基于RS与GIS的大通县青海云杉分布规律分析

吴雨亭，章 好，李强峰

(青海大学农牧学院农林系，青海 西宁 810016)

青海云杉(PiceacrassifoliaMast.)为松科云杉属乔木，树干较为通直，枝叶生长密集，分布面积广，在中国大陆的青海、甘肃、宁夏、内蒙古等地都有分布，生长在海拔1600～3800 m的山地阴坡、半阴坡及湿润谷地，具有比较强的适应性，耐寒、耐旱和耐瘠薄，是青海省森林植被的建群树种，形成了特有的高海拔森林植被景观，在涵养水源、保持水土以及经济的可持续发展方面都具有十分重要的作用[1-3]。

随着3S技术的广泛应用，3S技术渗透到森林调查与规划、森林灾害监测和损失估计、资源动态监测、森林生态效益评价等众多方面。在林地极其复杂和人为不可控的地理环境下，利用3S技术可大幅度减轻

林业资源调查的工作难度，提高精度和效率。3S技术在监测各种灾害等方面都带来了较大的贡献，且监测森林资源信息时，具有实时性与可靠性[4]。21世纪初，常禹等[5]利用GIS和RS研究长白山自然保护区的森林景观，胥晓等[6]运用3S技术研究冶勒的红豆杉种群分布格局与坡度的关系，曾宏达等[7-8]运用3S技术分析森林的空间分布格局，铁玲等[9]运用3S技术研究林分龄组的空间分布情况；封志明等[10]利用RS和GIS，基于遥感影像数据、DEM数据(Digital Elevation Model，缩写DEM)，定量分析了中老缅交界地区橡胶种植的时空格局及地形因素。丁程锋等[11]以天山中部乌鲁木齐河流域为研究区，运用3S技术研究云杉林的空间分布情况。此后，新疆林业科学院现代林业研究所又以阿勒泰林场乔木林为研究对象，运用3S技术定量分析乔木林与地形因子的空间关系[12]。

青海云杉是大通县森林建群树种，也是造林的主栽树种，本文以大通县的遥感影像和地形图为数据源，采用RS与GIS分析技术，分析大通县青海云杉分布规律，以期为大通县森林经营、造林区划以及青海省林业生态建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

研究区为大通回族土族自治县，位于青海省的东部，祁连山麓的南部，湟水支流北川河流域。介于100°51′—101°56′E、36°43′—37°23′N之间，海拔2280～4622 m。属典型的高原大陆性气候，春季干旱，夏季湿润，秋短冬长，冬季寒冷干燥。年平均气温5.2 ℃，年降水量461 mm左右，年无霜期119 d左右。气候特点为气温较高，作物生长期长。

大通县林业用地98.12 hm2，占全县总面积的21.17%，其中有林地面积21.75 hm2。森林覆盖率为26.4%，森林主要集中分布在大通县的娘娘山和东峡林场以及大通县的宝库等。构成该地区森林植被的主要树种有青海云杉、青杄、祁连圆柏 、油松、山杨、白桦、红桦、糙皮桦等。大通是青海云杉良种基地的主要分布区，青海云杉的占比较大，主要可分为藓类青海云杉林、草类青海云杉林、灌丛青海云杉林3种，在大通河两岸还广泛分布着青海云杉桦树混交林，这也是青海云杉林演替过程种的一个过渡阶段[13]。

1.2 研究内容

1.2.1 数据信息源 大通县1∶50000数字地形图，2019年大通县ETM遥感影像图，现场调查数据。

1.2.2 仪器设备 硬件：电脑、麦哲伦210型手持GPS卫星定位仪、上海华测静态GPS；软件：ArcGIS 10.4、ERDAS 9.2、Excel 2016。

