多尺度遙感產(chǎn)品在太行山綠化工程中的適用性分析

郭 慧，董士偉，辛學(xué)兵，裴順祥，吳 莎，褚 洋

（1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，北京 102300；2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3. 國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097）

0 引 言

森林是改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑，對(duì)維系區(qū)域生態(tài)平衡具有重要作用[1]。近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)發(fā)展加劇了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量日益惡化[2]。為應(yīng)對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，中國(guó)政府相繼實(shí)施了系列重大林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程，如太行山綠化工程、退耕還林工程、京津風(fēng)沙源治理工程、三北防護(hù)林工程、百萬(wàn)畝大造林工程等[3-5]。作為北京市西部地區(qū)的重要屏障，1985 年啟動(dòng)的太行山綠化工程顯著提高了工程實(shí)施區(qū)的森林覆蓋率，改善了區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境。但由于北京市城區(qū)不斷擴(kuò)展，頻繁的人類活動(dòng)加劇了森林資源變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太行山綠化工程區(qū)內(nèi)森林資源及準(zhǔn)確評(píng)估其空間分布是實(shí)現(xiàn)森林資源資產(chǎn)核算和工程效益評(píng)估的基礎(chǔ)，也是維系區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

開展森林資源監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵制約因素在于基礎(chǔ)森林參數(shù)和信息的系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化獲取。傳統(tǒng)的森林參數(shù)和信息通常是由森林生態(tài)站或監(jiān)測(cè)點(diǎn)野外測(cè)量完成[6]，森林資源信息通過(guò)基于網(wǎng)格的林分樣地地面抽樣調(diào)查獲取[7]。這種作業(yè)模式野外工作量大，調(diào)查周期長(zhǎng)，調(diào)查范圍較小，限制了大尺度范圍內(nèi)的調(diào)查研究和科學(xué)分析，而遙感技術(shù)以其強(qiáng)大的功能和良好的適用性能夠在不同尺度范圍內(nèi)開展森林資源的目標(biāo)探測(cè)與監(jiān)測(cè)調(diào)查等[8-9]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了許多全球或區(qū)域遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，如中國(guó)清華大學(xué)的FROMGLC10[10]、中國(guó)科學(xué)院的土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)NLCD-China[11]、美國(guó)波士頓大學(xué)的MCD12Q1[12]、 中國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心的GlobleLand30[13]、歐盟聯(lián)合研究中心的全球土地覆蓋計(jì)劃的GLC2000[14]、歐空局全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)GlobCover[15]、日本宇宙開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）制作的全球森林地圖[16]等，這些產(chǎn)品在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候變化、關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。由于空間分辨率、數(shù)據(jù)來(lái)源、分類體系等存在較大差別，利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品在不同尺度和領(lǐng)域上開展研究存在顯著差異[17-18]，如何針對(duì)不同的區(qū)域和研究目的有效評(píng)估多尺度產(chǎn)品的差異性和應(yīng)用優(yōu)先等級(jí)非常關(guān)鍵。系統(tǒng)分析梳理國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究，在產(chǎn)品對(duì)比分析方面主要涉及類型面積對(duì)比、誤差矩陣分析和類型空間混淆等方法[19-20]；在產(chǎn)品類型對(duì)象選擇方面主要分為全部類型[21-23]或單個(gè)類型，比如林地[24]、耕地[25]等；在研究時(shí)間方面多以2010 年為基準(zhǔn)年，存在其他零星時(shí)間年份[17]。

本研究以太行山綠化工程為例，收集、評(píng)估2017 年10、30 和500 m 空間分辨率的遙感產(chǎn)品，分析其在北京市太行山綠化工程實(shí)施區(qū)域內(nèi)的差異性、不確定性及產(chǎn)生原因。本研究可以為北京市太行山綠化工程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、定量評(píng)估與資源核算提供有效的數(shù)據(jù)支撐，也為其他林業(yè)與生態(tài)工程的遙感數(shù)據(jù)選擇提供一定的參考和借鑒。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

