基于扰动指数的岷江上游森林扰动时间序列研究——以理县为例

张宇欣，倪 静，杨存建，罗银建，马洋洋

（四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川 成都 610068）

基于扰动指数的岷江上游森林扰动时间序列研究
——以理县为例

张宇欣，倪 静，杨存建，罗银建，马洋洋

（四川师范大学 西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川 成都 610068）

利用扰动指数算法对四川省阿坝州理县的森林扰动进行时间序列监测研究。基于TM数据对1994－2001，2001－2007，2007－2008，2008－2011年4个时间段的理县森林扰动进行监测。结果表明，4个时间段理县受扰动的森林面积分别为437.94，278.46，260.46，184.14 hm2，主要原因依次为人为活动，洪水及次生灾害影响，汶川地震破坏，滑坡、塌方和堰塞湖等地震次生灾害。经过验证kappa系数达到0.84。数据显示，2001年前该县森林扰动较为严重，2001年后该县受扰动森林面积逐步减少，说明森林状况逐渐转好。

理县；森林扰动；扰动指数；时间序列；监测

森林是地表土壤、水体与大气之间进行物质、能量交换的关键要素，在地表能量循环、水循环和生物化学循环中发挥着重要的作用[1]。森林扰动是区域生态系统环境变化的重要指示，更是全球生态环境的研究热点，扰动类型主要为森林采伐和自然灾害。国外学者对于森林扰动研究较多[2]。Masek J G等[3]采用Landsat数据检测北美森林的扰动。Wylie B等[4]研究了气候变化对于生态系统的干扰和影响及其在加拿大育空河流域北部森林的表现。Frantz D等[5]采用Landsat和Modis数据对昆士兰的森林扰动进行了时间序列的研究。Misurec J等[6]采用DI算法研究挪威云杉的森林扰动时空变化。杨存建等[7]利用GIS和RS技术揭示出四川西部2002－2008年植被变化的时空特征。对四川省阿坝藏族羌族自治州理县进行了区域尺度的森林扰动研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

理县隶属于四川省阿坝藏族羌族自治州，102°32′46″ ～ 103°30′30″ E，30°54′43″ ～ 31°12′12″ N。全县面积为4 318 km2。地质结构属龙门山断裂带中断，地形呈蜿蜒起伏的立体单元，地表由西北向东南倾斜。地貌类型为低中山-中山-高山-极高山，是典型的中高山峡谷区，海拔1 422 ～ 5 922 m，平均海拔2 700 m，植被垂直带谱明显。气候受西伯利亚西风气流、印度洋暖流和太平洋东南季风三个环流的影响，形成季风气候，有干湿季之分。因海拔高差悬殊，地形复杂，气候差异显著，具有山地立体型气候特征。冬季受青藏高原的北方冷气流的影响，降水稀少，日照强烈，晴朗多大风，五、六月份西南季风加强，温暖湿润，降水增多，形成雨季。七、八月份青藏高压稳定，副热带高压西伸，降水减少，形成伏旱。九、十月份雨量增加，形成低温降雨季节。年降水量650 ～ 1 000 mm，为植被的生长发育提供有利的雨水条件。

理县位于青藏高原东部与四川盆地的过渡地带，是岷江上游生态屏障的重要组成。区域内森林资源丰富，研究时序内受到扰动变化较大，1994－2000年受人为采伐影响，自2000年开展退耕还林工程，2008年受汶川地震破坏。研究其森林扰动对维护和提升该县生态系统服务功能具有重要意义，是提高林地监管能力、开展生态空间规划、兑现生态效益补偿，加强林地保护利用管理和科学预测植被长势的重要基础和科学支撑，为该县区域经济社会发展、城乡建设、土地利用及生态环境保护等奠定基础。研究区如图1所示。

1.2 研究数据

1.2.1 遥感影像及预处理 共选用5期TM影像Path 130/Row 38(WRS-2)，获取日期分别为1994年6月26日，2001年6月13日，2007年9月18日，2008年10月6日和2011年8月12日，云量皆小于10%，数据级别皆为L1。数据均来源于美国地质勘探局（USGS)并且均选取植被生长季节内的影像（6－10月上旬）。通过ENVI对遥感数据进行辐射定标、大气校正后再对研究区内的云及其阴影进行目视识别后建立掩膜。

