全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 11 期摇 摇 2012 年 6 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
黑龙江省大兴安岭林区火烧迹地森林更新及其影响因子 蔡文华,杨摇 健,刘志华,等 (3303)…………………
基于 B鄄IBI指数的温榆河生态健康评价 杨摇 柳,李泳慧,王俊才,等 (3313)……………………………………
川西亚高山暗针叶林不同恢复阶段红桦、岷江冷杉土壤种子损耗特征 马姜明,刘世荣,史作民,等 (3323)…
老龄阔叶红松林下层木空间分布的生境关联分析 丁胜建,张春雨,夏富才,等 (3334)…………………………
内蒙古高原荒漠区四种锦鸡儿属植物灌丛沙包形态和固沙能力比较 张媛媛,马成仓,韩摇 磊,等 (3343)……
角果藜的生长动态及其生殖配置 全杜娟,魏摇 岩,周晓青,等 (3352)……………………………………………
基于 MODIS / NDVI时间序列的森林灾害快速评估方法———以贵州省为例
侍摇 昊,王摇 笑,薛建辉,等 (3359)
……………………………………
……………………………………………………………………………
祁连山西水林区土壤阳离子交换量及盐基离子的剖面分布 姜摇 林,耿增超,李珊珊,等 (3368)………………
水分和温度对春玉米出苗速度和出苗率的影响 马树庆,王摇 琪,吕厚荃,等 (3378)……………………………
施氮对水稻土 N2O释放及反硝化功能基因(narG / nosZ)丰度的影响 郑摇 燕,侯海军,秦红灵,等 (3386)……
中国西北潜在蒸散时空演变特征及其定量化成因 曹摇 雯,申双和,段春锋 (3394)……………………………
基于植被降水利用效率和 NDVI的黄河上游地区生态退化研究 杜加强,舒俭民,张林波 (3404)……………
异速生长法计算秋茄红树林生物量 金摇 川,王金旺,郑摇 坚,等 (3414)…………………………………………
乌兰布和沙漠沙蒿与油蒿群落的物种组成与数量特征 马全林,郑庆中,贾举杰,等 (3423)……………………
不同光强下单叶蔓荆的光合蒸腾与离子累积的关系 张摇 萍,刘林德,柏新富,等 (3432)………………………
浑善达克沙地沙地榆种子雨的扩散规律 谷摇 伟,岳永杰,李钢铁,等 (3440)……………………………………
咸水灌溉对沙土土壤盐分和胡杨生理生长的影响 何新林,陈书飞,王振华,等 (3449)…………………………
外源 NO对 NaHCO3 胁迫下黑麦草幼苗光合生理响应的调节 刘建新,王金成,王摇 鑫,等 (3460)……………
呼伦贝尔草地植物群落与土壤化学计量学特征沿经度梯度变化 丁小慧,罗淑政,刘金巍,等 (3467)…………
海南稻田土壤硒与重金属的含量、分布及其安全性 耿建梅,王文斌,温翠萍等 (3477)…………………………
江苏省典型区农田土壤及小麦中重金属含量与评价 陈京都,戴其根,许学宏,等 (3487)………………………
应用稳定同位素研究广西东方洞食物网结构和营养级关系 黎道洪,苏晓梅 (3497)……………………………
利用细胞计数手段和 DGGE技术分析松花江干流部分地区的细菌种群多样性
屠摇 腾,李摇 蕾,毛冠男,等 (3505)
………………………………
……………………………………………………………………………
中国主要入海河流河口集水区划分与分类 黄金良,李青生,黄摇 玲,等 (3516)…………………………………
基于 VGPM模型和 MODIS数据估算梅梁湾浮游植物初级生产力 殷摇 燕,张运林,时志强,等 (3528)………
低温胁迫下虎纹蛙的生存力及免疫和抗氧化能力 王摇 娜,邵摇 晨,颉志刚,等 (3538)…………………………
转 Bt水稻土壤跳虫群落组成及其数量变化 祝向钰,李志毅,常摇 亮,等 (3546)………………………………
尼日利亚非洲蜂和安徽意大利蜜蜂及其杂交二代形态特征与微卫星 DNA遗传多样性
余林生,解文飞,巫厚长,等 (3555)
………………………
……………………………………………………………………………
北京城市公园湿地休憩功能的利用及其社会人口学因素 李摇 芬,孙然好,陈利顶 (3565)……………………
基于协整理论的经济增长与生态环境变化关系分析———以重庆市渝东南地区为例
肖摇 强,胡摇 聃,肖摇 洋,等 (3577)
……………………………
……………………………………………………………………………
感潮河网区环境合作博弈模型及实证 刘红刚,陈新庚,彭晓春 (3586)…………………………………………
专论与综述
国内外生态效率核算方法及其应用研究述评 尹摇 科,王如松,周传斌,等 (3595)………………………………
全球变化背景下的现代生态学———第六届现代生态学讲座纪要 温摇 腾,徐德琳,徐摇 驰,等 (3606)…………
问题讨论
流域环境要素空间尺度特征及其与水生态分区尺度的关系———以辽河流域为例
刘星才,徐宗学,张淑荣,等 (3613)
………………………………
……………………………………………………………………………
研究简报
不同光照强度对兴安落叶松几种主要防御蛋白活力的影响 鲁艺芳,石摇 蕾,严善春 (3621)…………………
木荷种源间光合作用参数分析 熊彩云,曾摇 伟,肖复明,等 (3628)………………………………………………
基于能值分析的深圳市三个小型农业生态经济系统研究 杨卓翔,高摇 阳,赵志强,等 (3635)…………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*342*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*37*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄06
封面图说: 爬升樟木沟的暖湿气流———樟木沟是中国境内横切喜马拉雅山脉南坡的几条著名大沟之一,它位于我国西藏聂拉
木县境内的希夏邦马峰东南侧,延绵 5400km的 318 国道在此沟中到达其最西头。 从聂拉木县城到樟木口岸短短的
30km中,海拔从 4000m急降至 2000m。 在大气环流作用下,来自印度洋的暖湿气流沿樟木沟不断费力地往上爬升,
给该沟谷留下了大量的降水。 尤其是在雨季到来时,山间到处是流水及悬垂崖头的瀑布,翠峰直插云霄,森林茂密
