基于遙感群團(tuán)樣地的森林資源宏觀監(jiān)測(cè)影響因子研究

杜 志，甘世書

(國(guó)家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410014)

我國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)體系主要由全國(guó)森林資源清查(一類清查)、森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查(二類調(diào)查)和作業(yè)設(shè)計(jì)調(diào)查(三類調(diào)查)等組成。已完成的8次全國(guó)森林資源清查工作，為國(guó)家提供了準(zhǔn)確的森林資源現(xiàn)狀及其變化情況，為制定和調(diào)整林業(yè)方針政策，編制國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃等重大戰(zhàn)略決策提供了科學(xué)依據(jù)。然而，五年一次的一類清查和十年一次的二類調(diào)查的監(jiān)測(cè)周期難以滿足目前年度出數(shù)的要求，監(jiān)測(cè)成果時(shí)效性差[1]。對(duì)此，國(guó)家林業(yè)局近年來(lái)不斷增強(qiáng)森林資源監(jiān)測(cè)體系服務(wù)能力，探討實(shí)踐森林資源“年度出數(shù)”方法，推進(jìn)森林資源“一體化”監(jiān)測(cè)體系建設(shè)[2]。

從2012年廣東省開(kāi)展的國(guó)家森林資源與生態(tài)狀況綜合監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工作，到2014年遼寧省、浙江省和湖南省等開(kāi)展的全國(guó)森林資源一體化監(jiān)測(cè)試點(diǎn)，到2015年覆蓋全國(guó)的森林資源宏觀監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)體系不斷完善，技術(shù)手段逐漸成熟。其中全國(guó)森林資源宏觀監(jiān)測(cè)利用最新遙感衛(wèi)星影像，對(duì)大樣地進(jìn)行遙感判讀(群團(tuán)樣地判讀)，結(jié)合必要的調(diào)查核實(shí)和現(xiàn)地驗(yàn)證，統(tǒng)計(jì)各省主要地類面積，產(chǎn)出全國(guó)各省年度森林面積、蓄積等主要森林資源指標(biāo)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。以提高全國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)的時(shí)效性，縮短了森林資源數(shù)據(jù)產(chǎn)出周期，為評(píng)估國(guó)家“十二五”規(guī)劃目標(biāo)完成情況，編制“十三五”規(guī)劃和開(kāi)展省級(jí)黨政領(lǐng)導(dǎo)任期考核提供了科學(xué)參考依據(jù)。

森林資源數(shù)據(jù)的年度出數(shù)方法，主要以遙感判讀結(jié)合現(xiàn)地驗(yàn)證為主，遙感正判率直接關(guān)系到年度森林面積、森林覆蓋率等成果的準(zhǔn)確性。然而，目前系統(tǒng)、全面分析在林地遙感正判率影響因子方面的研究報(bào)道較少。本文基于2015年廣西壯族自治區(qū)森林資源宏觀監(jiān)測(cè)遙感群團(tuán)樣地調(diào)查，從人員和資料兩個(gè)因子對(duì)遙感判讀的影響進(jìn)行分析，以期為提高林業(yè)遙感正判率和增強(qiáng)森林資源年度出數(shù)的可靠性方面提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 遙感群團(tuán)樣地布設(shè)

采用西安80坐標(biāo)系，圓錐等面積投影，在全國(guó)范圍內(nèi)，以20 km×20 km網(wǎng)交叉點(diǎn)為中心，設(shè)置2 km×2 km大樣地，廣西共設(shè)置603個(gè)大樣地。大樣地以西北方向第一個(gè)落入行政區(qū)域內(nèi)的大樣地為1號(hào)樣地，按從西向東、再?gòu)谋毕蚰系捻樞蛞来尉幪?hào)。按廣西大樣地號(hào)從小到大順序排序，每間隔一定個(gè)數(shù)，機(jī)械抽取5%的大樣地進(jìn)行現(xiàn)地驗(yàn)證，確保機(jī)械抽取樣地較均勻分布于全省域范圍內(nèi)，然后隨機(jī)抽取不低于15%的大樣地，廣西用于現(xiàn)地驗(yàn)證大樣地個(gè)數(shù)為129個(gè)。

在大樣地范圍內(nèi)，按500 m×500 m間距均勻布設(shè)25個(gè)群團(tuán)樣地，每個(gè)樣地的面積為666.67 m2，形狀為正方形。