1.2.3 青海云杉分布图的制作 通过ERDAS 9.2软件，将遥感影像光盘中7个单色波段影像进行合成，生成1个7波段文件。确定GCP，即在原始畸变图像空间与标准空间寻找控制点对。本文利用静态GPS在大通县内采集控制点，为河床交汇点和道路交汇点，采集了10个控制点。然后在ERDAS软件下利用所采集的控制点采用多项式变换校正对遥感影像进行几何精校正，控制点的总误差在1个像素以内。在ERDAS软件下对校正后的影像做掩膜运算，就可裁剪出大通县的遥感影像(信息见图1，卫星：Landsat 8，拍摄时间2015年5月，像素分辨率121.94 m)。采用432波段合成图像，通过实地调查，建立青海云杉分类训练区；通过计算机监督分类，获得青海云杉分布栅格图，进行精度评价，评价精度达80%，通过矢量化获得青海云杉分布图层(图2)。

图1 分类前遥感影像

图2 青海云杉分布图

图3 大通县DEM图

图4 坡度和坡向示意图

图5 青海云杉分布图制作路线图

图6 青海云杉地形分布图提取路线图

图7 青海云杉坡度分布图

图8 青海云杉坡度分布饼状图

图9 青海云杉海拔分布图

图10 青海云杉海拔分布饼状图

图11 青海云杉坡向分布图

图12 青海云杉坡向分布饼状图

1.2.4 地形因子的提取

1)提取研究区等高线。生成研究区DEM，首先要对大通县地形图进行地理配准，然后手动勾画等高线图，进行矢量化赋高程及拼接等处理，获得等高线图；再对等高线图进行定义投影，选择地理坐标系；最终输出大通县的等高线矢量化图。

2)生成研究区DEM。DEM是一定范围内规则格网点的平面坐标(X，Y)及其高程(Z)的数据集，主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成的。DEM是对地形地貌的模拟表示，由DEM可以派生出坡向图、坡度图、海拔梯度等信息。在ArcGIS中利用研究区的等高线生成研究区的DEM，本文用规则的网格法(Grid)生成DEM，利用ArcGIS中的三维分析得到大通县的DEM(图3)。

3)根据DEM提取海拔梯度、坡向、坡度图。本文的主导因子为海拔、坡度、坡向3个因子，在ArcGIS 10.4系统中通过Spatial Anaylst工具中的表面分析，进行坡向(Aspect)和坡度(Slope)分析，分别得到坡向图和坡度图，海拔图则可由DEM图直接获得。再进行矢量化，获得坡向、坡度图、海拔矢量化图层。

其中，海拔依据研究区实际情况划分，以2200 m为基准，每增加300 m为1级，共划分为7级：2200～2500、2500～2800、2800～3100、3100～3400、3400～3700、3700～4000、4000～4300 m。坡度划分为6个等级(图4A)：平坡(0～5°)、缓坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°)、险坡(>45°)。坡向划分：将二维平面分布图以正北方向为起点，顺时针将坡向分割为6个区间(图4B)：阴坡(0～45°、315°～360°)、东北坡(45°～90°)、东南坡(90°～135°)、阳坡(135°～225°)、西南坡(225°～270°)、西北坡(270°～315°)。

1.3 研究方法及技术路线图

1.3.1 研究方法 运用ArcGIS 10.4，将大通县青海云杉分布图分别与海拔、坡向、坡度分级图进行叠加分析，得到青海云杉在海拔、坡向、坡度上的分布面积，并计算青海云杉在各地形因子上的面积比。运用Excel分析，得到研究区青海云杉在海拔、坡向、坡度等因子上的分布直方图。

1.3.2 技术路线图

1)青海云杉分布图的制作，见图5。

2)地形分布图的提取，见图6。

1.4 数据统计与分析

采用Excel软件分析处理数据，并制表；运用ArcGIS 10.4将大通县青海云杉分布图分别与海拔、坡向、坡度分级图进行叠加分析；通过ERDAS 9.2软件，将遥感影像光盘中7个单色波段影像进行合成，最终生成一个7波段文件。

2 结果与分析

2.1 青海云杉的坡度分布规律分析

将青海云杉分布图与坡度图叠加后得到青海云杉坡度分布图(图7)。青海云杉坡度分布情况分析见图8。由图8可知，研究区青海云杉分布在缓坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)，占比达到96.77%。其中，斜坡分布最多，占59.29%，其次是缓坡，占19.86%，陡坡占17.62%。平坡(0～5°)、急坡(36°～45°)、险坡(>45°)几乎不分布。

