2002年 6月第38卷 第3期北京师范大学学报(自然科学版)
JournalofBeijingNormalUniversity(NaturalScience)Jun.2002Vol.38 No.3
中国东北山地集水区和溪流结构模拟分析3
张 军 昝国盛 葛剑平
(北京师范大学生命科学学院,100875,北京∥第一作者28岁,男,博士生)
摘要 利用GTOPO30DEM数据模拟了东北东部山地的集水区和溪流结构,并结合坡度和海拔研究了溪流等级在地域上分布的特征.根据溪流建立50mBUFFER区,然后研究了不同等级溪流的BUFFER区内NDVI的分布特征.最后得出,溪流等级与海拔、坡度和NDVI都呈负相关,相关系数分别为:-0.2,-0.09和-0.18.溪流由低等级向高等级变化时,其空间分布范围逐渐集中于海拔较低、坡度较小的平缓地.低等级溪流周围的植被生长好于高等级溪流周围的植被,并相对稳定.
关键词 地理信息系统;数字化高程模型;溪流结构;流域生态系统分类号 P944.3
集水区指的是地表和地下的水都汇集于某个惟一水体如溪流、湖泊、沼泽和河口等的一
块区域.集水区已成为研究流域生态系统的理想的空间单元,也是生态系统调查、评价管理的
[223]理想空间单元[1].而溪流是生态系统的“血脉”,溪流的空间分布与物种分布和人类活动有密切的关系,溪流的水质和水量可以作为流域生态系统健康的指示器.集水区和溪流的空间分布的模拟和研究对我们选择研究区域、流域生态系统管理和监测、植被的保护和恢复、自然保护区的划分等具有重要的意义.
遥感和地理信息系统的发展为集水区和溪流的研究提供了非常便利的工具.遥感为监测
和模拟集水区和溪流及其周围生态系统提供了大范围和长期的基础数据;而地理信息系统为管理和分析这些数据提供了非常有利的工具.二者的结合使对集水区和溪流的生态环境进行不同尺度上的长期监测和管理变得非常方便、可行.
目前,国内外已开展了大量的基于集水区和溪流的研究.如美国地质勘探局哥伦比亚环境研究中心开展的密苏里河流域的生态环境监测和评价工程,我国的长江流域和黄河流域生态环境治理工程等[4],这些研究表明基于集水区的研究和管理是一种非常好的方法.
1 研究区域自然概况
本研究的范围为东经120°～135°、北纬40°～55°的区域,包括我国东北3省和内蒙古东部.本研究区内四季分明,夏季温度较高,冬季温度较低,气温的年差较大.从北到南,可分为寒温带、温带和暖温带.全区年降水量为400mm左右,降水多集中于夏季.大兴安岭东部地区年降水量较大,一般为500mm左右,其西侧的内蒙古高原东部地区的降水量一般为350～400mm[5].从东到西,可分为湿润区、半湿润区和半干旱区.该地区植被十分丰富、复杂.从北到南有寒温带针叶林、温带针阔混交林和暖温带落叶阔叶林;从东到西有森林、草甸草原(森林草原)和典型草原.全区主要包括长白山植物区系、小兴安岭植物区系和大兴安岭植物区系,各区
3教育部骨干教师基金资助项目;教育部霍英东教育基金会青年教师基金资助项目;教育部博士点基金资助项目
收稿日期:2001212217
第3期张 军等:中国东北山地集水区和溪流结构模拟分析391
都有自己独特的特点.
在该区域内的山地与平原面积大体相等,山地岭脊海拔高度一般在1000～2000m之间,但少巍峨峻拔的高山.西侧有大兴安岭山地及辽西山地,东侧有长白山山地,北部有西北走向、近期隆起的小兴安岭,三列三地围成半圆形状的马蹄形,是我国最大的平原之一.平原主要有松辽平原、松嫩平原和三江平原;水系主要有黑龙江、松花江、乌苏里江、嫩江及其支流[6].
2 数据来源和处理
2.1 GTOPO30数据及处理 GTOPO30是美国地质调查局(USGS)的地球资源观测卫星(EarthResourcesObservingSatellite,简称EROS)数据中心合成的全球数字化高程模型(DigitizerElevationModel,简称DEM),其精度约为1km,高程值为-407～8752m,投影方式为GEOGRAPHIC投
影.
首先利用ARCVIEW软件直接导入该数据,或利用ARC/INFO软件将该数据转换成GRID栅格数据.然后利用下面的公式进行修正:
y=con(x>32768,x-65536,x)
其中,x表示输入的栅格数据;y表示输出的栅格数据;con是条件函数.从修正后的栅格数据中,截取东经120°～135°、北纬40°～55°作为研究区域(见图1,为该区域的三维地形图像).2.2 NDVI数据及处理 本论文主要利用美国NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)提供的由NOAA/AVHRR数据合成的植被归一化指数(NormalDifferentVegetationIndex,简称NDVI)的旬数据[7].该数据的分辨率为1km,时间为1995202—1996201,投影方式为INTERRUPTEDGOODEHOMOLOSINE投影.
