基于遙感與地理信息系統的黃岡市野生杜鵑花空間分布研究

黃勇奇　羅代清　王云川　方元平　金衛斌

摘要：在湖北省黃岡市麻城市境內的龜峰山上生長著大面積的野生杜鵑花（Rhododendron L.）灌叢，形成了極為壯觀的“花海”景觀，吸引了大量游客，以杜鵑花為主題的旅游活動日趨火熱。為了加強對野生杜鵑花種群的保護，全面了解大別山地區野生杜鵑花分布狀況是非常必要的。利用黃岡市ETM+遙感影像，采用監督分類的方法，以龜峰山景區的杜鵑花為典型訓練樣本，在地理信息系統（Geographic information system，GIS） Arc GIS 10.0平臺上單獨提取出杜鵑花的分布圖層，分縣（市）統計并與DEM數據疊加分析，了解杜鵑花在不同海拔高度、坡度及坡向的分布特征。結果顯示，黃岡市的野生杜鵑花主要分布在英山、羅田、麻城3縣（市），總面積在34 562.7 hm2左右。主要集中在海拔500～1 000 m 的山丘，坡度范圍在15°～25°，且陽坡和陰坡上的分布差異不明顯，由此推測，在黃岡市可能還存在著集中連片分布的杜鵑花種群。該結果對于認識北亞熱帶區域杜鵑花種群生境特征具有重要意義，也對黃岡市旅游資源的開發具有參考價值。

關鍵詞：杜鵑花（Rhododendron L.）；ETM+遙感影像；地理信息系統；監督分類；空間分布；黃岡市

中圖分類號：Q949.772.3；TP79；Q948.15+5（633HG）文獻標識碼：A文章編號：0439-8114（2015）22-5637-04

Abstract： There is a large area of wild Rhododendron（Rhododendron L.） shrub in Guifeng Mountains of Macheng city， Huanggang city， Hubei province. In recent years， tourism activities taking Rhododendron as the theme has become increasingly boom. It is necessary to understand the spatial distribution of Rhododendron in the region to protect the population. Using remote sensing images of Huanggang city and supervised classification method， the Rhododendron's distribution information was extracted and statistically analyzed based on platform of Geographic information system Arcgis10.0， then overlaid with DEM， which clearly reflected Rhododendron's three-dimensional distribution in Dabie mountain area. The results showed that Rhododendron is mainly distributing in Macheng city， Luotian county and Yingshan county； and the total area is about 34 562.7 hm2. Rhododendron mainly distribute in 500 to 1 000 m above the sea level on 15 to 25 degrees slope. The distribution of Rhododendron on sunny slope and on shady slope has no obvious difference. According to the research results， there is a large number of Rhododendron populations exists in other regions besides Guifeng Mountain area. The results is of significance for understanding the habitat characteristics of development of Rhododendron populations in northern subtropics as well as development of tourism resources in Huanggang city.

Key words： Rhododendron（Rhododendron L.）； ETM+ remote sensing image； Geographic information system； supervised classification， spatial； distribution； Huanggang city

大范圍的野生杜鵑花（Rhododendron L.）是一類優質的旅游資源，因其花大色艷、集聚性高而具有極高的觀賞價值[1]。中國以杜鵑花為主題的風景名勝區并不多見，僅有貴州省畢節市的百里杜鵑風景區、湖北省麻城市的龜峰山風景區、江西省井岡山市的筆架山景區、江西省上饒市的三清山風景區、湖北省武漢市的木蘭云霧山風景區等處[2]。研究黃岡市大別山杜鵑花的空間分布，對于進一步開發杜鵑花旅游產品、緩解現有景區壓力、吸引更多的游客、促進黃岡旅游的發展、進而帶動相關產業的興起都有著巨大的促進作用；同時杜鵑花作為大別山重要的植物群落，其分布區域和生長環境的分析將對研究大別山的生態環境、物種分布、生物多樣性等都有重要的科學價值。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域概況

黃岡市地處湖北省的東部，大別山南麓，長江中游北岸，京九鐵路的中端；地處北緯29°45′-31°35′，東經114°25′-116°8′。轄1區（黃州區）、2市（武穴市、麻城市）、7縣（紅安縣、羅田縣、英山縣、浠水縣、蘄春縣、黃梅縣、團風縣）和一個縣級農場（龍感湖農場），版圖面積1.74萬km2，總人口730萬[3]。

