基于SPOT5的岱山島沿海防護林動態監測

張 艷，郭彥茹，張曉勉，高智慧，岳彩榮，郭志華*

（1. 西南林業大學，云南 昆明 650224；2. 中國林業科學研究院濕地研究所，北京 100091；3. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；4. 浙江省林業技術推廣總站，浙江 杭州 310020）

基于SPOT5的岱山島沿海防護林動態監測

張 艷1,2，郭彥茹2，張曉勉3，高智慧4，岳彩榮1，郭志華2*

（1. 西南林業大學，云南 昆明 650224；2. 中國林業科學研究院濕地研究所，北京 100091；3. 浙江省林業科學研究院，浙江 杭州 310023；4. 浙江省林業技術推廣總站，浙江 杭州 310020）

利用2003年、2011年兩期SPOT5遙感數據，對岱山島沿海沿海防護林的現狀和近8年來的動態進行遙感監測。結果表明：面向對象分類方法的沿海防護林分類精度達85.2%，kappa系數為0.81；2011年，岱山島沿海防護林主要以混交林為主，其次是常綠闊葉林和針葉林，分別占75%、10%和4%；2003-2011年，岱山島的常綠闊葉林和針葉林面積分別減少50%和22%，而混交林面積增加20%，部分防護林開發為建筑用地，沙質海岸新增木麻黃（Casuarina equisetifolia）防護林帶。

沿海防護林；變化監測；面向對象分類；SPOT5

沿海防護林主要以人工植被為主，作為海岸帶的重要屏障，在防風固沙、護岸護堤、維護生態、防御自然災害等方面發揮著極其重要作用，其生態效益和社會效益十分明顯[1]。隨著人們對沿海防護林資源生態效益、社會效益及經濟效益認識的深化和對其管理保護的日益重視，沿海防護林資源調查及其變化監測的重要性日益突出。傳統的沿海防護林資源監測方法主要以海岸帶實地調查為主，不僅速度慢、周期長、耗費大，而且很難進行歷史數據的收集，不利于防護林動態變化信息的提取。而衛星遙感技術獲取數據具有宏觀、綜合、動態和時間間隔短等特點，可以彌補常規監測方法的不足，在防護林資源調查中提供強有力的技術保障[2]。

近年來，利用遙感數據進行土地利用遙感分類方法[3]、植被分布變化監測[4]、NPP動態監測[5]、生物量和碳儲量估算[6]、森林水文[7]、自然災害監測和評估[8]、病蟲害監測[9]等方面的研究日益增多。在沿海防護林資源遙感監測方面，Landsat TM（30 m分辨率）、MODIS（250 m分辨率）等中低空間分辨率的遙感數據主要應用于區域大尺度的沿海防護林監測[10]，SPOT5、IKONOS和QuickBird等高分辨率影像主要應用在地區小尺度沿海防護林監測[11~12]，雷達遙感影像數據也被用于沿海防護林的立地條件、幾何形態和生物量等的探測[13]，衛星遙感為科學實時地進行沿海防護林資源管理提供了有效的技術手段。

本文利用兩期的SPOT5全色和多光譜遙感數據，對浙江舟山市岱山島沿海防護林資源進行提取，分析岱山島沿海防護林分布現狀及近 8a的沿海防護林變化動態，這對于沿海防護林資源監測及沿海地區的生態環境建設，都具有重要的現實意義。

1 研究區概況

岱山島位于舟山本島以北，地處杭州灣口外，位于太平洋西部東海西部，30°12′ ~ 30° 21′ N、121°02′ ~ 123°15′ E，陸地面積119.3 km2。岱山島位于歐亞大陸中部的副熱帶季風氣候區，屬北亞熱帶南緣海洋性季風氣候，四季分明，溫暖濕潤，年平均氣溫16.2℃，年平均降水量1 070 mm。島上陸域狹窄，丘陵起伏，谷地水域面積小，源短量少，屬間歇性水流。岱山島主要土壤為粗骨土和紅壤，土體淺薄，土體厚度一般在30 cm左右。岱山島的地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林。由于受人類長期活動影響，原始植被群落破壞嚴重，典型的常綠闊葉林相對較少，多呈區域性或塊狀分布于生境較好的山谷地段。現存的森林植被主要有混交林、常綠闊葉林、針葉林、竹林、灌木林等[14]。

2 數據與方法

2.1 數據源及野外調查方法

研究區數據包括覆蓋岱山島的2003年9月7日、2011年9月8日兩期SPOT5衛星遙感數據，其中包括10 m多光譜和2.5 m全色數據（購自中科院衛星地面接收站）、岱山島數字正射影像圖（DOM，Digital Orthophoto Map）、森林資源二類調查數據（2011年，來自岱山縣農林局）以及實地測得的 GPS數據。野外調查主要以GPS野外采點為主，記錄其地理位置及防護林植被類型。

