基于Landsat TM／ETM＋影像的森林資源時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析

謝 敏，李黨輝，王照利

森林是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，森林生態(tài)系統(tǒng)在抑制地球環(huán)境惡化、保護(hù)生物多樣性及應(yīng)對氣候變化等方面扮演著重要角色。開展森林資源調(diào)查，可以掌握森林資源現(xiàn)狀和變化情況，預(yù)測森林資源的發(fā)展趨勢，為森林經(jīng)營方案的制定提供依據(jù)和技術(shù)支持。遙感作為新興的高新技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于森林資源調(diào)查。應(yīng)用遙感技術(shù)可以及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地提取地物信息，為森林資源動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測提供技術(shù)支持［1］。國內(nèi)外已經(jīng)有大量的利用遙感技術(shù)進(jìn)行森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測的研究［2－4］，但針對陜北地區(qū)天然林動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測的實(shí)例還未見報(bào)道。

本文以陜北地區(qū)大嶺林場為例，利用Landsat TM／ETM＋影像數(shù)據(jù)提取了林地利用信息，對大嶺林場森林資源進(jìn)行時(shí)空變化分析，并采用馬爾科夫預(yù)測法對2013年大嶺林場森林資源結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測分析。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

大嶺林場位于陜北黃土高原，是陜西省延安市黃龍山林業(yè)局下轄十大林場之一。地理坐標(biāo)為東經(jīng)109°56′～110°12′，北緯35°40′～35°48′，面積239km2。地貌類型以土質(zhì)中低山為主，相對高差在200～400m之間，土壤以褐土為主，在陰坡和半陰坡森林高覆蓋率地區(qū)有淋溶土分布。氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶櫄夂颉?yōu)勢樹種主要有華山松、油松、落葉松、柏類、樺類、楊類、漆樹、白刺花、黃薔薇及經(jīng)濟(jì)作物核桃和花椒。研究區(qū)的地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括：（1）研究區(qū)1999年9月24日的ETM＋影像和2006年8月18日的TM影像；（2）1998年森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)和林相圖及2006年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)。

2 研究方法與技術(shù)路線

本研究首先對兩期影像進(jìn)行幾何校正、大氣校正、增強(qiáng)和影像增強(qiáng)等預(yù)處理工作，其次建立兩期影像的解譯標(biāo)志并利用馬氏距離分類器對兩期影像進(jìn)行分類、分類后處理和精度評價(jià)。最后將“變化面積”、“變化幅度”和“動(dòng)態(tài)度”引入本文進(jìn)行林地動(dòng)態(tài)變化分析，并使用馬爾科夫預(yù)測法進(jìn)行森林資源結(jié)構(gòu)預(yù)測。本研究的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

2.1 變化面積

變化面積是指每種林地利用類型面積上的變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：ub，ua分別表示后一時(shí)期和前一時(shí)期的林地利用面積，S為變化面積。

2.2 變化幅度

變化幅度是指林地利用類型面積相對于初始狀態(tài)的變化［5］，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，ub，ua分別表示后一時(shí)期和前一時(shí)期的林地利用面積，F(xiàn)為變化面積。

2.3 土地利用動(dòng)態(tài)度

土地利用變化的速率通常用土地利用動(dòng)態(tài)度來描述，土地利用動(dòng)態(tài)度在分析研究區(qū)土地利用變化差異和預(yù)測土地利用發(fā)展趨勢中起到重要作用［6］。本研究將單一土地利用動(dòng)態(tài)度用于林地變化的定量描述。

計(jì)算土地利用動(dòng)態(tài)度公式如下：

式中，ub，ua分別表示后一時(shí)期和前一時(shí)期的林地利用面積，T為兩個(gè)時(shí)期之間的時(shí)間差，K為土地利用動(dòng)態(tài)度。

2.4 馬爾科夫（Markov）預(yù)測模型

馬爾科夫預(yù)測模型是一種預(yù)測事件發(fā)生概率的方法。這種預(yù)測模型基于馬爾科夫鏈，是根據(jù)事件的當(dāng)前狀況來預(yù)測其將來各個(gè)時(shí)刻的動(dòng)態(tài)變化情況的一種預(yù)測方法。馬爾科夫預(yù)測模型是對地理事件進(jìn)行預(yù)測的一種基本方法，其預(yù)測的可靠性在眾多方面得到了驗(yàn)證［7－9］。

從初始狀態(tài)開始，經(jīng)過k次狀態(tài)轉(zhuǎn)移后到達(dá)狀態(tài)，可看做是經(jīng)過（k－1）次狀態(tài)轉(zhuǎn)移后達(dá)到狀態(tài)，然后再經(jīng)過一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移到達(dá)狀態(tài)。根據(jù)馬爾科夫過程的無后效性和Bayes條件概率公式得：

其中πj（k）表示k時(shí)刻的狀態(tài)向量矩陣。若記行向量πj（k）＝ ［π1（k），π2（k），…，πn（k）］，則可逐次計(jì)算到狀態(tài)概率的遞推公式

其中π（0）＝ ［π1（0），π2（0），…，πn（0）］為初始概率向量，由此式可以預(yù)測第k個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 遙感影像解譯結(jié)果