以《北京市太行山綠化三期工程建設(shè)總體規(guī)劃（2011—2020 年）》為依據(jù)確定北京市太行山綠化工程實(shí)施范圍，包括昌平、房山、豐臺(tái)、海淀、石景山和門頭溝區(qū)。工程區(qū)內(nèi)主要土地利用類型有森林、草地、灌木林、耕地、水域、建筑用地和未利用土地等，地帶性植被為半濕潤(rùn)落葉闊葉林和溫性針葉林，受地形影響，山地植被具有垂直分布規(guī)律。北京市園林綠化局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2017 年，北京市太行山綠化工程實(shí)施區(qū)內(nèi)森林面積達(dá)到223 240.26 hm2，占工程區(qū)總面積的39.82%。區(qū)內(nèi)森林主要承擔(dān)北京市水源涵養(yǎng)、水土保持和生態(tài)安全屏障等重要生態(tài)任務(wù)，保障區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

研究采用 3 種土地利用/土地覆被遙感產(chǎn)品FROMGLC10、NLCD-China 和MCD12Q1，數(shù)據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和基本信息如表1 所示。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)裁剪、拼接和投影變換等?？紤]類型對(duì)比的一致性，參考北京市統(tǒng)計(jì)年鑒中的森林定義，對(duì)3 種遙感產(chǎn)品中的森林類型進(jìn)行重新界定，其中北京市統(tǒng)計(jì)年鑒的森林的定義為“由喬木樹種組成，郁閉度0.2 以上（包含0.2）的林地或冠幅寬度10 m 以上的林帶，即有林地”。

表1 北京市2017 年土地利用/覆蓋產(chǎn)品的基本信息 Table 1 Summary of the main characteristics of Beijing land use/cover datasets in 2017

1.3 研究方法

1.3.1 基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的多尺度遙感產(chǎn)品面積數(shù)量評(píng)價(jià)方法

以北京市統(tǒng)計(jì)年鑒中的森林面積占土地總面積的比例為基準(zhǔn)，計(jì)算3 種遙感產(chǎn)品森林的面積偏差系數(shù)和工程實(shí)施各區(qū)的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE），反映不同尺度遙感產(chǎn)品的森林面積和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的離散度。

面積偏差系數(shù)是衡量分類產(chǎn)品中分類面積與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果差異的有效指標(biāo)，計(jì)算方法如式（1）所示

式中y 為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的森林面積比例；xk為產(chǎn)品k 的森林面積比例；Dx為產(chǎn)品k 中森林的面積偏差系數(shù)。正值表示遙感產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)的森林面積相對(duì)北京市統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)偏大，負(fù)值表示遙感產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)的森林面積相對(duì)北京市統(tǒng)計(jì)年鑒的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)偏小。

均方根誤差RMSE 的計(jì)算方法如式（2）所示

式中ix 為遙感產(chǎn)品計(jì)算的i 區(qū)森林面積比例，iy 為i 區(qū)的森林統(tǒng)計(jì)面積比例，n 為北京市太行山綠化工程實(shí)施區(qū)縣總數(shù)。

1.3.2 基于高分辨率影像的多尺度遙感產(chǎn)品精度評(píng)價(jià)方法

以2017 年4 月、7 月和9 月的多季相Google Earth高分辨率影像產(chǎn)生的檢驗(yàn)樣本結(jié)合實(shí)際地面調(diào)查數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對(duì)3 種遙感產(chǎn)品的類型空間分布進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，并分析不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品的空間一致性。參考分層隨機(jī)采樣方法和操作流程[26]，在北京市太行山綠化工程實(shí)施范圍內(nèi)共采集檢驗(yàn)樣本537 個(gè)，其中森林樣本295 個(gè)，非森林樣本242 個(gè)（圖1）。精度評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇總體精度、生產(chǎn)者精度、用戶精度和Kappa 系數(shù)。

圖1 檢驗(yàn)樣本空間分布 Fig.1 Spatial distribution of the sampling sites

1.3.3 多尺度遙感產(chǎn)品的優(yōu)先級(jí)指數(shù)

研究構(gòu)建一個(gè)優(yōu)先級(jí)指數(shù)（Priority Index，PI）[27]定量評(píng)估3 種遙感產(chǎn)品在北京市太行山綠化工程不同尺度上的優(yōu)先推薦等級(jí)。優(yōu)先級(jí)指數(shù)通過(guò)式（3）展開計(jì)算。