图1 中国东北地区三维地形图
在ARC/INFO软件上,将该数据转换成栅格图
像和GEOGRAPHIC投影.然后从每月的旬数据中提取各栅格的最大值作为该月的NDVI值,年内各月的NDVI数据中取最大值作为该年的NDVI值,从而消除来自云雾的部分干扰,计算方法为:
nij=max[nijk],ni=max[nij],其中:n表示植被归一化指数;i表示年;j=1,2,3,…,12,表示月;k=1,2,3,表示每月的3个旬.最后形成1995年东北地区地表空间属性NDVI栅格图.2.3 野外调查数据 本论文的野外调查从1999208212开始,至1999209205结束,历时25d,行程约5000km.此次调查利用GPS定位、摄像和书面记录的形式,采用每隔几百米设1个样点,每隔40km打1个样地的方法,形成了一个环状调查带,然后又针对某些典型区域进行了2次调查,形成了2条典型调查带.
环状带:哈尔滨市—吉林市—长白山—图们—牡丹江—林口—密山—饶河—同江—逊克—五大连池—哈尔滨.
典型带:哈尔滨市—凉水;哈尔滨市—帽儿山.
392 北京师范大学学报(自然科学版)第38卷
野外调查路线见图2.
3 结论分析
3.1 集水区和溪流结构模拟 坡度决
定了水的流速,坡向决定了水的流向,而坡度和坡向又是由地形决定的.因此,用地形来模拟水的流向和流速是可行的.
首先,在ARC/INFO软件中,将GTOPO30数据引入GRID的水文模型,根据该数据模拟水的流向.然后根据水的流向数据,利用该模块的水文分析功能将该区域划分为199个集水区和六级溪流(图3).溪流等级根据STRAHLER方法划分[8].3.2 东北山地溪流结构分析3.2.1 溪流分布与海拔、坡度
图2 野外调查路线图
的关系 利用ARC/INFO的统计功能得出研究区内各等级的溪流空间分布参数见表1.
从表1中可以看出,一级溪流的数量N和长度l占总量的一半以上,密度也是最大的,而随着溪流等级增加,溪流的N,l和密度都有减小的趋势.说明在该区域内,低等级溪流的保护和
利用对整个区域生态系统的健康和稳定都具有非常重要的意义.根据STRAHLER溪流分级方
图3 中国东北山地集水区与溪流分布图
法可知,低等级溪流是高等级溪
流的源头,而高等级溪流是低等级溪流的汇,低等级溪流的水文和生态系统的状况同样也决定着高等级溪流的水文和生态系统的状况,所以,某些大江大河的旱涝等灾害,与其上游低等级溪流周围的生态系统遭到破坏有直接的关系. 从表2可以看出,溪流等级越低,分布的坡度范围越大,相反,等级越高,分布的坡度范围越小,越趋向于在平缓区域分布.例如,一级溪流分布的坡度的变动范围为16.084°,而六级溪流分布的坡度的变动范围仅为2.997°,所以,坡度越陡,低等级的溪流所占的比例越大,其对植被的生长、保持土壤和防止水土流失的作用越大.
第3期张 军等:中国东北山地集水区和溪流结构模拟分析
表1 不同等级的溪流参数统计表
表2 各级溪流分布的坡度θ范围
溪流等级一级二级三级四级五级六级
θmin
0.0000.0000.0000.0000.0000.000
393 (°)
s2
溪流等级Nl/km密度/(km・km-2)
0.022520.011180.006400.002650.000550.000590.04389
θmax
16.08411.27210.7269.6812.2132.997
θ
1.0180.9100.8260.6040.3000.306
一级1426
二级454三级197四级70五级7六级4总计2158
22972.8011399.686526.082698.24560.64600.3244757.76
1.3291.2191.2330.9940.3350.368
从表3中可看出,溪流等级越低,分布的海拔范围越广,海拔越高;而溪流等级越高,分布的海拔范围相对越小,并趋向于在低海拔区域分布.因此,在高海拔区域,人类对生态系统的干扰对低等级溪流影响最大;而在低海拔区域,人类的活动对高等级溪流影响最大.