1.2.2 地面调查资料 调查资料包括矢量数据和栅格数据。矢量数据为研究区2000年、2010年土地利用数据。通过土地利用数据提取森林植被的覆盖范围，再对区域内的影像进行森林植被的掩膜提取；栅格数据为研究区30 mDEM数据。

1.3 研究方法

1.3.1 森林扰动指数时间序列分析 缨帽变换（Tasseled Cap Transformation，TCT）将Landsat的6个原始波段(1 ～ 5和7)折合成亮度、绿度和湿度3个地表特征的分量[8]。扰动指数（DI）是一种基于Landsat TM/ETM+的缨帽变换3个地表特征分量的指数[9]。具体公式见公式1。

图1 研究区域Figure 1 Map of the study area

式中，B’，G’和W’代表TCT中亮度、绿度和湿度的标准化指数。其标准化指数的计算公式见公式2。

式中，µB表示森林平均亮度；σB表示森林亮度的标准差。

经过计算，受到剧烈扰动的森林将表现出较高的B’、较低的G’和较低的W’值，此时的DI值较高。相对的，未扰动和轻微扰动区域则表现出较低的B’，较高的G’和较高的W’值，此时的DI值较低[3]。

1.3.2 降噪处理 考虑到缨帽变换后的影像中仍可能存在噪声等干扰信息，选用3×3窗口作为模版对结果进行离散化窗口滑窗卷积，使中间点的DI值等于八连通区域的加权DI均值，其具体公式表示为：

式中，x和h分别为两个序列，i与n皆为自变量。

1.3.3 扰动区域提取 扰动区域通过构建年间差值指数ΔDI进行研究，经过多次试验，确定合适的阈值进行扰动区域提取，具体公式见公式4。

式中，n为后一年份，l为前一年份。

2 结果与分析

2.1 精度验证

验证资料：（1）ΔNDVI：通过5期影像计算NDVI，构建差值指数计算NDVI；（2）2000，2010年理县土地利用数据；（3）高分遥感影像（Google E arth）进行辅助验证。验证方法：本小节采用分层抽样的方法，通过对各区间扰动区域及未扰动区域随机抽取30个采样点，总计240个采样点。利用混淆矩阵建立精度评价表，最终计算kappa系数为0.84，详见表1。

表1 混淆矩阵Table 1 Confusion matrix

2.2 结果及影响因子分析

2.2.1 趋势线分析 通过趋势线分析法模拟1994－2011年理县森林扰动面积变化趋势，其计算公式为：

从图2可以看出，森林受扰动区域面积呈逐步下降趋势，说明森林结构不断转好，森林保护意识及力度逐步加强。

图2 1994－2011年森林扰动面积Figure 3 Forest disturbance area from 1994 to 2011

2.2.2 影响因子分析 依据自然间断点分级法，将研究区的30 m DEM数据进行分级，将高程1 396 ～ 2 768 m，2 768 ～ 3 520 m，3 520 ～ 4 173 m，4 173 ～ 5 854 m分别划分为1 ～ 4级（图3）。

图3 研究区DEM(a)与重分类(b)Figure 4 DEM in study area and reclassification

在Arcgis10.2软件中，利用面积制表功能分时间段、分高程统计落在扰动区域在不同海拔等级中的分布情况。详见表2。

由表2可知，1994－2011年的扰动总面积达1 160.91 hm2。1994－2011，2001－2007，2007－2008，2008－2011年的森林扰动区域分别主要分布在第三、第四等级，分别占总扰动面积的35.51%，22.96%，7.60%，6.85%。由此可知，较高海拔即3 520 ～ 5 854 m范围内的森林较易受到扰动。

表2 扰动面积海拔分布Table 2 Disturbance area and their distribution of elevation

DEM生成研究区坡度和坡向数据。依据《中国土壤侵蚀分类标准(SL190)》中坡度的划分标准，将坡度进行重新分级。具体划分标准见表3。

在Arcgis10.2软件中，利用面积制表功能分时间段、分坡度统计落在扰动区域在不同坡度等级中的分布情况。详见表4。

由表4可知，1994－2011，2001－2007，2007－2008，2008－2011年的森林扰动区域分别主要分布在缓的、陡的、极陡的三个坡度级上，扰动面积分别为148.05，91.89，119.79，64.71 hm2，占总扰动面积的12.75%，7.92%，10.32%，5.57%。由此可知较高的坡度即15°以上的森林植被更加容易受到扰动影响。

