基于“3S”技術(shù)的鎮(zhèn)雄縣森林資源監(jiān)測分析

楊 興太廷惠 曾 莉 申騰朝 朱陽林 吳長坤

（1西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南昆明 650224；2鎮(zhèn)雄縣林業(yè)和草原局，云南鎮(zhèn)雄 657200）

“3S”技術(shù)是遙感信息技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的簡稱[1]，是當(dāng)下空間數(shù)據(jù)資源獲取、存儲管理、更新、分析與應(yīng)用領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)[2]。在“3S”技術(shù)體系中，RS和GPS是重要的數(shù)據(jù)源，是GIS數(shù)據(jù)的主要更新手段[3]。GIS技術(shù)主要承擔(dān)數(shù)據(jù)分析評價功能，進而為工作人員提供直觀且形象的數(shù)據(jù)支持[4]，目前GIS已被大量應(yīng)用于森林資源監(jiān)測、林業(yè)規(guī)劃設(shè)計調(diào)查、林地年度變更、公益林修編、森林火災(zāi)管理、病蟲害監(jiān)測防治管理、森林采伐限額編制、森林生態(tài)景觀分析等森林資源管理工作[5]。此項技術(shù)為加強森林資源主要指標(biāo)年度變化監(jiān)測、及時提供政府綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)考核有關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)提供了有力幫助。

鎮(zhèn)雄縣位于云南省東北部，地處云、貴、川三省交界結(jié)合部，隸屬云南省昭通市，地跨東經(jīng)104°18′～105°19′、北緯 27°17′～27°50′，東西長 99 km，南北寬為54 km。東以赤水河為界，毗鄰敘永縣，南與七星關(guān)區(qū)、赫章縣相接，西臨彝良縣，北靠威信縣。鎮(zhèn)雄縣轄南臺、烏峰、舊府、中屯、潑機等30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）、254 個村（居）委會，國土總面積 369 598.0 hm2。 鎮(zhèn)雄縣在水平氣候帶屬北亞熱帶氣候區(qū)，年均降雨量達(dá)914 mm，年均氣溫 11.3℃，海拔 630～2 416 m，境內(nèi)野生動植物種類豐富，有多種國家一、二級保護動植物。綜合應(yīng)用“3S”技術(shù)，對鎮(zhèn)雄縣森林資源主要指標(biāo)進行年度監(jiān)測，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明建設(shè)有重要意義。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測對象

監(jiān)測對象為鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)森林資源。

1.2 監(jiān)測方法

運用“3S”技術(shù)，以高分辨率和高光譜衛(wèi)星影像為信息源，利用GPS定位到精確的空間位置，把獲得的數(shù)據(jù)整理合并后再利用ArcGIS平臺進行數(shù)據(jù)分析、更新及存儲[6]，進而監(jiān)測森林資源變化情況。

監(jiān)測技術(shù)方法采用基于遙感影像的森林資源年度雙向核查法。將高分辨率衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)作為年度監(jiān)測信息的主要來源，按照檢測數(shù)據(jù)變化的技術(shù)路線，以變化圖斑為目標(biāo)線索，重點核查變化圖斑信息，構(gòu)建變化數(shù)據(jù)從上往下分發(fā)、核實材料從下往上提交的雙向核查模式。通過上下聯(lián)動與雙向反饋的組合驗證模式，為變化圖斑提供指示性依據(jù)，對森林資源變化情況進行有效和準(zhǔn)確的核查，確保變化信息準(zhǔn)確、可靠[7]。在此過程中，建立資源變化信息評價的佐證信息庫，確保變化信息的可追溯性和數(shù)據(jù)結(jié)果的客觀性、合理性和可證明性。

1.3 技術(shù)流程

1.3.1 數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理。收集鎮(zhèn)雄縣森林資源管理檔案資料、前期森林資源主要指標(biāo)監(jiān)測成果數(shù)據(jù)、前期和本期高分辨率衛(wèi)星遙感影像或航拍影像數(shù)據(jù)及有關(guān)矢量數(shù)據(jù)，并進行影像正射糾正和分辨率融合、共享影像質(zhì)量檢查、所有影像大氣歸一化處理、按行政區(qū)域嵌鑲和裁剪以及森林資源檔案整理、矢量化等預(yù)處理工作[8－9]。

