基于DEM 的鸡笼山国家森林公园地形因子及森林资源分布相关性分析

邵加云，何圣兵

（和县鸡笼山林场，安徽 马鞍山238200）

数字高程模型（Digital Elevation Model），简称DEM，其建立是对地理信息系统必要的补充。在地理信息系统平台上利用DEM自动提取地形因子进行空间分析，具有快速、科学、客观等特点，可以部分取代传统作业中繁杂的野外实地观测，在数字林业建设中有良好的应用前景[1-5]。DEM是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型（Digital Terrain Model，简称DTM）的一个分支，其他各种地形特征值均可由此派生[6-7]。

DEM 栅格影像中包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等，利用地理信息系统相关软件，使其与森林资源数据库叠加分析后可以得到一系列与森林资源相关的数据，通过分析其内在关系可以提炼出有价值的信息，供森林资源管理使用。

1 研究区概况

鸡笼山国家森林公园位于118°04′～118°24′E、32°22′～32°30′N，在安徽省和县境内，地处江淮丘陵地区东部，距和县县城20 km，群山环拱、一峰独雄、状若鸡笼，故名鸡笼山。道家《洞天福地记》称其为“第四十二福地”，素有“江北第一名山”之称。

鸡笼山国家森林公园总面积4 500 hm2。公园内植被茂密、绿树成荫、气候宜人、空气清新，属于北亚热带气候，四季分明、气候温和、雨量适中、光照充足。年平均温度15.7 ℃，极端最高温度40 ℃，极端最低气温-13.2 ℃，年平均活动积温5 728.5 ℃；年平均降雨量1 006.3 mm；全年日照时数2 l26.1 h，平均无霜期232 d。

森林公园内地带性植被以落叶阔叶林为主，含少量乔灌木树种的落叶与常绿混交林。境内植物种类繁多，资源丰富，主要树种有马尾松（Pinus massoniana）、火炬松（Pinus taeda）、柏木（Cupressus funebris）、香樟（Cinnamomum camphora）、银 杏（Ginkgo biloba）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、朴树（Celtis sinensis）、板栗（Castanea mollissima）、麻栎（Quercus acutissima）、枫香（Liquidambar formosana）、乌桕（Sapium sebiferum）、油茶（Camellia oleifera）、毛竹（Phyllostachys heterocycla cv‘Pubescens’）、野柿（Diospyros kaki var. ilvestris）、 山 胡 椒（Lindera glauca）等200 多种。

2 研究方法

2.1 数据采集

本研究的基础数据包括：森林公园及周边的DEM 栅格影像、1∶10 000 地形图、2014 年森林资源调查数据、2017 年林地一张图数据和森林公园总体规划图等林业资料。

2.2 技术路线

DEM 的建立及相关地形分析技术流程如图1所示。

图1 DEM 的建立及相关地形分析技术流程

2.3 提取地形因子

在ArcMap 软件中，利用Arc-Toolbox 中的数据管理工具/栅格/栅格处理/裁剪工具，将森林公园界线与原始DEM栅格影像叠加并裁切，得到研究区域的DEM影像（见图2），供研究使用。

在ArcCatalog 软件中对文件进行投影设置：高斯——克吕格投影、大地2 000（CGCS 2 000）座标系、按3 度分带（3 Degree），中央经线117（CM117E）。在地理信息系统软件平台ArcMap 下，激活“3D Analyst”扩展模块，进行相应属性设置，得到DEM数据TinGrid，结果见图3。其中，每个栅格单元表示30 m×30 m 的区域。由于鸡笼山的最高高程为315 m，海拔不高，所以直接生成的DEM效果不太明显，在ArcGIS10.2 的另一个应用程序ArcScene 下，设置DEM的基表面高度为20 m×20 m，再对转换单位因子Z 进行加大拉伸，其三维显示效果如图4。

图2 鸡笼山森林公园及周边DEM 影像

图3 裁切后的鸡笼山森林公园DEM 影像

图4 鸡笼山国家森林公园的三维显示

3 结果与分析

3.1 地形分析

3.1.1 坡度分析

在ArcMap 应用程序中加载“3D Analyst”扩展模块进行相应属性设置，按照《森林资源规划设计调查技术规程》（GB/T 26424-2010）对坡度分级的规定，在出现的对框中，将“类”指定为6，在“间隔值”列表中输入间隔值：5，15，25，35，45，90，显示结果如图5 所示。

图5 森林公园坡度分类示意

打开其属性表可以看到属性“SlopeCode”为数值1，2，3，4，5，6，查看矢量图层：TinSlope 中要素属性表，按照坡度分级标准进行坡度分级，其中属性（SlopeCode）1，2，3，4，5，6 分别表示坡度范围平坡（0°～5°）、缓坡（6°～15°）、斜坡（16°～25°）、陡坡（26°～35°）、急坡（36°～45°）、险坡（≥46°）[8]。

由表1 可以看出，鸡笼山国家森林公园土地坡度级以缓坡、斜坡为主，分别占40.56%、34.86%；其次为陡坡，占13.80%；平地占8.24%；急坡和险坡仅占2.41%和0.13%。综合上述情况，可以得出结论：鸡笼山国家森林公园的坡度大多分布在平、缓、斜这三种坡度级，这非常有利于林木的生长，这三种坡度条件下的森林分布应该较为广泛。

表1 鸡笼山国家森林公园各坡度级土地面积统计

3.1.2 坡向分析

在ArcMap 应用程序中加载“3D Analyst”扩展模块进行相应属性设置，根据《森林资源规划设计调查技术规程》（GB/T 26424-2010）对坡向分级的规定，将“类”指定为10，在“间隔值”列表中输入间隔值：0，22.5，67.5，112.5，157.5，202.5，247.5，292.5，337.5，360，结果如图6 所示。