苍郁,溪流碧澄清澈,奇花异葩繁多,风景美如画卷,气势壮丽非凡。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 11 期
2012 年 6 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 11
Jun. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:林业公益性行业科研专项 (201104002);国家科技支撑计划课题(2011BAD38B404)
收稿日期:2011鄄05鄄17; 摇 摇 修订日期:2011鄄09鄄19
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: jhxue@ njfu. edu. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201105170644
侍昊,王笑, 薛建辉,李杨, 徐雁南, 吴永波.基于 MODIS / NDVI时间序列的森林灾害快速评估方法———以贵州省为例.生态学报,2012,32(11):
3359鄄3367.
Shi H, Wang X, Xue J H, Li Y, Xu Y N, Wu Y B. A rapid assessment method for forest disaster based on MODIS / NDVI time series: a case study from
Guizhou province. Acta Ecologica Sinica,2012,32(11):3359鄄3367.
基于 MODIS / NDVI时间序列的森林灾害快速评估方法
———以贵州省为例
侍摇 昊1,王摇 笑2, 薛建辉1,*,李摇 杨3, 徐雁南1, 吴永波1
(1. 南京林业大学江苏省林业生态工程重点实验室, 南京摇 210037; 2. 贵州省林业厅,贵阳摇 550001;
3. 南京师范大学地理科学学院,南京摇 210046)
摘要:以 2005—2008 年中分辨率成像光谱仪(MODIS)的归一化植被指数(NDVI)数据集为主要数据源构建研究区时间序列,结
合统计学分析方法设计一套快速有效的森林灾害评估体系,用以探测森林资源损失的空间分布范围与灾害等级,并利用森林资
源雪凝灾害损失的实际调查数据对评估结果进行一致性检验。 结果表明:通过计算 2005—2007 年研究区所有森林像元的平均
值 軈R2005-2007和平均绝对偏差 啄all,确定森林灾害阈值 DT为 0. 048;利用该阈值,获取 2008 年受灾较重的森林空间分布,主要密集
分布在贵州省东南部和东北部,包括了黔南自治州、黔东南自治州和铜仁市等地区;受灾森林像元数占总森林像元数的
28郾 6% ,高于凝冻灾害森林资源损失实际调查结果(17. 7% );在县域尺度上,根据 MODIS / NDVI关键期影像获取的森林资源损
失区域和灾害等级,确定德江、沿河和都匀等 11 个重度受灾县(市、区)和湄潭、榕江和桐梓等 10 个中度受灾县(市、区),与小
班调查结果具有较高的一致性,其 Kappa系数为 0. 86。 方法为大区域尺度的森林灾害快速评估提供了一种新思路。
关键词:雪灾; MODIS / NDVI; 时间序列; 灾害阈值; 一致性检验
A rapid assessment method for forest disaster based on MODIS / NDVI time
series: a case study from Guizhou Province
SHI Hao1, WANG Xiao2, XUE Jianhui1,*, LI Yang3, XU Yannan1, WU Yongbo1
1 Jiangsu Key Laboratory of Forestry Ecological Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China
2 Forestry Department of Guizhou Province, Guiyang, 550001, China
3 School of Geography Science, Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China
Abstract: Snow disasters are one of the major natural disturbances to forest ecosystems in China. The increased frequency
and severity of forest disturbances in recent years requires rapid and accurate regional forest damage assessment to support
post鄄disturbance forest management, hazardous fuel management, post鄄hazard relief activities, and government
compensation claims.
Interpretation of MODIS / NDVIs to construct Guizhou Province忆s remote sensing images time series between 2005 and
2008 was involved in this analysis. Specifically, the mean value of usefulness index was applied to identify key MODIS /
NDVI images and the Savitzky鄄Golay filter was used to reconstruct key images first. Then, the ratio of forest pixels NDVI
value (R2005—2007) was computed before and after the corresponding period of snow disaster in 2008, the respective mean and
mean absolute of R2005—2007 were derived to determine undisturbed forest pixels and forest damage threshold ( DT).
