基于EVI 的大興安嶺火燒跡地植被恢復特征研究

王 冰，張金鈺，孟 勐，張秋良

(內蒙古農業大學林學院，呼和浩特 010019)

林火是森林生態系統最活躍的因子之一，可以影響和改變整個系統的碳循環和碳分布格局[1-3]。火燒跡地的識別與提取是林火遙感研究的基礎工作，國內外學者利用多源遙感數據對不同地區的火燒跡地進行了識別與提取研究[4-11]，研究多基于Landsat、MODIS、SPOT 等遙感數據，采用NDVI、SWIR、NBR、BAI等指數。因近紅外波段對植物活體的葉綠素較敏感，而中紅外波段可用來區分枯死木與土壤、灰燼等[12]，所以由它們組合而成的歸一化燃燒率（NBR）對林火起到更好的探測作用，還能減少地形光譜和光照角度對目標物的不利影響。在植被恢復研究中，植被指數被廣泛應用[13-16]，其中應用較多的是歸一化植被指數（NDVI），但其易受裸土干擾，對溫度、降水等有滯后效應。而在其基礎上發展起來的增強型植被指數（EVI），可以改變易飽和和與現實植被覆蓋缺少線性關系的狀況。

本研究以1987 年大興安嶺根河林業局火燒跡地為研究對象，基于長時間序列的Landsat 數據，在采用隨機森林、K-means 等方法進行地類劃分和火燒烈度分級的基礎上，利用EVI指數分析火后植被的恢復進程和特征，以期為火后植被的恢復和經營提供一定的數據支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區地處內蒙古自治區根河林業局金林林場，121°14′～121°24′ E，50°50′～50°57′ N，位于大興安嶺的西北坡，屬于典型的寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫-3℃，年平均降水量500 mm。土壤類型主要為棕色針葉林土，興安落葉松（Larix gmelinii（Rupr.）Kuzen）是主要的優勢樹種，伴生有白樺（Betula platyphyllaSuk.）、蒙古櫟（Quercus mongolicaFisch.）、山楊（Populus davidianaDode）等。灌木主要有興安杜鵑（Rhododendron dauricumL.）、越桔（Vaccinium vitis-idaeaLinn.）、杜香（Ledum palustreL.）等。因凍土層和蒙古草原風的普遍存在，該區在5、6 月較干旱，火險增多。本次研究的森林火災發生于1987 年5 月，屬雷擊火，過火面積約1 292 hm2，過火前主要為針闊葉混交林、灌木林和草地。

1.2 數據準備與預處理

根據數據可獲取性和數據質量，選用了1986—2019 年Landsat-5 TM 和Landsat-8OLI 共 計17 景遙感影像，其中OLI 數據4 景，成像時間均在植被生長最好的6—8 月（具體見表1）。本研究借助ENVI5.3 軟件對數據進行了必要的預處理，主要包含輻射校正和大氣校正。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 地類劃分 根據土地利用現狀分類標準（GB/T210102017），選用隨機森林分類法將研究區劃分為林地、灌草地和其它3 類。

1.3.2 火燒跡地提取與烈度分級 將過火前后1986 年和1987 年的NBR值相減，得到dNBR值，用于火燒跡地的提取。具體公式為：

式中，NBR是歸一化火燒指數，NIR，SWIR2分別是TM 第4 波段近紅外波段、第7 波段中紅外波段2，分別表示火前和火后影像的NBR值。

基于dNBR值，利用K-means 聚類法區分火燒跡地、非火燒跡地，并對火燒區域進行輕、中、重烈度分級[17-18]。采用誤差混淆矩陣法對分類結果進行精度驗證。

表1 1986—2019 年Landsat 數據獲取時間Table 1 Data acquisition time of Landsat from 1986 to 2019

1.3.3EVI指數計算 選用EVI[19]分析火燒跡地植被特征。利用Landsat5 的第1、3、4 波段和Lansat8的第2、4、5 波段計算得到研究區的增強型植被指數（EVI）數據，其計算公式為：

