全 文 ：第 33卷 第 6期 生 态 科 学 33(6): 1073−1079
2014 年 11 月 Ecological Science Nov. 2014

收稿日期: 2014-08-04; 修订日期: 2014-10-26
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(40771002, 31270259); 广州市教育局科技项目(2012A007)
作者简介: 林媚珍(1963—), 女, 广东梅州人, 教授, 主要从事植被生态、环境生态和旅游生态等方面的研究, E-mail: lmzh888@163.com

林媚珍, 冯荣光, 刘妍, 等. 基于 DEM 的森林景观空间分布分析[J]. 生态科学, 2014, 33(6): 1073−1079.
LIN Meizhen, FENG Rongguang, LIU Yan, et al. Analysis on forest spatial distribution based on DEM[J]. Ecological Science, 2014,
33(6): 1073−1079.

基于 DEM 的森林景观空间分布分析
林媚珍 1, 冯荣光 1, 刘妍 2, 谢国文 1, 纪少婷 1
1. 广州大学地理科学学院, 广州 510006
2. 湖南省核工业地质局, 长沙 410000

【摘要】 在 3S 技术的支持下, 通过遥感解译获取南岭国家级自然保护区乳阳片区的森林景观数据, 并建立了该区域
数字高程模型(DEM), 提取了海拔、坡度、坡向等地形因子。在 ArcGIS9.3 软件中进行叠加分析, 探讨了研究区森林
景观空间分布与地形因子(坡度、坡向)的相关关系, 尝试找出其空间分布趋势。结果表明: 阔叶林种对于环境的适应
性是最好的, 在各级坡度和坡向上均有较大范围、较为均衡的分布; 针叶林、山顶阔叶矮林、采伐迹地趋向于聚集分
布; 针叶林景观多分布在阳坡和半阳坡, 山地草甸景观倾向于分布在阴坡, 人类干扰所形成的各个景观类型倾向于平
坡和缓坡分布。

关键词：数字高程模型; 地形因子; 森林景观; 空间分布; 南岭自然保护区
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2014.06.006 中图分类号：P901 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2014)06-1073-07
Analysis on forest spatial distribution based on DEM
LIN Meizhen1, FENG Rongguang1, LIU Yan2, XIE Guowen1, JI Shaoting1
1. School of Geographical Science, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China
2. Hunan Provincial Nuclear Industry Geologic Bureau, Changsha 410000, China
Abstract: The forest landscape resource data and the digital elevation model (DEM) of Ruyang District, Nanling National
Nature Reserve were acquired with 3S technology and remote sensing interpretation, while the landform factors such as
elevation, gradient and exposure were extracted as well. Overlay analysis adopted in ArcGIS 9.3 was used to explored the
relationship of forest landscape resource spatial distribution and landform factors (gradient and exposure), and to find out its
spatial distribution trend. The results show that the adaptability of broad leaved forest which distributes on different
gradients and exposures in large-scale is the best; aciculisilvae, peak broad leaved brushwood and cut-over area distribute
collectively; aciculisilvae landscape is mainly on the sunny and semi-sunny slope; mountain meadow landscape is prone to
shady slope; other landscapes affected by human being are on flat and gentle slope.
Key words: digital elevation model (DEM); landform factor; forest landscape; Spatial distribution; Nanling nature reserve
1 前言
环境生态与可持续发展是当今世界普遍关注的
问题, 森林作为陆地生态系统的主体, 在满足人类
生存与发展、维护全球生态平衡、保护生物多样性
等各个方面都发挥着不可或缺的作用[1]。森林景观
生态研究是景观生态学研究的重点和热点, 森林景
观格局的形成主要受景观斑块自身属性、景观的组
1074 生 态 科 学 33 卷

