基于3S技術的四川省川紅花資源適宜性空間分布研究程武學

董光+巫明焱+何蘭+陳佳麗

[摘要]川紅花是中國傳統的活血化瘀中藥材。該研究以四川省為例，結合川紅花生長的生態環境指標，基于TM影像、數字高程模型（DEM）、氣象、土壤等數據，利用遙感和GIS（地理信息系統）技術提取林地、草地、海拔、氣溫、降水、土壤等影響因子，從而對川產道地藥材川紅花的適宜性空間分布進行研究，并結合野外實測進行驗證。結果表明：川紅花資源主要集中在四川東部和東北部地區，適宜性區域約為6 27714 km2，其中，達州市的適宜區的面積達1 14345 km2，占全省適宜區的1822%。從各區縣看，達川區適宜性區域達到50715 km2，占全縣土地面積的179%。另外，納溪區、青神縣、江安縣等12個區縣的適宜區面積超過100 km2，且占各縣土地面積的10%以上。通過遙感和GIS技術分析的結果與川紅花的實際分布地區基本相符，說明利用3S技術研究川紅花的適宜性分布是可行的，可以為中草藥資源的監測保護以及合理開發提供科學依據。

[關鍵詞]川紅花； 3S技術； 適宜性； 生態環境因子； 空間分布

Study on suitable distribution areas of Sichuan safflower in Sichuan

province based on 3S technologies

CHENG Wuxue1，2， DONG Guang1，2， WU Mingyan1，2， HE Lan1，2， CHEN Jiali1，2

（1 The Institute Geography and Resources Science， Sichuan Normal University， Chengdu 610068， China；

2 Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest， Ministry of Education， Sichuan Normal

University， Chengdu 610068， China）

[Abstract]Sichuan safflower （Carthamus tinctorius） is a traditional Chinese medicine for promoting blood circulation and removing blood stasis In this paper， taking Sichuan province as an example， based on TM image， digital elevation model （DEM）， meteorology， soil and other data， and using remote sensing and GIS technology to extract grassland， elevation， temperature and precipitation， soil and other influencing factors， the spatial distribution of the suitability of safflower was studied， and the field investigation was carried out The results indicate that Sichuan safflower resources are mainly concentrated in the eastern and northeastern parts of Sichuan， and the suitable distribution area is about 6 27714 km2 The area of suitable area of Dazhou is 1 14345 km2， which is suitable for the province area of 1822% From the county point of view， the suitable area of Dachuan is about 50715 km2， and accounting for 179% of county In addition， Naxi， Qingshen， Jiangan and other 12 counties of the suitable area of more than 100 km2， and accounted for more than 10% of the county The results of remote sensing and GIS analysis are in accordance with the real area of Sichuan safflower resources It is feasible to find out the area suitable for the growth of Sichuan safflower by 3S technologies It can provide a scientific basis for the monitoring and development of Chinese herbal resources

[Key words]Sichuan safflower； 3S technologies； suitability； ecological environment factors； spatial distribution

中醫藥在我國有著悠久的歷史，幾千年來，中華民族利用中草藥預防和治療各類疾病及保健，為民族的繁衍昌盛做出了不可磨滅的貢獻，為世界民族醫藥學的發展奠定了堅實的基礎[1]。但是近年來，社會對中藥材的需求量逐漸擴大，過渡采挖等不合理利用現象日益嚴重，加之環境破壞以及大量施用化學肥料和農藥，致使很多中藥資源的品種數量以及質量已經不能滿足市場需求。因此，對中藥材資源進行及時有效地調查研究成為了現代中藥學的熱點問題。

探索中藥材生長的最適宜性區域，可通過研究其野生分布區的地理生態環境得出結果。傳統的中藥資源調查采用的是外業調查與內業整理相結合，進行綜合分析，最后確定每種中藥資源的蘊藏量和產量的方法。這種調查方法受主觀因素影響較大，缺乏科學性，所需的人力、物力、財力等調查成本極高，并且由于中藥資源的蘊藏量隨時在發生變化，普查成果會很快失去可靠性。因此，創新技術與方法開展中藥資源普查、儲量估算和動態監測，已成為中藥資源調查和保護的首要問題[23]。中藥材資源的分布、產量及質量都與地理環境有著直接的關系。道地藥材作為中藥特定種質在特定空間環境下的產物，充分體現了空間環境對中藥資源的巨大影響。換言之，中藥資源的分布、產量及質量信息都具有空間信息的特征。因此，對空間信息分析和利用是中藥資源調查研究的關鍵問題[3]。

