基于3S技术的四川省川红花资源适宜性空间分布研究程武学

2017-08-30董光巫明焱何兰陈佳丽

中国中药杂志 2017年15期

董光+巫明焱+何兰+陈佳丽

[摘要]川红花是中国传统的活血化瘀中药材。该研究以四川省为例，结合川红花生长的生态环境指标，基于TM影像、数字高程模型（DEM）、气象、土壤等数据，利用遥感和GIS（地理信息系统）技术提取林地、草地、海拔、气温、降水、土壤等影响因子，从而对川产道地药材川红花的适宜性空间分布进行研究，并结合野外实测进行验证。结果表明：川红花资源主要集中在四川东部和东北部地区，适宜性区域约为6 27714 km2，其中，达州市的适宜区的面积达1 14345 km2，占全省适宜区的1822%。从各区县看，达川区适宜性区域达到50715 km2，占全县土地面积的179%。另外，纳溪区、青神县、江安县等12个区县的适宜区面积超过100 km2，且占各县土地面积的10%以上。通过遥感和GIS技术分析的结果与川红花的实际分布地区基本相符，说明利用3S技术研究川红花的适宜性分布是可行的，可以为中草药资源的监测保护以及合理开发提供科学依据。

[关键词]川红花； 3S技术；适宜性；生态环境因子；空间分布

Study on suitable distribution areas of Sichuan safflower in Sichuan

province based on 3S technologies

CHENG Wuxue1，2， DONG Guang1，2， WU Mingyan1，2， HE Lan1，2， CHEN Jiali1，2

（1 The Institute Geography and Resources Science， Sichuan Normal University， Chengdu 610068， China；

2 Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest， Ministry of Education， Sichuan Normal

University， Chengdu 610068， China）

[Abstract]Sichuan safflower （Carthamus tinctorius） is a traditional Chinese medicine for promoting blood circulation and removing blood stasis In this paper， taking Sichuan province as an example， based on TM image， digital elevation model （DEM）， meteorology， soil and other data， and using remote sensing and GIS technology to extract grassland， elevation， temperature and precipitation， soil and other influencing factors， the spatial distribution of the suitability of safflower was studied， and the field investigation was carried out The results indicate that Sichuan safflower resources are mainly concentrated in the eastern and northeastern parts of Sichuan， and the suitable distribution area is about 6 27714 km2 The area of suitable area of Dazhou is 1 14345 km2， which is suitable for the province area of 1822% From the county point of view， the suitable area of Dachuan is about 50715 km2， and accounting for 179% of county In addition， Naxi， Qingshen， Jiangan and other 12 counties of the suitable area of more than 100 km2， and accounted for more than 10% of the county The results of remote sensing and GIS analysis are in accordance with the real area of Sichuan safflower resources It is feasible to find out the area suitable for the growth of Sichuan safflower by 3S technologies It can provide a scientific basis for the monitoring and development of Chinese herbal resources

[Key words]Sichuan safflower； 3S technologies； suitability； ecological environment factors； spatial distribution

中醫药在我国有着悠久的历史，几千年来，中华民族利用中草药预防和治疗各类疾病及保健，为民族的繁衍昌盛做出了不可磨灭的贡献，为世界民族医药学的发展奠定了坚实的基础[1]。但是近年来，社会对中药材的需求量逐渐扩大，过渡采挖等不合理利用现象日益严重，加之环境破坏以及大量施用化学肥料和农药，致使很多中药资源的品种数量以及质量已经不能满足市场需求。因此，对中药材资源进行及时有效地调查研究成为了现代中药学的热点问题。

探索中药材生长的最适宜性区域，可通过研究其野生分布区的地理生态环境得出结果。传统的中药资源调查采用的是外业调查与内业整理相结合，进行综合分析，最后确定每种中药资源的蕴藏量和产量的方法。这种调查方法受主观因素影响较大，缺乏科学性，所需的人力、物力、财力等调查成本极高，并且由于中药资源的蕴藏量随时在发生变化，普查成果会很快失去可靠性。因此，创新技术与方法开展中药资源普查、储量估算和动态监测，已成为中药资源调查和保护的首要问题[23]。中药材资源的分布、产量及质量都与地理环境有着直接的关系。道地药材作为中药特定种质在特定空间环境下的产物，充分体现了空间环境对中药资源的巨大影响。换言之，中药资源的分布、产量及质量信息都具有空间信息的特征。因此，对空间信息分析和利用是中药资源调查研究的关键问题[3]。