织结构、区域地形因素等三方面影响[2]。广东省南
岭国家级自然保护区是我国生物多样性保护的关键
地区和开展生态系统就地保护的重要基地, 是我国
的生态敏感区之一, 也是地球同纬度沙漠带上面积
最大的绿洲。一旦南岭国家级自然保护区的森林生
态系统稳定性和生物资源多样性遭受威胁, 将危害
到区域生态安全格局。因此, 加强区域尺度的森林
景观空间分布研究对认识区域生态安全格局具有重
大意义。
区域尺度的森林景观和群落中, 非地带性环境
因子主导着植物的分布格局。在山地森林群落中,
地形因子是影响植物分布主要的非地带性环境因
子[3]。在山地和丘陵地区, 地形控制了太阳辐射和降
水的空间再分配, 往往能营造局部小气候, 改变土
壤质地, 影响土壤水分和养分的分布[3–5]。
环境因子的控制作用和干扰状况的复杂性, 使
得景观中景观要素或群落的空间分布规律并不一
定是直观明确的。通过建立空间分布复合分析模
型 , 去除局部因素影响 , 探究景观要素空间分布
在一定范围内受到地形因子控制的变化趋势, 是
一种有效的数量化分析方法, 能够有助于从复杂
的现实景观中揭示景观要素空间分布的基本特征
和变化规律[6–8]。
2 研究区概况
南岭国家级自然保护区乳阳片区(乳阳林业局)
位于广东省韶关市乳阳瑶族自治县西北部, 地理坐
标为 24°47′31″—25°1′7″N, 112°52′4″—113°7′38″E,
总面积为 306.7 km2。广东省南岭国家级自然保护区
乳阳片区位于南岭山脉中段南坡, 地质构造上属华
南褶皱带的一部分。气候类型属典型的亚热带温暖
湿润气候, 具有中山亚热带季风气候特点, 因海拔
相对高差大, 又兼具山地气候特征。据乳阳海拔
500 m 气象站资料, 乳阳片区年平均气温 17.4 , ℃
年平均降雨量 2108 mm, 降水南、北坡差异显著, 南
坡往往比北坡高 350—400 mm。南岭山地的成土母
岩多为花岗岩等酸性岩类, 红壤类在区内的分布面
积最大, 一般分布在海拔 800 m 以下的丘陵和低山。
区内植物资源丰富, 据不完全统计[9–10], 区内有苔
藓植物 53科 115属 206种; 蕨类植物 43科 94属 188
种; 裸子植物 9 科 20 属 30 种; 被子植物 166 科 802
属 2262 种。主要森林植被类型有常绿针叶林、常绿
针阔混交林、丘陵低山常绿阔叶林、山地常绿阔叶
林、山地常绿落叶阔叶混交林、山顶阔叶矮林、山
地灌丛草坡。
3 研究数据和方法
3.1 研究数据
本研究以 SPOT-5 卫星影像数据为基础数据源,
采用: 2009 年 10 月 24 日的 K282-J300(覆盖全部研
究区域)的10 m多光谱和2.5 m全色影像为遥感数据
源 ; 参考资料主要有 : 南岭国家级自然保护区
1:50000 地形图 ; 中华人民共和国林业行业标准
(LY/T 1835-2009); 《广东南岭国家级自然保护区总
体规划(1999 至 2010 年)》。
3.2 研究方法
3.2.1 森林景观数据获取
本研究根据南岭国家级自然保护区乳阳片区的
景观特点, 结合参考资料、遥感影像的分辨率和研
究的需要, 综合森林植被类型、土地利用类型、地
形特征中所构成的相对同质的景观要素, 确定相应
的景观要素分类体系, 将研究区域的景观类型分为
针叶林、常绿阔叶林、针阔混交林、落叶阔叶混交
林、山顶阔叶矮林、采伐迹地、耕地、水域、山地
草甸、道路、建设用地共 11 类。
本文利用 ENVI 5.0 的几何校正模块, 通过选择
地面控制点对影像作几何精校正; 在 ENVI 5.0 的
FLAASH大气校正模块下, 利用 6S模型对影像作大
气校正, 消除遥感图像中由大气散射引起的辐射误
差。在解译过程中, 先对影像多光谱数据和高分辨
率数据进行融合, 然后建立准确的分类模板进行监
督分类, 再采取人工交互解译手段对错分、漏分部
分进行纠正, 最终完成影像解译, 获取森林景观类
型分布图(图 1)。经实地调查验证, 解译精度达 90%
以上。
3.2.2 研究区域 DEM 的生成
本研究以乳阳片区的 1︰50000 地形图为基本
资料建立 DEM, 扫描栅格图像之后, 利用 R2V 进行
手扶跟踪矢量化, 结合实际资料进行高程判读, 设
置控制点, 确保矢量图层的准确输出与拼接, 另存
为 shapefile文件, 在ArcGIS中进行投影与坐标系设
置, 内插生成 TIN 模型, 转化为规则格网 GRID, 从
而建立乳阳片区的 DEM。基于 ArcGIS 9.3 软件平台,
6 期 林媚珍, 等. 基于 DEM 的森林景观空间分布分析 1075


