丹霞山陽元石景區(qū)丹霞梧桐地理數據庫的構建

歐陽杰，張云鵬，莊長偉，王金傳，喬 雁，段一男，鄭穗芳

（1.廣東開放大學 文化傳播與設計學院,廣東 廣州 510091；2.廣東理工職業(yè)學院,廣東 廣州 510091；3.南京工業(yè)大學 測繪科學與技術學院,江蘇 南京 211816；4.廣東省環(huán)境科學研究院,廣東 廣州 510045；5.山東省國土測繪院,山東 濟寧 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,屬于國家II級重點保護野生植物[2]。由于珍稀物種潛在的或尚未查明的在醫(yī)學藥用、遺傳育種、生殖生態(tài)、物種起源等方面的價值,對其加強科研和保護,是全人類所面臨的、共同的、迫切的任務。陽元石景區(qū)的拓展開發(fā)最早始于20世紀90年代初,中山大學的保繼剛教授[3]等撰文論述了陽元石景區(qū)內楓香、秀麗椎、木荷、烏崗櫟、樟樹、板栗、杉樹等山岳風景植被的重要價值。近年來,國內學者對丹霞山珍稀物種丹霞梧桐的研究有明顯“增溫”的趨勢。筆者[4]于2017年首次對丹霞山核心區(qū)陽元山游覽區(qū)丹霞梧桐密集地帶進行了高程、坡度、坡面的微地貌環(huán)境分析,提供了丹霞梧桐在小區(qū)域地帶相對比較準確的空間范圍。在生物學研究領域,張薇[5]等發(fā)現(xiàn)珍稀瀕危植物丹霞梧桐種子存在硬實休眠現(xiàn)象,在自然條件下發(fā)芽率極低,試驗表明,酸蝕20 min和高溫浸種能顯著促進丹霞梧桐種子萌發(fā)；文亞峰研究員的團隊通過實地考察對韶關丹霞山和南雄蒼石寨丹霞梧桐進行了數量估計[6-7]。在新技術手段方面,LIU C[8]等和筆者研究團隊[9]利用無人機航測進行了珍稀物種丹霞梧桐數據采集的實驗研究。在此基礎上,結合多年的實地調查數據,筆者[10]對丹霞山核心區(qū)珍稀物種丹霞梧桐生態(tài)保護紅線進行了研究。

1 研究方法

獲取珍稀物種的準確數據,再經過空間分析得到準確結論,是制定正確保護決策的基礎。本文需要獲取兩個重要數據:①研究區(qū)內丹霞梧桐的數量以及每株丹霞梧桐的位置數據（X、Y坐標）；②研究區(qū)高精度的DEM數據。因此,如何獲取準確數據是本文的必要條件。傳統(tǒng)的野外調查采用GPS定位,獲取的研究區(qū)珍稀物種丹霞梧桐的位置數據具有直觀、可信度高的優(yōu)點,有助于研究者總結研究區(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,在無道路可進入的丹霞地貌區(qū)以及樹木遮蔽視線觀測不到的地帶,都會產生目測統(tǒng)計數據的誤差,影響后期分析的準確性。同時,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據難度很大。即使在完成GPS定位數據采集后,高精度的DEM數據是影響空間分析結論準確性的另一個重要限制條件,若DEM數據不夠準確,則通過位置數據計算得到的丹霞梧桐海拔高度以及坡面和坡度數據就會產生誤差,從而影響后期空間分析的準確度。利用傳統(tǒng)的人工測量方式獲取的研究區(qū)DEM數據精度較高,但無疑會大大提高人力、物力、時間和經費成本。

解決丹霞梧桐位置數據和高精度DEM數據獲取的最好辦法是將野外人工調查與無人機航測獲取數據相結合,優(yōu)勢互補。目前,無人機低空攝影測量技術可快速完成1∶2 000地面正射影像圖和高精度DEM數據的制作（地面分辨率可達0.2 m）；帶有地面像控點的無人機航測影像數據的精度可滿足1∶500制圖的要求（地面分辨率可達5 cm）,在珍稀物種資源調查數據獲取等方面極具應用推廣的價值。

