基于RS和DEM的長白山天池植被分布的坡度坡向分析

煙貫發(fā)，萬魯河，溫智虹，張羽威

(哈爾濱師范大學地理科學學院，黑龍江哈爾濱150025)

一、引 言

應(yīng)用遙感技術(shù)結(jié)合DEM數(shù)據(jù)對現(xiàn)象的垂直分布進行研究，直觀、快速、精確、可視化效果好。DEM是數(shù)字高程模型，是地球表層信息的三維可視化模擬，能直觀的反映信息的垂直分布規(guī)律及影響因子，是進行三維分析不可缺少的數(shù)據(jù)。地形因素是影響環(huán)境變遷、水文過程、生物分布、地貌特征等的重要因素[1]，且研究對象所處的地形地勢起伏越大效果越好，長白山天池境內(nèi)海拔從600 m至近2700 m，高差大，使用DEM數(shù)據(jù)進行分析效果好。遙感能夠從空間獲取綜合宏觀、直觀形象的地面數(shù)據(jù)，且受下墊面影響小，周期短，現(xiàn)勢性好。根據(jù)長白山天池的地理環(huán)境特征及范圍，選用了TM影像。在DEM上疊加以遙感影像數(shù)據(jù)，能夠很好模擬地物信息在地面的實際垂直分布，有利于應(yīng)用分析模型進行各種空間分析。其中，坡度分析、坡向分析就是常用的空間分析方法。

二、研究區(qū)域概況

1．自然地理概況

長白山位于吉林省東南部的龍井市、撫松縣和長白朝鮮族自治縣境內(nèi)，其東部與朝鮮接壤，是我國境內(nèi)保存最為完整的新生代多成因復(fù)合火山錐體，中心是以長白山天池為主的火山群，區(qū)內(nèi)分布河谷、沼澤、臺地、山坡、高原、高山湖泊、火山口等地貌類型，是第二松花江、圖們江、鴨綠江三江的發(fā)源地。長白山地區(qū)氣候類型屬于受季風影響的溫帶大陸性山地氣候，由于受地形和大陸與太平洋兩種氣流影響，垂直分帶明顯。該區(qū)的土壤受地貌、母質(zhì)、植被和氣候等自然因素的影響呈垂直帶譜分布，自下而上大體可分為山地暗棕壤土帶、棕色針葉林土帶、亞高山疏林草甸土帶和高山苔原土帶。自然條件復(fù)雜、資源豐富，并保存了大片的原始森林，長白山茫茫林海稱為景觀獨特、無與倫比的天然動植物博物館和綠色的物種寶庫。長白山因受海拔高度和地形的影響，形成了明顯的景觀垂直分帶現(xiàn)象[2]，本研究區(qū)域的范圍是北緯 41°20'～42°40'，東經(jīng) 127°15'～128°30'。

2．植 被

長白山地區(qū)的植被除受水平地帶性因素影響以外，非地帶性因素也是影響現(xiàn)存植被分布的重要因素，隨著海拔高度的變化和氣候、土壤的不同，植被類型及植物區(qū)系成分也隨之變化，呈明顯的垂直分布，代表了溫帶到極地的植被類型。在氣候上，可劃分為溫帶山地針闊混交林氣候、溫帶山地針葉林氣候和溫帶山地苔原氣候[3];在植被上，隨著海拔高度的增加可分為針闊混交林、針葉林帶、岳樺林帶和高山苔原帶[4]。據(jù)統(tǒng)計，長白山匯集了從溫帶到寒帶的多種動植物，是生態(tài)系統(tǒng)保存最完整的區(qū)域。

區(qū)內(nèi)植物屬長白山植物區(qū)系，生態(tài)系統(tǒng)比較完整，植物資源十分豐富。區(qū)內(nèi)植被主要以紅松闊葉林、針葉林、岳樺林、草甸、高山苔原等組成，并從下到上依次形成4個植被分布帶，具有明顯的垂直分布規(guī)律。

三、數(shù)據(jù)獲取與處理

1．影像數(shù)據(jù)

根據(jù)本次研究的空間尺度和需要，并結(jié)合當?shù)氐臍夂驐l件，選擇晴朗天氣多、云量雨量少的秋季2010年9月24日的TM影像數(shù)據(jù)，TM影像有7個工作波段(剔除了 TM6，TM6波長是 10．40～12．5μm，對應(yīng)波段影像空間分辨率是120 m，較低，主要反映地物的溫度特征)，空間分辨率30 m，其顯示地物信息的詳細程度相當于1∶25萬地形圖，但信息量遠大于1∶25萬地形圖。同時，選用了分辨率是30 m的矢量等高線，通過遙感圖像處理軟件ENVI4．7將等高線轉(zhuǎn)化為DEM。還選用了1∶20萬地質(zhì)圖、地形圖和植被分布圖作為參照。

