全 文 ：基于多元遥感影像的三北地区片状防护林面积估算*
郑摇 晓1,2,3 摇 朱教君1,2 **
( 1中国科学院沈阳应用生态研究所森林与土壤生态国家重点实验室, 沈阳 110164; 2辽宁省生态公益林经营管理重点实验
室, 沈阳 110016; 3中国科学院大学, 北京 100049)
摘摇 要摇 三北防护林体系工程是我国重点林业生态工程,其数量与空间分布格局影响着整个
三北地区的生态环境.为科学、客观、完整地评价三北防护林体系工程建设 30 年来(1978—
2008)片状防护林的数量与空间分布格局,本文采用多元遥感影像对三北地区片状林面积估
算方法进行了研究.首先,利用 TM 影像(分辨率 30 m)监测 2008 年三北地区片状防护林面
积;再基于随机取样原理,建立不同降水气候区的高分辨率影像(SPOT5,分辨率 2. 5 m)与 TM
影像在片状防护林面积监测的校正关系;最后利用前两部分结果估算出 2008 年三北地区片
状防护林面积.结果表明: 截至 2008 年,三北地区片状防护林(乔木林郁闭度>0. 3,灌木林覆
盖度>40% ,精确度约 85% )总面积 328360. 03 km2 . 其中,东北区 116244. 55 km2,华北区
42981. 32 km2,黄土高原区 76767. 05 km2,蒙新区 92367. 11 km2 .按照防护林树种统计,针叶
林 62614. 74 km2,阔叶林 121628. 51 km2,针阔混交林 22144. 09 km2,灌丛 121972. 69 km2 .
关键词摇 防护林摇 Landsat TM摇 SPOT5摇 三北地区
文章编号摇 1001-9332(2013)08-2257-08摇 中图分类号摇 S727摇 文献标识码摇 A
Estimation of shelter forest area in Three鄄North Shelter Forest Program region based on
multi鄄sensor remote sensing data. ZHENG Xiao1,2,3, ZHU Jiao鄄jun1,2 ( 1State Key Laboratory of
Forest and Soil Ecology, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang
110164, China; 2Liaoning Province Key Laboratory for Management of No鄄commercial Forests,
Shenyang 110016, China; 3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) .
鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(8): 2257-2264.
Abstract: The Three鄄North Shelter Forest Program is a key forestry ecological project in China. The
quantity and spatial distribution of the shelter forest in the program affect the ecological environment
of the entire Three鄄North region. In this paper, multi鄄sensor remote sensing data were used to sci鄄
entifically, objectively and comprehensively estimate the quantity and spatial distribution pattern of
the shelter forest in this region in 1978-2008. Firstly, the Landsat TM images (30 m in resolution)
were adopted to extract the shelter forest data in this region in 2008. Then, based on random sam鄄
pling techniques, the calibration formulae for the shelter forest area in different precipitation climate
regions estimated by the SPOT5 (2. 5 m in resolution) and Landsat TM were constructed. By using
the above鄄mentioned results, the shelter forest area in the Three鄄North region in 2008 was esti鄄
mated. In 2008, the total area of the shelter forest ( canopy density of arbor shelter forest was
>0郾 3, coverage of shrub shelter forest was > 40% , and accuracy was about 85% ) in this region
was 328360. 03 km2, with 116244. 55 km2 in Northeast China, 42981. 32 km2 in North China,
76767郾 05 km2 in Loess Plateau, and 92367. 11 km2 in Mongolia鄄Xinjiang Region. According to the
classification of shelter forest types, the areas of coniferous forest, broadleaved forest, mixed broad鄄
leaf鄄conifer forest and shrubland were 62614. 74, 121628. 51, 22144. 09 and 121972郾 69 km2,
respectively.
Key words: shelter forest; Landsat TM; SPOT5; Three鄄North region.
