基于多源土地覆蓋數據產品的長江上游森林動態變化不確定性及其特征分析

朱超凡，朱求安，2，王 樂，劉 佳，瞿莉莎

（1.河海大學水文水資源學院，南京 210000；2.國家地球系統科學數據中心，北京 100101）

自天然林保護工程（簡稱天保工程）實施以來，工程區森林覆蓋率呈增加趨勢，其中長江上游地區森林覆蓋率最高，其森林增加面積占全區森林增加面積的50.97%［1］。人口擴張和城市化發展導致長江中上游地區森林過度開發、亂砍濫伐、毀林開荒。森林遭受破壞會引起大面積水土流失以及環境退化，造成江湖、水庫淤積，降低了長江本來的調蓄洪能力［2］。中國在各地推出天保工程、退耕還林還草工程，長江流域的植被得到一定程度的恢復［3，4］。定期開展森林資源監測有助于更好地評估天保工程對森林資源恢復的效益，以及為國家層面生態恢復決策建立科學基礎。

隨著衛星遙感事業的發展，遙感制圖技術得到了跨越式發展，大批全球或區域尺度的遙感監測產品紛紛出現［5］。這些遙感產品來源于不同衛星監測數據、使用不同分類系統與制圖技術，因此各遙感數據有自身的優缺點［6，7］。土地利用數據對于揭示人類對環境的影響，探討環境、資源、生態的變化有重要意義。但土地覆蓋數據產品仍存在諸多問題，如空間分辨率低、精度低、不同產品間的一致性較差［8］。

天保工程歷時數年，早已對生態環境和人類生活產生重大影響。雖然現階段的土地覆蓋數據產品相對豐富，但不同產品間的森林覆蓋分布仍存在較大差異［9，10］。本研究通過對各土地覆蓋數據產品進行不確定性分析及精度評價，系統評價天保工程實施前后長江上游地區森林動態變化，揭示天保工程下長江上游地區森林變化過程。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

長江發源于青藏高原，其上游流域地形錯綜復雜，不僅受東南季風和西南季風影響，而且受青藏高原的影響，是氣候脆弱地區［11］。長江上游為湖北省宜昌市以上河段，總體涵蓋9 個省（市、區）。長江上游流域的面積達100 萬km2，介于24°46′—36°31′N、90°47′—113°31′E。流域內水系眾多，包括金沙江、岷江、烏江、嘉陵江等河流。

1.2 數據來源

本研究收集了來自各個國家和機構的10 種土地覆蓋數據產品，包括中國逐年土地利用/土地覆蓋數據產品（China’s annual land use/land cover datasets，CLUD-A）［12］、歐盟委員會聯合研究中心開發的數據產品（GLC2000）［13］、歐洲航天局生產的全球土地覆蓋數據產品（GlobCover）［14］、清華大學地球系統科學系宮鵬團隊生產的全球首個5 km 分辨率地表數據產品（GLASS-GLC）、馬里蘭大學建立的全球土地覆蓋數據產品（UMd）［15］、美國地質調查局為國際地圈-生物計劃建立的全球土地覆蓋數據產品（IGBPDISCover）［16］、歐洲航天局發布的300 m 土地利用數據產品（European space agency climate change initiative-land cover，ESA CCI-LC）、中國科學院空天信息創新研究院發布的全球30m 精細地表覆蓋動態監測數據產品（GLC_FCS30）［17］、國家基礎地理信息中心和多家科研所研制的數據產品（GlobeLand30，GL30）［18，19］、1980—2015 年中國遙感土地利用/覆蓋數據產品（CLUDs）。

本研究以第六次全國森林資源清查結果為參考數據，評價各數據產品在2000 年反映的數據產品精度。全國第六次森林資源清查于1999—2003 年開展，優化完善了各省份連續清查體系，并且在清查期內，采用3S（遙感、全球定位、地理信息系統）等新技術，大幅提高了清查的準確度并且增加了清查的調查內容［20］。

