基于Landsat遙感影像解譯的神農(nóng)架林區(qū)近30年土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化

姜　哲 ,劉　芳 ,張　微,欒曉峰 ，李迪強(qiáng)，李　佳

(1.北京林業(yè)大學(xué) 自然保護(hù)區(qū)學(xué)院,北京　100083;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,北京　100091)

基于Landsat遙感影像解譯的神農(nóng)架林區(qū)近30年土地覆蓋動(dòng)態(tài)變化

姜哲1,2,劉芳2,張微1,欒曉峰1，李迪強(qiáng)2，李佳2

(1.北京林業(yè)大學(xué) 自然保護(hù)區(qū)學(xué)院,北京100083;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,北京100091)

摘要：利用神農(nóng)架林區(qū)1987年、2000年、2013年Landsat衛(wèi)星遙感影像，結(jié)合地面調(diào)查信息，運(yùn)用ERDAS軟件分別解譯出這3個(gè)時(shí)期地表覆蓋類(lèi)型，同時(shí)對(duì)比3個(gè)時(shí)期地表覆蓋類(lèi)型的變化，統(tǒng)計(jì)分析出3個(gè)時(shí)期神農(nóng)架林區(qū)森林變化面積和來(lái)源。結(jié)果顯示：1987—2000年森林面積增長(zhǎng)緩慢，凈增長(zhǎng)了14.70 km2，變化主要來(lái)自灌叢和草地的轉(zhuǎn)化；2000—2013年期間森林面積增長(zhǎng)迅速，凈增長(zhǎng)了207.49 km2，變化主要來(lái)自灌叢、草地和農(nóng)田的轉(zhuǎn)化。運(yùn)用遙感技術(shù)連續(xù)、宏觀(guān)、動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)神農(nóng)架林區(qū)地表覆蓋變化，不僅豐富了神農(nóng)架林區(qū)的本底資料,同時(shí)也為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與生物多樣性保護(hù)提供了重要的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：遙感影像；監(jiān)督分類(lèi)；森林變化；保護(hù)成效；神農(nóng)架林區(qū)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)區(qū)域乃至全球的能量平衡、生物化學(xué)循環(huán)和水循環(huán)起著重要的調(diào)控作用[1-2]。區(qū)域范圍內(nèi)植被覆蓋的變化(退化與恢復(fù))體現(xiàn)了自然演變和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的作用,在全球變化研究中充當(dāng)著“指示器”的作用[3]。

1研究背景

自1972年美國(guó)第一顆地球資源衛(wèi)星(Landsat-1)成功發(fā)射并獲取大量衛(wèi)星圖像之后，遙感技術(shù)開(kāi)始在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展和廣泛使用[4]。至今，隨著地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，GIS) 和全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,GPS) 的不斷結(jié)合，遙感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到植被覆蓋及其變化的研究中[5]，以及保護(hù)生物學(xué)[6]、地質(zhì)災(zāi)害[7]等各個(gè)領(lǐng)域。利用遙感技術(shù)對(duì)植被變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)主要有以下優(yōu)勢(shì):①衛(wèi)星遙感圖像具有周期性、宏觀(guān)性、現(xiàn)勢(shì)性、經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，可以用于區(qū)域的植被覆蓋變化監(jiān)測(cè)[8]；②多源遙感信息(多時(shí)相、多光譜、多傳感器、多平臺(tái)和多分辨率)具有互補(bǔ)性和合作性，可以使植被覆蓋變化的定量估算更加精確、完全和可靠[9]。因此用遙感數(shù)據(jù)對(duì)植被變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)植被變化的主要手段之一[10-11]。

神農(nóng)架林區(qū)有“物種基因庫(kù)”之稱(chēng)，境內(nèi)森林資源和動(dòng)植物資源極其豐富, 擁有保持完好的亞熱帶生態(tài)系統(tǒng),在保持水土和維護(hù)生態(tài)平衡中的功能非常重要[12]。20世紀(jì)70，80年代，神農(nóng)架林區(qū)大舉伐木支援國(guó)家建設(shè)，導(dǎo)致全區(qū)森林覆蓋率驟降11.6%[13]。1986年在神農(nóng)架林區(qū)建立國(guó)家級(jí)森林和野生動(dòng)物自然保護(hù)區(qū)，2000年開(kāi)始神農(nóng)架林區(qū)全面停止天然林砍伐,成為中國(guó)第一批實(shí)施天然林資源保護(hù)工程和退耕還林還草工程的地區(qū)之一[14]?，F(xiàn)有的對(duì)于神農(nóng)架林區(qū)植被變化研究還比較少。黃靖等[15]以2003—2012年MODIS的遙感數(shù)據(jù)為信息源，利用增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)，采用最大值合成法，對(duì)神農(nóng)架林區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并與同期的氣候因子進(jìn)行了相關(guān)性分析。田自強(qiáng)等[16]以TM影像繪制了神農(nóng)架林區(qū)1∶20 000的植被類(lèi)型圖，但對(duì)于神農(nóng)架林區(qū)森林變化沒(méi)有涉及。因此本文利用神農(nóng)架林區(qū)1987年、2000年和2013年Landsat遙感影像，結(jié)合地面調(diào)查信息，運(yùn)用ERDAS軟件分別解譯1987年、2000年、2013年這3個(gè)時(shí)期的遙感圖像，動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)神農(nóng)架林區(qū)植被覆蓋變化情況。研究結(jié)果可以揭示近30a來(lái)林區(qū)森林保護(hù)工程的保護(hù)成效,同時(shí)可以作為生物多樣性動(dòng)態(tài)研究的本底資料。

