基于RS和DEM的长白山天池植被分布的坡度坡向分析

烟贯发，万鲁河，温智虹，张羽威

(哈尔滨师范大学地理科学学院，黑龙江哈尔滨150025)

一、引 言

应用遥感技术结合DEM数据对现象的垂直分布进行研究，直观、快速、精确、可视化效果好。DEM是数字高程模型，是地球表层信息的三维可视化模拟，能直观的反映信息的垂直分布规律及影响因子，是进行三维分析不可缺少的数据。地形因素是影响环境变迁、水文过程、生物分布、地貌特征等的重要因素[1]，且研究对象所处的地形地势起伏越大效果越好，长白山天池境内海拔从600 m至近2700 m，高差大，使用DEM数据进行分析效果好。遥感能够从空间获取综合宏观、直观形象的地面数据，且受下垫面影响小，周期短，现势性好。根据长白山天池的地理环境特征及范围，选用了TM影像。在DEM上叠加以遥感影像数据，能够很好模拟地物信息在地面的实际垂直分布，有利于应用分析模型进行各种空间分析。其中，坡度分析、坡向分析就是常用的空间分析方法。

二、研究区域概况

1．自然地理概况

长白山位于吉林省东南部的龙井市、抚松县和长白朝鲜族自治县境内，其东部与朝鲜接壤，是我国境内保存最为完整的新生代多成因复合火山锥体，中心是以长白山天池为主的火山群，区内分布河谷、沼泽、台地、山坡、高原、高山湖泊、火山口等地貌类型，是第二松花江、图们江、鸭绿江三江的发源地。长白山地区气候类型属于受季风影响的温带大陆性山地气候，由于受地形和大陆与太平洋两种气流影响，垂直分带明显。该区的土壤受地貌、母质、植被和气候等自然因素的影响呈垂直带谱分布，自下而上大体可分为山地暗棕壤土带、棕色针叶林土带、亚高山疏林草甸土带和高山苔原土带。自然条件复杂、资源丰富，并保存了大片的原始森林，长白山茫茫林海称为景观独特、无与伦比的天然动植物博物馆和绿色的物种宝库。长白山因受海拔高度和地形的影响，形成了明显的景观垂直分带现象[2]，本研究区域的范围是北纬 41°20'～42°40'，东经 127°15'～128°30'。

2．植 被

长白山地区的植被除受水平地带性因素影响以外，非地带性因素也是影响现存植被分布的重要因素，随着海拔高度的变化和气候、土壤的不同，植被类型及植物区系成分也随之变化，呈明显的垂直分布，代表了温带到极地的植被类型。在气候上，可划分为温带山地针阔混交林气候、温带山地针叶林气候和温带山地苔原气候[3];在植被上，随着海拔高度的增加可分为针阔混交林、针叶林带、岳桦林带和高山苔原带[4]。据统计，长白山汇集了从温带到寒带的多种动植物，是生态系统保存最完整的区域。

区内植物属长白山植物区系，生态系统比较完整，植物资源十分丰富。区内植被主要以红松阔叶林、针叶林、岳桦林、草甸、高山苔原等组成，并从下到上依次形成4个植被分布带，具有明显的垂直分布规律。

三、数据获取与处理

1．影像数据

根据本次研究的空间尺度和需要，并结合当地的气候条件，选择晴朗天气多、云量雨量少的秋季2010年9月24日的TM影像数据，TM影像有7个工作波段(剔除了 TM6，TM6波长是 10．40～12．5μm，对应波段影像空间分辨率是120 m，较低，主要反映地物的温度特征)，空间分辨率30 m，其显示地物信息的详细程度相当于1∶25万地形图，但信息量远大于1∶25万地形图。同时，选用了分辨率是30 m的矢量等高线，通过遥感图像处理软件ENVI4．7将等高线转化为DEM。还选用了1∶20万地质图、地形图和植被分布图作为参照。

图1是长白山天池TM影像的band3(R)+band2(G)+band1(B)组成真彩色影像，并叠加于DEM的三维影像。该影像是2010年9月24日的，获取该影像时天气晴朗，下有少量雪，影像很清晰。

