基于HJ-1的長(zhǎng)汀縣森林綠量分析

葉偉，賴日文，池毓鋒，汪琴，陳芳

（福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院, 福建 福州 350002）

基于HJ-1的長(zhǎng)汀縣森林綠量分析

葉偉，賴日文，池毓鋒，汪琴，陳芳

（福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院, 福建 福州 350002）

以福建省長(zhǎng)汀縣為研究對(duì)象，采用3S技術(shù)對(duì)長(zhǎng)汀2012年3月環(huán)境資源衛(wèi)星HJ-1 CCD影像進(jìn)行處理，依據(jù)樹(shù)種光譜灰度閾值的差異將研究區(qū)林木按杉木、松木、竹、闊葉樹(shù)進(jìn)行分類，并實(shí)測(cè)葉面積指數(shù)（LAI），計(jì)算出長(zhǎng)汀縣森林綠量。研究結(jié)果表明，長(zhǎng)汀縣有林地面積所占比例為86.62%，總綠量為768 781.2 hm2，其中三州鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠量分布屬于低水平，鐵長(zhǎng)鄉(xiāng)、庵杰鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠量分布處于較高水平，結(jié)合當(dāng)?shù)厮亮魇КF(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)森林綠量與水土流失程度總體呈負(fù)相關(guān)。研究結(jié)論可為該區(qū)域的森林合理經(jīng)營(yíng)和可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。

森林綠量分析；葉面積指數(shù)；環(huán)境資源衛(wèi)星影像；長(zhǎng)汀縣

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、水土保持、防風(fēng)固沙、改良土壤、減少污染、美化環(huán)境、抵御自然災(zāi)害、保持生物多樣性、維系生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]，具有的水土保持和涵養(yǎng)水源的功能，對(duì)于緩解區(qū)域水土流失和改善生態(tài)環(huán)境具有積極作用[2-3]。森林物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的數(shù)量決定其產(chǎn)生生態(tài)效益總量的大小，而能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的大小又直接取決于植物葉片面積的大小，以葉面積為主要標(biāo)志的綠量，是決定森林生態(tài)效益最具實(shí)質(zhì)性的因素[4]。近年來(lái)，森林綠量作為綠地評(píng)價(jià)因子已得到廣泛關(guān)注和研究。Puhr等[5]應(yīng)用遙感技術(shù)、張良培等[6]利用高光譜對(duì)生物綠量進(jìn)行過(guò)測(cè)算。周堅(jiān)華等[7]利用航片在分樹(shù)種逐株測(cè)算基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬“以平面量模擬立體量”獲得了上海市的總綠量。肖榮波等[8]利用遙感手段探討不同植被類型葉面積指數(shù)與歸一化植被指數(shù)的相關(guān)性，并以此來(lái)估算葉面積綠量。目前利用環(huán)境資源衛(wèi)星HJ-1作為遙感影像基礎(chǔ)的區(qū)域綠量計(jì)算，對(duì)區(qū)域的綠量分布與水土流失現(xiàn)狀進(jìn)行研究的文章鮮有報(bào)道。

本研究以福建省長(zhǎng)汀縣為研究對(duì)象，計(jì)算其葉面積層面上的綠量，對(duì)研究區(qū)HJ-1影像通過(guò)光譜灰度閾值劃分出森林類型分布、綠地分布等信息，并通過(guò)實(shí)地測(cè)得的葉面積指數(shù)（LAI），根據(jù)綠量定義計(jì)算出長(zhǎng)汀森林綠量數(shù)據(jù)，對(duì)長(zhǎng)汀現(xiàn)有林地進(jìn)行分析與討論，結(jié)合長(zhǎng)汀縣水土流失的現(xiàn)狀來(lái)探索其綠量的分布與水土流失之間的關(guān)系，旨在為本區(qū)域的森林經(jīng)營(yíng)管理提供合理的決策支持，并對(duì)本地區(qū)后期的發(fā)展與規(guī)劃提出展望。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)汀是中國(guó)福建省龍巖市下轄的一個(gè)縣，位于福建省西部，緯度 25°18′40″～ 26°02′05″，經(jīng)度116°00′45″～ 116°39′20″，總面積 3 089.9 km2。地勢(shì)由西北向中南傾斜，東北部以中山為主，西北以低山為主，系武夷山脈南段主脈，為閩贛兩省水系分水嶺，年平均氣溫18.26℃，年平均降水量1 742.8 mm，屬中亞熱帶氣候。中部丘陵以次生馬尾松林為主，向四周擴(kuò)展相繼出現(xiàn)馬尾松中成熟林、針闊葉混交林、常綠闊葉林和毛竹林，林木蓄積量1 000多萬(wàn)m3，行政區(qū)劃包括13個(gè)鎮(zhèn)5個(gè)鄉(xiāng)。

