林分尺度人工林郁閉度測量方法的比較

劉 恬 李若儀 王春輝 薩如拉 班寰宇

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

郁閉度指林冠的垂直投影面積與林地面積之比，是森林資源調(diào)查中的一個重要調(diào)查因子，在水土流失、水源涵養(yǎng)、林分質(zhì)量評價、森林景觀建設(shè)等方面有廣泛的應(yīng)用。同時，在森林經(jīng)營中，郁閉度是用以進行小班區(qū)劃、確定撫育采伐強度、甚至是判定是否能夠反映森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境的一個重要因子[1]。

目前國內(nèi)外眾多學(xué)者對林分郁閉度估算已有了多種方法，如目測法，樣線法，樹冠投影法和樣點法[2]。而對于郁閉度測量方法之間的比較，有學(xué)者對估算郁閉度的領(lǐng)域和建模方法進行了比較，并且已經(jīng)證明了這些方法之間存在的重要差異[3-4]。Bunnell和Vales證明了因為從測量方法的觀測視角不相同使得基于地面的測量方法所獲得的郁閉度估計值不相同，這一結(jié)論被Kirchoff和Schoen重復(fù)證實[3,5]。祁有祥等人[6]提出用魚眼相機采集冠層圖像獲取郁閉度的方法，結(jié)果表明魚眼相機測量郁閉度的穩(wěn)定系數(shù)可達(dá)92.86%；McIntosh等人認(rèn)為郁閉度可以基于與斷面積和株密度之間已知的關(guān)系來間接估計[7]。趙彤堂等[8]在研究郁閉度的測定方法時，通過對樹冠投影法、樣點抬頭觀測法與郁閉度測定器法進行比較，最終確定以郁閉度測定器法為最優(yōu)方法。李永寧[9]等在郁閉度測定相關(guān)研究中綜述了約14種不同的郁閉度測量與計算方法，并且比較過大、中、小3中視角的數(shù)碼照片與抬頭觀望法之間的關(guān)系，提出對于同一林分而言，大視角數(shù)碼照片結(jié)果偏大，小視角的測定結(jié)果偏小[10]。隨著遙感的發(fā)展，利用遙感觀測手段快速估算大尺度區(qū)域郁閉度方法逐漸被更多研究者使用。Sarvas以及Bunnel等人進行了郁閉度目視估計的測量，Jennings等人證明目視估計是主觀的測量方法，結(jié)果受觀測人員和天氣變化的影響[11]。劉菊[12]考慮到精度與成本，提出了基于GIS的樹冠投影方法，證實既能保證郁閉度的測量精度，又提高了工作效率。吳項乾[13]等利用遙感提取法(直接法)和特征變量模型法(間接法)估算研究區(qū)郁閉度的精度，獲得了較好的結(jié)果。高志雄[14]等結(jié)合ZY-3高分辨率遙感影像的紋理特征,利用面向?qū)ο蟮挠糸]度提取方法,采用逐步回歸的建模方法建立郁閉度估測模型,模型精度較高。

本文通過比較基于地面的郁閉度測量方法(樣線法、樣點法、魚眼相機)和基于遙感圖像的監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類估算林分郁閉度方法之間的關(guān)系，得出3種基于地面的郁閉度測量方法的適用性，以及4種郁閉度測量方法之間在測量人工林郁閉度的基礎(chǔ)上的關(guān)系；同時將從遙感圖像上識別出來的郁閉度進行疊合分析，比較遙感圖像估算郁閉度的方法精度，為以后實地采集郁閉度信息提供一定的參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)域位置與樣地設(shè)置圖Figure1 Study area and plots distribution

旺業(yè)甸林場位于中國內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市喀喇沁旗西南部，行政區(qū)域?qū)儆诳咂烀懒宙?zhèn)。地理坐標(biāo)為118°09′～118°30′E，41°35′～41°50′N(圖1)，旺業(yè)甸林場林地面積2.5×104hm2，南北約28.1km，東西約30.3km，海拔分布在 800～1890m 之間，山體相對高度一般為200～400m，坡度15°～35°；森林覆蓋率達(dá)80%以上。林場由47%的人工林和53%的天然林組成；人工林樹種以油松、華北落葉松為主，其中油松占比51%，落葉松占比47%。天然林中主要由白樺、黑樺、山楊、榆樹、柞樹等樹種組成。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 樣地數(shù)據(jù)

