基于RS技术的三明市林业资源调查与持续发展策略研究

陈新福

(福建农业职业技术学院,福建 福州 350007)

三明市位于福建省中部连接西北隅，东临福州、南接泉州、北靠南平、西连龙岩，西北部与江西省接壤。全市土地总面积2.29万 km2，呈东南—西北高低走向。其中，耕地面积16.97万 hm2，非耕地面积191.19万 hm2，道路、水域、村庄等占地面积21.44万 hm2，分别占总土地面积的7.4%、83.3%和9.3%，具有“八山一水一分田”之称[1]。三明市属于典型的亚热带季风气候，宁化、建宁、明溪等高海拔地区为中亚热带气候区，南部和东南部海拔相对较低的地区为南亚热带气候。域内全年气候温暖湿润，四季明显，降水量充沛，年均温17～19.4℃。三明市是一座新兴的工业城市，是国家园林城市和中国优秀旅游城市，2016年9月被授予“国家森林城市”称号。为掌握三明市林业资源动态，采用2009年和2018年遥感影像调查数据进行动态分析与评价，为制定全市林业持续发展规划和森林资源保护提供帮助。

1 林业资源概况

三明市森林资源非常丰富，不仅享有“绿色宝库”的美誉，还是中国集体林区综合改革重点实验区，全市林业用地面积187.53万 hm2，占土地总面积的81.7%；森林面积161.53万 hm2，占林业用地面积的86.14%；活立木蓄积量1.21亿 m3，毛竹储量3.8亿株；年产木材200万 m3、松香4万 t，商品竹 4 000 多万支、笋干3万 t余。木竹和其他林业产品的产量占福建省的 1/3 左右，林业产值约占三明市工农业生产总值的 1/4。森林资源以杉木林、马尾松林、竹林和阔叶树林为主[2]。

2 数据来源

2.1 遥感数据

本文选用的遥感影像资料为2009年1月1日30 m分辨率的TM影像及2018年6月30日5.8 m分辨率的资源三号卫星影像(ZY-3)，同时收集三明市土地资源利用现状和城市规划图。TM遥感影像主要包含7个波段，每个波段波长及分辨率见表1。

ZY-3卫星通过立体观测可以测绘1∶50 000比例尺地形图，弥补了中国立体测绘图的空白[3-4]。ZY-3影像技术指标见表2。

2.2 辅助数据

本次研究中的辅助数据主要包含了当前三明市土地利用现状、二类调查数据和实地调查数据等。

3 研究方法

3.1 研究内容

通过遥感影像，明确不同时期三明市林业资源分布情况，借助ENVI 4.8系统完成影像校正、影像融合，控制误差，完成三明市数字影像图；根据三明市林业资源分类，在ArcGIS支持下采取K-Means方法和支持向量机方法作出RS影像上的森林类型解释；最后，借助FRAGSTATS软件计算三明市森林景观指数，分析三明市林业资源演化态势[5]。

表1 TM影像各波段波长及分辨率

表2 ZY-3影像技术指标

3.2 数据预处理

3.2.1 大气校正

大气校正是为了消除遥感影像中因为大气散射引发辐射误差的处理方式[6-7]，校正后的影像如图1、图2所示。

3.2.2影像裁剪及融合

在ArcGIS 11.0支持下利用规则裁剪获取影像，将裁剪后的影像资料进行校正，并采取全色和多光谱数据融合明确三明市林业资源分配[8](图3)。

3.2.3波段合成

不同波段的组合表现出不同的遥感影像，TM遥感影像中有7个波段，ZY-3遥感影像中有4个波段，根据不同林业景观光谱特征，采取不同波段组合的方式对3期遥感数据波段进行合成(图4)。

图1 2009年RS影像FLAASH校正前后

图2 2018年RS影像FLAASH校正前后

3.3 遥感影像林业信息提取

3.3.1 研究林业类型划分

根据三明市2008年和2016年森林资源二类调查成果数据，综合考虑调查比例尺、遥感影像资料可辨别性、适用性和系统性，主要提取建筑用地、林地、水体、耕地4种类型的遥感影像信息[9-10]。

3.3.2信息提取方法选择

遥感影像分类通常可分为目视解释和计算机自动解释2种方法。相对传统的目视解释方法的精准度是非常高的，但是对解释者的经验和知识储备要求很高，本文选取计算机自动解释法[11]。计算机自动解释法主要分成非监督分类(聚类分析)、监督分类(训练分类)2种，主要融合了专家分析、对象信息提取和人工智能等多种分析方式[12]。

