泰山现状景观格局分析

山东大学理学学士论文

摘要

利用遥感技术、全球定位系统和地理信息系统技术(合称3S技术)对泰山地区2010年植被分布格局进行了分析和研究，从而掌握该地区植被覆盖变化的动态，为研究该地区景观格局动态变化提供依据。本文以遥感数字影像和地面GPS采集数据为主要数据源，在遥感和地理信息系统技术的支持下，通过ArcGIS和ERDAS

软件，建立2010年泰山地区植被分布图，对区域内植被分布进行分析。通过物种

分布图，结合泰山地区的自然、人文特点，分析出了泰山物种分布格局的几点成因。

Abstract

By using RS GPS and GIS technology (the 3S technology)to study the species distribution patterns of the Taishan Mountain the year of 2010,in order to grasp the dynamic changes of vegetation coverage of study area,and provide the basis for the study of the dynamic landscape pattern change of study area．In this paper, we used RS digital images and ground GPS data collection as the main data source,wity the help of RS and GIS technology,made the map of species distribution of Taishan Mountain by using ArcGIS and ERDAS,analysis the distribution of vegetation in the study area.According to Species distribution map, combined with natural and cultural features of the Taishan region, Precipitation of some causes of the the Taishan species distribution patterns.

关键词

泰山，遥感，物种分布，ArcGIS，ERDAS

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1 引言

1.1 遥感技术

1.1.1 遥感技术简介

遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线结目标进行探测和识别的技术。例如航空摄影就是一种遥感技术。人造地球卫星发射成功,大大推动了遥 感技术的发展。现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。完成上述功能的全套系统称为遥感系统,其核心组成部分是获取信息的遥感器。遥感器的种类很多,主要有照相机、电视摄像机、多光谱扫描仪、成象光谱仪、微波辐射计、合成孔径雷达等。传输设备用于将遥感信息从远距离平台(如卫星)传回地面站。信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。

1.1.2 遥感技术与景观生态学研究

作为生态学的一个分支学科，景观生态学的研究内容主要是景观的结构、功能以及动态,其研究对象一般为几平方公里至几百平方公里的异质性区域，研究的对象的尺度较大，属于跨度范围较大的宏观生态学研究。由于涉及到复杂的自然和人为过程的影响,景观组分的数量较多,时空格局和动态变化过程复杂,因此在具体研究过程中,往往需要采集非常庞大的实验数据，并将这些大量的数据进行准确的处理。所以，如果仅依靠传统的调查、分析方法进数据的采集和处理,会受到人力、物力、财力等多方面的限制，很难满足研究的需要。这在很大程度上限制了景观生态学的研究广度以及深度。

遥感技术有强大的数据采集能力，可以在极大的尺度范围内获得大量的实时数据，这为景观生态学在更大尺度上的研究提供了可能。自从应该用于景观生态学研究以来，遥感技术迅速成为景观生态学研究的重要技术支撑手段, 极大地促

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进了景观定量研究的发展和景观结构、格局及动态分析的不断深入, 为各种景观模型的建立与发展提供了坚实的资料基础

1.2 ERDAS

ERDAS IMAGINE 是美国ERDAS 公司开发的遥感图像处理系统。它图像处理技术先进，用户界面和操作方式友好、灵活，产品模块应用领域十分广阔，能够服务于不同层次用户的模型开发工具。更因为拥有高度的RS/GIS（遥感图像处理和地理信息系统）集成功能，使其成为遥感及相关应用领域应用十分广泛、功能强大的图像处理工具。

它是一个集中于栅格处理的软件，研究人员可以通过它从卫星或航空影像中提取信息。由于ERDAS易于使用和学习，所以使其在广大的范围内被研究人员就受并利用。大量的工具允许用户分析几乎任意来源的数据，然后用打印地图或3D模型的格式展现这些数据，或者与GIS等进行互通，这些都使得ERDAS IMAGINE为地理成像和影像处理需求提供全面的工具箱。通过ERDAS，可以轻松实现数据观察、数据输入与输出、图像和矢量图像处理、地物分类、制图与输出等功能。

