基于高分辨率衛(wèi)星影像的森林資源動態(tài)變化監(jiān)測與驅動力分析

謝 敏，龔直文

（1.國家林業(yè)和草原局 西北調查規(guī)劃設計院，陜西 西安 710048；2.西北農林科技大學 經濟管理學院，陜西 楊凌 712100）

在全球環(huán)境變化的研究背景下，森林資源動態(tài)變化反映了氣候和人類活動對森林的影響。森林資源類型相互轉換不僅包含了人類和自然等諸多領域的綜合問題，同時也是目前森林可持續(xù)經營的研究熱點[1-3]。森林資源動態(tài)不僅與生態(tài)系統(tǒng)固碳息息相關，而且關系著林區(qū)人民的生活質量。國內眾多學者積極地加入該領域的研究工作中來，及時分析研究并探討國際上研究的前沿動態(tài)，開展了一系列比對工作，對縣級區(qū)域、森林資源空間結構、類型數(shù)量、變化程度及其驅動機制等方面進行了大量的數(shù)據(jù)分析與研究[4-6]，以此來加深對于森林資源利用與可持續(xù)發(fā)展之間關系的認識[7-10]。

目前，在遙感影像分析與應用領域，利用具有宏觀、實時等優(yōu)勢的高分辨率遙感影像進行森林資源監(jiān)測正是研究熱點。隨著縣城的主要勞動力及特色產業(yè)陸續(xù)向城市遷移，鎮(zhèn)巴縣等地區(qū)逐步呈現(xiàn)出典型的城郊化離心分散發(fā)展態(tài)勢，區(qū)域內的建設用地不斷擴張，其它非林地也發(fā)生了較大的變化，建設用地等與林地之間矛盾也日益突出[5,11-14]。目前，國內外學者根據(jù)不同的研究目的，采用不同途徑構建了許多森林資源變化模型，例如線性規(guī)劃模型[16-18]、多目標規(guī)劃模型[19-21]、灰色模型[22-24]、神經網絡[25-26]、Markov 模型以及系統(tǒng)動力學模型等[27-29]，用以了解森林資源動態(tài)變化的驅動因素及其變化過程，并預測其未來發(fā)展變化趨勢及環(huán)境影響[5,30-34]。但上述模型并不能準確挖掘出森林資源變化的深層次信息，這就阻礙了使用定量的數(shù)據(jù)來深入研究區(qū)域內森林資源動態(tài)變化的原因。

鎮(zhèn)巴縣地處陜南大巴山腹地，全縣人口28.9萬人，其中建檔立卡貧困戶54 159 人，貧困發(fā)生率24.7%。貧困面大、貧困程度深是鎮(zhèn)巴縣基本縣情[35]。目前，該地區(qū)伴隨著建設用地的擴張，森林資源也發(fā)生巨大變化，經濟建設用地和生態(tài)建設用地矛盾突出。為此，本研究采用一種能深入挖掘森林資源變化的有效方法，探討了鎮(zhèn)巴縣森林資源系統(tǒng)性轉移和隨機性轉移，挖掘林地變化的主要驅動力，以期為該地區(qū)制定區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略和優(yōu)化森林資源結構提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鎮(zhèn)巴縣，陜西省漢中市轄縣，位于陜西省南端，漢中市東南隅，大巴山西部，米倉山東段，屬北亞熱帶，東南季風濕潤區(qū)，大陸性較強，氣溫年差較大。平均氣溫13.8 ℃，無霜期236 d，年均降水量1 250 ～1 350 mm。本研究區(qū)包括了涇洋鎮(zhèn)、漁度鎮(zhèn)和鹽場鎮(zhèn)三個轄區(qū)，最高點海拔2 534 m，最低點海拔416 m，垂直高差2 118 m。地形以中山地貌為主，海拔800 m 以下低山面積占8.4%，平均高度為1 231.4 m。地勢西北高，東南低，南坡緩，北坡陡（圖1）。