2 數(shù)據(jù)收集與處理

2.1 野外數(shù)據(jù)采集

對(duì)杉木類、松木類、竹類、闊葉樹(shù)類林分類型依二類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)面積大小按比例進(jìn)行各林地的隨機(jī)點(diǎn)布設(shè)，利用冠層分析儀LAI-2000來(lái)測(cè)算葉面積指數(shù)（LAI），參考前人研究結(jié)果[11]，并結(jié)合研究現(xiàn)狀及條件，將林地劃分為5大類，包含無(wú)林地、杉木類、松木類、竹類、闊葉樹(shù)類，其中四大類點(diǎn)數(shù)據(jù)含經(jīng)緯度、樹(shù)種種類信息、葉面積指數(shù)等。

圖1 NDVI專家知識(shí)分類結(jié)果Fig.1Classif i cation results by NDVI expert knowledge

2.2 遙感影像數(shù)據(jù)收集與處理

收集并選取2012年3月環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座A、B星（HJ-1A/B星）CCD影像數(shù)據(jù)6景，軌道號(hào)分別為451-84、452-84、452-88、448-84、450-84和449-88,并對(duì)其進(jìn)行圖像預(yù)處理（包括輻射標(biāo)定、大氣校正、幾何校正、直方圖匹配、灰度調(diào)節(jié)、鑲嵌及云去除等），最后利用長(zhǎng)汀縣行政區(qū)劃shp電子圖對(duì)預(yù)處理后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，獲得長(zhǎng)汀縣4波段的HJ-1影像。本研究采用的主要軟件有：ERDAS9.2遙感影像處理軟件、ArcGIS10.0地理信息系統(tǒng)軟件、DPS v7.05統(tǒng)計(jì)軟件等。

2.3 信息提取

為提高杉木類、松木類、竹類、闊葉樹(shù)類林種信息提取的精度，選取歸一化植被指數(shù)NDVI作為指數(shù)研究基礎(chǔ)來(lái)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行有無(wú)林地的劃分。其中NDVI是近紅外波段NIR與可見(jiàn)光紅波段RED 數(shù)值之差與這兩個(gè)波段數(shù)值之和的比值。利用ERDAS9.2計(jì)算得出研究區(qū)域的NDVI圖，然后使用專家知識(shí)分類器通過(guò)灰度閾值的探測(cè)[12]來(lái)區(qū)分有林地與無(wú)林地（見(jiàn)圖1），再依據(jù)4種林分類型的光譜灰度值的分布情況，結(jié)合野外布設(shè)點(diǎn)在圖上的光譜值選取對(duì)應(yīng)樹(shù)種的光譜灰度閾值（如表1所示），再一次使用專家知識(shí)分類器[13]分類獲得各樹(shù)種信息，得到長(zhǎng)汀縣森林類型分布圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 長(zhǎng)汀縣森林類型分布Fig.2Distribution of forest tree species in Changting county

表1 地物采樣點(diǎn)光譜灰度閾值Table 1Spectral gray-level thresholds of sampling points

獲得長(zhǎng)汀縣森林類型分布圖（見(jiàn)圖2）之后，根據(jù)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分類結(jié)果的精度評(píng)價(jià)，得出分類的總體精度為83.01%，Kappa系數(shù)為0.764 7，基本滿足本次研究的要求。