1.3 研究方法

1.3.1 不同土地覆蓋數據產品森林分布的一致性分析 將收集到的遙感數據進行分辨率的統一（1 km），根據數據所在的年份（1995、2000、2005、2010 年）計算不同土地覆蓋數據產品中森林空間分布的一致性（C），計算公式如下：

式中，Vp為土地覆蓋數據產品疊加后在該柵格上分類為森林的土地覆蓋數據產品數；TND為該階段數據產品數量；本研究將各階段的森林空間分布一致性（C）分為4 個層次，包括低一致性（25%~50%）、中一致性（50%~75%）、高一致性（75%~100%）、完全一致性（C=100%）。

1.3.2 不同土地覆蓋數據產品精度驗證 本研究以全國第六次森林資源清查數據為依據，利用中國省級行政邊界矢量圖，從2000 年的土地覆蓋數據產品中分別提取長江上游9 個?。ㄊ?、區）的森林面積，然后在各區域內比較土地覆蓋數據產品森林面積與清查的森林面積，定量評價土地覆蓋數據產品在各區域的森林面積精度差異。

1.3.3 森林變化趨勢 本研究采用一元線性回歸分析來計算每個柵格的變化趨勢。計算公式如下：

式中，K為斜率；n為年數；xi表示第i年的變量值。其中，K＞0，表明該變量呈上升趨勢，K＜0，表明該變量呈下降趨勢。

2 結果與分析

2.1 不同土地覆蓋數據產品森林面積對比及一致性分析

由圖1 可知，不同土地覆蓋數據產品在森林面積及其變化趨勢上存在明顯差異。GLASS-GLC 數據產品的森林面積最大，為5.5×105km2，整體呈上升趨勢。GLC_FCS30 數據產品的森林面積為3.6×105~3.9×105km2，整體呈先上升后平穩的趨勢。Globe-Land30 數據產品的森林面積變化范圍為3.5×105~4.0×105km2，2000—2010 年呈上升趨勢，2010—2020年呈下降趨勢。CLUDs 數據產品的森林面積基本保持在3.3×105km2，整體變化幅度較小。ESA CCILC 數據產品森林面積變化范圍為3.0×105~3.2×105km2，整體呈緩慢上升趨勢。CLUD-A 數據產品森林面積基本保持在2.0×105km2，整體變化幅度偏小。UMd 數據產品的森林面積為3.2×105km2，同一期間IGBPDISCover 數據產品的森林面積僅為0.8×105km2。GLC2000 數據產品的森林面積為2.5×105km2。GlobCover 數據產品森林面積為2.2×105~2.6×105km2。

圖1 長江上游地區不同土地覆蓋數據產品的森林面積

根據1995、2000、2005、2010 年不同土地覆蓋數據產品的森林一致性比較結果（圖2）可知，高一致性和完全一致性的區域集中在長江上游南方區域和四川盆地外圍，而對于四川盆地，從不同土地覆蓋數據產品中提取的森林面積存在較大差異。

由表1 可知，土地覆蓋數據產品森林面積完全一致的區域占整個長江上游地區森林總面積的0.43%~4.17%，1995 年完全一致的區域占整個長江上游地區森林總面積的4.17%，2010 年完全一致的區域占整個長江上游地區森林總面積的0.43%。土地覆蓋數據產品森林高一致的區域占整個長江上游地區森林總面積的24.93%~28.78%，2005 年高一致的區域占整個長江上游地區森林總面積的28.78%，2010 年高一致的區域占整個長江上游地區森林總面積的24.93%。2000 年和2010 年因為存在大量的土地覆蓋數據產品，導致土地覆蓋數據產品的一致性相對較低。