本研究依據(jù)國家林業(yè)局《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》，并結(jié)合遙感影像可識別的類型，最終確定將研究區(qū)分為闊葉林、針葉林、混交林、灌木林地、疏林地和耕地六種地類。在ENVI 5.0 和 ArcGIS 10的支持下，對研究區(qū)兩期影像分別建立訓(xùn)練樣區(qū)，并采用馬氏距離分類器進(jìn)行分類、分類后處理和精度評價(jià)，分類精度均達(dá)到85%以上，分類結(jié)果如圖3、4所示。

3.2 林地變化分析

各地類的變化面積、變化幅度和動(dòng)態(tài)度等指標(biāo)是衡量森林資源時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的重要指標(biāo)，為全面了解研究區(qū)森林資源動(dòng)態(tài)變化情況，對兩個(gè)時(shí)期的遙感影像分類結(jié)果和變化信息進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1）。

由表1可知，1999年闊葉林地、針葉林地、混交林地、灌木林地、疏林地和耕地分別占研究區(qū)的38.93%、7.30%、12.01%、6.25%、33.42%和2.09%；到2006年其比例分別為51.07%、8.17%、13.09%、10.07%、16.28和1.31%。可以看出，闊葉林地、針葉林地、混交林地和灌木林地面積比例均有所增加，其中闊葉林地變化幅度最大，其次是灌木林地和混交林地；耕地和疏林地呈減少趨勢。這些變化情況說明天然林保護(hù)工作取得了巨大成果。

圖3 1999年遙感影像分類圖

圖4 2006年遙感影像分類圖

表1 各地類變化分析

3.3 林地發(fā)展變化預(yù)測

統(tǒng)計(jì)分析森林資源不同地理之間的相互變化情況也是森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測的重要內(nèi)容，根據(jù)不同林地類型之間的相互轉(zhuǎn)化情況，可以預(yù)測森林資源動(dòng)態(tài)變化趨勢，同時(shí)也可以為制定森林經(jīng)營決策方案提供依據(jù)。

本研究利用ENVI 5.0軟件計(jì)算處理出林地變化轉(zhuǎn)移概率矩陣（表2）。對7a內(nèi)的林地變化進(jìn)行分析，可以看出闊葉林7a內(nèi)，有72.53%面積未發(fā)生變化，由 6.15%、5.99%、4.01%、1.12%和0.12%變?yōu)楣嗄玖值?、混交林地、針葉林地、疏林地和耕地；闊葉林增加的部分主要來自疏林地和混交林地；針葉林地增加部分主要來自混交林地；耕地主要向灌木林地和疏林地轉(zhuǎn)化，變化區(qū)域發(fā)生在溝道、河流和道路等人為影響較大區(qū)域。在1999～2006年間，耕地和疏林地分布面積減少，有林地面積持續(xù)增加，說明研究區(qū)人工造林和天然林更新作用顯著。

表2 1999～2006年大嶺林區(qū)土地利用變化轉(zhuǎn)移概率矩陣

根據(jù)依據(jù)馬爾可夫過程性質(zhì)和條件概率的定義，運(yùn)用馬爾可夫預(yù)測法，利用初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，在保持某個(gè)時(shí)段中干擾條件不變的前提下，求出各類型的轉(zhuǎn)移概率矩陣，由此預(yù)測2013年林地利用格局的變化。經(jīng)計(jì)算得到2013年林地面積結(jié)構(gòu)。

表3 2006年和2013年林地面積統(tǒng)計(jì) km2

經(jīng)預(yù)測，2013年，闊葉林地、針葉林地、混交林地、灌木林地、疏林地和耕地面積分別約為124.80、19.55、29.45、27.15、35.52 和2.29km2。2006年至2013年變化面積最大的疏林地，其次是灌木林地、闊葉林地、混交林地、耕地和針葉林地。

4 結(jié)論與討論

（1）利用不同時(shí)相的遙感影像進(jìn)行森林資源的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化分析，能及時(shí)直觀地反映森林資源消長變化和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換情況。

（2）通過計(jì)算林地變化狀態(tài)概率轉(zhuǎn)移矩陣，得出在1999～2006年間，耕地和疏林地分布面積減少，有林地面積持續(xù)增加，說明自從實(shí)施天然林保護(hù)工程以后，天然林保護(hù)工程有利于森林資源的更新和林場的可持續(xù)發(fā)展。

（3）通過馬爾科夫預(yù)測得出，2013年闊葉林地、針葉林地、混交林地、灌木林地、疏林地和耕地面積分別為124.80、19.55、29.45、27.15、35.52和2.29km2。2006～2013年變化面積最大的是疏林地，其次是灌木林地、闊葉林地、混交林地、耕地和針葉林地。

（4）黃土高原天然林樹種單一，且分布特征明顯，是遙感技術(shù)進(jìn)行天然林資源時(shí)空變化監(jiān)測研究的理想場所。隨遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)會越來越多的應(yīng)用于天然林資源的變化監(jiān)測中，并向高分辨率和高光譜遙感方向發(fā)展，以期取得更好的監(jiān)測精度。

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