王霓虹 尹英姬 胡潤(rùn)田

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林在全球生態(tài)系統(tǒng)中的作用已無(wú)須質(zhì)疑，但在林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，發(fā)揮森林的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，卻是森林經(jīng)營(yíng)管理的核心問(wèn)題。地形，包括海拔高程、坡向、坡度等，作為環(huán)境因素對(duì)于一個(gè)森林分布區(qū)域內(nèi)的水、土壤及光等起到一個(gè)再分配的作用。所以地形因子對(duì)于森林的生長(zhǎng)發(fā)育、動(dòng)態(tài)演替以及森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃都是重要的因素。在森林經(jīng)理調(diào)查中，地形被作為小班的林分因子進(jìn)行測(cè)定，并參與對(duì)區(qū)域森林的評(píng)價(jià)和規(guī)劃。隨著數(shù)字航空攝影測(cè)量的進(jìn)步，與攝影測(cè)量有關(guān)的許多過(guò)程都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，而且攝影測(cè)量本身也已成為從航片獲得精確的三維地理信息的主要技術(shù)手段［1］。筆者在基于數(shù)字航空攝影的森林經(jīng)理調(diào)查體系中，借助于3S信息平臺(tái)(ArcView及ERDAS圖像處理軟件)研究了東北林業(yè)大學(xué)帽兒山林場(chǎng)老山施業(yè)區(qū)數(shù)字化地形模型的技術(shù)方法，旨為提取和查詢森林地形信息提供技術(shù)手段，并為森林規(guī)劃與森林經(jīng)營(yíng)提供必要的基礎(chǔ)信息。

1 老山施業(yè)區(qū)數(shù)字化地形模型(DTM)的生成

在進(jìn)行區(qū)域航空攝影空中三角測(cè)量時(shí)，為求解區(qū)域內(nèi)航空像片的外方位元素，需要通過(guò)輸入一定量的地面控制點(diǎn)以及系統(tǒng)自動(dòng)化采集一定數(shù)量的像片連接點(diǎn)進(jìn)行后方交會(huì)，獲得每張航片的內(nèi)外方位元素。有了航片的內(nèi)外方位元素，就可以進(jìn)行前方交會(huì)，獲得像對(duì)重疊區(qū)內(nèi)每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)，即可以生成相應(yīng)的像對(duì)重疊區(qū)域的數(shù)字化高程模型。有了內(nèi)外方位元素及重疊區(qū)域的數(shù)字化高程模型，就可以對(duì)中心投影的航片進(jìn)行糾正，獲得相對(duì)重疊區(qū)域的正射影像。

根據(jù)含有航片內(nèi)外方位元素區(qū)域文件(BLOCK FILE)，可以建立區(qū)域數(shù)字地理空間模型。同時(shí)對(duì)單個(gè)像對(duì)的DEM和正射影像進(jìn)行各自的無(wú)縫鑲嵌，形成區(qū)域的數(shù)字化高程模型(DEM)及正射影像平面圖(DOM)，將它們作為專題圖層加載到地理信息系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行空間分析及處理，生成區(qū)域數(shù)字化地形模型(DTM)。技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 基于航空攝影測(cè)量的老山施業(yè)區(qū)數(shù)字化地形模型生成過(guò)程

1.1 數(shù)字化高程模型專題圖和正射影像平面圖

在ERDASIMAGINE平臺(tái)上進(jìn)行的空中三角測(cè)量過(guò)程中，初始產(chǎn)生的數(shù)字化高程模型和正射影像，都是IMG格式的圖像。為了便于GIS分析，DEM數(shù)據(jù)在加載到Arc View之前須轉(zhuǎn)化成GRID格式，使之成為連續(xù)型柵格專題圖，而正射影像圖還保持IMG圖像格式。DEM和正射影像圖有著一致的投影和坐標(biāo)系，即在空中三角測(cè)量之前所定義。正射影像平面圖中的每個(gè)像素含有該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的二維大地坐標(biāo)X、Y和地物發(fā)射光亮度的灰度值(256個(gè)灰度級(jí))［2］。DEM圖像中的每個(gè)柵格點(diǎn)含有該點(diǎn)的大地三維坐標(biāo)，除了X、Y坐標(biāo)還有地面高程值(Z)。圖2顯示的是通過(guò)無(wú)縫鑲嵌形成的老山施業(yè)區(qū)局部區(qū)域的數(shù)字化高程模型(DEM)及正射影像平面圖。

