全 文 ：2009年 12月
第 6期
林业资源管理
FORESTRESOURCESMANAGEMENT
December2009
No.6
新疆西天山巩留林场云杉林空间分布格局研究
王苏颖 1 , 叶李灶1 , 陈冬花 2 , 李　虎 1
(1福建师范大学 地理科学学院 , 福州 350007; 2北京师范大学资源环境学院 , 北京 100875)
摘要:以新疆天山西部云杉林为研究对象 , 采用 MoranI指数进行量化分析 , 将林相图与 DEM叠加后 , 对所得的
量化结果进行分析。研究表明:云杉林基本分布在高程为 1 400 ～ 2 700m的高度 , 其中在 15 ～ 45°坡度范围内分
布有 77.69%的云杉林 , 在北 、 东北 、 西 、 西北的坡向上有 74.75%的云杉林分布。从地形因子的角度分析 , 云
杉林空间分布呈现明显的规律性。
关键词:DEM;空间自相关;地形分异;空间分布;西天山云杉林
中图分类号:S791　文献标识码:A　文章编号:1002-6622(2009)06-0059-05
ApplicationofGIStoSpatialDifferentiationofPiceaschrenkiana
StudyintheWestofTianshanMt.inXinjiang
WANGSuying1 , YELizao1 , CHENDonghua2 , LIHu1
(1.DepartmentofGeographicalSciences, FujianNormalUniversity, Fuzhou350007, China;2.ColegeofResourcesScience＆Technology,
BeijingNormalUniversity, Beijing, 100875, China)
Abstract:BasedonDEM, thisstudyanalysesspatialdiferentiationofvegetationwithPiceaschrenkiana
inGongliuTreeFarminXinjiangasanexample.Todetectdatausedintheresearchwhichissubjectto
normaldistributioncharacteristics, theauthorsilustratetheNormalQQPlotinArcGIS9.0 platform.
WithMoranIindex, theauthorsfigureoutthatdistributionofPiceaschrenkianaisspatialauto-corela-
tion.AnalysisofdirectionaldistributionshowsPiceaschrenkianarunsfromnortheasttosouthwestimposed
mainlybyterrainfactors.TheoverlayingresultshowsthatPiceaschrenkianaismainlydistributedatthe
elevationof1400 ～ 2700 meters.And77.69% oftreesofPiceaschrenkianaisdistributedontheslope
between15°～ 45°andaspectsofnorth, northeast, westandnorthwest.Itconcludesthattherelationship
betweenfactorsofterainandspatialdistributionofPiceaschrenkianaisapparentlyregular.
Keywords:DEM, spatialauto-corelation, terraindiferentiation, spatialdistribution, Piceaschrenkiana
inthewestofTianshanMt
收稿日期:2009-08-17;修回日期:2009-10-16
基金项目:国家基础科学人才培养基金项目(J0830521);国防科技工业民用专项科研技术研究项目(2006A01A0200)
作者简介:王苏颖(1984-), 女 ,福建福州人 , 在读硕士 ,主要研究方向为遥感应用与地理信息建模。
通讯作者:李虎(1962-), 男 ,山东德州人 , 教授 ,博士 , 主要研究方向为资源环境调查与监测。
　　天山林区是新疆最大的山地森林分布区 ,整个
林区的景观格局具有鲜明的中亚山地森林特征 ,林
