基于dem的南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)森林景觀空間分布研究

基于dem的南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)森林景觀空間分布研究

1區(qū)域景觀空間分布的重要性環(huán)境的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展是全世界的共同問題。森林作為地球生態(tài)系統(tǒng)的主體，在滿足人類生存和發(fā)展、實現(xiàn)全球生態(tài)平衡以及保護生物多樣性方面發(fā)揮著不可或缺的作用。森林景觀生態(tài)研究是景觀生態(tài)學研究的重點和熱點,森林景觀格局的形成主要受景觀斑塊自身屬性、景觀的組織結(jié)構(gòu)、區(qū)域地形因素等三方面影響。廣東省南嶺國家級自然保護區(qū)是我國生物多樣性保護的關(guān)鍵地區(qū)和開展生態(tài)系統(tǒng)就地保護的重要基地,是我國的生態(tài)敏感區(qū)之一,也是地球同緯度沙漠帶上面積最大的綠洲。一旦南嶺國家級自然保護區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物資源多樣性遭受威脅,將危害到區(qū)域生態(tài)安全格局。因此,加強區(qū)域尺度的森林景觀空間分布研究對認識區(qū)域生態(tài)安全格局具有重大意義。區(qū)域尺度的森林景觀和群落中,非地帶性環(huán)境因子主導著植物的分布格局。在山地森林群落中,地形因子是影響植物分布主要的非地帶性環(huán)境因子。在山地和丘陵地區(qū),地形控制了太陽輻射和降水的空間再分配,往往能營造局部小氣候,改變土壤質(zhì)地,影響土壤水分和養(yǎng)分的分布。環(huán)境因子的控制作用和干擾狀況的復雜性,使得景觀中景觀要素或群落的空間分布規(guī)律并不一定是直觀明確的。通過建立空間分布復合分析模型,去除局部因素影響,探究景觀要素空間分布在一定范圍內(nèi)受到地形因子控制的變化趨勢,是一種有效的數(shù)量化分析方法,能夠有助于從復雜的現(xiàn)實景觀中揭示景觀要素空間分布的基本特征和變化規(guī)律。2南坡氣候條件南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)(乳陽林業(yè)局)位于廣東省韶關(guān)市乳陽瑤族自治縣西北部,地理坐標為24°47′31″—25°1′7″N,112°52′4″—113°7′38″E,總面積為306.7km2。廣東省南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)位于南嶺山脈中段南坡,地質(zhì)構(gòu)造上屬華南褶皺帶的一部分。氣候類型屬典型的亞熱帶溫暖濕潤氣候,具有中山亞熱帶季風氣候特點,因海拔相對高差大,又兼具山地氣候特征。據(jù)乳陽海拔500m氣象站資料,乳陽片區(qū)年平均氣溫17.4℃,年平均降雨量2108mm,降水南、北坡差異顯著,南坡往往比北坡高350—400mm。南嶺山地的成土母巖多為花崗巖等酸性巖類,紅壤類在區(qū)內(nèi)的分布面積最大,一般分布在海拔800m以下的丘陵和低山。區(qū)內(nèi)植物資源豐富,據(jù)不完全統(tǒng)計,區(qū)內(nèi)有苔蘚植物53科115屬206種;蕨類植物43科94屬188種;裸子植物9科20屬30種;被子植物166科802屬2262種。主要森林植被類型有常綠針葉林、常綠針闊混交林、丘陵低山常綠闊葉林、山地常綠闊葉林、山地常綠落葉闊葉混交林、山頂闊葉矮林、山地灌叢草坡。3數(shù)據(jù)和方法的研究3.1遙感資料及方法本研究以SPOT-5衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù)源,采用:2009年10月24日的K282-J300(覆蓋全部研究區(qū)域)的10m多光譜和2.5m全色影像為遙感數(shù)據(jù)源;參考資料主要有:南嶺國家級自然保護區(qū)1:50000地形圖;中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準(LY/T1835-2009);《廣東南嶺國家級自然保護區(qū)總體規(guī)劃(1999至2010年)》。3.2學習方法3.2.1森林景觀類型的多樣性本研究根據(jù)南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)的景觀特點,結(jié)合參考資料、遙感影像的分辨率和研究的需要,綜合森林植被類型、土地利用類型、地形特征中所構(gòu)成的相對同質(zhì)的景觀要素,確定相應的景觀要素分類體系,將研究區(qū)域的景觀類型分為針葉林、常綠闊葉林、針闊混交林、落葉闊葉混交林、山頂闊葉矮林、采伐跡地、耕地、水域、山地草甸、道路、建設用地共11類。