為獲取研究區(qū)丹霞梧桐位置數據和DEM數據,筆者團隊于2017年10月29日采用多旋翼大疆無人機（DJI-Phantom 4 Pro V2.0）航測了研究區(qū)2 km2的范圍。主要航測參數設置為:相機平行于主航線、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幅影像數據（總計2.99 GB）。順利完成無人機數據采集工作后,利用Agisoft PhotoScan軟件進行影像拼接,制作航測區(qū)的正射影像圖和DEM數據,如圖1所示。

圖1 利用PhotoScan軟件制作的航測區(qū)正射影像圖和DEM數據

2 航測區(qū)丹霞梧桐地理數據庫的構建

2.1 柵格數據裁剪、批量分割、目標識別

首先將PhotoScan軟件生產的影像數據和DEM數據導入ArcGIS10.5軟件中,對柵格數據邊緣不規(guī)則處進行裁剪,獲取實際距離長和寬為2 000 m×1 000 m的矩形影像數據和DEM數據；然后利用ArcGIS10.5空間分析模塊中的批量提取功能將影像數據按照實地長和寬為100 m×100 m的范圍進行批量分割,將經過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依次為1-2、1-2、…、1-20,以此類推,最后一行的序號為10-1、10-2、…、10-20；最后在比例尺為1∶1 000的范圍內進行目標查找。結果表明,在分割的200幅圖像里,有58幅圖像上可識別確認出321株珍稀物種丹霞梧桐。通過室內人機交互在大比例尺（1∶1 000）小范圍（100 m×100 m的實地距離）的影像數據中查尋特征目標珍稀物種丹霞梧桐,大大提高了準確度和效率,完成了整個航測區(qū)321株丹霞梧桐的目標定位,如圖2所示。

圖2 航測區(qū)丹霞梧桐位置目標識別

2.2 丹霞梧桐地理數據庫構建

目測識別完成后,在ArcGIS10.5軟件中建立丹霞梧桐地理數據庫（.gdb）,并將裁減后的影像數據、DEM數據、丹霞梧桐位置數據全部導入數據庫中。啟用ArcGIS10.5空間分析模塊中的坡向和坡度分析功能,對DEM數據進行計算,生成航測區(qū)的坡向數據和坡度數據并導入數據庫。丹霞梧桐地理數據庫中存儲了經過裁剪的實地面積為2 km2的影像數據、DEM數據、丹霞梧桐位置（點）數據以及通過計算獲取的坡向數據和坡度數據。在丹霞梧桐地理數據庫中,打開丹霞梧桐位置圖層表屬性,通過Calculate Geometry功能計算表中每株丹霞梧桐的點坐標（X、Y值）；通過ArcToolbox-Spatial analyst tools-Extraction-Extract values to points命令獲取航測區(qū)每株丹霞梧桐的高程（Z）、坡度（S）和坡向（A）數據（部分數據如表1所示,總計為321株）,為后續(xù)數據空間分析做好準備。

表1 數據庫中通過計算獲取的丹霞梧桐位置、高程、坡向和坡度

3 丹霞梧桐地理數據庫的空間分析

3.1 丹霞梧桐分布的高程分析

在ArcGIS10.5中,對航測區(qū)丹霞梧桐分布的高程特點進行定量分析。在軟件中打開數據庫“丹霞梧桐”點圖層屬性表,對321株丹霞梧桐分布的高程進行統(tǒng)計,結果表明,測區(qū)內丹霞梧桐分布在88.79～254.60 m之間,平均海拔高度為159.16m；通過高程分布頻率分析發(fā)現(xiàn),在航測區(qū)138.1～187.4m的海拔段內,丹霞梧桐出現(xiàn)的頻率最大。將丹霞梧桐點數據疊加到DEM數據圖層上,在丹霞梧桐點數據屬性表中選擇“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,結果表明,航測區(qū)內高程在100～220 m的丹霞梧桐有298株（占總量的92.8%）,即航測區(qū)內絕大部分丹霞梧桐都分布在等高線160±60 m的范圍內；高程在100 m以下和220 m以上的只有23株（僅占總量的7.2%）。航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的高程分析如圖3所示。

