王雪軍 項(xiàng)海兵

(國(guó)家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京，100714) (中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所)

責(zé)任編輯:任 俐。

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在保育水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)大氣、維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面發(fā)揮著重要作用［1－2］。近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，大量高分辨率遙感影像用于森林資源監(jiān)測(cè)，但由于生產(chǎn)成本、數(shù)據(jù)獲取等的局限，遙感應(yīng)用很難實(shí)現(xiàn)大面積的推廣;中低分辨率影像存在混合像元及“同物異譜，同譜異物”等本質(zhì)性問(wèn)題，自動(dòng)分類精度仍未達(dá)到95%的應(yīng)用水平［4－7］。地面抽樣調(diào)查仍然是森林面積、蓄積量等參數(shù)估算的可靠來(lái)源。世界各國(guó)采用的樣地布設(shè)方式各異［8－12］。加拿大采用20 km×20 km 間隔布樣，每個(gè)樣地大小為2 km ×2 km，樣地面積占國(guó)土面積的1%。巴西按20 km×20 km 網(wǎng)格布設(shè)樣地，每個(gè)網(wǎng)10 km ×10 km 的抽樣單元，用較高分辨率的衛(wèi)星影像進(jìn)行判讀。澳大利亞提出了基于多階抽樣設(shè)計(jì)的全國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)體系框架:第1 階是低分辨率遙感，包括森林遙感制圖和網(wǎng)格抽樣，網(wǎng)格按20 km ×20 km，全國(guó)共19 192 個(gè)網(wǎng)格;第2 階是高分辨率遙感，它建立在系統(tǒng)分布的20 km×20 km 網(wǎng)格上，按5 km ×5 km 采樣;第3 階是地面抽樣調(diào)查［4］。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)的大樣地設(shè)計(jì)，在2010年全球森林資源評(píng)估中，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織采用機(jī)械抽樣技術(shù)，在全球范圍內(nèi)按1° ×1°經(jīng)緯度間距，系統(tǒng)布設(shè)13 689 個(gè)遙感樣地，每個(gè)樣地設(shè)置為10 km×10 km。

我國(guó)國(guó)家森林資源連續(xù)清查(簡(jiǎn)稱一類調(diào)查)，由國(guó)家林業(yè)局統(tǒng)一組織，以省(區(qū))為單位，利用固定樣地，每5 a 進(jìn)行一次復(fù)查，其成果由國(guó)家林業(yè)局統(tǒng)一發(fā)布，對(duì)各省(區(qū))森林資源與生態(tài)狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為制定和調(diào)整林業(yè)方針政策、規(guī)劃、計(jì)劃，監(jiān)督檢查各地森林資源消長(zhǎng)任期目標(biāo)責(zé)任制提供依據(jù)［13－14］。森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查(簡(jiǎn)稱二類調(diào)查)，由各省(區(qū))自行組織，以縣級(jí)行政區(qū)域或森林經(jīng)營(yíng)單位為調(diào)查單位，以小班為單元對(duì)林業(yè)用地進(jìn)行調(diào)查，每10 a 開(kāi)展1 次，其成果以縣級(jí)行政區(qū)域?yàn)閱挝挥筛魇“l(fā)布，以滿足編制森林經(jīng)營(yíng)方案、總體設(shè)計(jì)、林業(yè)區(qū)劃與規(guī)劃設(shè)計(jì)需要［10，15－16］。二類調(diào)查以小班區(qū)劃為基礎(chǔ)，在一定程度上相當(dāng)于全面調(diào)查，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的精度與參加統(tǒng)計(jì)小班的個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)，而與各小班的調(diào)查允許誤差直接相關(guān)。

抽樣調(diào)查技術(shù)被廣泛用于林業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。抽樣方法有隨機(jī)抽樣、系統(tǒng)抽樣、分層抽樣和整群抽樣等方法［3，9－12］。在基于樣地測(cè)量估算森林參數(shù)方面，學(xué)者們做了大量研究。孫華等［17］以湖南省2004年森林資源連續(xù)清查遙感樣地為研究對(duì)象，在抽樣可靠性指標(biāo)為95%的情況下開(kāi)展遙感抽樣技術(shù)研究，結(jié)果表明，抽樣總體精度以抽樣點(diǎn)間隔2 km ×2 km分層抽樣最大。張小偉等［12］探討空間分層抽樣在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用，指出空間分層抽樣與經(jīng)典抽樣和隨機(jī)空間抽樣相比具有明顯優(yōu)越性，可以降低成本，提高效率。

雖然，空間分層抽樣方法有其優(yōu)勢(shì)，但參數(shù)較多，還需要根據(jù)各行政區(qū)森林覆蓋率的變化而變動(dòng)，降低了可行性，不利于在全國(guó)尺度上運(yùn)行。因此，文中以鞍山市為研究區(qū)，以遙感解譯數(shù)據(jù)為參考，對(duì)比一類清查與二類小班數(shù)據(jù)的差異，分析遼寧省現(xiàn)行4 km×8 km 間隔的樣地估算鞍山市森林面積的精度，在此基礎(chǔ)上減少樣地?cái)?shù)量，改變樣地面積大小，分析不同抽樣強(qiáng)度對(duì)估算鞍山市森林面積精度的影響，并從中找到最佳的抽樣方式，為區(qū)域森林資源年度監(jiān)測(cè)提供抽樣技術(shù)框架支持。

