基于dem的高山林线分布与地理因子关系研究

基于dem的高山林线分布与地理因子关系研究

1林线与气候变化高山森林（以下简称森林）存在于欧亚大陆的高山森林和高山草甸之间。这是一个重要的生态边界，也是气候变化和多因素综合影响的结果。由于林线本身的复杂性,不同研究者对林线的定义不尽相同,目前主要有两种观点:广义来看,在自然状况下,所有类型的植被界限往往表现为一个过渡区,林线应该是从山地郁闭森林到高山树线之间的整个区域,又被称为高山树线群落交错带[1，2]。狭义来看,林线是山体达到一定高度时出现的森林分布上限[3，4]。归根结底,林线是一条低温界限,反映植被对气候的适应情况,而区域的高山林线是被当地环境胁迫因素(例如:强风、干旱、雪、冻寒等)干扰与调节后的结果。一般纬度越低,林线越高,一些研究发现从沿海到内陆林线高度逐渐升高的现象[4，6]。戴君虎等将其认定为两种表现形式,即过渡性林线和郁闭型林线。本文所指林线是指狭义概念,即郁闭森林分布的上限。最早的林线研究起源于极地林线的研究,是林线研究的思想萌芽。全球高山林线研究主要集中在阿尔卑斯山区和落基山区,前期的观测与研究工作的核心是寻找高山林线形成的原因,近期主要偏重探寻与气候变化的关系。国内学者也对林线研究给予高度重视,对垂直带的研究比较充分,如黄锡畴对欧亚大陆温带山地垂直带结构类型的划分以及侯学煜对中国山地植被垂直带分类系统等,其次是山地植物区系和林线与气候变化的研究[5，12]。我国林线研究关注的区域主要集中在青藏高原、东北长白山、华北五台山和秦岭太白山等地。青藏高原东南部垂直自然带的上部,林线和雪线是两条最鲜明的标志线。Hermes在1955年即提出世界上最高的林线分布在中国藏东南山地,吴锡浩依据1∶5万及1∶10万地形图,结合实地考察,研究发现该地区林线高度介于3700~4400m之间。“三江并流区”位于青藏高原东南部、云南省西北部,作为中国境内迄今为止面积最大的世界遗产地,森林覆盖率达80%以上,植被垂直带谱完整,立体气候以及小区域气候特征明显,是研究林线地理分布规律较佳地区,目前对这一区域林线研究相对较少,主要集中在植被生态学研究及其气候变化关系研究,林线空间分布特征研究较少[15，16]。传统的对于林线的确定采用地形图结合实地调查的方法,但由于地形及气候等其他限制因子的存在,导致某些地区的林线很难判断。随着遥感空间技术的发展,采用遥感影像解译获得土地利用/土地覆被格局,同时结合地形特征因子空间分析,不仅大大提高了工作效率,同时使林线研究更具动态性和综合性。本研究即选择三江并流地区林地上边界较为清晰的2009年冬季的TM遥感影像,采用面向对象分类方法获取研究区土地利用/土地覆被分类图,同时结合DEM数据提取山顶点,筛选山顶点各个方向上距林地边界点最近距离的林线点集,结合类相关特征并结合地形图提取林线,进而对该地区林线分布的地理空间格局(海拔、坡度、坡向、纬度、经度)进行系统研究,以期探索林线的遥感提取方法,摸清研究区内林地分布与地理因子的相关规律性,为气候变化下的区域生态保育提供科学依据。2研究领域的总结和研究方法2.1“三江并流”地区地质概况研究区位于我国云南、西藏与四川交界地区,西南部与缅甸接壤(图1见本文第4页,TM影像获取时间为2009年12月10日),北纬26°25′-28°24′、东经97°55′-100°22′之间,是世界著名自然遗产“三江并流”的核心地区,范围涵盖云南维西傈僳族自治县全部,德钦县、香格里拉县、贡山独龙族怒族自治县、福贡县、玉龙纳西族自治县、兰坪白族普米族自治县、剑川县的大部,以及西藏察雅县、四川稻城县和木里藏族自治县的小部,土地面积26700km2,海拔1100~5358m,高差为4258m。三江并流地区拥有发源于青藏高原的怒江、澜沧江、金沙江3条大江,高黎贡山、怒山、云岭、雪山4条山脉,形成山川并行、河谷纵横的“四山夹三江”的特殊地貌。巨大的海拔差异导致了水热条件的不同,立体气候以及小区域气候特征明显,地质构造复杂,从而形成了不同的森林群落类型,植被垂直带谱完整,森林覆盖度达80%以上,是研究林线分布与地形因子变化规律的理想地区。