姜　哲 ,劉　芳 ,張　微,欒曉峰 ，李迪強，李　佳

(1.北京林業(yè)大學 自然保護區(qū)學院,北京　100083;2.中國林業(yè)科學研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,北京　100091)

基于Landsat遙感影像解譯的神農架林區(qū)近30年土地覆蓋動態(tài)變化

姜哲1,2,劉芳2,張微1,欒曉峰1，李迪強2，李佳2

(1.北京林業(yè)大學 自然保護區(qū)學院,北京100083;2.中國林業(yè)科學研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,北京100091)

摘要：利用神農架林區(qū)1987年、2000年、2013年Landsat衛(wèi)星遙感影像，結合地面調查信息，運用ERDAS軟件分別解譯出這3個時期地表覆蓋類型，同時對比3個時期地表覆蓋類型的變化，統(tǒng)計分析出3個時期神農架林區(qū)森林變化面積和來源。結果顯示：1987—2000年森林面積增長緩慢，凈增長了14.70 km2，變化主要來自灌叢和草地的轉化；2000—2013年期間森林面積增長迅速，凈增長了207.49 km2，變化主要來自灌叢、草地和農田的轉化。運用遙感技術連續(xù)、宏觀、動態(tài)地監(jiān)測神農架林區(qū)地表覆蓋變化，不僅豐富了神農架林區(qū)的本底資料,同時也為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與生物多樣性保護提供了重要的數(shù)據(jù)。

關鍵詞：遙感影像；監(jiān)督分類；森林變化；保護成效；神農架林區(qū)

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對區(qū)域乃至全球的能量平衡、生物化學循環(huán)和水循環(huán)起著重要的調控作用[1-2]。區(qū)域范圍內植被覆蓋的變化(退化與恢復)體現(xiàn)了自然演變和人類活動對生態(tài)環(huán)境的作用,在全球變化研究中充當著“指示器”的作用[3]。

1研究背景

自1972年美國第一顆地球資源衛(wèi)星(Landsat-1)成功發(fā)射并獲取大量衛(wèi)星圖像之后，遙感技術開始在世界范圍內迅速發(fā)展和廣泛使用[4]。至今，隨著地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，GIS) 和全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,GPS) 的不斷結合，遙感技術已經(jīng)廣泛應用到植被覆蓋及其變化的研究中[5]，以及保護生物學[6]、地質災害[7]等各個領域。利用遙感技術對植被變化進行監(jiān)測主要有以下優(yōu)勢:①衛(wèi)星遙感圖像具有周期性、宏觀性、現(xiàn)勢性、經(jīng)濟性的特點，可以用于區(qū)域的植被覆蓋變化監(jiān)測[8]；②多源遙感信息(多時相、多光譜、多傳感器、多平臺和多分辨率)具有互補性和合作性，可以使植被覆蓋變化的定量估算更加精確、完全和可靠[9]。因此用遙感數(shù)據(jù)對植被變化進行監(jiān)測已經(jīng)成為動態(tài)監(jiān)測植被變化的主要手段之一[10-11]。

神農架林區(qū)有“物種基因庫”之稱，境內森林資源和動植物資源極其豐富, 擁有保持完好的亞熱帶生態(tài)系統(tǒng),在保持水土和維護生態(tài)平衡中的功能非常重要[12]。20世紀70，80年代，神農架林區(qū)大舉伐木支援國家建設，導致全區(qū)森林覆蓋率驟降11.6%[13]。1986年在神農架林區(qū)建立國家級森林和野生動物自然保護區(qū)，2000年開始神農架林區(qū)全面停止天然林砍伐,成為中國第一批實施天然林資源保護工程和退耕還林還草工程的地區(qū)之一[14]?，F(xiàn)有的對于神農架林區(qū)植被變化研究還比較少。黃靖等[15]以2003—2012年MODIS的遙感數(shù)據(jù)為信息源，利用增強型植被指數(shù)(EVI)，采用最大值合成法，對神農架林區(qū)植被覆蓋動態(tài)變化進行監(jiān)測，并與同期的氣候因子進行了相關性分析。田自強等[16]以TM影像繪制了神農架林區(qū)1∶20 000的植被類型圖，但對于神農架林區(qū)森林變化沒有涉及。因此本文利用神農架林區(qū)1987年、2000年和2013年Landsat遙感影像，結合地面調查信息，運用ERDAS軟件分別解譯1987年、2000年、2013年這3個時期的遙感圖像，動態(tài)地監(jiān)測神農架林區(qū)植被覆蓋變化情況。研究結果可以揭示近30a來林區(qū)森林保護工程的保護成效,同時可以作為生物多樣性動態(tài)研究的本底資料。

