基于植被指數(shù)的山火后林地受災以及恢復情況分析方法研究*

孫世豪，符添瑋

(自然資源部海南基礎地理信息中心，海南 ?？?570203)

0 引言

山火作為林地主要災害之一，近些年來備受關注。大興安嶺山火，大涼山山火等嚴重的山火對人民生命、財產(chǎn)安全以及林地資源造成了嚴重的威脅。山火的防控十分重要，火災后對于山火的影響情況以及后期恢復情況的監(jiān)測也十分重要，監(jiān)測以及各項措施有利于災后重建工作以及未來的防控工作。利用遙感技術范圍覆蓋廣、獲取影像及時以及技術較為成熟等特點，可為以上工作提供有效技術手段[1]。其中，植被指數(shù)作為反應植被覆蓋的主流指標，用以反演地表林地覆蓋情況?，F(xiàn)有的植被指數(shù)有幾十種，因地表覆蓋復雜，不同監(jiān)測區(qū)內(nèi)植被與水體種類、分布不同，要根據(jù)不同植被指數(shù)的特點和實驗區(qū)域的實際情況，選擇相應植被指數(shù)[2]。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域位于海邊的山林，于2015年12月25日發(fā)生山火，植被被嚴重毀壞，同時也造成了當?shù)厝嗣褙敭a(chǎn)、自然資源的嚴重損失。隨后幾年，植被逐年恢復，最終基本恢復到災前水平。這一過程正適用于植被指數(shù)的山火后林地受災以及恢復情況的研究。

實驗數(shù)據(jù)來源于Landsat 8 OLI/TRIS C1 Level-2，其參數(shù)[3]如表1所示。數(shù)據(jù)范圍包含了實驗區(qū)全境，時相為2015年12月10日、2016年1月11日、2016年9月7日、2017年8月9日、2018年7月27日，其中一個時相為山火發(fā)生之前，四個時相為山火發(fā)生之后，云量全部小于30%。

表1 Landsat 8 OLI/TRIS C1 Level-2傳感器參數(shù)Tab.1 Landsat 8 OLI/TRIS C1 Level-2 sensor parameters

2 研究方法

本文以Landsat 8 OLI/TRIS C1 Level-2數(shù)據(jù)為基礎，分析山火過后森林資源覆蓋情況以及恢復情況，主要流程為：

1)數(shù)據(jù)收集與處理；

2)植被指數(shù)的選擇；

3)閾值劃分；

4)計算受災面積；

5)恢復情況分析。

2.1 數(shù)據(jù)收集與處理

利用Landsat 8 OLI/TRIS C1 Level-2的數(shù)據(jù)，選取相應期數(shù)并盡量保證研究區(qū)域無云。將下載后的數(shù)據(jù)進行裁剪，減小數(shù)據(jù)量，提升處理速度。根據(jù)影像特點，使用低通濾波和拉普拉斯濾波進行影像增強，并進行大氣校正。

2.2 植被指數(shù)選擇

根據(jù)本研究區(qū)域特征，選取歸一化植被指數(shù)(NDVI)和比值植被指數(shù)(RVI)進行受災情況分析和恢復情況分析。

1)歸一化植被指數(shù)計算公式：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中：NIR為近紅外波段的反射值；R為紅光波段的反射值。 NDVI的取值范圍是，-1<=NDVI<=1，當NDVI<0時，表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射；當NDVI=0時表示有巖石或裸土等，NIR和R近似相等；當NDVI>0時，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大。NDVI能反映出植物冠層的背景影響，如土壤、潮濕地面、雪、枯葉、粗糙度等，且與植被覆蓋有關。NDVI可作為標準化方式對健康植被進行量化，并且準確度較高。對于經(jīng)過山火的植被，其NDVI值與健康植被的NDVI值相比差距會較為明顯，可以準確、高效確定受災植被范圍，計算出受災的林地面積。但是，NDVI用非線性拉伸的方式增強了NIR和R的反射率的對比度，NDVI對高植被區(qū)具有較低的靈敏度[4-7]。

2)比值植被指數(shù)計算公式：

RVI=NIR/R

(2)

式中：NIR為近紅外波段的反射值；R為紅光波段的反射值。綠色健康植被覆蓋地區(qū)的RVI遠大于1，而無植被覆蓋的地面的RVI在1附近。植被的RVI通常大于2；其中，植被覆蓋度是RVI的影響因素之一，當植被覆蓋度較高時，RVI對植被十分敏感；當植被覆蓋度<50%時，這種敏感性顯著降低；由于研究區(qū)域處于大洋路沿線，氣候條件良好，植被覆蓋度較高。對于災后恢復植被變化不是很明顯的情況，利用RVI可以彌補NDVI對于高植被覆蓋敏感度低的不足。同時，RVI也受大氣條件影響，大氣效應大大降低對植被監(jiān)測的靈敏度，所以在計算前需要進行大氣校正，或用反射率計算RVI[6-7]。

2.3 閾值劃分

閾值范圍劃分首先要對研究區(qū)域的植被指數(shù)進行計算，再根據(jù)不同區(qū)域不同地物種類以及大量實地數(shù)據(jù)進行劃分。在閾值劃分的過程中，需要通過大量實地數(shù)據(jù)對其分類的結果進行驗證，將目視解譯的結果與使用植被指數(shù)劃分后的結果進行對比，如分類結果不理想，則需要重新劃分閾值或選擇指數(shù)[8]。當分類結果達到一定的準確性時，即可用于后續(xù)研究。