*中国科学院战略性先导科技专项(XDA05060400)、国家自然科学基金项目(31025007)和中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1鄄YW鄄
08鄄02)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jiaojunzhu@ iae. ac. cn
2012鄄11鄄05 收稿,2013鄄06鄄21 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 8 月摇 第 24 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2013,24(8): 2257-2264
摇 摇 1978 年,国务院批准《关于在西北、华北、东北
风沙危害和水土流失重点地区建设大型防护林的规
划》,三北防护林体系工程正式启动实施[1-3] . 在三
北防护林体系工程建设区(简称 “三北地区冶),根
据防护目的不同,可将防护林划分为:农田防护林、
水土保持林、水源涵养林和防风固沙林等. 其中,水
土保持林、水源涵养林和防风固沙林等以片状形式
为主,是三北防护林体系工程的主体.片状防护林主
要指利用森林影响环境的生态功能,保护生态脆弱
地区的土地资源、农牧业生产、建筑设施和人居环境
等免遭或者减轻自然灾害及不利环境因素的威胁和
危害,形状为块状或面状的天然林和人工林的总
称[4] .
截至 2008 年,三北防护林体系工程建设取得了
举世瞩目的成绩[5-7] . 片状防护林的数量与空间分
布格局对建设高效、持续、稳定的防护林体系,以及
科学、客观、完整地评价三北防护林体系工程均具有
重要意义.通常,获取大、中尺度土地利用数量信息
的方法分为统计数据和遥感监测两类. 由于人为因
素的干扰,统计数据的真实性受到质疑,而遥感因其
客观性和准确性已广泛用于区域尺度的土地利用的
监测研究[8-12],并在森林资源监测中取得了一定的
研究成果[13-15] .对于遥感影像的选择,大尺度区域
的土地利用信息主要利用 MODIS 等低分辨率影像
数据获得,中尺度区域的土地利用信息主要利用
Landsat TM中分辨率影像数据获得[16-17],而小尺度
区域的土地利用信息主要利用 SPOT5 等高分辨率
影像数据获得[18-19] . 对于三北地区这样一个大、中
尺度区域而言,利用 Landsat TM 影像虽然可以准确
地提取防护林数量信息,但精度远不能满足实际要
求;SPOT5 等高分辨率影像虽然能精确估算三北防
护林体系工程中防护林信息,但在整个研究区利用
SPOT5 影像,无论在人力还是财力方面均难以完成.
如何利用 Landsat TM 影像数据获得 SPOT5 影像的
精度成为实际估算防护林信息的关键.采用 Landsat
TM和 SPOT5 遥感影像提取土地利用数据的方法很
多,其中人机交互目视解译方法的准确度较
高[20-23] .
本文以三北地区为研究区,利用多源遥感数据
SPOT5 和 Landsat TM,基于随机取样原理,建立不同
降水气候区下高分辨率影像 SPOT5(分辨率 2. 5 m)
和中分辨率影像 Landsat TM (分辨率 30 m)在片状
防护林监测的校正关系.在此基础上,结合 2008 年
Landsat TM 监测的三北地区防护林数据,估算出
2008 年三北防护林体系工程建设区片状防护林面
积,旨在为三北防护林体系工程的建设与发展,以及
其效益评价提供基础数据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
三北地区(33毅30忆—50毅12忆 N,73毅26忆—127毅50忆
E)包括我国东北西部、华北北部和西北大部分地
区,行政区划上辖 13 省(市)551 个县(区),遥感监
测面积为 398. 8 万 km2 . 三北地区东西跨度和气候
差异较大,从东北端到西南段,平均气温由-2 益到
14 益,大部分地区的气温在 2 ~ 5 益 . 风向以西风、
西北风和东风为主. 降水量由东向西,从南到北递
减,大部分地区的年均降水量在 20 ~ 450 mm. 受降
水量的影响,天然植被类型从东到西依次为:森林、
森林草原、草原和荒漠.