图 1 南岭国家级自然保护区乳阳片区森林景观资源分类图
Fig. 1 Landscape classify map of Ruyang region of Nanling National Nature Reserve
利用其空间分析模块 Spatial Analyst, 对整景数据进
行数字地形分析, 再裁剪得到研究区域的各个地形
因子。
3.2.3 提取地形因子
地表面不同位置的坡度不同, 表示地表面在某
点的倾斜程度, 是既有大小又有方向的量, 其模等
于地表曲面函数在某点的切平面与水平面夹角的正
切, 其方向等于在该斜面两个互相垂直方向上的坡
分量的矢量和。实际应用中, 人们通常用“坡度”
替换“坡度值”的含义。某一点的坡度在数值上等
于过该点的地表微分单元的法矢量 n 与垂直方向 z
之间的夹角(公式 1), 取值范围是 0°—90°。
slope arccos( )z n
z n
⋅= ⋅ (1)
坡向的定义是地表面上某一点的切平面的法线
矢量 n在水平面的投影 nx0y与过该点的正北方向的
夹角, 即法方向水平投影向量的方位角。对于地面
任何一点来说, 坡向表征了该点高程值改变量的最
大变化方向。在输出的坡向数据中, 正北方向为 0°,
按顺时针方向计算, 取值范围为 0°—360°。
坡度与坡向是相互联系的参数, 坡度反应斜坡
的倾斜程度, 坡向反映斜坡面对的方向。作为地形
特征分析和可视化的基本要素, 坡度和坡向对于景
观单元的研究是十分重要的。
拟合曲面法是求解坡度、坡向的最常用的方法。
拟合曲面法一般采用二次曲面, 在 3×3的DEM栅格
窗口中进行, 每个栅格中心为一个高程值, 分析窗
口在 DEM 数据矩阵中连续移动完成整个区域的计
算工作。
坡度是地表曲面函数 z=f(x,y)在东西、南北方向
上的高程变化率的函数。fx 是东西方向高程变化率,
fy 是南北方向高程变化率(公式 2)。
2 2 180slope arctan
πx y
f f= + × (2)
1076 生 态 科 学 33 卷

fx 和 fy 的求解主要有 4 种算法, 在 ArcGIS 软
件中, 采用的算法是三阶反距离平方权差分算法
(公式 3)。
1, +1 , +1 +1, +1 1, 1 , 1 +1, 1
+1, +1 +1, +1, 1 1, 1 1, 1, +1
( +2 + ) ( +2 + )
8
( +2 + ) ( +2 +z )
8
i j i j i j i j i j i j
x
i j i j i j i j i j i j
y
z z z z z z
f
g
z z z z z
f
g
− − − − −
− − − − −
− ⎫= ⎪⎪⎬− ⎪= ⎪⎭
(3)
其中, g 为格网 DEM 的间距。
坡向可以在 DEM 数据中直接提取(公式 4), 求
出的坡向有与 x 轴负向夹角之分, 此时需要根据 fx
和 fy 的符号进一步确定坡向值。
aspect arctan( )y
x
f
f
= (4)
地形起伏度, 又称地势起伏度、地势能量、局
部地势、地形相对高度, 是指在特定的区域内最大
高程与最小高程的差值。地形起伏度是定量描述
地貌形态, 划分地貌类型的重要宏观指标。年轻的
近期强烈抬升、褶皱或断裂形成的形态多有较大
的起伏度, 年老的经受了夷平作用的地形起伏度
较小。地形起伏度与相对高度的区别在于相对高
度指地面点与地方基准的高差, 而地形起伏度则
与地貌发育的基准没有必然联系。地形起伏度的计
算(公式 5)。
max miniRF H H= − (5)
RFi 表示地形起伏度, Hmax 为分析窗口内的最大
高程值, Hmin 为分析窗口内的最小高程值。
4 结果与分析
4.1 地形特征分析
基于 ArcGIS 9.3 软件平台, 利用其空间分析模
块 Spatial Analyst, 对 DEM 求解研究区域的坡度和
坡向。为了实际应用的要求, 对计算出的结果往往
需要进行归并。
依据中华人民共和国林业行业标准(LY/T 1835—
2009)《用于森林资源规划设计调查的 SPOT—5 卫
星影像处理与应用技术规程》关于地貌详图应用的
坡地分类来划分坡度等级, 将研究区域的坡度划分
为 6 级: 0°—5°为平坡, 5°—14°为缓坡, 14°—24°为
斜坡, 24°—34°为陡坡, 34°—44°为急坡, 44°—90°
为险坡。由此得到研究区域坡度等级分布情况(表 1、
图 2)。
表 1 各个坡度等级的面积
Tab. 1 The proportion of each successively slope grade
坡度等级 比例/% 总面积/km2
平坡 3.94 12.09
缓坡 25.54 78.33
斜坡 38.23 117.25
陡坡 26.20 80.35
急坡 5.90 18.10
险坡 0.19 0.58