“3S”技術是地理信息系統（GIS）、遙感（RS）和全球定位系統（GPS）三大空間科學技術的簡稱[4]。以其快速、經濟、方便等特點，在資源調查及監測方面顯示出極大的優勢，其在農、林、牧、漁業等領域資源動態監測方面的應用和推廣，為中藥資源的動態監測提供切實可行的理論方法。目前，雖然“3S”技術在中藥資源研究和保護中的應用剛剛起步，但已展現出了良好的前景[34]。國內已有許多的專家學者利用3S技術對中藥資源進行了研究，取得了一些成果。

孫宇章等[5]利用遙感技術對稀有野生茅山蒼術進行調查研究，首先對影響其生長的主要因子進行篩選和分類，然后對對江蘇茅山地區的TM影像進行反演，結合野外實地調研數據，建立野外數據、遙感數據和茅山蒼術生境數據之間的相互關系，對蒼術的生長環境進行分級，從而估算出茅山蒼術資源量。陳士林等[6]運用遙感技術以人參的栽培品種為對象，建立了人參資源遙感調查的技術路線和方法，并通過抽樣調查對研究區進行了人參種植面積測算和估產，精度可達90%以上。鄭小華等[7]運用GIS技術及模糊綜合評判理論對陜南秦巴山區進行中藥氣候資源評價及區劃，篩選影響中藥品質的氣候因子，確定中藥氣候資源評價指標模型，并利用GIS空間疊加和分析功能對適宜度進行分級，從而得到陜南中藥種植氣候生態區劃圖。嚴輝等[8]利用GIS對冬蟲夏草資源的適宜性空間分布進行了研究，通過對主產地野外GPS采點調查確定影響明黨參生長的生態因子的屬性數值范圍，并利用中藥材產地適宜性分析地理信息系統（TCMGIS）對明黨參文獻記載的分布區進行了驗證，找出了新的適宜區。劉珍等[9]根據彝族藥材的生態環境條件，運用GIS技術提取各生態環境因子并進行空間疊加，得到理論生態環境適宜區，然后結合土地利用現狀和GIS的分析功能得到直觀的種植布局圖，為當地彝藥種植布局提供依據。張優等[10]根據豬苓的生態環境條件，利用GIS技術提取影響其生長的各生態環境因子，并進行空間疊加，得到理論上生態環境適宜區，然后結合土地利用現狀和GIS的分析功能得到直觀的豬苓的適宜性分布圖，并通過實地調查進行驗證，為全面調查豬苓資源的分布與合理開發提供了科學依據。調查顯示，已有冬蟲夏草、黃芩、蒼術、豬苓、人參等多種中草藥資源進行了適宜性評價，而對于川紅花的適宜性分析研究較少。

本研究以四川省為例，根據川紅花的生態環境條件，利用3S技術，以遙感影像為基礎數據，基于ArcGIS的空間分析功能，對川紅花資源適宜性生態環境及空間分布進行分析和提取，結合GPS野外實地調查采樣，對其適宜分布區進行驗證，能夠比較科學的分析川紅花的分布狀況，可為合理開發利用和保護川紅花資源提供科學依據。同時，可以選擇與其生長環境相似的區域，發展規模化人工栽培，為道地藥材川紅花的生產和發展做出貢獻。

1研究區概況

四川省位于中國西南腹地，地處長江上游，介于97°21′—108°33′E，26°03′—34°19′N，東西長約1 075 km，南北寬約921 km，總面積486×104 km2左右。全省地質構造復雜，地勢由西北向東呈階梯狀下降，西部為川西高原，中部為成都平原，東部為川東平行嶺谷和川中丘陵。氣候類型隨地貌劃分為寒溫帶、溫帶、南亞熱帶和亞熱帶季風氣候，年均氣溫16～20 ℃，年均降水量600～1 000 mm。四川省素有“中醫之鄉，中藥之庫”的美譽，是中國最大的中藥材產地，本次主要選取四川省為研究區域，對道地藥材川紅花進行適宜性空間分布研究。