黃岡市屬亞熱帶大陸型季風氣候，處在江淮小氣候區。四季光熱分明，光照豐富，雨量充足，年平均降水量1 223～1 493 mm。本區地勢自北向南逐漸傾斜、東北部與豫皖交界于大別山脈，主脊呈西北-東南走向；中部為丘陵區，海拔多在300 m以下；南部為狹長的平原湖區，海拔高度在10～30 m，河汊、湖泊交織，水面較多。

1.2 數據來源

研究采用的數據為ETM+遙感影像，時間為4月中下旬，要求云量接近0。受Landsat衛星運行周期（16 d）和天氣的影響，近十多年來合適的遙感影像僅有2001年、2003年、2007年。此次采用的是2003年4月16日的ETM影像數據，數據來源為地理空間數據云，數據級別為Leve l1（經過系統輻射校正和地面控制點幾何校正，并且通過DEM進行了地形校正），輸出格式為Geo TIFF，投影類型為UTM-WGS 84極地投影，空間分辨率30 m×30 m，其軌道號為122038、122039、123038。ETM+遙感影像共有8個波段，其中6波段熱紅外波段和8波段全色波段對本研究的意義不大，所以只采用1、2、3、4、5、7這6個波段。

選用的高程數據為SRTM-DEM 90 m分辨率數據，投影類型同樣為UTM-WGS 84極地投影。除了遙感數據和DEM數據外，還包括全國地級市界1∶400萬的矢量圖和全國縣界1∶400萬的矢量圖，來源于國家基礎地理信息系統網站。

1.3 數據處理

由于ETM+數據波段數較多，一般涉及到1、2、3、4、5、7等6個波段，因此在對圖像進行預處理之前，先將6個波段疊加，以得到假彩色合成圖像。用多邊形工具裁剪每幅遙感影像四周的條帶鋸齒和噪聲[4]。

利用全國1∶400萬地級市界的矢量圖，在Arcgis 10.0的支持下，選取黃岡市的矢量圖，然后建立研究區邊界。在Erdas 9.1的支持下，保存為AOI文件，再進行遙感圖像裁剪，得到和研究區域一致的遙感圖像。由于所使用的數據已經經過嚴格的幾何校正，所以3幅影像的拼接可以在ERDAS的Mosaic Tools中進行[5]。

1.4 遙感影像圖的信息提取

用多邊形工具選取訓練樣本，將杜鵑作為單獨地面物類型，分出杜鵑、林草地、水域、旱地、水田、建筑用地、未利用地共7種土地利用類型，每種類型選擇20個樣本，最后取平均值。保存為.sig文件。依據以上訓練樣本對遙感影像進行分類，得到土地利用類型圖。

為了消除分類結果中產生的一些小面積圖斑，進一步對分類結果進行聚類分析，聚類統計鄰域大小（Connect Neighbors）為8， 采用去除分析用于刪除原始分類圖像中的小圖斑或Clump聚類圖像中的小Clump類組。該分析會將小圖斑合并到最大的分類當中，設置最小圖斑的大小為50像素，輸出最終結果。利用地理信息系統（Geographic information system，GIS）Arc GIS 10.0中“Spatial analyst”下的“Extract by attributes“工具，提取出杜鵑花分布的單獨圖層[6]。

1.5 地形因子分析

本研究采用SRTM-DEM 90 m分辨率數據，在Arc GIS 10.0 中完成拼接。用黃岡市邊界線切割黃岡市的DEM數據，并在Arc GIS 10.0中提取黃岡市坡度、高程、坡向等數據。

利用Arc GIS 10.0中“Spatial analyst”下的“Reclassify”對黃岡市的海拔高程進行分類。

利用Arc GIS 10.0軟件中的“Slope”提取坡度圖層。并運用“Spatial analyst”下的“Reclassify”對坡度進行重分類。

坡向為坡面法線在水平面上的投影與正北方向的夾角。利用Arc GIS 10.0軟件中的“Aspect”提取坡向圖層，重分類為陰坡、陽坡。

2 結果與分析

2.1 研究區域土地利用類型分布

依據試驗確定的訓練樣本對黃岡市遙感影像進行分類，得到黃岡市2003年的土地利用類型圖（圖1）和杜鵑花的空間分布圖（圖2），并由此估算出黃岡市的各土地利用類型面積，結果見表1。從圖1、圖2、表1分析可知，黃岡市全市范圍內的杜鵑花分布面積大約是34 562.7 hm2，占全市國土面積的1.98%，主要分布在東北部的英山縣、羅田縣、麻城市，這三地占總分布面積的78.47%。在英山、蘄春、浠水以及蘄春、武穴、黃梅兩個三縣交界處也有較多分布。幾個主要分布縣（市）的分布情況見表2。