2研究區(qū)域概況

神農(nóng)架林區(qū)位于湖北省西部邊陲,地跨東經(jīng)109°56′～110°58′，北緯31°15′～31°75′，面積3 250km2，屬巴山余脈。神農(nóng)架地處中緯度北亞熱帶季風(fēng)區(qū)，受大氣環(huán)流控制，氣溫偏低而且多雨，并隨海拔的升高形成低山、中山、亞高山3個(gè)氣候帶。神農(nóng)架林區(qū)擁有全球中緯度地區(qū)保存完好的原始森林，林地面積達(dá)到75%[16]。區(qū)內(nèi)植被以亞熱帶成分為主，兼有溫帶和熱帶成分，并具有明顯的垂直地帶性，海拔200～1 600m為亞熱帶性常綠落葉闊葉混交林帶，1 600～2 600m為溫帶性針葉林、落葉闊葉林帶，2 600m以上為寒溫性常綠針葉林帶[12]。

圖1　技術(shù)路線(xiàn)Fig.1　The technical route

3研究方法

以3個(gè)時(shí)期(1987年、2000年和2013年)遙感影像和實(shí)地調(diào)查的地表覆蓋信息為基礎(chǔ)，利用ERDAS9.2軟件對(duì)3個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行監(jiān)督目視解譯得到神農(nóng)架林區(qū)的地表分類(lèi)圖，利用GIS工具得出森林覆蓋變化。技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

3.1遙感影像獲取

研究用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要從USGS(UnitedStatesGeographySurvey，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局)和馬里蘭大學(xué)地球數(shù)據(jù)中心來(lái)搜索和下載。Landsat-5衛(wèi)星是美國(guó)于1984年3月發(fā)射的光學(xué)對(duì)地觀(guān)測(cè)衛(wèi)星，其所獲得的TM影像是迄今為止在全球應(yīng)用最為廣泛、成效最為顯著的地球資源衛(wèi)星遙感信息源。2013年美國(guó)又發(fā)射了Landsat-8衛(wèi)星，不僅延續(xù)了Landsat-5/7(1999年)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在各個(gè)方面的應(yīng)用，而且Landsat-8的波段數(shù)目更多、劃分更為精細(xì)。研究用遙感影像軌道號(hào)為125/38，這一影像覆蓋了神農(nóng)架林區(qū)范圍內(nèi)97.65%的面積。遙感影像僅是某一瞬間地面實(shí)況的反映,不同季節(jié)的落葉型植被在圖像上反射的光譜是不一樣的[17]，研究選擇10月底到12月底清晰且云量少的遙感影像進(jìn)行解譯，以便于植被類(lèi)型判別。同時(shí)下載了其他季節(jié)遙感地圖，用于對(duì)比地表覆蓋類(lèi)型建立解譯標(biāo)志。研究選用1987年10月26日(TM)、2000年12月24日(TM)和2013年12月4日(OLI)3個(gè)時(shí)期遙感影像。

3.2實(shí)地調(diào)查

2013年3月，通過(guò)開(kāi)展實(shí)地調(diào)查，盡量多地記錄地表覆蓋類(lèi)型及GPS位點(diǎn)，以便于遙感解譯中的各地表類(lèi)型的判別，共收集了498個(gè)GPS位點(diǎn)信息(見(jiàn)圖2)。隨機(jī)選取3/4數(shù)據(jù)用于遙感影像的解譯工作，1/4數(shù)據(jù)用于遙感解譯之后的精度評(píng)估。

圖2　實(shí)地調(diào)查路線(xiàn)Fig.2　Map of ground investigation route

3.3遙感圖像解譯

將TM遙感影像的5，4，3波段與OLI遙感影像6，5，4波段進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)組合假彩色合成，并進(jìn)行地理校正。運(yùn)用ERDAS9.2進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，隨機(jī)選取375個(gè)地面調(diào)查點(diǎn)用于目視解譯，判讀遙感地圖中顏色所對(duì)應(yīng)的地表類(lèi)型，并以此來(lái)選取AOI(感興趣區(qū)域)，定義分類(lèi)模板，進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)。將神農(nóng)架林區(qū)地表覆蓋分類(lèi)為6個(gè)地表類(lèi)型(森林、草地、灌叢、水體、城鎮(zhèn)、農(nóng)田)。