先对影像进行了几何纠正、主成分分析、波段运算等处理，对归一化植被指数结果进行了等密度分割，划分等级来反映植被的生长状况;然后进行了以植被为主要研究对象的分类。

图1 TM真彩色影像与DEM生成三维影像图

2．DEM 数据

数字高程模型(DEM)是数字地形模型(DTM)的一个子集，是其基本的部分，它是对地球表面地形地貌的一种离散的表达。DEM的表示方法包括数学分块曲面表示法，规则格网表示法(GRID)和不规则三角网(TIN)表示法等。相应的基于DEM的地形信息提取也有3种算法：基于规则格网的地形特征提取方法[5]、基于TIN的提取算法[6]和基于数字化等高线地形图的提取算法[7]。本文应用规则格网表示法(GRID)将等高线数据转换为DEM数据，以便进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

图2是本研究区域的高度分布图，是DEM经等密度分割后，按300 m等高距制成，选用了反差大的颜色，这样不同的高度带对比比较鲜明。从图2中可以看出，海拔600～900 m的面积最大，坡度比较平缓的熔岩台地;其次是海拔900～1200 m和1200～1500 m的熔岩高原面积小一些，但坡度逐渐增大;海拔1800～2700 m属于天池火山椎体，海波最高，坡度最陡。

图2 海拔高度分布图

2．坡度分析

自从DEM理论形成以来，人们就对计算坡度的方法进行了大量的研究和实验，其计算方法可以归纳为四块法、空间矢量分析法、拟合平面法、拟合曲面法和直接解法5种。其中，前3种方法是为求解地面平均坡度而设计的;后2种方法是为求解地面最大坡度而设计的。经过实践证明，拟合曲面法是求解坡度的最佳法，拟合曲面法一般采用二次曲面，即3×3的窗口内进行，窗口在DEM矩阵中连续移动后完成整幅图的计算工作。

每个窗口中心为一个高程点，其中坡度求解公式为

式中，Slope为坡度;Slopewe为 X方向上的坡度;Slopesn为Y方向上的坡度;地面坡度(slope)为过该点的切平面与水平地面的夹角。

坡度还可以用数值和角度来表示，用数值就是坡面倾角的正切值;用角度就是坡面与水平面的夹角。坡度可以反映地表的起伏变化及分布特点。

式中，α为坡度角;x、y为平面坐标;z为对应的高程值;i、j为水平和竖直方向的位置;δx、δy为 x、y 方向的微分变化。

对于坡度划分，国际地理学会地貌调查与制图委员会提议使用如下7级划分方案，如表1所示。

表1 坡度的划分方法 (°)

图3是DEM在ENVI中的topographic modeling下生成的slope图;然后进行等密度分割，生成不同坡度值;最后与DEM结合构建三维，可以很直观的显示出研究区域的坡度变化及分布特征。

图3 坡度三维分布图

坡度对水分、土壤厚度、土壤养分等具有分异作用，从而影响着植被的分布。图4和表2清晰的反映了植被随坡度变化的分布特征，坡度越小越平缓，植被长势越好，面积越大，所占的百分比也越高。

图4 不同坡度的植被分布

表2 不同坡度植被的面积及所占百分比

3．坡向分析

坡向是决定地表面局部地面接受阳光和重新分配太阳辐射能量的重要地形因子之一，也是直接造成局部地区气候特征差异的主要因素。同时，还是直接影响到诸如土壤水分、地面无霜期以及作物生长适宜程度等多项重要农业生产指标。由于光照、温度、雨量、风速、土壤质地等因子的综合作用，坡向能够对植物发生影响，从而引起植物和环境的生态关系发生变化。因此，科学的界定坡向含义和提取算法具有重要的现实意义[8]。

切平面方程

坡向

式中，x、y为平面坐标;z为垂直向坐标;β为坡向方位角。

图5是坡向的定义及划分。其中，南坡、东南坡、西南坡接受阳光和太阳辐射能量最多，时间最长;北坡、东北坡、西北坡接受阳光和太阳辐射能量最少，时间最短;东坡和西坡居中。

图5 坡向的定义与划分

图6是本研究区域的坡向分布，直观地反映了山地地形起伏的坡度朝向的三维分布。喜阳、喜暖的红松等多分布在南坡、西南坡和东南坡，喜阴、喜冷的冷杉等多分布在北坡、西北坡和东北坡。对光照没有特别需要的分布在东坡和西坡。