根据地貌特征,本研究将三北地区划分为东北
区、华北区、黄土高原区和蒙新区. 东北区包括黑龙
江省西南部、吉林省西部、辽宁省西部及内蒙古自治
区东部地区;华北区包括北京市、天津市及河北省北
部地区;黄土高原区包括山西省西部、陕西省大部、
宁夏回族自治区、甘肃省中部及内蒙古自治区的部
分地区;蒙新区包括新疆维吾尔自治区、青海省北
部、甘肃省河西走廊及内蒙古自治区大部分地区
(图 1).
1郾 2摇 数据来源及处理
1郾 2郾 1 遥感数据来源 摇 本研究使用的数据包括多
时相Landsat TM 影像、 SPOT5 影像及 TRMM 降水
数据.
Landsat TM影像是时相为 6—10 月(植物生长
良好,有利于防护林信息的识别) 、年份为2007—
图 1摇 研究区分布示意图
Fig. 1摇 Sketch map of the location of the study area.
玉:东北区 Northeast China; 域:华北区 North China; 芋:黄土高原区
Loess Plateau; 郁:蒙新区 Mongolia鄄Xinjiang region.
8522 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
2009 年(保证各时相影像无云、清晰)覆盖整个三北
地区的数据.理想状态是三北地区同一时期的影像,
但由于三北地区面积较大,不可能全区同时无云,因
此采用邻近年份相同季节的影像. 影像数据从美国
地质勘探局(United States Geological Survey, USGS)
数据中心 ( http: / / www. edc. usgs. gov)下载获得.
SPOT5 影像是法国 SPOT 系列卫星的第 5 号卫星,
其视场宽度为 60 km,覆盖范围约 3600 km2,多光谱
波段的空间分辨率为 10 m,全色波段的空间分辨率
为 2. 5 m. SPOT5 时间是 2007 和 2008 年. TRMM 数
据来源于测雨任务的卫星. 使用的 TRMM 数据是
TRMM 3B43 数据产品,是由 NOAA气候预测中心气
候异常监测系统(CAMS)的全球格点雨量测量器资
料和全球降水气候中心(GPCC)的全球降水资料合
成的数据产品,空间分辨率为 0. 25毅. 气象数据是
1998—2008 年的月降水数据集,从中国气象科学数
据共享服务网( http: / / cdc. cma. gov. cn / home. do)
下载获得.此外,还用到了 1 颐 100 万中国植被图和
覆盖三北地区的 1 颐 10 万地形图.
1郾 2郾 2 遥感影像的预处理摇 1)Landsat TM 和 SPOT5
影像均合成易于识别的标准假彩色影像,Landsat
TM影像采用 4、3、2 波段合成,SPOT 5 影像采用 1、
2、3 波段合成[24] . 2)利用地形图对 Landsat TM 进
行几何纠正. 具体步骤:首先将 1 颐 10 万地形图扫
描,建立经纬网对数字地形图赋予地理坐标,将其转
换成 Albers等积投影,然后在拥有投影坐标的地形
图和 Landsat 影像找到特征点,每景选取 40 ~ 60 个
控制点,最后采用二次多项式法利用影像对影像的
方式进行纠正. 3)利用已经纠正的 Landsat TM 影像
作为基础,对 SPOT5 影像采用二次多项式法,利用
影像对影像的方式进行纠正. 纠正的结果:TM 影像
的误差(root mean square,RMS)在 0. 5 个像元内( <
15 m ), SPOT5 的误差 ( RMS ) 在 1 个像元内
(<2. 5 m). 整景影像保持 Landsat TM 的 30 m 和
SPOT5 的 2. 5 m 空间分辨率. TRMM 降水数据为
1998—2008 年每月降水量数据,在每年各月降水量
数据基础上形成每年的年降水量数据,进而形成
1998—2008 年年均降水量数据 (空间分布率
0郾 25毅).所有遥感影像数据均采用 Albers 正轴等面
积双标准纬线割圆锥投影,大地坐标系,保存为 ER鄄
DAS Imagine格式.
