丹霞山阳元石景区丹霞梧桐地理数据库的构建

欧阳杰，张云鹏，庄长伟，王金传，乔 雁，段一男，郑穗芳

（1.广东开放大学 文化传播与设计学院,广东 广州 510091；2.广东理工职业学院,广东 广州 510091；3.南京工业大学 测绘科学与技术学院,江苏 南京 211816；4.广东省环境科学研究院,广东 广州 510045；5.山东省国土测绘院,山东 济宁 250102）

丹霞梧桐是由徐祥浩[1]等于1987年在丹霞山首次发现的新物种,属于国家II级重点保护野生植物[2]。由于珍稀物种潜在的或尚未查明的在医学药用、遗传育种、生殖生态、物种起源等方面的价值,对其加强科研和保护,是全人类所面临的、共同的、迫切的任务。阳元石景区的拓展开发最早始于20世纪90年代初,中山大学的保继刚教授[3]等撰文论述了阳元石景区内枫香、秀丽椎、木荷、乌岗栎、樟树、板栗、杉树等山岳风景植被的重要价值。近年来,国内学者对丹霞山珍稀物种丹霞梧桐的研究有明显“增温”的趋势。笔者[4]于2017年首次对丹霞山核心区阳元山游览区丹霞梧桐密集地带进行了高程、坡度、坡面的微地貌环境分析,提供了丹霞梧桐在小区域地带相对比较准确的空间范围。在生物学研究领域,张薇[5]等发现珍稀濒危植物丹霞梧桐种子存在硬实休眠现象,在自然条件下发芽率极低,试验表明,酸蚀20 min和高温浸种能显著促进丹霞梧桐种子萌发；文亚峰研究员的团队通过实地考察对韶关丹霞山和南雄苍石寨丹霞梧桐进行了数量估计[6-7]。在新技术手段方面,LIU C[8]等和笔者研究团队[9]利用无人机航测进行了珍稀物种丹霞梧桐数据采集的实验研究。在此基础上,结合多年的实地调查数据,笔者[10]对丹霞山核心区珍稀物种丹霞梧桐生态保护红线进行了研究。

1 研究方法

获取珍稀物种的准确数据,再经过空间分析得到准确结论,是制定正确保护决策的基础。本文需要获取两个重要数据:①研究区内丹霞梧桐的数量以及每株丹霞梧桐的位置数据（X、Y坐标）；②研究区高精度的DEM数据。因此,如何获取准确数据是本文的必要条件。传统的野外调查采用GPS定位,获取的研究区珍稀物种丹霞梧桐的位置数据具有直观、可信度高的优点,有助于研究者总结研究区珍稀物种丹霞梧桐空间分布的微地貌环境规律。然而,在无道路可进入的丹霞地貌区以及树木遮蔽视线观测不到的地带,都会产生目测统计数据的误差,影响后期分析的准确性。同时,珍稀物种丹霞梧桐大多分布在丹霞崖壁上,利用传统的GPS定位获取每株丹霞梧桐的位置数据难度很大。即使在完成GPS定位数据采集后,高精度的DEM数据是影响空间分析结论准确性的另一个重要限制条件,若DEM数据不够准确,则通过位置数据计算得到的丹霞梧桐海拔高度以及坡面和坡度数据就会产生误差,从而影响后期空间分析的准确度。利用传统的人工测量方式获取的研究区DEM数据精度较高,但无疑会大大提高人力、物力、时间和经费成本。

解决丹霞梧桐位置数据和高精度DEM数据获取的最好办法是将野外人工调查与无人机航测获取数据相结合,优势互补。目前,无人机低空摄影测量技术可快速完成1∶2 000地面正射影像图和高精度DEM数据的制作（地面分辨率可达0.2 m）；带有地面像控点的无人机航测影像数据的精度可满足1∶500制图的要求（地面分辨率可达5 cm）,在珍稀物种资源调查数据获取等方面极具应用推广的价值。

为获取研究区丹霞梧桐位置数据和DEM数据,笔者团队于2017年10月29日采用多旋翼大疆无人机（DJI-Phantom 4 Pro V2.0）航测了研究区2 km2的范围。主要航测参数设置为:相机平行于主航线、等距间隔拍照,航高为290.3 m,飞行速度为9.6 m/s,航向重叠度和旁向重叠度均为75%,拍摄间隔为8.0 s,单幅照片大小为190.04 cm×108.59 cm,地面分辨率为12.6 cm/px,共获取435幅影像数据（总计2.99 GB）。顺利完成无人机数据采集工作后,利用Agisoft PhotoScan软件进行影像拼接,制作航测区的正射影像图和DEM数据,如图1所示。