根据溪流等级与坡度、坡向的关系,利用ARC/INFO的GRID功能,分析溪流等级与坡度、海拔的相关系数分别为-0.09和-0.2.从相关性分析结果可以看出,溪流
表3 各级溪流分布的海拔h范围
溪流等级一级二级三级四级五级六级
hmin
hmax
m
s2
2002年 6月第38卷 第3期北京师范大学学报(自然科学版)
JournalofBeijingNormalUniversity(NaturalScience)Jun.2002Vol.38 No.3
中国东北山地集水区和溪流结构模拟分析3
张 军 昝国盛 葛剑平
(北京师范大学生命科学学院,100875,北京∥第一作者28岁,男,博士生)
摘要 利用GTOPO30DEM数据模拟了东北东部山地的集水区和溪流结构,并结合坡度和海拔研究了溪流等级在地域上分布的特征.根据溪流建立50mBUFFER区,然后研究了不同等级溪流的BUFFER区内NDVI的分布特征.最后得出,溪流等级与海拔、坡度和NDVI都呈负相关,相关系数分别为:-0.2,-0.09和-0.18.溪流由低等级向高等级变化时,其空间分布范围逐渐集中于海拔较低、坡度较小的平缓地.低等级溪流周围的植被生长好于高等级溪流周围的植被,并相对稳定.
关键词 地理信息系统;数字化高程模型;溪流结构;流域生态系统分类号 P944.3
集水区指的是地表和地下的水都汇集于某个惟一水体如溪流、湖泊、沼泽和河口等的一
块区域.集水区已成为研究流域生态系统的理想的空间单元,也是生态系统调查、评价管理的
[223]理想空间单元[1].而溪流是生态系统的“血脉”,溪流的空间分布与物种分布和人类活动有密切的关系,溪流的水质和水量可以作为流域生态系统健康的指示器.集水区和溪流的空间分布的模拟和研究对我们选择研究区域、流域生态系统管理和监测、植被的保护和恢复、自然保护区的划分等具有重要的意义.
遥感和地理信息系统的发展为集水区和溪流的研究提供了非常便利的工具.遥感为监测
和模拟集水区和溪流及其周围生态系统提供了大范围和长期的基础数据;而地理信息系统为管理和分析这些数据提供了非常有利的工具.二者的结合使对集水区和溪流的生态环境进行不同尺度上的长期监测和管理变得非常方便、可行.
目前,国内外已开展了大量的基于集水区和溪流的研究.如美国地质勘探局哥伦比亚环境研究中心开展的密苏里河流域的生态环境监测和评价工程,我国的长江流域和黄河流域生态环境治理工程等[4],这些研究表明基于集水区的研究和管理是一种非常好的方法.
1 研究区域自然概况
本研究的范围为东经120°～135°、北纬40°～55°的区域,包括我国东北3省和内蒙古东部.本研究区内四季分明,夏季温度较高,冬季温度较低,气温的年差较大.从北到南,可分为寒温带、温带和暖温带.全区年降水量为400mm左右,降水多集中于夏季.大兴安岭东部地区年降水量较大,一般为500mm左右,其西侧的内蒙古高原东部地区的降水量一般为350～400mm[5].从东到西,可分为湿润区、半湿润区和半干旱区.该地区植被十分丰富、复杂.从北到南有寒温带针叶林、温带针阔混交林和暖温带落叶阔叶林;从东到西有森林、草甸草原(森林草原)和典型草原.全区主要包括长白山植物区系、小兴安岭植物区系和大兴安岭植物区系,各区
3教育部骨干教师基金资助项目;教育部霍英东教育基金会青年教师基金资助项目;教育部博士点基金资助项目
收稿日期:2001212217
第3期张 军等:中国东北山地集水区和溪流结构模拟分析391
都有自己独特的特点.
在该区域内的山地与平原面积大体相等,山地岭脊海拔高度一般在1000～2000m之间,但少巍峨峻拔的高山.西侧有大兴安岭山地及辽西山地,东侧有长白山山地,北部有西北走向、近期隆起的小兴安岭,三列三地围成半圆形状的马蹄形,是我国最大的平原之一.平原主要有松辽平原、松嫩平原和三江平原;水系主要有黑龙江、松花江、乌苏里江、嫩江及其支流[6].
2 数据来源和处理
2.1 GTOPO30数据及处理 GTOPO30是美国地质调查局(USGS)的地球资源观测卫星(EarthResourcesObservingSatellite,简称EROS)数据中心合成的全球数字化高程模型(DigitizerElevationModel,简称DEM),其精度约为1km,高程值为-407～8752m,投影方式为GEOGRAPHIC投
影.
首先利用ARCVIEW软件直接导入该数据,或利用ARC/INFO软件将该数据转换成GRID栅格数据.然后利用下面的公式进行修正:
y=con(x>32768,x-65536,x)
其中,x表示输入的栅格数据;y表示输出的栅格数据;con是条件函数.从修正后的栅格数据中,截取东经120°～135°、北纬40°～55°作为研究区域(见图1,为该区域的三维地形图像).2.2 NDVI数据及处理 本论文主要利用美国NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)提供的由NOAA/AVHRR数据合成的植被归一化指数(NormalDifferentVegetationIndex,简称NDVI)的旬数据[7].该数据的分辨率为1km,时间为1995202—1996201,投影方式为INTERRUPTEDGOODEHOMOLOSINE投影.