式中n 是待分析的產(chǎn)品數(shù)量，O 為總體精度，F(xiàn) 為F-score（即生產(chǎn)者精度和用戶精度的平均值），S 為工程區(qū)內(nèi)各區(qū)縣統(tǒng)計(jì)年鑒中森林面積比例和相應(yīng)區(qū)縣遙感產(chǎn)品森林面積比例的差值絕對(duì)值。PI 的范圍為0～3，數(shù)值越高，表明該產(chǎn)品在區(qū)域內(nèi)森林監(jiān)測(cè)的優(yōu)先級(jí)越高，適用性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 多尺度遙感產(chǎn)品與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的面積差異性分析

不同遙感產(chǎn)品的面積偏差系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。總體上看，3 套產(chǎn)品計(jì)算的森林面積比例有不同程度的高估和低估，F(xiàn)ROMGLC10 對(duì)太行山綠化工程實(shí)施區(qū)的森林面積比例高估較多，MCD12Q1 對(duì)區(qū)內(nèi)森林面積有一定程度的低估，NLCD-China 的面積偏差系數(shù)絕對(duì)值最小，是3 套數(shù)據(jù)中最接近統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的遙感產(chǎn)品。RMSE 用于評(píng)估3 套遙感產(chǎn)品的森林面積和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的總體離散度，RMSE 的值越大，表示和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的離散度越高。數(shù)據(jù)集MCD12Q1 的RMSE 最大，為11.83%，說(shuō)明該產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)的森林面積比例與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的離散度最高，NLCD-China 的RMSE 最小，為8.25%，說(shuō)明該產(chǎn)品與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的離散度最低。不同遙感產(chǎn)品的面積偏差系數(shù)和RMSE 的評(píng)估效果表明NLCD-China 是對(duì)北京市太行山綠化工程項(xiàng)目實(shí)施區(qū)域森林面積估算最為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

表2 遙感產(chǎn)品的面積偏差系數(shù) Table 2 Area deviation coefficients of remote sensing products

針對(duì)北京市太行山綠化工程實(shí)施范圍內(nèi)的不同行政區(qū)，3 套遙感產(chǎn)品對(duì)森林面積存在不同程度的高估或者低估情況（表3）。MCD12Q1 和NLCD-China 對(duì)門頭溝和房山區(qū)森林面積存在高估，其他區(qū)域均為低估。MCD12Q1在豐臺(tái)區(qū)的面積偏差系數(shù)為3套遙感產(chǎn)品中偏差系數(shù)絕對(duì)值最大的產(chǎn)品，幾乎未監(jiān)測(cè)到森林的存在，在房山區(qū)偏差系數(shù)絕對(duì)值最小，且為正值。NLCD-China在豐臺(tái)區(qū)的面積偏差系數(shù)絕對(duì)值最大，在昌平區(qū)的面積偏差系數(shù)絕對(duì)值最小。FROMGLC10 在豐臺(tái)、石景山和海淀區(qū)存在對(duì)森林面積的低估，在門頭溝、房山和昌平區(qū)存在對(duì)森林面積的高估，在豐臺(tái)區(qū)的偏差系數(shù)絕對(duì)值最高，數(shù)值介于NLCD-China 和MCD12Q1 之間，對(duì)昌平區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果最接近統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。3 套遙感產(chǎn)品對(duì)門頭溝和房山區(qū)的森林面積均存在高估的情況，F(xiàn)ROMGLC10 對(duì)門頭溝區(qū)和房山區(qū)的高估程度最大，其次為NLCD-China和MCD12Q1 的監(jiān)測(cè)結(jié)果最接近統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。3 套遙感產(chǎn)品對(duì)門頭溝區(qū)森林面積高估程度較房山區(qū)嚴(yán)重。該結(jié)果解釋了表2 中面積偏差系數(shù)和離散度監(jiān)測(cè)結(jié)果存在差異的原因。雖然FROMGLC10 的整體面積偏差系數(shù)絕對(duì)值大于MCD12Q1，但是MCD12Q1 對(duì)單個(gè)區(qū)縣的監(jiān)測(cè)存在面積偏差系數(shù)絕對(duì)值大的區(qū)縣較多，在豐臺(tái)、石景山、海淀和昌平區(qū)的面積偏差系數(shù)絕對(duì)值為3 套遙感產(chǎn)品中的最大值，因此，MCD12Q1 的對(duì)區(qū)內(nèi)森林面積監(jiān)測(cè)的離散度大于FROMGLC10。

表3 工程內(nèi)各區(qū)遙感產(chǎn)品的面積偏差系數(shù) Table 3 Area deviation coefficients of remote sensing products in all districts of the project