2.4 計算受災面積

利用火災后第一時相的數(shù)據(jù)對實驗區(qū)域NDVI值計算結束后，將計算結果進行重分類，根據(jù)劃分好的閾值確定山火范圍，通過像素個數(shù)與像素面積計算受災面積[10]。計算公式為：受災面積=像素個數(shù)*單個像素面積。

2.5 恢復情況分析

為了保證結果的準確性，同時使用NDVI和RVI進行林地恢復情況分析。分別計算研究區(qū)域火災前一時相和后多時相數(shù)據(jù)的NDVI與RVI，分析其變化特征，從而反應受災過后林地恢復的情況[9]。

3 結果與分析

3.1 受災面積

根據(jù)數(shù)據(jù)源，單個像素面積為900 m2，像素個數(shù)為12 701，代入公式可得受災面積為11.43 km2。受災前后影像及受災范圍如圖1所示，其中白色部分為云層，黃色部分為受災面積。

圖1 受災范圍展示Fig.1 Images before and after disaster & display of affected area

由于除山火影響外其他影響因素(例如人工砍伐)也會導致林地覆蓋率的變化，因此此方法算出的面積可能存在一定的誤差，需要用目視解譯的方式進行確認。

3.2 林地恢復情況分析

山火發(fā)生前，研究區(qū)域的NDVI值較高(0.704-0.947)，大部分都處于0.8以上，這表明此區(qū)域的林地覆蓋率很高；研究區(qū)域的RVI幾乎都大于2(2-37)，這表明此區(qū)域的林地覆蓋率很高。

研究區(qū)域NDVI與RVI展示(山火前，2015年12月)，如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域NDVI與RVI展示(山火前，2015年12月)Fig.2 Display of NDVI and RVI in study area before wildfire in December 2015

山火發(fā)生后，受災區(qū)域NDVI值明顯降低，部分區(qū)域接近于0(0.028-0.393)，這表明林地破壞嚴重，近乎裸地。山火發(fā)生后四個時相(2016年1月、2016年9月、2017年8月、2018年7月)受災區(qū)域的NDVI值范圍是0.028-0.393、0.357-0.585、0.519-0.996、0.666-0.988，NDVI值隨著年份的增加而增加。在山火發(fā)生后的一年之內(nèi)(2016年)，近一半的林地恢復；接下來的兩年內(nèi)(2017年、2018年)，受災林地基本完全恢復，2018年的NDVI值也同2015年山火發(fā)生前的RVI值接近；山火發(fā)生后，受災區(qū)域RVI值明顯降低，大部分區(qū)域處于1-2之間，表明覆蓋率很低，林地破壞嚴重。山火發(fā)生后四個時相(2016年1月、2016年9月、2017年8月、2018年7月)受災區(qū)域的RVI值范圍是1-2、1-9、2-24、2-37，RVI值隨著年份的增加而增加。在山火發(fā)生后的三年內(nèi)(2016年、2017年、2018年)，受災林地基本完全恢復，2018年的NDVI值也同2015年山火發(fā)生前的RVI值接近(見圖3)，同NDVI分析結論一致。

圖3 研究區(qū)域NDVI與RVI展示(山火后，2016年1月、2016年9月、2017年8月、2018年7月)Fig.3 Display of NDVI and RVI in study area after wildfire in January 2016，September 2016，August 2017，and July 2018

在整個的研究區(qū)域中，NDVI計算值受云層影響，在圖中可以看到云層部分，但是受災區(qū)域無云層覆蓋；雖然NDVI反映各時相林地覆蓋的變化，但是由于其自身對于高植被區(qū)靈敏度低的不足，結果仍需要通過計算RVI進一步驗證。

研究區(qū)域依據(jù)RVI值分為三個等級：(1，2]，(2，9]和(9，37]，分別對應著低林地覆蓋、中等林地覆蓋和高林地覆蓋。山火發(fā)生后4個時相RVI值變化如圖4所示。

圖4 山火發(fā)生后4個時相(2016年1月、2016年9月、2017年8月、2018年7月)RVI值變化Fig.4 Changes in RVI values in four phases after wildfire in January 2016，September 2016，August 2017，and July 2018

根據(jù)RVI值變化分析可以得出：低林地覆蓋區(qū)域面積開始有緩慢下降，在經(jīng)過迅速下降后最后趨于平緩，維持在較低值；中等林地覆蓋區(qū)域面積增長緩慢，維持在中等值；高林地覆蓋區(qū)域面積增長迅速，最終達到較高值。這表明火災過后，裸地面積或草地面積下降，最終保持在較低值，被林地覆蓋；林地面積逐年增加，最終保持較高值，覆蓋整個區(qū)域。其反應的恢復情況符合規(guī)律：山火發(fā)生后，草地等首先恢復，林地逐漸恢復，最終覆蓋草地。

4 結束語

本文通過NDVI和RVI指數(shù)分析了山火后林地受災與恢復情況，計算出了火災范圍以及分析了林地的恢復規(guī)律。得出以下結論：

1)山火受災面積為11.43 km2，受災區(qū)域林地基本全部被燒毀，林地資源損失嚴重。

2)林地恢復速度較快，災后一年恢復一半，隨后裸地面積下降迅速，第三年基本恢復原有水平。

3)實驗方法有待提高，需要引入更多適應研究區(qū)域特點的指數(shù)，更全面地進行分析；在計算火災面積時，考慮可以提高精度的方法，排除其他影響因素；在分析林地恢復情況時，應納入降水、溫度等氣候因素。