火災(zāi)和地質(zhì)災(zāi)害對森林的干擾及其恢復(fù)評估

蔣宇威 李登秋

摘要 以浙江省杭州市臨安區(qū)森林植被作為研究對象，選擇火災(zāi)、泥石流和滑坡3種典型森林干擾類型，利用1984—2016年所有可用Landsat遙感影像，采用分段諧波模型擬合方法，對干擾發(fā)生前后植被的生長狀況進(jìn)行表征，對不同干擾類型導(dǎo)致的植被生長狀況及干擾后恢復(fù)過程進(jìn)行評估。結(jié)果表明：3種干擾事件均導(dǎo)致植被歸一化指數(shù)（NDVI）呈現(xiàn)顯著下降，火災(zāi)和泥石流導(dǎo)致植被的變化程度分別為22.7%和20.5%，而滑坡則導(dǎo)致植被的下降程度達(dá)42.7%。災(zāi)后植被均呈現(xiàn)快速恢復(fù)，但過程存在一定差異，火災(zāi)、泥石流和滑坡對植被所造成的破壞分別需要4、6和5年恢復(fù)到災(zāi)前植被覆蓋水平。時間序列Landsat數(shù)據(jù)能夠較好地表征干擾植被變化過程，可為監(jiān)測和評估不同干擾事件對植被生長的影響提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 地質(zhì)災(zāi)害;森林火災(zāi);植被干擾;NDVI;時間序列

中圖分類號 S 771.8 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2021）14-0106-04

Abstract Using all available Landsat images between 1984 and 2016， this study selected three typical forest disturbance types （fire， mudslide and landslide） to assess their impacts on vegetation coverage in Linan District， Hangzhou City， Zhejiang Province. The piecewise harmonic model was used to fit the time series Landsat Normalized Difference Vegetation Index （NDVI）， which can characterize the vegetation coverage condition before and after the disturbance. The results showed that the NDVI decreased significantly after the three disturbance events occurred. The change degrees in the fire， mudflow and landslide areas were 22.7%， 20.5% and 42.7%， respectively. Vegetation recovered rapidly after the disasters， but there were some differences in the processes. The areas disturbed by fire， mudflow and landslide needed 4， 6 and 5 years to recover to the predisturbance coverage level， respectively. Dense time series Landsat data can represent the vegetation change process， and provide a basis for evaluating the impact of different disturbances on vegetation coverage.

Key words Geological disasters;Forest fire;Vegetation disturbance;NDVI;Time series

基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金（41701490）;國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2016YFC0503302）。

作者簡介 蔣宇威（1995—），男，浙江臺州人，從事災(zāi)害評估與時間序列遙感數(shù)據(jù)分析研究。*通信作者，副教授，博士，從事時間序列遙感森林變化監(jiān)測研究。

收稿日期 2020-11-06

干擾普遍存在于森林生態(tài)系統(tǒng)，是森林群落演替的驅(qū)動力之一[1]。根據(jù)干擾起因，森林干擾可分為自然干擾和人為干擾2種類型[2]。地質(zhì)災(zāi)害與火災(zāi)是森林自然干擾的重要組成部分，地質(zhì)災(zāi)害是指由于自然或人為作用在地球表層比較強(qiáng)烈地破壞人類生命財產(chǎn)和生存環(huán)境的巖土體移動事件，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往會導(dǎo)致森林被掩埋毀壞。森林火災(zāi)是指失去人為控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴(kuò)展，直接減少森林面積，破壞森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)失衡、森林生物量下降、生產(chǎn)力減弱的自然災(zāi)害。準(zhǔn)確表征森林干擾的破壞程度以及植被恢復(fù)過程，對于保護(hù)和管理森林生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義[3-4]。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，時間序列遙感已成為森林動態(tài)監(jiān)測的重要手段[5-8]。目前，基于時間序列遙感數(shù)據(jù)對植被變化監(jiān)測已有大量研究[9]，如羅火錢等[10]采用多時相遙感影像評價了火燒跡地的森林恢復(fù)情況;梁超等[11]以災(zāi)害前后2期中分辨率成像光譜儀（moderateresolution imaging spectroradiometer，MODIS）歸一化植被指數(shù)（normalized difference vegetation index，NDVI）數(shù)據(jù)提取了災(zāi)害導(dǎo)致的植被破壞區(qū)，發(fā)現(xiàn)泥石流對植被的破壞程度最嚴(yán)重，崩塌次之，滑坡的破壞程度相對最低，且植被的破壞程度與海拔、坡度均有關(guān)系。侍昊等[12]基于2005—2008年MODIS NDVI構(gòu)建了森林災(zāi)害評估體系，以探測森林資源損失的空間分布范圍和災(zāi)害等級。不同災(zāi)害對植被干擾程度不同，植被覆蓋度對災(zāi)后損害響應(yīng)存在滯后性，受損植被恢復(fù)率與水系距離、海拔等相關(guān)，且存在明顯的空間差異[13-14]。長時間序列遙感能夠持續(xù)地監(jiān)測森林變化特征，為森林生產(chǎn)力與森林碳儲量評估提供有效的數(shù)據(jù)支撐[15]，但目前相關(guān)研究較多集中于單一的森林干擾，且多以中分辨率成像光譜儀（MODIS）等低分辨率或多期Landsat數(shù)據(jù)為主，對于我國亞熱帶森林地區(qū)小尺度、破碎化的干擾事件難以進(jìn)行有效監(jiān)測，且僅依靠多期遙感數(shù)據(jù)難以有效表征植被干擾和恢復(fù)過程。筆者基于歷史可用Landsat NDVI數(shù)據(jù)和分段諧波模型，分析滑坡、泥石流和火災(zāi)3種干擾類型對亞熱帶森林植被的干擾程度以及災(zāi)后植被恢復(fù)過程。