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

森林資源宏觀監(jiān)測(cè)遙感群體樣地?cái)?shù)據(jù)有遙感影像和矢量數(shù)據(jù)兩方面，數(shù)據(jù)來(lái)源于此129個(gè)大樣地(共3 225個(gè)群團(tuán)樣地)的內(nèi)業(yè)判讀和現(xiàn)地核實(shí)結(jié)果。

衛(wèi)星影像由國(guó)家林業(yè)局統(tǒng)一提供，按照遙感數(shù)據(jù)時(shí)相、分辨率、云量等要求，對(duì)2013年以來(lái)的遙感影像進(jìn)行正射校正等數(shù)據(jù)處理，裁切成4 km×4 km分幅的大樣地遙感影像，作為遙感判讀底圖，同時(shí)每個(gè)樣地下載最新的4 km×4 km范圍的谷歌影像，作為參考影像。129個(gè)大樣地的遙感影像類型如表1。

表1 各種遙感數(shù)據(jù)源類型統(tǒng)計(jì)表遙感數(shù)據(jù)源波段類型分辨率/m數(shù)量RapidEyeC(多光譜)585國(guó)產(chǎn)資源一號(hào)P(全色)515國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)P(全色)218高分一號(hào)P(全色)211航空影像C(多光譜)0.6 129

根據(jù)季節(jié)變化和樹木生長(zhǎng)規(guī)律，將129張衛(wèi)星影像的時(shí)相分為兩部分，時(shí)相A當(dāng)年2月至9月，共52張影像；時(shí)相B當(dāng)年10月至翌年1月，共77張影像。

矢量數(shù)據(jù)主要包括廣西2009年森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查(二類調(diào)查)數(shù)據(jù)、2011年廣西林地保護(hù)利用規(guī)劃數(shù)據(jù)、2014年廣西林地變更數(shù)據(jù)、2015年近期采伐或造林、林地占用征收和森林火災(zāi)等林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理矢量資料。

1.3 遙感判讀

選取2名具有不同判讀經(jīng)驗(yàn)的人員分別對(duì)群團(tuán)樣地進(jìn)行判讀，其中判讀人員A是具有5年以上遙感判讀經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員，判讀人員B是沒(méi)有任何遙感判讀工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員。2名人員依照不同分辨率和時(shí)相的衛(wèi)星影像對(duì)全部樣地進(jìn)行判讀，然后對(duì)照高分辨率谷歌影像，結(jié)合林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理資料再次判讀。

1.4 正判率計(jì)算

對(duì)全部大樣地的群團(tuán)樣地進(jìn)行現(xiàn)地驗(yàn)證，根據(jù)現(xiàn)地調(diào)查結(jié)果，采用如下公式計(jì)算各地類正判率。

地類i的正判率=

2 結(jié)果與分析

2.1 不同判讀經(jīng)驗(yàn)人員的影響分析

林業(yè)遙感判讀工作多采用人工判讀形式，表2統(tǒng)計(jì)了判讀人員A和判讀人員B僅根據(jù)衛(wèi)星影像的正判率情況?？芍?，經(jīng)驗(yàn)豐富人員對(duì)各地類的正判讀率明顯高于無(wú)經(jīng)驗(yàn)人員，尤其體現(xiàn)在對(duì)竹林的判讀上，無(wú)經(jīng)驗(yàn)人員對(duì)于竹林在衛(wèi)星影像中的表現(xiàn)形式缺乏認(rèn)知；對(duì)于未成林造林地的正判率均不超過(guò)30%，表明此地類在衛(wèi)星影像中與其它地類較難區(qū)分，廣西多種植桉樹，每年桉樹的采伐更新，在影像表現(xiàn)上易與未成林造林地等地類混淆，造成未成林造林地的正判率不高；而對(duì)于森林的正判率(不區(qū)分喬木林、竹林和特殊灌木林)分別為93.64%和88.04%，2名判讀人員均表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性。

表2 不同判讀人員正判率統(tǒng)計(jì)表判讀人員正判率/%喬木林竹林特殊灌木林一般灌木林未成林造林地其它地類森林A89.3580.7783.5460.0022.8691.6793.64B83.4667.2911.115.8879.7088.04差異5.8980.7716.2548.8916.9711.975.61

2.2 不同分辨率衛(wèi)星影像的影響分析

目前林業(yè)調(diào)查常用遙感影像來(lái)源于RapidEye、國(guó)產(chǎn)資源一號(hào)、國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)、高分一號(hào)等衛(wèi)星。本文采用RapidEye和國(guó)產(chǎn)資源一號(hào)衛(wèi)星的5 m分辨率的遙感影像，以及國(guó)產(chǎn)資源三號(hào)和高分一號(hào)衛(wèi)星2 m分辨率的遙感影像。

