基于“3S”技術的鎮雄縣森林資源監測分析

楊 興太廷惠 曾 莉 申騰朝 朱陽林 吳長坤

（1西南林業大學林學院，云南昆明 650224；2鎮雄縣林業和草原局，云南鎮雄 657200）

“3S”技術是遙感信息技術（RS）、地理信息系統（GIS）和全球衛星定位系統（GPS）的簡稱[1]，是當下空間數據資源獲取、存儲管理、更新、分析與應用領域的三大關鍵技術[2]。在“3S”技術體系中，RS和GPS是重要的數據源，是GIS數據的主要更新手段[3]。GIS技術主要承擔數據分析評價功能，進而為工作人員提供直觀且形象的數據支持[4]，目前GIS已被大量應用于森林資源監測、林業規劃設計調查、林地年度變更、公益林修編、森林火災管理、病蟲害監測防治管理、森林采伐限額編制、森林生態景觀分析等森林資源管理工作[5]。此項技術為加強森林資源主要指標年度變化監測、及時提供政府綠色發展和生態文明建設考核有關指標數據提供了有力幫助。

鎮雄縣位于云南省東北部，地處云、貴、川三省交界結合部，隸屬云南省昭通市，地跨東經104°18′～105°19′、北緯 27°17′～27°50′，東西長 99 km，南北寬為54 km。東以赤水河為界，毗鄰敘永縣，南與七星關區、赫章縣相接，西臨彝良縣，北靠威信縣。鎮雄縣轄南臺、烏峰、舊府、中屯、潑機等30個鄉鎮（街道）、254 個村（居）委會，國土總面積 369 598.0 hm2。 鎮雄縣在水平氣候帶屬北亞熱帶氣候區，年均降雨量達914 mm，年均氣溫 11.3℃，海拔 630～2 416 m，境內野生動植物種類豐富，有多種國家一、二級保護動植物。綜合應用“3S”技術，對鎮雄縣森林資源主要指標進行年度監測，對當地生態文明建設有重要意義。

1 材料與方法

1.1 監測對象

監測對象為鎮雄縣境內森林資源。

1.2 監測方法

運用“3S”技術，以高分辨率和高光譜衛星影像為信息源，利用GPS定位到精確的空間位置，把獲得的數據整理合并后再利用ArcGIS平臺進行數據分析、更新及存儲[6]，進而監測森林資源變化情況。

監測技術方法采用基于遙感影像的森林資源年度雙向核查法。將高分辨率衛星遙感影像數據作為年度監測信息的主要來源，按照檢測數據變化的技術路線，以變化圖斑為目標線索，重點核查變化圖斑信息，構建變化數據從上往下分發、核實材料從下往上提交的雙向核查模式。通過上下聯動與雙向反饋的組合驗證模式，為變化圖斑提供指示性依據，對森林資源變化情況進行有效和準確的核查，確保變化信息準確、可靠[7]。在此過程中，建立資源變化信息評價的佐證信息庫，確保變化信息的可追溯性和數據結果的客觀性、合理性和可證明性。

1.3 技術流程

1.3.1 數據收集及預處理。收集鎮雄縣森林資源管理檔案資料、前期森林資源主要指標監測成果數據、前期和本期高分辨率衛星遙感影像或航拍影像數據及有關矢量數據，并進行影像正射糾正和分辨率融合、共享影像質量檢查、所有影像大氣歸一化處理、按行政區域嵌鑲和裁剪以及森林資源檔案整理、矢量化等預處理工作[8－9]。

1.3.2 判讀區劃。由省級技術支撐單位對收集的2期影像數據和矢量數據進行室內ArcGIS對比判讀區劃，獲取森林減少（逆向變化）圖斑信息，形成森林減少圖斑登記表及森林減少（逆向變化）圖斑矢量屬性數據庫，并下發縣級林業主管部門。

1.3.3 變化圖斑現地核查。縣級林業主管部門收到森林減少（逆向變化）圖斑矢量屬性數據庫后，及時組織技術人員核實調查。對于通過檔案資料及前后期影像比對，能夠明顯認定為非森林地類的地塊，可不用現地調查；否則，必須進行現地調查核實。森林增加（正向變化）圖斑應結合林產業建設、天保工程、退耕還林、低產低效林改造等各種經營檔案資料，以“非森林地類變森林地類”為條件進行數據分析、篩選后[7]，組織技術人員逐小班現地核實調查，并提供相應佐證資料，上交省監測辦審核驗收。