1 材料與方法

1.1 地質(zhì)災(zāi)害與火災(zāi)數(shù)據(jù)

以浙江省杭州市臨安區(qū)為調(diào)查區(qū)域，臨安區(qū)森林覆蓋率達(dá)78.2%，森林資源豐富，且氣候季節(jié)性明顯，是森林火災(zāi)易發(fā)區(qū)域。臨安區(qū)以中低山丘陵為主要地貌，雨量充沛季節(jié)，易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，尤以山核桃種植區(qū)清涼峰鎮(zhèn)與昌化鎮(zhèn)為主要易發(fā)區(qū)域。基于野外調(diào)查及歷史數(shù)據(jù)確定3個典型干擾區(qū)域，包括1個火災(zāi)區(qū)域、1個滑坡區(qū)域及1個泥石流區(qū)域（表1）。結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)、Google Earth以及Landsat歷史影像，明確每個干擾事件的影響范圍（圖1），用于計算每期Landsat影像干擾區(qū)域NDVI平均值。

1.2 時間序列Landsat NDVI數(shù)據(jù)

Landsat衛(wèi)星是由美國航空航天局（NASA）發(fā)射的用于探測地球資源與環(huán)境的系列地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，自1972年7月23日以來，已發(fā)射8顆衛(wèi)星。該研究通過USGS下載了覆蓋研究區(qū)的1984—2016年云量小于80%的所有Landsat TM/ETM+/OLI數(shù)據(jù)（圖2），共收集1 045幅Landsat L1T影像數(shù)據(jù)（其中，軌道P119/R039 483幅，軌道P118/R041 563幅）。Landsat L1T產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過大氣校正、幾何校正、云和陰影的檢測，采用式（1）對每景數(shù)據(jù)計算NDVI，來表征植被生長狀況。NDVI能夠綜合反映植物生長、覆蓋、生物量和植被種類等情況，通過植被NDVI值的變化，可以分析區(qū)域內(nèi)植被的生長及其變化特征，并能監(jiān)測干擾后的植被恢復(fù)情況。

NDVI=（NIR- R ）/（NIR+ R ）（1）

式中，NIR為近紅外波段反射率， R 為紅波段反射率。

1.3 研究方法

根據(jù)每個干擾事件的發(fā)生范圍和1984—2016年每期Landsat NDVI數(shù)據(jù)，利用R語言提取出每景影像中干擾區(qū)域的NDVI平均值，采用時間序列諧波模型對每個干擾事件發(fā)生前后時間序列NDVI進(jìn)行擬合[式（2）]，模型系數(shù)由普通最小二乘法估計，采用公式（3）～（5）評估干擾對森林植被的影響。在時間序列模型中， βi是表征植被生長的總體特征，ai和bi 代表了物候?qū)W和日照角差異引起的NDVI的年內(nèi)變化， ci 捕獲NDVI的年際變化。

其中， βi和ci 代表截距和年際變化（斜率）系數(shù)， t start， i 和 t end， i 代表干擾前（后）時間序列NDVI起始點(diǎn)（儒略日）和終止點(diǎn)（儒略日）。NDVIstart， i 和NDVIend， i 代表干擾前（后）時間序列起始點(diǎn)和終止點(diǎn)剔除季節(jié)影響后的NDVI。 A 表示干擾導(dǎo)致的NDVI凈變化， Ar 表示干擾導(dǎo)致的NDVI相對變化程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 火災(zāi)對植被的干擾過程