2研究區(qū)域概況

神農架林區(qū)位于湖北省西部邊陲,地跨東經(jīng)109°56′～110°58′，北緯31°15′～31°75′，面積3 250km2，屬巴山余脈。神農架地處中緯度北亞熱帶季風區(qū)，受大氣環(huán)流控制，氣溫偏低而且多雨，并隨海拔的升高形成低山、中山、亞高山3個氣候帶。神農架林區(qū)擁有全球中緯度地區(qū)保存完好的原始森林，林地面積達到75%[16]。區(qū)內植被以亞熱帶成分為主，兼有溫帶和熱帶成分，并具有明顯的垂直地帶性，海拔200～1 600m為亞熱帶性常綠落葉闊葉混交林帶，1 600～2 600m為溫帶性針葉林、落葉闊葉林帶，2 600m以上為寒溫性常綠針葉林帶[12]。

圖1　技術路線Fig.1　The technical route

3研究方法

以3個時期(1987年、2000年和2013年)遙感影像和實地調查的地表覆蓋信息為基礎，利用ERDAS9.2軟件對3個時期的遙感影像進行監(jiān)督目視解譯得到神農架林區(qū)的地表分類圖，利用GIS工具得出森林覆蓋變化。技術路線見圖1。

3.1遙感影像獲取

研究用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要從USGS(UnitedStatesGeographySurvey，美國地質調查局)和馬里蘭大學地球數(shù)據(jù)中心來搜索和下載。Landsat-5衛(wèi)星是美國于1984年3月發(fā)射的光學對地觀測衛(wèi)星，其所獲得的TM影像是迄今為止在全球應用最為廣泛、成效最為顯著的地球資源衛(wèi)星遙感信息源。2013年美國又發(fā)射了Landsat-8衛(wèi)星，不僅延續(xù)了Landsat-5/7(1999年)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在各個方面的應用，而且Landsat-8的波段數(shù)目更多、劃分更為精細。研究用遙感影像軌道號為125/38，這一影像覆蓋了神農架林區(qū)范圍內97.65%的面積。遙感影像僅是某一瞬間地面實況的反映,不同季節(jié)的落葉型植被在圖像上反射的光譜是不一樣的[17]，研究選擇10月底到12月底清晰且云量少的遙感影像進行解譯，以便于植被類型判別。同時下載了其他季節(jié)遙感地圖，用于對比地表覆蓋類型建立解譯標志。研究選用1987年10月26日(TM)、2000年12月24日(TM)和2013年12月4日(OLI)3個時期遙感影像。

3.2實地調查

2013年3月，通過開展實地調查，盡量多地記錄地表覆蓋類型及GPS位點，以便于遙感解譯中的各地表類型的判別，共收集了498個GPS位點信息(見圖2)。隨機選取3/4數(shù)據(jù)用于遙感影像的解譯工作，1/4數(shù)據(jù)用于遙感解譯之后的精度評估。

圖2　實地調查路線Fig.2　Map of ground investigation route

3.3遙感圖像解譯

將TM遙感影像的5，4，3波段與OLI遙感影像6，5，4波段進行標準組合假彩色合成，并進行地理校正。運用ERDAS9.2進行監(jiān)督分類，隨機選取375個地面調查點用于目視解譯，判讀遙感地圖中顏色所對應的地表類型，并以此來選取AOI(感興趣區(qū)域)，定義分類模板，進行監(jiān)督分類。將神農架林區(qū)地表覆蓋分類為6個地表類型(森林、草地、灌叢、水體、城鎮(zhèn)、農田)。