表1 長江上游地區土地覆蓋數據產品森林一致性（單位：%）

2.2 不同土地覆蓋數據產品森林面積精度評價

表2 是2000 年的土地覆蓋數據產品與全國第六次森林資源清查在長江上游地區森林面積的比對結果。不同的土地覆蓋數據產品與全國第六次森林資源清查在森林面積上存在一定偏差。除CLUD-A數據產品外，其他土地覆蓋數據產品的數據與全國第六次森林資源清查數據有較大偏差。偏差最大的土地覆蓋數據產品為GLASS-GLC，偏差為23.00%，其次為GLC_FCS30、GL30 數據產品，偏差分別為15.00%、11.00%。綜上，森林面積精度評價的土地覆蓋數據產品中，CLUD-A 數據產品精度最高。

表2 不同土地覆蓋數據產品森林面積精度評價（單位：%）

2.3 森林面積變化趨勢分析

由表2 可知，研究區內CLUD-A 數據產品時間序列最完整，在收集的多種土地覆蓋數據產品中森林面積精度最高，因此本研究選用CLUD-A 數據產品，并從空間尺度上評估長江上游地區34 年間森林變化趨勢。圖3 是CLUD-A 數據產品在4 個時間段的森林變化趨勢，在1982—1990 年長江上游地區森林面積呈增加趨勢，并且集中在四川省境內；1991—2000 年長江上游地區森林面積呈減少趨勢，主要變化區域仍在四川省境內；2001—2010 年，長江上游地區森林面積整體呈增加趨勢，并且森林面積變化區域的重心開始逐步向南部傾斜；2011—2015 年，森林面積呈先增加后減少趨勢。

圖3 長江上游地區各階段森林變化趨勢

3 小結與討論

本研究結果表明，目前雖然有眾多土地覆蓋數據產品，但是不同土地覆蓋數據產品之間存在較大的精度差異。相關研究也證明了這一點，牛振國等［21］發現Globe Cover2009 數據產品在中國范圍數據總體精度只有32.46%。Giri 等［22］指出GLC2000和MODIS 數據產品之間不同類型數據面積相差較大，空間一致性也存在差異。目前，雖然遙感技術發展迅速，各數據產品總體精度較高，但是不同遙感數據之間仍存在差異。造成這種差異的原因有很多，吳文斌等［23］認為由于不同時間生產的遙感數據在選擇數據源和制圖技術上存在分歧，從而導致不同遙感數據在地表覆蓋高度混合的區域有更多誤差和不確定性。Gong 等［24］認為由于分類系統、分類技術、影像獲取時間和空間分辨率等原因，致使不同遙感數據之間存在精度差異。

自從天保工程實施以來，長江上游地區的森林逐漸得到恢復［25］。天保工程在長江上游地區主要實施的區域為西南地區，主要包括云南省、四川省、貴州省和重慶市。在天保工程實施下西南地區森林得到恢復。國政等［26］指出西南地區的森林覆蓋率由1998 年的30.49%上升至2008 年的40.2%。本研究結果也表明，在天保工程實施下長江上游地區的森林覆蓋率得到了恢復，與國政等［26］的研究結果一致。

本研究指出長江上游地區的森林覆蓋率可以分為4 個階段，第一階段是1982—1990 年，森林面積呈增加趨勢；第二個階段是1991—2000 年，森林面積呈減少趨勢；第三個階段是2001—2010 年，森林面積呈增加趨勢；第四個階段是2011—2015 年，森林面積呈減少趨勢。張亮等［27］指出長江流域植被覆蓋度在1980—2000 年呈微弱增加，在該階段，長江上游地區的諸多子流域內植被覆蓋度都呈先增后減的趨勢。劉揚揚等［28］利用NDVI 數據對2001—2010年長江上游地區植被時空變化進行探討，結果表明，在該階段長江上游地區植被呈增加趨勢。劉祖英等［29］認為2010—2015 年是第一輪退耕還林工程末期，退耕的生態補貼不能滿足退耕農戶的生活需要，部分地區出現復耕現象，從而導致部分地區林地退化。