川西山地天然林破壞分布及信息特征

賴家明，李 潔，岳明娣，曾凡明

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，成都 611130；2.四川省林業(yè)工作總站，成都 610081）

應(yīng)用遙感技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)天然林資源變化，分析高分辨率的遙感影像，提取豐富的地物紋理和形狀特征信息[1-4]，進(jìn)行森林內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的提取和分類，準(zhǔn)確掌握天然林資源消長(zhǎng)變化規(guī)律，制定科學(xué)合理經(jīng)營(yíng)管理措施，有利于提高山地林業(yè)保護(hù)與管理能力和效益[5-6]。

地處青藏高原東南緣的西南林區(qū)占我國(guó)天然林總量近1/4，是我國(guó)保存相對(duì)良好的天然林區(qū)之一，是長(zhǎng)江上游的生態(tài)屏障，在維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全和生物多樣性保護(hù)方面舉足輕重。西南山區(qū)天然林不僅是生物多樣性富集區(qū)，也是生態(tài)極脆弱地區(qū)[7]。許多學(xué)者對(duì)該區(qū)林業(yè)資源開(kāi)展了諸多研究，如：鄭勇等[8]應(yīng)用2000—2017年MODIS-NDVI數(shù)據(jù)分析川西高原18a間植被覆蓋度時(shí)空變化情況；國(guó)政等[9]從政策的角度出發(fā)分析探討西南林區(qū)遭到破壞的原因；巫明焱等[10]利用遙感技術(shù)估測(cè)川西亞羅自然保護(hù)區(qū)不同森林植被類型的碳儲(chǔ)量；徐天蜀等[11]運(yùn)用遙感技術(shù)估算云南松林的森林生物量；侯蘭功等[12]基于RS與GIS分析不同地形因子對(duì)涪江中上游地區(qū)景觀格局變化的影響。但在西南林區(qū)基于高分辨率遙感影像進(jìn)行天然林資源監(jiān)測(cè)，提取破壞信息的研究很少。徐喬等[13]利用QucikBrid遙感影像僅提取了研究區(qū)的滑坡區(qū)域；Lu T.等[14]利用遙感技術(shù)提取四川茂縣地震前后滑坡區(qū)域的植被信息，但是未涉及其他破壞類型的研究。目前應(yīng)用遙感進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)已經(jīng)較成熟[15-21]，利用遙感影像提取川西山地天然林破壞信息不僅方便快捷，投入成本低，而且具有較高的準(zhǔn)確性和較強(qiáng)的時(shí)效性。

本文以川西小金縣夾金山木城溝流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于QucikBrid影像數(shù)據(jù)，結(jié)合研究區(qū)森林資源二類調(diào)查成果數(shù)據(jù)，以人機(jī)交互的形式完成監(jiān)督分類，探索應(yīng)用遙感技術(shù)分層提取天然林破壞信息，分析其空間分布特征，以提高天然林資源監(jiān)測(cè)效益和精度，為川西林區(qū)天然林資源的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州小金縣南部，地處東經(jīng) 102°36′～102°41′、北緯 30°59′～30°52′之間，區(qū)域土地總面積為4 885.63 hm2。研究區(qū)地處邛崍山脈西側(cè)，夾金山北側(cè)，屬于暖溫帶半干旱河谷氣候。研究區(qū)存在著垂直分布土壤結(jié)構(gòu)，海拔從低到高依次分布有山地褐土、山地棕壤、山地暗棕壤、灰化土、亞高山草甸土、高山草甸土和高山寒漠土。研究區(qū)森林植被分布具有明顯的坡向分布特征。陰坡植被類型主要有岷江冷杉（Abies fargesii var.faxoniana）林、高山櫟（Quercus semecarpifolia）林或灌叢、高山草甸等。陽(yáng)坡植被以旱生性灌叢為主，主要種類有小檗屬（Berberis）、羊蹄甲屬（Bauhinia）和鼠李屬（Rhamnus）等。

1.2 研究材料

研究使用Qucikbird影像數(shù)據(jù)購(gòu)置于北京視寶衛(wèi)星圖像有限公司，成像時(shí)間為2019年12月24日，其全色波段空間分辨率為0.61 m，多光譜波段為2.0 m；使用的其他數(shù)據(jù)還有研究區(qū)1：50 000地形圖、5 m分辨率DEM數(shù)據(jù)、森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查專題圖層等輔助數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