统计各个坡度等级的面积与所占比例, 可以看
出, 南岭国家级自然保护区乳阳片区具有典型的山
地特征, 以斜坡为主, 斜坡的面积达到 117.25 km2,
缓坡和陡坡的面积也比较大, 分别为 78.33 km2 和
80.35 km2。此外, 还存在着较多急坡, 面积比例达
到乳阳片区的 18.10%。平缓区域很少 , 面积为
12.09 km2, 仅仅占到了乳阳片区的 3.94%。
通常把坡向综合分成八个方向: 分别为 N(0°—
22.5°、337.5°—360°)、NE(22.5°—67.5°)、E(67.5°—
112.5°)、SE(112.5°—157.5°)、S(157.5°—202.5°)、SW
(202.5°—247.5°)、W(247.5°—292.5°)、NW(292.5°—
337.5°)。按主坡向的磁方位角将坡向分为四个坡向
组: 阳坡(S, SW)、半阳坡(W, SE)、阴坡(N, NE)、半
阴坡(E, NW)。得到等级分类后的结果(表 2、图 3)。
在 ArcGIS 中统计各个坡向等级的面积与所占
比例, 南岭国家级自然保护区乳阳片区各个坡向所
占的比例大致相等, 阳坡与阴坡大致相互对应。
采用 GIS 扩展栅格窗口分析和追踪分析方法,
使用 ArcGIS 栅格计算器求得研究区域地形起伏度,
进行分级统计(表 3)。
由表 3 可知, 乳阳片区的地形以高丘陵为主,
地形起伏度主要在 50—100 m 之间。纵观整个研究
区, 以丘陵地形占比达 97%以上, 其中尤以高丘陵为
主, 仅有“黄泥坑——南木——安家水——黄连”一
带以及乳阳林业局附近较为平坦。
4.2 森林景观的坡度分布趋势
将研究区域的坡度等级分级图与森林景观类型
分类图相叠加, 得到 6×11 的森林景观类型在不同坡
度上的分布情况(表 4)。
由表 4 可以看出, 常绿阔叶林在各级坡度上均
有较大面积的分布, 落叶阔叶混交林也比较适应各
级坡度的差异, 这两类森林景观类型对于坡度的依
6 期 林媚珍, 等. 基于 DEM 的森林景观空间分布分析 1077


图 2 南岭国家级自然保护区乳阳片区坡度等级分级图
Fig. 2 The distribution of forest landscape at each successively slope grade
表 2 各个坡向等级的面积
Tab. 2 The proportion of each successively aspect grade
坡向等级 比例/% 总面积/km2
阳坡 26.60% 81.58
半阳坡 23.94% 73.42
半阴坡 22.82% 70.00
阴坡 26.64% 81.70

