不太抗寒。当7月份日平均气温升高到30℃以上时，幼树树高日平均生长量可达4.4 cm，最大可达5.5 cm。杨树属阳性树种，非常喜光，年降水量要求一般在800～1 200 mm。杨树属中生或中湿生植物类型，其蒸腾强度大，在整个营养生长期内，要有一个湿润的土壤条件。湖北杨树栽培区的土壤类型以冲积土为主，土层厚度多数在1 m以上。因此，选取海拔(C1)、2010-2012年平均气温(C2)、2010-2012年累计日照(C3)、2010-2012年平均地温(C4)、2010-2012年平均相对湿度(C5)、2010-2012年累计降水(C6)、土壤ph值(C7)、土壤厚度(C8)和土壤含沙量(C9)9个主要影响因子作为评价因子。

杨树良种基地建设现状。杨树是多年生木本植物，一般都要栽培3 a以上，才能达到树高与胸径的生长盛期，所以要充分利用现有的杨树良种基地资源。因为一些基地选育方向不明，技术不够规范，缺乏专家指导，发展后劲不足，所以在评价现有的杨树良种基地硬件设施的同时，也要对其软实力进行综合评价。因此，杨树良种基地建设现状选取该县市是否有杨树良种基地(C10)、杨树良种基地种源是否清楚(C11)、杨树良种基地是否有技术支撑(C12)、杨树良种基地是否进行子代林测定工作(C13)和杨树良种基地是否有自己选育的杨树品种(C14)5个主要影响因子作为评价因子。

杨树产业环境。面对市场经济，穗条生产如随市场情况调节，很难保证不出现断档之虞。常听到企业老总说：“现在我们这里某某小苗已经没人搞了，也没人播种了，因为不挣钱。”如此，作为公益事业的良种事业必须得到政府的支持。相关政策的不断倾斜、支持资金的逐步到位，在我国建设现代林业和林农增收的过程中起到支点作用[12]。因此，杨树产业环境选取该县市是否有苗木补贴(C15)、该县市是否有良种基地补贴(C16)、该县交通情况(C17)和该县市劳动力情况(C18)4个主要影响因子作为评价因子。

杨树产业现状。4C营销理论中的Customer(顾客)主要指顾客的需求，企业必须首先了解和研究顾客，根据顾客的需求来提供产品。杨树产业发展规模大小也要根据市场的需求程度来确定。因此，杨树产业现状选取该县市杨树产业十二五规划发展规模(C19)、该县市杨树穗条产量(C20)、该县市杨树育苗面积(C21)和该县市杨树种植面积(C22)4个主要影响因子作为评价因子。

2.2 指标权重确定

在对湖北省杨树良种基地布局适宜性评价中运用层次分析法来确定指标权重。首先，建立目标层、准则层及方案层，然后构建判断矩阵，第一步构建一级指标的判断矩阵，第二步构建二级指标的判断矩阵。设B1、B2、B3、B4分别代表立地条件、杨树良种基地建设现状、杨树产业环境、杨树产业现状。采用9级数值标度法，算出各个影响因子对湖北省杨树良种基地布局影响的权重[14]。再将运算结果进行一致性检验，公式是CR=CI/RI，经检验CR<0.1，表明通过一次性检验，结果见表1。采用同样方法进行二级指标判断矩阵的构建，计算出相应权重，然后进行一次性检验，结果见表2～表5。

表1 判断矩阵A-B

表2 判断矩阵B1-C1-9

表3 判断矩阵B2-C10-14

表4 判断矩阵B3-C15-18

表5 判断矩阵B4-C19-22

2.3 评价体系构建

为达到评价目的，把评价标准分成五级，分别赋值1、3、5、7、9，见表6。

表6 适宜性评价标准具体赋值表

2.4 评价因素叠加分析

在数据来源和处理中，已经建立好单因子图层信息，并且已经将矢量数据转换为栅格数据，在这里，根据适宜性评价标准具体赋值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify 功能模块，将数据再进一步的划分等级，给每个等级附上属性值，规定数值越大越适合杨树良种基地建设；再根据层次分析法确定的权重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator 功能模块，计算得出加权叠加分析的结果。

根据适宜性评价标准具体赋值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify 功能模块，将C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8和C9，9个单因子栅格数据再进一步的划分等级，给每个等级附上属性值，再根据表2 判断矩阵 B1-C1-9确定的权重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator 功能模块，计算得出加权叠加分析的立地条件适宜性分布图，如图1所示。

图1 立地条件适宜性分布图

根据适宜性评价标准具体赋值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify 功能模块，将C10、C11、C12、C13、C14，5个单因子栅格数据再进一步的划分等级，给每个等级附上属性值，再根据表3 判断矩阵 B2-C10-14确定的权重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator 功能模块，计算得出加权叠加分析的建设现状适宜性分布图，如图2所示。