1.3.4EVI變化分析 采用一元線性回歸法、Mann-Kendall 突變檢驗法與Theil-Sen median 趨勢分析法分析EVI的時間變化特征。

（1）一元線性回歸

表達式[20]為：

式中，y為樣點擬合的因變量估計值，x為自變量，a為回歸系數，b 為常量。

（2）Mann-Kendall（M-K）突變檢驗

Mann-Kendall 趨勢檢驗的過程[21]為：

式中，sign為符號函數，EVIk及EVIi為時序數據集合，n為集合長度。在α 顯著性水平下，當|ZC|＞U1-α/2時，則時間序列在α 水平上變化趨勢顯著。若，則變化趨勢上升，若ZC＜ 0，則變化趨勢為下降。

（3）Theil-Sen median 趨勢分析

Theil-Sen median 趨勢分析可以把EVI的變化趨勢量化，表示EVI在單位時間內的變化量，其公式[21]是：

式中，1 ＜i＜j＜n。若 β ＞0，則EVI時間序列呈上升趨勢，否則為下降趨勢。

2 結果與分析

2.1 地類劃分

利用1986 年Landsat 影像，基于隨機森林法將研究區地類劃分為林地、灌草地和其它3 種類型（見圖1）。經統計，研究區林地、灌草地和其它的面積分別為11 436.75、1 556.55、1 226.7 hm2，占比分別為80.43%、10.95%、8.63%。

圖1 地類劃分示意圖Fig. 1 Land classification map

誤差混淆矩陣驗證結果（表2）顯示，林地、灌草地、其它的制圖精度分別為80.31%、83.70%、83.66%，用戶精度分別為83.17%、81.76%、82.97%，采用隨機森林法的總精度、Kappa 系數分別為82.52%、0.74，分類精度較高，結果較準確。

表2 地類劃分精度驗證Table 2 Accuracy verification of land classification

2.2 火燒跡地提取

基于dNBR值，利用K-means 方法，提取了研究區的火燒跡地，并進行了火烈度分級（圖2）。從圖2 可以看出，輕度過火區域的dNBR值居于0.25～0.39 之間，中度過火區域的dNBR值為0.39～0.60，重度過火區域的dNBR值在0.60 以上；1987 年研究區火燒跡地面積共計1 291.7 hm2，輕度過火區域面積占比最大（45.70%），重度過火區域面積占比最小（22.14%）。從空間分布看，重度過火區域分布于火燒跡地的中心，由中心向外，過火強度逐漸降低，輕度過火區域多分布于四周的非森林區域，受林火影響較小。

表3 結果表明，本研究分類精度滿足要求。未燃燒的制圖和用戶精度均在98.0%以上，其特征最明顯；高烈度的特征次之，除小部分會與中烈度斑塊混淆外，易與低烈度和未燃燒區域區分，制圖與用戶精度均在91.0%以上；中烈度會與部分低烈度或高烈度區域相似；低烈度特征最不明顯，易與未燃燒斑塊和中等烈度斑塊混淆，中、低烈度的制圖和用戶精度均在80%～90%。

圖2 火燒跡地空間分布Fig. 2 Spatial distribution of burned area

2.3 EVI 空間變化特征

從1986—2019 年EVI時間序列空間分布圖（圖3）可以看出，1986 年研究區（即火燒跡地）的EVI值多在0.20～0.40，零星分布有0.40～0.60的區域，即植被生長狀況中等；但在1987 年火燒后，研究區EVI值明顯下降，大部分處于0.07～0.20 之間。1989—1995 年間，EVI值在增加，植被處于恢復中，1995 年時，研究區的EVI值只有少數在0.40 以下，其余均在0.40～0.80 之間；到2019 年，研究區植被的EVI值處在0.40～0.80 之間，且以0.40～0.60 的居多。