1郾 2郾 3 片状防护林面积估算方法
1郾 2郾 3郾 1 基于 Landsat TM影像监测三北地区防护林
数量摇 通过实地考察和分析,结合 Landsat TM 遥感
影像制定了“三北地区防护林分类系统和解译标
准冶(表 1),利用 ArcGIS 软件通过人机交互目视解
译的方法提取地物信息.在解译时结合地形图、气候
区划图、植被图、土地利用图等专题图件和文字调查
报告,运用地学综合分析法和相关分析法综合判断
地物边界和属性. 提取标准比例尺 1 颐 10 万,按照
2 mm伊2 mm的上图标准,判读提取成图的最小图斑
为 Landsat 30 m影像 6伊6 个像元,即 180 m伊180 m=
32400 m2 .最终的解译结果通过 2008 和 2009 年的
地面调查和 Google Earth 提供的局部高清影像进行
验证.在地面验证中,整个三北地区共收集 20038 个
GPS验证点. 其中,东北区 4325 个,华北地区 792
个,黄土高原区 5786 个,蒙新区 9135 个,各区的精
确度均在 95%以上. 此工作于 2007 年 10 月开始,
2011 年 10 月结束,历经 4 年基本完成,最终形成
350149 个林地图斑.
1郾 2郾 3郾 2 建立高分辨率 SPOT5 和中分辨率 Landsat
TM的校正关系摇 由于 Landsat TM 提取的最小图斑
为 6伊6 个像元,面积<32400 m2的防护林无法提取,
其精度为(32400 依 8100) m2 . 而 SPOT5 分辨率为
2郾 5 m,根据 1 颐 10000 的成图要求,提取大于 20 m伊
20 m所有防护林信息,其精度为(400依100) m2 .为
了准确地估算三北地区防护林面积,需要建立
SPOT5 高分辨率影像和 Landsat TM 中分辨率影像
在防护林面积的校正关系.具体步骤如下:
1)降水气候分区:降水是影响三北地区防护林
分布的最关键因素. 根据 1998—2008 年的 TRMM
平均年降水量数据,利用詹克斯自然分割分类方
法[25]将三北防护林建设区划分为:高降水气候区
表 1摇 三北地区防护林分类系统和影像特征
Table 1 摇 Classification system of the Three鄄North Shelter
Forest and its image characteristics
类型
Type
定义 Definition
郁闭度
Canopy density
树高
Height (m)
影像特征
Image
characteristics
针叶林
Coniferous forest
>0. 3 >2 颜色为暗红、棕红,色
调均一;形状呈小片或
者块状图斑
阔叶林
Broadleaved forest
>0. 3 >2 颜色为红色、深红,色
调均一;形状呈大片状
图斑
针阔混交林
Mixed broadleaf鄄
conifer forest
>0. 3 >2 颜色为深红,色调不均
一;形状呈现不规则的
片状
灌丛
Shrubland
>0. 4 <2 颜色为红色、鲜红、暗
红,色调均一;形状呈
现不规则块状
95228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 郑摇 晓等: 基于多元遥感影像的三北地区片状防护林面积估算摇 摇 摇 摇 摇
(年降水量逸456 mm)、中降水气候区(年降水量
303 ~ 456 mm)和低降水气候区 (年降水量 < 303
mm)(图 2).
摇 摇 2)SPOT5 影像解译:选择 9 景 SPOT5 影像为典
型区(图 2). 根据影像所在的地域命名,分别为德
惠、科左后旗、翁牛特旗、密云、安塞、永寿、盐池、中
卫和民勤.利用 ArcGIS对典型区防护林信息进行解
译,方法同 Landsat TM,解译的结果作为标准图.
3)样区划分:根据 9 景 SPOT5 典型区的范围划
分样区.根据地域单元相对完整性原则,通过预实
验,选择样区大小为 10000 m伊10000 m,以保证小地
域单元的完整性,且有利于相关统计(图 3).