1.3 ArcGIS

ESRI 公司的ArcGIS系列软件是一个全面的、完善的、可伸缩的 GIS 软件平台，无论是单用 户，还是多用户，无论是在桌面端、服务器端、互联网还是野外操作，都可以通过ArcGIS 构建地理信息系统。其主要服务于以下功能：

（1）数据采集与输入。数据采集与输入，将系统外部原始数据传输到ArcGIS系统内部，并将这些数据从外部格式转换到系统便于处理的内部格式。

（2）数据编辑与更新。数据编辑主要包括图形编辑和属性编辑。属性编辑主要与数据库管理结合在一起完成；图形编辑主要包括拓扑关系建立、图形编辑、图形整饰、图幅拼接、投影变换以及误差校正等。

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（3）数据存储与管理。数据存储与管理是建立ArcGIS数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。常用的空间数据组织方法有栅格模型、矢量模型或栅格/矢量混合模型。

（4）空间数据分析与处理。空间查询ArcGIS的最基本的分析功能，而空间分析是ArcGIS核心功能。

（5）数据与图形的交互显示。ArcGIS不仅可以输出全要素地图，也可根据用户需要，输出各种专题图、统计图等。

1.4 研究区域概况

本次的研究区域为泰山。以下为泰山地区的基本概况

1.4.1 地理特征

泰山石我国著名的风景名胜区和国家级示范森林公园，山东省中部，主要坐落在泰安市境内，是鲁中山地多条水系的发源地和分水岭。其地理坐标在36°05′~36° 30′N, 116°50′~117° 24′E的范围内，地处北温带。泰山地势较为险峻，有山峰150多座，其主峰海拔高度1545米，区域最大高差达1300米以上，梯度变化非常明显。泰山地区地貌富于变化，种类繁多，以侵蚀地貌为主（包括侵蚀中山、侵蚀低山、侵蚀丘陵等）。

1.4.2 气候特征

由于泰山地处北暖温带气候区，加上山势地形的影响，倒置泰山地区气候垂直梯度和水平分布均有较大差异。

泰山顶部并没有四季划分，可以分为冬半年和夏半年。泰山山顶年均气温为5.3℃，比山麓地区低了7.5℃；气温垂直递减率约为每100米下降0.58℃。山顶的最高气温为28.6℃，最低气温为-27.5℃，而山麓市区的最高气温为40.7℃，最低气温为－22.4℃。

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由于受到山地的阻挡，气流的抬升，使得泰山多云雾雨雪，平均年降水量为1124.6mm。由于受季风年际变化的影响，降水量年际变化大，最高年降水量达1847.9mm，最低年降水量仅为553.9mm。受泰山山脉影响，山麓市区年降水量为706.8mm，仅占泰山山顶的2/3左右。全年降水量主要集中在6～8月份，其中7月最多，约占30%；冬季降水稀少，其中1月份最少，仅占1.4％。

1.4.2 植被资源

泰山植物种类繁多，具有重要的科学研究价值。泰山森林覆盖率81.5%，植被覆盖率90%，共有高等植物1037种，隶属于133科，550属。植被19种， 森林11类（要包括针叶林、落叶阔叶林、针阔混交林等的），草甸3类，石质地稀疏植被3类

泰山分布的油松天然次生林面积约700亩，是我国暖温带天然针叶林的典型代表，里面有较多的古老油松单株和群落。侧柏林多系天然次生林或人工林。其中林龄300年以上的古树愈万株。还分布着大面积以栎类为主的落叶阔叶林，是暖温带落叶阔叶林地带的典型代表，具有很高的保护价值。

2 研究方法

2.1 实验材料

2010年泰山地区TM图像、ArcGIS软件和ERDAS软件。

2.2 实验方法

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TM图像 图像校正 ERDAS分类 ArcGIS分析 植被分布图

