濒危野生新疆阿魏低空遥感资源调查_谢彩香

濒危野生新疆阿魏低空遥感资源调查
＊
谢彩香1，石明辉2，郭宝林1，2＊＊
，石林春1，曾凡琳1，付大成3，李晓瑾2，贾晓光1＊＊
（1. 中国医学科学院 北京协和医学院 药用植物研究所　北京　100193；
2. 新疆中药民族药研究所　乌鲁木齐　830002；
3. 伊犁州草原监理站　伊犁　835000）
摘　要：
目的：作为新疆特有的濒危药用植物，新疆阿魏的资源分布区域和数量对其保护和资源的可持续利用具有重要意义。

方法：本文采用低空遥感和地面样方调查，对新疆阿魏地理空间分布和数量进行调查研究。

结果：低空遥感调查结果首次清晰确定新疆阿魏的地理分布区域，将已知的“阿魏滩”扩大到附近5个山头，覆盖范围约0.88 km 2，
建议扩大围栏保护面积。

同时，低空遥感影像分析出的分布区域内黄叶新疆阿魏（直径在0.3 m 以上）数目大约为3 191株。

而地面样方调查得到直径在0.3 m 以上的黄叶阿魏数目为2 752株，两者之间误差为14%。

并确定了新疆阿魏低空遥感监测的时相和监测范围。

结论：低空遥感技术具有快速获取新疆阿魏分布现状的优势，可有效评价新疆阿魏资源动态变化。

关键词：
新疆阿魏　低空遥感　地面样方调查　空间分布doi: 10.11842/wst.2014.11.034 中图分类号：R319；R28 文献标识码：A
收稿日期： 2014-04-29 修回日期： 2014-07-23
＊ 财政部中医药公共卫生专项（财社[2011]76号）：国家基本药物所需中药原料资源调查和监测项目，负责人：贾晓光；国家中医药管理局中医
药行业科研专项（201207002）：我国代表性区域特色中药资源保护利用，负责人：贾晓光。

＊＊ 通讯作者：郭宝林，研究员，主要研究方向：中药材的质量控制及影响因素、中药材质量标准制定，药用植物分类学、化学分类学和分子系统学，
中药材形态、显微、化学和DNA 分子鉴定；贾晓光，研究员，新疆中药民族药研究所所长，主要研究方向：中药资源、中药质量控制。

常用中药阿魏来自于伞形科植物新疆阿魏Ferula sinkiangensis K. M. Shen 或阜康阿魏F. fu-kanensis K. M. Shen 的树脂，
是治疗风湿性关节炎和胃病的良药。

新疆阿魏属植物共有20余种，仅有新疆阿魏和阜康阿魏被《中国药典》收录，也是中国维、蒙、藏等少数民族传统用药的物种来源，目前对新疆阿魏的研究主要集中在种子萌发和化学成分测定等方面[1-6]。

新疆阿魏在
《野生药材资源保护管理条例》和《中国珍稀濒危保护植物名录》中分别属于国家二级保护野生药材物种、三级重点保护濒危植物。

新疆阿魏主要分布于新疆伊宁县拜石墩一带，由于分布集中，生长地素有“阿魏滩”之称。

上世纪70年代期间，“阿魏滩”面积绵延几十公里，伊犁其它地区分布较多。

由于当地居民不恰当的割胶方式，以及垦荒、放牧、水位下降等原因，野生新
疆阿魏面积日益缩小，目前全疆仅在伊宁县拜石墩山区的“阿魏滩”有少量分布，现已围栏保护。

由于周围群山分布，交通不便，新疆阿魏的分布区域除了所谓的“阿魏滩”目前的可见区域外，在其它区域是否存在并不清晰。

因此，新疆阿魏实际分布区域和数量一直没有定论。

阿魏滩生态环境脆弱，气候干旱，处于濒危状态的新疆阿魏极易因放牧、采挖等人为破坏，使更新困难，已处濒危状态的新疆阿魏分布区域随时发生变化。

低空遥感平台作为遥感技术的重要组成部
分[7，
8]
，具有以下3个优点：①云下飞行弥补了卫星遥感受云层遮挡不易获取影像的缺陷；②接近目标可以获得影像分辨率达0.05 m 的高分辨率影像；③起降灵活机动，适应性强。

