丹霞山陽(yáng)元石景區(qū)丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

歐陽(yáng)杰，張?jiān)迄i，莊長(zhǎng)偉，王金傳，喬 雁，段一男，鄭穗芳

（1.廣東開(kāi)放大學(xué) 文化傳播與設(shè)計(jì)學(xué)院,廣東 廣州 510091；2.廣東理工職業(yè)學(xué)院,廣東 廣州 510091；3.南京工業(yè)大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211816；4.廣東省環(huán)境科學(xué)研究院,廣東 廣州 510045；5.山東省國(guó)土測(cè)繪院,山東 濟(jì)寧 250102）

丹霞梧桐是由徐祥浩[1]等于1987年在丹霞山首次發(fā)現(xiàn)的新物種,屬于國(guó)家II級(jí)重點(diǎn)保護(hù)野生植物[2]。由于珍稀物種潛在的或尚未查明的在醫(yī)學(xué)藥用、遺傳育種、生殖生態(tài)、物種起源等方面的價(jià)值,對(duì)其加強(qiáng)科研和保護(hù),是全人類(lèi)所面臨的、共同的、迫切的任務(wù)。陽(yáng)元石景區(qū)的拓展開(kāi)發(fā)最早始于20世紀(jì)90年代初,中山大學(xué)的保繼剛教授[3]等撰文論述了陽(yáng)元石景區(qū)內(nèi)楓香、秀麗椎、木荷、烏崗櫟、樟樹(shù)、板栗、杉樹(shù)等山岳風(fēng)景植被的重要價(jià)值。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)丹霞山珍稀物種丹霞梧桐的研究有明顯“增溫”的趨勢(shì)。筆者[4]于2017年首次對(duì)丹霞山核心區(qū)陽(yáng)元山游覽區(qū)丹霞梧桐密集地帶進(jìn)行了高程、坡度、坡面的微地貌環(huán)境分析,提供了丹霞梧桐在小區(qū)域地帶相對(duì)比較準(zhǔn)確的空間范圍。在生物學(xué)研究領(lǐng)域,張薇[5]等發(fā)現(xiàn)珍稀瀕危植物丹霞梧桐種子存在硬實(shí)休眠現(xiàn)象,在自然條件下發(fā)芽率極低,試驗(yàn)表明,酸蝕20 min和高溫浸種能顯著促進(jìn)丹霞梧桐種子萌發(fā)；文亞峰研究員的團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)地考察對(duì)韶關(guān)丹霞山和南雄蒼石寨丹霞梧桐進(jìn)行了數(shù)量估計(jì)[6-7]。在新技術(shù)手段方面,LIU C[8]等和筆者研究團(tuán)隊(duì)[9]利用無(wú)人機(jī)航測(cè)進(jìn)行了珍稀物種丹霞梧桐數(shù)據(jù)采集的實(shí)驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合多年的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù),筆者[10]對(duì)丹霞山核心區(qū)珍稀物種丹霞梧桐生態(tài)保護(hù)紅線進(jìn)行了研究。

1 研究方法

獲取珍稀物種的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),再經(jīng)過(guò)空間分析得到準(zhǔn)確結(jié)論,是制定正確保護(hù)決策的基礎(chǔ)。本文需要獲取兩個(gè)重要數(shù)據(jù):①研究區(qū)內(nèi)丹霞梧桐的數(shù)量以及每株丹霞梧桐的位置數(shù)據(jù)（X、Y坐標(biāo)）；②研究區(qū)高精度的DEM數(shù)據(jù)。因此,如何獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)是本文的必要條件。傳統(tǒng)的野外調(diào)查采用GPS定位,獲取的研究區(qū)珍稀物種丹霞梧桐的位置數(shù)據(jù)具有直觀、可信度高的優(yōu)點(diǎn),有助于研究者總結(jié)研究區(qū)珍稀物種丹霞梧桐空間分布的微地貌環(huán)境規(guī)律。然而,在無(wú)道路可進(jìn)入的丹霞地貌區(qū)以及樹(shù)木遮蔽視線觀測(cè)不到的地帶,都會(huì)產(chǎn)生目測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的誤差,影響后期分析的準(zhǔn)確性。同時(shí),珍稀物種丹霞梧桐大多分布在丹霞崖壁上,利用傳統(tǒng)的GPS定位獲取每株丹霞梧桐的位置數(shù)據(jù)難度很大。即使在完成GPS定位數(shù)據(jù)采集后,高精度的DEM數(shù)據(jù)是影響空間分析結(jié)論準(zhǔn)確性的另一個(gè)重要限制條件,若DEM數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確,則通過(guò)位置數(shù)據(jù)計(jì)算得到的丹霞梧桐海拔高度以及坡面和坡度數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生誤差,從而影響后期空間分析的準(zhǔn)確度。利用傳統(tǒng)的人工測(cè)量方式獲取的研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)精度較高,但無(wú)疑會(huì)大大提高人力、物力、時(shí)間和經(jīng)費(fèi)成本。