地面积约 53万 hm2 ,活立木总蓄积量约 1.2亿 m3 ,
占新疆山地森林总资源数量的近三分之二 [ 1] 。云杉
DOI :10.13466/j.cnki.lyzyg l.2009.06.013
林业资源管理 第 6期　
林作为天山山地最主要的地带性植被 ,是构成天山乃
至新疆森林生态系统的主体;其中天山西部云杉林
(Piceaschrenkianavar.)面积和蓄积量分别占整个天山
林区的 54%和 62%[ 2] 。根据样地资料 ,王燕[ 3]等分析
和研究了天山云杉林生物生产力的地理分布格局 ,研
究结果表明天山云杉林生物生产力的地理分布规律十
分明显 ,主要表现在整个天山北坡沿着天山的东西走
向从山体的西段到中段再到东段 ,天山云杉林的生物
生产力逐渐下降 ,即呈现出西高东低的趋势。喻庆
国[ 4]等为了探索云南糯扎渡自然保护区植被沿坡度的
空间分布规律和植被分布、坡度的相关关系 ,基于数字
高程模型 ,使用 ArcMap软件提取了植被类型在不同坡
度和海拔上分布的图层 ,结合植被图制作了三维立体
植被图 ,并用 SPSS统计分析软件计算了坡度与植被分
布的相关关系 ,最后确定了 9个自然植被类型的适生
坡度级。综观现有对植被及其生物量研究多采用实地
调查采样的方法 ,多利用经典统计学分析数据的分布
特征 ,对于各样地或斑块的空间分布特征及其之间的
空间相关性研究甚少 ,同时这些研究大多集中在相近
的海拔高度或相似的环境条件中 ,这对于揭示植被的
多尺度时空分布规律具有局限性 [ 5 -6] 。笔者在前人
研究的基础上利用数字高程模型(DEM)与植被图
相叠加 ,分析了云杉林斑块之间的空间自相关作用 ,
并对云杉林的空间分布规律及其与海拔 、坡度 、坡向
之间的关系进行了探讨。
1　研究区概况
天山云杉是北温带广泛分布的暗针叶林的一个组
成部分 ,也是新疆山地森林中主要的建群树种。研究
区巩留林场位于天山西部那拉提山北麓 ,伊犁河谷中
部 ,地处伊犁哈萨克自治州境内 ,总面积4 528.2km2 ,保
存有天山林区生长最好的天山云杉林[ 7] ,是我国面积
最大的天山(雪岭)云杉分布区 ,地理位置为 42°54′～
43°38′N, 81°34′～ 83°35′E。林区地势东南高 , 西北低 ,
海拔 697 ～ 4 357m。巩留林区呈典型的中亚温带大陆
性半干旱特征 ,全年平均气温 7.4℃,年降水 550 ～ 700
㎜ ,最大降水带在海拔1 800 ～ 2 700m的云杉林分布带 ,
年均日照时数2 731.7h,这对森林生长十分有利。区内
河流纵横 ,河网密布 ,水资源十分丰富。巩留林区内土
壤主要是在黄土母质上发育起来的山地淋溶灰褐色森
林土 ,土壤有机质丰富 ,碳酸钙淋溶强 ,盐基饱和度高 ,
微偏酸 ,土壤肥力较高① , [ 8-9] 。
2　数据处理
2.1　DEM数据
由 DEM自动提取地形因子 ,并进行相关空间分
析 ,可以部分取代传统作业中繁杂的野外实地观测 ,
不仅人工干预少 ,效率高 ,还可以让决策者清楚地了
解本地区的地形条件特征及森林资源分布格局 [ 9] 。
利用 DEM自动提取地形因子 ,如坡度 、坡向 、平面曲
率等 ,再将 DEM和林相图相叠加 ,所建立的立体地
形林相图可为植被空间分异研究提供前期参考。
根据李志林等的研究[ 10] ,为保证 DEM分析精
度需要 ,利用等高线图生成 DEM需要设定 DEM的
空间分辨率 , DEM空间分辨率与等高线地图的等高
距之间的关系为:
D=KCicosα
式中 , Ci为等高距 , α为地面的平均坡度 , K为
常数(考虑地形特征时在 l.5 ～ 2.0之间 ,不考虑地
形特征时在 1.0 ～ 1.5之间), D为 DEM的空间分辨
率。
DEM数据来源于 1983年巩留地区 1∶5万地形图 ,
等高距为 20m,北京 54坐标系 ,黄海高程系。在地理信
息系统软件平台下 ,将地形图进行扫描 、矢量化后 ,形
成等高线线图层、高程点点图层以及具有地形特征的
道路 、河流 、冲沟 、陡岸等图层 ,继而把等高线数据转化
为不规则三角网(TIN:TriangulatedIregularNetwork)
数据 ,通过高程内插[ 11] ,再转化为空间分辨率为 30m
的栅格数据格式 ,以提取坡度和坡向因子 ,作为分析植
被空间分布格局的基础。
2.2　林相数据
林相数据来源于 2005年天山西部林业局山区国
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① 新疆天山西部国有林管理局.天西局巩留林场资源调查报告.2005.