Ultimately, with the support of remote sensing and geographical information system, disaster areas and damage ranks were
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identified by using this method. Light, moderate and severe damage were classified in the light of the R2007-2008 of forest
damage pixels at county level. Further, in conjunction with field surveys of forest resources implemented by the Department
of Forestry of Guizhou Province, the consistency between our derivations and field surveys was assessed.
The preliminary results were as follows: (1) With the aid of usefulness index, MODIS / NDVI products captured on
September 30(September 30 2005, September 30 2006 and September 30 2007) and May 9(May 9 2006, May 9 2007 and
May 9 2008) were respectively chosen as key images corresponding to the period of the snow disasters, which had the lower
mean value of usefulness index (2. 06 and 2. 41, respectively) form 2005 to 2008. After reconstructing the chosen MODIS /
NDVI products using the Savitzky鄄Golay filter at the specified parameters ( No. of the envelope iterations:3, adaption
strength:2 and the window size:5), the mean NDVI value of six key images increased by about 0. 04. (2) Based on
statistical analysis, the 軈R2005—2007 and 啄all(damage threshold)were estimated at 0. 044 and 0. 048 respectively without large鄄
scale natural disturbance observed during September 30 and May 9, but there was distinct shift amplitude(0. 041) between
滋2005—2007 and 滋2007-2008 after snow disasters. According to forest damage threshold, damaged pixels accounted for 28. 6% of
the total forest pixels, which was above the result based on subcompartment investigation (17. 7% ). (3 ) The snow
disasters in the southeast and northeast Guizhou Province were the worst, containing Autonomous Prefectures of South
Guizhou Province, Autonomous Prefectures of Southeast Guizhou Province, Tongren City, etc. And then, in terms of
different damage levels, 11 Severe damage counties ( Dejiang, Yanhe, Duyun, etc) and 10 moderate damage counties
(Meitan, Rongjiang, Tongzi, etc) were determined at county level. The derived forest damage maps due to disasters from
the current methods were in consistency with field surveys in some extent, with a kappa coefficient of 0. 86(above 0. 75)
derived from a statistical test.
The adopted analytical flow for assessing forest losses due to snow disasters in Guizhou Province was based on remote
sensing and geographical information systems operations. This method also provides a new idea for quick assessment on
forest disasters at a regional scale, without relying on ground inventory or sampling.
Key Words: snow disaster; MODIS / NDVI; time series; damage threshold; consistency check
雪灾是影响森林生态系统结构与功能的重要非生物干扰因子之一[1],长时间的冰雪灾害直接损害森林
植物,改变森林生态系统的结构组成,降低森林生态系统的功能与效益,影响森林生态系统的演替方向并危及
森林生态系统的稳定性与健康[2]。 2008 年初,我国遭遇 50 年一遇的持续冰冻雨雪灾害天气,造成南方多省
的森林资源损失严重。 许多学者利用遥感和地理信息系统等技术,开展了灾害范围确定,灾害等级划分和相
关灾害评估体系建立等研究,为灾后森林生态系统的恢复与重建提供科学依据[3鄄9]。 但上述这些研究在对森
