吳雨亭，章 好，李強(qiáng)峰

(青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院農(nóng)林系，青海 西寧 810016)

青海云杉(PiceacrassifoliaMast.)為松科云杉屬喬木，樹干較為通直，枝葉生長密集，分布面積廣，在中國大陸的青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地都有分布，生長在海拔1600～3800 m的山地陰坡、半陰坡及濕潤谷地，具有比較強(qiáng)的適應(yīng)性，耐寒、耐旱和耐瘠薄，是青海省森林植被的建群樹種，形成了特有的高海拔森林植被景觀，在涵養(yǎng)水源、保持水土以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展方面都具有十分重要的作用[1-3]。

隨著3S技術(shù)的廣泛應(yīng)用，3S技術(shù)滲透到森林調(diào)查與規(guī)劃、森林災(zāi)害監(jiān)測和損失估計(jì)、資源動態(tài)監(jiān)測、森林生態(tài)效益評價等眾多方面。在林地極其復(fù)雜和人為不可控的地理環(huán)境下，利用3S技術(shù)可大幅度減輕

林業(yè)資源調(diào)查的工作難度，提高精度和效率。3S技術(shù)在監(jiān)測各種災(zāi)害等方面都帶來了較大的貢獻(xiàn)，且監(jiān)測森林資源信息時，具有實(shí)時性與可靠性[4]。21世紀(jì)初，常禹等[5]利用GIS和RS研究長白山自然保護(hù)區(qū)的森林景觀，胥曉等[6]運(yùn)用3S技術(shù)研究冶勒的紅豆杉種群分布格局與坡度的關(guān)系，曾宏達(dá)等[7-8]運(yùn)用3S技術(shù)分析森林的空間分布格局，鐵玲等[9]運(yùn)用3S技術(shù)研究林分齡組的空間分布情況；封志明等[10]利用RS和GIS，基于遙感影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)(Digital Elevation Model，縮寫DEM)，定量分析了中老緬交界地區(qū)橡膠種植的時空格局及地形因素。丁程鋒等[11]以天山中部烏魯木齊河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，運(yùn)用3S技術(shù)研究云杉林的空間分布情況。此后，新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所又以阿勒泰林場喬木林為研究對象，運(yùn)用3S技術(shù)定量分析喬木林與地形因子的空間關(guān)系[12]。

青海云杉是大通縣森林建群樹種，也是造林的主栽樹種，本文以大通縣的遙感影像和地形圖為數(shù)據(jù)源，采用RS與GIS分析技術(shù)，分析大通縣青海云杉分布規(guī)律，以期為大通縣森林經(jīng)營、造林區(qū)劃以及青海省林業(yè)生態(tài)建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

研究區(qū)為大通回族土族自治縣，位于青海省的東部，祁連山麓的南部，湟水支流北川河流域。介于100°51′—101°56′E、36°43′—37°23′N之間，海拔2280～4622 m。屬典型的高原大陸性氣候，春季干旱，夏季濕潤，秋短冬長，冬季寒冷干燥。年平均氣溫5.2 ℃，年降水量461 mm左右，年無霜期119 d左右。氣候特點(diǎn)為氣溫較高，作物生長期長。

大通縣林業(yè)用地98.12 hm2，占全縣總面積的21.17%，其中有林地面積21.75 hm2。森林覆蓋率為26.4%，森林主要集中分布在大通縣的娘娘山和東峽林場以及大通縣的寶庫等。構(gòu)成該地區(qū)森林植被的主要樹種有青海云杉、青杄、祁連圓柏 、油松、山楊、白樺、紅樺、糙皮樺等。大通是青海云杉良種基地的主要分布區(qū)，青海云杉的占比較大，主要可分為蘚類青海云杉林、草類青海云杉林、灌叢青海云杉林3種，在大通河兩岸還廣泛分布著青海云杉樺樹混交林，這也是青海云杉林演替過程種的一個過渡階段[13]。

1.2 研究內(nèi)容

1.2.1 數(shù)據(jù)信息源 大通縣1∶50000數(shù)字地形圖，2019年大通縣ETM遙感影像圖，現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)。

1.2.2 儀器設(shè)備 硬件：電腦、麥哲倫210型手持GPS衛(wèi)星定位儀、上海華測靜態(tài)GPS；軟件：ArcGIS 10.4、ERDAS 9.2、Excel 2016。