圖2 區(qū)域正射影像平面圖與區(qū)域數(shù)字化高程模型(IMG及GRID格式)

1.2 老山施業(yè)區(qū)數(shù)字化坡向?qū)ｎ}圖及坡度專題圖

坡向?qū)ｎ}圖是對(duì)高程專題圖進(jìn)行空間分析產(chǎn)生的，對(duì)每個(gè)柵格點(diǎn)進(jìn)行鄰域分析，通過(guò)開設(shè)9點(diǎn)窗口內(nèi)的高程差分計(jì)算，得出每個(gè)柵格點(diǎn)的坡向方位角值。方位角取值范圍是0～360°，屬于浮點(diǎn)型的連續(xù)數(shù)據(jù)集［3］。對(duì)整幅圖來(lái)說(shuō)，就生成了區(qū)域的坡向柵格專題圖，如圖3所示。在Arc View平臺(tái)上可以利用專題圖查詢出任意一地物點(diǎn)的坡向值。在人們?nèi)粘Ｉ钪幸约吧终{(diào)查中，經(jīng)常用坡向級(jí)來(lái)表示某點(diǎn)或區(qū)域的坡向，通常分成8個(gè)方向級(jí)，如表1。

表1 坡向級(jí)的劃分

坡度專題圖與坡向?qū)ｎ}圖一樣，也是對(duì)高程專題圖進(jìn)行空間分析而產(chǎn)生的。對(duì)每個(gè)柵格點(diǎn)進(jìn)行鄰域分析，通過(guò)開設(shè)9點(diǎn)窗口內(nèi)的高程差分計(jì)算，得出每個(gè)柵格點(diǎn)的坡度角值，方位角取值范圍是0～90°，為浮點(diǎn)連續(xù)型數(shù)據(jù)集。

1.3 地形起伏陰影專題圖

使用數(shù)字化高程模型產(chǎn)生地形起伏陰影的方法已被許多繪圖人員所研究和應(yīng)用，作為改進(jìn)地圖可視性質(zhì)量的一種重要技術(shù)。這種表達(dá)方法主要以人們視覺(jué)的生理本能為前提，因?yàn)槿藗儗?duì)物體陰陽(yáng)面反差的視覺(jué)感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生立體的視覺(jué)映射。在ArcView平臺(tái)上生成的地形起伏陰影專題圖及其生成的地圖分析模型如圖4所示。

圖4 地形起伏陰影專題圖及其生成的地圖分析模型過(guò)程

地形起伏陰影專題圖實(shí)際上是地面點(diǎn)的相對(duì)照度專題圖，柵格點(diǎn)取值范圍0～255，屬于整數(shù)離散型柵格圖。地形起伏陰影是它的一個(gè)效果，因?yàn)檫@與人們因物體光照及大小距離等產(chǎn)生立體視覺(jué)效應(yīng)是一致的。這種專題圖的應(yīng)用，既可以輔助對(duì)環(huán)境的視覺(jué)評(píng)價(jià)，也可以作為研究樹木生長(zhǎng)的一個(gè)環(huán)境因子。

1.4 等高線專題圖

等高線專題圖是由數(shù)字化高程?hào)鸥駥ｎ}圖線性化產(chǎn)生的一種矢量地形圖(圖5)。每一條等高線表示某一高程，等高線的間距是在數(shù)字化高程專題圖線性化時(shí)由研究者定義，這里定義為10 m。等高線的間距選擇決定使用時(shí)的精度，但選擇時(shí)也受數(shù)字化高程模型精度的約束，而數(shù)字化高程模型的精度受空中三角測(cè)量自動(dòng)化選擇連接點(diǎn)數(shù)量的影響，因?yàn)楦叱棠Ｐ蜄鸥顸c(diǎn)的高程值是由這些已知點(diǎn)內(nèi)插出的。所以，在進(jìn)行空中三角測(cè)量時(shí)，就要考慮專題圖的應(yīng)用。等高線和地形模型都是大地定向的，所以等高線不但能表示所經(jīng)各點(diǎn)的高程值，而且等高線的模式也表示出地形在區(qū)域內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，表達(dá)坡度及坡向的變化［4］。這些對(duì)于基于數(shù)字化的航空攝影圖像進(jìn)行區(qū)劃森林小班起著很大的輔助作用。