2方法

本次研究的基礎數據主要有：①四川省遙感影像，來源于Landsat 8 OLI_TIRS衛星（行號 36～42，列號 127～134），成像時間為2016年8—10月，影像質量良好，空間分辨率為30 m×30 m；②四川省氣象（包括年均溫、年降水量、≥10 ℃積溫等）柵格數據，是由中國科學院資源環境科學數據中心對各氣象站點1995—2016年的月降水、月均溫等數據進行平均計算和插值所得；③四川省土壤類型數據，來源于中國科學院資源環境科學數據中心（http：//wwwresdccn）；④四川省縣級行政矢量邊界，來源于四川省地理信息測繪局；⑤數字高程模型（DEM）數據，空間分辨率30 m×30 m，來源于USGS；⑥手持GPS野外實地調研采樣數據。

本研究擬采用遙感與GIS技術相結合的研究方法，具體包括：①使用軟件ENVI51，運用監督分類的方法，對四川省的TM影像進行圖像處理和信息提取，得到四川省土地利用現狀圖；②查閱相關文獻資料，同時結合野外調查所得數據，確定適宜川紅花生長的生態環境因子；③利用ArcGIS 104軟件的空間分析工具對各個影響因子進行提取分析，得出每個因子的適宜性空間分布圖，然后將提取出的各因子的適宜性區域進行疊加，得到川紅花資源在四川省的適宜性分布區域圖；④野外實地調查研究與驗證。具體技術路線見圖1。

3結果與分析

31從遙感圖像獲取土地利用數據

本研究利用監督分類對2016年的四川省遙感影像進行解譯。首先對遙感影像進行數字圖像預處理，包括輻射校正、幾何校正、圖像融合、拼接和裁剪等；其次對遙感影像進行圖像增強處理，包括對比度增強、主成分分析及空間變換等；然后用監督分類方法進行遙感影像分類，選擇感興趣區，確定分類算法，得到2016年四川省土地利用現狀，見圖2。

32基于 GIS 的生態環境因子分析

通過查閱資料和實地勘察，了解影響川紅花生

長的每一個生態環境因子的閾值，進而進行提取分析，得出單一因子影響下的川紅花的適宜性分布區域，為疊加分析打下基礎。其表達式為Si=P[XMax，XMin]，式中，Si為單一因子適宜性分布區，i為任一生態環境因子，P為提取分析方法，XMin為單一因子閾值最小值XMax為單一因子閾值最大值。

321從DEM中提取高程適宜區根據四川省中藥研究所提供的數據以及國內相關研究[12]的統計資料和調查研究可知，川紅花主要分布在海拔為200～900 m的地區，具有較為明顯的地帶性和區域性，其最適宜區的海拔為400 m。從四川省DEM數據中提取出適宜川紅花資源生長的高程范圍，見圖3，即為適宜川紅花生長的高程分布區域。

322從年降水柵格數據提取年降水量適宜區通過查閱相關文獻資料[1213]，發現川紅花生長的

地區氣候溫暖，降水量不會過多，從而獲取川紅花適宜生長在年降水量為321～1 042 mm的地區。而結合野外調查信息分析，在年降水量約為1 342 mm的地區也適宜川紅花生長，只是分布較少，因此本次研究提取適宜川紅花生長的年降水量閾值定為321～1 342 mm。提取出適宜川紅花資源生長的年降水量分布區域，見圖4，即為適宜川紅花生長的年降水量范圍。

323從年均溫柵格數據提取年均溫適宜區根據國內相關研究的統計資料和調查研究[1214]，再結合四川省中藥研究所提供的數據，可以得出：川紅花生長的適宜年均氣溫為81～174 ℃，其中最適宜區年均氣溫172 ℃。因此本次研究提取適宜川紅花資源生長的年均氣溫閾值為81～174 ℃，提取出適宜川紅花資源生長的年均溫分布范圍，見圖5，即為適宜川紅花生長的年均溫區域。

324從≥10 ℃積溫柵格數據提取積溫適宜區結合國內相關研究[12，14]以及四川省中藥研究所提供的數據可知，適宜川紅花資源生長的積溫為6324～5 8809 ℃，無霜期約為304 d。所以本次研究中提取適宜區的積溫閾值為6324～5 8809 ℃，提取適宜川紅花資源生長的≥10 ℃積溫分布區域，見圖6，即為適宜川紅花生長的積溫區域。