本文利用ENVI5.0的幾何校正模塊,通過選擇地面控制點對影像作幾何精校正;在ENVI5.0的FLAASH大氣校正模塊下,利用6S模型對影像作大氣校正,消除遙感圖像中由大氣散射引起的輻射誤差。在解譯過程中,先對影像多光譜數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)據(jù)進行融合,然后建立準確的分類模板進行監(jiān)督分類,再采取人工交互解譯手段對錯分、漏分部分進行糾正,最終完成影像解譯,獲取森林景觀類型分布圖(圖1)。經(jīng)實地調(diào)查驗證,解譯精度達90%以上。3.2.2dem的建立本研究以乳陽片區(qū)的1︰50000地形圖為基本資料建立DEM,掃描柵格圖像之后,利用R2V進行手扶跟蹤矢量化,結(jié)合實際資料進行高程判讀,設置控制點,確保矢量圖層的準確輸出與拼接,另存為shapefile文件,在ArcGIS中進行投影與坐標系設置,內(nèi)插生成TIN模型,轉(zhuǎn)化為規(guī)則格網(wǎng)GRID,從而建立乳陽片區(qū)的DEM?；贏rcGIS9.3軟件平臺,利用其空間分析模塊SpatialAnalyst,對整景數(shù)據(jù)進行數(shù)字地形分析,再裁剪得到研究區(qū)域的各個地形因子。3.2.3坡度、坡向、地形起伏度地表面不同位置的坡度不同,表示地表面在某點的傾斜程度,是既有大小又有方向的量,其模等于地表曲面函數(shù)在某點的切平面與水平面夾角的正切,其方向等于在該斜面兩個互相垂直方向上的坡分量的矢量和。實際應用中,人們通常用“坡度”替換“坡度值”的含義。某一點的坡度在數(shù)值上等于過該點的地表微分單元的法矢量n與垂直方向z之間的夾角(公式1),取值范圍是0°—90°。坡向的定義是地表面上某一點的切平面的法線矢量n在水平面的投影nx0y與過該點的正北方向的夾角,即法方向水平投影向量的方位角。對于地面任何一點來說,坡向表征了該點高程值改變量的最大變化方向。在輸出的坡向數(shù)據(jù)中,正北方向為0°,按順時針方向計算,取值范圍為0°—360°。坡度與坡向是相互聯(lián)系的參數(shù),坡度反應斜坡的傾斜程度,坡向反映斜坡面對的方向。作為地形特征分析和可視化的基本要素,坡度和坡向?qū)τ诰坝^單元的研究是十分重要的。擬合曲面法是求解坡度、坡向的最常用的方法。擬合曲面法一般采用二次曲面,在3×3的DEM柵格窗口中進行,每個柵格中心為一個高程值,分析窗口在DEM數(shù)據(jù)矩陣中連續(xù)移動完成整個區(qū)域的計算工作。坡度是地表曲面函數(shù)z=f(x,y)在東西、南北方向上的高程變化率的函數(shù)。fx是東西方向高程變化率,fy是南北方向高程變化率(公式2)。fx和fy的求解主要有4種算法,在ArcGIS軟件中,采用的算法是三階反距離平方權(quán)差分算法(公式3)。其中,g為格網(wǎng)DEM的間距。坡向可以在DEM數(shù)據(jù)中直接提取(公式4),求出的坡向有與x軸負向夾角之分,此時需要根據(jù)fx和fy的符號進一步確定坡向值。地形起伏度,又稱地勢起伏度、地勢能量、局部地勢、地形相對高度,是指在特定的區(qū)域內(nèi)最大高程與最小高程的差值。地形起伏度是定量描述地貌形態(tài),劃分地貌類型的重要宏觀指標。年輕的近期強烈抬升、褶皺或斷裂形成的形態(tài)多有較大的起伏度,年老的經(jīng)受了夷平作用的地形起伏度較小。地形起伏度與相對高度的區(qū)別在于相對高度指地面點與地方基準的高差,而地形起伏度則與地貌發(fā)育的基準沒有必然聯(lián)系。地形起伏度的計算(公式5)。RFi表示地形起伏度,Hmax為分析窗口內(nèi)的最大高程值,Hmin為分析窗口內(nèi)的最小高程值。4結(jié)果與分析4.1坡向及地形起伏度基于ArcGIS9.3軟件平臺,利用其空間分析模塊SpatialAnalyst,對DEM求解研究區(qū)域的坡度和坡向。為了實際應用的要求,對計算出的結(jié)果往往需要進行歸并。依據(jù)中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準(LY/T1835—2009)《用于森林資源規(guī)劃設計調(diào)查的SPOT—5衛(wèi)星影像處理與應用技術(shù)規(guī)程》關(guān)于地貌詳圖應用的坡地分類來劃分坡度等級,將研究區(qū)域的坡度劃分為6級:0°—5°為平坡,5°—14°為緩坡,14°—24°為斜坡,24°—34°為陡坡,34°—44°為急坡,44°—90°為險坡。