3.4分類后處理與精度評估

監(jiān)督分類是按照圖像光譜特征進行聚類分析的。因此，都帶有一定的盲目性。所以本研究中先后用分類重編碼、鄰域分析、去除分析處理監(jiān)督分類結果，使結果更符合真實情況。輸出結果的最小圖斑面積約為2hm2。

精度評估以隨機選取的123個GPS位點數(shù)據(jù)來評估解譯的精度。運用GIS技術賦予GPS位點解譯圖層屬性，以點的屬性信息和實際調查信息進行對比統(tǒng)計得出。

3.5GIS數(shù)據(jù)處理

運用ARCGIS柵格計算器工具，計算前后2個時期的圖層屬性值，得出變化圖層并統(tǒng)計各個類型變化面積。

4結果與討論

4.1解譯精度

2013年遙感影像監(jiān)督分類之后，經(jīng)過精度評估得出總的解譯精度約為84.55%，詳見表1。解譯精度最高是草地和農田(100%)，最低的為森林和城鎮(zhèn)(83.33%)。

表1　精度評估

4.2神農架林區(qū)地表覆蓋動態(tài)變化

遙感分析顯示，神農架林區(qū)森林面積呈現(xiàn)增長趨勢，從1987年的2 598.16km2增長到2013年的2 820.35km2，凈增長面積222.19km2。其中：1987—2000年期間森林面積增長緩慢，凈增長面積14.70km2；2000—2013年期間森林面積增長迅速，凈增長面積207.49km2。結果還顯示對比于1987年,2000年的草地和灌叢面積減少了，城鎮(zhèn)、農田和水體面積增加；而對比于2000年,2013年草地和灌叢面積減少，城鎮(zhèn)和水體面積增加，農田面積明顯的減少，凈減少面積為73.90km2(表2)。

表2　1987—2013年神農架林區(qū)地表覆蓋動態(tài)變化

4.3神農架林區(qū)森林變化

通過ARCGIS柵格計算及重新分類得出森林覆蓋與非森林覆蓋在2個時期內的土地覆蓋情況。詳見圖3。

(a) 1987—2000年

(b) 2000—2013年圖3　1987—2000年及2000—2013年2個時期的森林覆蓋變化Fig.3　Changes of forest cover during 1987-2000 and 2000-2013

通過ARCGIS統(tǒng)計得出森林覆蓋與非森林覆蓋在2個時期內的變化情況。1987—2000年期間及2000—2013年期間新增森林主要由灌叢和草地轉化而來(表3)，說明這期間神農架林區(qū)森林增長主要依靠自然更新。神農架林區(qū)處于亞熱帶至溫帶的過渡地帶，受大氣環(huán)流控制，氣溫偏低而且多雨。土地資源豐富，宜林宜牧地多，土壤有機質含量豐富，小氣候條件優(yōu)越，適于多種植物生長[18]。

表3　各類型轉化為森林的面積

2000—2013年期間農田轉化為森林所占百分比由1987—2000年間的9.85%增加到19.52%。表4

表4　森林轉化為其他類型面積

顯示相對于1987—2000年期間，2000—2013年期間森林轉化為其他類型的總面積大幅度降低，轉化為農田的比例降低，轉化為城鎮(zhèn)的面積和比例都略有增加，但2個時期土地覆蓋變化比例無顯著差異?？ǚ綑z驗結果Χ2=0.338,d.f.=4, P=0.987，其中Χ2為卡方，d.f.為自由度，P為顯著性。