2.4 分析方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)綠量的定義和計(jì)算的方法不盡相同[9]，本文中采用的綠量是單位面積上綠色植物的總量，即葉面積指數(shù)與其所占林地面積的乘積。本研究采用冠層分析儀LAI2000測(cè)量葉面積，快速估算出葉面積指數(shù)的信息[10]，并在對(duì)研究區(qū)域遙感影像預(yù)處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)閾值探測(cè)和分類標(biāo)準(zhǔn)的建立獲取杉木、松木、竹和闊葉樹(shù)各樹(shù)種的實(shí)地覆蓋面積，再根據(jù)綠量公式計(jì)算長(zhǎng)汀縣森林綠量數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 綠量計(jì)算

根據(jù)長(zhǎng)汀縣森林資源現(xiàn)狀，取四大類對(duì)應(yīng)的4個(gè)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的LAI值代表相應(yīng)的大類。其中竹類的代表樹(shù)種為毛竹，松木類為馬尾松，杉木類為杉木，闊葉樹(shù)類為油茶（以上代表種皆為純林）[14]。總共測(cè)量4類樹(shù)種100個(gè)點(diǎn)，各類樹(shù)種分別選取25個(gè)點(diǎn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)獲得研究區(qū)內(nèi)各樹(shù)種的葉面積指數(shù)。

利用ERDAS軟件統(tǒng)計(jì)面積功能在長(zhǎng)汀縣森林類型分布數(shù)據(jù)上獲取各類樹(shù)種的面積，根據(jù)綠量的定義，綠量=Σ（各類樹(shù)種面積×各類樹(shù)種葉面積指數(shù)），從而得到表2的結(jié)果。結(jié)果顯示，竹類和闊葉樹(shù)類綠量較杉木類和松木類高，說(shuō)明在相同情況下，它們具有更強(qiáng)的涵養(yǎng)水源能力。

3.2 長(zhǎng)汀縣域綠量分析

利用長(zhǎng)汀縣森林資源清查數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)汀縣森林類型分布數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜，統(tǒng)計(jì)得到長(zhǎng)汀縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠量（如表3所示）。

表2 長(zhǎng)汀綠量統(tǒng)計(jì)Table 2Statistics data of green biomass in Changting county

從表2內(nèi)可以看出長(zhǎng)汀縣2012年綠量總量為768 781.2 hm2，有林地面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)平面圖面積的86.62%。整體情況上看，長(zhǎng)汀縣北部、中部、東部等鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括汀州鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)、涂坊鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、策武鎮(zhèn)、南山鎮(zhèn)森林覆蓋程度明顯低于其他地區(qū)，其他地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)包括館前鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)、新橋鎮(zhèn)、童坊鎮(zhèn)、四都鎮(zhèn)、鐵長(zhǎng)鄉(xiāng)、庵杰鄉(xiāng)、宣成鄉(xiāng)、紅山鄉(xiāng)、羊牯鄉(xiāng)等地區(qū)有林地覆蓋程度明顯更高，并且從圖2中可以直觀的發(fā)現(xiàn)，松木類植物分布情況最為廣泛。竹類主要分布于縣域北部，闊葉樹(shù)類主要分布于縣域南部，森林覆蓋程度整體水平較高，多數(shù)均在70%以上。說(shuō)明經(jīng)過(guò)多年的綜合整治措施的實(shí)施下，取得了良好的成績(jī)，整體林業(yè)水平達(dá)到較高層次，可以作為全省林業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)研究學(xué)習(xí)對(duì)象。

