陳萬基，陳晨*，，趙陽(yáng)，呂紹倫，向宇航，阿布都布熱汗·蘇力坦

（1.伊犁師范大學(xué)生物與地理科學(xué)學(xué)院，新疆伊寧 835000;2.伊犁師范大學(xué)資源與生態(tài)研究所，新疆伊寧 835000）

0 引言

雪嶺云杉（Picea Schrenkiana），松科云杉亞科云杉屬喬木，也稱天山云杉，在我國(guó)主要分布于新疆天山地區(qū)，是天山原始森林主要的組成部分.雪嶺云杉喜冷濕，耐庇蔭，其涵養(yǎng)水源、保持水土、生態(tài)調(diào)節(jié)作用顯著.坎蘇河流域位于天山腹地伊犁河谷東部，是干旱與半干旱區(qū)兼具高山積雪、森林草原、河谷平原的重要生態(tài)系統(tǒng).該流域森林植被主要為以雪嶺云杉為主的山地常綠針葉林，低海拔暖濕區(qū)域有少量野蘋果林、野杏林、野核桃林等落葉闊葉林.

伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，林業(yè)資源調(diào)查從大規(guī)模人工調(diào)查逐漸轉(zhuǎn)向信息化調(diào)查，高精度、低人力成本的調(diào)查技術(shù)逐漸成為林業(yè)調(diào)查研究的重點(diǎn).遙感憑借大面積的同步觀測(cè)、時(shí)序性、經(jīng)濟(jì)性、可比性等特點(diǎn)［1］成為現(xiàn)代林業(yè)調(diào)查技術(shù)發(fā)展趨勢(shì).早期的林業(yè)遙感調(diào)查主要以通過對(duì)高分辨率影像目視解譯進(jìn)行林業(yè)資源清查為主［2，3］.近年來，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)與遙感技術(shù)深度結(jié)合，為林業(yè)調(diào)查提供了新方法、新技術(shù).邢菲等將植被指數(shù)、地形因子等相結(jié)合構(gòu)建決策樹模型，成功提取了天山云杉林空間歷史分布信息，提取精度達(dá)93.3%［4］；劉玉峰等基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用多尺度斑點(diǎn)檢測(cè)和梯度矢量流主動(dòng)輪廓模型提出了一種新的樹冠提取技術(shù)，可以成功提取高、中、低郁閉度的天山云杉樹冠信息［5］；師玉霞等基于GF-2影像數(shù)據(jù)，通過多層次分類方法對(duì)恰西國(guó)家森林公園進(jìn)行遙感分類，實(shí)現(xiàn)高精度林草、水體、道路及其他用地分類［6］.

雪嶺云杉的經(jīng)營(yíng)管理一直是天山林業(yè)部門工作的重點(diǎn)，調(diào)查雪嶺云杉的空間分布規(guī)律是工作的首要任務(wù).早期的調(diào)查主要通過實(shí)地考察、相鄰格子法［7］、空間點(diǎn)格局法［8］、傳統(tǒng)坡度分析法［9］等分析手段，基于樣本對(duì)天山山脈的雪嶺云杉空間分布特征進(jìn)行研究，在一定程度上揭示了雪嶺云杉的空間分布規(guī)律.傳統(tǒng)的調(diào)查方法雖在一定程度上實(shí)現(xiàn)了雪嶺云杉空間分布的調(diào)查，但是受樣方選擇、人力消耗等限制，不能精確表達(dá)雪嶺云杉空間分布.近期研究表明，應(yīng)用遙感技術(shù)可以提高雪嶺云杉空間分布調(diào)查精度.丁程鋒等運(yùn)用遙感、地理信息系統(tǒng)技術(shù)通過地形因子差異指數(shù)、分布頻率指數(shù)、生境綜合指數(shù)進(jìn)行了東天山烏魯木齊河流域雪嶺云杉空間分布、土地利用與地形因子關(guān)系研究，驗(yàn)證了從流域尺度全面探明雪嶺云杉在海拔、坡度、坡向等不同生境中分布情況的可行性［10］.而雪嶺云杉分布規(guī)模更大的西天山相關(guān)研究卻鮮有報(bào)道，因此本研究采用坎蘇河流域DEM（Digital Elevation Model，數(shù)字高程模型）和衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，通過遙感基于樣本的面向?qū)ο筇崛『偷乩硇畔⑾到y(tǒng)空間分析方法，研究西天山流域尺度上雪嶺云杉的空間分布規(guī)律，分析雪嶺云杉對(duì)不同地形的適應(yīng)性，為流域內(nèi)雪嶺云杉管理經(jīng)營(yíng)、開發(fā)利用等提供理論依據(jù)和參考.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