1.3.2 判讀區(qū)劃。由省級技術(shù)支撐單位對收集的2期影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)進行室內(nèi)ArcGIS對比判讀區(qū)劃，獲取森林減少（逆向變化）圖斑信息，形成森林減少圖斑登記表及森林減少（逆向變化）圖斑矢量屬性數(shù)據(jù)庫，并下發(fā)縣級林業(yè)主管部門。

1.3.3 變化圖斑現(xiàn)地核查?？h級林業(yè)主管部門收到森林減少（逆向變化）圖斑矢量屬性數(shù)據(jù)庫后，及時組織技術(shù)人員核實調(diào)查。對于通過檔案資料及前后期影像比對，能夠明顯認(rèn)定為非森林地類的地塊，可不用現(xiàn)地調(diào)查；否則，必須進行現(xiàn)地調(diào)查核實。森林增加（正向變化）圖斑應(yīng)結(jié)合林產(chǎn)業(yè)建設(shè)、天保工程、退耕還林、低產(chǎn)低效林改造等各種經(jīng)營檔案資料，以“非森林地類變森林地類”為條件進行數(shù)據(jù)分析、篩選后[7]，組織技術(shù)人員逐小班現(xiàn)地核實調(diào)查，并提供相應(yīng)佐證資料，上交省監(jiān)測辦審核驗收。

1.3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫更新。利用經(jīng)審核、驗收合格的年度森林資源變化圖層對監(jiān)測基數(shù)圖層進行更新，得到監(jiān)測年縣域森林面積、天然林面積和森林覆蓋率等森林資源主要監(jiān)測指標(biāo)[7]。更新時各級行政界線、林班界與原數(shù)據(jù)庫保持一致，只對小班界進行變動。為了考慮更新后小班的可經(jīng)營性和合理性，需考慮細(xì)碎小班、縫隙小班等處理內(nèi)容，原則上需對更新過程中產(chǎn)生的面積小于0.25 hm2的圖斑進行合并。

1.3.5 森林蓄積量更新及成果制作。利用小班的林分現(xiàn)狀，根據(jù)已建立的9個主要樹種（組）生長量模型、消耗量模型等分別對有林地圖斑的蓄積量進行變更，變更后統(tǒng)計得到監(jiān)測年縣域森林蓄積量、單位面積蓄積量和天然林蓄積量[7]。在本期森林資源主要指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，統(tǒng)計森林資源主要指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)，編制形成相應(yīng)統(tǒng)計表及森林資源監(jiān)測年度報告。

1.4 相關(guān)指標(biāo)測定方法

1.4.1 森林變化面積和森林覆蓋率測定方法。在監(jiān)測周期內(nèi)，對監(jiān)測縣域內(nèi)發(fā)生明顯改變的有林地或國家特別規(guī)定的灌木林地進行區(qū)劃變更，包括林業(yè)部門管理的森林和非林業(yè)部門管理的森林[7]。①森林面積減少。一般是有林地或國家特別規(guī)定的灌木林地變?yōu)榉巧值仡?，如建設(shè)項目使用林地、森林采伐、森林火災(zāi)、盜伐濫伐、毀林開墾及滑坡泥石流等原因造成森林面積減少。對于森林面積減少的地塊，根據(jù)收集的經(jīng)營檔案資料，結(jié)合前后2期影像數(shù)據(jù)和GPS確定面積、位置，現(xiàn)地調(diào)查并記錄有關(guān)因子；對于森林采伐、建設(shè)項目使用林地等，通過檔案資料及前后期影像判讀比對，能夠明顯認(rèn)定已變?yōu)榉巧值牡貕K[10]，可不用進行現(xiàn)地調(diào)查。②森林面積增加。由于人類生產(chǎn)經(jīng)營引起或林木自然生長轉(zhuǎn)化，非森林地類轉(zhuǎn)變?yōu)榱擞辛值鼗驀姨貏e規(guī)定的灌木林地，使森林面積得以增加?？上仍谑覂?nèi)利用收集的經(jīng)營檔案資料和影像圖預(yù)區(qū)劃小班，然后攜帶GPS等調(diào)查工具前往現(xiàn)地進行調(diào)查確認(rèn)，核實小班界線并調(diào)查小班主要林分因子，填寫完善小班因子表，拍攝小班近景、遠(yuǎn)景現(xiàn)地照片，以佐證森林面積的增加。根據(jù)森林面積的增減情況更新當(dāng)年森林資源數(shù)據(jù)庫，并統(tǒng)計森林面積，求算得出森林覆蓋率[7]。