4)叠加处理:把降水气候区图层、样区图层、
SPOT5 影像解译图层和 Landsat TM 影像解译图相
叠加,分别提取不同降水气候区中每个样区的
SPOT5 和 Landsat TM 解译的结果. 其中,高降水气
候区 SPOT5 典型区有:德惠、科左后旗大部分区域、
密云、永寿和安塞大部分区域;中降水气候区的
SPOT5 有:科左后旗西北、翁牛特旗、安塞西北;低降
水气候区的 SPOT5主要有民勤、中卫、盐池等(图 2).
图 2摇 基于 TRMM的降水气候分区
Fig. 2摇 Climatic zones based on TRMM precipitation data.
玉:高降水气候区High precipitation climatic region; 域:中降水气候区
Middle precipitation climatic region; 芋:低降水气候区 Low precipitati鄄
on climatic region.
图 3摇 民勤 SPOT5 典型区的样区划分
Fig. 3摇 Division of plots in Minqin SPOT5 typical region.
玉:样地 Plot; 域:典型区边界 Typical region boundary.
摇 摇 5)建立校正公式:在不同降水气候区内,随机
选取 80%样区数据(面积 30006 km2,占三北区面积
的 0. 78% ),利用 SPSS 分析软件,建立不同降水气
候区下的 SPOT5 和 Landsat TM校正公式;剩余 20%
的样区数据 (面积 7502 km2, 占三北区面积的
0郾 20% )作为精确度验证数据.
1郾 2郾 3郾 3 校正方法的验证摇 在不同降水气候区利用
随机预留的 20%样区进行准确度验证, 以说明校正
方法的准确度(P,% ).公式如下:
P = 1 -
[移
n
i = 1
(xp,i - xo,i) 2 / n] 0郾 5
軃xo
伊 100% (1)
式中:i为第 i个样区;n为样区数量;xp,i为第 i 个样
区中 Landsat TM 解译的防护林经过校正函数计算
后的防护林面积(m2);xo,i为基于 SPOT5 影像直接
解译的防护林面积(m2);軃xo 为基于 SPOT5 影像的
各样区防护林面积的平均值. P值越大,说明校正方
法越准确.
1郾 2郾 3郾 4 三北地区防护林面积的估算摇 利用 Landsat
TM 影像监测的三北地区片状防护林数量基础信
息,结合高分辨率 SPOT5 和中分辨率 Landsat TM的
校正公式,估算三北地区片状防护林总面积.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 基于 Landsat TM的三北防护林建设区监测
截至 2008 年,基于 Landsat TM 影像的三北防
护林(片状林)总面积为 281229. 49 km2(表 2,图
4),其中,东北区防护林面积占总防护林面积的
36郾 8% ,华北区占 15. 5% ,黄土高原区占 24. 3% ,蒙
新区占 23. 4% .
2郾 2摇 不同降水气候分区下 SPOT5 和 Landsat TM校
正的回归关系
由于 SPOT5 和 Landsat TM 影像均使用标准假
彩色,在利用其解译不同类型防护林时比例基本一
图 4摇 基于 Landsat TM解译的 2008 年三北防护林分布图
Fig. 4摇 Distribution map of Three鄄North shelter forest based on
Landsat TM in 2008.
玉:针叶林 Coniferous forest; 域:阔叶林 Broadleaved forest; 芋:针阔混
交林 Mixed broadleaf鄄conifer forest; 郁:灌丛 Shrubland.