林雪灾进行评估时,往往以降雪开始到积雪消融作为研究的时间段,忽略了灾后的次生灾害影响;评估灾害依
赖的辅助资料过多,缺少一个快速可靠的评估指标和方法,直接影响到评估效率和可行性;同时,采用中低分
辨率影像进行省级范围森林雪灾损失评估时,缺少区域尺度的检验方法或者检验方法过于简单。
针对这些问题,本文首先建立贵州省 2005—2008 年的MODIS / NDVI时间序列,并基于数据集的可用性指
数和 S鄄G(Savitzky鄄Golay)滤波方法重构关键期影像;然后利用不同年份同时段的森林像元 NDVI 值变化率探
测森林毁坏区域,结合统计学方法确定森林灾害阈值,对研究区森林损失面积与等级进行快速划分与评估;最
后根据贵州省凝冻灾害森林资源损失的小班调查数据对研究结果进行一致性检验。
1摇 研究区与数据准备
1. 1摇 研究区概况
贵州省介于东经 103毅36忆—109毅35忆、北纬 24毅37忆—29毅13忆之间,总面积为 17616770 hm2,其中林地面积
8771550 hm2,占国土总面积的 49. 79% ,森林面积为 7033936 hm2,森林覆盖率达到 39. 93% ,主要分布在黔东
南及北部的遵义地区,西北部和中部地区森林分布较少[10鄄11]。 2008 年初,贵州省遭遇了有气象记录以来最为
0633 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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严重的雪凝灾害,致使森林出现大面积的死亡,根据各地(州、市)初步调查结果,确定黎平等 83 个县(市、区)
为本次灾害评估调查对象,对马尾松、杉木、针阔混和其他阔叶树等类型树种展开灾害调查。 根据调查结果汇
总统计,全省森林资源受灾面积为 (损失程度等级 “轻冶度以上) 1090026 hm2,占全省森林资源面积的
17. 7% [12]。
1. 2摇 数据准备
本文的主要采用 2005—2008 年低分辨率 MOD13Q1 植被指数科学数据集 (贵州省覆盖景为
h27v06郾 005),数据空间分辨率为 250 m,时间分辨率为 16 d,共计 92 期。 该数据包括归一化植被指数
(NDVI)和植被指数质量标记(Quality Assessment,QA),QA 产品是关于 MOD13Q1 植被指数科学数据质量信
息的综合评价资料,该资料在像元尺度对植被指数进行质量评价[13]。
辅助数据主要包括了 2006 年研究区 MCD12Q1 数据和 2008 年贵州省凝冻灾害森林资源损失调查数据。
MCD12Q1 数据空间分辨率为 500 m,时间分辨率为 1y(http: / / modis. gsfc. nasa. gov / ),该产品按照国际地圈生
物圈计划(IGBP)分类标准,将研究区分为 17 个土地类型[14]。 本文所研究的森林区域主要由常绿针叶林、常
绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林和多树地区这 6 个类型组成(图 1),在该区域内的像元点统称为
森林像元。 而森林灾害资源损失调查工作由贵州省林业厅组织,共清查 83 调查单位,抽取 24914 个小班,其
中林分小班 17231 个。 为了和地面小班调查范围保持一致,MODIS影像数据将不包括罗甸等 5 个县(市),具
体范围如图 1 红框所示。
图 1摇 2006 年贵州省森林资源空间分布
Fig. 1摇 2006 Forest resources map in Guizhou Province
2摇 研究方法
2. 1摇 MODIS / NDVI时间序列重构方法
摇 摇 根据 MOD13Q1 植被指数科学数据集中 QA 产品的可用性指数规则,可用性指数共分 16 个等级,其中像
1633摇 11 期 摇 摇 摇 侍昊摇 等:基于 MODIS / NDVI时间序列的森林灾害快速评估方法———以贵州省为例 摇
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元可用性指数值越低,表明该像元的质量越可靠[13]。 利用 LDOPE 质量分解工具从 MOD13Q1 得到 QA 质量
评价波段,建立 2005—2008 年贵州省森林的 NDVI时间序列和分解其对应 QA 值。 从分解得到的 QA波段中
获取植被指数的“可用性指数冶。 计算每期 MODIS / NDVI影像对应的可用性均值;每期可用性均值越低,表明
整幅影像的整体可靠性越高,以此来获取较为可靠的影像数据。
但 MODIS / NDVI初始数据由于受气溶胶、冰雪、太阳光照角度及传感器观测视角等因素的影响,仍存在
一定的噪声,有必要对其进行重建[15鄄16],而 Savitzky鄄Golay(S鄄G)滤波在植被类型提取时表现出色,能够较好的
平滑 VI曲线,具有反映植被变化趋势等优点[17鄄19]。 因此,本研究首先利用 STL鄄decomposition 方法剔除原始
NDVI时间序列的离异值,然后选择用 S鄄G滤波方法对剔除变异值后完整 NDVI时间序列进行重建[20鄄21],进一
步减少其他因素对影像质量的干扰。
2. 2摇 建立森林灾害评估指标和评估方法
雪凝灾害会造成一段时间森林资源出现大面积的冻死、腰折、断稍等现象,导致灾前与灾后森林像元的
NDVI变化率与往年同时期相比会发生明显的改变,将每个森林像元 NDVI 值的变化率作为探测森林灾害的
指标,记作 R,计算公式如下:
R=
NDVIpre-NDVIpost
NDVIpre
(1)
式中,NDVIpre 表示灾害前某个森林像元的 NDVI 值, NDVIpost 表示灾后对应位置森林像元 NDVI 值。 考虑到
雪灾对森林灾害的后续影响和影像的质量,在 NDVIpre 和 NDVIpost 关键期选择上,需要满足两点:(1)选择
NDVI可用性均值较低影像数据,(2)两期影像获取时间处于每年森林的生长期。
在大区域尺度上,2005—2007 年间研究区没有出现大规模森林灾害,将任一森林像元在某个时间段
NDVI 变化率记作 R2005—200 6 或 R2006—2007,同时 R2005—200 6 或 R2006—2007 也可以表示为 軈R2005—2007 依啄 ,其中, 軈R2005—2007
和 啄分别为 2005—2007 年每个森林像元的 NDVI变化率平均值和平均绝对偏差,由于平均绝对偏差对异常值
有更大的包容性,因而采用平均绝对偏差来代替标准差[22]。 计算研究区所有森林像元的 R2005—2007,变化范围
可以表示为 軈Rall依啄all,认为森林像元变化率在[-啄all,+啄all]范围内是属于正常波动,将 啄all 设定的森林灾害阈值
(Damage Threshold, DT)。 当发生森林灾害时,将森林像元的 NDVI 变化率记作 R2007—2008,将任一森林像元的
R2007—2008 - R
-