1.2.3 青海云杉分布圖的制作 通過ERDAS 9.2軟件，將遙感影像光盤中7個單色波段影像進(jìn)行合成，生成1個7波段文件。確定GCP，即在原始畸變圖像空間與標(biāo)準(zhǔn)空間尋找控制點(diǎn)對。本文利用靜態(tài)GPS在大通縣內(nèi)采集控制點(diǎn)，為河床交匯點(diǎn)和道路交匯點(diǎn)，采集了10個控制點(diǎn)。然后在ERDAS軟件下利用所采集的控制點(diǎn)采用多項(xiàng)式變換校正對遙感影像進(jìn)行幾何精校正，控制點(diǎn)的總誤差在1個像素以內(nèi)。在ERDAS軟件下對校正后的影像做掩膜運(yùn)算，就可裁剪出大通縣的遙感影像(信息見圖1，衛(wèi)星：Landsat 8，拍攝時間2015年5月，像素分辨率121.94 m)。采用432波段合成圖像，通過實(shí)地調(diào)查，建立青海云杉分類訓(xùn)練區(qū)；通過計(jì)算機(jī)監(jiān)督分類，獲得青海云杉分布柵格圖，進(jìn)行精度評價，評價精度達(dá)80%，通過矢量化獲得青海云杉分布圖層(圖2)。

圖1 分類前遙感影像

圖2 青海云杉分布圖

圖3 大通縣DEM圖

圖4 坡度和坡向示意圖

圖5 青海云杉分布圖制作路線圖

圖6 青海云杉地形分布圖提取路線圖

圖7 青海云杉坡度分布圖

圖8 青海云杉坡度分布餅狀圖

圖9 青海云杉海拔分布圖

圖10 青海云杉海拔分布餅狀圖

圖11 青海云杉坡向分布圖

圖12 青海云杉坡向分布餅狀圖

1.2.4 地形因子的提取

1)提取研究區(qū)等高線。生成研究區(qū)DEM，首先要對大通縣地形圖進(jìn)行地理配準(zhǔn)，然后手動勾畫等高線圖，進(jìn)行矢量化賦高程及拼接等處理，獲得等高線圖；再對等高線圖進(jìn)行定義投影，選擇地理坐標(biāo)系；最終輸出大通縣的等高線矢量化圖。

2)生成研究區(qū)DEM。DEM是一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)(X，Y)及其高程(Z)的數(shù)據(jù)集，主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，是通過等高線或相似立體模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(包括采樣和量測)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成的。DEM是對地形地貌的模擬表示，由DEM可以派生出坡向圖、坡度圖、海拔梯度等信息。在ArcGIS中利用研究區(qū)的等高線生成研究區(qū)的DEM，本文用規(guī)則的網(wǎng)格法(Grid)生成DEM，利用ArcGIS中的三維分析得到大通縣的DEM(圖3)。

3)根據(jù)DEM提取海拔梯度、坡向、坡度圖。本文的主導(dǎo)因子為海拔、坡度、坡向3個因子，在ArcGIS 10.4系統(tǒng)中通過Spatial Anaylst工具中的表面分析，進(jìn)行坡向(Aspect)和坡度(Slope)分析，分別得到坡向圖和坡度圖，海拔圖則可由DEM圖直接獲得。再進(jìn)行矢量化，獲得坡向、坡度圖、海拔矢量化圖層。

其中，海拔依據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況劃分，以2200 m為基準(zhǔn)，每增加300 m為1級，共劃分為7級：2200～2500、2500～2800、2800～3100、3100～3400、3400～3700、3700～4000、4000～4300 m。坡度劃分為6個等級(圖4A)：平坡(0～5°)、緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°)、險(xiǎn)坡(>45°)。坡向劃分：將二維平面分布圖以正北方向?yàn)槠瘘c(diǎn)，順時針將坡向分割為6個區(qū)間(圖4B)：陰坡(0～45°、315°～360°)、東北坡(45°～90°)、東南坡(90°～135°)、陽坡(135°～225°)、西南坡(225°～270°)、西北坡(270°～315°)。

1.3 研究方法及技術(shù)路線圖

1.3.1 研究方法 運(yùn)用ArcGIS 10.4，將大通縣青海云杉分布圖分別與海拔、坡向、坡度分級圖進(jìn)行疊加分析，得到青海云杉在海拔、坡向、坡度上的分布面積，并計(jì)算青海云杉在各地形因子上的面積比。運(yùn)用Excel分析，得到研究區(qū)青海云杉在海拔、坡向、坡度等因子上的分布直方圖。

1.3.2 技術(shù)路線圖

1)青海云杉分布圖的制作，見圖5。

2)地形分布圖的提取，見圖6。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel軟件分析處理數(shù)據(jù)，并制表；運(yùn)用ArcGIS 10.4將大通縣青海云杉分布圖分別與海拔、坡向、坡度分級圖進(jìn)行疊加分析；通過ERDAS 9.2軟件，將遙感影像光盤中7個單色波段影像進(jìn)行合成，最終生成一個7波段文件。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海云杉的坡度分布規(guī)律分析