图1 中国东北地区三维地形图
在ARC/INFO软件上,将该数据转换成栅格图
像和GEOGRAPHIC投影.然后从每月的旬数据中提取各栅格的最大值作为该月的NDVI值,年内各月的NDVI数据中取最大值作为该年的NDVI值,从而消除来自云雾的部分干扰,计算方法为:
nij=max[nijk],ni=max[nij],其中:n表示植被归一化指数;i表示年;j=1,2,3,…,12,表示月;k=1,2,3,表示每月的3个旬.最后形成1995年东北地区地表空间属性NDVI栅格图.2.3 野外调查数据 本论文的野外调查从1999208212开始,至1999209205结束,历时25d,行程约5000km.此次调查利用GPS定位、摄像和书面记录的形式,采用每隔几百米设1个样点,每隔40km打1个样地的方法,形成了一个环状调查带,然后又针对某些典型区域进行了2次调查,形成了2条典型调查带.
环状带:哈尔滨市—吉林市—长白山—图们—牡丹江—林口—密山—饶河—同江—逊克—五大连池—哈尔滨.
典型带:哈尔滨市—凉水;哈尔滨市—帽儿山.
392 北京师范大学学报(自然科学版)第38卷
野外调查路线见图2.
3 结论分析
3.1 集水区和溪流结构模拟 坡度决
定了水的流速,坡向决定了水的流向,而坡度和坡向又是由地形决定的.因此,用地形来模拟水的流向和流速是可行的.
首先,在ARC/INFO软件中,将GTOPO30数据引入GRID的水文模型,根据该数据模拟水的流向.然后根据水的流向数据,利用该模块的水文分析功能将该区域划分为199个集水区和六级溪流(图3).溪流等级根据STRAHLER方法划分[8].3.2 东北山地溪流结构分析3.2.1 溪流分布与海拔、坡度
图2 野外调查路线图
的关系 利用ARC/INFO的统计功能得出研究区内各等级的溪流空间分布参数见表1.
从表1中可以看出,一级溪流的数量N和长度l占总量的一半以上,密度也是最大的,而随着溪流等级增加,溪流的N,l和密度都有减小的趋势.说明在该区域内,低等级溪流的保护和
利用对整个区域生态系统的健康和稳定都具有非常重要的意义.根据STRAHLER溪流分级方
图3 中国东北山地集水区与溪流分布图
法可知,低等级溪流是高等级溪
流的源头,而高等级溪流是低等级溪流的汇,低等级溪流的水文和生态系统的状况同样也决定着高等级溪流的水文和生态系统的状况,所以,某些大江大河的旱涝等灾害,与其上游低等级溪流周围的生态系统遭到破坏有直接的关系. 从表2可以看出,溪流等级越低,分布的坡度范围越大,相反,等级越高,分布的坡度范围越小,越趋向于在平缓区域分布.例如,一级溪流分布的坡度的变动范围为16.084°,而六级溪流分布的坡度的变动范围仅为2.997°,所以,坡度越陡,低等级的溪流所占的比例越大,其对植被的生长、保持土壤和防止水土流失的作用越大.
第3期张 军等:中国东北山地集水区和溪流结构模拟分析
表1 不同等级的溪流参数统计表
表2 各级溪流分布的坡度θ范围
溪流等级一级二级三级四级五级六级
θmin
0.0000.0000.0000.0000.0000.000
393 (°)
s2
溪流等级Nl/km密度/(km・km-2)
0.022520.011180.006400.002650.000550.000590.04389
θmax
16.08411.27210.7269.6812.2132.997
θ
1.0180.9100.8260.6040.3000.306
一级1426
二级454三级197四级70五级7六级4总计2158
22972.8011399.686526.082698.24560.64600.3244757.76
1.3291.2191.2330.9940.3350.368
从表3中可看出,溪流等级越低,分布的海拔范围越广,海拔越高;而溪流等级越高,分布的海拔范围相对越小,并趋向于在低海拔区域分布.因此,在高海拔区域,人类对生态系统的干扰对低等级溪流影响最大;而在低海拔区域,人类的活动对高等级溪流影响最大.
根据溪流等级与坡度、坡向的关系,利用ARC/INFO的GRID功能,分析溪流等级与坡度、海拔的相关系数分别为-0.09和-0.2.从相关性分析结果可以看出,溪流
表3 各级溪流分布的海拔h范围
溪流等级一级二级三级四级五级六级
hmin
hmax
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