基于擾動(dòng)指數(shù)的岷江上游森林?jǐn)_動(dòng)時(shí)間序列研究
——以理縣為例

張宇欣，倪 靜，楊存建，羅銀建，馬洋洋

（四川師范大學(xué) 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610068）

基于擾動(dòng)指數(shù)的岷江上游森林?jǐn)_動(dòng)時(shí)間序列研究
——以理縣為例

張宇欣，倪 靜，楊存建，羅銀建，馬洋洋

（四川師范大學(xué) 西南土地資源評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610068）

利用擾動(dòng)指數(shù)算法對(duì)四川省阿壩州理縣的森林?jǐn)_動(dòng)進(jìn)行時(shí)間序列監(jiān)測(cè)研究。基于TM數(shù)據(jù)對(duì)1994－2001，2001－2007，2007－2008，2008－2011年4個(gè)時(shí)間段的理縣森林?jǐn)_動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，4個(gè)時(shí)間段理縣受擾動(dòng)的森林面積分別為437.94，278.46，260.46，184.14 hm2，主要原因依次為人為活動(dòng)，洪水及次生災(zāi)害影響，汶川地震破壞，滑坡、塌方和堰塞湖等地震次生災(zāi)害。經(jīng)過驗(yàn)證kappa系數(shù)達(dá)到0.84。數(shù)據(jù)顯示，2001年前該縣森林?jǐn)_動(dòng)較為嚴(yán)重，2001年后該縣受擾動(dòng)森林面積逐步減少，說明森林狀況逐漸轉(zhuǎn)好。

理縣；森林?jǐn)_動(dòng)；擾動(dòng)指數(shù)；時(shí)間序列；監(jiān)測(cè)

森林是地表土壤、水體與大氣之間進(jìn)行物質(zhì)、能量交換的關(guān)鍵要素，在地表能量循環(huán)、水循環(huán)和生物化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用[1]。森林?jǐn)_動(dòng)是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化的重要指示，更是全球生態(tài)環(huán)境的研究熱點(diǎn)，擾動(dòng)類型主要為森林采伐和自然災(zāi)害。國外學(xué)者對(duì)于森林?jǐn)_動(dòng)研究較多[2]。Masek J G等[3]采用Landsat數(shù)據(jù)檢測(cè)北美森林的擾動(dòng)。Wylie B等[4]研究了氣候變化對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的干擾和影響及其在加拿大育空河流域北部森林的表現(xiàn)。Frantz D等[5]采用Landsat和Modis數(shù)據(jù)對(duì)昆士蘭的森林?jǐn)_動(dòng)進(jìn)行了時(shí)間序列的研究。Misurec J等[6]采用DI算法研究挪威云杉的森林?jǐn)_動(dòng)時(shí)空變化。楊存建等[7]利用GIS和RS技術(shù)揭示出四川西部2002－2008年植被變化的時(shí)空特征。對(duì)四川省阿壩藏族羌族自治州理縣進(jìn)行了區(qū)域尺度的森林?jǐn)_動(dòng)研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

理縣隸屬于四川省阿壩藏族羌族自治州，102°32′46″ ～ 103°30′30″ E，30°54′43″ ～ 31°12′12″ N。全縣面積為4 318 km2。地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬龍門山斷裂帶中斷，地形呈蜿蜒起伏的立體單元，地表由西北向東南傾斜。地貌類型為低中山-中山-高山-極高山，是典型的中高山峽谷區(qū)，海拔1 422 ～ 5 922 m，平均海拔2 700 m，植被垂直帶譜明顯。氣候受西伯利亞西風(fēng)氣流、印度洋暖流和太平洋東南季風(fēng)三個(gè)環(huán)流的影響，形成季風(fēng)氣候，有干濕季之分。因海拔高差懸殊，地形復(fù)雜，氣候差異顯著，具有山地立體型氣候特征。冬季受青藏高原的北方冷氣流的影響，降水稀少，日照強(qiáng)烈，晴朗多大風(fēng)，五、六月份西南季風(fēng)加強(qiáng)，溫暖濕潤，降水增多，形成雨季。七、八月份青藏高壓穩(wěn)定，副熱帶高壓西伸，降水減少，形成伏旱。九、十月份雨量增加，形成低溫降雨季節(jié)。年降水量650 ～ 1 000 mm，為植被的生長(zhǎng)發(fā)育提供有利的雨水條件。

