遥感图像处理技术下长白山植被变化研究

第一章绪论

1.1选题背景与研究目的
1.1.1长白山森林资源
历史变迁长白山地处东北地区东部，地域辽阔，生态系统类型多种多样，长白山地区是我国森林资源最为丰富的地区之一。长白山地区从清代到民国年间主要经历了四个阶段的森林资源历史变迁。第一阶段是清军入关后清代的封禁时期：长白山地区被当时政府看作是民族的兴盛之地，禁止开发当地的土地和森林资源，这阶段该地区森林生态系统被有效地保护起来。第二阶段是清代中后叶的弛禁时期：清代中后期人口的增长超过了关内地区的土地承受能力，导致了自发向东北地区的移民现象和对东北地区的开发。第三阶段是清末的开禁时期：鸦片战争后关内农民的破产和大规模流民的"闯关东"，长白山地区资源迅速被开发。第四阶段是民国时期的长白山森林资源开发掠夺时期：在日本占领东北期间，当地经济呈畸形发展，农业、林业和重工业发展较快而轻工业发展迟缓，长白山地区生态环境加速变迁。
清代后期和民国时期人们对长白山地区森林资源进行粗放型、掠夺性的开发，直接导致了该地区的林木质量下降和森林面积锐减，从而引发了长白山林区的环境和生态变迁，生物种类开始减少及自然灾 害频发，其潜在的生态危机也严重制约着该区经济的可持续发展。建国以来，长白山林区建设与开发又大致经历了四个阶段：上世纪50年代的开发阶段，60年代的成长阶段，1978年十一届三中全会以后的稳定阶段和1989年以后的衰退阶段。建国六十多年来，长白山林区为新中国的原始积累和国民经济建设做出了重大的历史性贡献。但随着天然林资源的长期过量采伐，20世纪80年代后，林区出现了严重的可采资源危机和经济困难，并导致了一系列社会问题。改革开放后，当地政府在吸取历史经验、教训的基础上，立足于实际、因地制宜，高度重视该地的林业生态建设，特别是1998年以来，该地先后启动实施了天然林资源保护工程、长白山水土失治理工程、退耕还林工程自然保护区建设、林业生态自然灾害防治工程等倉点林业生态建设工程，随着这几项生态工程的开发建设，该地在林业建设上取得了历史性突破。
1.1.2长白山区植被恢复重要性
自1998年以来我国实施了天然林保护工程，《吉林长白山国家级自然保护区管理条例》、《森林和野生动物类型自然保护区管理办法》等长白山禁止采伐和保护森林相关法律政策的也相继出台和贯彻执行，该地区森林资源得到了有效保护。但是，该地区的资源和生态环境危机不是一个短期内就可以解决的问题，长白山区原始天然林面积从上世纪50年代的185万亩缩减到2003年的70万亩。长白山林区长期以木材生产为主业，经营方针执行不当，重取轻予，造成森林资源枯竭和林业经济陷入困境的不利局面，尤其是长白山自然保护区范围外森林的釆伐量仍超过森林资源承载能力，原始天然森林资源急剧退化，植被已经失去了原始状态。
据最新遥感调查资料显示，长白山南部地区水土流失面积比1974年扩大了 36%，严重影响该地区森林生态系统的稳定性。生物多样性、生态系统过程和无机因子是相互联系相互影响的，因此生物多样性对生态系统功能有着重大的意义。物种多样性包含物种丰富度和物种均匀度两方面含义，它常与生态时间学说、气候稳定学说、空间异质性学说和竞争学说等多方面理论相联系、成因复杂。
物种多样性常常用来指示生态系统的演替过程，也是植被群落干扰和恢复的生态过程研究的一项重要指标，同时被看作评价植被群落和生态系统恢复的重要的指标项之一（温仲明等，2005)。我们国家的生物多样性在国际上占据着相当重要的位置，但是据有关部门科学数据统计分析显示，我国和世界其他地区一样，物种正在以惊人的速度灭绝，生物多样性空前受到威胁（陈灵芝，1993)。由于失去生态廊道等原因，长白山地区森林资源面临孤岛状态，植物的种类衰减必然影响动物，东北虎、金钱豹等大型猫科动物已基本绝迹，梅花鹿也渐稀少，黑熊、野猪也很少见，各类野生经济动物资源日益萎缩。20世纪80年代初到90年代末，国家一级保护动物东北虎由20多只减少至6~ 9只，且分布区正在縮小。袍子、山鸡等常见的大、小兽类15禽类也因为过量捕猎数量日益减少。
"植被过去是，现在是，将来也还是人类生命的一部分"（Whittaker, 1986)。植被（Vegetation)的定义：覆盖地表的植物群落的总称。这是一个涵盖了植物学、生态学和地球科学等多学科的名词。植被分类的主要依据是生长环境的差异，据此可分为草原植被、高山植被、海岛植被等。植被是生态系统中能量流动及物质循环的中枢陆，是陆地生态系统的重要成分，也是人类社会经济活动赖以展开的资源。植被破坏会直接对生态平衡造成冲击从而对环境产生不良影响，大规模的植被破坏就有可能引发气候环境等一系列连锁反应甚至带来自然灾害和灾难（温仲明等，2005)。并且植被也是气候变化的承受者，是自然生态系统中最活跃的因子之一，它反映着土壤、岩石、水和大气等环境组成成分的变化。
1.1.3 3S技术与植被动态研究
3S技术是遥感技术(Remote Sensing, RS)、地理信息系统(Geography InformationSystems, GIS)和全球定位系统（Global Positioning Systems, GPS)的统称。3S技术并非以上三项技术的简单相加，它是以RS、 GIS和GPS三项技术为基础不断发展、融会贯通，把三项独立技术中相关的传感器技术、卫星导航定位技术、空间信息技术等有机集合，集成为一个有机统一体，包含了空间信息采集、管理与更新、处理与分析、应用与传播等多种功能的现代信息技术，是一个高度表现了三项技术功能与优势互补的有机统一体（李树凯，1995)。
 