2005—2007 值记作 R2007—2008 忆,如果 R2007—2008 忆大于 啄all,则认为该像元受到了灾害的影响。 同时对不同
年份灾害时间段的 RNDVI 均值( R
—
)、中心点偏移(Shift Amplitude)、四分位数距离 IQR(Interquartile of Range)
和受到破坏的森林像元百分比等统计量进行计算[23]。
2. 3摇 空间分布一致性检验
在贵州省第 3 次森林资源规划设计调查成果等资料的基础上,根据地类、树种、龄组等因子确定调查类
型,按照类型抽取调查小(细)班进行灾害调查,通过损失株数或蓄积比例确定林木损失程度等级,具体等级
划分见参考文献[24]。 根据调查报告,2008 年初森林资源
受灾面积共 1090026 hm2,占全省森林面积资源面积的 17. 7% ,其中,重度、中度和轻度受灾面积分别占
总受灾面积的 17. 6% 、19. 2%和 63. 2% [12]。 按照上述灾害比例,将利用 MODIS / NDVI 数据确定的受灾森林
像元,按照 R2007—2008 忆值从高到低划分为重、中和轻度受灾像元,计算每个县内受灾像元的百分比,计算公式
如下:
Y1 =
移
m
i = 1
X i
m
(2)
X i =
1:如果受灾像元属于重度受灾
0:
æ
è
ç
ö
ø
÷
如果受灾像元不属于重度受灾
2633 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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Y2 =
移
m
j = 1
X j
m
(3)
X j =
1:如果受灾像元属于中度受灾
0:
æ
è
ç
ö
ø
÷
如果受灾像元不属于中度受灾
式中,Y1、Y2 分别表示每个县重度受灾和中度受灾的百分比,m表示每个县森林受灾像元的总数。
按照 Y1 大小排列,确定百分比较大的 11 个重度灾害县;然后按照 Y2 大小排列,确定百分比较大的 10 个
中度灾害县,根据排列结果,制作贵州省县域尺度森林灾害等级分布图;同时利用 Kappa系数检验其结果与基
于小班调查的结果是否具有空间分布一致性。 如果两种方法结果完全一样,则 Kappa = 1,通常,当 Kappa
逸0郾 75 时,两种方法获得的结果一致性较高,变化小;当 0. 4臆Kappa臆0. 75 时,一致性一般,变化明显,当
Kappa臆0. 4 时,一致性较差,变化较大[25]。
3摇 结果与分析
3. 1摇 MODSI影像时间序列分析与关键期影像的重建
经过反复试验与调整,最终确定 S鄄G滤波的迭代次数为 3、上包络线拟合强度为 2 和窗口大小为 5。 图 2
为某一没有受到灾害影响森林像元点经过 SG滤波的结果,虚线为原始 NDVI 曲线,实线为 SG滤波后平滑曲
线,通过 S鄄G滤波可以有效的去除噪声等因素的干扰。
此次南方降雪集中发生在 2008 年 1 月 10 日到 2 月 2 日之间,该时间段对应 MODIS 期数为
20080117NDVI。 计算 2005—2008 年 92 期 MODIS 影像的可用性指数均值,最终确定灾前影像 0930 期
(20050930、20060930 和 20070930),灾后影像时间为 0509 期(20060509、20070509 和 20080509),两个时期影
像的可用性指数年均值较低(分别为 2. 06 和 2. 41),同时该时间段处于森林的生长季。 根据 S鄄G滤波后的时
间序列,对 20050930、20060509 和 20060930 等 6 期 NDVI 影像进行重建,重建后的研究区森林像元的 NDVI
均值有明显的升高。 如图 3 所示,6 期影像进行重建后的 NDVI 的均值升高幅度相近(升高幅度约 0. 04),表
明重构后影像的整体效果比较理想,影像中并没有出现较大面积坏值或离异值。
图 2摇 单一森林像元 S鄄G滤波结果
Fig. 2摇 The S鄄G filtering result of a single forest pixel
图 3摇 重构前后 NDVI均值对比
摇 Fig. 3摇 Comparison of the mean values of NDVI before and after
reconstruction
3. 2摇 灾害阈值确定与灾害等级空间分布
根据 2. 2 所述的灾害评估指标与方法,NDVIpre 和 NDVIpos t 确定 9 月 30 日和 5 月 9 日这个时间段(例如,
2005—2006 年的 NDVIpre 和 NDVIpos 分别为 NDVI20050930 和 NDVI20060509 ),计算 2005—2006、2006—2007 和
2007—2008 年 3 个不同时期同时间段的森林像元 R 值,共有统计分析 100 多万个森林像元点,由于 2005—
3633摇 11 期 摇 摇 摇 侍昊摇 等:基于 MODIS / NDVI时间序列的森林灾害快速评估方法———以贵州省为例 摇
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2006 和 2006—2007 年的森林像元 R值变化大致相同,为了更直观的显示数据变化,所以对这两期数据 R 做
均值处理,记作 R2005—2007,同时对森林像元的 R2005—2007 和 R2007—2008 的统计采用直方图的形式替代传统的饼图。
统计结果如图 4 和表 1 所示,R2005—2007 和 R2007—2008 的直方图都成近似的钟型分布,两组数据的分布主要
集中在(-0. 2,0. 4)之间,占总像元数的 99. 5% 。 图 4 红线代表 2005—2007 年研究区内森林没有发生大规模
干扰的 R2005—2007 直方图分布,其中心位置 滋2005—2007 为 0. 044,黑线代表 2007—2008 年研究区内森林受到雪灾
破坏后 R2007—2008 分布情况,其中心点 滋2007—2008 为 0. 085,研究区森林 R 在发生雪灾之后整体产生了 0. 041 的
振幅偏移; R2007—2008 直方图形状比 R2005—2007 更扁,顶点高度远低于 R2005—2007 的最大值,表明 R2007—2008 在不同变
化区间内的数量与 R2005—2007 相比,在受到雪灾干扰后,R 值变化率越高,像元数量增加越明显,直到两者趋近
相同;同时 R值的四分位数间距(IQR)比灾害前增加了 0. 011,表明受灾后 R2007—2008 等级差异更加明显。
图 4摇 森林像元 R直方图
Fig. 4摇 The R histogram of forest pixels
图 5摇 森林像元 R2007—2008 忆累积百分比
Fig. 5摇 The accumulative percentage for R2007—2008 忆of forest pixels
表 1摇 相关统计变量列表