2.2 研究區域地形因子分析

通過DEM數據在Arc GIS 10.0中提取黃岡市的高程、坡度、坡向等地形數據，分別得到了黃岡市地形的高程分布（圖3）、坡度分級（圖4）、坡向分類（圖5）3個圖，進一步對杜鵑花在黃岡市不同高程、不同坡度、不同坡向的分布進行分類統計，結果杜鵑花在黃岡市不同高程的分布情況見表3、不同坡度的分布情況見表4、不同坡向的分布情況見表5。從表3可見，杜鵑花在黃岡市主要分布在海拔500～1 000 m的山地，比例占82.35%；在海拔1 000 m以上的分布也較多，而在低于500 m的區域分布較少。從表4來看，杜鵑花在黃岡市的坡度分布接近一半分布在15°～25°，其余的則大致在低于15°和高于25°區域各占其半。從表5可以看出，杜鵑花在黃岡市的分布在陽坡和陰坡方面沒有明顯差異。總之，杜鵑花在黃岡市是一種重要的景觀資源植物，總分布面積達到3萬hm2以上，主要分布在英山縣、羅田縣、麻城市海拔500～1 000 m、坡度在15°～25°的區域。

3 小結與討論

利用遙感信息提取植被中的個別物種分布信息是比較困難的。但由于杜鵑花在開花期間具有葉稀花茂和集聚性強的特征，利用已知分布區的訓練樣本，在特定物候期進行分析，有可能將其與其他植物區分開來[7，8]。通過比較發現，麻城市并不是黃岡市最大的杜鵑花分布區，推測在英山縣、羅田縣也有可能發現分布更為集中的區域，是否具有旅游開發的價值，尚待實地考察加以確認。所以這個研究結果對于黃岡市開發以杜鵑花為主題的旅游產業有一定的參考價值。

杜鵑花的花期較短，限制了遙感影像的選取，使得研究結果缺乏橫向對比；并且由于選取的遙感影像空間分辨率為30 m，精度不高，往往造成對邊緣地帶的杜鵑花容易當成植被而被排出的誤差；因此這個研究結果也就存在一些系統誤差。隨著遙感技術的發展與進步，同地區多時相數據將會更多用在資源調查工作中，也就可以借助更多、更新的遙感信息技術對當地資源植物動態進行實時更新。

參考文獻：

[1] 張永輝，姜衛兵，翁忙玲.杜鵑花的文化底蘊及其在園林綠化中的應用[J].中國農學通報，2007，23（9）：376-380.

[2] 周麗麗.杜鵑花植物景觀調查研究[D].杭州：浙江農林大學，2013.

[3] 李石華，王金亮，畢 艷，等.遙感圖像分類方法研究綜述[J].國土資源遙感，2005，（2）：1-6.

[4] 潘耀忠，李曉兵，何春陽.中國土地覆蓋綜合分類研究──基于NOAA/AVHRR和Holdridge PE [J].第四紀研究，2000，20（3）：270-281.

[5] 郭艷芬，劉志紅，謝明元.基于植被物候特征與監督分類的青南高原信息提取[J].遙感技術與應用，2009，24（2）：223-229.

[6] 王福明，周 進.試析螺髻山生態因子對杜鵑花形成的規律考[J].西南民族大學學報（自然科學版），2003，29（6）：713-717.

[7] 康用權，彭春良，廖菊陽，等.湖南杜鵑花資源及其開發利用[J].中南林業科技大學學報，2010，30（8）：57-63.

[8] 劉 蘭，王子夫，陳龍清.黃岡市鄉土植物資源調查及開發利用潛力分析[J].中國園林，2012（10）：78-81.

（責任編輯 王珞）