2.2林线划分基于类相关特征的林地斑块本研究首先通过采用面向对象分类方法,选用冬季的遥感影像(该时期林地分类较少受到其他植被的影响,且具有明显的林地上边界),对三江并流区进行土地利用/土地覆被分类,由于林线通常是林地与高寒草甸或高寒未利用土地的分界线,因此基于类相关特征首先筛选可能包含林线信息的林地斑块。其次基于形态学的方法,利用GIS软件的栅格数据邻域分析功能和矢量数据拓扑分析功能,基于DEM提取山顶点,提取距离山顶点最近距离的林地边界点,所有满足条件的林地边界即为研究区的可能林线,进一步结合目视判断和典型地点的实地验证,获得该地区的林线空间分布数据集。3林线的遥感识别和提取3.1不同降水条件对林线初始分类的影响本研究选用Landsat5TM遥感影像,轨道号为132/41,影像获取时间为2009年12月10日(0%云盖量)和2010年7月30日(30%云盖量),土地利用/土地覆被分类主要基于2009年影像,2010年夏季影像的主要作用是排除临时性降雪对分类精度的影响以及对林线提取的干扰。采用面向对象的遥感影像分析技术,不仅依靠地物的光谱特性,更多地依靠分类对象的形状、颜色、纹理、类相关信息等特征。根据本文研究目的,土地利用/土地覆被分类采用中国科学院资源环境数据中心一级分类体系,为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个地类。三江并流区的土地利用/土地覆被分类结果(图2见本文第4页),表明该地区是以林地(面积比重为84.65%)为主导的土地覆被和以耕地(面积比重为4.75%)为主导的土地利用特征。耕地主要分布在河谷两侧和居民点附近。研究区大部分为临时性雪盖地,雪盖下主要是高寒草甸和裸岩,临时性雪盖地的下边界或与林地上边界具有一定程度的重叠,另外,仅在玉龙县境内有永久性冰川雪地分布。3.2dem的主动顶设基本原理山顶点是最重要的地形特征点,是对地表形态最具控制性的特征点位,它的分布与密度反映了地貌的发育特征,同时也制约着地貌发育。因此,如何基于DEM数据正确有效地提取山顶点,在数字地形分析中具有重要意义。目前,山顶点提取主要有局部高差比较法和断面高程极值法,此外还有利用反地形DEM的概念,利用DEM水文分析和窗口分析相结合,实现山顶点的提取。本研究采用形态学方法,利用GIS栅格邻域分析和矢量数据拓扑分析功能提取山顶点。基于DEM的山顶点提取的基本原理是,首先通过GIS栅格数据邻域分析功能,提取局部范围内的最高点。需要说明的是,在邻域分析中,在地势平坦地区会出现连片最高点,这时仅留下邻域中心点作为潜在山顶点;其次,以判定山顶点的高差阈值为等高距,提取对应的等高线图,进而将其转为面状高程图,山顶点只能存在于独立的自封闭高程带内;最后,将提取的局部范围最高点与独立封闭高程带交集运算,得到最终的山顶点分布图。邻域分析的窗口与山顶点高差阈值具有一定的正相关性,较大的高差阈值需要使用较大的邻域分析窗口。因此,应根据研究区内的实际地貌形态特征,选用适当大小的分析窗口和高差阈值。三江并流区多为高山峡谷地貌,山顶点高差起伏较大,高差阈值的确定主要依靠反复试验,尽量保证不漏提、多提,最终确定邻域分析窗口为11×11个栅格,高差阈值为200m,进一步经过目视修正得到山顶点分布图(图3a见本文第4页)。根据林线的定义,林线实际上是林地与高山草甸或未利用土地等景观的分界线,通过空间叠置分析,将山顶点进一步限定在非林地覆盖区(图3b见本文第4页)。3.3遥感分析检验林线的提取主要是通过寻找与山顶点最近距离的林地边界点获取。