赖性较小。针叶林倾向于分布在斜坡和陡坡。耕地、
建设用地等由人类干扰所形成的景观类型对于坡度
的敏感性较高, 倾向于在平坡和缓坡分布。采伐迹
地同样倾向于分布在坡度较低处, 原因在于砍伐、
运输木材与人工造林需要考虑实现的难易程度与经
济成本。
4.3 森林景观的坡向分布趋势
将研究区域的坡向等级分级图与森林景观类型
分类图相叠加, 得到 4×11 的森林景观类型在各个坡
向等级上的分布情况(表 5)。
由表 5 可以看出, 常绿阔叶林、山顶阔叶矮林、
落叶阔叶混交林、针阔混交林、建设用地、水域和
道路在不同坡向上分布的状况较为平衡。
针叶林的分布呈现明显的阳坡>半阳坡>半阴坡>
阴坡的情况。山地草甸的分布为阴坡>半阴坡>阳坡>
半阳坡。采伐迹地的分布为阴坡≈半阴坡≈半阳坡>
阳坡。
针叶林对于坡向的依赖程度比较高, 适宜生长
在阳坡和半阳坡, 在半阴坡和阴坡则较难生长。由
于阳坡的水热条件较好, 树木容易成林, 因此山地
草甸景观多分布在阴坡和半阴坡。阔叶林种对于环
境的适应性是最好的, 虽然倾向于向阴坡和半阴坡
分布, 然而在阳坡和半阳坡的优势也很大, 坡向的
差异难以阻碍其分布情况。
5 结论与讨论
基于 ArcGIS 9.3 软件平台, 利用空间叠加功能,
1078 生 态 科 学 33 卷


图 3 南岭国家级自然保护区乳阳片区坡向等级分布图
Fig. 3 The distribution of forest landscape at each successively aspect grade
表 3 地形起伏度分级统计
Tab. 3 Relief amplitude classification and statistics
地形起伏度/m <20 20—75 75—200 >200
面积/km2 2.07 113.23 188.71 2.69
比例/% 0.67 36.92 61.53 0.88
评级 平原 低丘陵 高丘陵 山地

将坡度、坡向信息(图 2、图 3)与森林景观类型分布
图(图 1)叠加, 取其交集, 可以求取不同坡度、不同
坡向上的某种景观类型的投影面积。通过分析坡度、
坡向差异对景观的控制作用, 得到森林景观的空间
分布趋势[11]。
阔叶林种对于环境的适应性是最好的, 在各级
表 4 景观类型与坡度等级叠加的面积
Tab. 4 Landscape pattern proportion based on different slope
平坡/km2 缓坡/km2 斜坡/km2 陡坡/km2 急坡/km2 险坡/km2
山顶阔叶矮林 0.083 1.017 2.243 2.045 0.349 0.008
针叶林 1.502 12.526 19.946 13.035 2.337 0.013
常绿阔叶林 7.091 47.238 70.892 49.596 11.562 0.344
针阔混交林 0.608 3.528 4.635 2.766 0.478 0.013
落叶阔叶混交林 1.380 8.989 14.129 9.776 2.647 0.089
采伐迹地 0.477 2.322 2.577 1.281 0.386 0.108
山地草甸 0.096 0.774 1.337 1.265 0.231 0.004
耕地 0.125 0.046 0.017 0.007 0.004 0
道路 0.315 1.152 1.036 0.434 0.083 0.001
水域 0.142 0.196 0.099 0.035 0.009 0
建设用地 0.271 0.542 0.339 0.110 0.014 0
6 期 林媚珍, 等. 基于 DEM 的森林景观空间分布分析 1079

表 5 景观类型与坡向等级叠加的面积
Tab. 5 Landscape pattern proportion based on different
aspect
阳坡/km2 半阳坡/km2 半阴坡/km2 阴坡/km2
山顶阔叶矮林 1.753 1.417 1.180 1.394
常绿阔叶林 42.944 40.637 46.315 56.831
落叶阔叶混交林 10.183 8.881 8.282 9.663
针叶林 21.041 15.520 7.134 5.655
针阔混交林 2.928 2.897 2.836 3.366
山地草甸 0.821 0.784 0.839 1.262
采伐迹地 0.866 2.071 2.102 2.115
耕地 0.000 0.059 0.060 0.081
道路 0.708 0.714 0.779 0.821
水域 0.117 0.103 0.102 0.161
建设用地 0.220 0.332 0.374 0.352