325從土壤類型分布數據提取土壤適宜區川紅花對土壤的要求不嚴格，適應性強，在沙礫土、沙壤土，黏土均能生長，但以土壤層較厚、排水良好、肥力中上等、中性或弱堿性的沙質壤土或黏質壤土為最高產。根據相關文獻資料[1215]顯示，適宜于川紅花生長的土壤類型主要有黃壤、黃棕壤、棕壤、褐土、潮土、紫色土等，從四川省土壤類型分布數據中將上述土壤分布區域提取出來，其范圍見圖7。

326林地信息的提取通過野外實地采樣，將實地數據和相關研究文獻資料[14]結合得出，川紅花通常生長在林地、灌叢以及草叢中。為了更準確地提取川紅花資源的生長范圍，在四川省土地利用格局圖上將林地和草地分布區域提取出來，見圖8。

33川紅花適宜區分布范圍

根據以上分析分別得到了適宜川紅花生長的海拔、年降水量、年均溫、積溫、土壤類型以及林地草地的分布區域，再使用多柵格圖層的復合疊加分析找出川紅花的適宜性分布區域，相關模型的方程表示為：S=f（Sr，Sh，St，Sa，Sl，Sw），式中，S為川紅花資源的適宜性分布區，f為疊加規則，Sr為年均降水量，Sh為高程值，St為年均溫，Sa為積溫，Sl為土壤類型，Sw為林地草地。最終得出川紅花在四川省的適宜性空間分布圖，見圖9。

從圖中可以看出，川紅花資源的適宜性區域主要集中于四川省東部、東北部以及成都平原周邊低山丘陵地區，主要分布在達州、廣元、眉山、樂山、自貢、宜賓、瀘州等市，具體分布情況見表1，2。四川

省川紅花的適宜性分布區域總面積約為6 27714 km2，其中達州市的適宜區的面積達1 14345 km2，占全省適宜區的1822%。從各區縣來看，達川區適宜性區域達50715 km2，占全縣土地面積的179%，另外納溪區、青神縣、江安縣等12個區縣的適宜區面積超過100 km2，且占各縣土地面積的10%以上。

34野外實測與驗證

野外采樣驗證是本次研究的重要步驟，根據數據源的時相特征、結果及反饋，結合已有的數據基礎，選取驗證采樣地點，對四川省東部和東北部低山丘陵地區進行實地考察。

本次野外實測工作通過手持GPS精確定位，采集樣地48個，樣點分布見圖10。利用GISOFFICE將GPS記錄的點數據導入ArcGIS 軟件中，與基于遙感和GIS空間分析的疊加結果對比，可以發現，采樣點（驗證點）所在區域與本研究得出的適宜性分布區域相吻合。結合野外實測調研結果與查閱藥用植物產地的相關文獻資料[14]，可以得出結論，通過遙感與GIS技術分析得出的適宜性空間分布區域與川紅花資源的實際分布地區是一致的，利用遙感

與GIS技術進行中藥資源適應性空間分布具有很高的可行性和科學性。

4結論與討論

本研究探討了中草藥植物適宜性分布研究的方法和技術路線，利用遙感與GIS技術，提取出了川產道地藥材川紅花的適宜性分布區域，通過野外實地的采樣點對其進行驗證，研究所得適宜性空間分布區域與實際情況基本一致。說明基于遙感和GIS技術的川紅花資源適宜性分布研究是具有可行性和科學性的，可以為中藥材適宜性分布研究提供可靠的方法和技術。

通過研究得出的適宜性分布區域，可以為發展規模化人工栽培提供一定的科學依據。在本次研究中，還發現了新的適宜川紅花生長的區域，且適宜區面積較大，而在此前的文獻資料中鮮有記錄，如廣元市的昭化區等。新的適宜產區的發現，可以為四川省中藥材種植業的合理化發展提供科學的依據。

本研究是通過分析影響川紅花生長的各生態環境因子來實現的，受數據的分辨率與精度的影響，只能在較大尺度范圍內對中藥材資源進行適宜性空間分布研究。若要深入至小尺度范圍，就必須提升氣象、土壤等柵格數據的分辨率，提高遙感影像的分類精度，從而使結果更為精細化和準確化。另外，有限的時間成本和資金成本制約著野外驗證點的范圍和分布密度，驗證的精確性還有待提高。隨著遙感影像分辨率的提高和分類方法的改進，以及我國的土壤和氣候數據庫的日益完善，中藥材產地適宜性分析會更加合理和科學。

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[責任編輯呂冬梅]