2.2 青海云杉的海拔分布规律分析

将青海云杉分布图与海拔图叠加后得到青海云杉海拔分布图(图9)。青海云杉的海拔分布情况见图10。由图10可知，研究区青海云杉集中分布在海拔2500～3400 m，占比达到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%，其余海拔区间未见分布。

2.3 青海云杉的坡向分布规律分析

将青海云杉分布图与坡向图叠加后得到青海云杉坡向分布图(图11)。青海云杉的坡向分布情况见图12。由图12可知，研究区青海云杉在阴坡占24.47%，半阴坡(西北坡和东北坡)占33.60%，阳坡占11.23%，半阳坡(西南坡和西北坡)占28.19%。

3 结论与讨论

3.1 结论

坡度上，青海云杉分布在缓坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°) 、陡坡(26°～35°)三者的占比达到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的占比达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，主要分布在阴坡、半阴坡(西北坡和东北坡)、半阳坡(西南坡和东南坡)。其中，阴坡和半阴坡分布最多，占60.58%；半阳坡占28.19%。表明大通县青海云杉适宜生长在斜坡，海拔2500～3400 m，阴坡、半阴坡的区域。

3.2 讨论

1)坡度与山地的太阳辐射分布有关，不同坡度的山坡，因太阳投射角度不同，其所获得的太阳辐射也有所差异，间接导致了气温、土温、水分及其它生态因子的变化。在一定海拔条件下，平坡(0～5°)和缓坡(6°～15°)因坡度小接受到的太阳光照比其它坡度大，相应的水分蒸发量也比其它坡度大。因此，平坡、缓坡由于土壤水分少，不适宜青海云杉的生长，所以青海云杉在平坡和缓坡分布较少。而陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°) 、险坡(>45°)又由于坡度过大，导致水分流失严重，使土壤水分较少，也不利于青海云杉的生长，所以在陡坡、急坡、险坡青海云杉分布也较少。而斜坡(16°～25°)的水分条件则刚好适宜青海云杉的生长，因此青海云杉在斜坡分布最多。

2)海拔是山坡地形变化最显著，对林木生长影响最大的因素。在山地地区，海拔每升高100 m，温度平均下降0.5～0.6 ℃。在一定条件下，空气湿度和降水量与海拔成正比关系，即海拔升高，空气湿度和降水量也增加。海拔2200～2500 m山地的温度条件能够满足青海云杉的生长需要，但由于水分条件不足以及人为因素(如放牧破坏青海云杉幼苗，影响其天然更新速度)等的干扰，导致该海拔区域内青海云杉分布较少；海拔2500～3400 m的山地地形可以充当一个天然屏障，对青海云杉起到保护作用。这一海拔区域的水分以及温度条件能够满足青海云杉的生长需要，且在该海拔区域内青海云杉的林型比较完整，有利于促进内部的水热循环，保持其生长所需要的水分和温度条件，因此青海云杉在该海拔区间内的分布面积最大；海拔>3400 m的山地虽然降水量充足，但由于温度太低(限制了青海云杉林木种子的萌发、生长)，风力太大，不宜青海云杉的生长，因此青海云杉在海拔>3400m的范围内分布较少。

3)坡向在山地地区主要影响降水量的分布，阴坡和半阴坡是迎风坡，降水量比较充足，可以满足青海云杉对水分的生长需要；而阳坡和半阳坡是背风坡，降水量相对来说比较少，且阳坡和半阳坡日照时间长，辐射强度大，导致水分蒸发量也大，不能满足青海云杉对水分的生长需求，因此，阴坡和半阴坡青海云杉的分布比阳坡和半阳坡多。纯天然青海云杉林在正阳坡没有分布，本文中划分的坡向阳坡(135°～225°)是一个大的范围，且分布有人工林，因此青海云杉在阳坡有少量分布。