由此得到研究區(qū)域坡度等級分布情況(表1、圖2)。統(tǒng)計各個坡度等級的面積與所占比例,可以看出,南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)具有典型的山地特征,以斜坡為主,斜坡的面積達到117.25km2,緩坡和陡坡的面積也比較大,分別為78.33km2和80.35km2。此外,還存在著較多急坡,面積比例達到乳陽片區(qū)的18.10%。平緩區(qū)域很少,面積為12.09km2,僅僅占到了乳陽片區(qū)的3.94%。通常把坡向綜合分成八個方向:分別為N(0°—22.5°、337.5°—360°)、NE(22.5°—67.5°)、E(67.5°—112.5°)、SE(112.5°—157.5°)、S(157.5°—202.5°)、SW(202.5°—247.5°)、W(247.5°—292.5°)、NW(292.5°—337.5°)。按主坡向的磁方位角將坡向分為四個坡向組:陽坡(S,SW)、半陽坡(W,SE)、陰坡(N,NE)、半陰坡(E,NW)。得到等級分類后的結(jié)果(表2、圖3)。在ArcGIS中統(tǒng)計各個坡向等級的面積與所占比例,南嶺國家級自然保護區(qū)乳陽片區(qū)各個坡向所占的比例大致相等,陽坡與陰坡大致相互對應。采用GIS擴展柵格窗口分析和追蹤分析方法,使用ArcGIS柵格計算器求得研究區(qū)域地形起伏度,進行分級統(tǒng)計(表3)。由表3可知,乳陽片區(qū)的地形以高丘陵為主,地形起伏度主要在50—100m之間?？v觀整個研究區(qū),以丘陵地形占比達97%以上,其中尤以高丘陵為主,僅有“黃泥坑——南木——安家水——黃連”一帶以及乳陽林業(yè)局附近較為平坦。4.2各坡度下森林景觀類型的選擇將研究區(qū)域的坡度等級分級圖與森林景觀類型分類圖相疊加,得到6×11的森林景觀類型在不同坡度上的分布情況(表4)。由表4可以看出,常綠闊葉林在各級坡度上均有較大面積的分布,落葉闊葉混交林也比較適應各級坡度的差異,這兩類森林景觀類型對于坡度的依賴性較小。針葉林傾向于分布在斜坡和陡坡。耕地、建設用地等由人類干擾所形成的景觀類型對于坡度的敏感性較高,傾向于在平坡和緩坡分布。采伐跡地同樣傾向于分布在坡度較低處,原因在于砍伐、運輸木材與人工造林需要考慮實現(xiàn)的難易程度與經(jīng)濟成本。4.3坡向?qū)α⒌貤l件的生長空間將研究區(qū)域的坡向等級分級圖與森林景觀類型分類圖相疊加,得到4×11的森林景觀類型在各個坡向等級上的分布情況(表5)。由表5可以看出,常綠闊葉林、山頂闊葉矮林、落葉闊葉混交林、針闊混交林、建設用地、水域和道路在不同坡向上分布的狀況較為平衡。針葉林的分布呈現(xiàn)明顯的陽坡>半陽坡>半陰坡>陰坡的情況。山地草甸的分布為陰坡>半陰坡>陽坡>半陽坡。采伐跡地的分布為陰坡≈半陰坡≈半陽坡>陽坡。針葉林對于坡向的依賴程度比較高,適宜生長在陽坡和半陽坡,在半陰坡和陰坡則較難生長。由于陽坡的水熱條件較好,樹木容易成林,因此山地草甸景觀多分布在陰坡和半陰坡。闊葉林種對于環(huán)境的適應性是最好的,雖然傾向于向陰坡和半陰坡分布,然而在陽坡和半陽坡的優(yōu)勢也很大,坡向的差異難以阻礙其分布情況。5空間分布格局的穩(wěn)定性問題基于ArcGIS9.3軟件平臺,利用空間疊加功能,將坡度、坡向信息(圖2、圖3)與森林景觀類型分布圖(圖1)疊加,取其交集,可以求取不同坡度、不同坡向上的某種景觀類型的投影面積。通過分析坡度、坡向差異對景觀的控制作用,得到森林景觀的空間分布趨勢。闊葉林種對于環(huán)境的適應性是最好的,在各級坡度和坡向上均有較大范圍、較為均衡的分布。常綠闊葉林是乳陽片區(qū)的基質(zhì)景觀類型,面積大,聚集性高,其斑塊邊緣呈復雜鋸齒狀,包容、鑲嵌著各類異質(zhì)斑塊,發(fā)生復雜的生態(tài)效益。針葉林、山頂闊葉矮林、采伐跡地趨向于聚集分布。針葉林景觀多分布在陽坡和半陽坡,山地草甸景觀傾向于分布在陰坡,人類干擾所形成的各個景觀類型傾向于在平坡和緩坡分布。值得指出的是,海拔、坡度、坡向是地形的三大因子,共同決定著森林景觀的空間分布格局。但本文只是針對坡度和坡向?qū)δ蠋X乳源片區(qū)的森林景觀的空間分布趨勢進行研究,并未考慮海拔因素。一般情況下,海拔升高100m氣溫下降0.6℃降水則一定程度上隨海拔升高而增加。由地形起伏度可知,研究區(qū)內(nèi)地形起伏度主要在50—100m之間,變化并不劇烈,因而在本文中不考慮海拔因素對森林資源的影響。而根據(jù)杜偉靜的研究結(jié)果表明,南嶺國家級自然保護區(qū)的枯立木多度隨著海拔的升高而增加,但豐富度在各海拔上差異不大。由此可見,海拔對森林景觀的影響是復雜的,海拔不但影響溫度、降水等氣象因子,還影響著土壤理化性質(zhì)、植被性質(zhì)、土