圖1是長白山天池TM影像的band3(R)+band2(G)+band1(B)組成真彩色影像，并疊加于DEM的三維影像。該影像是2010年9月24日的，獲取該影像時天氣晴朗，下有少量雪，影像很清晰。

先對影像進行了幾何糾正、主成分分析、波段運算等處理，對歸一化植被指數(shù)結(jié)果進行了等密度分割，劃分等級來反映植被的生長狀況;然后進行了以植被為主要研究對象的分類。

圖1 TM真彩色影像與DEM生成三維影像圖

2．DEM 數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型(DEM)是數(shù)字地形模型(DTM)的一個子集，是其基本的部分，它是對地球表面地形地貌的一種離散的表達。DEM的表示方法包括數(shù)學分塊曲面表示法，規(guī)則格網(wǎng)表示法(GRID)和不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)表示法等。相應(yīng)的基于DEM的地形信息提取也有3種算法：基于規(guī)則格網(wǎng)的地形特征提取方法[5]、基于TIN的提取算法[6]和基于數(shù)字化等高線地形圖的提取算法[7]。本文應(yīng)用規(guī)則格網(wǎng)表示法(GRID)將等高線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)據(jù)，以便進行地形信息提取和坡度、坡向分析。

四、研究方法

1．海拔高度分布

圖2是本研究區(qū)域的高度分布圖，是DEM經(jīng)等密度分割后，按300 m等高距制成，選用了反差大的顏色，這樣不同的高度帶對比比較鮮明。從圖2中可以看出，海拔600～900 m的面積最大，坡度比較平緩的熔巖臺地;其次是海拔900～1200 m和1200～1500 m的熔巖高原面積小一些，但坡度逐漸增大;海拔1800～2700 m屬于天池火山椎體，海波最高，坡度最陡。

圖2 海拔高度分布圖

2．坡度分析

自從DEM理論形成以來，人們就對計算坡度的方法進行了大量的研究和實驗，其計算方法可以歸納為四塊法、空間矢量分析法、擬合平面法、擬合曲面法和直接解法5種。其中，前3種方法是為求解地面平均坡度而設(shè)計的;后2種方法是為求解地面最大坡度而設(shè)計的。經(jīng)過實踐證明，擬合曲面法是求解坡度的最佳法，擬合曲面法一般采用二次曲面，即3×3的窗口內(nèi)進行，窗口在DEM矩陣中連續(xù)移動后完成整幅圖的計算工作。

每個窗口中心為一個高程點，其中坡度求解公式為

式中，Slope為坡度;Slopewe為 X方向上的坡度;Slopesn為Y方向上的坡度;地面坡度(slope)為過該點的切平面與水平地面的夾角。

坡度還可以用數(shù)值和角度來表示，用數(shù)值就是坡面傾角的正切值;用角度就是坡面與水平面的夾角。坡度可以反映地表的起伏變化及分布特點。

式中，α為坡度角;x、y為平面坐標;z為對應(yīng)的高程值;i、j為水平和豎直方向的位置;δx、δy為 x、y 方向的微分變化。

對于坡度劃分，國際地理學會地貌調(diào)查與制圖委員會提議使用如下7級劃分方案，如表1所示。

表1 坡度的劃分方法 (°)

圖3是DEM在ENVI中的topographic modeling下生成的slope圖;然后進行等密度分割，生成不同坡度值;最后與DEM結(jié)合構(gòu)建三維，可以很直觀的顯示出研究區(qū)域的坡度變化及分布特征。

圖3 坡度三維分布圖

坡度對水分、土壤厚度、土壤養(yǎng)分等具有分異作用，從而影響著植被的分布。圖4和表2清晰的反映了植被隨坡度變化的分布特征，坡度越小越平緩，植被長勢越好，面積越大，所占的百分比也越高。

圖4 不同坡度的植被分布

表2 不同坡度植被的面積及所占百分比

3．坡向分析

坡向是決定地表面局部地面接受陽光和重新分配太陽輻射能量的重要地形因子之一，也是直接造成局部地區(qū)氣候特征差異的主要因素。同時，還是直接影響到諸如土壤水分、地面無霜期以及作物生長適宜程度等多項重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標。由于光照、溫度、雨量、風速、土壤質(zhì)地等因子的綜合作用，坡向能夠?qū)χ参锇l(fā)生影響，從而引起植物和環(huán)境的生態(tài)關(guān)系發(fā)生變化。因此，科學的界定坡向含義和提取算法具有重要的現(xiàn)實意義[8]。