3.4分類(lèi)后處理與精度評(píng)估

監(jiān)督分類(lèi)是按照?qǐng)D像光譜特征進(jìn)行聚類(lèi)分析的。因此，都帶有一定的盲目性。所以本研究中先后用分類(lèi)重編碼、鄰域分析、去除分析處理監(jiān)督分類(lèi)結(jié)果，使結(jié)果更符合真實(shí)情況。輸出結(jié)果的最小圖斑面積約為2hm2。

精度評(píng)估以隨機(jī)選取的123個(gè)GPS位點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估解譯的精度。運(yùn)用GIS技術(shù)賦予GPS位點(diǎn)解譯圖層屬性，以點(diǎn)的屬性信息和實(shí)際調(diào)查信息進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)得出。

3.5GIS數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用ARCGIS柵格計(jì)算器工具，計(jì)算前后2個(gè)時(shí)期的圖層屬性值，得出變化圖層并統(tǒng)計(jì)各個(gè)類(lèi)型變化面積。

4結(jié)果與討論

4.1解譯精度

2013年遙感影像監(jiān)督分類(lèi)之后，經(jīng)過(guò)精度評(píng)估得出總的解譯精度約為84.55%，詳見(jiàn)表1。解譯精度最高是草地和農(nóng)田(100%)，最低的為森林和城鎮(zhèn)(83.33%)。

表1　精度評(píng)估

4.2神農(nóng)架林區(qū)地表覆蓋動(dòng)態(tài)變化

遙感分析顯示，神農(nóng)架林區(qū)森林面積呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，從1987年的2 598.16km2增長(zhǎng)到2013年的2 820.35km2，凈增長(zhǎng)面積222.19km2。其中：1987—2000年期間森林面積增長(zhǎng)緩慢，凈增長(zhǎng)面積14.70km2；2000—2013年期間森林面積增長(zhǎng)迅速，凈增長(zhǎng)面積207.49km2。結(jié)果還顯示對(duì)比于1987年,2000年的草地和灌叢面積減少了，城鎮(zhèn)、農(nóng)田和水體面積增加；而對(duì)比于2000年,2013年草地和灌叢面積減少，城鎮(zhèn)和水體面積增加，農(nóng)田面積明顯的減少，凈減少面積為73.90km2(表2)。

表2　1987—2013年神農(nóng)架林區(qū)地表覆蓋動(dòng)態(tài)變化

4.3神農(nóng)架林區(qū)森林變化

通過(guò)ARCGIS柵格計(jì)算及重新分類(lèi)得出森林覆蓋與非森林覆蓋在2個(gè)時(shí)期內(nèi)的土地覆蓋情況。詳見(jiàn)圖3。

(a) 1987—2000年

(b) 2000—2013年圖3　1987—2000年及2000—2013年2個(gè)時(shí)期的森林覆蓋變化Fig.3　Changes of forest cover during 1987-2000 and 2000-2013

通過(guò)ARCGIS統(tǒng)計(jì)得出森林覆蓋與非森林覆蓋在2個(gè)時(shí)期內(nèi)的變化情況。1987—2000年期間及2000—2013年期間新增森林主要由灌叢和草地轉(zhuǎn)化而來(lái)(表3)，說(shuō)明這期間神農(nóng)架林區(qū)森林增長(zhǎng)主要依靠自然更新。神農(nóng)架林區(qū)處于亞熱帶至溫帶的過(guò)渡地帶，受大氣環(huán)流控制，氣溫偏低而且多雨。土地資源豐富，宜林宜牧地多，土壤有機(jī)質(zhì)含量豐富，小氣候條件優(yōu)越，適于多種植物生長(zhǎng)[18]。

表3　各類(lèi)型轉(zhuǎn)化為森林的面積

2000—2013年期間農(nóng)田轉(zhuǎn)化為森林所占百分比由1987—2000年間的9.85%增加到19.52%。表4

表4　森林轉(zhuǎn)化為其他類(lèi)型面積

顯示相對(duì)于1987—2000年期間，2000—2013年期間森林轉(zhuǎn)化為其他類(lèi)型的總面積大幅度降低，轉(zhuǎn)化為農(nóng)田的比例降低，轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)的面積和比例都略有增加，但2個(gè)時(shí)期土地覆蓋變化比例無(wú)顯著差異。卡方檢驗(yàn)結(jié)果Χ2=0.338,d.f.=4, P=0.987，其中Χ2為卡方，d.f.為自由度，P為顯著性。