0622 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 2摇 基于 Landsat TM影像的三北地区防护林面积*
Table 2摇 Shelter forest area in Three鄄North regions based on Landsat TM (km2)
区域
Region
针叶林
Coniferous
forest
阔叶林
Broadleaved
forest
针阔混交林
Mixed
broadleaf鄄
conifer forest
灌丛
Shrubland
防护林总面积
Total
area of
shelter forest
区域总面积
Total
area of
the region
防护林覆被率
Rate of
shelter forest
(% )
东北区 Northeast China 13558. 96 57547. 94 13049. 52 19337. 75 103494. 17 584153. 16 17. 7
华北区 North China 2154. 65 24677. 30 635. 79 16207. 35 43675. 09 134299. 18 31. 9
黄土高原区 Loess Plateau 8754. 98 21148. 48 5863. 06 32418. 65 68185. 16 505540. 18 15. 1
蒙新区 Mongolia鄄Xinjiang region 24878. 58 6726. 19 583. 16 33687. 13 65875. 06 2764206. 24 3. 1
三北地区 Three鄄North regions 49347. 17 110099. 91 20131. 53 101650. 88 281229. 49 3988198. 76 7. 1
*最小斑块为 Landsat TM影像的6伊6个像元,即实际面积32400 m2 The smallest patch was 6伊6 pixels of Landsat TM, and the actual area was 32400 m2 .
致.因此,本研究对其属性不进行校正,仅对防护林
总面积进行校对,各类型防护林的面积按照总面积
的回归关系进行校正.由于三北地区位于干旱、半干
旱地区,降水是防护林生长的关键要素,因此本文建
立了不同降水气候区的校正关系式. 在高降水气候
区,华北高降水气候区的防护林呈大面积片状分布,
郁闭度高,与其他区域差异明显(图 4),故将高降水
气候区的校正分为两部分:华北区的高降水气候区
的防护林采用华北高降水气候区的校正公式进行校
正,其余高降水气候区的防护林采用高降水气候区
校正公式进行校正 (图 2 ). 不同降水气候区的
SPOT5 和 Landsat TM校正公式如下:
高降水气候区: Y=1. 0892X (2)
华北高降水气候区: Y=0. 9537X (3)
中降水气候区: Y=1. 1536X (4)
低降水气候区: Y=1. 5199X (5)
式中:Y 为校正后的防护林面积;X 为基于 Landsat
TM解译的防护林面积.
1)高降水气候区:该区域位于三北地区的东
部,即东北区东部、华北区大部、黄土高原区南部及
蒙新区的零星部分,总面积占三北地区总面积的
12. 6% .由于降水量相对充足,防护林长势较好,面
积约占总防护林面积的 50. 6% .在高降水气候区内
(除华北区以外),分布有德惠、科左后、永寿、安塞 4
个典型区,其总面积 13845 km2,共设 167 个样区,随
机选取 80%的样区信息(134 个样区)建立了校正
关系(式 2,图 5a),对三北高降水气候区域(除华北
区)的防护林面积进行校正.
图 5摇 不同降水气候区防护林面积的 SPOT5 和 Landsat TM校正关系
Fig. 5摇 Corrected equations for shelter forest area estimation in different precipitation regions based on the relationship between shelter
forest areas derived from SPOT5 and Landsat TM.
a)高降水气候区(华北除外)High鄄precipitation climatic region ( except North China); b)华北高降水气候区 High鄄precipitation climatic region in
North China; c)中降水气候区 Intermediate鄄precipitation climatic region; d)低降水气候区 Low鄄precipitation climatic region. y:基于 SPOT5 的防护林
面积 Shelter forest area based on SPOT5; x:基于 Landsat TM的防护林面积 Shelter forest area based on Landsat TM. 下同 The same below.
16228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 郑摇 晓等: 基于多元遥感影像的三北地区片状防护林面积估算摇 摇 摇 摇 摇
摇 摇 2)华北高降水气候区:该区主要为水源涵养
林,森林覆盖率高于其他高降水气候区.华北典型区
总面积 5672 km2,共设 93 个样区,随机选取 80%的
样区信息(74 个样区)建立了校正关系(式 3,图
5b),对华北高降水气候区的防护林面积进行校正.