图6 坡向分布图

图7和表3清楚地反映了植被随坡向不同而分布变化的特征，南坡获得的太阳辐射能最多，光照时间最长，植被长势最好;相反北坡获得的太阳辐射能和光照时间最少，这里集中了喜阴的臭冷杉，而其下的土壤适宜臭冷杉生长，所以这里植被也很茂密;其余几个方向变化不明显，主要是风向和降雨的作用。

图7 不同坡向的植被分布

表3 不同坡向植被的面积及所占百分比

4．分类分析

图8是基于遥感影像的最大似然分类结果，红松阔叶林占总面积的57．49%;云冷杉占总面积的19．16%;低矮的小灌木和苔藓地衣类占总面目的10．90%;稀疏草本植物占总面积的2．98%，主要在天池东部的熔岩台地上，植被覆盖较少;裸岩占总面积的1．64%;水体，以天池的水为主，还有河流和一些山林阴影，占总面积的3．68%;雪占总面积的4．15%。从分类结果可以看出长白山天池植被覆盖率达到了90．53%，比较高，会比实际测量的结果多一些，这是因为遥感分类计算面积时，使用的是树冠及草等植被叶子的面积。但长白山天池实际植被覆盖率也是比较高的。

图8 最大似然分类结果

从图9中可以看出，云冷杉和小灌木及高山苔原植被的离散性最小，分类精度最高;水体本来应该是标准差最小，离散性也应该最小，但图9中山林阴影多一些，一些河流受附近树林反射光、散射光的干扰，使之色调发生了一定的改变，天池水体是最有代表性的，最后分类的结果比实际要多一些，阴影被分为水了;雪与白色的建筑、白色的路面分在一起，离散性也大了点，比实际面积也大一些。

表4 最大似然分类的统计结果

续表4

图9 各类地物的标准差

五、结论与讨论

从上面分析可以看出该区域植被的分布随地形地势、坡度、坡向的海拔高度变化而分异的规律：总的来说，海拔较低的熔岩台地地区坡度平缓、土层最厚、土壤中有机质含量高植被长势最好，较为茂密，主要是高大的针阔叶乔木;随着海拔的升高、坡度的增大、土层变薄、有机质含量减少，植被的密度降低，种类也发生了变化，最后到了火山口附近，以小灌木、苔藓地衣等低矮稀疏植被为主。另外一个原因为，海拔越高，温度越低，降水越多，所以海拔较高的地段以喜湿的鱼鳞云杉和臭冷杉为主。而坡度越陡植被越稀疏，是因为土层越薄，风化堆积物越少，水分也越少;再加上坡向对太阳辐射的能量分布、光照、降水等的影响，又对植被有喜阴喜阳的分异作用。

使用遥感影像TM与DEM结合，利用遥感图像处理软件ENVI这个平台，进行空间分析可以将影响地物分异规律的多种因子、多种数据组合起来综合分析应用，能够把抽象的数据可视化，把独立的因子联系起来、叠加分析，从而发现各因子间的制约关系，并确定对地物分异的影响权重。

表5 海拔高度与植被、土壤、成土母质、地貌的对应关系

[1]邹伦，刘瑜，张晶，等．地理信息系统一原理、方法和应用[M]．北京：科学出版社，2001．

[2]白红军，邓伟．长白山苔原湿地资源及可持续利用研究[J]．山地学报，2002，20(2)：228-231．

[3]自然地理与环境研究所，长白山高山苔原的综合研究[M]．北京：科学出版社，1996：196-202．

[4]黄锡畴，李崇皜．长白山高山苔原的景观生态分析[J]．地理学报，1984，39(3)：57-69．

[5]TARBOTON D G，BRASR L，RODRIQUEZ I I．On the Extraction of Channel Networks from Digital Elevation Data[J]．Hydrologic Processes，1991，5(1)：81-100．

[6]GARG N K，SEN D J．Determination of Watershed Features for Surface Runoff Models[J]，Joumal of Hydraulic Engineering，1994，120(4)：427-447．

[7]THIBAULT D，GOLD C．Terrain Reconstruction from Contours by Skeleton Retraction[C]∥ Proceedings of the 2nd InternationalWorkshop on Dynamic and Mufti-dimensional GIS，Beijing：[s．n．]，23-27．

[8]汤国安，刘学军，闾国年，等．数字高程模型及地学分析的原理与方法[M]．北京：科学出版社，2005：207-217．