理縣位于青藏高原東部與四川盆地的過渡地帶，是岷江上游生態(tài)屏障的重要組成。區(qū)域內(nèi)森林資源豐富，研究時(shí)序內(nèi)受到擾動(dòng)變化較大，1994－2000年受人為采伐影響，自2000年開展退耕還林工程，2008年受汶川地震破壞。研究其森林?jǐn)_動(dòng)對(duì)維護(hù)和提升該縣生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重要意義，是提高林地監(jiān)管能力、開展生態(tài)空間規(guī)劃、兌現(xiàn)生態(tài)效益補(bǔ)償，加強(qiáng)林地保護(hù)利用管理和科學(xué)預(yù)測(cè)植被長(zhǎng)勢(shì)的重要基礎(chǔ)和科學(xué)支撐，為該縣區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、城鄉(xiāng)建設(shè)、土地利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等奠定基礎(chǔ)。研究區(qū)如圖1所示。

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 遙感影像及預(yù)處理 共選用5期TM影像Path 130/Row 38(WRS-2)，獲取日期分別為1994年6月26日，2001年6月13日，2007年9月18日，2008年10月6日和2011年8月12日，云量皆小于10%，數(shù)據(jù)級(jí)別皆為L(zhǎng)1。數(shù)據(jù)均來源于美國地質(zhì)勘探局（USGS)并且均選取植被生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)的影像（6－10月上旬）。通過ENVI對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正后再對(duì)研究區(qū)內(nèi)的云及其陰影進(jìn)行目視識(shí)別后建立掩膜。

1.2.2 地面調(diào)查資料 調(diào)查資料包括矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)。矢量數(shù)據(jù)為研究區(qū)2000年、2010年土地利用數(shù)據(jù)。通過土地利用數(shù)據(jù)提取森林植被的覆蓋范圍，再對(duì)區(qū)域內(nèi)的影像進(jìn)行森林植被的掩膜提取；柵格數(shù)據(jù)為研究區(qū)30 mDEM數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 森林?jǐn)_動(dòng)指數(shù)時(shí)間序列分析 纓帽變換（Tasseled Cap Transformation，TCT）將Landsat的6個(gè)原始波段(1 ～ 5和7)折合成亮度、綠度和濕度3個(gè)地表特征的分量[8]。擾動(dòng)指數(shù)（DI）是一種基于Landsat TM/ETM+的纓帽變換3個(gè)地表特征分量的指數(shù)[9]。具體公式見公式1。

圖1 研究區(qū)域Figure 1 Map of the study area

式中，B’，G’和W’代表TCT中亮度、綠度和濕度的標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)。其標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)的計(jì)算公式見公式2。

式中，μB表示森林平均亮度；σB表示森林亮度的標(biāo)準(zhǔn)差。

經(jīng)過計(jì)算，受到劇烈擾動(dòng)的森林將表現(xiàn)出較高的B’、較低的G’和較低的W’值，此時(shí)的DI值較高。相對(duì)的，未擾動(dòng)和輕微擾動(dòng)區(qū)域則表現(xiàn)出較低的B’，較高的G’和較高的W’值，此時(shí)的DI值較低[3]。

1.3.2 降噪處理 考慮到纓帽變換后的影像中仍可能存在噪聲等干擾信息，選用3×3窗口作為模版對(duì)結(jié)果進(jìn)行離散化窗口滑窗卷積，使中間點(diǎn)的DI值等于八連通區(qū)域的加權(quán)DI均值，其具體公式表示為：

式中，x和h分別為兩個(gè)序列，i與n皆為自變量。

1.3.3 擾動(dòng)區(qū)域提取 擾動(dòng)區(qū)域通過構(gòu)建年間差值指數(shù)ΔDI進(jìn)行研究，經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定合適的閾值進(jìn)行擾動(dòng)區(qū)域提取，具體公式見公式4。