其中四都鎮(zhèn)綠量數(shù)值最大，為114 712.20hm2；汀州鎮(zhèn)森林綠量最小，為3 968.70hm2。樹(shù)種面積四都鎮(zhèn)最大，為28 186.65 hm2，最小為汀州鎮(zhèn)1 206 hm2，館前鎮(zhèn)與大同鎮(zhèn)之間森林覆蓋面積相差較小，可是綠量相差卻較大，說(shuō)明森林覆蓋面積不能全面地說(shuō)明一個(gè)地區(qū)的林業(yè)水平，還需要通過(guò)各個(gè)方面綜合說(shuō)明，例如樹(shù)種的選擇方面。另外，由于濯田鎮(zhèn)有較大面積的非林地，導(dǎo)致該地區(qū)的森林覆蓋無(wú)法達(dá)到最高值，同時(shí)也由于該地區(qū)有較大的行政面積，使得森林覆蓋面積位居較高點(diǎn)。

由圖2長(zhǎng)汀縣森林類型分布圖統(tǒng)計(jì)分析得到表2長(zhǎng)汀各鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠量統(tǒng)計(jì)表，并經(jīng)掩膜和統(tǒng)計(jì)之后得到表3長(zhǎng)汀各鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠量分布，運(yùn)用DPS v7.05統(tǒng)計(jì)軟件的聚類功能，采用歐式距離最短距離法將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林綠量按面積均值進(jìn)行聚類分析，結(jié)果分為三大類，分別為低、一般和高，具體如表4所示。

表3 長(zhǎng)汀各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林綠量分布Table 3Green biomass distribution in towns of Changting county

表4 長(zhǎng)汀單位面積綠量各鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚類Table 4Cluster of green quantity per unit area of each town in Changting county

結(jié)合賴日文等編寫(xiě)的2012～2015長(zhǎng)汀縣水土流失治理專項(xiàng)規(guī)劃中該區(qū)域的水土侵蝕現(xiàn)狀，并根據(jù)本次研究所獲得的長(zhǎng)汀縣森林綠量數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，可以發(fā)現(xiàn)：三洲鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)的水土流失情況較為嚴(yán)重，與本實(shí)驗(yàn)得到的綠量數(shù)據(jù)呈負(fù)相關(guān)，即森林綠量越小的區(qū)域水土流失情況越嚴(yán)重，而森林綠量越大的區(qū)域水土流失情況相對(duì)緩和，例如鐵長(zhǎng)鄉(xiāng)、庵杰鄉(xiāng)、紅山鄉(xiāng)、涂坊鎮(zhèn)、宣成鄉(xiāng)、羊牯鄉(xiāng)、四都鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。說(shuō)明豐富的森林綠量對(duì)整體生態(tài)效益有良好的促進(jìn)作用。在森林覆蓋程度較高的地區(qū)，整體的水土流失程度比較輕，強(qiáng)烈佐證了森林對(duì)水土流失方面治理的重要性，為今后的森林經(jīng)營(yíng)提供決策性支持。

4 結(jié)論與展望

（1）在對(duì)HJ-1A/B遙感影像處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)專家知識(shí)分類方法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)汀縣森林資源信息的提取，首先區(qū)分區(qū)域內(nèi)的有林地和非林地，然后根據(jù)杉木類、松木類、竹類、闊葉樹(shù)類的光譜灰度閾值分布情況，提取四大類林種的分布信息，并繪得長(zhǎng)汀縣森林類型分布圖。

（2）根據(jù)野外測(cè)得的LAI數(shù)據(jù)，結(jié)合獲得的分類結(jié)果，計(jì)算得到各類樹(shù)種的綠量和長(zhǎng)汀縣綠量總和。再根據(jù)長(zhǎng)汀縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的邊界AOI，通過(guò)裁剪、掩膜后統(tǒng)計(jì)得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的綠量信息。

（3）竹類和闊葉樹(shù)類綠量較杉木類和松木類高，說(shuō)明它們?cè)谙嗤闆r下，涵養(yǎng)水源能力更強(qiáng)，可以為長(zhǎng)汀縣今后治理水土流失過(guò)程中樹(shù)種的選擇上提供參考。

（4）運(yùn)用DPS v7.05統(tǒng)計(jì)軟件的聚類功能，將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)按的綠量按面積均值進(jìn)行聚類分析，結(jié)果分為低、一般、較高和高四類。其中三州鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)和策武鎮(zhèn)處于低水平，鐵長(zhǎng)鄉(xiāng)、庵杰鄉(xiāng)、紅山鄉(xiāng)、涂坊鎮(zhèn)、宣成鄉(xiāng)、羊牯鄉(xiāng)、四都鎮(zhèn)綠量分布處于高水平。