樣地的設(shè)置方案是先以預(yù)設(shè)樣地的中心位置為導(dǎo)航目標(biāo)(圖1)，利用GPS確定該樣地的大概中心位置，結(jié)合地形和林分結(jié)構(gòu)信息，確定樣地的實際范圍和1個角點，利用GPS先確定樣地角點A的位置(XA,YA)，然后根據(jù)樣地走向和角點A，確定樣地其中一條邊的方向，測定定向點E的坐標(biāo)(Xg，YE)，再根據(jù)GPS的放樣程序，以樣地角點A為參考，E為方向點，依次以AB的距離為25m，AC的距離為35.36m，AD的距離為25m分別確定B、C、D三個樣地角點，并精確測量它們的坐標(biāo)值，最后通過A、B、C和D四點的坐標(biāo)檢查樣地設(shè)置精度，精確測定樣地中心位置F的坐標(biāo)。

在旺業(yè)甸林場內(nèi)均勻的設(shè)置了43個25m×25m(0.0625hm2)的方形樣地，其中油松樣地22個，落葉松樣地21個(圖1)。設(shè)置樣地時，綜合考慮了樣地對林分有充分的代表性、樣地必須在同一個林分內(nèi)，不能跨越林分、樣地，應(yīng)均勻的分布在林場內(nèi)等要求。由于研究區(qū)域的海拔分布在800～1890m之間。樣地設(shè)置中將海拔分為小于 1000m、1000～1200m和大于1200m三層，其中小于1000m的樣地設(shè)置2個，1000～1200m的樣地設(shè)置27個，大于1200m的樣地設(shè)置14個，設(shè)置過程中結(jié)合陰坡和陽坡等因素。此外，在考慮齡組、海拔和坡向等地形因素外，樣地設(shè)置還需要顧及林分蓄積量的大小。在外業(yè)調(diào)查中，將樣地的蓄積量分為小于10m3、11～15m3、16m3/-20m3和大于20m3等四個等級；依次選取的樣地數(shù)量為18個、11個、10個、4個。

對每塊樣地內(nèi)的喬木(胸徑≥5cm)進行每木檢尺(樹高、胸徑、冠幅、枝下高)采集數(shù)據(jù)，測定每個樣地的高程，計算每公頃株數(shù)、胸高斷面積以及蓄積，按樹種不同統(tǒng)計出五種齡組的信息(表1)。高程、每公頃株數(shù)、胸高斷面積、樣地面積和平均冠幅是一個范圍值，它是不同齡組中多個樣地數(shù)據(jù)的最小值到最大值；胸高斷面積/樣地面積是樣地每木檢尺的胸徑數(shù)據(jù)求出的單木胸高斷面積進行累加，再將累加值除以樣地面積得到單個樣地胸高斷面積在樣地所占的比例，可以在一定程度上反映樣地的郁閉度；平均冠幅是樣地每木檢尺計算出來的東西、南北方向的冠幅均值。

表1 樣地信息表Table1 Descriptions of the plots

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)

實驗采用的遙感數(shù)據(jù)是高分1號衛(wèi)星拍攝的2m高空間分辨率全色波段圖像和8m多光譜遙感圖像，該數(shù)據(jù)云量較少，成像質(zhì)量較好，成像日期為2017年7月8日。地理坐標(biāo)系采用WGS84坐標(biāo)系，投影坐標(biāo)系采用橫軸墨卡托投影。結(jié)合旺業(yè)甸邊界數(shù)據(jù)和實地采集的樣地位置信息，將樣地落在遙感圖像上，再通過裁剪的部分樣地遙感圖像像元進行非監(jiān)督和監(jiān)督分類，從遙感圖像上估算樣地郁閉度。

2 研究方法與結(jié)果分析

2.1 實測樣地郁閉度計算

每塊樣地中分別采用樣線法、魚眼相機、抬頭觀望法(樣點法)3種方法進行郁閉度測量。樣線法是在方形樣地的兩條對角線上布設(shè)樣線，沿著每條樣線記錄樹冠垂直投影在樣線上的長度，然后通過公式：郁閉度=樣線樹冠投影總長度/對角線長度求出一條對角線上的郁閉度，再用相同方法求出另一條對角線上的郁閉度，最后兩條對角線上的郁閉度值求平均得出該樣地的樣線法郁閉度估計值；魚眼相機是在方形樣地的四個角點和中心點上用魚眼相機拍攝照片，共5幅圖像，然后在室內(nèi)用Win-SCANOPY軟件分析系統(tǒng)計算郁閉度，最后用5幅圖像的郁閉度平均值作為該樣地的魚眼相機郁閉度估計值；樣點法即一步一抬頭，觀測人員在樣地內(nèi)沿著方形樣地的對角線前行，每走一步抬頭看是否被樹冠遮蔽，如是計數(shù)1，否則計數(shù)0，然后用公式：郁閉度=計數(shù)為1的次數(shù)/計數(shù)為1和0的總次數(shù)求得郁閉度，然后用相同的方法求另一條對角線上的郁閉度，將兩個對角線上的郁閉度值求平均得到樣點法的郁閉度值。