式中，n為后一年份，l為前一年份。

2 結(jié)果與分析

2.1 精度驗(yàn)證

驗(yàn)證資料：（1）ΔNDVI：通過5期影像計(jì)算NDVI，構(gòu)建差值指數(shù)計(jì)算NDVI；（2）2000，2010年理縣土地利用數(shù)據(jù)；（3）高分遙感影像（Google E arth）進(jìn)行輔助驗(yàn)證。驗(yàn)證方法：本小節(jié)采用分層抽樣的方法，通過對(duì)各區(qū)間擾動(dòng)區(qū)域及未擾動(dòng)區(qū)域隨機(jī)抽取30個(gè)采樣點(diǎn)，總計(jì)240個(gè)采樣點(diǎn)。利用混淆矩陣建立精度評(píng)價(jià)表，最終計(jì)算kappa系數(shù)為0.84，詳見表1。

表1 混淆矩陣Table 1 Confusion matrix

2.2 結(jié)果及影響因子分析

2.2.1 趨勢(shì)線分析 通過趨勢(shì)線分析法模擬1994－2011年理縣森林?jǐn)_動(dòng)面積變化趨勢(shì)，其計(jì)算公式為：

從圖2可以看出，森林受擾動(dòng)區(qū)域面積呈逐步下降趨勢(shì)，說明森林結(jié)構(gòu)不斷轉(zhuǎn)好，森林保護(hù)意識(shí)及力度逐步加強(qiáng)。

圖2 1994－2011年森林?jǐn)_動(dòng)面積Figure 3 Forest disturbance area from 1994 to 2011

2.2.2 影響因子分析 依據(jù)自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，將研究區(qū)的30 m DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)，將高程1 396 ～ 2 768 m，2 768 ～ 3 520 m，3 520 ～ 4 173 m，4 173 ～ 5 854 m分別劃分為1 ～ 4級(jí)（圖3）。

圖3 研究區(qū)DEM(a)與重分類(b)Figure 4 DEM in study area and reclassification

在Arcgis10.2軟件中，利用面積制表功能分時(shí)間段、分高程統(tǒng)計(jì)落在擾動(dòng)區(qū)域在不同海拔等級(jí)中的分布情況。詳見表2。

由表2可知，1994－2011年的擾動(dòng)總面積達(dá)1 160.91 hm2。1994－2011，2001－2007，2007－2008，2008－2011年的森林?jǐn)_動(dòng)區(qū)域分別主要分布在第三、第四等級(jí)，分別占總擾動(dòng)面積的35.51%，22.96%，7.60%，6.85%。由此可知，較高海拔即3 520 ～ 5 854 m范圍內(nèi)的森林較易受到擾動(dòng)。

表2 擾動(dòng)面積海拔分布Table 2 Disturbance area and their distribution of elevation

DEM生成研究區(qū)坡度和坡向數(shù)據(jù)。依據(jù)《中國土壤侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)(SL190)》中坡度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將坡度進(jìn)行重新分級(jí)。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

在Arcgis10.2軟件中，利用面積制表功能分時(shí)間段、分坡度統(tǒng)計(jì)落在擾動(dòng)區(qū)域在不同坡度等級(jí)中的分布情況。詳見表4。

由表4可知，1994－2011，2001－2007，2007－2008，2008－2011年的森林?jǐn)_動(dòng)區(qū)域分別主要分布在緩的、陡的、極陡的三個(gè)坡度級(jí)上，擾動(dòng)面積分別為148.05，91.89，119.79，64.71 hm2，占總擾動(dòng)面積的12.75%，7.92%，10.32%，5.57%。由此可知較高的坡度即15°以上的森林植被更加容易受到擾動(dòng)影響。

依據(jù)全國數(shù)字地貌制圖中的坡向劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)坡向進(jìn)行重新分級(jí)。劃分結(jié)果見表5。

表3 坡度劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Grading of slope

表4 擾動(dòng)面積坡度分布Table 4 Disturbance area and their distribution at slope

在Arcgis10.2軟件中，利用面積制表功能分時(shí)間段、分坡度統(tǒng)計(jì)落在擾動(dòng)區(qū)域在不同坡向中的分布情況，見表6。

由表6可知，1994－2011，2001－2007，2007－2008，2008－2011年的森林?jǐn)_動(dòng)區(qū)域分別主要分布在NE，S，NW三個(gè)坡向上，擾動(dòng)面積分別為100.44，89.37，55.98，47.79 hm2，占總擾動(dòng)面積的比例分別為8.65%，7.70%，4.82%，4.12%。由此可知在22.5 ～ 67.5°，157.5 ～ 202.5°，292.5 ～ 337.5°三個(gè)范圍內(nèi)森林植被較易受到擾動(dòng)。