“3S”技术是地理信息系统（GIS）、遥感（RS）和全球定位系统（GPS）三大空间科学技术的简称[4]。以其快速、经济、方便等特点，在资源调查及监测方面显示出极大的优势，其在农、林、牧、渔业等领域资源动态监测方面的应用和推广，为中药资源的动态监测提供切实可行的理论方法。目前，虽然“3S”技术在中药资源研究和保护中的应用刚刚起步，但已展现出了良好的前景[34]。国内已有许多的专家学者利用3S技术对中药资源进行了研究，取得了一些成果。

孙宇章等[5]利用遥感技术对稀有野生茅山苍术进行调查研究，首先对影响其生长的主要因子进行筛选和分类，然后对对江苏茅山地区的TM影像进行反演，结合野外实地调研数据，建立野外数据、遥感數据和茅山苍术生境数据之间的相互关系，对苍术的生长环境进行分级，从而估算出茅山苍术资源量。陈士林等[6]运用遥感技术以人参的栽培品种为对象，建立了人参资源遥感调查的技术路线和方法，并通过抽样调查对研究区进行了人参种植面积测算和估产，精度可达90%以上。郑小华等[7]运用GIS技术及模糊综合评判理论对陕南秦巴山区进行中药气候资源评价及区划，筛选影响中药品质的气候因子，确定中药气候资源评价指标模型，并利用GIS空间叠加和分析功能对适宜度进行分级，从而得到陕南中药种植气候生态区划图。严辉等[8]利用GIS对冬虫夏草资源的适宜性空间分布进行了研究，通过对主产地野外GPS采点调查确定影响明党参生长的生态因子的属性数值范围，并利用中药材产地适宜性分析地理信息系统（TCMGIS）对明党参文献记载的分布区进行了验证，找出了新的适宜区。刘珍等[9]根据彝族药材的生态环境条件，运用GIS技术提取各生态环境因子并进行空间叠加，得到理论生态环境适宜区，然后结合土地利用现状和GIS的分析功能得到直观的种植布局图，为当地彝药种植布局提供依据。张优等[10]根据猪苓的生态环境条件，利用GIS技术提取影响其生长的各生态环境因子，并进行空间叠加，得到理论上生态环境适宜区，然后结合土地利用现状和GIS的分析功能得到直观的猪苓的适宜性分布图，并通过实地调查进行验证，为全面调查猪苓资源的分布与合理开发提供了科学依据。调查显示，已有冬虫夏草、黄芩、苍术、猪苓、人参等多种中草药资源进行了适宜性评价，而对于川红花的适宜性分析研究较少。

本研究以四川省为例，根据川红花的生态环境条件，利用3S技术，以遥感影像为基础数据，基于ArcGIS的空间分析功能，对川红花资源适宜性生态环境及空间分布进行分析和提取，结合GPS野外实地调查采样，对其适宜分布区进行验证，能够比较科学的分析川红花的分布状况，可为合理开发利用和保护川红花资源提供科学依据。同时，可以选择与其生长环境相似的区域，发展规模化人工栽培，为道地药材川红花的生产和发展做出贡献。

1研究区概况

四川省位于中国西南腹地，地处长江上游，介于97°21′—108°33′E，26°03′—34°19′N，东西长约1 075 km，南北宽约921 km，总面积486×104 km2左右。全省地质构造复杂，地势由西北向东呈阶梯状下降，西部为川西高原，中部为成都平原，东部为川东平行岭谷和川中丘陵。气候类型随地貌划分为寒温带、温带、南亚热带和亚热带季风气候，年均气温16～20 ℃，年均降水量600～1 000 mm。四川省素有“中医之乡，中药之库”的美誉，是中国最大的中药材产地，本次主要选取四川省为研究区域，对道地药材川红花进行适宜性空间分布研究。