图1 研究流程图

2.2.1 TM图像及预处理

对2010年泰山地区TM图像进行几何校正和坐标校正，使之适于研究分析的要求。

2.2.2 用ERDAS进行分类

本文以泰山地区常见的植被类型进行分类，对斑块进行划分，具体如下： (1)松树：以松树为主导的林区。

(2)混交林：松树和其他阔叶乔木共同形成的林区。 (3)刺槐：以刺槐为主导的林区。 (4)栎树林：以栎树为主导的林区。 (5)侧柏：以侧柏为主导的林区。 (6)经济林：人工种植的经济型乔木林。 (7)灌木丛：灌木覆盖区域。

(8)裸岩：没有植被覆盖，岩石裸露的区域。 (9)水体：有一定面积的水域。 (10)道路：人为修建的通路。

(11)其他：成分多样，无法具体分辨的区域。

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2.2.3 用ArcGIS分析

使用ArcGIS软件，结合高程坡度等信息，对图像进行分析，最终生成2010年泰山地区植被分布图。

3 结果与分析

图2 泰山地区植被分布图

由图可以看出，泰山各处的植被分布有着明显的区别。在高海拔地区，除部分为裸岩外，其余地区基本被松树和混交林所覆盖。随着海拔的降低，刺槐林和栎树林开始出现，灌木分布很少，穿插于其他种类之间。很有意思的是，侧柏和经济林分布都相对比较集中，并且都分布在在海拔较低的地区。图中的其他地区表明，该处内容难以确定。

泰山地区形成这样的物种植被分布格局，其成因是多方面的。主要可以归类为自然条件的影响和人为影响两大类。

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3.1 自然条件的影响

3.1.1 海拔影响

从资料得知，泰山地图海拔高度每升高100米，温度下降0.58℃，泰山主峰海拔为1545米，高海拔地区与低海拔地区温差很大。在高海拔地区，温度较低，针叶林比阔叶林有更好的适应性，所以松林在高海拔地区分布较广。而温度较高的低海拔地区，生长更为迅速的阔叶树种更加具有优势，所以混交林、刺槐林和栎树林分布明显增多。同时，在低海拔地区，松树的分布仍然比较多，这意味着松树本身具有很强的环境适应性，在温度较高的地区依然有较强的竞争力。

另外，随着海拔的提升，坡度越来越大，根系不够发达的物种很难立足生存，而松树根系发达，适于陡坡的生存环境，这是松树在高海拔地区占主导的另一个原因。

3.1.2 坡向影响

在海拔较高的地区，坡度较陡，山的向阳面与背阳面差异显著。在阴冷的背阳面，几乎都被耐寒、生存能力强的松树所占据。而在向阳面，存在面积较大的针阔混交林。原因可能是在向阳面能受到跟多阳光的照射，加上暖湿气流上升的因素，使得温度叫背阳面高一些，这使得一些阔叶树种得以生长，形成了针阔混交林 。

不难发现一个有意思的现象——侧柏的呈现明显的集中分布。这可能与泰安当地的人工植树造林有关，而侧柏是很好的绿化树种，所以在图上可以看到侧柏集中分布在泰山南坡靠近城市的低海拔区域。

3.2 人为因素的影响

3.2.1 人类生产活动

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从图上可以看出，泰山的东西两侧有明显的公路分布。而公路附近，分布着面积较大的经济林，另有更大的区域内容比较难以确定，故定义为“其他”。推测“其他”部分混杂分布着村庄、建筑等人工设施，使得无法确定其内容，经济林的分布就在这些区域之中，说明这些区域是人类活动频繁的地区。经济林的分布往往伴随着公路，这便于经济作物收获后的运输销售，符合人类活动的规律

经济林的分布也是主要在低海拔区域。这与经济林的适宜生长所需的环境有关，且其分布区域靠近泰山周围的乡村，这也与事实相符合。

3.2.2 人工造林活动

侧柏并非泰山的原生树种，从图上可以发现，侧柏林较为集中的分布在泰山的南侧，靠近泰山南麓的泰安市区。侧柏的这种分布特点，是与近年来的人工绿化造林分不开的。作为适应性强的针叶植物，侧柏是一种很好的绿化植物，其成型快，便于管理，生存和适应能力强，被广泛用在人工植树造林中。正是人工植树造林的活动，使得侧柏形成了这种特殊的分布格局。