图6 森林公园各坡向土地分布示意

打开其属性表可以看到属性“AspectCode”为数值-1，l，2，3，4，5，6，7，8，9，它们分别表示当前图斑的坡向为平坦、东（67.5°～112.5°）、东南（112.5°～157.5°）、南（157.5°～202.5°）、西南（202.5°～247.5°）、西（247.5°～292.5°）、西北（292.5°～337.5°）、北（337.5°～360°）[2]，其中0°～22.5°和337.5°～360°均代表北方向，在统计的时候进行合并处理。

由表2 可知，坡向为西北的土地面积最大，为910.13 hm2，占20.2%；其次为东南坡位，面积为762.03 hm2，占16.93%；东、西、北坡位面积相当，分别占总面积的12.89%、13.41%和11.13%。

表2 鸡笼山国家森林公园各坡向土地面积统计

根据上述分析可以得知，鸡笼山国家森林公园内的山脉大多为“东北- 西南”走向，与实际情况相符。

由于鸡笼山森林公园所处位置为我国东南部季风区，“东北- 西南”走向的山脉有利于在春夏季在东南部创造降水条件，在冬季阻隔西北部的严寒气流，加上充足的光热条件，可以在山脉的不同坡向位置形成明显的植被分布差异。

3.2 地形与树种（组）关联分析

3.2.1 坡度与树种（组）关联分析

在Arc-Map 应用程序中加载“3D Analyst”扩展模块中的“重分类”工具，对坡度（Slope）进行矢量化处理，得到“RasterT_Reclass”文件与林地“一张图”小班数据库叠加分析，得到“小班_Intersect”文件，统计分析见表3。

由表3 可知，在鸡笼山国家森林公园内，森林资源多分布在缓坡和斜坡地带，其树种组多为火炬松、硬阔、柏木和栎类。火炬松和柏木多为林场人共栽植的，而硬阔多为天然次生树种。

险坡（≥46°）条件下，只有火炬松、柏木、栎类和硬阔、其他软阔有分布，由此可见，这些树种能够适应较恶劣的立地条件，应该对这些树种进行充分保护和合理利用。

3.2.2 坡向与树种（组）关联分析

在Arc-Map 应用程序中加载“3D Analyst”扩展模块中的“重分类”工具，对坡向（Aspect）进行矢量化处理，得到“RasterT_Reclass”文件与林地“一张图”小班数据库叠加分析，得到“小班_Intersect”文件，统计分析见表4。

表3 鸡笼山国家森林公园各树种在不同坡度级上的分布面积统计/hm2

由表4 可知，在鸡笼山国家森林公园内，森林资源分布最多的坡向是西北向，总面积达910.13 hm2，占20.23%；其次为东南向，总面积762.03 hm2，占16.93%。

在西北坡向条件下，分布面积最大的树种为硬阔类（321.14 hm2），其次为火炬松（278.06 hm2）；在东南坡向条件下，分布面积最大的树种仍为硬阔类（296.97 hm2），其次为火炬松（234.12 hm2）。

4 结论

根据对研究区域的DEM栅格影像分析，鸡笼山国家森林公园的地形属于丘陵地区，海拔较低，最高高程仅为315 m，所以得出的DEM 三维效果不明显。利用鸡笼山国家森林公园森林资源调查数据及建立在DEM 的基础上提取的地形因子与森林资源进行叠加分析，得出以下结论：

（1）鸡笼山国家森林公园内土地坡度以缓坡和斜坡为主，面积比例最大，分别为40.56%、34.86%，其余各坡度级土地面积之和也不超过这两种坡度面积之和。由此可知，鸡笼山国家森林公园地形起伏较小，属于丘陵冈地，比较平缓，适合人工造林和植被修复，陡坡、急坡和险坡一起占总面积的16.34%，虽然所占比例不大，但所处生态区位重要，容易引起水土流失，需要得到严格保护。

（2）鸡笼山国家森林公园各坡向土地面积比例最大的为西北向，占20.23%；其次为东南向，占16.93%。这两个坡向正好处在季风方向上，东南方的季风可以带来充足的降水，加上东南部光热条件好，适宜林木生长，容易形成较为完整的森林生态群落。因此，在适地适树的前提下，可以在森林公园的东南坡增加林木的品种，增加森林生物多样性。西北坡的森林可以抵挡冬季西北部的寒流，生态区位较为重要，建议采取封育保育措施，确保恶劣生境条件下的林木得到充分保护。

表4 鸡笼山国家森林公园各树种在不同坡向上的分布面积统计

（3）森林公园内主要树种资源多分布在缓坡和斜坡，其树种（组）多为火炬松、柏木和硬阔类，但是根据分析结果，在险坡（≥46°）条件下，也有火炬松、柏木、栎类和硬阔、其他软阔的分布。由此得知：森林公园内的外松、柏木和硬阔类树木在各种条件下均能健康生长。由于森林公园附近人为活动较为频繁，森林公园内松类感染松材线虫的几率较大，因此，建议后期林相改造以营造阔叶类混交林为主，松类纯林可以考虑采取“抽针补阔”的方法进行逐步改造，使其变为针阔混交林或者阔叶混交林，以提高其抵御病虫害和火灾的风险。

本研究做了鸡笼山国家森林公园的地形因子与森林资源主要是树种之间的相关分析，选取的因子有限，下一步应当提高DEM影像的分辨率，增加更多的因子如土壤、水分和温度等，结合坡度、坡向来分析森林资源的空间分布特性，以便能更好地为国有林场和森林公园森林资源管理提供科学数据。