坎蘇河，哈薩克語，意為水面寬闊的河，發(fā)源于新疆伊犁哈薩克自治州新源縣北部的阿吾拉勒山，自西向東橫穿坎蘇鎮(zhèn)、阿熱勒托別鎮(zhèn)，注入伊犁河主要支流之一的鞏乃斯河.流域內(nèi)山脈連綿，地形陡峭，海拔高差大，最高約3 702 m，最低約943 m.流域氣候類型為溫帶大陸性氣候，年平均氣溫9℃，年平均降水量462.4 mm.流域內(nèi)主要林木有雪嶺云杉、野杏、圓柏、小葉白蠟等，主要土壤類型有栗鈣土、黑鈣土、灰褐色森林土、高山草甸土.

圖1 研究區(qū)概況圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用數(shù)據(jù)有DEM、遙感影像.DEM采用SRTM DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為90 m，下載自地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn）.運(yùn)用ArcGIS 10.1軟件ArcSWAT工具基于SRTM DEM提取河流、流域矢量數(shù)據(jù)，并參考各類地圖圖件確定完善屬性信息.

遙感影像采用WorldView-3遙感衛(wèi)星2019年6～10月份采集的影像，通過ENVI軟件合成全色與多光譜波段，真彩色顯示，空間分辨率為0.5 m.

1.3 研究方法

1.3.1 雪嶺云杉數(shù)據(jù)提取

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星生成的遙感影像往往因地物光譜信息復(fù)雜，光譜之間相互影響，造成同物異譜、同譜異物等問題，干擾高分辨率遙感影像的解譯.傳統(tǒng)基于光譜信息［11］、專家知識(shí)決策樹［12］的解譯方法很難解決上述問題，而面向?qū)ο罂臻g特征提取技術(shù)充分利用高分辨率的全色和多光譜數(shù)據(jù)的空間、紋理、光譜信息來分割和構(gòu)建分類對(duì)象，能夠輸出高精度的分類結(jié)果［13］.

因此，通過ENVI 5.3軟件進(jìn)行影像預(yù)處理后，采用面向?qū)ο罂臻g特征提取模塊多次實(shí)驗(yàn)，最終確定提取效果最佳的分割閾值為40、合并閾值為85，生成對(duì)象斑塊.結(jié)合實(shí)地考察經(jīng)驗(yàn)、雪嶺云杉生長(zhǎng)習(xí)性知識(shí)，對(duì)比影像中不同地物光譜紋理特征，根據(jù)保證分類樣本分布、數(shù)量、質(zhì)量的原則，目視選取雪嶺云杉等各類地物解譯樣本，執(zhí)行分類.將分類結(jié)果矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，對(duì)照遙感影像進(jìn)行檢查、編輯、修正.

1.3.2 地形因子數(shù)據(jù)提取

按照林業(yè)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)劃分地形因子類型［14］，在ArcGIS中以SRTM DEM為基礎(chǔ)分別提取海拔、坡向、坡度面狀矢量數(shù)據(jù).首先，使用重分類工具，將DEM劃分為100 m間距的海拔區(qū)間柵格數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換工具，轉(zhuǎn)換得到海拔矢量數(shù)據(jù).其次，基于DEM做坡向分析，再對(duì)坡向柵格數(shù)據(jù)重分類為8坡向區(qū)間柵格數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為坡向矢量數(shù)據(jù).最后，基于DEM做坡度分析，坡度柵格數(shù)據(jù)重分類為平坡（0°～5°）、緩坡（5°～16°）、斜坡（16°～25°）、陡坡（26°～35°）、急坡（36°～45°）、險(xiǎn)坡（≥46°），轉(zhuǎn)換為坡度矢量數(shù)據(jù).