使用ENVI 5.0遙感圖像處理軟件，對(duì)Qucikbird影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何校正、大氣校正等預(yù)處理，使用Gram-Schmidt模型融合多光譜和全色影像，用最大似然法(maximum likelihood)對(duì)融合影像進(jìn)行監(jiān)督分類(supervised classification)，結(jié)合研究區(qū)森林資源二類調(diào)查成果數(shù)據(jù)，人機(jī)交互完善解譯結(jié)果，制作研究區(qū)土地覆蓋類型、喬木樹(shù)種分布和喬木林郁閉度分級(jí)圖層（圖1(a)、(b)）；使用ArcGIS 10.2軟件空間分析工具，基于DEM數(shù)據(jù)，生成研究區(qū)高程圖、坡度圖和坡向圖（圖1(c)、(d)和(e)）；依據(jù)水利部《土壤侵蝕分類分組標(biāo)準(zhǔn)》(1997)和《應(yīng)用遙感技術(shù)編制全國(guó)土壤侵蝕圖技術(shù)工作細(xì)則》的規(guī)定，本文對(duì)溝谷密度進(jìn)行6個(gè)分級(jí)區(qū)劃，使用ArcGIS10.8軟件密度分析工具制作的研究區(qū)溝谷密度圖層（圖1(f)）；使用距離分析工具制作道路緩沖距離圖層（圖1(g)）和民居緩沖距離圖層（圖1(h)）。

圖1 研究區(qū)天然林破壞影響因子Figure 1 Factors affecting the destruction of natural forests in the study area

1.3.1 天然林破壞類型劃分

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[22-25]并結(jié)合實(shí)地調(diào)查，本文對(duì)天然林資源存在直接或潛在危害的破壞現(xiàn)象分為地質(zhì)滑坡、農(nóng)牧活動(dòng)、風(fēng)倒損毀和雪壓損毀等4個(gè)基本類型，道路修筑和民居建造對(duì)地質(zhì)滑坡和農(nóng)牧破壞具有間接作用。

1.3.2 天然林破壞信息提取方法

①面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罘?/p>

運(yùn)用eCongnition 8.64遙感圖像處理軟件，對(duì)影像上具有明顯特征的地質(zhì)滑坡體、道路修筑和民居建造等破壞類型，采用面向?qū)ο蟮亩喑叨确指罘ㄟM(jìn)行破壞信息提取。通過(guò)edge 3d filter算法，經(jīng)比較、篩選確定了最優(yōu)的分割尺度和參數(shù)（表1）。

表1 不同破壞類型多尺度分割最優(yōu)參數(shù)Table 1 Optimal parameters for multiscale segmentation of different types of destruction

根據(jù)地質(zhì)滑坡、道路修筑、民居建造天然林3種破壞類型的外部特征，建立了分類識(shí)別規(guī)則集，提取天然林破壞信息。建立的分類識(shí)別規(guī)則集如下圖2所示。

圖2 QuickBird影像分類識(shí)別規(guī)則集Figure 2 Rule set for classification and recognition of QuickBird images

②實(shí)地調(diào)查提取法

因風(fēng)倒損毀、雪壓損毀和農(nóng)牧活動(dòng)等3類天然林破壞類型在遙感影像中特征不明顯，采用樣線調(diào)查法現(xiàn)地提取相關(guān)信息。參考研究區(qū)天然林分布和地形環(huán)境等因素共設(shè)置了5條調(diào)查路線。

1.3.3 天然林破壞信息分布特征提取

將天然林破壞信息圖層、地形因子圖層（高程、坡度和坡向）、植被覆蓋圖層和緩沖距離圖層等多個(gè)要素圖層進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換地理配準(zhǔn)，柵格疊加和字段計(jì)算，獲取天然林破壞信息分布特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞類型的面積

提取研究區(qū)地質(zhì)滑坡面積為6.53 hm2；道路面積為8.13 hm2；民居面積為4.60 hm2；總體分類精度都超過(guò)87%。采用實(shí)地調(diào)查提取農(nóng)牧面積60.34 hm2，雪壓損毀喬木33株，風(fēng)倒損毀喬木29株。提取的地質(zhì)滑坡、道路和民居信息圖層如圖3。