2.2 多尺度遙感產(chǎn)品的精度差異性分析

基于圖1 的537 個(gè)樣本對(duì)3 套遙感產(chǎn)品進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4 所示。FROMGLC10 的總體精度和生產(chǎn)者精度均為最高，其次為 NLCD-China，最低為MCD12Q1。用戶精度則恰好相反，MCD12Q1 的用戶精度最高，達(dá)到97.83%，其次為NLCD-China，用戶精度為90.28%，最低的是FROMGLC10，用戶精度為89.53%。FROMGLC10 的Kappa 系數(shù)最高，其次為NLCD-China 和MCD12Q1 的Kappa 系數(shù)最低，僅為0.45 ， 說(shuō)明產(chǎn)品分類與實(shí)際一致性最高的為FROMGLC10，其次為NLCD-China 和MCD12Q1 的空間一致性程度最低。該結(jié)果與遙感產(chǎn)品的面積差異性分析對(duì)比結(jié)果有較大不同。

表4 遙感產(chǎn)品的精度評(píng)價(jià)結(jié)果 Table 4 Accuracy evaluation results of remote sensing products

在北京市太行山綠化工程實(shí)施范圍內(nèi)的各個(gè)區(qū)縣，總體精度表現(xiàn)出不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，具體結(jié)果見(jiàn)表5。MCD12Q1 在海淀區(qū)的總體精度最高，達(dá)到82.86%，在石景山區(qū)總體精度最低，僅為55.56%。NLCD-China 在昌平區(qū)總體精度最高，達(dá)到84.38%，在石景山區(qū)總體精度最低，為66.67%。FROMGLC10 在石景山區(qū)的總體精度最高，達(dá)到88.89%，在豐臺(tái)區(qū)的總體精度最低，為80%。3 套遙感產(chǎn)品中，F(xiàn)ROMGLC10 在太行山綠化工程各區(qū)內(nèi)總體精度均>80%，大于其他2 套遙感產(chǎn)品，在空間位置方面有較好的監(jiān)測(cè)效果，充分體現(xiàn)了該數(shù)據(jù)高分辨率的特點(diǎn)。MCD12Q1 在海淀區(qū)總體精度高于NLCD-China，其他區(qū)內(nèi)總體精度均為3 個(gè)產(chǎn)品中總體精度最低的遙感產(chǎn)品。

表5 遙感產(chǎn)品在工程各區(qū)的總體精度 Table 5 Overall accuracy of remote sensing products in all districts of the project

2.3 多尺度遙感產(chǎn)品的空間差異性分析

遙感產(chǎn)品的兩兩對(duì)比土地利用/覆蓋類型混淆情況（圖2）。結(jié)果顯示，MCD12Q1 和FROMGLC10 的森林空間一致性最好，達(dá)到MCD12Q1 中森林面積的84.15%。其次為NLCD-China 和FROMGLC10，森林空間一致性達(dá)到NLCD-China 中森林面積的81.48%。MCD12Q1 和NLCD-China 的森林與FROMGLC10 中其他地類混淆比例均<10.00%。NLCD-China 和MCD12Q1 的混淆程度最高，森林空間一致性僅為NLCD-China 中森林面積的64.18%，MCD12Q1 的草地與NLCD-China 中森林的混淆程度達(dá)到23.05%，其次為FROMGLC10 和MCD12Q1，森林空間一致性為FROMGLC10 中森林面積的64.33%，MCD12Q1 中草地與FROMGLC10 中森林的混淆程度達(dá)到22.89%。MCD12Q1、NLCD-China 與FROMGLC10、NLCD-China 的空間一致性居中，灌木林與森林的混淆較為嚴(yán)重，分別達(dá)到MCD12Q1 中森林面積的17.52%和FROMGLC10 中森林面積的18.71%?？梢?jiàn)，在3 種遙感產(chǎn)品中，草地和灌木林是與森林混淆較為嚴(yán)重的兩種地類，這也是土地分類中區(qū)分比較困難的3 種地類。