3)中降水气候区:该区域包括东北西部大部、
华北西部、黄土高原北部及蒙新少量区域,总面积占
三北地区总面积的 18. 2% .防护林面积占总防护林
面积的 31. 7% ,水分是防护林生长的主要限制性因
子.区域内有:科左后西北区、翁牛特和安塞西北区
3 个典型区,面积 6134. 54 km2,设 90 个样区,随机
选取 80%的样区信息(72 个样区)建立了校正关系
(式 4,图 5c),对中降水气候区的防护林面积进行
校正.
4)低降水气候区:该区域包括蒙新区和黄土高
原区的西北部,总面积占三北区面积的 69. 2% . 由
于降水量稀少,林木生长严重受限,防护林面积仅占
总防护林面积的 17. 7% .区域内有民勤、中卫、安塞
3 个典型区,总面积 11855. 60 km2,共设 119 个样
区,随机选取 80%的样区信息(95 个样区)建立校
正关系(式 5,图 5d),对三北低降水气候区防护林
面积进行校正.
为了说明以上校正关系的准确性以及防护林面
积的精确度,利用不同降水气候区预留的 20%样区
信息进行验证. 验证样区的数量为:高降水气候区
33 个,华北高降水气候区 19 个,中降水气候区 18
个,低降水气候区 24 个.在每个降水气候区中,经过
校正后的估算值和 SPOT5 值对比关系在 1 颐 1 附近
(图 6).利用式(1)可得到不同降水气候区防护林
的精确度:高降水气候区(除华北区)为 85. 4% ,
华北高降水气候区为 91. 1% ,中降水气候区为
95郾 2% ,低降水气候区为 72. 4% .
图 6摇 基于 SPOT5 和 Landsat TM校正的不同降水气候区防护林面积验证
Fig. 6摇 Shelter forest area verification based on SPOT5 and Landsat TM in different precipitation regions.
表 3摇 三北地区 SPOT5 校正后的防护林面积
Table 3摇 Shelter forest area in Three鄄North regions after SPOT5 correction (km2)
区域
Region
针叶林
Coniferous
forest
阔叶林
Broadleaved
forest
针阔混交林
Mixed
broadleaf鄄conifer
forest
灌丛
Shrubland
防护林总面积
Total
area of
shelter forest
区域总面积
Total
area of
the region
防护林覆被率
Rate of
shelter forest
(% )
东北区 Northeast China 15500. 46 64500. 71 14256. 29 21987. 09 116244. 55 584153. 16 19. 9
华北区 North China 2189. 97 24132. 68 627. 30 16031. 37 42981. 32 134299. 18 32. 0
黄土高原区 Loess Plateau 9877. 03 23613. 58 6440. 85 36835. 59 76767. 05 505540. 18 15. 2
蒙新区 Mongolia鄄Xinjiang region 35047. 29 9381. 54 819. 65 47118. 63 92367. 11 2764206. 24 3. 3
三北地区 Three鄄North regions 62614. 74 121628. 51 22144. 09 121972. 69 328360. 03 3988198. 76 8. 2
2622 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
2郾 3摇 校正后的防护林面积
以 Landsat TM 影像监测的数据为基础,结合不
同降水气候区 SPOT5 和 Landsat TM的校正关系,得
到三北片状防护林面积的校正结果(表 3).其中,基
于 SPOT5 影像提取的最小斑块为 8伊8 个像元,即实
际面积 400 m2 . 乔木林郁闭度逸30% ,灌木林覆盖
度逸 40% . 三 北 地 区 片 状 防 护 林 总 面 积 为
328360郾 03 km2 .其中,针叶林占总片状防护林面积
的 19郾 1% ,阔叶林占 37. 1% ,针阔混交林占 6. 7% ,
灌丛占 37. 2% . 按照片状防护林覆被率统计,三北
地区总的片状防护林覆被率为 8. 2% .其中,华北区
最高,为 32. 0% ,东北区其次,为 19. 9% ,蒙新区最
少,仅有 3. 3% .