切平面方程

坡向

式中，x、y為平面坐標;z為垂直向坐標;β為坡向方位角。

圖5是坡向的定義及劃分。其中，南坡、東南坡、西南坡接受陽光和太陽輻射能量最多，時間最長;北坡、東北坡、西北坡接受陽光和太陽輻射能量最少，時間最短;東坡和西坡居中。

圖5 坡向的定義與劃分

圖6是本研究區(qū)域的坡向分布，直觀地反映了山地地形起伏的坡度朝向的三維分布。喜陽、喜暖的紅松等多分布在南坡、西南坡和東南坡，喜陰、喜冷的冷杉等多分布在北坡、西北坡和東北坡。對光照沒有特別需要的分布在東坡和西坡。

圖6 坡向分布圖

圖7和表3清楚地反映了植被隨坡向不同而分布變化的特征，南坡獲得的太陽輻射能最多，光照時間最長，植被長勢最好;相反北坡獲得的太陽輻射能和光照時間最少，這里集中了喜陰的臭冷杉，而其下的土壤適宜臭冷杉生長，所以這里植被也很茂密;其余幾個方向變化不明顯，主要是風向和降雨的作用。

圖7 不同坡向的植被分布

表3 不同坡向植被的面積及所占百分比

4．分類分析

圖8是基于遙感影像的最大似然分類結(jié)果，紅松闊葉林占總面積的57．49%;云冷杉占總面積的19．16%;低矮的小灌木和苔蘚地衣類占總面目的10．90%;稀疏草本植物占總面積的2．98%，主要在天池東部的熔巖臺地上，植被覆蓋較少;裸巖占總面積的1．64%;水體，以天池的水為主，還有河流和一些山林陰影，占總面積的3．68%;雪占總面積的4．15%。從分類結(jié)果可以看出長白山天池植被覆蓋率達到了90．53%，比較高，會比實際測量的結(jié)果多一些，這是因為遙感分類計算面積時，使用的是樹冠及草等植被葉子的面積。但長白山天池實際植被覆蓋率也是比較高的。

圖8 最大似然分類結(jié)果

從圖9中可以看出，云冷杉和小灌木及高山苔原植被的離散性最小，分類精度最高;水體本來應(yīng)該是標準差最小，離散性也應(yīng)該最小，但圖9中山林陰影多一些，一些河流受附近樹林反射光、散射光的干擾，使之色調(diào)發(fā)生了一定的改變，天池水體是最有代表性的，最后分類的結(jié)果比實際要多一些，陰影被分為水了;雪與白色的建筑、白色的路面分在一起，離散性也大了點，比實際面積也大一些。

表4 最大似然分類的統(tǒng)計結(jié)果

續(xù)表4

圖9 各類地物的標準差

五、結(jié)論與討論

從上面分析可以看出該區(qū)域植被的分布隨地形地勢、坡度、坡向的海拔高度變化而分異的規(guī)律：總的來說，海拔較低的熔巖臺地地區(qū)坡度平緩、土層最厚、土壤中有機質(zhì)含量高植被長勢最好，較為茂密，主要是高大的針闊葉喬木;隨著海拔的升高、坡度的增大、土層變薄、有機質(zhì)含量減少，植被的密度降低，種類也發(fā)生了變化，最后到了火山口附近，以小灌木、苔蘚地衣等低矮稀疏植被為主。另外一個原因為，海拔越高，溫度越低，降水越多，所以海拔較高的地段以喜濕的魚鱗云杉和臭冷杉為主。而坡度越陡植被越稀疏，是因為土層越薄，風化堆積物越少，水分也越少;再加上坡向?qū)μ栞椛涞哪芰糠植?、光照、降水等的影響，又對植被有喜陰喜陽的分異作用?/p>

使用遙感影像TM與DEM結(jié)合，利用遙感圖像處理軟件ENVI這個平臺，進行空間分析可以將影響地物分異規(guī)律的多種因子、多種數(shù)據(jù)組合起來綜合分析應(yīng)用，能夠把抽象的數(shù)據(jù)可視化，把獨立的因子聯(lián)系起來、疊加分析，從而發(fā)現(xiàn)各因子間的制約關(guān)系，并確定對地物分異的影響權(quán)重。

表5 海拔高度與植被、土壤、成土母質(zhì)、地貌的對應(yīng)關(guān)系

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