首先利用面向对象分类中的类相关特征(Class-relatedfeatures),提取包围或与草地和未利用地相邻的林地;其次借助GIS的面转线工具(Featuretoline)将林地面要素转为线要素,进一步通过线转点工具(Featureverticestopoints)将林地线要素转为点要素;第三,基于GIS的空间分析功能,利用点距离(Pointdistance)命令计算每个山顶点与林地边界点的最近距离,找到山顶点周围不同方位最近的森林边界点的集合;最后,通过叠加DEM(30×30m)以及土地利用/土地覆被分类图,结合已有研究成果及先验知识和目视判读,进一步筛选林线要素,并对遥感提取结果进行分析检验。个别偏高的林线点可能具有重要的生态学意义,需通过逐一目视进行核实;而对于个别偏低于周围的林线点可按小概率事件予以删除,得到三江并流区的林线点分布数据。对三江并流区林线点分布海拔出现的频率进行累积统计(图4),分析发现内林线大致在3521~4650m范围内,平均海拔为3908m,这与前人对青藏高原东南部的林线高程研究结果(3700~4400m)接近,但表现出低值偏低和高值略高,主要原因可能是遥感影像对地类边界的扩大效应以及个别高值(低值点)的错误统计,但总体提取精度满足分析要求。借助遥感手段提取林线,确实存在一定的优越性,但也不排除非林线边界被误提。林线高程低于3700m个数比重占到19.35%,主要分布在贡山独龙族怒族自治县、福贡县、剑川县等;林线高程高于4400m的个数比重占到0.74%,主要分布在香格里拉县、德钦县、察隅县,多为雪山分布区。4森林分布与地理因子之间的关系4.1典型立地的林线分布情况分析坡度不同,山坡所获得的太阳辐射各有差异,从而致使气温、地温及其它生态因子也随着发生变化,进而导致林线分布也表现出差异性。坡度是指坡面的倾斜程度,本研究按照国际地理学会地貌调查与制图委员会提议使用7级划分方案,对各坡度范围内林线进行统计汇总,具体如表1所示。三江并流区不同坡度范围内林线分布统计表明(表1),林线主要分布在15~35°的急坡和陡坡上,平原至微倾平原以及垂直坡上林线分布最少,急坡是林线分布集中坡度,最高林线分布在急陡坡上,各坡度范围内林线分布平均最高和最低值分别位于斜坡和垂直坡上,说明坡度太低或太高都不适于林线的存在。坡度在15°以内,随着坡度升高,林线分布越来越多,林线点累积比重占到20.07%,林线高度也越来越高,林线分布的平均值均高于3800m,说明该坡度范围内林线点高差较小,林线分布高程一致性较好;坡度超过15°以上,随着坡度的升高,林线分布总体呈下降趋势,林线分布的最大值均超过4600m,林线分布的平均值除陡坡为3928m,其他坡度均低于3900m,说明在高坡度范围内林线点的高差不断扩大,林线分布表现出明显的差异性。具体来看,在15~35°坡度范围内,随着坡度的升高,林线分布不断增多,林线点累积比重为58.97%,林线高度的最大值仍不断升高,但平均值不断下降,说明该坡度范围是林线分布的主要地区,且坡度越高,林线分布的高差越大。坡度超过35°时,林线分布不断减少,林线点累积比重为20.96%,随着坡度的继续升高,林线分布的高度不断下降,林线分布的高差进一步扩大。4.2坡向能出现的坡向坡向不同,则辐射强度和日照时数不同,使不同坡向的光、热、水和土壤条件有较大的差异,从而导致植被表现出较大的坡向差异,林线分布也表现出不同的坡向特征。一般北坡植被优于南坡植被,在林线表现上为北坡林线高于南坡林线。本研究分别对8个坡向上林线分布的最大值和平均值进行统计,最大值表示林线分布的最高位置可能出现的坡向,平均值表示林线分布的一般特征所对应的坡向。三江并流区不同坡向林线分布表明(图5),各坡向上林线分布差异显著,林线分布明显表现为西坡高于东坡,北坡高于南坡的特征,林线分布的最大值出现在西北方向,最小值出现在东南方向,说明林线分布呈现出明显的坡向趋向性。具体来看,4个正方向中,林线分布最大值和平均值最高均为正西,分别是4642m和3930m,最大值和平均值最低均为正南方向,分别为4564m和3881m;正西和正北方向上林线高度最大值中均超过4600m,平均值均超过3900m,林线高度分布排序均为正西>正北>正东>正南;4个偏方向中,除东南方向外,其他3个方向上林线高度最大值均大于4600m,平均值均大于3900m,东南方向最大值为4545m,平均值为3882m;林线分布最大值和平均值最高均为西北方向,分别是4650m和3954m,最大值和平均值最低均为东南方向,分别是4545m和3882m,林线高度排序为西北>西南>东北>东南。