Table 1摇 List of statistical variables
统计变量
Statistical variables
2005—2007 年归一化植被指数变化率
R2005—2007
2007—2008 年归一化植被指数变化率
R2007—2008
像元在(-0. 2, 0. 4)区间百分比%Pixels within (-0. 2, 0. 4) 99. 5 99. 5
中心点 滋 0. 044 0. 085
四分位数间距 IQR 0. 119 0. 130
振幅偏移 Shift amplitude 0. 041
灾害阈值 Damage threshold 0. 048
灾害像元百分比%Damaged pixels 28. 6
计算 R2005—2007 的平均绝对偏差为 啄all 为 0. 048,将其设定为森林灾害的阈值,计算 2007—2008 年任意森
林像元 R2007—2008 忆值,若该值大于 啄all,则认定其为受灾像元。 统计结果如图 5 和表 1 所示,R2007—2008 忆分布区间
为[-0. 25, 0. 35],其中超过灾害阈值的森林像元共 287876 个,占森林总像元数的 28. 6% ,受灾区间为
[0郾 048, 0. 035]。 为了清晰表述受灾森林的空间格局分布和等级分布状况,将受灾森林像元的 R2007—2008 忆值归
一化到[0, 1]的区间范围,按照 0. 1 的等级间隔,共分为 10 个等级,将其统计结果显示到空间布局上(图 6),
研究区森林受灾较严重的区域主要分布在贵州省东南部和东北部,受灾较重的地区主要包括铜川市、黔东南
自治州和黔西南自治州等。
3. 3摇 空间分布一致性分析
利用遥感数据获取的森林资源受灾区域在市域层面上与调查评估报告结果基本一致,但由于 MODIS /
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图 6摇 森林灾害等级空间分布
Fig. 6摇 Spatial distribution of forest damage levels
NDVI影像混合像元的影像以及两种方法调查尺度差异,基于 MODIS / NDVI 计算所获得的森林灾害面积占总
森林面积 28. 6% ,高于地面小班调查的 17. 7%的森林受灾比例。
根据贵州省森林资源损失小班调查结果,共有德江、沿河和都匀等 11 个重度受灾县,湄潭、瓮安和榕江等
10 个中度受灾县(图 7a)。 将归一化后 R2007—2008 忆划分为[0, 0. 145 ﹚、[0. 145, 0. 259 ﹚和[0. 259, 1]3 个等
级区间,分别占总受灾像元的 63. 2% 、中度 19. 2%和 17. 6% 。,按照公式(2)(3),计算每个县(市、区)内各个
等级的森林像元占每个县(市、区)受灾总面积的百分比。 按照 Y1 的大小,排列了德江、沿河和都匀等 11 个县
(市、区)为重度受灾,根据 Y2 的大小,湄潭、榕江和桐梓等 10 个县(市、区)确定为中度受灾(图 7(b))。
利用 Kappa系数检验两种方法的结果图的相似度,其 Kappa 系数为 0. 86( >0. 75),具有较高的一致性。
如图 7 所示,基于MODIS数据统计 11 个重度受灾县(市、区)和 10 个中度受灾县(市、区)中,分别有 9 个重度
受灾县(市、区)和 6 个重度受灾县(市、区)与贵州省森林资源损失调查结果一致;而造成 Kappa 系数降低主
要是因为基于 MODIS / NDVI的分析结果将瓮安等县划分为重度受灾,赤水县等划分为中度受灾,而光明区等
划分为中度受灾所造成。 通过对比分析,在统计的 21 个中度以上的受灾县(市、区)中,有 20 个与地面小班
调查结果一致。 森林资源面积越大,灾害损失越严重,该方法探测灾害信息的能力越强,如森林受灾面积过少
时,MODIS / NDVI数据探测能力较差,造成获取结果偏低;而森林受灾面积过大时,该方法对灾害信息的敏感
度较高,尤其是针对大片的森林区域,会造成森林像元的 R2007—200 8 忆升高,所获取的灾害等级偏高;同时由于森
林灾害的分布具有一定的连续性,用县域边界来划分也会造成结果的偏差,施秉和瓮安县(由小班调查的中
度上升为重度受灾)紧邻受灾严重的黄平县,并且这两个县的重度灾害森林像元主要分布在和黄平县接壤的
边缘地带。 因此,在展开实地调查之前,运用 MODIS / NDVI 对研究区进行快速评估时,这些问题都是需要重
点考虑,还需要借助中高分辨率影像和地面调查数据进一步分析验证。
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图 7摇 基于小班调查(a)和MODIS / NDVI的(b)县域尺度森林灾害等级空间分布
Fig. 7摇 Spatial distribution of forest damage levels at county level based on subcompartment investigation(a) and MODIS / NDVI(b)
4摇 结语
本文在构建 2005—2008 年研究区 NDVI时间序列数据集的基础上,利用 S鄄G 滤波和可用性指数重构关
键期影像;结合统计学方法,对 2008 年研究区内受到雪灾破坏的森林区域和受灾等级进行快速评估;通过检
验,其评估结果与地面调查结果具有较高的一致性。 这表明该方法用于大面积森林灾害的快速评估和灾害空
间模拟制图是可行的,也证明了 250m空间分辨率的 MODIS / NDVI数据在森林灾后评估上的优势和潜力。 虽
然采用中低分辨率数据可以快速划分灾害区域,减少相应的实地调查的工作量,但在小区域灾害面积与灾害
等级的确定上,预测效果较差,因此实地对树木的毁坏情况进行调查和统计是必不可少的;另外,实地调查中
还需要对毁坏树木的树种、胸径、蓄积量和碳损失等指标进行分析整理,改进探测森林灾害指标体系,提高森
林灾害评估方法的精度将是今后研究工作的重要方面之一。
致谢:南京林业大学李明诗副教授对本文写作给予帮助,特此致谢。
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7633摇 11 期 摇 摇 摇 侍昊摇 等:基于 MODIS / NDVI时间序列的森林灾害快速评估方法———以贵州省为例 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 11 June,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Controls of post鄄fire tree recruitment in Great Xing忆an Mountains in Heilongjiang Province
CAI Wenhua, YANG Jian, LIU Zhihua, et al (3303)
……………………………………………