2.2 數據預處理

采用二次多項式結合 DOM數據進行幾何校正，用雙線性內插法對影像進行重采樣，并利用短波紅外，從圖像中選取亮度值較低的水體為參照，對圖像進行相對輻射校正，最后利用ERDAS IMAGINE 9.2分別將兩期SPOT 5全色數據與多光譜數據融合[15]。

2.3 岱山島沿海防護林分類

根據岱山島沿海防護林植被情況，將整個島嶼土地利用分為有林地和非有林地，其中非有林地分為建筑用地、鹽田、水體，有林地分為混交林、常綠闊葉林、針葉林、竹林、灌木林等類型。

2.4 面向對象遙感分類及精度驗證

本文采用面向對象的遙感圖像分類方法提取岱山島防護林植被信息。面向對象遙感分類方法可突破傳統的以像元為基本分類和處理單元的分類方法的局限性，以含有更多語義信息的多個相鄰像元組成的對象為處理單元，實現較高層次的遙感圖像分類和目標地物提取[16]。本文的面向對象遙感分類基于ENVI ZOOM環境下進行，結合岱山森林資源二類調查小班數據及實地調查情況對提取出來的沿海防護林植被信息進行分類，將防護林分為常綠闊葉林、針葉林、混交林、竹林、灌木林等。

采用隨機采樣的方法在野外采集97個GPS觀測點，其中57個作為訓練樣本，40個作為檢驗樣本，通過生成混淆矩陣并計算分類精度和Kappa系數，對分類結果進行精度評價。

3 結果與分析

3.1 分類精度驗證

將野外采集的GPS檢驗樣本點與提取結果進行對比，得到的分類精度為85.2%，kappa系數為0.81；同時對比基于像元的傳統監督分類方法（最小距離法、馬氏距離法以及最大似然法），分類精度對比如表1所示。

從表1可知，對于2.5 m分辨率的SPOT融合影像，面向對象的遙感分類精度最高。

表1 分類精度對比Table 1 Comparison on classification accuracy

3.2 岱山島防護林現狀

2011年，岱山島防護林分布見圖1。

岱山島主要防護林植被類型有混交林、常綠闊葉林、針葉林、竹林、灌木林等，其中混交林的分布面積最大，面積為30.4 km2，占75 %，主要分布于岱山島中部與東部的高亭鎮與岱東鎮的丘陵地段；其次是常綠闊葉林和針葉林等，常綠闊葉林面積為 4 km2，占10 %，主要分布于高亭鎮的楓樹村、司基村與岱東鎮的虎斗村，以及東沙鎮的泥峙村。針葉林面積為1.7 km2，占4 %，主要分布于高亭鎮楓樹村和劉家岔村；竹林面積為 0.5 km2，主要分布于岱東鎮及高亭鎮黃官泥岙村；灌木林主要分布于岱山島西部的岱西鎮海岸；岱山島東北部岱東鎮龍頭村有沙質海岸帶有典型的木麻黃林帶分布。

圖1 岱山島防護林分布（2011年）Figure 1 Distribution of protective forest on Daishan Island in 2011

3.3 防護林變化

3.3.1 岱山島防護林整體變化 圖 2為岱山島 2003年與 2011年各防護林植被類型面積情況，從宏觀上看，2011年比2003年混交林面積增加20%，常綠闊葉林和針葉林面積分別減少50 %和22 %，可能原因是從2004年開始實施的沿海防護林建設工程，主要營造混交林，而2011年針葉林面積比2003年減少的主要原因是由松材線蟲病導致的。2011年竹林面積較2003年成小幅度減少的趨勢。

圖2 兩期岱山島防護林面積Figure 2 Protective forest area in 2003 and 2011

圖3為2003年與2011年岱山島防護林分布情況。由圖3可以看出，從2003年到2011年，隨著人類社會發展與人類活動影響，岱山島東南部江南村和山外村有部分沿海防護林開發為建筑用地。島嶼中部大峧村、楓樹村、虎斗村與北部泥峙沙洋村等有部分常綠闊葉林轉變為混交林，其主要原因是防護林更新中及人工種植增加防護林物種資源，主要營造混交林，提高防護林的生態、社會與經濟效益；司基村、張家塘墩村等小部分常綠闊葉林轉變為建筑用地。島嶼西部茶前山村與北部的燕窩山村有部分混交林轉變為灌木林，主要受海島自然條件及氣候條件影響造成林分成活率低等。北部泥峙村有小部分混交林和常綠闊葉林轉變為農業用地。2011年岱山島東北部多了典型的木麻黃林帶，是后期人工種植，為岱山島東北部海岸防護起到重要的作用，從防風固沙和生長量考慮，純木麻黃林和純硬闊林均不是理想的選擇，與軟闊，黑松等樹種混交，合理配置，效果更好，增強了防護林的穩定性，充分發揮防護林的生態、社會和經濟效益。