依据全国数字地貌制图中的坡向划分标准，对坡向进行重新分级。划分结果见表5。

表3 坡度划分标准Table 3 Grading of slope

表4 扰动面积坡度分布Table 4 Disturbance area and their distribution at slope

在Arcgis10.2软件中，利用面积制表功能分时间段、分坡度统计落在扰动区域在不同坡向中的分布情况，见表6。

由表6可知，1994－2011，2001－2007，2007－2008，2008－2011年的森林扰动区域分别主要分布在NE，S，NW三个坡向上，扰动面积分别为100.44，89.37，55.98，47.79 hm2，占总扰动面积的比例分别为8.65%，7.70%，4.82%，4.12%。由此可知在22.5 ～ 67.5°，157.5 ～ 202.5°，292.5 ～ 337.5°三个范围内森林植被较易受到扰动。

表5 研究区坡向划分标准Table 5 Classification of aspect in study area

表6 扰动面积坡向分布Table 6 Disturbance area and their distribution at aspect

3 结论

综上所述，（1）1994－2001年理县受扰动的森林面积为437.94 hm2，分布区域主要为森林边缘、邻近建筑用地，人为活动是这期间森林扰动的主要原因，开垦、乱砍乱伐等对森林造成破坏；（2）2001－2007年森林扰动面积为278.46 hm2，扰动区域主要为海拔较高的山顶附近。由于山高坡陡，地表土壤松散，且研究时期为多雨季节，扰动主要原因为洪水及次生灾害影响[10]；（3）2007－2008年森林受扰动面积为260.46 hm2，主要分布于山坡、山谷、河谷附近，由于理县为受汶川地震影响最严重的区域之一[11-12]，因此森林区域受地震、滑坡、泥石流等灾害破坏严重；（4）2008－2011年森林扰动面积为184.14 hm2，滑坡、塌方和堰塞湖等地震次生灾害是这一阶段导致森林受到破坏的主要原因。

从扰动因子分析：（1）2001年前森林受扰动影响较为剧烈，主要原因是人为采伐；（2）2001年后森林扰动面积逐渐减少，说明森林状况逐渐转好，森林保护意识不断提高；（3）2008年由于受到汶川地震影响，导致森林扰动区域再次升高。

1994－2011年理县森林受扰动区域面积呈逐步下降趋势，说明该县森林状况不断改善，证明该区域正逐步加强林地保护和林地监管能力。研究采用DI扰动指数是基于TM/ETM+缨帽变换的亮度、绿度和湿度分量的算法；研究中对于阈值的选取经过多次试验后选取最佳阈值进行提取，因此阈值的选取对于研究结果有一定的影响。

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Study on Spatio-temporal Variation of Forest Disturbance in Lixian by Disturbance Index

ZHANG Yu-xin，NI Jing，YANG Cun-jian，LUO Yin-jian，MA Yang-yang
（Key Laboratory of the Evaluation and Monitoring of Southwest Land Resources of Ministry of Education, Sichuan Normal University, Chengdu 610068, China）

Research was made on forest disturbance in time series in Lixian county, Sichuan province by disturbance index. Based on TM remote sensing data, determinations were conducted on forest disturbance during four periods, like 1994-2001, 2001-2007, 2007- 2008 and 2008-2011. The result showed that during the 4 periods, forest disturbance area in Lixian was 437.94ha, 278.46ha, 260.46ha and184.14ha. The main causes were human activities, flood and secondary disasters, Wenchuan Earthquake and its secondary disasters of the earthquake such as landslide and dammed lake. Kappa coefficient was 0.84. Analysis demonstrated that forest disturbance was serious before 2001, but decreased then, indicating healthier forest.

Lixian county; forest disturbance; disturbance index; time series; monitoring

S757.2；TP73

：A

：1001-3776（2017）03-0048-06

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.03.009

2016-12-09 ；

2017-03-17

四川师范大学研究生优秀学位论文培育基金资助（校研字(2016)4-42）

张宇欣，硕士研究生，从事遥感与GIS理论技术及应用研究；E-mail：zhangyuxin11223@163.com。通信作者：杨存建，教授，从事遥感和地理信息系统应用研究；E-mail：yangcj2008@126.com。