………………………………………………………………………………
The assessment of river health using Benthic鄄Index of biotic integrity for Wenyu River
YANG Liu,LI Yonghui, WANG Juncai, et al (3313)
…………………………………………………
………………………………………………………………………………
Consume of soil seeds of Betula albo鄄sinensis and Abies faxoniana in different natural successional stages of subalpine dark
coniferous forest in western Sichuan, China MA Jiangming, LIU Shirong, SHI Zuomin, et al (3323)……………………………
Habitat associations of understorey species spatial distribution in old growth broad鄄leaved Korean pine (Pinus koraiensis) forest
DING Shengjian, ZHANG Chunyu, XIA Fucai, et al (3334)
……
………………………………………………………………………
Nabkha morphology and sand鄄fixing capability of four dominant Caragana species in the desert region of the Inner Mongolia
Plateau ZHANG Yuanyuan, MA Chengcang, HAN Lei, et al (3343)……………………………………………………………
Growth dynamics,biomass allocation and ecological adaptation in Ceratocarpus arenarius L.
QUAN Dujuan, WEI Yan, ZHOU Xiaoqing, et al (3352)
……………………………………………
…………………………………………………………………………
A rapid assessment method for forest disaster based on MODIS / NDVI time series: a case study from Guizhou Province
SHI Hao, WANG Xiao, XUE Jianhui, et al (3359)
……………
………………………………………………………………………………
Soil cation exchange capacity and exchangeable base cation content in the profiles of four typical soils in the Xi鄄Shui Forest Zone
of the Qilian Mountains JIANG Lin, GENG Zengchao, LI Shanshan, et al (3368)………………………………………………
Impact of water and temperature on spring maize emergence speed and emergence rate
MA Shuqing, WANG Qi, L譈 Houquan, et al (3378)
………………………………………………
………………………………………………………………………………
Effect of N application on the abundance of denitrifying genes (narG / nosZ) and N2O emission in paddy soil
ZHENG Yan, HOU Haijun, QIN Hongling, et al (3386)
………………………
…………………………………………………………………………
Temporal鄄spatial variations of potential evapotranspiration and quantification of the causes in Northwest China
CAO Wen, SHEN Shuanghe, DUAN Chunfeng (3394)
………………………
……………………………………………………………………………
Analysis of ecosystem degradation and recovery using precipitation use efficiency and NDVI in the headwater catchment of the
Yellow River basin DU Jiaqiang, SHU Jianmin,ZHANG Linbo (3404)……………………………………………………………
An assessment method of Kandelia obovata population biomass JIN Chuan, WANG Jinwang, ZHENG Jian, et al (3414)……………
Quantitative characteristics and species composition of Artemisia sphaerocephala and A. ordosica communities in the Ulanbuh Desert
MA Quanlin,ZHENG Qingzhong,JIA Jujie,et al (3423)
…
……………………………………………………………………………
Photosynthesis and transpiration in relation to ion accumulation in Vitex trifolia under varied light intensity
ZHANG Ping,LIU Linde, BAI Xinfu, et al (3432)
…………………………
…………………………………………………………………………………
Diffusion of elm seed rain in Otindag Sand Land GU Wei,YUE Yongjie,LI Gangtie,et al (3440)……………………………………
Effect of saline water irrigation on sand soil salt and the physiology and growth of Populus euphratica Oliv.