時間序列Landsat NDVI和諧波模型擬合結(jié)果表征了火災(zāi)對植被的影響過程（圖3），火災(zāi)發(fā)生前，該區(qū)域以杉木林為主，NDVI處于較穩(wěn)定的季節(jié)波動狀態(tài)，擬合曲線的斜率接近于0，表明在未遭受明顯干擾的情況下，植被變化主要表現(xiàn)為季節(jié)波動。火災(zāi)后發(fā)生后（2008年），時間序列NDVI表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，NDVI在火災(zāi)發(fā)生后顯著降低，由災(zāi)害前的0.61降低為0.47（表2），植被在受到干擾后恢復(fù)過程明顯，NDVI呈現(xiàn)顯著上升趨勢，且2008—2016年一直處于快速恢復(fù)狀態(tài)，在2012年基本恢復(fù)到干擾前水平，但干擾后植被NDVI的波動幅度強(qiáng)于干擾發(fā)生前，主要原因在于火災(zāi)發(fā)生后，部分森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田、苗木，使得植被季節(jié)變化增強(qiáng)。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害對植被的干擾過程

2.2.1 泥石流對植被的干擾過程。

圖4表征了泥石流對植被的影響及其恢復(fù)過程，災(zāi)害發(fā)生前，植被覆蓋度相對較好，NDVI圍繞0.7呈現(xiàn)季節(jié)性波動，該地點(diǎn)由于突降特大暴雨造成山體塌方，由此引發(fā)泥石流，泥石流導(dǎo)致NDVI顯著下降，由災(zāi)害前的0.70降低為0.56（表2），與火災(zāi)干擾相類似，泥石流發(fā)生后植被呈現(xiàn)快速恢復(fù)，于2011年左右恢復(fù)至災(zāi)前水平，與災(zāi)害發(fā)生前相比NDVI季節(jié)性波動無明顯差異。

2.2.2 山體滑坡對植被的干擾過程。

圖5為滑坡對植被的影響過程，該地區(qū)地勢較陡（坡度達(dá)到30～50°），土層厚度達(dá)3～8 m，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱;存在人類工程活動影響，切坡修路改變了坡面的原始狀況，降低了山體的穩(wěn)定性，加上受“莫拉克”臺風(fēng)影響導(dǎo)致的持續(xù)降雨，使土體水分處于過飽和狀態(tài)，從而引發(fā)滑坡。相比于火災(zāi)發(fā)生范圍，滑坡發(fā)生區(qū)域面積較小，在Landsat上僅表現(xiàn)為2個像元，滑坡發(fā)生前NDVI均值處于0.5左右，NDVI呈現(xiàn)一定的增加趨勢，滑坡導(dǎo)致NDVI下降較為顯著，由災(zāi)害前的0.59降低為0.33，變化率達(dá)42.7%（表2），滑坡發(fā)生后植被恢復(fù)速度顯著，災(zāi)害發(fā)生后NDVI于2014年恢復(fù)到災(zāi)前水平。

3 結(jié)論與討論

該研究通過長時間序列密集遙感數(shù)據(jù)表征植被長期變化及干擾事件對植被生長過程的影響，基于諧波模型擬合能夠較好地消除時間序列異常值和季節(jié)波動對植被變化監(jiān)測的不利影響，通過對火災(zāi)、泥石流和滑坡3種典型干擾事件影響下的時間序列NDVI分析，發(fā)現(xiàn)3種干擾事件均導(dǎo)致NDVI顯著降低，其中火災(zāi)和泥石流導(dǎo)致植被的變化程度分別為22.7%和20.5%，滑坡則導(dǎo)致植被的下降程度達(dá)42.7%。災(zāi)后植被均呈現(xiàn)快速的恢復(fù)，但恢復(fù)過程存在一定差異，火災(zāi)、泥石流和滑坡對植被所造成的破壞分別需要4、6和5年恢復(fù)到災(zāi)前植被覆蓋水平。

該研究中火災(zāi)所導(dǎo)致的干擾面積較大，而泥石流和滑坡則僅發(fā)生在有限的幾個像元內(nèi)，且存在一定的混合像元，可能會低估地質(zhì)災(zāi)害對植被的破壞能力。泥石流發(fā)生的區(qū)域，雖然NDVI表明植被覆蓋良好，但由于處于山核桃種植區(qū)，林下植被多被清理，水土流失嚴(yán)重，是發(fā)生泥石流的重要原因。在火災(zāi)發(fā)生區(qū)域，部分像元災(zāi)后土地利用類型發(fā)生了變化，由森林轉(zhuǎn)為農(nóng)田、苗木和建設(shè)用地，使得整個火災(zāi)區(qū)域的植被恢復(fù)更為復(fù)雜，更為詳細(xì)地評估火災(zāi)對植被的影響需要在像元尺度開展。此外，部分像元干擾發(fā)生后，NDVI呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，表明干擾發(fā)生后植被呈現(xiàn)持續(xù)惡化，這些特征需在具體的災(zāi)害評估中進(jìn)一步明確其影響因素。

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