图4 三明市不同时期遥感影像

3.3.3遥感影像解释与结果选择

在ENVI 14.8系统中，非监督分类有K-Means和ISODATA 2种类型，本研究选取K-Means方法分类(图5)[13]。

监督分类法主要有平行六面体、最小距离、神经网络、支持向量机和马氏距离等多种方法，本研究主要选取支持向量机方法[14](图6)。

3.4 评价结果

在ENVI 14.8系统支持下将分类结果叠加与混淆矩阵相结合，利用实地调查数据，对上述2种分类结果进行评价，得出分类结构总体精度与Kappa系数。总体精度越趋近于“1”，表示影像中分类正确的像元越多，影像图像更精准。Kappa系数用于一致性检验，Kappa系数≥0.75时，表示一致性很好；Kappa系数为0.4～0.75时，一致性良好；Kappa系数<0.4时，一致性较差[15-16]。2类分类结果评价结果见表3。

表3 K-means与支持向量机分类结果总体精度与 Kappa系数

从表3可以看出，支持向量机分类方法的总体精度与Kappa系数都明显高于K-means分类方法，本研究将以支持向量机分类法作为三明市林业资源分类方法。

图5 K-Means分类结果(多光谱融合影像)

图6 支持向量机分类

4 结果与分析

4.1 三明市林业资源格局演变及分析

运用FRAGSTSTS软件将三明市林业资源格局分成斑块尺度、斑块类型与资源尺度3个类型，基于市域内林业资源分析，本次讨论尚未将单个斑块类型纳入研究对象，仅从斑块类型尺度与资源尺度格局变化进行分析，并且结合支持向量机分类遥感图谱分析三明市林业资源格局演变。

4.1.1斑块类型层面

立足林业资源类型尺度，选取斑块类型、数量、面积百分比等7项指标进行分析，明确三明市林业资源斑块类型演变情况(表4)。

结合表4对三明市林业资源分布特征进行分析。

1)斑块面积特征

从斑块面积类型来看，三明市建筑用地不断增长，与城市化进程一致；林地面积由2018年的 1 431 100 hm2增长到 1 615 300 hm2，林地面积有所增长但增速缓慢；水体与耕地面积相应减少，与三明市改造河流和退耕还林政策密切相关。同时，部分耕地用于发展林业经济也是导致耕地减少的重要原因之一。

表4 类型尺度上资源分布情况

2)斑块数量与斑块密度

斑块数量和斑块密度直接表现了景观类型的破碎度和异质化程度，数值越大表明斑块的破碎度和斑块密度之间异质化程度越大[17]。2009—2018年十年间，建筑用地、林地斑块数量和密度增长明显，并呈现同步增长趋势，水体与耕地的数量变化差异不大。客观上说明了城市建设与林业资源发展是有一定关联的，尤其是城市绿化、苗圃等将推动林业资源的发展。

在平台所属行业领域上，调研的平台主要分为两类：一类是垂直行业的科研众包平台，如“化学加”网、快包平台、LED行业众包平台等，这类平台专注某一具体行业，其创办者大都有着丰富的行业经验。他们打造的平台不求大和全，而是专心做自己熟悉领域内的事，以行业权威和专家的姿态吸引业内用户；另一类是综合性的科研众包平台，如经验海、粤科众包等。这类平台提供的服务涵盖的范围会相对广一点，但也不是无所不包，它们会基于平台自身的背景及资源优势，面向擅长的行业和领域开展服务。

3)边缘密度

边缘密度是揭示相关景观类型被分割的程度。建筑用地、林业用地、耕地边缘密度增长超过100%，水体面积边缘密度变化不大，说明了三明市林业资源与建筑之间相互分割。耕地分割情况是否与建筑、林业发展相关需要进一步探讨。

4)斑块形状特征

斑块形状与景观资源发展趋势息息相关，研究中利用最大斑块指数和平均分维数来描述斑块的形状特征，可以有效地体现林业资源景观的破碎化程度和自身形状与对应景观资源的复杂性，指数越大表明斑块间复杂性越高。从表4可知，三明市建筑用地斑块指数持续增加，但是其他3种类型的板块指数在持续减小，说明三明市在一定程度上忽视了绿色资源建设。

4.1.2景观类型层面

景观类型层面上三明市林业资源演变主要选取斑块数量、斑块密度、景观分离度、Shannon均匀度指数和Shannon多样性指数5个指标(表5)。

从表5可以看出，2009—2018年，三明市内景观整体斑块数、斑块密度明显上升，区域内景观格局破碎化程度相对严重，同时，景观的丰富程度和异质化程度不断增加。从景观的分离程度来讲，域内景观分离程度逐渐下降，集群化景观形态趋势较强。Shannon均匀度和Shannon多样性指数有减小趋势，说明了在人类活动影响下，各类景观的结构趋向于单一化，某一种景观在几种景观类型中占据明显优势。结合表4可以得出，林业景观在三明市内发展优势明显。