2.2 影像樣地郁閉度計算

通過樣地的坐標(biāo)數(shù)據(jù)將樣地落在遙感圖像上，裁剪出43個樣地大小的遙感圖像，在該圖像上選取監(jiān)督分類的訓(xùn)練樣本。訓(xùn)練樣本分為兩類:林地像元樣本和間隙樣本；將原遙感圖像中顏色深(偏黑或深灰)的像元劃分為間隙，顏色亮(偏白或淺灰)的像元劃分為林地；訓(xùn)練樣本在單個樣地內(nèi)每類選擇了2～3個樣本，在將近10個樣地內(nèi)進行了訓(xùn)練樣本的選取。為了避免因樣地像元值之間的差異小于與背景值之間的差異而致使背景值被劃分為一類的情況，在非監(jiān)督分類設(shè)置時選擇自動分成3類，把背景值列為考慮，避免影響影響樣地像元分為林地和間隙兩類。

圖2 落葉松樣地原圖、監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類結(jié)果對比(C:郁閉度)Figure 2 Comparisons of Larch plot image, supervised and unsupervised classification (C refers to canopy closure)

根據(jù)樣線法的郁閉度估計值大小，在43個樣地中選擇了郁閉度值分別較小(a=0.48)、居中(d=0.66)以及較大(g=0.74)的3個落葉松樣地遙感圖像原圖、對應(yīng)的監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類結(jié)果圖(圖2)；其中a、d、g三幅圖像是原圖像，b、e、h是監(jiān)督分類結(jié)果圖；c、f、i是非監(jiān)督分類結(jié)果圖。每幅圖像底下標(biāo)注的是對應(yīng)分類方法所得的郁閉度估計值(為了直觀比較，a、d、g幾張原圖像底下標(biāo)注的是樣線法的郁閉度估計值)。

根據(jù)樣線法的郁閉度估計值大小在43個樣地中選擇了郁閉度值分別較小(a=0.22)、居中(d=0.64)以及較大(g=0.82)的3個油松樣地遙感圖像原圖、對應(yīng)的監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類結(jié)果圖(圖3)；其中a、d、g三幅圖像是原圖像，b、e、h是監(jiān)督分類結(jié)果圖；c、f、i是非監(jiān)督分類結(jié)果圖。每幅圖像底下標(biāo)注的是對應(yīng)分類方法所得的郁閉度估計值(為了直觀比較，a、d、g幾張原圖像底下標(biāo)注的是樣線法的郁閉度估計值)。

2.3 郁閉度分析

2.3.1 單因素方差分析

單因素方差分析是方差分析中最簡單的一種分析方法，這種方法只考慮單一因素A對總體指標(biāo)X的影響。此時其他因素都不變或者控制在一定的范圍之內(nèi)。使用單因素方差分析比較幾種方法之間是否存在顯著性差異。

將遙感圖像監(jiān)督分類結(jié)果與非監(jiān)督分類結(jié)果進行比較分析(表2)，其中，與樣點法的差值、與樣線法差值、與魚眼相機差值是圖像分類方法的平均值與相應(yīng)方法的均值之差。監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類結(jié)果之間有顯著性差異(p<0.05)。將監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類結(jié)果與其他方法之間的差值比較可知，監(jiān)督分類的結(jié)果估算的郁閉度值大于樣線法、樣點法，且與魚眼相機估算郁閉度方法相差較?。环潜O(jiān)督的結(jié)果估算的郁閉度值大于樣線法、樣點法和魚眼相機三種基于地面的測量方法。因此，從遙感圖像上獲取的郁閉度估計值與3種基于地面的郁閉度測量方法相比偏大，其中跟樣線法估計值相差最大，樣點法其次，與魚眼相機測量的估計值相差最小。

圖3 油松樣地原圖、監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類結(jié)果對比Figure 3 Comparisons of Pinus vulgaris plot image, supervised and unsupervised classification results

表2 監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類對比Table 2 Contrast between supervised classification and unsupervised classification