1.3.4 監測數據庫更新。利用經審核、驗收合格的年度森林資源變化圖層對監測基數圖層進行更新，得到監測年縣域森林面積、天然林面積和森林覆蓋率等森林資源主要監測指標[7]。更新時各級行政界線、林班界與原數據庫保持一致，只對小班界進行變動。為了考慮更新后小班的可經營性和合理性，需考慮細碎小班、縫隙小班等處理內容，原則上需對更新過程中產生的面積小于0.25 hm2的圖斑進行合并。

1.3.5 森林蓄積量更新及成果制作。利用小班的林分現狀，根據已建立的9個主要樹種（組）生長量模型、消耗量模型等分別對有林地圖斑的蓄積量進行變更，變更后統計得到監測年縣域森林蓄積量、單位面積蓄積量和天然林蓄積量[7]。在本期森林資源主要指標監測數據庫基礎上，統計森林資源主要指標監測數據，編制形成相應統計表及森林資源監測年度報告。

1.4 相關指標測定方法

1.4.1 森林變化面積和森林覆蓋率測定方法。在監測周期內，對監測縣域內發生明顯改變的有林地或國家特別規定的灌木林地進行區劃變更，包括林業部門管理的森林和非林業部門管理的森林[7]。①森林面積減少。一般是有林地或國家特別規定的灌木林地變為非森林地類，如建設項目使用林地、森林采伐、森林火災、盜伐濫伐、毀林開墾及滑坡泥石流等原因造成森林面積減少。對于森林面積減少的地塊，根據收集的經營檔案資料，結合前后2期影像數據和GPS確定面積、位置，現地調查并記錄有關因子；對于森林采伐、建設項目使用林地等，通過檔案資料及前后期影像判讀比對，能夠明顯認定已變為非森林的地塊[10]，可不用進行現地調查。②森林面積增加。由于人類生產經營引起或林木自然生長轉化，非森林地類轉變為了有林地或國家特別規定的灌木林地，使森林面積得以增加。可先在室內利用收集的經營檔案資料和影像圖預區劃小班，然后攜帶GPS等調查工具前往現地進行調查確認，核實小班界線并調查小班主要林分因子，填寫完善小班因子表，拍攝小班近景、遠景現地照片，以佐證森林面積的增加。根據森林面積的增減情況更新當年森林資源數據庫，并統計森林面積，求算得出森林覆蓋率[7]。

1.4.2 森林蓄積量測定方法。

（1）無干擾狀態下年生長量（率）估計。鎮雄縣森林植被類型多樣，立地條件變化復雜。由于生態因子具有可補償性，樹木生長具有適應性和可塑性，導致森林生長規律具有區域性。根據立地條件的特點對全縣進行分區，針對每個分區進行某些類型的森林動態模擬與預測，對重要的大尺度變量進行空間聚類分析，根據這些立地因子的變化規律將全縣劃分為不同分區。這些立地因子包括年平均溫度、年降水量、平均海拔和地形起伏度。變量選取樹種、初始胸徑、起源、齡組、海拔、坡向、坡位、坡度、土壤類型、土壤厚度、每公頃株數、郁閉度、年降水量、最干季降水量、最濕季降水量、年平均溫度、最熱季均溫、最冷季均溫、年均日照時數。由于鎮雄縣樹種復雜多樣，特將樹種歸并形成9個樹種組模型，分別是云南松、華山松、杉木、柳杉、其他針葉、樺類、櫟類、楊樹、其他闊葉。使用數量化理論Ⅰ回歸模型分區確定模型，計算出每個小班無干擾狀態下的生長率。

（2）年消耗率估測。生長量估測是假設完全沒有人為干擾情況下的林分生長狀態，而現實生活中有人為干擾，特別是采伐等因子干擾尤為突出。利用前后2期衛星影像比對的方式進行操作，目前高分辨率衛星影像分辨率已達到2 m，而1株樹的樹冠大于2 m，樹的變化能夠在影像上反映出來。針對有林地小班，每個小班隨機抽取500個象元（抽象為500株樹），對比500株樹的變化情況，進行年消耗量估測。因為是考慮消耗率，所以只考慮負向變化，不考慮正向變化。