　第 6期 王苏颖等:新疆西天山巩留林场云杉林空间分布格局研究
有公益林遥感区划成果和森林资源清查数据 ,结合
2005年 TM影像数据更新林相信息 ,经过裁剪处理后 ,
得到巩留林场 1∶2.5万林相图 ,结合新疆荒漠化 、沙化
土地及平原区森林资源调查数据以及数据字典 ,提取
巩留林场森林资源相关数据 ,并从中获取云杉林属性
信息 ,在地理信息系统软件 ArcGIS9.0软件平台下 ,将
林相图层重采样为分辨率 30m的栅格数据 ,以备分析。
3　结果与分析
3.1　植被分布格局空间自相关分析
按照地理学第一定律 ,空间的事物总在不同程度
上相互联系与制约 ,而相近的事物之间的影响通常大
于较远事物的影响 ,这种现象被称为空间自相关(Spa-
tialAutocorelation)。空间自相关分析是测试空间某点
的观察值是否与其相邻点的值存在相关性的一种分析
方法。传统数量统计模型一般多注重数值之间的相关
性 ,如一元 、多元相关分析;或只注重二维空间上的联
系 ,如基于 GIS的空间叠加分析等。空间统计模型应
该二者兼顾 ,在分析空间关系的基础上进行数值的相
关性分析。而空间自相关模型分析很好地解决了这一
问题 [ 12] 。
3.1.1　空间自相关程度分析
空间自相关程度分析常用的量度指标主要有莫
兰系数(Moran′sI)和盖利比(Geary′sc)等[ 13] 。影
响景观空间结构特征的自然因素等可以近似地看成
是在空间上呈连续的梯度分布 ,本文选取莫兰系数
来度量 , MoransI反映的是空间邻接或空间邻近的
区域单元属性值的相似程度 [ 12] 。其计算公式为:
I=n×∑
n
i=1∑
m
j=1ωij(xi-xm)(xj-xn)
∑ni=1∑
m
j=1ωij×∑
n
i=1(xi-xm)2
式中:xi、xj分别是在位置 i, j的测量值;xm是在
所有 i, j位置点测量值的均值;n是所有测量点的数
目;ωij是赋予每一个栅格测量单元的权重 。如果 j
是直接与 i毗邻的四个单元之一 , ωij为 1,如果是其
他单元或单元无数据 , ωij则为 0。若计算区域有相
似的属性值 , I为正;若计算区域为不同数值 ,则为
负;若属性值随机排列 ,则趋于 0。
根据所提取的巩留林场云杉林林相信息在 Arc-
GIS9.0软件下进行空间自相关分析 ,计算结果如图
1:巩留林场的云杉林空间分布呈显著空间自相关 ,
说明云杉林的空间分布受其相邻地点的影响较大 。
图 1　MoranI指数运算结果示意图
3.1.2　空间自相关方向分析
为直观表达地形对云杉林空间分布格局的影响效
应 ,对其进行方向分布 (DirectionalDistribution)分
析[ 14] ,本文空间自相关方向分布分析使用标准差椭圆
(StandardDeviationalElipse)来测定要素的分布是否
具有方向性。经过计算 ,得到云杉林空间方向分布椭
圆的长轴为东北—西南走向(图 2),表明林场内云杉
林空间分布格局具有东北—西南方向的走势。
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林业资源管理 第 6期　
图 2　云杉林方向分布椭圆
3.2　植被分布与地形因子
植被作为最重要的自然地理要素 ,其分布在很
大程度上受地形条件制约 ,表现出一定的规律性 。
而地形条件可以通过改变各种自然条件的分配间接
地作用于植被。本文选取高程 、坡度 、坡向这 3个常