表3 火烈度分類精度驗證Table 3 Accuracy verification of fire intensity classification

2.4 EVI 時間變化特征

2.4.1EVI時間變化分析 在火燒跡地周邊選取對照樣區（含灌草地和林地），分別計算不同火燒烈度區域及對照區各年的EVI均值，見圖4 和圖5。

經統計，林地林火發生前（1986 年），輕、中、重度火燒跡地及對照區的EVI值分別為0.30、0.29、0.32 和0.37，差別較小。林火發生后（圖4），1987年各區域的EVI值分別為0.21、0.15、0.10、0.45。對照區EVI值有所增加，而火燒跡地的EVI值明顯下降，輕、中和重度火燒跡地EVI值分別下降了約30%、48.3% 和68.8%，表明火烈度越高，EVI值下降越明顯。之后，隨著恢復時間的增加，火燒跡地的EVI值逐漸提高，與對照區的差異逐漸縮小；各區域EVI增加速率大小依次為重度 ＞ 中度 ＞輕度 ＞ 對照區。1990 年左右，火燒跡地的EVI均值上升至0.41，相比對照區域（EVI=0.45）差異不明顯；1990—1995 年，輕、中、重度火燒跡地的EVI值均持續增加，直至與對照區的EVI值相等，即0.53；1996—2002 年，各區域的EVI值出現輕微波動，但基本呈增加趨勢；2004—2006 年和2008—2011 年間，輕、中、重度火燒跡地的EVI值繼續增加，其中重度區域變化最明顯，分別由0.38 增加至0.53，由0.42 增加至0.55。不同火烈度與對照區在1995 年、2002—2004 年、2006—2008 年和2011—2014 年的EVI值均有所下降，但下降程度不同，對照區變化較平緩，而火燒跡地EVI值變化程度隨火烈度增加而逐漸增強。說明火燒跡地生態系統較脆弱，受環境影響更明顯。火燒2 a 后，重度火燒跡地的EVI值增加最明顯，增加值為0.31。在1987—2000 年，EVI值的大小始終為對照區 ＞ 輕度 ＞ 中度 ＞ 重度；2000 年以后，火燒跡地植被狀態較好，除2004 和2014 年外，其EVI均高于對照區。

圖3 1986—2019 年EVI 變化Fig. 3 EVI variation map in 1987—2019

經統計，灌草地林火發生前（1986 年），火燒跡地和對照區的EVI值無明顯差別。林火發生后（如圖5 所示），1987 年對照區EVI值有所增加，而火燒跡地EVI值下降明顯，下降了約35.3%。但之后火燒跡地的EVI值迅速增加，在1989 年基本與對照區持平，恢復到火燒前水平；之后的時間里，火燒區和對照區的EVI值均無明顯差異。

2.4.2EVI趨勢分析 利用Theil-Sen median 方法對1987—2019 年不同地類、不同火烈度的EVI值（6 種情形）進行趨勢分析，其過程在python 中運行，結果如表4。

由表4 可知，重度和中度林地火燒區的EVI呈極顯著增加趨勢，輕度林地火燒區呈顯著增加趨勢，且植被恢復的效果為重度 ＞ 中度 ＞ 輕度。灌草地、林地對照區的EVI增加趨勢不顯著。

2.4.3EVI突變分析 利用M-K 方法對不同烈度、不同地類的EVI值進行時間序列突變分析[22]，結果見圖6。

圖4 1987—2019 年林地EVI 變化曲線Fig. 4 EVI variation curves of forest area in 1987—2019

圖5 1987—2019 年灌草地火燒跡地EVI 變化曲線Fig. 5 EVI variation curves of shrub grassland in 1987—2019

如圖6 所示，對于林地，輕度火燒跡地EVI的突變時間點出現在1990、2003、2018 年，中度火燒跡地EVI的突變時間點出現在1990、2003、2006、2011、2017 年，重度火燒跡地EVI的突變時間點出現在1990、2001、2011、2017 年，對照區EVI的突變時間點出現在1991、2001、2019 年。對比發現，林地的EVI值在1990—1991、2001—2003、2017—2019 年間均出現了突變，突變的產生可能是因為不穩定的氣候因素，且對照區的突變

時間點較火燒跡地滯后。對于灌草地，火燒跡地與對照區的EVI突變特征較一致。

表4 1987—2019 年EVI 變化趨勢統計Table 4 Statistics on EVI variation trend from 1987 to 2019