解決丹霞梧桐位置數(shù)據(jù)和高精度DEM數(shù)據(jù)獲取的最好辦法是將野外人工調(diào)查與無(wú)人機(jī)航測(cè)獲取數(shù)據(jù)相結(jié)合,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。目前,無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)可快速完成1∶2 000地面正射影像圖和高精度DEM數(shù)據(jù)的制作（地面分辨率可達(dá)0.2 m）；帶有地面像控點(diǎn)的無(wú)人機(jī)航測(cè)影像數(shù)據(jù)的精度可滿足1∶500制圖的要求（地面分辨率可達(dá)5 cm）,在珍稀物種資源調(diào)查數(shù)據(jù)獲取等方面極具應(yīng)用推廣的價(jià)值。

為獲取研究區(qū)丹霞梧桐位置數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù),筆者團(tuán)隊(duì)于2017年10月29日采用多旋翼大疆無(wú)人機(jī)（DJI-Phantom 4 Pro V2.0）航測(cè)了研究區(qū)2 km2的范圍。主要航測(cè)參數(shù)設(shè)置為:相機(jī)平行于主航線、等距間隔拍照,航高為290.3 m,飛行速度為9.6 m/s,航向重疊度和旁向重疊度均為75%,拍攝間隔為8.0 s,單幅照片大小為190.04 cm×108.59 cm,地面分辨率為12.6 cm/px,共獲取435幅影像數(shù)據(jù)（總計(jì)2.99 GB）。順利完成無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集工作后,利用Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行影像拼接,制作航測(cè)區(qū)的正射影像圖和DEM數(shù)據(jù),如圖1所示。

圖1 利用PhotoScan軟件制作的航測(cè)區(qū)正射影像圖和DEM數(shù)據(jù)

2 航測(cè)區(qū)丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

2.1 柵格數(shù)據(jù)裁剪、批量分割、目標(biāo)識(shí)別

首先將PhotoScan軟件生產(chǎn)的影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS10.5軟件中,對(duì)柵格數(shù)據(jù)邊緣不規(guī)則處進(jìn)行裁剪,獲取實(shí)際距離長(zhǎng)和寬為2 000 m×1 000 m的矩形影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)；然后利用ArcGIS10.5空間分析模塊中的批量提取功能將影像數(shù)據(jù)按照實(shí)地長(zhǎng)和寬為100 m×100 m的范圍進(jìn)行批量分割,將經(jīng)過(guò)密集匹配后合成的影像分割成200幅圖像,其中第一行從左到右分割序號(hào)依次為1-2、1-2、…、1-20,以此類(lèi)推,最后一行的序號(hào)為10-1、10-2、…、10-20；最后在比例尺為1∶1 000的范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)查找。結(jié)果表明,在分割的200幅圖像里,有58幅圖像上可識(shí)別確認(rèn)出321株珍稀物種丹霞梧桐。通過(guò)室內(nèi)人機(jī)交互在大比例尺（1∶1 000）小范圍（100 m×100 m的實(shí)地距離）的影像數(shù)據(jù)中查尋特征目標(biāo)珍稀物種丹霞梧桐,大大提高了準(zhǔn)確度和效率,完成了整個(gè)航測(cè)區(qū)321株丹霞梧桐的目標(biāo)定位,如圖2所示。