1.4.2 森林蓄積量測定方法。

（1）無干擾狀態(tài)下年生長量（率）估計。鎮(zhèn)雄縣森林植被類型多樣，立地條件變化復(fù)雜。由于生態(tài)因子具有可補償性，樹木生長具有適應(yīng)性和可塑性，導(dǎo)致森林生長規(guī)律具有區(qū)域性。根據(jù)立地條件的特點對全縣進行分區(qū)，針對每個分區(qū)進行某些類型的森林動態(tài)模擬與預(yù)測，對重要的大尺度變量進行空間聚類分析，根據(jù)這些立地因子的變化規(guī)律將全縣劃分為不同分區(qū)。這些立地因子包括年平均溫度、年降水量、平均海拔和地形起伏度。變量選取樹種、初始胸徑、起源、齡組、海拔、坡向、坡位、坡度、土壤類型、土壤厚度、每公頃株數(shù)、郁閉度、年降水量、最干季降水量、最濕季降水量、年平均溫度、最熱季均溫、最冷季均溫、年均日照時數(shù)。由于鎮(zhèn)雄縣樹種復(fù)雜多樣，特將樹種歸并形成9個樹種組模型，分別是云南松、華山松、杉木、柳杉、其他針葉、樺類、櫟類、楊樹、其他闊葉。使用數(shù)量化理論Ⅰ回歸模型分區(qū)確定模型，計算出每個小班無干擾狀態(tài)下的生長率。

（2）年消耗率估測。生長量估測是假設(shè)完全沒有人為干擾情況下的林分生長狀態(tài)，而現(xiàn)實生活中有人為干擾，特別是采伐等因子干擾尤為突出。利用前后2期衛(wèi)星影像比對的方式進行操作，目前高分辨率衛(wèi)星影像分辨率已達(dá)到2 m，而1株樹的樹冠大于2 m，樹的變化能夠在影像上反映出來。針對有林地小班，每個小班隨機抽取500個象元（抽象為500株樹），對比500株樹的變化情況，進行年消耗量估測。因為是考慮消耗率，所以只考慮負(fù)向變化，不考慮正向變化。

（3）蓄積量估測。蓄積量計算公式如下：

V新＝V基×（1＋f-p）×a+V進

式中，V新表示估測蓄積，V基表示基期蓄積，V進表示進階蓄積 （原來未達(dá)檢尺幼林經(jīng)生長平均胸徑≥5 cm后，新增蓄積），f表示生長率，P表示消耗率，a表示間隔年。

按照已建立的主要樹種（組）生長量模型、進界木模型、自然消耗量模型等求算有林地小班的蓄積量，并對森林資源數(shù)據(jù)庫進行變更，變更后統(tǒng)計得出監(jiān)測縣域的森林蓄積量。但是，對森林采伐或撫育等森林減少的情況，需收集檔案材料并現(xiàn)地調(diào)查記錄有關(guān)因子，結(jié)合實際情況確定；對森林增加的圖斑，通過現(xiàn)地調(diào)查記錄主要林分因子，得出小班蓄積量[7]。單位面積蓄積量由喬木林地中純林、混交林蓄積除以喬木林純林和混交林面積計算獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林資源變化情況

在監(jiān)測周期內(nèi)，全縣森林面積由105 493.05 hm2增加到 129 087.48 hm2，凈增 23 594.43 hm2，增幅為22.37%；森林覆蓋率由28.54%增加到34.92%，凈增6.38個百分點；森林蓄積量由8 062 600 m3增長至8 317 000 m3，凈增 254 400 m3，增長 3.16%；喬木林（不含喬木經(jīng)濟林）單位面積蓄積由91.9 m3/hm2減少到 86.0 m3/hm2，平均凈減少 5.9 m3/hm2，降幅 6.42%（表 1）。