（5）將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位面積綠量聚類分析圖與長(zhǎng)汀縣水土流失現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：長(zhǎng)汀縣水土流失情況與區(qū)域內(nèi)森林綠量分布總體呈負(fù)相關(guān)，即森林綠量越小的區(qū)域水土流失情況越嚴(yán)重，而森林綠量越大的區(qū)域水土流失情況相對(duì)緩和。

（6）總的來(lái)說(shuō)，森林經(jīng)營(yíng)要遵循適地適樹(shù)的原則，把握各種林型占林地總面積的比例，保護(hù)林下凋落物，因地制宜，保護(hù)森林資源，禁止濫砍濫伐。森林綠量以及森林覆蓋率的提高能在一定程度上削洪補(bǔ)枯、穩(wěn)定河川徑流的觀點(diǎn)已得到國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者認(rèn)可[15-16]。

（7）本研究主要是采用RS和GIS技術(shù)來(lái)計(jì)算長(zhǎng)汀縣的森林綠量分布信息，并結(jié)合當(dāng)?shù)厮亮魇闆r進(jìn)行分析，初步探討了區(qū)域森林綠量與水土流失之間的關(guān)系，為該地區(qū)的森林經(jīng)營(yíng)管理和水土保持提供決策支持。特別需要指出的是，本研究只是初步定性地探討了森林綠量與水土流失之間的關(guān)系，后續(xù)的研究將在USLE的基礎(chǔ)上結(jié)合研究區(qū)域的水文、地形等特點(diǎn)來(lái)計(jì)算長(zhǎng)汀縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的水土流失量，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)軟件的相關(guān)分析功能來(lái)定量地描述森林綠量與水土流失量之間的關(guān)系，并結(jié)合實(shí)地考察的情況進(jìn)行分析，找出規(guī)律，提出對(duì)應(yīng)的措施，從而為區(qū)域的森林經(jīng)營(yíng)管理和水土保持提供更加科學(xué)準(zhǔn)確直觀的決策依據(jù)。

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Analysis of green biomass in Changting county based on environmental resources satellite images (HJ-1 images)

YE Wei, LAI Ri-wen, CHI Yu-feng, WANG Qin, CHEN Fang
(College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian, China)

In order to calculate the green biomass in Changting county, Fujian, by using the geomatics technology to process the CCD image which

from the environmental resources satellite HJ-1 in March 2012. Then the Chinese fi r, pine, bamboo and hardwood tree were classif i ed according to their spectrum grayscale threshold, and the Leaf Area Index(LAI) was measured in the fi eld. Thereby,the forest green biomass in Changting county was calculated. The results show that the percentage of the forestland in Changting county was 86.62%，the total amount of the green biomass in Changting county was 768 781.2 hm2; among the towns in the county,the distributions of green biomass in Shanzhou town and other towns kept on a low level, Tiechang town and other towns stayed on a higher level. Combined with the local situations of soil and water conservation, it was found that the green biomass correlated negatively with the soil erosion degree generally. The findings can provide a decision-making support for rational management and long-term development of the forest in Changting county.

analysis on forest green biomass; environmental resources satellite images( HJ-1 images); leaf area index; Changting county

S715.3

A

1673-923X(2014)05-0042-05

2013-10-30

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“森林碳儲(chǔ)量遙感估測(cè)模型構(gòu)建研究”（2011J01258）

葉偉 （1989-），男，安徽太湖人，碩士研究生，主要從事3S技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用；E-mail：yewei921@sina.com

賴日文（1970-），男,福建政和人，副教授，博士，主要從事3S技術(shù)在資源環(huán)境中的應(yīng)用、森林資源經(jīng)營(yíng)管理研究；

E-mail：fjlrw@126.com

[本文編校：謝榮秀]