圖1 研究區(qū)概況 Fig.1 Map of the research area

1.2 數(shù)據(jù)及預處理

本研究選用2009年TM 衛(wèi)星影像和2016年國產高分一號（GF-1）和資源三號（ZY-3）衛(wèi)星數(shù)據(jù)（表1），結合鎮(zhèn)巴縣地區(qū)數(shù)字高程模型（DEM）、統(tǒng)計年鑒和行政區(qū)劃圖等其他數(shù)據(jù)資料。本文主要進行的是鎮(zhèn)巴縣森林資源動態(tài)分析的研究，故首先將表1中用到的研究區(qū)遙感影像進行圖像拼接，并利用鎮(zhèn)巴縣行政區(qū)劃圖進行裁剪；以DEM 數(shù)據(jù)為基礎，采用正射校正模型，對遙感影像數(shù)據(jù)進行幾何校正配準、圖像增強等；對高分影像使用圖像分割，采用基于面向對象分類規(guī)則（圖2），最終結合目視解譯對影像中的森林資源類型進行劃分。分類結果經抽查和反復校驗，除了青水鎮(zhèn)和大池鎮(zhèn)之外，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分類準確度均達到80%。

表1 GF-1和ZY-3衛(wèi)星遙感影像具體參數(shù)信息Table1 Parameters of GF-1 and ZY-3 images

圖2 面向對象分類規(guī)則集 Fig.2 Classification rules set based on objected-based methods

1.3 研究方法

森林資源轉移矩陣一般采用表2的格式，t表示時間，Cij表示由林地類型i轉變?yōu)榱值仡愋蚸的面積，Cjj（即當i=j時）表示林地類型i保持不變的面積。

表2 兩個時期森林資源變化的轉移矩陣Table2 Transferring matrix of forestland changes during two periods

1.3.1 基于轉移矩陣的森林資源變化分析

森林資源動態(tài)變化分析主要采用Pontius[36]和Braimoh[37]的轉移矩陣分析方法，計算公式如下。

式（1）主要表示了時期1 的第i種林地類型所占比例，其中Cij（i≠j）表示從第i種林地類型到j林地類型的轉換比例，Cjj則表示了j類的不變量。式（2）表示了時期2 中的第j種林地類型所占比例。式（3）中減少量（Lossi）主要計算了Ci+和不變量之差，代表了第i種林地類型的總損失量；式（4）中增加量（Gainj）代表了C+j與不變量之差，代表了第j種林地類型的總增加量。

式（5）中凈變化量（Nj）代表了增加量和減少量之差，是分析林地動態(tài)變化最為常用的指標之一。然而這種凈變化不能反映某林地類型增加和減少相互抵消的情況(Nj=0)，這種變化信息往往定義為林地類型交換變化量（Sj）（式6）。每種林地類型的總變化值（TCj）則體現(xiàn)了每種林地類型的總變化量（式7）。

1.3.2 森林資源動態(tài)變化的持續(xù)性

監(jiān)測森林資源變化最大量的傳統(tǒng)方法是將每種林地類型占所有變化量的百分比排序取最大值，而這種方法很難區(qū)分變化的系統(tǒng)轉移和隨機轉移。系統(tǒng)轉移具有連貫性和漸進性，是一種經常的、普遍的變化過程，比如人口自然增長、商品化增加、邊緣地帶發(fā)展等。隨機轉移通常是由于突發(fā)性的驅動因素相互作用引起的，比如自發(fā)性移民、經濟環(huán)境變化等。

首先，計算各林地類型的期望新增頻數(shù)（用Gij表示），即在隨機增加過程中，新增林地類型j來自林地類型i的期望頻數(shù)。第二步是計算隨機增加過程中實際轉換量和期望新增頻數(shù)的差值，即Cij-Gij。通過二者的對比來發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢信息，如果差值等于或接近于零，表明該轉移為隨機轉移；若差值偏離零值較遠，則表明該轉移為系統(tǒng)轉移。

然后，計算各林地類型的期望流失頻數(shù)（用Lij表示），即在隨機減少過程中，林地類型i流失到林地類型j的期望頻數(shù)。最后，計算隨機減少過程中實際轉換量和期望流失頻數(shù)的差值，即Cij-Lij。與第二步相似，若差值等于或接近于零，表明該轉移為隨機轉移；若差值偏離零值較遠則表明該轉移為系統(tǒng)轉移。