圖5 由數(shù)字化高程模型產(chǎn)生的等高線

2 老山施業(yè)區(qū)數(shù)字化地形模型的信息查詢

數(shù)字化地形模型為區(qū)域森林的評(píng)價(jià)、森林規(guī)劃與森林經(jīng)營(yíng)提供了必要的基礎(chǔ)信息。為了獲得這些信息，就要對(duì)數(shù)字化地形模型進(jìn)行查詢。

2.1 應(yīng)用空間分析模型方法獲得各林班等地形特征信息

各林班、施業(yè)區(qū)乃至林場(chǎng)作為森林經(jīng)營(yíng)的管理單位，從經(jīng)營(yíng)條件的評(píng)價(jià)到森林規(guī)劃，都需要地形特征信息來(lái)支持。

首先，從數(shù)字化地形模型獲得各林班或施業(yè)區(qū)等分總體的地形信息。在GIS平臺(tái)上，可以用數(shù)字化地形專題圖和林班(或施業(yè)區(qū))柵格專題圖進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的疊加掩膜處理。如圖6所示，森林區(qū)劃專題圖中區(qū)劃內(nèi)可透膜，區(qū)劃單位界外不可透膜。這樣處理實(shí)質(zhì)上是將高程、坡度、坡向按著指定的區(qū)域(如林班)從原來(lái)的整個(gè)區(qū)域的數(shù)字化地形模型中分離出來(lái)并產(chǎn)生新的圖層，在本研究中是林班的地形專題圖數(shù)據(jù)。圖7顯示的是老山施業(yè)區(qū)2林班的高程專題圖。

圖6 林班專題圖和地形專題圖的掩膜疊加

從森林立地評(píng)價(jià)和立地異質(zhì)性分類的角度，應(yīng)該對(duì)高程、坡度、坡向進(jìn)行再分類。

高程再分類為：300 m以下，300～500 m，500 m以上;坡度再分類為：平坡(0～5°)，緩坡(5°～15°)，斜坡(15°～25°)，陡坡(25°～35°)，險(xiǎn)坡(35°以上);坡向再分類為：半陽(yáng)坡(W，SE)，陽(yáng)坡(S，SW)，陰坡(N，NW)，半陰坡(E，NE)。按著選定的分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)原林班地形專題圖進(jìn)行再分類操作，產(chǎn)生新的圖層，即林班高程、坡度、坡向再分類專題圖，分別見表2、表3、表4。再分類專題圖的每個(gè)柵格數(shù)據(jù)不是原地形因子的數(shù)據(jù)，而是再分類單位的代碼值，是離散型數(shù)據(jù)［5］。

圖7 老山施業(yè)區(qū)2的林班高程?hào)鸥駥ｎ}圖

表2 2林班高程再分類的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 2林班坡度再分類的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表4 2林班坡向再分類的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.2 小班地形因子的查詢

坡度、坡向、高程是森林經(jīng)理調(diào)查小班測(cè)定因子之一。為了求得小班的地形因子，首先把矢量的小班區(qū)劃圖轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)的專題圖。然后，用小班區(qū)劃柵格專題圖分別與林班高程?hào)鸥駥ｎ}圖進(jìn)行疊加，獲得各小班的平均高程的統(tǒng)計(jì)值，上述過(guò)程綜合成圖8所示的分析模型。

可以類似地構(gòu)造出小班坡度和坡向的空間分析模型。表5列出了獲得的2林班內(nèi)前5個(gè)小班的高程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.3 查詢森林立地分類和森林種群適生立地的空間分布

以小班地形因子的查詢?yōu)榛A(chǔ)，可以進(jìn)一步進(jìn)行空間分析，獲得有關(guān)森林立地分類和森林種群適生立地特定的空間分布。不同的地形因子組合形成了森林立地的異質(zhì)空間，按著一定的要求劃定組合的范圍是森林立地分類的研究核心內(nèi)容。將特定的森林立地分類通過(guò)空間分析方法查詢出它們的具體空間分布，以便為森林經(jīng)營(yíng)與規(guī)劃提供必要的信息。例如：在森林立地分類中，按高程劃分為丘陵立地區(qū)(海拔600 m以下)、低山立地區(qū)(600～1 000 m)等。在立地區(qū)下按坡度級(jí)劃分為平緩坡立地組、斜坡立地組、陡坡及險(xiǎn)坡立地組。在每個(gè)立地組下按著坡向級(jí)又分為立地亞組。森林立地類型劃分的組別如表6所示。

圖8 為獲得小班平均高程所構(gòu)造的空間分析模型

表5 2林班內(nèi)各小班的平均高程的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(只取前5個(gè)小班)