用單因素方差分析和簡單線性回歸將3種基于地面的實測方法與監(jiān)督和非監(jiān)督分類兩種方法進行兩兩比較，結(jié)果顯示幾種方法兩兩之間多數(shù)仍具有顯著性區(qū)別(表3)。樣線法與樣點法、監(jiān)督分類估算郁閉度法和魚眼相機法差異不顯著(p>0.05)；樣線法與魚眼相機法、樣點法與魚眼相機法、樣線法與監(jiān)督分類估算郁閉度法、樣點法與監(jiān)督分類估算郁閉度法、樣線法與非監(jiān)督分類估算郁閉度法、樣點法與非監(jiān)督分類估算郁閉度法、魚眼相機法與非監(jiān)督分類估算郁閉度法、監(jiān)督分類估算郁閉度與非監(jiān)督分類估算郁閉度法之間差異顯著(p<0.05)。

表3 地面測量方法與監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類單因素分析結(jié)果Table 3 Single factor analysis of ground survey methods, supervised classification and unsupervised classification

2.3.2 簡單線性回歸

將遙感圖像的監(jiān)督分類方法與非監(jiān)督分類方法估算郁閉度的結(jié)果與其他3種基于地面的方法計算郁閉度的結(jié)果進行簡單線性回歸分析(表4)，明顯可以看出：3種基于地面方法之間的相關(guān)性高，監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類所得的結(jié)果與3種基于地面方法的相關(guān)性都很低。

表4 地面測量方法與監(jiān)督分類簡單線性回歸分析Table 4 Linear Regression Analysis of Ground Measurement Method and Supervisory Classification

將郁閉度估測值按齡組不同繪制散點圖，進行郁閉度測量方法兩兩對比(圖4)。樣點法和樣線法測量的數(shù)據(jù)大致均勻分布在參照線附近，而且測量值比較聚集，不分散，差異不大；魚眼相機與樣線法和樣點法的相關(guān)性也很高，但是測量數(shù)據(jù)明顯分布在參照線的一側(cè)，魚眼相機的測量值大于樣線法和樣線法；監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類估算的郁閉度與3種基于地面測量方法的相關(guān)性均不高，散點分布散亂不集中，而且看不出散點存在明顯的規(guī)律。非監(jiān)督分類估算郁閉度與樣線法和樣點法的散點圖中，散點集中在參照線的一側(cè)，顯示非監(jiān)督分類的郁閉度估計值大于樣線法與樣點法的郁閉度估計值，而且散點分布比較分散，不集中；非監(jiān)督分類估算的郁閉度與魚眼相機結(jié)果進行比較，散點雖然在參照線的兩側(cè)均有分布，但并沒有呈現(xiàn)出明顯的分布規(guī)律，相關(guān)性不高，非監(jiān)督分類的結(jié)果值略大于魚眼相機。

3 結(jié)論

本研究基于高空間分辨率的遙感圖像進行監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類處理，分別求得郁閉度值，然后與魚眼相機、樣線法和樣點法3種基于地面測量方法所得的郁閉度值采用單因素方差分析以及簡單線性回歸進行比較。結(jié)果表明：3種基于地面方法之間的相關(guān)性較高，而遙感圖像監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類所得的郁閉度結(jié)果與3種基于地面方法的相關(guān)性都很低。從遙感圖像上使用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類兩種不同的分類方法獲取的樣地郁閉度之間的平均值，非監(jiān)督分類大于監(jiān)督分類，這兩種分類方法估算的郁閉度與三種基于地面的測量方法差異從小到大依次是魚眼相機、樣線法和樣點法。將此五種郁閉度測量方法進行兩兩比較，樣線法與樣點法之間沒有顯著性差異，樣線法與魚眼相機、樣點法與魚眼相機之間具有顯著性差異，非監(jiān)督分類與樣線法、樣點法和魚眼相機法之間、監(jiān)督分類與樣線法和樣點法之間具有顯著性差異，而監(jiān)督分類與魚眼相機法測量值并未呈現(xiàn)出顯著性的差異。

對五種方法之間進行簡單線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)樣線法與樣點法、樣線法與魚眼相機、樣點法與魚眼相機之間相關(guān)性比較高；基于遙感圖像的監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類兩種估算方法得到的郁閉度與基于地面的三種方法之間的相關(guān)性都很低。

可以得出結(jié)論：(1)除監(jiān)督分類與魚眼相機測得的郁閉度之間差異性不顯著之外，此5種方法估測的郁閉度值之間差異性均顯著；(2)魚眼相機和基于遙感的監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類估測郁閉度方法得到的估測結(jié)果普遍偏高，可從成像機理角度推測，由于林下植被的影響而造成估測結(jié)果偏大；(3)采用樣線法和樣點法估算郁閉度的精度較其他三種方法較高，但此兩種方法花費人力和物力也較為昂貴。

圖4 地面測量方法與監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類估算郁閉度關(guān)系圖Figure 4 Relation Map of Ground Survey Method with Supervised Classification and Unsupervised Classification Estimation of Canopy Closure