在ArcGIS中對(duì)雪嶺云杉、海拔、坡向、坡度4個(gè)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置相交分析，得到詳細(xì)劃分地形因子屬性的雪嶺云杉面狀矢量數(shù)據(jù)，通過地理計(jì)算工具計(jì)算面積，將屬性表導(dǎo)出，在SAS軟件中分別按不同的地形因子類型進(jìn)行面積求和統(tǒng)計(jì)，得出不同地形因子的雪嶺云杉面積數(shù)值.按同樣的方法對(duì)流域土地海拔、坡向、坡度3個(gè)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置相交分析，可以得出不同地形因子類型的土地面積數(shù)據(jù)，最終能夠計(jì)算出各地形因子類型對(duì)應(yīng)的雪嶺云杉覆蓋率.覆蓋率可以直觀反映雪嶺云杉對(duì)地形因子的適應(yīng)程度，覆蓋率越高，說明該地形條件越適應(yīng)雪嶺云杉生長(zhǎng).

2 結(jié)果分析與討論

2.1 流域內(nèi)雪嶺云杉空間分布

結(jié)合高分辨率影像與面向?qū)ο罂臻g特征提取可實(shí)現(xiàn)雪嶺云杉與山楊、野蘋果、野杏等落葉闊葉林樹種分類.因此，本方法適用于該區(qū)林業(yè)調(diào)查.通過統(tǒng)計(jì)，坎蘇河流域土地面積約476.74 km2，雪嶺云杉面積約29.38 km2，覆蓋率為6.16%，雪嶺云杉連片集中分布于流域中上游中山帶區(qū)域.

2.2 雪嶺云杉對(duì)不同海拔的適應(yīng)性

研究區(qū)內(nèi)雪嶺云杉集中分布在海拔1 200～3 200 m的中山帶（見圖2），其中海拔2 100～2 200 m雪嶺云杉面積最大，海拔2 200～2 300 m之間雪嶺云杉覆蓋率最高，達(dá)22.65%.在海拔低于1 200 m和高于3 200 m的地帶幾乎沒有雪嶺云杉分布.主要是因?yàn)楹０屋^低地帶943～1 200 m內(nèi)，氣溫偏高，更適應(yīng)草地和落葉闊葉林生長(zhǎng)，雪嶺云杉競(jìng)爭(zhēng)力較弱；海拔3 200 m以上，氣溫低于雪嶺云杉生長(zhǎng)適應(yīng)溫度，是雪嶺云杉在該流域的生長(zhǎng)上限.

圖2 不同海拔雪嶺云杉面積、土地面積及云杉覆蓋率

流域內(nèi)土地面積隨著海拔升高而減少，雪嶺云杉覆蓋率與雪嶺云杉面積都有隨海拔先遞增后遞減的特征，在海拔2 200～2 300 m處覆蓋率最高，與丁程峰等研究結(jié)果大致相同［10］.雪嶺云杉面積與土地面積并無顯著線性關(guān)系，說明在海拔因子影響下，不同海拔的土地面積雖然影響著雪嶺云杉覆蓋率，但并不起決定性作用.海拔不同造成水熱分配不均，使溫度、降水、土壤等環(huán)境因子發(fā)生變化，進(jìn)而改變植物生長(zhǎng)的環(huán)境條件［15］.研究區(qū)雪嶺云杉適應(yīng)生長(zhǎng)在海拔1 700～2 700 m區(qū)間，這與汪祥森［16］、張繪芳［17］等研究結(jié)果基本一致.海拔1 700 m以下，是典型的山地草原和山麓草原，降水量較少，土壤水分較少，抑制雪嶺云杉生長(zhǎng)，適宜山地草本植物生長(zhǎng)；海拔2 700 m以上，雖然降水較多，土壤濕潤(rùn)，但氣溫隨海拔升高而降低，抑制雪嶺云杉生長(zhǎng)，且更高海拔處有常年凍土或冰川積雪，不適宜雪嶺云杉生長(zhǎng).

2.3 雪嶺云杉對(duì)不同坡向的適應(yīng)性

研究區(qū)內(nèi)各坡向均有雪嶺云杉分布（見圖3），面積以NW為中心的陰坡和西風(fēng)迎風(fēng)坡居多.流域內(nèi)土地面積主要集中在以SW為中心的陽(yáng)坡和西風(fēng)迎風(fēng)坡.雪嶺云杉在以N為中心的陰坡覆蓋率最高，達(dá)19.63%，在以S為中心的陽(yáng)坡覆蓋率最低，為1.28%.