由遙感解譯結(jié)果可以看出2000—2013年期間森林的增長(zhǎng)面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1987—2000年，主要原因?yàn)椋孩偕洲D(zhuǎn)化為其他類(lèi)型的面積大幅度降低，即森林遭到破壞的面積大大減少；②農(nóng)田轉(zhuǎn)化為森林的面積增加。自從20世紀(jì)60 年代初第一支砍伐隊(duì)伍開(kāi)進(jìn)神農(nóng)架,該地區(qū)的生存與發(fā)展就是以消耗天然林資源為基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)35a的采伐,為國(guó)家提供商品材近1 000萬(wàn)m3,全部為天然林木,而帶來(lái)的嚴(yán)重后果是森林生態(tài)功能降低,生態(tài)日趨惡化[19]。直到2000年3月神農(nóng)架林區(qū)開(kāi)始實(shí)施天然林保護(hù)工程，林區(qū)嚴(yán)格執(zhí)行天然林全面停伐[20]。自2000年神農(nóng)架林區(qū)實(shí)施天然林保護(hù)工程和退耕還林工程，神農(nóng)架林區(qū)宜林荒山荒地、農(nóng)田面積減少，森林面積大幅增加。

神農(nóng)架林區(qū)從1986年發(fā)展旅游業(yè)以來(lái)，旅游收入和人數(shù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，神農(nóng)架林區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)一直迅速發(fā)展，旅游人數(shù)從1994年的10.10萬(wàn)人次增長(zhǎng)到2004年的52.20萬(wàn)人次。生產(chǎn)總值從1993年的13 629萬(wàn)元[21]增長(zhǎng)到2002年的3.43億元。2013年全區(qū)實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值185 745萬(wàn)元，全區(qū)接待游客人數(shù)更是達(dá)到520.3萬(wàn)人次。城市和旅游的發(fā)展使經(jīng)濟(jì)建設(shè)用地和居民住房用地增加。圖4(遙感圖像與解譯后圖像)為神農(nóng)架林區(qū)政府所在地松柏鎮(zhèn)的變化。

圖4　松柏鎮(zhèn)面積變化Fig.4　Changes of the area of Songbai town

5結(jié)語(yǔ)

神農(nóng)架林區(qū)2000—2013年森林增加面積為207.49km2，遠(yuǎn)大于1987—2000年期間增加的14.70km2。表明神農(nóng)架林區(qū)森林保護(hù)成效提高。

本研究通過(guò)對(duì)神農(nóng)架林區(qū)遙感影像進(jìn)行目視解譯，獲得了3個(gè)時(shí)期神農(nóng)架林區(qū)地表覆蓋數(shù)據(jù)。研究結(jié)果不僅豐富了神農(nóng)架林區(qū)的本底資料,對(duì)加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與生物多樣性保護(hù)方面具有重要的實(shí)際意義,而且可為當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門(mén)較準(zhǔn)確地掌握該地區(qū)森林資源的空間分布、利用現(xiàn)狀、數(shù)量動(dòng)態(tài)提供可靠依據(jù)。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Changes of Land Cover in Shennongjia Forest Region in the Past 3Decades Based on Interpretation of Landsat Images

JIANGZhe1,2,LIUFang2,ZHANGWei1,LUANXiao-feng1,LIDi-qiang2,LIJia2

(1.SchoolofNatureConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)

Abstract:According to Landsat images and ground investigation data, we interpreted the land cover types in 1987, 2000, and 2013 in Shennongjia Forest Region using Erdas Software, compared changes of land cover types in these periods, and analyzed the area and sources of changes in forest cover. The results indicated that forest area increased slowly by 14.70 km2 during 1987-2000, in which shrub and grassland contributed the most to the forest increasing area; however, during 2000-2013 forest area increased rapidly by 207.49 km2, in which shrub, grassland and farmland contributed the most. The application of remote sensing technology in monitoring the changes in land cover continuously and dynamically at macro level can enrich the background data and provide essential data for environment monitoring and biodiversity conservation.

Key words:remote sensing image; supervised classification; change of forest; achievement of conservation;Shennongjia forest region

收稿日期：2015-03-23 ；修回日期：2015-04-14

基金項(xiàng)目：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2013BAD03B03-03)

作者簡(jiǎn)介：姜哲(1990-)，男，河南長(zhǎng)垣人，碩士研究生，主要從事自然保護(hù)區(qū)學(xué)的研究，(電話(huà))18001397125(電子信箱)812288862@qq.com。 通訊作者：李迪強(qiáng)(1966-)，男，湖南湘潭人，研究員，博士，主要從事生物保護(hù)學(xué)研究，(電話(huà))010-62888594(電子信箱)lidq@caf.ac.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150205

中圖分類(lèi)號(hào)：TP79，N91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0150-05

2016,33(06):150-154