圖3 航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的高程分析

上述數據表明,航測區(qū)丹霞梧桐在海拔相對較低的（＜100 m）山腳分布較少,其原因可能是由于山腳相對平坦的地帶有著更多的人類生產生活活動,對自然環(huán)境的影響較大,導致珍稀物種較少分布。該研究結果反映了進行丹霞山珍稀物種丹霞梧桐基礎數據調查研究劃定生態(tài)保護紅線的迫切性,以及保護其生存自然環(huán)境的重要性。

3.2 丹霞梧桐分布的坡度分析

利用DEM數據計算得到的坡度圖可提供直觀的航測區(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, 打開丹霞梧桐地理數據庫文件,將丹霞梧桐點數據疊加到坡度數據上,獲取測區(qū)內丹霞梧桐坡度的空間分布示意圖。在點屬性內按照屬性進行選擇查詢,并計算發(fā)現(xiàn):丹霞梧桐分布坡度＞30°的占據優(yōu)勢（231株,占總數的74.3%）,坡度＜30°的僅90株。航測區(qū)丹霞梧桐密集分布在坡度相對較陡的丹霞崖壁上,這也與實地觀察到的獅子巖丹霞崖壁上丹霞梧桐分布較多相吻合。航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡度分析如圖4所示。

圖4 航測區(qū)丹霞梧桐空間分布的坡度分析

從目前航測區(qū)丹霞梧桐多長于不利于其他物種生存的丹霞崖壁地帶來看,其分布的空間地域非常狹窄,且其果實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,亟待調查清楚丹霞山珍稀物種丹霞梧桐的基礎數據,摸清“家底”,加強珍稀物種丹霞梧桐保護措施等方面的研究。

3.3 丹霞梧桐分布的坡向分析

在ArcGIS10.5中,打開丹霞梧桐地理數據庫文件,將丹霞梧桐點數據疊加到坡向數據上,在圖層點屬性內按照屬性進行選擇,得到不同坡向的丹霞梧桐數據為: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,丹霞梧桐在航測區(qū)陽元石景區(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,其相對高度并不太大。植物在自然環(huán)境狀況下,往往會選擇最適宜的生存環(huán)境,由數據分析可知,在南東（65株）、南（86株）、南西（45株）3個坡向的丹霞梧桐分布相對集中,共計196株,占總數的61.1%；而其他5個坡向丹霞梧桐只占到總數的38.9%,這主要是由于南坡向陽,光照雨水等條件相對較好,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致的。

圖5 航測區(qū)丹霞梧桐坡向空間展示圖

圖6 航測區(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個微地貌層面對航測區(qū)珍稀物種丹霞梧桐地理數據庫進行了空間定量分析,得到的主要結論為:航測區(qū)內發(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；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；在航測區(qū)的南東（65株）、南（86株）、南西（45株）3個向陽坡向上,丹霞梧桐分布集中,約占總數的61.1%（196株）。研究區(qū)丹霞梧桐多集中分布在陽坡與王衛(wèi)[11]等最新研究結論一致。

4 結 語

本文采用多旋翼無人機（DJI-Phantom 4 Pro V2.0）航測丹霞山陽元石景區(qū),獲取了高精度影像數據,并制作了航測區(qū)正射影像圖和DEM數據。研究表明,在航測區(qū)內發(fā)現(xiàn)的321株丹霞梧桐,大部分（298株,占總數的92.8%）分布在海拔160±60 m的范圍內；74.3%（231株）的丹霞梧桐分布在坡度＞30°的丹霞崖壁地帶；在航測區(qū)的南東（65株）、南（86株）和南西（45株）3個向陽坡向上,丹霞梧桐分布集中,約占總數的61.1%（196株）。珍稀丹霞梧桐地理數據庫的構建,不僅可提供每株丹霞梧桐精準的位置、高程、坡度、坡向等微地貌的準確信息,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與研究提供可靠的依據,是丹霞山珍稀物種丹霞梧桐生態(tài)保護紅線能夠準確落地的基石。