适用于地域性较强且分布呈散生性药用植物的调查和监测。

本文利用低空遥感技术，通过对阿魏滩及其外围区域进行航空飞行，并结合地面样方调查，明确新疆阿魏在伊犁拜石墩的实际分布范围，找到快速确定物种数量和检测即时变化的方法。

1　研究区域及新疆阿魏野外调查
野生新疆阿魏已知分布区域“阿魏滩”位于拜石
墩G218公路北约2×104 m ，
地理位置在E82°07′，N43°44′为中心的区域，长800 m ，宽200 m ，“阿魏滩”区域面积大约0.16 km 2。

新疆阿魏生长在海拔
700-1 100 m 的戈壁荒漠带砾石的粘质土壤和石质干旱山坡上。

野外调查发现，土壤含水量与新疆阿魏的分布密度有直接关系，低洼地和冲积沟边的新疆阿魏植株较大；同时，在阴坡和坡谷等水分较好区域，新疆阿魏密度也高。

可见在干燥少雨的阿魏分布区域内，土壤水分直接决定野生新疆阿魏的长势和分布。

分布区内干旱少雨，阿魏滩上天然植被稀疏，植株矮小，植物群落结构简单，多为耐寒性植物（图1）。

在阿魏滩荒漠早春植物群落中，伴生植物有滩贝母Fritillaria karelinii （Fisch.） Regel 、块茎大戟Euphorbia rapulum Kar. et Kir.、
天山海罂粟Glaucium elegans Fisch. et Mey.等短命和类短命植物（图
2）； 藜科植物小蓬Nanophy-ton erinaceum （Pall.）Bunge.、木地肤Kochia prostrata （L.）Schrad.、角果藜Camphorosma arenarius L.，
以及蒿属植物Ar-temisia spp.等[9，
10]。

新疆阿魏属于多年生一次性开花结实的早春植物，其生长周期可分为营养生长期和生殖生长期2个阶段，且前者远长于后者，为长生活周期短生长期的短命植物。

在每个生长季中，新疆阿魏利用雪融后良好的土壤水分条件，迅速进行1-2个月的营养生长后，逐渐进入枯萎，地
下根转入休眠状态，来年春天继续进行营养生长，莲座状的叶逐年增大，生长数年直至发育成熟，开花结实后死亡。

每年4月初出苗，不到开花年限的植株，每年只有成丛的基生叶，宿根逐渐增大，5月中旬地上部分变黄，然后迅速枯萎，干旱年份，极少开花。

开花的植株在4月下旬抽出花茎，5月上旬开花，5月底结果，6月下旬植株全部枯死。

见图3。

鉴于野外调查情况，野生新疆阿魏植株呈铺地的莲座状，与周围植被差别不明显，所以选择新疆阿魏叶片变黄期进行区域航飞，以期在颜色上辨别出新疆阿魏。

根据研究区域海拔和飞行要求以及新疆阿魏的植株大小，确定本次低空航拍的空间分辨率应不大于0.10 m 左右。

2　新疆阿魏分布区域及资源量估算2.1　野外航飞
由于飞行区域处于山岭地区，最高海拔在
1 000 m
图1　伊犁“阿魏滩”野生新疆阿魏生境
图2　新疆阿魏的伴生植物
（a ） 大戟Euphorbia rapulum Kar. et Kir.
（b ）滩贝母Fritillaria karelinii （Fisch.）
Regel
左右，选择低空飞行器采用动力三角翼，飞行高度为900 m 。