2 結果與分析

2.1 森林資源格局與結構分析

本研究結合遙感影像的監(jiān)督分類結果，輔以野外樣地調查、實地驗證，完成了鎮(zhèn)巴縣近7年來森林資源分類和變化特征的定量分析（圖3）。分類后通過Kappa 系數(shù)來衡量結果是否準確，結果顯示兩期分類精度分別為89%和91%，都符合分類精度要求。最后，結合陜西省鎮(zhèn)巴縣實際情況共同確定出鎮(zhèn)巴縣森林資源類別體系，分為有林地、灌木林地、宜林地、疏林地、未成林造林地和非林地。根據(jù)結果分別繪制鎮(zhèn)巴縣2009、2016年2 期森林資源分布圖（圖3）。

圖3 2009(a)和2016(b)鎮(zhèn)巴縣森林資源空間分布及面積Fig.3 Total area and spatial distribution of the forestland types in 2009(a) and 2016(b)

鎮(zhèn)巴縣森林資源變化情況如圖3所示。2009年，有林地作為鎮(zhèn)巴縣面積最大的森林資源主體，占64.03%，非林地占16.72%，灌木林地占15.58%，宜林地占2.76%，未成林造林地占0.78%，疏林地占0.12%。到2016年，有林地比例占65.58%，相比2009年有所增加，主要由灌木林地（0.82%）、宜林地（0.47%）和未成林造林地（0.12%）轉換而來；未成林造林地增加幅度次之（0.54%）；灌木林地和宜林地出現(xiàn)了下降。

2009—2016年，總變化量最大的為有林地，其變化高達3.25%，其原因主要表現(xiàn)在灌木林地、非林地和宜林地的轉換（表3）；非林地（2.99%）、未成林造林地（1.88%）、灌木林地（1.49%）、宜林地（0.86%）和疏林地（0.01%）的變化幅度緊隨其后。

林地是鎮(zhèn)巴縣較為重要的4 種森林資源類型，它們在轉移過程中的不變量能夠反映重要的森林資源變化信息。圖4(a)顯示，從2009年到2016年，林地總體的不變量為80.43%，增加量為1.86%，減少量為1.14%，凈增量為0.74%，這表示了林地明顯的增加趨勢；圖4(b)展示了非林地不變量為14.86%。鎮(zhèn)巴縣森林資源動態(tài)相對穩(wěn)定，整體略微增長。

表3 2009—2016年森林資源類型的面積比例、增加量、減少量、凈變化量、交換變化量和總變化量Table3 Area percentage,gains (Gain),losses (Loss),net change (Nj),swap change (Sj) and total change (TCj) of each forestland types during the period %

圖4 (a)林地，(b)非林地新增量、減少量和不變量的空間表示Fig.4 Spatial distribution of the gains,losses,and persistence (a) Forestland,(b) non-forestland (cultivated field)

2.2 森林資源變化系統(tǒng)性和隨機性

2009—2016年，在隨機轉移增加過程中，有林地和非林地的實際轉換量與期望頻數(shù)之間的差值和相對差值分別為-0.09%和-0.50%，表明在有林地變?yōu)榉橇值氐倪^程中，這種轉移為系統(tǒng)性轉移。當非林地增加時，新的非林地會系統(tǒng)性地防止從有林地中獲得土地。灌木林地和有林地的實際轉換量與期望頻數(shù)之間的差值和相對差值分別為0.11%和0.06%，表明在灌木林地變?yōu)橛辛值氐倪^程中，這種轉移也為系統(tǒng)性轉移，新的有林地會系統(tǒng)地從灌木林地中獲得土地。由于非林地占鎮(zhèn)巴縣的面積比例較小，因此在隨機過程中，灌木林地和非林地的實際轉化量和期望頻數(shù)的差值僅為0.08%，但相對差值達到了2.67%，這說明非林地表現(xiàn)出了強烈的增加趨勢。疏林地和有林地的實際轉換量與期望頻數(shù)之間的差值和相對差值為負值（-0.06%，-0.86%），說明當疏林地增加時，會系統(tǒng)性地防止從有林地中獲得面積。同樣的，有林地增加時會系統(tǒng)性地防止從非林地里獲得土地面積。