表5 三明市景观尺度上格局指数

4.2 三明市景观类型转移矩阵

表6 2009—2018年三明市景观类型转移矩阵

从表6可以看出，三明市域内各类景观类型转化具备以下特征：(1)2009—2018年，建筑用地增加了60.64 km2,主要由林地和耕地转入，说明了随着城市规模扩大和智慧城市建设，建筑用地面积不断增加，影响了林地和耕地面积；(2)林地面积在10年中增加了184.20 km2，主要由建筑用地和耕地转入，说明了在城市化建设进程中，人们越来越重视绿化景观在生活中的运用，绿色、生态成为发展的重要趋势；(3)水体面积减少了5.12 km2，主要转出到林地和建筑用地，说明人为因素对水体的影响较大，人工湖、生态湖建设成为影响水体面积的重要因素；(4)耕地面积减少481.44 km2，主要转出到建筑用地和林地，意味着耕地减少与城市扩张和退耕还林政策密切相关。

5 三明市林业资源持续发展策略

5.1 林业景观格局存在的问题

布朗芬布伦纳在生态系统理论中强调发展个体嵌套于相互影响的一系列环境系统之中，林业资源影响着生态系统，是一项相互作用、互相影响的整体。对三明市景观生态系统进行分析，发现三明市林业资源发展中存在的问题。

1)林业景观斑块分布不均匀

从ZY-3遥感影像来看，三明市林业资源丰富，但是林业景观主要集中在东北部地区，其他地区以小斑点模式为主，以此满足生态需求。此种格局将在一定程度上制约三明市林业经济发展。同时说明，建筑用地与林业用地呈现竞争态势，如何平衡二者关系成为林业资源持续发展的主要因素。

2)林业景观破碎度持续增加

随着城市化进程加速，林业景观破碎化程度增加是必然的，但是通过Shannon指数分析可以发现，三明市林业景观斑块个数与密度增加尤为迅速，建筑用地对林业用地的影响非常大，除了配套的建筑景观造景、绿化等，城市化进程还导致原有的林地碎化。

3)林业资源丰富度不断降低

Shannon多样性指数可以看出，三明市林业资源多样性呈下降趋势，结合实地调研发现，森林景观规划层面，绿化植物呈现单一化。产业发展与人工造林层面，以毛竹为代表的经济林成为林业资源重要组成部分。

5.2 林业资源持续发展策略

根据三明市市政府《关于三明市“十三五”林业发展专项规划》，发展“生态林业、民生林业”是推进生态文明建设的必然目标。结合生态系统理论和RS技术分析三明市林业资源发展中存在的问题，推动三明市林业资源持续发展主要从3个层面入手。

1)推动市域林业生态网络系统建设

林业资源发展是一项系统性工程，发展林业与城市化发展形成的竞争是必然的，强调市域生态系统下林业生态网络系统建设，能够直接推动三明市林业生态系统持续发展。在城市化进程下，原有的林业景观类型被分割取代，新型生态林业景观的出现，将生态系统建设与城市化需求相结合，减少原始林业景观、打造新型林业景观的同时满足建筑用地需求。

2)不断优化市域内林业景观布局

着眼整体，立足长远，综合考量林业资源经济、社会和生态效益，寻求各方效益最大化。林业资源合理布局不可急功近利、重视经济利益忽视长远利益，应该在科学规划基础上推进生态文明城市建设。尽量减少城市化造成林业景观破碎现状，以大斑块、小斑点相结合的景观配置模式满足城市填充需求，将距离城市较近的森林斑块纳入系统建设中；减少二维平面上的破碎化趋势，重视森林景观植物配置，合理利用植物景观设计，充分发挥小空间效益，扩大生态效益；持续深化林改，通过林业改革，创新林业金融产品，调整林业生产关系，推动林业生产要素、投资主体聚集，促进经营方式多样化发展，加快三明市林业产业、林业经济持续发展。

3)推动三明市生物多样性发展

改变单一的林业产业生产发展模式，结合三明市气候、水文、土壤、产业等因素，明确产业定位，推动三明市生物多样性发展。重点抓好三大产业，以“木”为依托，强调杉木资源林木建设，加快推进林产业加工集群建设，发展林木经济；以“竹”为基础，重视三明市毛竹产业与毛竹经济，将竹林建设与森林建设相结合，强化生态建设的同时促进竹产业发展；以“绿”为归宿，重视林业资源与林业产业发展的同时合理发展林下经济，将丰富的药用资源和食用资源纳入林业资源建设发展中，激活林业发展活力的同时增加经济收入。