3.3.2 沙質海岸防護林變化 圖4為岱山島沙質海岸防護林變化情況。岱山島沙質巖海岸主要集中在東北部岱東鎮的沙洋村和龍頭村，防護林主要以農田防護林、喬木以木麻黃為主，森林群落層次單一。

圖3 岱山島2003年、2011年防護林分布Figure 3 Distribution of protective forest in 2003 and 2011

從2003年與2011年的對比情況可看出，岱山島沙質海岸防護林比較穩定，都是以農田防護林和灌木林為主，分布并無明顯差異。受人類活動長期影響，其中有小部分農業用地轉變為建筑用地，并新增木麻黃林帶。

3.3.3 基巖質海岸防護林變化 圖5為岱山島基巖質海岸防護林變化情況?；鶐r質海岸主要分布于岱東鎮、東沙鎮以及岱西鎮。沿海防護林以混交林和灌木林為主，其中混交林為主要的防護林。

從圖5可以看出，位于岱山島西北部的岱西鎮雙合村以及東沙鎮北部的燕窩村的基質巖海岸主要以灌木林為主，長年受海風等氣候及其它地理條件影響部分混交林演替為灌木林。岱西鎮北部的青黑村、水白峧村和、小山村的基巖質海岸防護林從由常綠闊葉林逐漸更新為多樹種多層次的混交林，提高了基巖質海岸防護林的穩定性與防護效果。岱東鎮沙洋村與龍頭村南海岸灌木林轉變為混交林。

圖4 岱山島2003年、2011年沙質海岸防護林分布Figure 4 Distribution of sandy coastal protective forest in 2003 and 2011

圖5 岱山島2003年、2011年基巖質海岸防護林分布Figure 5 Distribution of rocky coastal protective forest in 2003 and 2011

4 結論

本文基于高分辨率SPOT5遙感數據，采用面向對象遙感分類方法提取岱山島沿海防護林信息，對岱山島沿海防護林的現狀和近8年來的動態進行遙感監測，其分類精度高達85.2%，kappa系數為0.81。

岱山島特殊的地理位置與季候條件，其防護林也獨具特色，島上防護林以混交林為主，其次是常綠闊葉林與針葉林，主要分布于岱山島中部與東部的高亭鎮與岱東鎮的丘陵地段，以及東沙鎮的泥峙村，分別占75%、10%和4%；之后為灌木林，主要分布于岱山島西部的岱西鎮海岸。針葉林面積較小，主要分布于高亭鎮楓樹村和劉家岔村。東沙鎮東北部的沙質海岸以木麻黃林為主；基巖質海岸防護林以混交林為主，其次是灌叢。

根據2003年、2011年變化監測結果比較可知，岱山島沿海防護林變化情況：混交林面積增加20%，常綠闊葉林和針葉林面積分別減少50%和22%；岱山島東南部江南村和山外村有部分沿海防護林開發為建筑用地；島嶼中部大峧村、楓樹村、虎斗村與北部泥峙沙洋村等有部分常綠闊葉林轉變為混交林，司基村、張家塘墩村等小部分常綠闊葉林轉變為建筑用地；島嶼西部茶前山村與北部的燕窩山村有部分混交林轉變為灌木林，北部泥峙村有小部分混交林和常綠闊葉林轉變為農業用地。

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Dynamic Changes of Coastal Protective Forests on Daishan Island from SPOT5 Imagery

ZHANG Yan1,2，GUO Yan-ru2，ZHANG Xiao-mian3，GAO Zhi-hui4，YUE Cai-rong1, GUO Zhi-hua2*
（1. Southwest Forestry University, Kunming 650224, China; 2. Institute of Wetland Research, CAF, Beijing 100091, China; 3. Zhejiang Forestry Academy, Hangzhou 310023, China; 4. Zhejiang Forestry Extension Station, Hangzhou 310020, China）

Changes of coastal protective forest in Daishan Island of Zhejiang province were determined based on SPOT 5 imagery in 2003 and 2011. The result demonstrated that the accuracy of object-oriented classification approach for the forests topped to 85.2% with Kappa coefficient of 0.81. The result indicated that in 2011, coastal protective forest in Daishan was dominated by mixed forest(75%), followed by evergreen broad-leaved forest(10%)and coniferous forest(4%). During 2003-2011, the areas of evergreen broad-leaved and coniferous forest reduced by 50% and 22%, while that of mixed forest increased by 20%.

coastal protective forest; dynamic change; object-oriented classification; SPOT5

S718.54

A

1001-3776（2013）05-0062-05

2013-05-20；

2013-08-11

十一五科技支撐項目（2009BAD2B06）；林業公益性行業專項資助項目（201104006）；中國林科院林業新技術所院所長基金重點項目（CAFINT2010K08）；浙江省林業廳林業科技推廣項目“‘3S’技術在沿海防護林體系建設中的推廣示范”（2010B07）

張艷（1988-），女，四川成都人，碩士生，從事遙感監測研究；*通訊作者。