2方法

本次研究的基础数据主要有：①四川省遥感影像，来源于Landsat 8 OLI_TIRS卫星（行号 36～42，列号 127～134），成像时间为2016年8—10月，影像质量良好，空间分辨率为30 m×30 m；②四川省气象（包括年均温、年降水量、≥10 ℃积温等）栅格数据，是由中国科学院资源环境科学数据中心对各气象站点1995—2016年的月降水、月均温等数据进行平均计算和插值所得；③四川省土壤类型数据，来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http：//wwwresdccn）；④四川省县级行政矢量边界，来源于四川省地理信息测绘局；⑤数字高程模型（DEM）数据，空间分辨率30 m×30 m，来源于USGS；⑥手持GPS野外实地调研采样数据。

本研究拟采用遥感与GIS技术相结合的研究方法，具体包括：①使用软件ENVI51，运用监督分类的方法，对四川省的TM影像进行图像处理和信息提取，得到四川省土地利用现状图；②查阅相关文献资料，同时结合野外调查所得数据，确定适宜川红花生长的生态环境因子；③利用ArcGIS 104软件的空间分析工具对各个影响因子进行提取分析，得出每个因子的适宜性空间分布图，然后将提取出的各因子的适宜性区域进行叠加，得到川红花资源在四川省的适宜性分布区域图；④野外实地调查研究与验证。具体技术路线见图1。

3结果与分析

31从遥感图像获取土地利用数据

本研究利用监督分类对2016年的四川省遥感影像进行解译。首先对遥感影像进行数字图像预处理，包括辐射校正、几何校正、图像融合、拼接和裁剪等；其次对遥感影像进行图像增强处理，包括对比度增强、主成分分析及空间变换等；然后用监督分类方法进行遥感影像分类，选择感兴趣区，确定分类算法，得到2016年四川省土地利用现状，见图2。

32基于 GIS 的生态环境因子分析

通过查阅资料和实地勘察，了解影响川红花生

长的每一个生态环境因子的阈值，进而进行提取分析，得出单一因子影响下的川红花的适宜性分布区域，为叠加分析打下基础。其表达式为Si=P[XMax，XMin]，式中，Si为单一因子适宜性分布区，i为任一生态环境因子，P为提取分析方法，XMin为单一因子阈值最小值XMax为单一因子阈值最大值。

321从DEM中提取高程适宜区根据四川省中药研究所提供的数据以及国内相关研究[12]的统计资料和调查研究可知，川红花主要分布在海拔为200～900 m的地区，具有较为明显的地带性和区域性，其最适宜区的海拔为400 m。从四川省DEM数据中提取出适宜川红花资源生长的高程范围，见图3，即为适宜川红花生长的高程分布区域。

322从年降水栅格数据提取年降水量适宜区通过查阅相关文献资料[1213]，发现川红花生长的

地区气候温暖，降水量不会过多，从而获取川红花适宜生长在年降水量为321～1 042 mm的地区。而结合野外调查信息分析，在年降水量约为1 342 mm的地区也适宜川红花生长，只是分布较少，因此本次研究提取适宜川红花生长的年降水量阈值定为321～1 342 mm。提取出适宜川红花资源生长的年降水量分布区域，见图4，即为适宜川红花生长的年降水量范围。

323从年均温栅格数据提取年均温适宜区根据国内相关研究的统计资料和调查研究[1214]，再结合四川省中药研究所提供的数据，可以得出：川红花生长的适宜年均气温为81～174 ℃，其中最适宜区年均气温172 ℃。因此本次研究提取适宜川红花资源生长的年均气温阈值为81～174 ℃，提取出适宜川红花资源生长的年均温分布范围，见图5，即为适宜川红花生长的年均温区域。

324从≥10 ℃积温栅格数据提取积温适宜区结合国内相关研究[12，14]以及四川省中药研究所提供的数据可知，适宜川红花资源生长的积温为6324～5 8809 ℃，无霜期约为304 d。所以本次研究中提取适宜区的积温阈值为6324～5 8809 ℃，提取适宜川红花资源生长的≥10 ℃积温分布区域，见图6，即为适宜川红花生长的积温区域。