相机采用H4D 哈苏相机，像素数目为7 304×5 478，镜头焦距为0.050 m 。

根据上述设备
参数，航拍后的低空影像分辨率为0.10 m 。

选择新疆阿魏植株处于叶黄期的2012年5月
17日进行航飞调查，易于从颜色上辨识新疆阿魏与
其它植株（图4）。

以已知新疆阿魏的仅有分布区伊
宁拜石墩阿魏滩E82°07′，N43°44′为中心点，东西
南北4个方向各向外扩充2 000 m 左右，获取的影像区域坐标左上角（E82°05′48.5″，N43°44′43.4″），右上角（E82°09′18.2″，N43°45′26.6″），左下角（E82°05′39.6″，N43°43′52.4″），右下角（E82°09′49.2″，N43°44′30.2″），飞行区域总面积约13 km 2。

2.2　影像解译方法
2.2.1　面向对象的遥感影像分类原理
传统遥感影像是以像素作为识别的基本单元，
依靠不同光谱数据组合在统计上的差别来进行地物分类。

但由于传统的基于像元的分类方法，未能充分利用遥感影像提供的大小、形状、纹理、相邻像素间关系等形状和空间位置特征。

因此，在对高分辨率影像以及光谱识别性不强烈的传统中分辨率遥感影像进行分类时，基于像元的地物分类方法对目标的识别效果不佳。

采取面向对象的解译方法，在分类时不仅仅考虑地物的光谱特征，还主要利用
其几何特征和结构特征[11，
12]。

图像中的最小单元不再是单个的像元，而是一个个对象。

对象的意义是具有相同特征，如光谱、纹理和空间组合关系等特
征的“同质均一”单元，“同质均一”同时体现在光谱域和空间域上。

面向对象解译是基于对象的理念对影像空间和波谱2方面的信息提取。

首先根据像元光谱信息、局部区域纹理信息以及形状和尺度参数自动将影像划分为若干相对同质区域，即影像对象。

后续分类工作都是基于影像对象进行，很好避免了斑点噪声，分类结果具有较好的整体性。

2.2.2　信息提取与分类流程
操作平台是eCongition 软件，利用四叉树分割
方法对影像进行分割。

影像分割是将影像细化成分割区域的过程。

四叉树的分割方法是根据像元特征进行分割的，根据提取信息的特征选择合适的分割尺度，由于所要提取的目标是单个独立的小目标，所以分割尺度一般选择在50-80之间。

在地物信息提取结束后，由于每一个阿魏地物都是由若干个小的子要素组成（即同一株阿魏被分割成若干个部分），所以需要采用合并的方式把分割的子要素进行合并，使之成为一个要素对象。

最后
是提取要素的导出，为了后期对提取要素的再编辑，这里选择采用矢量导出的方式。

由于在提取的要素中会混合一些错分的要素，所以需要在地理信息系统软件ArcGIS 里面对提取要素进行编辑处理，剔除错分的要素。

采用四叉树分割后提取的目标都是规则的矩形，而提取目标都是不规则的植被，所以为了美观，对提取目标进行缓冲区分析。

设置目标要素的透明度
为
图3
　抽薹开花的新疆阿魏
图4
　叶黄期的新疆阿魏
50%，目的是与原始影像形成对比，可以快速的查找
错误的分类对象，并剔除错分对象。

影像解译流程如图5所示。

2.3　影像解译结果低空影像解译结果发现，除了伊宁拜石墩阿魏
滩外，新疆阿魏还分布在附近5个山头的山坡和沟壑（图6），图中4个椭圆处即是解译出的新疆阿魏所在区域。

图中区域IV 为传统的伊犁“阿魏滩”，区域I-III 是刚发现的新疆阿魏的分布区，是30多年来新疆阿魏分布区萎缩为阿魏滩单一分布区域已知狭小面积后，首次发现的外围分布状况。