表1 鎮(zhèn)雄縣森林資源主要監(jiān)測指標(biāo)變化統(tǒng)計

2.2 森林資源變化原因分析

2.2.1 森林面積變化原因分析。在監(jiān)測周期內(nèi)，全縣森林面積增加了23 911.56 hm2，原有森林面積減少了317.13 hm2，全縣森林面積凈增23 594.43 hm2。全縣新增森林面積23 911.56 hm2，主要由造林更新、規(guī)劃調(diào)整、自然因素以及其他因素4個方面原因引起；全縣原有森林面積減少317.13 hm2，主要由森林采伐、規(guī)劃調(diào)整、建設(shè)項目使用林地（即經(jīng)審批和未經(jīng)審批使用林地，下同）、毀林開墾、災(zāi)害因素、其他因素等方面原因引起（表2）。

表2 鎮(zhèn)雄縣森林面積變化原因分析 單位：hm2

2.2.2 森林蓄積變化原因分析。全縣本期森林蓄積量8 317 000 m3，較上期森林蓄積量凈增254 400 m3。監(jiān)測期森林蓄積量有增量也有減量，增減相抵后總體呈上升趨勢。本期森林蓄積量增長的因素主要表現(xiàn)在3個方面：一是變更進入的喬木林地蓄積及原未達(dá)到檢尺標(biāo)準(zhǔn)的幼齡喬木林地，在本期達(dá)到檢尺標(biāo)準(zhǔn)，使森林蓄積量增加；二是喬木林地生長量的提高，增加了森林蓄積量；三是天然林禁采、商品林采伐需求也逐年減少，降低了采伐消耗量。

森林蓄積量減少的主要原因是正常的木材采伐和樹木自然枯死造成的森林蓄積量減少，以及建設(shè)項目使用林地、人工樹種更替、毀林開墾、災(zāi)害因素等造成的森林面積減少。

3 結(jié)論與討論

試驗結(jié)果表明，通過“3S”技術(shù)進行森林資源監(jiān)測分析，得到了較精確的監(jiān)測期鎮(zhèn)雄縣森林資源數(shù)據(jù)。監(jiān)測期全縣森林面積129 087.48 hm2，較上期凈增加23 594.43 hm2，增幅達(dá)22.36%；監(jiān)測期全縣森林蓄積量8 317 000 m3，較上期凈增254 400 m3，增幅3.2%。在森林面積增加的因素中，規(guī)劃調(diào)整措施占比達(dá)57.73%，是該年度森林資源增加的主要原因；其次是造林更新和自然因素，占比40.66%。而建設(shè)項目使用林地是森林減少的最大因素，全縣建設(shè)項目使用林地造成森林面積減少167.44 hm2，占全縣森林減少面積的52.80%。

本期森林資源監(jiān)測工作在前期基礎(chǔ)上已經(jīng)做了較大改進，著力加強了森林變化圖斑的判讀獲取、現(xiàn)地核實及森林資源變化原因分析，技術(shù)可靠，利于操作，但在實際工作中變化數(shù)據(jù)的核實和佐證材料的獲取仍需要進一步細(xì)化技術(shù)規(guī)程，簡化工作流程，充分利用時下最先進的“3S”技術(shù)，倡導(dǎo)部門協(xié)同和數(shù)據(jù)共享，減少外業(yè)調(diào)查核實工作量以及不必要的證明材料，提高工作效率[11]。一方面，在出臺年度森林資源監(jiān)測技術(shù)方案時，注意充分考慮工作實際和相關(guān)技術(shù)及輔助設(shè)施應(yīng)用，讓森林監(jiān)測工作更加全面、有效地開展；另一方面，可以利用無人機航拍制作高分辨率影像數(shù)據(jù)，在森林資源管理“一張圖”的基礎(chǔ)上，將國土三調(diào)和行業(yè)數(shù)據(jù)進行疊加，結(jié)合高分衛(wèi)星或資源三號衛(wèi)星影像以及天地影像圖等遙感影像，進一步提高判讀的準(zhǔn)確率[6]。另外，有關(guān)部門應(yīng)進一步加大“3S”前沿技術(shù)研究和相關(guān)外業(yè)調(diào)查軟件的開發(fā)使用和操作培訓(xùn)力度，開展森林資源即時監(jiān)測，及時更新森林資源數(shù)據(jù)庫，提高森林資源監(jiān)測水平[12]，推動森林資源管理工作順利開展。