圖3 不同坡向下雪嶺云杉面積、土地面積及云杉覆蓋率

綜上所述，流域內(nèi)雪嶺云杉更適應(yīng)生存于西風(fēng)迎風(fēng)陰坡，與王蘇穎等［18］研究結(jié)論基本一致，主要因?yàn)槠孪蛑饕绊懙孛娼邮芄庹?、環(huán)境水分等自然條件，根據(jù)雪嶺云杉喜冷濕、耐庇蔭的生活習(xí)性，陰坡更適應(yīng)生長(zhǎng).研究區(qū)位于北半球，因此北坡光照弱于南坡，形成庇蔭環(huán)境，符合雪嶺云杉生長(zhǎng)習(xí)性，使得N坡向雪嶺云杉覆蓋率最高，S坡向雪嶺云杉覆蓋率極低.坡向影響環(huán)境水分主要表現(xiàn)在降水和土壤含水量，寧理科研究發(fā)現(xiàn)天山山區(qū)降水受坡向影響較?。?9］，研究區(qū)屬于天山山區(qū).因此研究區(qū)坡向?qū)Νh(huán)境水分影響表現(xiàn)為土壤含水量的高低.陰坡太陽(yáng)輻射弱于陽(yáng)坡，土壤蒸發(fā)較弱、土壤含水量較高、土壤溫度偏低，符合雪嶺云杉喜冷濕的生活習(xí)性.反之，陽(yáng)坡土壤蒸發(fā)較強(qiáng)、土壤含水量偏低、土壤溫度偏高，抑制雪嶺云杉生長(zhǎng)，適宜喜光喜熱的草本和植株較小的木本植物生長(zhǎng).

2.4 雪嶺云杉對(duì)不同坡度的適應(yīng)性

研究區(qū)內(nèi)雪嶺云杉面積隨坡度先增大后減小（見圖4），即在不同坡度上雪嶺云杉面積遵從正態(tài)分布，面積峰值對(duì)應(yīng)坡度為26°～35°陡坡，占總面積的49.56%.土地面積在隨坡度變化時(shí)，其變化規(guī)律性不強(qiáng).隨著坡度陡峭程度增加，雪嶺云杉覆蓋率增大.在坡度為險(xiǎn)坡時(shí)雪嶺云杉覆蓋率最高，高達(dá)22.88%.隨著坡度的增加，陡坡、急坡、險(xiǎn)坡云杉覆蓋率增高，體現(xiàn)出云杉對(duì)陡峭地形的高適應(yīng)性.

圖4 不同坡度下雪嶺云杉面積、土地面積及云杉覆蓋率

坡度直接影響山地太陽(yáng)輻射和降水［20］，隨著坡度增大，作用于地表的垂直作用力減小，徑流速度緩慢，入滲土壤水分增多［21］，太陽(yáng)輻射隨坡度增大而減少［22］.平坡、緩坡土壤含水量相較于陡坡、急坡、險(xiǎn)坡較少，且其太陽(yáng)輻射較強(qiáng).所以土壤蒸發(fā)量較大，不適應(yīng)喬木生長(zhǎng).陡坡、急坡、險(xiǎn)坡土壤含水量較多，接受太陽(yáng)輻射較少，土壤水分蒸發(fā)較少，適應(yīng)喬木生長(zhǎng).所以險(xiǎn)坡雪嶺云杉覆蓋率最高，急坡次之，平坡最低.坎蘇河流域雪嶺云杉覆蓋率隨坡度增大而增大，覆蓋率與坡度呈正相關(guān)關(guān)系，間接說明植被生長(zhǎng)與水熱分配密切相關(guān).

3 結(jié)論

本文基于高分辨率遙感影像與DEM，通過面向?qū)ο罂臻g特征提取和GIS空間分析技術(shù)，探明了坎蘇河流域雪嶺云杉對(duì)不同地形的適應(yīng)性，得到如下結(jié)論：

（1）在面積約476.74 km2的坎蘇河流域中，雪嶺云杉面積約有29.38 km2，覆蓋率為6.16%.

（2）流域內(nèi)雪嶺云杉集中分布在海拔1 500～2 800 m區(qū)域內(nèi)，云杉面積隨海拔先遞增后遞減.雪嶺云杉覆蓋率峰值在2 200～2 300 m海拔區(qū)間，覆蓋率隨海拔先增大后減小.

（3）流域內(nèi)雪嶺云杉更適應(yīng)生存于西風(fēng)迎風(fēng)陰坡.

（4）流域內(nèi)雪嶺云杉空間分布量隨坡度先增大后減小，即在不同坡度上雪嶺云杉面積占比遵從正態(tài)分布，陡坡雪嶺云杉面積最多.雪嶺云杉覆蓋率隨坡度升高而增大，險(xiǎn)坡覆蓋率最高.