圖3 破壞信息提取結(jié)果Figure 3 Destruction of information extraction results

2.2 地質(zhì)滑坡破壞信息分布

由表2可見(jiàn)，地質(zhì)滑坡的分布與坡度、土地覆蓋類型、溝谷密度和距道路距離等因素均存在密切關(guān)聯(lián)。地質(zhì)滑坡面積分布隨著坡度增加而增大。在≥35°的坡度分級(jí)中達(dá)到最大（3.29 hm2），比例為50.38%；地質(zhì)滑坡面積分布與土地覆蓋類型有關(guān)，從祼地、草地、灌木到有林地，隨植被覆蓋類型的改變，面積分布在減少。在裸地區(qū)域面積分布最多（2.50 hm2），比例為38.28%；在有林地區(qū)域分布最少（0.30 hm2），比例僅為4.6%。地質(zhì)滑坡面積分布總體上隨溝谷密度的增加而增大，在溝谷密度≥7 km/km2的區(qū)域，面積分布達(dá)到最大值（4.13 hm2），比例為63.25%；地質(zhì)滑坡面積分布總體上隨緩沖距離增大呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在小于100 m的距離內(nèi)，面積分布最大，比例為56.67%，在≥1 500 m的距離范圍，面積分布最小，比例為7.81%。

表2 滑坡破壞信息分布Table 2 information distribution of landslide damages

2.3 農(nóng)牧破壞信息分布

通過(guò)實(shí)地調(diào)查得到農(nóng)牧破壞信息如表3所示，農(nóng)牧破壞面積分布主要集中在坡度25°以下區(qū)域，在坡度≥25°以上的區(qū)域，分布面積僅有6.19 hm2,比例為10.26%。在不同土地覆蓋類型下，農(nóng)牧破壞面積分布差別較大，主要分布在草地覆蓋區(qū)域，占總面積的60%左右，其次是灌木林地覆蓋區(qū)域，分布面積為17.54 hm2，比例為29.1%；隨緩沖距離的增加農(nóng)牧破壞面積的分布呈下降趨勢(shì)，主要集中分布在1 000 m距離以內(nèi)，在小于500 m的距離范圍內(nèi)，分布面積為26.42 hm2，在（500～1 000）m距離內(nèi)，分布面積為20.88 hm2，二者分布面積之和為47.30 hm2，比例占78.39%。由于家畜一般以草本和灌木為食，所以在靠近民居處的草地和灌木林地破壞面積較大。

表3 農(nóng)牧破壞信息分布Table 3 The distribution of information on the destruction of agriculture and animal husbandry

2.4 雪壓損毀破壞信息分布

通過(guò)實(shí)地調(diào)查得到的雪損破壞信息如表4所示，在不同高程區(qū)間內(nèi)，都存在雪壓損毀破壞，在不同高程區(qū)間破壞信息分布有明顯差異，總體上隨高程增加，雪壓損毀株數(shù)比例在增大，集中分布在（3 400～3 800）m高程區(qū)間，損毀株數(shù)比例達(dá)到69.70%；與高程因素不同，雪壓損毀破壞信息并沒(méi)有出現(xiàn)在所有坡向分級(jí)中，主要集中在北坡和西北坡，其中北坡13株、西北坡10株，株數(shù)比例分別為39.39%、30.30%；雪壓損毀破壞在不同樹(shù)種均有分布，主要分布在冷杉樹(shù)種，有22株，株數(shù)比例高達(dá)66.67%，落葉松有5株，比例為15.15%，云杉有4株，比例為12.12%。其他樹(shù)種沒(méi)有發(fā)生雪損破壞現(xiàn)象。主要原因是冷杉、落葉松和云杉主要分布在雪損發(fā)生概率較高的高程區(qū)間內(nèi)，同時(shí)其面積占比較大，因此受雪壓損毀的株數(shù)較多。

表4 雪壓損毀信息分布Table 4 Snow damage information distribution

2.5 風(fēng)倒損毀破壞信息分布

實(shí)地調(diào)查得到風(fēng)損破壞信息如表5所示，在高程4 200 m以下都存在風(fēng)損破壞，在（3 400～3 800）m高程區(qū)間，風(fēng)損株數(shù)達(dá)15株，比例高達(dá)51.72%，其次是（3 000～3 400）m和（3 800～4 200）m高程區(qū)間分別有7株和6株，比例分別為24.14%和20.69%；風(fēng)損破壞信息在坡向分布上呈現(xiàn)出明顯的差異性。在西北坡、北坡和西坡分布株數(shù)較多，比例分別為44.83%、24.14%和17.24%，在其他坡向上分布則較少；風(fēng)損破壞信息的分布在不同郁閉度等級(jí)上則表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，總體趨勢(shì)是隨郁閉度增加，破壞株數(shù)分布比例下降。在小于0.3郁閉度天然林分中，風(fēng)損株數(shù)為12株，株數(shù)比例達(dá)41.38%，而在≥0.7的高郁閉度天然林分，損毀株數(shù)僅為1株，比例僅為3.45%。