表5 研究區(qū)坡向劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Classification of aspect in study area

表6 擾動(dòng)面積坡向分布Table 6 Disturbance area and their distribution at aspect

3 結(jié)論

綜上所述，（1）1994－2001年理縣受擾動(dòng)的森林面積為437.94 hm2，分布區(qū)域主要為森林邊緣、鄰近建筑用地，人為活動(dòng)是這期間森林?jǐn)_動(dòng)的主要原因，開墾、亂砍亂伐等對(duì)森林造成破壞；（2）2001－2007年森林?jǐn)_動(dòng)面積為278.46 hm2，擾動(dòng)區(qū)域主要為海拔較高的山頂附近。由于山高坡陡，地表土壤松散，且研究時(shí)期為多雨季節(jié)，擾動(dòng)主要原因?yàn)楹樗按紊鸀?zāi)害影響[10]；（3）2007－2008年森林受擾動(dòng)面積為260.46 hm2，主要分布于山坡、山谷、河谷附近，由于理縣為受汶川地震影響最嚴(yán)重的區(qū)域之一[11-12]，因此森林區(qū)域受地震、滑坡、泥石流等災(zāi)害破壞嚴(yán)重；（4）2008－2011年森林?jǐn)_動(dòng)面積為184.14 hm2，滑坡、塌方和堰塞湖等地震次生災(zāi)害是這一階段導(dǎo)致森林受到破壞的主要原因。

從擾動(dòng)因子分析：（1）2001年前森林受擾動(dòng)影響較為劇烈，主要原因是人為采伐；（2）2001年后森林?jǐn)_動(dòng)面積逐漸減少，說明森林狀況逐漸轉(zhuǎn)好，森林保護(hù)意識(shí)不斷提高；（3）2008年由于受到汶川地震影響，導(dǎo)致森林?jǐn)_動(dòng)區(qū)域再次升高。

1994－2011年理縣森林受擾動(dòng)區(qū)域面積呈逐步下降趨勢(shì)，說明該縣森林狀況不斷改善，證明該區(qū)域正逐步加強(qiáng)林地保護(hù)和林地監(jiān)管能力。研究采用DI擾動(dòng)指數(shù)是基于TM/ETM+纓帽變換的亮度、綠度和濕度分量的算法；研究中對(duì)于閾值的選取經(jīng)過多次試驗(yàn)后選取最佳閾值進(jìn)行提取，因此閾值的選取對(duì)于研究結(jié)果有一定的影響。

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Study on Spatio-temporal Variation of Forest Disturbance in Lixian by Disturbance Index

ZHANG Yu-xin，NI Jing，YANG Cun-jian，LUO Yin-jian，MA Yang-yang
（Key Laboratory of the Evaluation and Monitoring of Southwest Land Resources of Ministry of Education, Sichuan Normal University, Chengdu 610068, China）

Research was made on forest disturbance in time series in Lixian county, Sichuan province by disturbance index. Based on TM remote sensing data, determinations were conducted on forest disturbance during four periods, like 1994-2001, 2001-2007, 2007- 2008 and 2008-2011. The result showed that during the 4 periods, forest disturbance area in Lixian was 437.94ha, 278.46ha, 260.46ha and184.14ha. The main causes were human activities, flood and secondary disasters, Wenchuan Earthquake and its secondary disasters of the earthquake such as landslide and dammed lake. Kappa coefficient was 0.84. Analysis demonstrated that forest disturbance was serious before 2001, but decreased then, indicating healthier forest.

Lixian county; forest disturbance; disturbance index; time series; monitoring

S757.2；TP73

：A

：1001-3776（2017）03-0048-06

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.03.009

2016-12-09 ；

2017-03-17

四川師范大學(xué)研究生優(yōu)秀學(xué)位論文培育基金資助（校研字(2016)4-42）

張宇欣，碩士研究生，從事遙感與GIS理論技術(shù)及應(yīng)用研究；E-mail：zhangyuxin11223@163.com。通信作者：楊存建，教授，從事遙感和地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究；E-mail：yangcj2008@126.com。