图1 利用PhotoScan软件制作的航测区正射影像图和DEM数据

2 航测区丹霞梧桐地理数据库的构建

2.1 栅格数据裁剪、批量分割、目标识别

首先将PhotoScan软件生产的影像数据和DEM数据导入ArcGIS10.5软件中,对栅格数据边缘不规则处进行裁剪,获取实际距离长和宽为2 000 m×1 000 m的矩形影像数据和DEM数据；然后利用ArcGIS10.5空间分析模块中的批量提取功能将影像数据按照实地长和宽为100 m×100 m的范围进行批量分割,将经过密集匹配后合成的影像分割成200幅图像,其中第一行从左到右分割序号依次为1-2、1-2、…、1-20,以此类推,最后一行的序号为10-1、10-2、…、10-20；最后在比例尺为1∶1 000的范围内进行目标查找。结果表明,在分割的200幅图像里,有58幅图像上可识别确认出321株珍稀物种丹霞梧桐。通过室内人机交互在大比例尺（1∶1 000）小范围（100 m×100 m的实地距离）的影像数据中查寻特征目标珍稀物种丹霞梧桐,大大提高了准确度和效率,完成了整个航测区321株丹霞梧桐的目标定位,如图2所示。

图2 航测区丹霞梧桐位置目标识别

2.2 丹霞梧桐地理数据库构建

目测识别完成后,在ArcGIS10.5软件中建立丹霞梧桐地理数据库（.gdb）,并将裁减后的影像数据、DEM数据、丹霞梧桐位置数据全部导入数据库中。启用ArcGIS10.5空间分析模块中的坡向和坡度分析功能,对DEM数据进行计算,生成航测区的坡向数据和坡度数据并导入数据库。丹霞梧桐地理数据库中存储了经过裁剪的实地面积为2 km2的影像数据、DEM数据、丹霞梧桐位置（点）数据以及通过计算获取的坡向数据和坡度数据。在丹霞梧桐地理数据库中,打开丹霞梧桐位置图层表属性,通过Calculate Geometry功能计算表中每株丹霞梧桐的点坐标（X、Y值）；通过ArcToolbox-Spatial analyst tools-Extraction-Extract values to points命令获取航测区每株丹霞梧桐的高程（Z）、坡度（S）和坡向（A）数据（部分数据如表1所示,总计为321株）,为后续数据空间分析做好准备。

表1 数据库中通过计算获取的丹霞梧桐位置、高程、坡向和坡度

3 丹霞梧桐地理数据库的空间分析

3.1 丹霞梧桐分布的高程分析

在ArcGIS10.5中,对航测区丹霞梧桐分布的高程特点进行定量分析。在软件中打开数据库“丹霞梧桐”点图层属性表,对321株丹霞梧桐分布的高程进行统计,结果表明,测区内丹霞梧桐分布在88.79～254.60 m之间,平均海拔高度为159.16m；通过高程分布频率分析发现,在航测区138.1～187.4m的海拔段内,丹霞梧桐出现的频率最大。将丹霞梧桐点数据叠加到DEM数据图层上,在丹霞梧桐点数据属性表中选择“按属性选择”菜单,具体分析丹霞梧桐在不同高程之间的空间分布变化,结果表明,航测区内高程在100～220 m的丹霞梧桐有298株（占总量的92.8%）,即航测区内绝大部分丹霞梧桐都分布在等高线160±60 m的范围内；高程在100 m以下和220 m以上的只有23株（仅占总量的7.2%）。航测区丹霞梧桐空间分布的高程分析如图3所示。

图3 航测区丹霞梧桐空间分布的高程分析

上述数据表明,航测区丹霞梧桐在海拔相对较低的（＜100 m）山脚分布较少,其原因可能是由于山脚相对平坦的地带有着更多的人类生产生活活动,对自然环境的影响较大,导致珍稀物种较少分布。该研究结果反映了进行丹霞山珍稀物种丹霞梧桐基础数据调查研究划定生态保护红线的迫切性,以及保护其生存自然环境的重要性。