在隨機減少過程中，有林地和非林地以及灌木林地和非林地的實際轉換量和期望頻數(shù)之間的差值分別為0.04%和0.09%。因此，有林地發(fā)生系統(tǒng)性的流失，變?yōu)榉橇值兀嗄玖值貏t會發(fā)生系統(tǒng)性的流失轉變?yōu)榉橇值?，灌木林地和非林地之間的相對差值達到了4.50%，說明灌木林地轉移為非林地具有很強的趨勢。灌木林地和有林地的實際轉換量與期望頻數(shù)之間的差值和相對差值分別為-0.11%和-0.06%，較大且為負值說明灌木林地會系統(tǒng)性的防止流失為有林地。對于表4中的其他轉換實際轉換量與期望頻數(shù)的差值都接近于零，因此，此類轉移更傾向于隨機轉移（表4）。

表4 森林資源在隨機增加和隨機減少過程中實際轉換量和期望頻數(shù)之間的差值和相對差值Table4 Difference and relative difference between the actual conversion amount and the expected frequency in the process of random increase and random reduction of forest resources

由表4可看出，2009—2016年間最優(yōu)勢的系統(tǒng)轉移為：灌木林地轉為有林地，灌木林地轉為非林地。最優(yōu)勢的隨機轉移為：有林地轉為灌木林地和有林地轉為疏林地。

2.3 林地變化驅動力分析

鎮(zhèn)巴縣林地面積占83%，林地變更的因素在一定程度上可以反映該地區(qū)森林資源的主要驅動力。通過鎮(zhèn)巴縣林地變更調查結果，影響林地發(fā)生變化的主要因素為：造林更新，占林地變化面積的23.14%；規(guī)劃調整占44.83%；建設項目占0.86%；毀林開墾占0.02%；災害因素占1.16%；自然因素占1.14%；調查因素占28.85%（圖5）。

圖5 森林變化驅動因素類型Fig.5 Types of driving factors of the forest changes

3 結論與討論

1）本研究使用了森林資源變化轉移矩陣的方法，計算得到鎮(zhèn)巴縣6 種森林資源類型的變化量及類型之間相互轉移的面積百分比。由此可知，有林地始終作為鎮(zhèn)巴縣面積最大的森林資源類型，在2009—2016年間發(fā)生的最優(yōu)勢轉移類型是從非林地轉移為有林地。

2）本研究通過分析計算得到的轉移矩陣，收集到了更多鎮(zhèn)巴縣森林資源變化情況：2009—2016年，增加最多的類型是有林地，其次為未成林造林地；減少量最多的是宜林地，其次是非林地。生態(tài)保護工程加快了鎮(zhèn)巴縣有林地的增加。

3）監(jiān)測森林資源動態(tài)的傳統(tǒng)方法很難區(qū)分變化的系統(tǒng)性和隨機性，故本研究使用統(tǒng)計學的方法來進行區(qū)分，并得到鎮(zhèn)巴縣在2009—2016年間最優(yōu)勢系統(tǒng)轉移為：灌木林地轉為有林地，灌木林地轉為非林地。最優(yōu)勢的隨機轉移為：有林地轉為灌木林地，有林地轉為疏林地。而從鎮(zhèn)巴縣的森林資源主體——有林地分析發(fā)現(xiàn)，影響鎮(zhèn)巴縣森林資源發(fā)生變化的主要驅動力由高到低分別是規(guī)劃調整、調查因素和造林更新。

除此之外，森林資源類型變化量只能反映在分類系統(tǒng)下各利用類型在數(shù)量上的變化情況，而不能反映其在內部的質量情況，因此還需要從空間結構上做更深入的研究。使用統(tǒng)計學的方法可以快速區(qū)分出森林資源變化中的系統(tǒng)轉移和隨機轉移，從而幫助研究人員有效快捷地得到變化驅動因子，對深入探究其變化機理，為政府制定出優(yōu)化森林資源格局的政策提供了幫助。