圖2 土地利用/覆蓋類型空間混淆 Fig.2 Spatial confusions of land use and land cover

3 套遙感產(chǎn)品在北京市太行山綠化工程實(shí)施區(qū)內(nèi)的空間分布一致性情況如圖3 所示。3 套遙感產(chǎn)品完全一致的面積占太行山綠化工程實(shí)施區(qū)域總面積的23.95%，這些區(qū)域森林分布集中，連續(xù)成片，主要位于工程區(qū)西北部，在豐臺(tái)區(qū)內(nèi)無(wú)分布。兩種遙感產(chǎn)品一致的類型分布面積約占太行山綠化工程實(shí)施區(qū)域總面積的20.70%，也主要位于工程區(qū)西北部。在兩種遙感產(chǎn)品一致的類型中，F(xiàn)ROMGLC10 和NLCD-China 兩種產(chǎn)品交集面積最大，占工程區(qū)總面積的10.49%，主要分布在3 種遙感產(chǎn)品交集周圍；其次為MCD12Q1 和FROMGLC10 的交集，占工程區(qū)總面積的7.12%。MCD12Q1 和NLCD-China 兩種產(chǎn)品的森林分布交集面積最小，僅占工程區(qū)總面積的3.08%，零散的分布在3 種產(chǎn)品交集的中間及邊緣，呈斑點(diǎn)狀不能連片。單一數(shù)據(jù)集產(chǎn)品分布約占工程總面積的14.44%，F(xiàn)ROMGLC10 單獨(dú)監(jiān)測(cè)到的森林面積最大，占工程總面積的6.90%。NLCD-China 單獨(dú)監(jiān)測(cè)到的森林多呈條帶狀分布，約占工程總面積的4.75%。MCD12Q1 產(chǎn)品單獨(dú)監(jiān)測(cè)的森林多零散的分布在工程區(qū)西部森林較為密集的區(qū)域，僅占工程總面積的2.79%。在工程區(qū)內(nèi)，門頭溝和房山區(qū)由于森林面積大且分布集中，在各個(gè)交集分類中均占有顯著優(yōu)勢(shì)，豐臺(tái)和石景山區(qū)內(nèi)森林面積較小，石景山區(qū)內(nèi)森林面積在多種遙感產(chǎn)品交集中比豐臺(tái)區(qū)有優(yōu)勢(shì)，主要由于石景山區(qū)在鄰近海淀和門頭溝區(qū)的位置處森林分布較為集中。NLCD-China 和FROMGLC10在豐臺(tái)區(qū)單獨(dú)監(jiān)測(cè)到的森林面積大于MCD12Q1，主要由于豐臺(tái)區(qū)內(nèi)森林分布較為分散，而MCD12Q1 受空間分辨率的限制無(wú)法識(shí)別分散的面積較小的森林斑塊。

圖3 多尺度遙感產(chǎn)品的空間一致性分布 Fig.3 Spatial consistency distribution of multi-scale remote sensing products

遙感產(chǎn)品的空間分辨率、數(shù)據(jù)源、分類標(biāo)準(zhǔn)和分類方法直接影響產(chǎn)品的空間監(jiān)測(cè)結(jié)果。MCD12Q1 由于空間分辨率較低，僅能監(jiān)測(cè)到大面積成片分布區(qū)域的森林，F(xiàn)ROMGLC10 和NLCD-China 監(jiān)測(cè)的森林位置則有所差別。FROMGLC10 的空間分辨率為10 m，能監(jiān)測(cè)到城市內(nèi)小面積分布的森林（多為住宅、公園或者道路兩側(cè)綠化用），而NLCD-China 空間分辨率為30 m，雖然能監(jiān)測(cè)到MCD12Q1 無(wú)法監(jiān)測(cè)到的城市內(nèi)綠化森林和防護(hù)林等，但是卻無(wú)法獲取點(diǎn)狀分布的森林。在房山和豐臺(tái)區(qū)內(nèi)，有NLCD-China 單獨(dú)監(jiān)測(cè)到的森林呈條帶狀分布，相應(yīng)區(qū)內(nèi)僅有少量的森林被FROMGLC10 監(jiān)測(cè)到，呈點(diǎn)狀分布，如圖4 所示（位于豐臺(tái)區(qū)南部）。造成上述結(jié)果主要由于在MCD12Q1 中，由于空間分辨率較低，小面積森林斑塊易與城鎮(zhèn)或者周圍農(nóng)田等發(fā)生混淆。FROMGLC10 雖然分類精度較高，對(duì)防護(hù)林的區(qū)分程度低于NLCD-China，可能有以下原因造成：1）NLCD-China在森林的分類中，注重了防護(hù)林的類別劃分，目前北京市防護(hù)林多分布在道路、河道兩側(cè)，部分河道附近防護(hù)林作為綠化用地，設(shè)計(jì)成為沿河公園，形狀規(guī)整（防護(hù)林寬度從10～1 000 m 不等，>500 m 的防護(hù)林多分布在湖泊和水庫(kù)周圍，城區(qū)內(nèi)的防護(hù)林寬度多在10～100 m之間）；2）在分類時(shí)，數(shù)據(jù)源時(shí)相的差異對(duì)森林產(chǎn)品的分類也有較大影響。北京市太行山綠化工程實(shí)施區(qū)內(nèi)FROMGLC10主要來(lái)源于2017年8月和9月的Sentinel-2，為植被生長(zhǎng)季后期；而NLCD-China 主要來(lái)源于2017 年4 月和9 月的Landsat 8，為植被生長(zhǎng)期初期和后期。在植被生長(zhǎng)季初期，防護(hù)林區(qū)域內(nèi)森林與農(nóng)田、草地和灌木林等光譜特征差異較大，地物識(shí)別相對(duì)容易；但是，由于區(qū)內(nèi)各種植被交錯(cuò)分布，進(jìn)入植被生長(zhǎng)季后期，在一定程度上容易造成森林、農(nóng)田、草地和灌木林的光譜特征混淆[13]，對(duì)森林的分類影響較大；3）FROMGLC10 是采用隨機(jī)森林的方法進(jìn)行分類，而NLCD-China 采用目視解譯的方法進(jìn)行分類，條帶狀的狹長(zhǎng)森林地塊的光譜特征在計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類時(shí)，其特征易與農(nóng)田、草地和灌木林等發(fā)生混淆[28]，但是目視解譯的方法則能更加準(zhǔn)確的判斷出森林的特征。