低空遥感影像中发现的新疆阿魏分布区长约1 100 m ，宽约800 m ，总面积约0.88 km 2，
是已知传统“阿魏滩”面积的5倍。

空间位置为左上角（E82°06′13.3″，N43°44′
46.6″），右上角（E82°06′53.5″，N43°44′38.4″），左下角（E82°06′09.2″，N43°44′30.0″），右下角（E82°06′
32.2″，N43°44′25.3″）。

影像解译获得的是处于黄叶期的植株，对于新疆阿魏株数的正确估算，尚有下列
因素需要考虑：
遥感分辨率问题：由于本文低空影像分辨率为
0.1 m ，按照遥感解译经验，一般要2-3个像素才能基本判读一个明显地物。

因此，本文解译出来的是直径0.3 m 以上的黄叶阿魏植株。

遥感影像解译结果是黄叶期新疆阿魏的可计株数共3 191株。

根据
1 km 2的DEM 数据得到影像中的阴阳坡区域，得到阳坡区域新疆阿魏黄叶数目为1 364株；阴坡区域新疆阿魏黄叶数目为1 827株。

3　新疆阿魏野外样方调查
新疆阿魏作为新疆特有的濒危药材，新疆阿魏的资源分布和种群结构对保护当地物种多样性和中药资源具有重要意义。

基于地面样方调查，对低空遥感得到的新疆阿魏分布区域内的植株数量进行调查。

样方调查路线的原则是＊：
①实地验证调查采用路线，调查与图斑抽样相结合的方法；②地面实地调查所抽取图斑的面积应占所监测区域面积的5％以上；③选取的地面实地调查样地，应尽量均匀
地分布于监测区域内；④调查对象应重点突出，重点调查在室内遥感解译时不清晰的图斑和区域。

为调查研究区域内各种大小新疆阿魏数目，根据遥感影像的解译结果和地形，将研究区域划分为4大样地I 、II 、III 、IV ，每个样地内的调查路线遵循
多样地形地貌原则，在山峰阴阳坡、不同海拔处均匀设置10×10 m 2样方数个，
如样地I 共设置5个样方1-1、1-2、1-3、1-4、1-5，其它样地II 设置12个，样地III 设置8个，样地IV 设置10个，如图6，图5
　新疆阿魏面向对象解译流程
图6　野外样方调查示意图
＊/link?url=O4ZW607IpGqlRAbKrrBxHLIbuuJMe7fb94yY7Tph_LP9Fp2F30uzT5iR6ztORKJGALY-kDsW-YTJtiHVXHxyE5MlZ-
40bd4CHNSrTFR8_pea.
表1所示。

由于2012年航拍结果解译时间与阿魏快速枯萎发生矛盾，难以完成解译结果的地面核查。

因此，选择2013年5月15日进行影像解译结果的地面核查，但2013年冬季和早春雨雪充沛，5月15日野外核查发现新疆阿魏大面积抽苔开花，见图7，两年的情况有一定的差异。