325从土壤类型分布数据提取土壤适宜区川红花对土壤的要求不严格，适应性强，在沙砾土、沙壤土，黏土均能生长，但以土壤层较厚、排水良好、肥力中上等、中性或弱碱性的沙质壤土或黏质壤土为最高产。根据相关文献资料[1215]显示，适宜于川红花生长的土壤类型主要有黄壤、黄棕壤、棕壤、褐土、潮土、紫色土等，从四川省土壤类型分布数据中将上述土壤分布区域提取出来，其范围见图7。

326林地信息的提取通过野外实地采样，将实地数据和相关研究文献资料[14]结合得出，川红花通常生长在林地、灌丛以及草丛中。为了更准确地提取川红花资源的生长范围，在四川省土地利用格局图上将林地和草地分布区域提取出来，见图8。

33川红花适宜区分布范围

根据以上分析分别得到了适宜川红花生长的海拔、年降水量、年均温、积温、土壤类型以及林地草地的分布区域，再使用多栅格图层的复合叠加分析找出川红花的适宜性分布区域，相关模型的方程表示为：S=f（Sr，Sh，St，Sa，Sl，Sw），式中，S为川红花资源的适宜性分布区，f为叠加规则，Sr为年均降水量，Sh为高程值，St为年均温，Sa为积温，Sl为土壤类型，Sw为林地草地。最终得出川红花在四川省的适宜性空间分布图，见图9。

从图中可以看出，川红花资源的适宜性区域主要集中于四川省东部、东北部以及成都平原周边低山丘陵地区，主要分布在达州、广元、眉山、乐山、自贡、宜宾、泸州等市，具体分布情况见表1，2。四川

省川红花的适宜性分布区域总面积约为6 27714 km2，其中达州市的适宜区的面积达1 14345 km2，占全省适宜区的1822%。从各区县来看，达川区适宜性区域达50715 km2，占全县土地面积的179%，另外纳溪区、青神县、江安县等12个区县的适宜区面积超过100 km2，且占各县土地面积的10%以上。

34野外实测与验证

野外采样验证是本次研究的重要步骤，根据数据源的时相特征、结果及反馈，结合已有的数据基础，选取验证采样地点，对四川省东部和东北部低山丘陵地区进行实地考察。

本次野外实测工作通过手持GPS精确定位，采集样地48个，样点分布见图10。利用GISOFFICE将GPS记录的点数据导入ArcGIS 软件中，与基于遥感和GIS空间分析的叠加结果对比，可以发现，采样点（验证点）所在区域与本研究得出的适宜性分布区域相吻合。结合野外实测调研结果与查阅药用植物产地的相关文献资料[14]，可以得出结论，通过遥感与GIS技术分析得出的适宜性空间分布区域与川红花资源的实际分布地区是一致的，利用遥感

与GIS技术进行中药资源适应性空间分布具有很高的可行性和科学性。

4结论与讨论

本研究探讨了中草药植物适宜性分布研究的方法和技术路线，利用遥感与GIS技术，提取出了川产道地药材川红花的适宜性分布区域，通过野外实地的采样点对其进行验证，研究所得适宜性空间分布区域与实际情况基本一致。说明基于遥感和GIS技术的川红花资源适宜性分布研究是具有可行性和科学性的，可以为中药材适宜性分布研究提供可靠的方法和技术。

通过研究得出的适宜性分布区域，可以为发展规模化人工栽培提供一定的科学依据。在本次研究中，还发现了新的适宜川红花生长的区域，且适宜区面积较大，而在此前的文献资料中鲜有记录，如广元市的昭化区等。新的適宜产区的发现，可以为四川省中药材种植业的合理化发展提供科学的依据。

本研究是通过分析影响川红花生长的各生态环境因子来实现的，受数据的分辨率与精度的影响，只能在较大尺度范围内对中药材资源进行适宜性空间分布研究。若要深入至小尺度范围，就必须提升气象、土壤等栅格数据的分辨率，提高遥感影像的分类精度，从而使结果更为精细化和准确化。另外，有限的时间成本和资金成本制约着野外验证点的范围和分布密度，验证的精确性还有待提高。随着遥感影像分辨率的提高和分类方法的改进，以及我国的土壤和气候数据库的日益完善，中药材产地适宜性分析会更加合理和科学。

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