圖2 航測(cè)區(qū)丹霞梧桐位置目標(biāo)識(shí)別

2.2 丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

目測(cè)識(shí)別完成后,在ArcGIS10.5軟件中建立丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)（.gdb）,并將裁減后的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、丹霞梧桐位置數(shù)據(jù)全部導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。啟用ArcGIS10.5空間分析模塊中的坡向和坡度分析功能,對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,生成航測(cè)區(qū)的坡向數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)。丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了經(jīng)過(guò)裁剪的實(shí)地面積為2 km2的影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、丹霞梧桐位置（點(diǎn)）數(shù)據(jù)以及通過(guò)計(jì)算獲取的坡向數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)。在丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)中,打開(kāi)丹霞梧桐位置圖層表屬性,通過(guò)Calculate Geometry功能計(jì)算表中每株丹霞梧桐的點(diǎn)坐標(biāo)（X、Y值）；通過(guò)ArcToolbox-Spatial analyst tools-Extraction-Extract values to points命令獲取航測(cè)區(qū)每株丹霞梧桐的高程（Z）、坡度（S）和坡向（A）數(shù)據(jù)（部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示,總計(jì)為321株）,為后續(xù)數(shù)據(jù)空間分析做好準(zhǔn)備。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)中通過(guò)計(jì)算獲取的丹霞梧桐位置、高程、坡向和坡度

3 丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)的空間分析

3.1 丹霞梧桐分布的高程分析

在ArcGIS10.5中,對(duì)航測(cè)區(qū)丹霞梧桐分布的高程特點(diǎn)進(jìn)行定量分析。在軟件中打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)“丹霞梧桐”點(diǎn)圖層屬性表,對(duì)321株丹霞梧桐分布的高程進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明,測(cè)區(qū)內(nèi)丹霞梧桐分布在88.79～254.60 m之間,平均海拔高度為159.16m；通過(guò)高程分布頻率分析發(fā)現(xiàn),在航測(cè)區(qū)138.1～187.4m的海拔段內(nèi),丹霞梧桐出現(xiàn)的頻率最大。將丹霞梧桐點(diǎn)數(shù)據(jù)疊加到DEM數(shù)據(jù)圖層上,在丹霞梧桐點(diǎn)數(shù)據(jù)屬性表中選擇“按屬性選擇”菜單,具體分析丹霞梧桐在不同高程之間的空間分布變化,結(jié)果表明,航測(cè)區(qū)內(nèi)高程在100～220 m的丹霞梧桐有298株（占總量的92.8%）,即航測(cè)區(qū)內(nèi)絕大部分丹霞梧桐都分布在等高線160±60 m的范圍內(nèi)；高程在100 m以下和220 m以上的只有23株（僅占總量的7.2%）。航測(cè)區(qū)丹霞梧桐空間分布的高程分析如圖3所示。

圖3 航測(cè)區(qū)丹霞梧桐空間分布的高程分析

上述數(shù)據(jù)表明,航測(cè)區(qū)丹霞梧桐在海拔相對(duì)較低的（＜100 m）山腳分布較少,其原因可能是由于山腳相對(duì)平坦的地帶有著更多的人類(lèi)生產(chǎn)生活活動(dòng),對(duì)自然環(huán)境的影響較大,導(dǎo)致珍稀物種較少分布。該研究結(jié)果反映了進(jìn)行丹霞山珍稀物種丹霞梧桐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查研究劃定生態(tài)保護(hù)紅線的迫切性,以及保護(hù)其生存自然環(huán)境的重要性。

3.2 丹霞梧桐分布的坡度分析

利用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算得到的坡度圖可提供直觀的航測(cè)區(qū)丹霞梧桐在不同坡度的空間分布規(guī)律。在ArcGIS10.5環(huán)境中, 打開(kāi)丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)文件,將丹霞梧桐點(diǎn)數(shù)據(jù)疊加到坡度數(shù)據(jù)上,獲取測(cè)區(qū)內(nèi)丹霞梧桐坡度的空間分布示意圖。在點(diǎn)屬性內(nèi)按照屬性進(jìn)行選擇查詢,并計(jì)算發(fā)現(xiàn):丹霞梧桐分布坡度＞30°的占據(jù)優(yōu)勢(shì)（231株,占總數(shù)的74.3%）,坡度＜30°的僅90株。航測(cè)區(qū)丹霞梧桐密集分布在坡度相對(duì)較陡的丹霞崖壁上,這也與實(shí)地觀察到的獅子巖丹霞崖壁上丹霞梧桐分布較多相吻合。航測(cè)區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡度分析如圖4所示。