（3）蓄積量估測。蓄積量計算公式如下：

V新＝V基×（1＋f-p）×a+V進

式中，V新表示估測蓄積，V基表示基期蓄積，V進表示進階蓄積 （原來未達檢尺幼林經生長平均胸徑≥5 cm后，新增蓄積），f表示生長率，P表示消耗率，a表示間隔年。

按照已建立的主要樹種（組）生長量模型、進界木模型、自然消耗量模型等求算有林地小班的蓄積量，并對森林資源數據庫進行變更，變更后統計得出監測縣域的森林蓄積量。但是，對森林采伐或撫育等森林減少的情況，需收集檔案材料并現地調查記錄有關因子，結合實際情況確定；對森林增加的圖斑，通過現地調查記錄主要林分因子，得出小班蓄積量[7]。單位面積蓄積量由喬木林地中純林、混交林蓄積除以喬木林純林和混交林面積計算獲得。

2 結果與分析

2.1 森林資源變化情況

在監測周期內，全縣森林面積由105 493.05 hm2增加到 129 087.48 hm2，凈增 23 594.43 hm2，增幅為22.37%；森林覆蓋率由28.54%增加到34.92%，凈增6.38個百分點；森林蓄積量由8 062 600 m3增長至8 317 000 m3，凈增 254 400 m3，增長 3.16%；喬木林（不含喬木經濟林）單位面積蓄積由91.9 m3/hm2減少到 86.0 m3/hm2，平均凈減少 5.9 m3/hm2，降幅 6.42%（表 1）。

表1 鎮雄縣森林資源主要監測指標變化統計

2.2 森林資源變化原因分析

2.2.1 森林面積變化原因分析。在監測周期內，全縣森林面積增加了23 911.56 hm2，原有森林面積減少了317.13 hm2，全縣森林面積凈增23 594.43 hm2。全縣新增森林面積23 911.56 hm2，主要由造林更新、規劃調整、自然因素以及其他因素4個方面原因引起；全縣原有森林面積減少317.13 hm2，主要由森林采伐、規劃調整、建設項目使用林地（即經審批和未經審批使用林地，下同）、毀林開墾、災害因素、其他因素等方面原因引起（表2）。

表2 鎮雄縣森林面積變化原因分析 單位：hm2

2.2.2 森林蓄積變化原因分析。全縣本期森林蓄積量8 317 000 m3，較上期森林蓄積量凈增254 400 m3。監測期森林蓄積量有增量也有減量，增減相抵后總體呈上升趨勢。本期森林蓄積量增長的因素主要表現在3個方面：一是變更進入的喬木林地蓄積及原未達到檢尺標準的幼齡喬木林地，在本期達到檢尺標準，使森林蓄積量增加；二是喬木林地生長量的提高，增加了森林蓄積量；三是天然林禁采、商品林采伐需求也逐年減少，降低了采伐消耗量。

森林蓄積量減少的主要原因是正常的木材采伐和樹木自然枯死造成的森林蓄積量減少，以及建設項目使用林地、人工樹種更替、毀林開墾、災害因素等造成的森林面積減少。

3 結論與討論

試驗結果表明，通過“3S”技術進行森林資源監測分析，得到了較精確的監測期鎮雄縣森林資源數據。監測期全縣森林面積129 087.48 hm2，較上期凈增加23 594.43 hm2，增幅達22.36%；監測期全縣森林蓄積量8 317 000 m3，較上期凈增254 400 m3，增幅3.2%。在森林面積增加的因素中，規劃調整措施占比達57.73%，是該年度森林資源增加的主要原因；其次是造林更新和自然因素，占比40.66%。而建設項目使用林地是森林減少的最大因素，全縣建設項目使用林地造成森林面積減少167.44 hm2，占全縣森林減少面積的52.80%。

本期森林資源監測工作在前期基礎上已經做了較大改進，著力加強了森林變化圖斑的判讀獲取、現地核實及森林資源變化原因分析，技術可靠，利于操作，但在實際工作中變化數據的核實和佐證材料的獲取仍需要進一步細化技術規程，簡化工作流程，充分利用時下最先進的“3S”技術，倡導部門協同和數據共享，減少外業調查核實工作量以及不必要的證明材料，提高工作效率[11]。一方面，在出臺年度森林資源監測技術方案時，注意充分考慮工作實際和相關技術及輔助設施應用，讓森林監測工作更加全面、有效地開展；另一方面，可以利用無人機航拍制作高分辨率影像數據，在森林資源管理“一張圖”的基礎上，將國土三調和行業數據進行疊加，結合高分衛星或資源三號衛星影像以及天地影像圖等遙感影像，進一步提高判讀的準確率[6]。另外，有關部門應進一步加大“3S”前沿技術研究和相關外業調查軟件的開發使用和操作培訓力度，開展森林資源即時監測，及時更新森林資源數據庫，提高森林資源監測水平[12]，推動森林資源管理工作順利開展。