由表3可知，采用5 m分辨率影像時(shí)，判讀人員A的正判率均高于判讀人員B，運(yùn)用2 m分辨率影像時(shí)，兩者的正判率差值規(guī)律不明顯。但是，判讀人員B在2 m分辨率影像中各地類的正判率較5 m分辨率影像中的正判率有明顯提高，喬木林由79.15%提高到86.58%，特殊灌木林從72.49%上升到78.48%，森林正判率由85.50%變?yōu)?8.22%。隨分辨率提高，對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富人員的正判率影響較小，僅喬木林和竹林出現(xiàn)了提高。

表3 不同分辨率的衛(wèi)星影像的正判率統(tǒng)計(jì)表影像分辨率/m判讀人員正判率/%喬木林竹林特殊灌木林一般灌木林未成林造林地其它地類森林A88.8573.4617.2463.6492.7091.215B79.1572.493.459.0985.0985.50差異9.700.9713.7954.557.625.70A92.6587.5053.1625.0020.0089.5887.742B86.5878.4888.5488.22差異6.0787.50-25.3225.0020.001.04-0.48

2.3 不同時(shí)相衛(wèi)星影像的影響分析

遙感最佳時(shí)相的選擇可以強(qiáng)化森林植被信息及其類型的識(shí)別,弱化其它因子的干擾,是森林植被遙感的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[3]。本文將樹木生長(zhǎng)較快的春夏時(shí)期劃分為時(shí)相A，將樹木生長(zhǎng)較慢的秋冬時(shí)期劃分為時(shí)相B。如表4所示，對(duì)于喬木林、竹林和森林的遙感判讀，時(shí)相A的正判率均高于時(shí)相B的正判率；經(jīng)驗(yàn)豐富人員基于時(shí)相A的衛(wèi)星影像進(jìn)行判讀，喬木林的正判率達(dá)到92.36%，森林的正判率達(dá)到91.47%；對(duì)于特殊灌木林、一般灌木林和未成林造林地的判讀，不同時(shí)相的正判率變化不大。

2.4結(jié)合其它因素的影響分析

判讀人員結(jié)合0.6 m分辨率的谷歌影像，并參考最新林地變更成果、營(yíng)造林、采伐和林地征占用圖層等林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理資料，對(duì)129個(gè)大樣地進(jìn)行判讀，正判率結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表5。對(duì)比表2結(jié)果，在參考林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理資料的情況下，不同判讀人員對(duì)于各地類的正判率都有明顯提高。其中喬木林、竹林、特殊灌木林和森林的正判率均達(dá)到了90%以上。林地各地類中，喬木林的正判率表現(xiàn)出較高的正判率，經(jīng)驗(yàn)豐富人員為94.40%，無(wú)判讀經(jīng)驗(yàn)人員為94.12%；對(duì)于森林覆蓋率的正判率都到達(dá)了很高水平，分別為97.12%和95.30%；未成林造林的正判率依然較低，兩位判讀人員的正判率均不超過(guò)50%，主要由于桉樹等速生樹種采伐造林周期短，所參考的林業(yè)檔案信息更新不及時(shí)的原因。

表4 不同時(shí)相的衛(wèi)星影像的正判率統(tǒng)計(jì)表影像時(shí)相判讀人員正判率/%喬木林竹林特殊灌木林一般灌木林未成林造林地其它地類森林A92.3673.0867.2522.7350.0091.5491.47時(shí)相AB84.210.0079.914.5512.5082.5989.34差異8.1573.08-12.6618.1837.508.962.13A87.8850.0072.339.0950.0092.1889.55時(shí)相BB78.420.0064.7887.5383.52差異9.4550.007.559.0950.004.656.03

表5 不同判讀人員參考資料的正判率統(tǒng)計(jì)表判讀人員正判率/%喬木林竹林特殊灌木林一般灌木林未成林造林地其它地類森林A94.40100.0091.1656.0015.3894.9897.12B94.1290.4895.4177.7844.4492.9195.30差異0.289.52-4.25-21.78-29.062.071.83

3 結(jié)論與討論

基于廣西2015年森林資源宏觀監(jiān)測(cè)遙感群團(tuán)樣地判讀工作，分析了不同判讀經(jīng)驗(yàn)人員和不同判讀資料對(duì)正判率的影響，得到如下結(jié)論：