圖4 豐臺(tái)區(qū)南部遙感產(chǎn)品分類結(jié)果對(duì)比 Fig.4 Comparison of remote sensing classification results in the southern Fengtai district

2.4 多尺度遙感產(chǎn)品的優(yōu)先級(jí)指數(shù)

不同的遙感產(chǎn)品在面積差異性和精度評(píng)價(jià)方面有不同的優(yōu)勢(shì)，空間分布差異也受到分類體系、數(shù)據(jù)源選擇和分類方法的影響表現(xiàn)出較大差別。綜合面積差異性、精度差異性和空間差異性評(píng)估結(jié)果，采用優(yōu)先級(jí)指數(shù)綜合判斷3 種產(chǎn)品在太行山綠化工程區(qū)內(nèi)的適用性，平衡不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品在各方面的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，篩選出不同監(jiān)測(cè)目的條件下太行山綠化工程實(shí)施區(qū)域適用的遙感產(chǎn)品。基于式（3）計(jì)算3 種遙感產(chǎn)品在工程區(qū)內(nèi)優(yōu)先級(jí)指數(shù)（表 6）。對(duì)太行山綠化工程實(shí)施區(qū)內(nèi)遙感產(chǎn)品進(jìn)行整體評(píng)估分析，F(xiàn)ROMGLC10 的優(yōu)先級(jí)指數(shù)略高于NLCD-China 和 MCD12Q1。由于 FROMGLC10 和NLCD-China 兩種遙感產(chǎn)品差距較小，因此當(dāng)主要目的監(jiān)測(cè)森林面積時(shí)，如監(jiān)測(cè)森林面積變化、估算森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等可采用NLCD-China，當(dāng)主要研究目的以監(jiān)測(cè)空間位置為主時(shí)，如森林位置的空間優(yōu)化布局等，F(xiàn)ROMGLC10 的適用性較高。