3.3 特殊分布

3.3.1 灌木分布

从图上不难看出，灌木的分布是很少的。这是由于所采用的卫星图片为夏季图片，所以乔木生长茂盛，将大部分低矮灌木遮盖住了，使得图中灌木分布较少。而这些显露灌木分布的区域，应该鲜有高达的乔木分布。结合这些灌木分布区的位置，多与受人为影响很大的“其他”部分相邻，所以可以推测，图中的灌木分布区域受到了一定程度的人为影响，使得原有的乔木消失，灌木分布得展现。

3.3.2裸岩分布

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裸岩的分布非常的少，这些少量的分布分为两部分：海拔较高地区和人类活动区域附近。海拔较高的地区存在一些未破碎风化的岩石，没有土壤层，或土壤层被风吹走，植物较难生存，形成了裸岩；而靠近人类活动地区的裸岩，应该是受到人类活动影响，导致地表植被和土壤遭到破坏而形成的。

3.3.3 水体分布

泰山地区水体分布面积并不大，多数位于受人类活动影响较大的区域，很有可能是人类活动的重要水源。除了山麓靠近人类活动范围的水体之外，也有一些水体分布在山峰之间，而这些地方的周围的植被分布往往比较丰富。原因可能是水分充足使得各种植物都能良好生长。

4 总结

建国前，由于历史原因，泰山仅有不足3000亩林木，大都位于寺庙周围、登山盘道两侧，水土流失严重，生态环境十分恶劣。五六十年代，政府在泰山发起了植树运动，在短短的十多年时间里，利用丰富的植物资源，营造出大面积的人工林，使得泰山的生态状况得以改善。泰山的现有林地面积达9490公顷，覆盖率达81.5%，植被覆盖率90%以上。经过几十年的自然发育，泰山的森林基本处于近天然林的状态。

正式由于这种形成的特殊性，泰山的植被分布格局同时受到自然因素和人为因素的制约。在泰山的不同区域，自然因素和环境因素对植被分布的影响程度是不同的。泰山山麓地区靠近人类活动的范围，这些地方受到人为因素的影响比较大，主要分布着大面积的经济林、人工侧柏林、公路以及其他被人类设施占据的区域。在山麓地区，或多或少，人类活动不可避免的会对泰山的植被产生一定的破坏，但又有种植侧柏林这样的保护行为，两者都对泰山的植被分布产生了重大影响。而在山区中部，受到人为因素的影响较小，自然因素是影响植被分布的主导因素。海拔、坡度、坡向等都在不同程度上影响了植被的分布。这些地区的森

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林发育跟接近自然状况。

泰山地区的水域面积不大，部分可能是人类活动的水源，另一部分周围一般有着比较丰富的植被类型，而这是否是受到水体的影响，这个影响到底有多大等问题有待于进一步的研究。

本实验的结果可以用于泰山景观格局分布动态研究，并且作为泰山地区今后环境建设和生态建设的依据。

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致谢

感谢我的导师张治国教授，本实验离不开您的督促，也离不开您的帮助和细心指导。感谢实验室的师兄们，是你们教会了我基本实验技术，启发了我的思路。感谢我的室友们，四年了，都是一家人，就不多说什么了。感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 在此要特别感谢在我受伤后给过我帮助的所有人，有的我认识，有的我不认识，谢谢你们帮我走出了伤病的阴影，没有你们的帮助，我可能早已放弃。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

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参考文献

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崔爽，基于RS和GIS的深圳市景观格局时空变化研究，地理空间信息2011年6月，第9卷第3期

余世孝 郭泺，山东泰山地区景观结构变化及其分形分析，生态学报2005 年1月，第25卷第1期

粟屋善雄 潘辉 肖胜 真边昭，应用TM卫星像片进行树种分布解析的研究—以日本北海道苫小牧地区森林为例，福建林业科技 21(2)：5—9 1994

初建朋 姚云军,基于ArcGIS的山东省植被空间格局,山东理工大学学报(自然科学版),2010年11月 第24卷第6期

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o74h.html