1 研究區(qū)概況

遼寧省鞍山市位于東經(jīng)122°10'～123°41'，北緯40°27'～41°34'。地處中緯度的松遼平原的東南部邊緣(圖1)。

圖1 研究區(qū)的位置

鞍山市屬于標(biāo)準(zhǔn)的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、干濕段明顯、雨熱同期、干冷同季、降水充沛、溫度適宜、光照豐富，年降水量為640～880 mm，自東南向西北逐次減少;年平均氣溫平原地區(qū)為9.0 ℃，而東部和東南部山區(qū)為7.0 ℃;從地貌上看，鞍山市海拔較低，在海拔1 km 以下;特征是東南高西北低，自東南向西北傾斜。鞍山現(xiàn)轄4 個(gè)市轄區(qū)、1 個(gè)縣級(jí)市、1 個(gè)縣、1 個(gè)自治縣;市區(qū)總面積9 252 km2。森林植被類型以暖溫帶落葉闊葉林為主，其森林資源主要分布岫巖滿族自治區(qū)及市轄區(qū)和海城區(qū)的東南部山區(qū)。

2 材料與方法

本研究涉及的數(shù)據(jù)源主要包括鞍山市2007年調(diào)查的二類調(diào)查小班數(shù)據(jù)和2010年遼寧省一類清查數(shù)據(jù)，二類調(diào)查數(shù)據(jù)主要包括2007年鞍山市小班區(qū)劃矢量庫(kù)、屬性庫(kù)和森林資源匯總成果統(tǒng)計(jì)表等數(shù)據(jù)，其中小班矢量數(shù)據(jù)為西安80 大地坐標(biāo)系的shp 文件，鞍山市森林分布圖可以根據(jù)二類調(diào)查小班矢量數(shù)據(jù)制作(圖2)。

圖2 鞍山市森林與非森林分布圖

一類清查數(shù)據(jù)主要包括樣地庫(kù)和樣木庫(kù)，樣地庫(kù)數(shù)據(jù)是含表格形式的dbf 文件。遼寧省共有4 617 個(gè)一類固定樣地，樣地間隔為4 km ×8 km，其中涉及鞍山市241 個(gè)樣地，樣地面積大小為0.08 hm2。樣地調(diào)查因子主要包括樣地號(hào)、縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)、海拔、樣地類別、地類、齡組、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、平均樹(shù)高、平均胸徑、優(yōu)勢(shì)連片面積等樣地因子，鞍山市一類樣地分布見(jiàn)圖3。

圖3 樣地分布圖

本研究所采用的空間信息數(shù)據(jù)均集成統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，即西安80 坐標(biāo)系，投影方式為高斯克呂格投影，采用的橢球體為Krasovsky 橢球體，主要參數(shù):中央經(jīng)線123°E，原點(diǎn)緯線0°。因一類清查樣地庫(kù)記載的樣地空間位置坐標(biāo)系為北京54 坐標(biāo)系，因此，須在GIS 軟件支持下，完成北京54 坐標(biāo)系向西安80 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。文中采用通過(guò)鞍山市54 坐標(biāo)系與80 坐標(biāo)系的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的偏移量改正值，進(jìn)行空間平移的方法實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)二類調(diào)查數(shù)據(jù)和一類清查數(shù)據(jù)等2 套數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系的統(tǒng)一工作，為后續(xù)空間分析評(píng)價(jià)做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。

以鞍山市森林資源二類調(diào)查小班區(qū)劃成果作為真值數(shù)據(jù)源，以現(xiàn)行一類調(diào)查樣地為中心(圖3)，分別選取250 m，1、2、3、4 km 正方形樣地，按不同的抽樣比例進(jìn)行技術(shù)方案的實(shí)踐，比較不同抽樣比例、不同樣地面積大小的抽樣精度和抽樣效率。技術(shù)路線和具體步驟見(jiàn)圖4。

基于一類清查數(shù)據(jù)計(jì)算鞍山市森林覆蓋率(F)，公式如下:

式中:fn表示森林樣地;N 表示鞍山市的總樣地?cái)?shù)。

然后，將二類調(diào)查數(shù)據(jù)中地類為針葉林、闊葉林、針闊混交林及國(guó)家特別規(guī)定的灌木林的小班均劃為森林，其他地類劃為非森林(圖2)。

以鞍山市現(xiàn)行4 km ×8 km 的241 個(gè)樣地為中心依次構(gòu)建25、30、250 m，1、2、3、4 km 正方形(圖5)，求與合并地類后的二類小班數(shù)據(jù)的交集。

圖4 技術(shù)流程圖

圖5 樣地面積大小示意圖

統(tǒng)計(jì)各類樣本的森林面積比，見(jiàn)公式(2)，并分析純像元與樣地大小的關(guān)系。

式中:Fni表示第i 個(gè)樣地的森林覆蓋率;Ni為樣地內(nèi)森林斑塊的數(shù)量;Aij表示第i 個(gè)樣地內(nèi)第j 塊地類為森林的多邊形的面積;Ai表示第i 塊樣地的總面積。