据记录新疆阿魏最近的1次大量开花年份是1986年，距今已有近30年。

地面样方调查发现，不同样地间和阴阳坡新疆阿魏密度也有差异。

如样地I和样地II阳坡内新疆阿魏的密度都较低。

在样地I处实地调查中发现，样地I内新疆阿魏被牲畜啃食比较严重。

而
表1　新疆阿魏野外样方调查
样地样方编号野生新疆阿魏总株数直径≥0.3 m黄叶阿魏株数I12413
2140
3170
41912
5139
样地I新疆阿魏密度（10-6株/km2）总密度：87/（5×100×10-6 km2）=0.174；黄叶阿魏密度：0.07 II（阴坡）1544
2232
320
4244
样地II（阴坡）新疆阿魏密度（10-6株/km2）总密度：103/（4×100×10-6 km2）=0.26；黄叶阿魏密度：0.025 II（阳坡）1274
2396
3246
4530
58010
63928
7459
88311
样地II（阳坡）新疆阿魏密度（10-6株/km2）总密度：390/（8×100×10-6 km2）=0.48；黄叶阿魏密度：0.093 III1310
2953
3790
48312
5230
6680
7119
8119
样地III新疆阿魏密度（10-6株/km2）总密度：401/（8×100×10-6 km2）=0.5；黄叶阿魏密度：0.041 IV1490
2753
35116
43710
5252
6371
7260
850
9589
1012112
样地IV新疆阿魏密度（10-6株/km2）总密度：484/（10×100×10-6 km2）=0.484；黄叶阿魏密度：0.053数目合计351465204
平均密度（10-6株/km2）0.420.058
在样地II 阴坡处，新疆阿魏地面密度为
0.48×10-6株/km 2，
而阳坡处新疆阿魏密度约为阴坡处的1/2，即0.26×10-6株/km 2。

说明在新疆阿魏分布的戈壁滩及荒山地带，光照强度和蒸发量对新疆阿魏的分布有一定影响，还有待于后续进
一步研究。

野外样方调查共布设样方35个，每
个样方面积为100×10-6 km 2，
则样方总面积为3 500×10-6 km 2，
占调查分布区面积的7.6%。

根据35个样方内新疆阿魏数目统计结果，分别估算出分布区域
内新疆阿魏的总平均密度为0.42×10-6
株/km 2
，
直径≥0.3 m 的黄叶阿魏平均密度约0.058×10-6株/
km 2。

虽然“2.3”中确定的新疆阿魏分布区面积约
为0.88 km 2，
但有些山头或缺水地方并不生长阿魏。

因此，根据ArcGIS 平台得到新疆阿魏各个实际分布区面积I 区23×10-3 km 2，II 区6×10-3 km 2，
III 区5×10-3 km 2，IV 区11×10-3 km 2，
则得到新疆阿魏资源总量为14 046株，直径≥0.3 m 以上的黄叶阿魏数目为2 752株。

4　讨论
本文通过低空遥感对新疆阿魏唯一分布点伊宁阿魏滩及外围地区进行了植物数量调查，获得以下有意义的结论。

4.1　明确新疆阿魏的现有分布区域面积
发现了现有分布区的外围也有一定分布，可以
据此扩大围栏保护范围。

新疆阿魏是目前濒临灭绝的最重要的中药品种之一。

20多年来仅发现阿魏滩一处分布，各级政府保护力度比较大，各研究单位也从此处取样开展研究。

本文遥感调查结果，发现该区域分布有新疆阿魏的面积为0.88 km 2，是原有发现分布面积的5倍，有利于今后的研究和保护。

4.2　估算新疆阿魏的全部植株数量
大致估算出分布区内的新疆阿魏植株数量。

选
择5月中旬的黄叶期为调查时间，通过识别黄叶植株数量，地面调查核算黄叶植株比例来推算总数。

5月中旬是新疆阿魏生长发育中的集中变黄期，随后地上部分较快枯萎和死亡。

由于分布区内的植株生长环境的水分不同，以及植株的个体差异，不可能全
部植株同步变黄，过期又会有部分植株枯萎，枯萎植株难以从影像中辨识。

此外，调查点山区高度起伏较大，为了减少航拍的危险性，不可能过于降低高度。

因此，分辨率为0.1 m 情况下，需要计算可辨识大小植株和全部植株的比例关系。

2012年和2013年同一时期的黄叶植株数均在大约2 500-3 200株，可推算出的全部植株数量大致为14 046株。

4.3　确定了新疆阿魏的地理分布区域
确定了新疆阿魏低空遥感监测的适合时相和区
域，调查时相为每年的5月中旬。

解译结果发现新疆阿魏分布区域为东西长约1 100 m ，南北横跨700 m ，
空间位置为左上角（E82°06′13.3″，N43°44′46.6″），右上角（E82°06′53.5″，N43°44′38.4″），左下角（E82°06′09.2″，N43°44′30.0″），右下角（E82°06′32.2″，N43°44′25.3″），面积约0.88 km 2。