3.2 丹霞梧桐分布的坡度分析

利用DEM数据计算得到的坡度图可提供直观的航测区丹霞梧桐在不同坡度的空间分布规律。在ArcGIS10.5环境中, 打开丹霞梧桐地理数据库文件,将丹霞梧桐点数据叠加到坡度数据上,获取测区内丹霞梧桐坡度的空间分布示意图。在点属性内按照属性进行选择查询,并计算发现:丹霞梧桐分布坡度＞30°的占据优势（231株,占总数的74.3%）,坡度＜30°的仅90株。航测区丹霞梧桐密集分布在坡度相对较陡的丹霞崖壁上,这也与实地观察到的狮子岩丹霞崖壁上丹霞梧桐分布较多相吻合。航测区丹霞梧桐空间分布的坡度分析如图4所示。

图4 航测区丹霞梧桐空间分布的坡度分析

从目前航测区丹霞梧桐多长于不利于其他物种生存的丹霞崖壁地带来看,其分布的空间地域非常狭窄,且其果实难以在山脚地带存活发育新种,其生存环境一旦遭到破坏,有可能造成物种灭绝。因此,亟待调查清楚丹霞山珍稀物种丹霞梧桐的基础数据,摸清“家底”,加强珍稀物种丹霞梧桐保护措施等方面的研究。

3.3 丹霞梧桐分布的坡向分析

在ArcGIS10.5中,打开丹霞梧桐地理数据库文件,将丹霞梧桐点数据叠加到坡向数据上,在图层点属性内按照属性进行选择,得到不同坡向的丹霞梧桐数据为:南东65株、南86株、南西45株、西19株、北西34株、北26株、北东24株、东22株。

坡向空间展示如图5所示,航测区丹霞梧桐空间分布的坡向分析如图6所示,可以看出,丹霞梧桐在航测区阳元石景区山体四周均有分布,其主要原因是丹霞山是典型的丹霞地貌,丹霞地貌具有“顶平、坡陡、麓缓”的坡面形态特点,其相对高度并不太大。植物在自然环境状况下,往往会选择最适宜的生存环境,由数据分析可知,在南东（65株）、南（86株）、南西（45株）3个坡向的丹霞梧桐分布相对集中,共计196株,占总数的61.1%；而其他5个坡向丹霞梧桐只占到总数的38.9%,这主要是由于南坡向阳,光照雨水等条件相对较好,珍稀物种丹霞梧桐大多位于丹霞崖壁上,可以满足其耐旱喜光照需雨水的生存条件所导致的。

图5 航测区丹霞梧桐坡向空间展示图

图6 航测区丹霞梧桐空间分布的坡向分析

本文分别从高程、坡度、坡向3个微地貌层面对航测区珍稀物种丹霞梧桐地理数据库进行了空间定量分析,得到的主要结论为:航测区内发现的321株丹霞梧桐,有92.8%（298株）分布在海拔160±60 m的范围内；丹霞梧桐的空间分布受坡度影响较明显,有74.3%（231株）的丹霞梧桐分布在坡度＞30°的丹霞崖壁地带；在航测区的南东（65株）、南（86株）、南西（45株）3个向阳坡向上,丹霞梧桐分布集中,约占总数的61.1%（196株）。研究区丹霞梧桐多集中分布在阳坡与王卫[11]等最新研究结论一致。

4 结 语

本文采用多旋翼无人机（DJI-Phantom 4 Pro V2.0）航测丹霞山阳元石景区,获取了高精度影像数据,并制作了航测区正射影像图和DEM数据。研究表明,在航测区内发现的321株丹霞梧桐,大部分（298株,占总数的92.8%）分布在海拔160±60 m的范围内；74.3%（231株）的丹霞梧桐分布在坡度＞30°的丹霞崖壁地带；在航测区的南东（65株）、南（86株）和南西（45株）3个向阳坡向上,丹霞梧桐分布集中,约占总数的61.1%（196株）。珍稀丹霞梧桐地理数据库的构建,不仅可提供每株丹霞梧桐精准的位置、高程、坡度、坡向等微地貌的准确信息,还可提供丹霞梧桐在不同高程、坡度和坡向上的空间分布图谱,为珍稀物种资源保护与研究提供可靠的依据,是丹霞山珍稀物种丹霞梧桐生态保护红线能够准确落地的基石。