統(tǒng)計(jì)各尺度樣本，估算鞍山市森林覆蓋率，見(jiàn)公式(3)，然后，根據(jù)小班數(shù)據(jù)計(jì)算的鞍山市森林覆蓋率，評(píng)價(jià)估算精度。

采用等間距分組，分別分2、3、4、5 組(圖3)。從最大誤差、最小誤差和誤差的方差等指標(biāo)評(píng)價(jià)各分組方案是否滿足現(xiàn)行規(guī)程的精度，并選出最佳方案。

3 結(jié)果與分析

3.1 尺度變化

統(tǒng)計(jì)各種尺度樣地大小的森林面積比，得到統(tǒng)計(jì)圖6。從圖6中可以看出邊長(zhǎng)為30 m 時(shí)，森林面積比主要分布在大于0.9 和小于0.1 的區(qū)間內(nèi)，隨著樣地面積的增加，森林面積比逐漸呈現(xiàn)正態(tài)分布。當(dāng)邊長(zhǎng)為4 km 時(shí)，正態(tài)分布的峰值位于0.65。結(jié)果表明，隨著樣地面積的增大，純森林像元數(shù)量在逐步減少。

圖6 不同樣地大小內(nèi)森林面積統(tǒng)計(jì)圖

3.2 抽樣強(qiáng)度

誤差分析主要從組間標(biāo)準(zhǔn)差和最小誤差兩個(gè)指標(biāo)對(duì)比分析不同采樣率和樣地面積大小估算總體的誤差。誤差公式見(jiàn)公式(4)、(5)。

式中:S 為組間標(biāo)準(zhǔn)差;k 是分組數(shù);Fni表示第i組樣地的森林覆蓋率;F 表示二類小班數(shù)據(jù)的森林覆蓋率。

式中:E 為誤差。

各分組方式的組間誤差的標(biāo)準(zhǔn)差越小就表示任意一組的估算精度的可信度越大。從表1可以看出樣地面積設(shè)置越大，誤差的方差就越小，分組越多，方差越大。邊長(zhǎng)為250 m 時(shí)，所有分組的標(biāo)準(zhǔn)差都大于5%;邊長(zhǎng)為1 km 時(shí)，當(dāng)抽樣率達(dá)到50%以上，標(biāo)準(zhǔn)差小于5%;當(dāng)邊長(zhǎng)大于等于2 km 時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差都小于5%。結(jié)果表明，分組越多，抽樣樣本量越小，估計(jì)總體的偏差越大。

表1 組間標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)

表2為各采樣方式中誤差的最小值和最大值，從表2中可以看出采樣率為1/3，邊長(zhǎng)為3 km 和4 km 方式的誤差更小，但是最大誤差比采樣率為0.5、樣地大小為2 km×2 km 的采樣方式更大，且采樣面積分別是2 km ×2 km 采樣方式的1.5 倍和2.67倍。對(duì)比各組抽樣的誤差方差及最佳統(tǒng)計(jì)誤差，表明采用現(xiàn)行樣地?cái)?shù)量的1/2(采樣率為50%，抽樣面積比例為5%左右)及抽樣間隔為8 km×8 km，樣地大小為2 km×2 km 的估算效果最好。

表2 采樣率及樣地大小誤差的最小值及最大值

4 結(jié)束語(yǔ)

像元面積與純度成反比，即分辨率越低，森林和非森林的混合度越大;通過(guò)對(duì)比對(duì)比各組抽樣的誤差方差及最佳統(tǒng)計(jì)誤差，發(fā)現(xiàn)抽樣強(qiáng)度為50%，即為現(xiàn)行樣地?cái)?shù)量的50%，樣地大小為2 km×2 km 工作形式最佳。

目前一類資源清查數(shù)據(jù)和二類調(diào)查小班數(shù)據(jù)是我國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)的主要數(shù)據(jù)源。雖然從全國(guó)的尺度上看，這兩者的一致性較差［8］，但對(duì)于鞍山市地區(qū)，兩者的一致性較好，并實(shí)踐證明改變現(xiàn)行森林資源樣地的調(diào)查方式，通過(guò)遙感大樣地調(diào)查方法，也能較為準(zhǔn)確地估測(cè)區(qū)域森林面積。鑒于本研究區(qū)范圍較小，還需要做不同森林覆蓋度和不同空間分布等特征試驗(yàn)區(qū)的對(duì)比驗(yàn)證，為進(jìn)一步優(yōu)化與改善森林資源連續(xù)清查方案提供科學(xué)的決策依據(jù)。

采用遙感大樣地調(diào)查方法時(shí)，在確保林地、森林面積抽樣精度的條件下，提高小成數(shù)地類面積的抽樣精度，同時(shí)結(jié)合地面樣地調(diào)查，完成對(duì)區(qū)域森林蓄積量的估計(jì)，這將是調(diào)查體系優(yōu)化完善研究的重點(diǎn)。

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