4.4　低空遥感技术在野生新疆阿魏调查中的应用前景
新疆阿魏为一次开花、种子繁殖的植物。

只有开花才能产生种子，才能扩大繁殖，但是开花后，又会死亡一批成年植株。

经调查，导致新疆阿魏濒危的原因主要有2方面：①地下水位降低和干旱，导致开花和再生困难，生长也变缓，已有的阿魏滩区域的新疆阿魏已将近30年未大量开花，长势不好，
水分不足是主要原因[13，
14]
；②人工过度采挖，使得原有区域急剧萎缩。

2个因素共同作用，导致现在极度危险的状态，而且分布区域几乎不可能扩大，分布范围内的植物有随环境干旱化而变弱的趋势。

成年植株因一次性开花而减少，幼小植株又生长缓慢难以成年。

依据本文给出的时相和区域，
即时的
图7
　开花期新疆阿魏
低空飞行容易查看到分布区域是否因恶劣环境、人为破坏而萎缩、减少，解译出的黄叶株数可以判读出的个体数量可以推测出群体的生长状况。

虽然新疆阿魏分布区域不大，濒危状况和生长状况检测也可以通过地面调查获得。

但由于伊犁拜石墩地区生态环境脆弱，新疆阿魏资源容易受恶劣环境和人为破坏而出现区域不断萎缩减少情况，同时由于新疆阿魏分布区处于远离道路的荒漠山区中，依靠人力地面调查进行周期性的快速监测具有一定难度。

因此，本文采用低空遥感技术探讨新疆阿魏资源监测状况，不仅可对新疆阿魏的分布区域有明确的地理位置识别，而且具有快速获取新疆阿魏现势状况的优势，同时其资料具有保存价值，可有效评价新疆阿魏资源动态变化，为新疆阿魏资源保护和利用提供数据支持。

参考文献
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14 周金龙.新疆地下水科学事业的发展与成就.北京:水利水电出版社, 2012:36-57.
（责任编辑：曹新伟　张志华，责任译审：王　晶）
Resource Investigation for Endangered Wild Ferula sinkiangensis Based on Low Altitude Remote Sensing Xie Caixiang1, Shi Minghui2, Guo Baolin1, 2, Shi Linchun1, Zeng Fanlin1, Fu Dacheng3, Li Xiaojin2, Jia Xiaoguang1 (1. Institute of Medicinal Plant Development, Peking Union Medical College, Chinese Academy of Medical Sciences,
Beijing 100193, China;
2. Xinjiang Institute of Traditional Chinese Medicine and Ethical Material Medica, Urumqi 830002, China;
3. Yili Grassland Supervision Station, Yili 835000, China)
Abstract: As the specific endangered medicinal plant in Xinjiang, resources and distribution of Ferula sinkiangen-sis are important for biodiversity conservation and sustainable development of Chinese medicine resources. The spa-tial distribution and resources of F. sinkiangensis were researched based on low altitude remote sensing and sample investigation. The results showed that the optimum working time for F. sinkiangensis monitoring by low altitude remote sensing was the nearby 5 hills, which covered about 0.88 km2. It was suggested that the fence area should be expanded for protection. According to the results of low altitude remote sensing, the amount of F. sinkiangensis in yellow (diameter exceeding 0.3 m) was about 3 191. However, the sample investigation on amount of F. sinkiangensis in yellow (diameter exceeding 0.3 m) was about 2 752. The error between them was 14%. The monitoring time and range for F. sinkiangensis by low altitude remote sensing were also ensured. It was concluded that low altitude re-mote sensing had the advantage of quickly receiving distribution situation of F. sinkiangensis, which can effectively evaluate dynamic changes of F. sinkiangensis in Xinjiang.
Keywords:Ferula sinkiangensis in Xinjiang, low altitude remote sensing, sample investigation, spatial distribution。