用的地形因子进行分析。
在 20m分辨率的 DEM的基础上 ,运用 3Danalyst
模块获取坡度和坡向栅格图层 ,根据新疆荒漠化 、沙
化土地及平原区森林资源调查数据字典分类标准 ,将
高程分为 960 ～ 1 000m, 1 000 ～ 1 400m, 1 400 ～ 2 700m,
2 700 ～ 3 500m, 3 500 ～ 4 250m等 5个等级;坡度划分
为 0 ～ 5°, 5 ～ 15°, 15 ～ 25°, 25 ～ 35°, 35 ～ 45°, 45 ～ 90°
等 6个坡度级;坡向分为无坡向 、东 、东南 、南 、西南 、
西 、西北 、北 、东北等 9个坡向级 ,结果见图 3—图 5。
利用 SpatialAnalyst模块中的 Reclassify命令将提取
的栅格信息分成上述几类 ,然后再与云杉林林相图相
叠加统计各类分级的栅格数(Cel1),进而计算巩留林
场云杉林在不同类别分级的面积百分比 。
图 3　巩留林场高程分级图
3.2.1　植被分布与高程
图 6为云杉林在不同高程范围内的面积统计情
况 ,林场内 96%的云杉林分布在海拔1 400 ～ 2 700m
内 ,其它高程范围内鲜有云杉林的分布 ,其中 , 960 ～
1 000m分布有占总面积为 0.003%的云杉林 ,
1 000 ～ 1 400 m为 1.312%, 2 700 ～ 3 500 m为
2.591%, 3 500m以上基本没有云杉林生长 。结合
图 3可以看出 ,研究区内云杉林空间分布特征与高
程关系密切 ,这也是造成空间自相关方向分布椭圆
呈东北—西南走向的主导因素之一。
3.2.2　植被分布与坡度
云杉林随坡度变化的特征从图 7中可得:在坡
度 25 ～ 35°上云杉林分布面积比例最大 , 为
30.652%,其次是 35 ～ 45°和 15 ～ 25°上分别为
25.024%, 22.014%。而坡度范围在 15 ～ 45°之间分
布有占总面积接近 80%的云杉林 ,云杉林空间分布
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　第 6期 王苏颖等:新疆西天山巩留林场云杉林空间分布格局研究
格局与坡度有关 。
3.2.3　植被分布与坡向
把巩留林场坡度分级图与云杉林林相图相叠加
后 ,由图 8可知 ,在东北与西北的坡向上云杉林分布
较多 ,为 19.376%和 19.325%,其次为西 、北坡向 ,
分别为 18.623%和 17.421%,即林场内的云杉林多
分布在阴坡与半阴坡上 ,在这一范围的坡向上云杉
林分布超过总面积的 70%。因此 ,坡向亦是影响云
杉林空间分异的主要因子之一 。
图 8　不同坡向的云杉林分布情况
4　结语
本文将 DEM与云杉林林相信息叠加 ,在分析其
空间关系(空间自相关)的基础上 ,对云杉林空间分
布情况进行了分析:巩留林场范围内的云杉林分布
存在显著空间自相关 ,说明不同位置上分布的云杉
林存在相互影响;研究区域内的云杉林基本分布在
高程为1 400 ～ 2 700m之间 ,在其他高程范围内云杉
林分布较少 ,在 15 ～ 45°坡度范围内分布有 77.69%
的云杉林 , 而在北 、东北 、西 、西北的坡向上有
74.75%的云杉林分布 ,地形因子是影响云杉林分布
的重要因素。
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