由遙感解譯結果可以看出2000—2013年期間森林的增長面積遠遠大于1987—2000年，主要原因為：①森林轉化為其他類型的面積大幅度降低，即森林遭到破壞的面積大大減少；②農田轉化為森林的面積增加。自從20世紀60 年代初第一支砍伐隊伍開進神農架,該地區(qū)的生存與發(fā)展就是以消耗天然林資源為基礎,經(jīng)過長達35a的采伐,為國家提供商品材近1 000萬m3,全部為天然林木,而帶來的嚴重后果是森林生態(tài)功能降低,生態(tài)日趨惡化[19]。直到2000年3月神農架林區(qū)開始實施天然林保護工程，林區(qū)嚴格執(zhí)行天然林全面停伐[20]。自2000年神農架林區(qū)實施天然林保護工程和退耕還林工程，神農架林區(qū)宜林荒山荒地、農田面積減少，森林面積大幅增加。

神農架林區(qū)從1986年發(fā)展旅游業(yè)以來，旅游收入和人數(shù)穩(wěn)步增長，神農架林區(qū)社會經(jīng)濟一直迅速發(fā)展，旅游人數(shù)從1994年的10.10萬人次增長到2004年的52.20萬人次。生產總值從1993年的13 629萬元[21]增長到2002年的3.43億元。2013年全區(qū)實現(xiàn)地區(qū)生產總值185 745萬元，全區(qū)接待游客人數(shù)更是達到520.3萬人次。城市和旅游的發(fā)展使經(jīng)濟建設用地和居民住房用地增加。圖4(遙感圖像與解譯后圖像)為神農架林區(qū)政府所在地松柏鎮(zhèn)的變化。

圖4　松柏鎮(zhèn)面積變化Fig.4　Changes of the area of Songbai town

5結語

神農架林區(qū)2000—2013年森林增加面積為207.49km2，遠大于1987—2000年期間增加的14.70km2。表明神農架林區(qū)森林保護成效提高。

本研究通過對神農架林區(qū)遙感影像進行目視解譯，獲得了3個時期神農架林區(qū)地表覆蓋數(shù)據(jù)。研究結果不僅豐富了神農架林區(qū)的本底資料,對加強生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與生物多樣性保護方面具有重要的實際意義,而且可為當?shù)亓謽I(yè)部門較準確地掌握該地區(qū)森林資源的空間分布、利用現(xiàn)狀、數(shù)量動態(tài)提供可靠依據(jù)。

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(編輯：劉運飛)

Changes of Land Cover in Shennongjia Forest Region in the Past 3Decades Based on Interpretation of Landsat Images

JIANGZhe1,2,LIUFang2,ZHANGWei1,LUANXiao-feng1,LIDi-qiang2,LIJia2

(1.SchoolofNatureConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)

Abstract:According to Landsat images and ground investigation data, we interpreted the land cover types in 1987, 2000, and 2013 in Shennongjia Forest Region using Erdas Software, compared changes of land cover types in these periods, and analyzed the area and sources of changes in forest cover. The results indicated that forest area increased slowly by 14.70 km2 during 1987-2000, in which shrub and grassland contributed the most to the forest increasing area; however, during 2000-2013 forest area increased rapidly by 207.49 km2, in which shrub, grassland and farmland contributed the most. The application of remote sensing technology in monitoring the changes in land cover continuously and dynamically at macro level can enrich the background data and provide essential data for environment monitoring and biodiversity conservation.

Key words:remote sensing image; supervised classification; change of forest; achievement of conservation;Shennongjia forest region

收稿日期：2015-03-23 ；修回日期：2015-04-14

基金項目：“十二五”農村領域國家科技計劃課題資助項目(2013BAD03B03-03)

作者簡介：姜哲(1990-)，男，河南長垣人，碩士研究生，主要從事自然保護區(qū)學的研究，(電話)18001397125(電子信箱)812288862@qq.com。 通訊作者：李迪強(1966-)，男，湖南湘潭人，研究員，博士，主要從事生物保護學研究，(電話)010-62888594(電子信箱)lidq@caf.ac.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150205

中圖分類號：TP79，N91

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)06-0150-05

2016,33(06):150-154