   1.2 国内外3S技术在植被研究中的应用概况 ...................10-11
        1.2.1 植被指数研究进展 ...................10-11
        1.2.2 植被分类研究进展 ...................11
    1.3 技术路线和研究内容 ...................11-13
        1.3.1 技术路线 ...................11
        1.3.2 研究内容 ...................11-13
第二章研究方案与数据收集 ...................13-18
    2.1 研究方法 ...................13
    2.2 研究区域概况 ...................13-16
        2.2.1 地理环境 ...................13-14
        2.2.2 气候特征 ...................14
        2.2.3 地质地貌 ...................14-15
        2.2.4 水文特征 ...................15
        2.2.5 土壤特征 ...................15
        2.2.6 植被概况 ...................15-16
        2.2.7 社会经济条件 ...................16
    2.3 数据收集 ...................16-18
第三章数据处理 ...................18-32
    3.1 遥感数据预处理 ...................18-22
    3.2 利用地形图制作DEM ...................22-26
        3.2.1 地形图配准 ...................22
        3.2.2 等高线矢量化 ...................22-24
        3.2.3 DEM制作 ...................24-26
    3.3 研究区域提取 ...................26
    3.4 遥感图像分类 ...................26-30
        3.4.1 分类系统的建立 ...................26
        3.4.2 分类方法 ...................26-30
    3.5 景观尺度空间分析方法 ...................30-32
第四章结果分析 ...................32-45
    4.1 景观格局动态变化分析 ...................32-40
        4.1.1 景观面积动态变化分析 ...................32-39
        4.1.2 景观数目动态变化分析 ...................39-40
    4.2 景观类型空间转移分析 ...................40-42
    4.3 植被变化驱动力 ...................42-45
        4.3.1 地形因素 ...................42-43
        4.3.2 自然灾害 ...................43
        4.3.3 气候变化 ...................43
        4.3.4 人为因素 ...................43-45

结论

本文以遥感图像处理技术和地理信息系统技术为手段，以景观生态学相关的原理与方法为理论基础，通过对1987年、1999年和2007年三个时期Landsat TM遥感影像的处理，从景观生态学的角度对研究区域的植被变化进行了分析。进行了景观类型区分和景观类型系统建立，并利用Excel、 Fragstats. Arc GIS进行数据提取与分析，旨在分析研究长白山地区1987-2007 二十年间景观格局和相应的变化特征。经研究得到主要结论如下：
(1)景观分类体系建立。根据研究目的结合影像实际可读性，分析建立了本研究的景观分类体系，即把研究区域地物类型区分划分成了针叶林、混交林、阔叶林、灌木林及疏林地、裸地、沙地、水域、居民区、草地和耕地这十个景观类型，其中1987年图像长白山天池部分积雪尚未完全消融，覆盖了天池和天池周围的沙地及裸地部分，长白山地区其他区域无沙地类型，故1987年图像无沙地景观类，增加积雪区景观类。本研究重心在于植被景观动态监测，数据处理后期将裸地、沙地、水域和居民区等非植被景观类合并成一类，命名为其他地类，最终建立了针叶林、混交林、阔叶林、疏林地及灌木林、草地、其他这六类组成的景观分类体系，研究六种景观类二十'年间遥感监测动态变化。
(2)长白山植被景观格局变化。从遥感影像分类景观格局分析总体来看，研究区域大部分呈现林地分布集中、大规模连续性分布特征，林地是研究区域景观整体的基质。