图2 建设现状适宜性分布图

根据适宜性评价标准具体赋值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify 功能模块，将C15、C16、C17、C18，4个单因子栅格数据再进一步的划分等级，给每个等级附上属性值，再根据表4判断矩阵B3-C15-18确定的权重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator功能模块，计算得出加权叠加分析的产业环境适宜性分布图，如图3所示。

根据适宜性评价标准具体赋值表，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Reclassify功能模块，将C19、C20、C21、C22，4个单因子栅格数据再进一步的划分等级，给每个等级附上属性值，再根据表5判断矩阵B4-C19-22确定的权重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator功能模块，计算得出加权叠加分析的产业发展适宜性分布图，如图4所示。

图3 产业环境适宜性分布图

图4 产业发展适宜性分布图

将以上加权叠加分析得到的立地条件适宜性分布图、建设现状适宜性分布图、产业环境适宜性分布图、产业发展适宜性分布图四个栅格数据，根据表1判断矩阵A-B确定的权重，利用ArcInfo->Spatial Analyst->Raster Calculator功能模块，计算得出加权叠加分析的湖北省杨树良种基地布局适宜性分布图，如图5所示。

图5 湖北省杨树良种基地布局适宜性分布图

3 结果分析

从湖北省立地条件的角度考虑，由立地条件适宜性分布图可知，湖北省中部地区的监利县、潜江市、江陵县、石首市、仙桃市、洪湖市和湖北省东南部地区的嘉鱼县、赤壁市、江夏区、咸安区、华容区、梁子湖区、黄州区、团风县、新洲区为平原湖区，年平均气温16℃以上，降雨量充足，土壤条件好，因此，立地条件适宜杨树的生长。

从湖北省杨树良种基地建设现状的角度考虑，由建设现状适宜性分布图可知，石首市、公安县、潜江市、荆州区、建始县、嘉鱼县、赤壁市和咸安区建有杨树良种基地。嘉鱼县杨树良种基地的杨树品种“中嘉2号”、“中嘉5号”、“中嘉7号”和“中嘉8号”经湖北省林木品种审定委员会审定为良种。潜江市杨树良种基地的杨树品种“中潜1号”、“中潜2号”和“中潜3号”经湖北省林木品种审定委员会审定为良种。

从湖北省杨树产业环境的角度考虑，由产业环境适宜性分布图可知，23个县市的杨树产业得到政府的政策支持，有苗木补贴或良种基地补贴资金，其中麻城市、英山县、孝昌县、梁子湖区、随县、襄城区和十堰市的交通条件较好，劳动力较充足；阳新县和兴山县的交通条件最好，劳动力最充足。

从湖北省杨树产业发展的角度考虑，由产业发展适宜性分布图可知，石首市、东宝区、南漳县和随县的杨树穗条产量最多，杨树种植面积最大，杨树育苗面积最大，杨树产业十二五规划发展规模最大，最适宜杨树产业发展；潜江市和嘉鱼县的杨树产业发展适宜性较高；松滋市、公安县、江陵县、监利县、洪湖市、赤壁市、钟祥市、安陆市和浠水县的杨树产业发展适宜性一般。

综合考虑立地条件、杨树良种基地建设现状、杨树产业环境和杨树产业发展，从湖北省杨树良种基地布局适宜性分布图可知，石首市、潜江市、嘉鱼县、赤壁市和咸安区适宜建立国家级杨树良种基地；公安县、阳新县、荆州区、监利县和洪湖市适宜建立省级杨树良种基地；江陵县、浠水县、汉川市、随县、麻城市、通山县、新洲区和孝南区适宜建立市县级杨树良种基地。

4 讨论

因为栅格插值运算生成表面主要有3种实现方式：反距离权重插值、样条函数插值和克里格插值。所以，气温、地温、日照、相对湿度和降水栅格数据分别采用那种插值方式取得的效果最真实可靠，需做更进一步的探讨。同样，确定权重的方法有很多，如专家咨询法、专家排序法、层次分析法、秩和比法(RSR)、相关系数法、主成分分析法和因子分析法等，但各种方法均有其优缺点，为了更好地选择确定权重的方法，需做更进一步的探讨。本文仅就湖北省杨树良种基地进行了新的规划布局，同样，湖北省其它主要造林树种良种基地也需要利用地理信息系统和层次分析法相结合的方法进行新的规划布局，以提高林木良种基地的产量和品质，保障湖北省低产林改造、退耕还林、血防林、长防林、荒山造林和石漠化治理工程等项目的用种需求，促进湖北林业生态环境建设的发展步伐。

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