表5 風(fēng)倒損毀信息分布Table 5 Wind down damage information distribution

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

基于Qucikbird影像數(shù)據(jù)，采用多尺度分割方法提取天然林破壞信息。研究區(qū)天然林資源主要受到地質(zhì)滑坡、農(nóng)牧活動(dòng)、雪損和風(fēng)損等危害類型的破壞，提取地質(zhì)滑坡面積6.53 hm2，農(nóng)牧面積60.34 hm2，雪圧損毀喬木33株，風(fēng)倒損毀喬木29株；各破壞類型信息在空間分布上呈現(xiàn)出明顯的特征差異；地質(zhì)滑坡信息分布集中在溝谷密度和坡度較大的裸地區(qū)域，農(nóng)牧活動(dòng)信息集中在小坡度且鄰近民居的草地區(qū)域，風(fēng)損信息集中在中低郁閉度下西北坡向的有林地區(qū)域，雪損信息分布與高程、坡向和樹(shù)種緊密相關(guān)。

3.2 結(jié)論

地質(zhì)滑坡空間分布與地理空間環(huán)境相關(guān)，本研究表明隨坡度和溝谷密度和的增大，其面積分布呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而隨植被覆蓋和緩沖距離的增加，其面積分布反向降低。數(shù)據(jù)表明大坡度地域的天然林受地質(zhì)滑坡破壞的危險(xiǎn)性較大，力學(xué)原理上，重力的剪切力隨坡度增加也在遞增，導(dǎo)致地質(zhì)滑坡概率增大；在極強(qiáng)烈和劇烈水土流失區(qū)（溝谷密度≥5 km/km2），必須采取強(qiáng)化措施保護(hù)天然林，才能取得理想效果。土地覆蓋類型與地質(zhì)滑坡面積分布的關(guān)系證實(shí)了增加植被覆蓋可減小天然林遭受地質(zhì)滑坡危害的概率。由于地表植被覆蓋的增加，保護(hù)了地表結(jié)構(gòu)，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異，不同覆蓋類型對(duì)地表的保護(hù)功能也有強(qiáng)弱之別，這也體現(xiàn)在不同覆蓋類型下地質(zhì)滑坡破壞面積分布差異上。

農(nóng)牧活動(dòng)對(duì)天然林資源有重要影響，它破壞地表結(jié)構(gòu)，損毀林下植被，降低生物多樣性，降低生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本研究表明，農(nóng)牧破壞信息分布集中在草地和灌木覆蓋的低坡度（<25°）區(qū)域。當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧活動(dòng)集中在坡度較小草地和灌木林地中，同時(shí)與民居點(diǎn)緩沖距離也影響農(nóng)牧活動(dòng)的分布，距離小，農(nóng)牧活動(dòng)集中，對(duì)天然林破壞的概率和程度就大，這也是天然林保護(hù)過(guò)程中值得注意的現(xiàn)象。

風(fēng)倒和雪損的發(fā)生受地理環(huán)境和氣候條件綜合影響，本研究表明風(fēng)損和雪損破壞信息分布與研究區(qū)地形條件和林分郁閉度相關(guān)。隨高程增加，風(fēng)損和雪損面積分布增加。劉志強(qiáng)等的研究也表明，氣流過(guò)山坡時(shí)，在坡底風(fēng)速會(huì)減小，在坡面爬升風(fēng)速會(huì)增大[26]。在陰坡坡向上雪損信息分布較為集中。首先水熱條件決定林木主要生長(zhǎng)在陰坡，其次陰坡融雪慢，積壓時(shí)間長(zhǎng)，雪損破壞發(fā)生的概率大危害程度加深。林分郁閉度也是一個(gè)重要因素，在低郁閉度林分中，林間空隙越大，空氣流動(dòng)性就越大，林木受風(fēng)損的危險(xiǎn)性就越大，反之則小。在川西山地需要加強(qiáng)坡面上林木的撫育管理，定期清理陰坡上的積雪，降低林木受風(fēng)損、雪損破壞的概率。