HE Xinlin, CHEN Shufei, WANG Zhenhua, et al (3449)
……………………………
…………………………………………………………………………
Regulation of exogenous nitric oxide on photosynthetic physiological response of Lolium perenne seedlings under NaHCO3 Stress
LIU Jianxin, WANG Jincheng, WANG Xin, et al (3460)
……
…………………………………………………………………………
Longitude gradient changes on plant community and soil stoichiometry characteristics of grassland in Hulunbeir
DING Xiaohui,LUO Shuzheng, LIU Jinwei,et al (3467)
………………………
……………………………………………………………………………
Concentrations and distributions of selenium and heavy metals in Hainan paddy soil and assessment of ecological security
GENG Jianmei,WANG Wenbin,WEN Cuiping,et al (3477)
……………
………………………………………………………………………
Heavy metal contents and evaluation of farmland soil and wheat in typical area of Jiangsu Province
CHEN Jingdu, DAI Qigen, XU Xuehong, et al (3487)
……………………………………
……………………………………………………………………………
The studies on the food web structures and trophic relationships in Guangxi Dongfang Cave by means of stable carbon and nitro鄄
gen isotopes LI Daohong, SU Xiaomei (3497)……………………………………………………………………………………
Analysis of bacterial diversity in the Songhua River based on nested PCR and DGGE
TU Teng, LI Lei, MAO Guannan, et al (3505)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Preliminary delineation and classification of estuarine drainage areas for major coastal rivers in China
HUANG Jinliang, LI Qingsheng, HUANG Ling, et al (3516)
…………………………………
………………………………………………………………………
Estimation of spatial and seasonal changes in phytoplankton primary production in Meiliang Bay, Lake Taihu, based on the
Vertically Generalized Production Model and MODIS data YIN Yan, ZHANG Yunlin, SHI Zhiqiang, et al (3528)……………
Viability and changes of physiological functions in the tiger frog (Hoplobatrachus rugulosus) exposed to cold stress
WANG Na, SHAO Chen, XIE Zhigang, et al (3538)
…………………
………………………………………………………………………………
Community structure and abundance dynamics of soil collembolans in transgenic Bt rice paddyfields
ZHU Xiangyu, LI Zhiyi, CHANG Liang, et al (3546)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Morphological characteristics and microsatellite DNA genetic diversity of Nigeria African honey bee, Anhui Apis mellifera and
theirs hybrid generation域 YU Linsheng, XIE Wenfei, WU Houchang,et al (3555)………………………………………………
Effects of social鄄demographic factors on the recreational service of park wetlands in Beijing
LI Fen, SUN Ranhao, CHEN Liding (3565)
……………………………………………
………………………………………………………………………………………
Co鄄integration theory鄄based analysis on relationships between economic growth and eco鄄environmental changes: taking the south鄄
east district in Chongqing city as an example XIAO Qiang, HU Dan, XIAO Yang, et al (3577)………………………………
The cooperative environmental game model in the Tidal River Network Regions and its empirical research
LIU Honggang, CHEN Xingeng, PENG Xiaochun (3586)
……………………………
…………………………………………………………………………
Review and Monograph
Review of eco鄄efficiency accounting method and its applications YIN Ke, WANG Rusong, ZHOU Chuanbin, et al (3595)…………
Overview on the 6th international symposium on modern ecology series of 2011 WEN Teng, XU Delin, XU Chi, et al (3606)………
Discussion
Scale analysis of environmental factors and their relationship with the size of hierarchical aquatic ecoregion: a case study in the
Liao River basin LIU Xingcai, XU Zongxue, ZHANG Shurong, et al (3613)……………………………………………………
Scientific Note
Effects of different light intensities on activities of the primary defense proteins in needles of Larix gmelinii
LU Yifang, SHI Lei, YAN Shanchun (3621)
…………………………
………………………………………………………………………………………
An analysis of photosynthetic parameters among Schima superba provenances
XIONG Caiyun, ZENG Wei, XIAO Fuming, et al (3628)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Research on three small鄄scale agricultural ecological鄄economic systems in Shenzhen City based on emergy analysis
YANG Zhuoxiang, GAO Yang, ZHAO Zhiqiang, et al (3635)
…………………
……………………………………………………………………
《生态学报》2012 年征订启事
《生态学报》是中国生态学学会主办的自然科学高级学术期刊,创刊于 1981 年。 主要报道生态学研究原
始创新性科研成果,特别欢迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方
法、新技术介绍;新书评介和学术、科研动态及开放实验室介绍等。
《生态学报》为半月刊,大 16 开本,280 页,国内定价 70 元 /册,全年定价 1680 元。
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