4.3江并流区林线分布与经度关系经度差异主要体现在由于水分条件变化所致的气候、水文、生物和土壤等自然要素以及自然带差异。三江并流区植被的垂直带谱的经向变化主要受水分条件和地形的影响,向东西两侧逐渐变复杂。地处“四山夹三江”的特殊地貌,巨大的海拔差异导致该地区水热差异显著。本研究以3′为经度划分间隔提取林线点,并取其平均值作为评价指标,探寻三江并流区林线分布与经度存在的关系。三江并流区林线分布在全部坡向和不同坡向上与经度统计规律表明(图6),该地区的林线分布与经度之间相关关系不明显(二项式拟合方程R2=0.1563,P<0.01)。总体来看,林线高度由西向东表现出先上升后下降再上升的波动性上升的特征,林线高度分布的最大值并不出现在经度最高的地区,100.10°-100.15°E为研究区内林线分布最高的经度带,林线高度分布的最小值也不出现在经度最低的地区,99.40°-99.45°E为研究区内林线分布最低的经度带。这种变化与该地区西低东高的地势差异以及东西部的干湿差异有关,但热量因素也同等重要。具体来看,98.40°-98.75°E范围内,怒江流域内林线高度呈现先升后降再升又降的的波动性上升的特征,最高林线点出现在察隅县境内,林线高差为267m;98.75°-99.05°E范围内,澜沧江流域内林线高度波动性上升,林线高差为152m;99.05°-100.30°E范围内,林线高差变化最为剧烈,林线高差达405m。4.4江并流区林线与形态变化的关系纬度地带性是地域分异规律的重要方面,形成原因主要是地球球形体导致到达地面的太阳辐射在各纬度分布不均,进而使受其影响的自然地理现象也按纬度分布。纬度地带性是以热量变化为基础的,水分条件的差异也起了一定的作用。同样借助GIS的空间数据管理功能,提取各林线点的纬度坐标,通过研究林线分布高度沿纬度变化的格局,揭示三江并流区林线的纬度地带性的变化规律。本研究以3′为纬度划分间隔,提取各纬度带内的林线点,并取其平均值作为评价指标,探寻三江并流区林线分布与纬度存在的关系。三江并流区林线分布与纬度统计规律表明(图7),林线分布与纬度之间存在高度的相关关系(二项式拟合方程R2=0.8622,P<0.01),林线高度表现出随纬度升高而不断上升的特征,与经度的关系对比表明,三江并流区的林线分布主要取决于热量条件。林线分布的最大值出现在28.25°-28.30°N范围内,达到4113m,最小值出现在27.35°-27.40°N之间,为3733m。具体来看,26.65°-27.40°N之间,林线高度随纬度升高表现出先上升后下降的波动性特征,呈现出缓慢的下降趋势,其中又以26.65°-26.85°N波动性最大;27.40°N之后,随着纬度的升高,林线高度几乎呈线性上升趋势,变化速率为每增加1个纬度,林线高度上升422m(R2=0.9236,P<0.01)。三江并流区内受青藏高原和横断山区巨大的山体以及复杂的地形影响,从而导致在相近纬度、相邻山体上林线高度表现出较大的差异性。5研究区的选择和应用高山林线是长时间气候变化和多因素综合作用的结果,作为高山自然带一条重要的景观界线,是长时间尺度气候与生态系统综合作用的产物。本研究选取垂直地带性最为显著的“三江并流区”,利用遥感和GIS手段进行林线识别与提取,并深入分析了林线分布与坡度、坡向、纬度、经度4个地理因子的关系。研究表明:(1)借助遥感手段提取林线,相较传统的实地调查抽样方式,具有范围广、受地面限制少、易获取、低成本、高效率等优势。林线提取利用面向对象分类方法中的类相关特征,提高了林线识别的精度和速度,有助于加强对人类活动受限地区林线的研究,借助山顶点提取进一步提高了林线的提取精度。(2)三江并流区的高山林线提取的高度范围是3521~4650m,接近以往该地区研究成果的370