圖6 1987—2019 年EVI 突變分析Fig. 6 EVI mutation analysis in 1987—2019

3 討論

3.1 EVI 時間變化特征

火災發生后，研究區的EVI值出現明顯下降，且火烈度越高，下降越明顯。之后EVI值逐漸增加，與對照的差異逐漸縮小，植被恢復特征明顯。研究時段內，研究區的EVI值出現了幾次下降，可能受到了環境條件的影響；且火烈度不同，EVI下降程度不同，對照區變化較平緩，火烈度越強，波動越明顯。由于林地的組成較復雜，過火區域即使已經恢復為原來狀態，其生物多樣性、穩定性還會發生變化[23]，易受到自然環境的影響。1987—1995 年間，由于火后開放的環境使幼苗更容易獲得陽光而很快恢復為火燒前的狀態，也可得知此時的植被恢復狀態與受災程度有很大關系，此時火燒區的植被生長還不穩定，容易受環境影響而產生較大波動。2000 年之后EVI的變化，說明植被的生長已經不再主要受1987 年林火的影響，而更易受到該區域立地條件的制約，這與孫桂芬等[4]的研究結果一致；從另一方面來說，林火也有一定的積極作用，可以促進群落演替和某些樹種的生長發育[24]。對輕、中、重度的EVI變化曲線分別擬合后發現，EVI恢復速率為重度 ＞ 中度 ＞ 輕度，這與王愛愛等[25]研究人員的結論相一致，即森林恢復速率與火燒強度呈正相關。對于草原來說，火燒強度不是十分重要的因素[26]，故本研究未進行灌草火燒跡地的火烈度分級，灌草火燒跡地經過2 a 時間的恢復，已經與對照區無顯著差異，王春霞等人[27]的研究結果也表明草原在發生火災后的幾個月或者一到兩年的時間里即可恢復原來的狀態。總體上看，隨著時間的變化，研究區火燒跡地的植被在逐步恢復。

3.2 EVI 趨勢與突變特征

林地重度、中度過火區可以較徹底地清理地表冠層，更有利于幼樹生長；在林地輕度火燒區，燒毀樹木較少，而林下灌木和荒草等地被層被燃盡，使種子與土壤接觸的機會變大，在火后幾年時間內EVI變化明顯，但持續時間不長，故其總體增加趨勢沒有中度和重度森林火燒區明顯；灌草區由于其恢復速度快，在火燒后幾乎2 a 的時間就已經恢復，之后受環境的影響較大，波動較大，所以灌草區的植被增加趨勢并不明顯。相對于林地，灌草地的突變點更多，說明森林生態系統的穩定性要比草地生態系統強。而不同烈度下的森林火燒跡地的突變情況也不盡相同，且對照區的突變時間點較火燒跡地滯后，這與其本身的立地條件有關。本研究關于EVI變化趨勢的分析結果與王愛愛[25]的結論較一致。

4 結論

本研究以大興安嶺北部林區1987 年森林火災為研究背景，基于Landsat 數據開展了火燒跡地識別和植被恢復特征研究。主要研究結論如下：

（1）研究區過火面積為1 291.68 hm2，基于dNBR值將研究區劃分為輕、中、重度火燒跡地，其面積占比分別為45.70%、32.16%和22.14%，dNBR可用于研究區火燒跡地和火烈度提取研究。

（2）林火對跡地EVI影響明顯，輕、中和重度火燒跡地EVI值分別下降了約30%、48.3%和68.8%，火烈度越高，EVI下降越明顯。

（3）林火后，隨著植被的恢復，跡地EVI值逐漸增加，與對照區的差異逐漸縮小。不同烈度林地火燒跡地EVI恢復速率表現為重度 ＞ 中度 ＞ 輕度，輕度和中度火燒跡地在火后6～8 a，重度火燒跡地在火后14 a 左右恢復為正常植被狀態；而灌草地火燒跡地在林火發生后2 a 即可恢復正常。

（4）過火區生態系統脆弱，易受環境條件影響。火燒跡地恢復過程中，林地EVI突變點較灌草地少，說明森林生態系統較灌草地穩定性強。不同烈度林地火燒跡地的突變情況也存在一定差異，且對照區的突變時間點滯后于火燒跡地。