表6 一種森林立地類型劃分的組別

對(duì)數(shù)字化地形專題圖疊加并進(jìn)行布爾運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)森林立地分類的特定空間檢索。例如：對(duì)老山施業(yè)區(qū)高程數(shù)據(jù)的分析可知，該地區(qū)屬于丘陵立地區(qū)。對(duì)各立地組檢索，可對(duì)坡度級(jí)專題圖寫出布爾運(yùn)算式。

假定高程專題圖變量為EL、坡度專題圖變量為SL(值域0～90)、坡向?qū)ｎ}圖再分類變量為AS(值域：1為陽(yáng)向，2為陰向)，則有：

平緩坡立地組——SL＞=0 and SL＜15;平坡亞組——SL＞ =0 and SL＜5;緩坡亞組——SL＞ =5 and SL＜15。

斜坡立地組——SL＞=15 and SL＜25;陽(yáng)向斜坡亞組——(SL＞ =15 and SL＜25)and AS=1;陰向斜坡亞組——(SL＞ =15 and SL＜25)and AS=2。

類似這樣原則，可以寫出擬定的立地類型空間分布檢索的布爾運(yùn)算式。圖9為老山施業(yè)區(qū)域及2林班險(xiǎn)坡立地的空間分布。

圖9 老山施業(yè)區(qū)域及2林班內(nèi)險(xiǎn)坡立地的空間分布

森林種群的適生立地條件研究對(duì)于森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃以及更新造林很重要。例如，在完達(dá)山系帽兒山的現(xiàn)有次生林地區(qū)，由于歷史上反復(fù)的干擾破壞，天然的紅松母樹種源幾乎不存在。若靠次生林本身天然演替不可能恢復(fù)紅松林種群。林學(xué)家研究認(rèn)為，在現(xiàn)有的次生林下“栽針保闊”是一種很有效的方法，并且指出，紅松在本地區(qū)適應(yīng)的海拔為300～600 m、緩坡斜坡的立地，對(duì)坡向要求不嚴(yán)格［6］。在數(shù)字化地形模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用上述類似的疊加布爾運(yùn)算就可以在一個(gè)森林經(jīng)營(yíng)區(qū)內(nèi)查詢出森林種群適生立地的空間分布。老山施業(yè)區(qū)2林班地區(qū)紅松種群適生立地條件下相應(yīng)的布爾運(yùn)算式為：(EL＞=300 and EL＜600)and(SL＞=5 and SL＜25)，按著這樣的布爾運(yùn)算式，可查詢出2林班區(qū)域內(nèi)紅松種群適生的空間分布(圖10)。

3 結(jié)論與討論

數(shù)字化地形模型是近年來(lái)地學(xué)和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛的一種信息技術(shù)，多半是由現(xiàn)有的地形圖數(shù)字化內(nèi)插產(chǎn)生的。筆者為了獲取森林經(jīng)理與森林經(jīng)營(yíng)所需的地形因素方面的信息，采用數(shù)字化航空攝影測(cè)量的方法，通過(guò)空中三角測(cè)量獲取了森林經(jīng)營(yíng)區(qū)域的數(shù)字化地形模型及正射影像平面圖。通過(guò)研究，認(rèn)為這種方法比之由地形圖獲取的數(shù)字化地形模型的方法，在信息的時(shí)空一致性以及地理定位、地圖投影、坐標(biāo)系、分辨率等一致性方面有著很大的優(yōu)越性。

圖10 按著數(shù)字化地形模型查詢的2林班內(nèi)紅松適生立地空間分布

數(shù)字化地形模型可以輔助小班區(qū)劃，提取小班高程、坡度、坡向數(shù)據(jù)，查詢森林立地條件及分類、森林適生立地條件等，是數(shù)字化地形模型在森林資源領(lǐng)域中應(yīng)用的主要內(nèi)容。在這一研究過(guò)程中，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(GIS)、構(gòu)造空間分析模型的方法是提取和查詢森林地形信息的重要技術(shù)手段。

另外，數(shù)字航片空中三角測(cè)量，除了可以產(chǎn)生數(shù)字化地形模型和正射影像平面圖之外，還可以通過(guò)內(nèi)外方位元素和航片生成區(qū)域的數(shù)字地理空間模型(DSM)。這種模型也可以測(cè)定、觀察和提供有關(guān)森林與地形方面的豐富信息，但DSM是不同于數(shù)字化地形模型的技術(shù)范疇，所以本文不作進(jìn)一步的研究和討論。

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