圖4 航測(cè)區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡度分析

從目前航測(cè)區(qū)丹霞梧桐多長(zhǎng)于不利于其他物種生存的丹霞崖壁地帶來(lái)看,其分布的空間地域非常狹窄,且其果實(shí)難以在山腳地帶存活發(fā)育新種,其生存環(huán)境一旦遭到破壞,有可能造成物種滅絕。因此,亟待調(diào)查清楚丹霞山珍稀物種丹霞梧桐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),摸清“家底”,加強(qiáng)珍稀物種丹霞梧桐保護(hù)措施等方面的研究。

3.3 丹霞梧桐分布的坡向分析

在ArcGIS10.5中,打開(kāi)丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)文件,將丹霞梧桐點(diǎn)數(shù)據(jù)疊加到坡向數(shù)據(jù)上,在圖層點(diǎn)屬性內(nèi)按照屬性進(jìn)行選擇,得到不同坡向的丹霞梧桐數(shù)據(jù)為:南東65株、南86株、南西45株、西19株、北西34株、北26株、北東24株、東22株。

坡向空間展示如圖5所示,航測(cè)區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡向分析如圖6所示,可以看出,丹霞梧桐在航測(cè)區(qū)陽(yáng)元石景區(qū)山體四周均有分布,其主要原因是丹霞山是典型的丹霞地貌,丹霞地貌具有“頂平、坡陡、麓緩”的坡面形態(tài)特點(diǎn),其相對(duì)高度并不太大。植物在自然環(huán)境狀況下,往往會(huì)選擇最適宜的生存環(huán)境,由數(shù)據(jù)分析可知,在南東（65株）、南（86株）、南西（45株）3個(gè)坡向的丹霞梧桐分布相對(duì)集中,共計(jì)196株,占總數(shù)的61.1%；而其他5個(gè)坡向丹霞梧桐只占到總數(shù)的38.9%,這主要是由于南坡向陽(yáng),光照雨水等條件相對(duì)較好,珍稀物種丹霞梧桐大多位于丹霞崖壁上,可以滿足其耐旱喜光照需雨水的生存條件所導(dǎo)致的。

圖5 航測(cè)區(qū)丹霞梧桐坡向空間展示圖

圖6 航測(cè)區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡向分析

本文分別從高程、坡度、坡向3個(gè)微地貌層面對(duì)航測(cè)區(qū)珍稀物種丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了空間定量分析,得到的主要結(jié)論為:航測(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的321株丹霞梧桐,有92.8%（298株）分布在海拔160±60 m的范圍內(nèi)；丹霞梧桐的空間分布受坡度影響較明顯,有74.3%（231株）的丹霞梧桐分布在坡度＞30°的丹霞崖壁地帶；在航測(cè)區(qū)的南東（65株）、南（86株）、南西（45株）3個(gè)向陽(yáng)坡向上,丹霞梧桐分布集中,約占總數(shù)的61.1%（196株）。研究區(qū)丹霞梧桐多集中分布在陽(yáng)坡與王衛(wèi)[11]等最新研究結(jié)論一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用多旋翼無(wú)人機(jī)（DJI-Phantom 4 Pro V2.0）航測(cè)丹霞山陽(yáng)元石景區(qū),獲取了高精度影像數(shù)據(jù),并制作了航測(cè)區(qū)正射影像圖和DEM數(shù)據(jù)。研究表明,在航測(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的321株丹霞梧桐,大部分（298株,占總數(shù)的92.8%）分布在海拔160±60 m的范圍內(nèi)；74.3%（231株）的丹霞梧桐分布在坡度＞30°的丹霞崖壁地帶；在航測(cè)區(qū)的南東（65株）、南（86株）和南西（45株）3個(gè)向陽(yáng)坡向上,丹霞梧桐分布集中,約占總數(shù)的61.1%（196株）。珍稀丹霞梧桐地理數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建,不僅可提供每株丹霞梧桐精準(zhǔn)的位置、高程、坡度、坡向等微地貌的準(zhǔn)確信息,還可提供丹霞梧桐在不同高程、坡度和坡向上的空間分布圖譜,為珍稀物種資源保護(hù)與研究提供可靠的依據(jù),是丹霞山珍稀物種丹霞梧桐生態(tài)保護(hù)紅線能夠準(zhǔn)確落地的基石。