將青海云杉分布圖與坡度圖疊加后得到青海云杉坡度分布圖(圖7)。青海云杉坡度分布情況分析見圖8。由圖8可知，研究區(qū)青海云杉分布在緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°)、陡坡(26°～35°)，占比達(dá)到96.77%。其中，斜坡分布最多，占59.29%，其次是緩坡，占19.86%，陡坡占17.62%。平坡(0～5°)、急坡(36°～45°)、險(xiǎn)坡(>45°)幾乎不分布。

2.2 青海云杉的海拔分布規(guī)律分析

將青海云杉分布圖與海拔圖疊加后得到青海云杉海拔分布圖(圖9)。青海云杉的海拔分布情況見圖10。由圖10可知，研究區(qū)青海云杉集中分布在海拔2500～3400 m，占比達(dá)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%，其余海拔區(qū)間未見分布。

2.3 青海云杉的坡向分布規(guī)律分析

將青海云杉分布圖與坡向圖疊加后得到青海云杉坡向分布圖(圖11)。青海云杉的坡向分布情況見圖12。由圖12可知，研究區(qū)青海云杉在陰坡占24.47%，半陰坡(西北坡和東北坡)占33.60%，陽坡占11.23%，半陽坡(西南坡和西北坡)占28.19%。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

坡度上，青海云杉分布在緩坡(6°～15°)、斜坡(16°～25°) 、陡坡(26°～35°)三者的占比達(dá)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的占比達(dá)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，主要分布在陰坡、半陰坡(西北坡和東北坡)、半陽坡(西南坡和東南坡)。其中，陰坡和半陰坡分布最多，占60.58%；半陽坡占28.19%。表明大通縣青海云杉適宜生長在斜坡，海拔2500～3400 m，陰坡、半陰坡的區(qū)域。

3.2 討論

1)坡度與山地的太陽輻射分布有關(guān)，不同坡度的山坡，因太陽投射角度不同，其所獲得的太陽輻射也有所差異，間接導(dǎo)致了氣溫、土溫、水分及其它生態(tài)因子的變化。在一定海拔條件下，平坡(0～5°)和緩坡(6°～15°)因坡度小接受到的太陽光照比其它坡度大，相應(yīng)的水分蒸發(fā)量也比其它坡度大。因此，平坡、緩坡由于土壤水分少，不適宜青海云杉的生長，所以青海云杉在平坡和緩坡分布較少。而陡坡(26°～35°)、急坡(36°～45°) 、險(xiǎn)坡(>45°)又由于坡度過大，導(dǎo)致水分流失嚴(yán)重，使土壤水分較少，也不利于青海云杉的生長，所以在陡坡、急坡、險(xiǎn)坡青海云杉分布也較少。而斜坡(16°～25°)的水分條件則剛好適宜青海云杉的生長，因此青海云杉在斜坡分布最多。

2)海拔是山坡地形變化最顯著，對林木生長影響最大的因素。在山地地區(qū)，海拔每升高100 m，溫度平均下降0.5～0.6 ℃。在一定條件下，空氣濕度和降水量與海拔成正比關(guān)系，即海拔升高，空氣濕度和降水量也增加。海拔2200～2500 m山地的溫度條件能夠滿足青海云杉的生長需要，但由于水分條件不足以及人為因素(如放牧破壞青海云杉幼苗，影響其天然更新速度)等的干擾，導(dǎo)致該海拔區(qū)域內(nèi)青海云杉分布較少；海拔2500～3400 m的山地地形可以充當(dāng)一個天然屏障，對青海云杉起到保護(hù)作用。這一海拔區(qū)域的水分以及溫度條件能夠滿足青海云杉的生長需要，且在該海拔區(qū)域內(nèi)青海云杉的林型比較完整，有利于促進(jìn)內(nèi)部的水熱循環(huán)，保持其生長所需要的水分和溫度條件，因此青海云杉在該海拔區(qū)間內(nèi)的分布面積最大；海拔>3400 m的山地雖然降水量充足，但由于溫度太低(限制了青海云杉林木種子的萌發(fā)、生長)，風(fēng)力太大，不宜青海云杉的生長，因此青海云杉在海拔>3400m的范圍內(nèi)分布較少。

3)坡向在山地地區(qū)主要影響降水量的分布，陰坡和半陰坡是迎風(fēng)坡，降水量比較充足，可以滿足青海云杉對水分的生長需要；而陽坡和半陽坡是背風(fēng)坡，降水量相對來說比較少，且陽坡和半陽坡日照時間長，輻射強(qiáng)度大，導(dǎo)致水分蒸發(fā)量也大，不能滿足青海云杉對水分的生長需求，因此，陰坡和半陰坡青海云杉的分布比陽坡和半陽坡多。純天然青海云杉林在正陽坡沒有分布，本文中劃分的坡向陽坡(135°～225°)是一個大的范圍，且分布有人工林，因此青海云杉在陽坡有少量分布。