在豐臺(tái)區(qū)，優(yōu)先級(jí)指數(shù)最高的為NLCD-China，其次為FROMGLC10 和MCD12Q1，該區(qū)域內(nèi)森林面積較小，分布破碎，集中分布森林多以防護(hù)林為主，對(duì)森林分類方法和空間分辨率均有較高要求，NLCD-China 在區(qū)內(nèi)適用性較好。在石景山、門頭溝、房山和昌平區(qū)，優(yōu)先級(jí)指數(shù)從高到低依次為FROMGLC10、NLCD-China 和MCD12Q1。其中，石景山、門頭溝和昌平區(qū)內(nèi)，F(xiàn)ROMGLC10 的優(yōu)先級(jí)指數(shù)優(yōu)勢(shì)較大，是適用性最好的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。在房山區(qū)，F(xiàn)ROMGLC 和NLCD-China 的優(yōu)先級(jí)較為接近，主要由于NLCD-China 在空間位置的精度和面積統(tǒng)計(jì)方面等級(jí)較為均衡，F(xiàn)ROMGLC10 在房山區(qū)空間位置的精度等級(jí)較高，但是面積統(tǒng)計(jì)值與統(tǒng)計(jì)結(jié)果差距較大。因此，在房山區(qū)中，NLCD-China 是綜合應(yīng)用適用性最好的數(shù)據(jù)選擇，但是如果研究只注重空間位置的精度，則FROMGLC10 適用性最好。在海淀區(qū)，雖然FROMGLC10 的優(yōu)先級(jí)指數(shù)最高，但是MCD12Q1 的優(yōu)先級(jí)指數(shù)高于NLCD-China，主要由于MCD12Q1 在海淀區(qū)空間精度和差異性評(píng)估結(jié)果優(yōu)于NLCD-China。可見(jiàn)，在本研究區(qū)內(nèi)，對(duì)森林覆蓋率高、森林分布相對(duì)集中的區(qū)域，空間分辨率越高的數(shù)據(jù)適用性較好，優(yōu)勢(shì)顯著，對(duì)森林覆蓋率低，森林分布較為分散的地區(qū)，空間分辨率差異對(duì)遙感產(chǎn)品的適用性影響較小，其區(qū)域內(nèi)的森林類型，遙感產(chǎn)品的分類標(biāo)準(zhǔn)和分類方法則可能對(duì)遙感產(chǎn)品的適用性產(chǎn)生顯著影響。

表6 遙感產(chǎn)品在工程中各區(qū)的優(yōu)先級(jí)指數(shù) Table 6 Priority index of remote sensing products in all districts of the project

3 結(jié) 論

以北京市太行山綠化工程為例，利用面積偏差系數(shù)、分類精度和優(yōu)先級(jí)指數(shù)等從面積和空間2 個(gè)維度對(duì)3 種不同尺度遙感產(chǎn)品（MCD12Q1、NLCD-China 和FROMGLC10）進(jìn)行工程適用性分析，主要研究結(jié)論如下：

1）太行山綠化工程整體來(lái)看，F(xiàn)ROMGLC10 遙感產(chǎn)品適用性要優(yōu)于NLCD-China 和MCD12Q1。NLCD-China的森林面積與統(tǒng)計(jì)面積一致性較好，其次為MCD12Q1和FROMGLC10；FROMGLC10 空間精度最高，其次為NLCD-China 和MCD12Q1；FROMGLC10 具有最高優(yōu)先級(jí)指數(shù)，其次為NLCD-China 和MCD12Q1；FROMGLC10在空間位置監(jiān)測(cè)方面優(yōu)勢(shì)較大，NLCD-China 在森林面積估測(cè)方面優(yōu)勢(shì)較大，兩組數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)指數(shù)差距較小。

2）區(qū)縣層面上的太行山綠化工程，由于數(shù)據(jù)源、分類方法、地形、植被覆蓋景觀特征等存在差異，3 種不同尺度遙感產(chǎn)品在森林面積、精度評(píng)價(jià)、空間一致性和優(yōu)先級(jí)指數(shù)方面均存在一定的差異，其適用性也不一致。石景山、門頭溝、昌平、海淀和房山區(qū)，F(xiàn)ROMGLC10數(shù)據(jù)適用性最好；豐臺(tái)區(qū)優(yōu)先選擇NLCD-China 數(shù)據(jù)；在房山區(qū)FROMGLC10 和NLCD-China 數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)較為接近。

3）森林分類的定義、數(shù)據(jù)源及時(shí)相選擇、空間分辨率和分類方法是遙感產(chǎn)品適用性選擇的制約因素。通過(guò)優(yōu)先級(jí)指數(shù)綜合評(píng)價(jià)遙感產(chǎn)品的適用性，若出現(xiàn)不同遙感產(chǎn)品的優(yōu)先級(jí)指數(shù)差距很小的情境，則需要結(jié)合數(shù)據(jù)特點(diǎn)和研究目的進(jìn)一步研究確定數(shù)據(jù)適用性的閾值規(guī)則和判別標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程的不同監(jiān)測(cè)研究目的，合理選擇適用性最好的遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)。