1) 不同判讀工作經(jīng)驗(yàn)人員對(duì)遙感判讀的正判率有一定的影響。無(wú)論運(yùn)用不同分辨率或不同時(shí)相的衛(wèi)星影像，還是判讀過(guò)程是否參考谷歌影像和林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理資料，經(jīng)驗(yàn)豐富的判讀人員對(duì)于喬木林、竹林、特殊灌木林和森林等的正判率都高于無(wú)判讀經(jīng)驗(yàn)人員。在僅參考衛(wèi)星影像進(jìn)行判讀時(shí)，兩者對(duì)于不同地類的正判率差異均超過(guò)了5%。

2) 高分辨率的遙感影像，有助于提高正判率，尤其對(duì)于無(wú)判讀經(jīng)驗(yàn)人員，2 m分辨率影像的判讀結(jié)果明顯優(yōu)于5 m分辨率影像的判讀結(jié)果，各主要地類的正判率可以提高3%以上，喬木林從79.15%提高到86.58%。

3) 不同時(shí)相的遙感影像是影響正判率的因素之一，春夏季節(jié)各林地地類的正判率明顯高于秋冬季節(jié)的正判率。經(jīng)驗(yàn)豐富人員采用春秋季節(jié)衛(wèi)星影像進(jìn)行判讀，喬木林和森林的正判率能達(dá)到90%以上，可見(jiàn)選擇適合的時(shí)相遙感影像開(kāi)展判讀，有助于提高判讀準(zhǔn)確性。植物的物候?qū)W特征導(dǎo)致在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段表現(xiàn)為不同光譜特性，此季相節(jié)律在不同植物類型之間又存在差異[4]。森林植被識(shí)別的最佳時(shí)相取決于森林植被與其它地物光譜差異時(shí)期，而植物物候歷的種間差異是選擇識(shí)別最佳時(shí)相的常用依據(jù)[3]。研究廣西主要農(nóng)作物如甘蔗及其物候歷，選取森林植被遙感影像的最佳時(shí)相，能降低農(nóng)作物等對(duì)林地判讀的干擾。在遙感影像數(shù)據(jù)源充足情況下，可進(jìn)一步細(xì)分并分析不同時(shí)期衛(wèi)星影像對(duì)于遙感判讀的影響，以期獲得森林植被判讀最佳時(shí)相。

4) 參考林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理資料有助于遙感判讀。隨著遙感判讀可參考信息的豐富，不同判讀工作經(jīng)驗(yàn)人員兩者的正判率差異逐步減少。在借鑒航片和林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理資料的情況下，對(duì)于喬木林和森林的正判率均能夠達(dá)到很高的水平，不同判讀人員正判率的差值低于2%。喬木林、竹林和特殊灌木林的正判率均超過(guò)90%，森林的正判率超過(guò)了95%。

不同判讀方式和判讀資料統(tǒng)計(jì)出的森林正判率基本達(dá)到85%以上，維持在較高水平，說(shuō)明通過(guò)遙感判讀工作來(lái)統(tǒng)計(jì)森林覆蓋率是一種快速可行的方法，可作為考核評(píng)價(jià)的參考依據(jù)。進(jìn)一步提高森林正判率，在有限的衛(wèi)星影像資源條件下，可以通過(guò)遙感判讀培訓(xùn)提高判讀工作經(jīng)驗(yàn)，或者多借鑒林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理資料。在影像資料充足情況下，盡量選取分辨率高，春夏時(shí)相的遙感影像。此外，灌木林和未成林造林地在遙感影像上識(shí)別比較困難，需要進(jìn)一步研究地類的

影像特征，充分利用各類參考資料，通過(guò)林地落界的規(guī)劃林地范圍，參考一類清查固定樣地資料建立判讀標(biāo)志，結(jié)合谷歌地球等分辨率較高的影像等多種途徑，分析判別灌木林和未成林造林地，全面提高林地各地類的正判率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閆宏偉，黃國(guó)勝，曾偉生，等.全國(guó)森林資源一體化監(jiān)測(cè)體系建設(shè)的思考[J]．林業(yè)資源管理，2011(6):6-11．

[2] 陳振雄，熊智平，曾偉生，等.基于大樣地雙重抽樣方法的廣東省森林資源監(jiān)測(cè)研究[J]．中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2014，33(3):28-33．

[3] 楊朝俊，胡庭興，梁玉喜.四川森林植被遙感識(shí)別最佳時(shí)相的選擇[J]．四川林業(yè)科技，2005，26(5):68-71．

[4] 齊臘，劉良云，趙春江，等. 基于遙感影像時(shí)間序列的冬小麥種植監(jiān)測(cè)最佳時(shí)相選擇研究[J]．遙感技術(shù)與應(yīng)用，2008，23(2):154-160．