坡度和坡向上均有较大范围、较为均衡的分布。常
绿阔叶林是乳阳片区的基质景观类型, 面积大, 聚
集性高, 其斑块边缘呈复杂锯齿状, 包容、镶嵌着各
类异质斑块, 发生复杂的生态效益。针叶林、山顶
阔叶矮林、采伐迹地趋向于聚集分布。针叶林景观
多分布在阳坡和半阳坡, 山地草甸景观倾向于分布
在阴坡, 人类干扰所形成的各个景观类型倾向于在
平坡和缓坡分布。
值得指出的是, 海拔、坡度、坡向是地形的三
大因子, 共同决定着森林景观的空间分布格局[12]。
但本文只是针对坡度和坡向对南岭乳源片区的森林
景观的空间分布趋势进行研究, 并未考虑海拔因
素。一般情况下, 海拔升高 100 m 气温下降 0.6 ℃,
降水则一定程度上随海拔升高而增加。由地形起伏
度可知, 研究区内地形起伏度主要在 50—100 m 之
间, 变化并不剧烈, 因而在本文中不考虑海拔因素
对森林资源的影响。而根据杜伟静[13]的研究结果表
明, 南岭国家级自然保护区的枯立木多度随着海拔
的升高而增加, 但丰富度在各海拔上差异不大。由
此可见, 海拔对森林景观的影响是复杂的, 海拔不
但影响温度、降水等气象因子, 还影响着土壤理化
性质、植被性质、土壤微生物群落等生物、非生物
因子[3,13]。因而海拔因素可单独作为一个地形因子来
研究其与森林景观资源空间分布之间的关系, 今后
研究中应着重加强。
参考文献
[1] 郭晋平. 森林景观生态研究[M]. 北京: 北京大学出版社,
2001.
[2] 邬建国. 景观生态学——格局、过程、尺度与等级[M].
北京: 高等教育出版社, 2007.
[3] 李镇魁. 广东南岭国家级自然保护区珍稀濒危植物调
查[J]. 亚热带植物科学, 2001, 30(3): 28–32.
[4] LUDWIG J A, TONGWAY D J. Spatial organization of
landscapes and its function in semi-arid woodland [J].
Landscape Ecology, 1995, 10(1): 51–63.
[5] OU Yuduan, SU Zhiyao, KE Xiandong, et al. Vascular
ground flora in relation to topography, canopy structure and
gap light regimes in subtropical broadleaved forest (South
China)[J]. Polish Journal of Ecology,2012,60: 463–478．
[6] 唐雪海. 合肥市森林资源空间数据采集与分析研究[D].
合肥: 安徽农业大学, 2008.
[7] 吴英, 张万幸, 张丽琼, 等. 基于 DEM 的地形与植被分
布关联分析[J]. 东北林业大学学报, 2012, 40(11): 96–98.
[8] 杨三红, 李晋敏. 基于 DEM 的森林空间分布格局的研
究[J]. 山西林业科技, 2008, (2): 13–17.
[9] 陈林, 董安强, 王发国, 等. 广东南岭国家级自然保护区
疏齿木荷＋福建柏群落结构与物种多样性研究[J]. 热带
亚热带植物学报, 2010, 18(1): 59–67.
[10] 庞雄飞 . 广东南岭国家级自然保护区生物多样性研
究[C]. 广州: 广东科技出版社, 2003: 14–27.
[11] 刘妍妍 , 金光泽 . 地形对小兴安岭阔叶红松 (Pinus
koraiensis) 林粗木质残体分布的影响[J]. 生态学报, 2009,
29(3): 1398–1407.
[12] 邓云, 张文富, 邓晓保, 等. 西双版纳热带季节雨林粗木
质物残体储量及其空间分布[J]. 生态学杂志, 2012, 31(2):
261–270.
[13] 杜伟静, 苏志尧, 张璐, 等. 南岭国家级自然保护区森林
群落枯立木分布与地形因子的相关性[J]. 福建农林大学
学报: 自然科学版, 2013, 42(6): 603–610.