3摇 讨摇 摇 论
本研究采用 Landsat TM 遥感监测和校正方法,
估算了三北防护林体系建设区片状防护林面积. 解
译结果通过 20038 个 GPS 实地调查点和 Google
Earth验证,准确率在 95%以上,充分说明了通过人
机交互目视解译方法获取防护林基础数据的准确
性.本研究为了消除影像 Landsat TM 分辨率对精确
估算防护林面积带来的误差,利用随机取样原理建
立校正关系,从而更准确地估算了三北防护林面积.
在建立校正转换关系的过程中,由于三北地区自然
环境复杂,不能进行简单的统一处理,而影响三北地
区防护林的关键因素是降水,因此,采用了降水气候
分区处理方法.结果表明,随着降水量的增加,不同
分区的校正系数(校正公式的斜率)呈现减小趋势,
为低降水气候区>中降水气候区>高降水气候区;校
正公式的决定系数(R2)呈现升高趋势,为低降水气
候区<中降水气候区<高降水气候区<华北高降水气
候区.这说明在三北地区的低降水气候区,由于降水
量不足,环境脆弱,片状防护林面积呈较小斑块状分
布,造成 Landsat影像提取防护林信息困难,同时也
说明蒙新区和黄土高原的西北部不适宜大规模发展
片状林(面积逸32400 m2);而高降水气候区由于降
水量较多,生存环境稳定,防护林的面积呈较大的斑
块状分布,因此 Landsat TM和 SPOT5 影像在防护林
信息提取时相似系数接近 1. 华北高降水气候区的
校正系数<1,主要原因是:Landsat TM 影像分辨率
为 30 m,提取的最小图斑为 6 伊 6 个像元 (32400
m2);SPOT影像分辨率为 2. 5 m,提取的最小图斑为
8伊8 个像元(400 m2),Landsat TM解译防护林时,会
将面积 400 ~ 32400 m2的林间空地误认为防护林,
造成基于 Landsat TM 解译的防护林高估,系数为
0郾 9514.
在三北防护林面积估算过程中也存在一些不确
定性,主要表现在两个方面:第一,由于 SPOT5 的空
间分辨率为 2. 5 m,仅提取大于成图的最小图斑为
SPOT5 影像 8伊8 个像元(20 m伊20 m = 400 m2),造
成面积<400 m2的片状防护林无法提取,而这部分
区域主要集中在三北地区的低降水气候区(蒙新
区).第二,在校正过程中,不同降水气候区的校正
关系式的 R2 值均达到了统计学意义,但与实际值还
存在一定的误差.为了验证本研究方法的准确性,利
用典型区 20%的随机样区进行了验证,结果发现,
低降水气候区的准确度在 72. 4% ,中降水气候区为
95. 2% ,高降水气候区为 85. 4% ,华北高降水气候
区为 91. 1% ,平均精确度达到 86. 0% . 三北防护林
数量的确定为防护林建设成效的研究提供了必要数
据,比如蒙新地区的荒漠化逆转问题,黄土高原的水
土流失减少,华北地区的水源涵养功能增强等[5] .
该方法为大尺度区域获取基础数据提供了一个成功
案例,也为开展三北防护林的深入研究奠定了基础.
致谢摇 参加本文 TM影像遥感解译的有:中国科学院沈阳应
用生态研究所朱教君研究员课题组、中国科学院寒区旱区环
境与工程研究所颜长珍研究员课题组、中国科学院东北地理
与农业生态研究所李颖研究员课题组、中国科学院遥感应用
研究所吴炳方研究员课题组的研究人员,特此致谢!
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作者简介摇 郑摇 晓,女,1982 年生,博士研究生.主要从事遥
感与生态相结合的森林生态、防护林工程研究. E鄄mail:
zhengxiao303@ 163. com
责任编辑摇 李凤琴
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