全 文 ：第 26 卷第 9 期
2006 年 9 月
生 　　态 　　学 　　报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26 ,No. 9
Sep. ,2006
森林生态系统立地指数的遥感分析
马明东1 , 江　洪2 ,3 , 3 , 刘世荣4 ,朱春全5 ,刘跃建1 , 王金锡6
(11 四川农业大学 , 都江堰市　611830 ;21 南京大学国际地球系统科学研究所 , 南京市　210093 ;31 西南大学教育部三峡库区生态
环境重点实验室 ,重庆市　400715 ;41 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 , 北京　100091 ;
51 世界自然基金会中国分会 ,北京　100006 ;61 四川省林业科学研究院 ,成都市　610081)
基金项目 :四川省先导计划重点攻关资助项目 (03～06) ;科技部国家基础理论研究规划资助项目 (2002CB111504) ; 科技部国家基础理论研究规划
资助项目 (2001CB309401) ;国家林业局四川森林生态与资源环境实验室资助项目
收稿日期 :2006202224 ;修订日期 :2006207212
作者简介 :马明东 (1958～ )男 ,湖南常德人 ,副教授. 主要从事森林生态、森林经营研究. E2mail : mmingdong @scfc. edu3 通讯作者 Corresponding author. E-mail :jianghong @nju. edu. cn ; E2mail : liusr @forestry. ac. cn
Foundation item :The project was supported by Funding support partially from Sichuan province key project (No. 03206) ; The State Key Fundamental Science
Funds of China (No. 2002CB111504) and The information acquirement and fusion in complex environment (2001CB309401) , as well as Sichuan Forest Ecology
and Resources Lab. of State Bureau of Forestry
Received date :2006202224 ;Accepted date :2006207212
Biography :MA Ming2Dong , Associate Professor , mainly engaged in forest ecology and forest management . E2mail : mmingdong @scfc. edu
摘要 :森林生态系统立地指数分析和立地质量的评估是森林生态系统经营管理和造林营林的重要理论基础与规划方法 ,也是研
究森林生态系统生产力的重要内容。由于技术的限制 ,迄今为止 ,还没有实现森林生态系统立地空间分布格局的分析和开展立
地条件随时间动态变化的研究。卫星遥感为大面积研究森林生态系统的生产力及其空间分布格局和动态提供了一条重要的途
径。以云杉为对象 ,利用卫星遥感为研究手段 ,在岷江上游的四川西北部松潘镇江关流域研究森林生态系统立地指数的空间分
布特点 ,探索有关遥感反演模型的建立 ,并通过有关精度的评估分析这种高技术应用的价值和潜力。研究结果表明 ,遥感植被
指数 NDVI和 TNDVI与野外实测云杉立地指数 (SI)基本为线性相关。通过对模型模拟结果和实际测定结果的比较研究 ,发现在
1∶1 比例的分析图中 ,NDVI 和 TNDVI的遥感反演模型都有很好的拟合效果与较高的精度 ,说明通过遥感植被指数的方法测定
森林立地指数具有较高的实用价值。
关键词 :森林生态系统 ;云杉 ;立地指数 ;遥感植被指数 ;反演模型
文章编号 :100020933(2006) 0922810207 　中图分类号 :Q143 ,Q948 ,S71815 　文献标识码 :A
The preliminary analysis of forest ecosystem site index using remote sensed data
MA Ming2Dong1 , J IANG Hong2 ,3 , 3 , LIU Shi2Rong4 , ZHU Chun2Quan5 , LIU Yue2Jian1 , WANG Jin2Xi6 　( 11Sichuan
Agriculture University , Dujiangyan 611830 , China ;21 The International Institute of Earth System Science , Nanjing University , Nanjing 210093 , China ;31 The Key
Lab. of Three Gorges in Southwest University , Chongqing 400715 , China ;41 Chinese Academy of Forestry , Beijing 100091 , China ;51WWF of China , Beijing
100006 , China ;61Sichuan Academy of Forestry , Chengdu 610081 , China) . Acta Ecologica Sinica ,2006 ,26( 9) :2810～2816.
Abstract :The estimating of Site index and site quality are fundamental theory and basic tools in forest ecosystem management and
silviculture practice. The study on the spatial pattern and temporal dynamics of Site index and quality of forest ecosystem are still
lack as the limitation of technology. It is a new approach of forest productivity estimating in large area using satellite remote sensed
data. The Site index spatial distribution pattern of spruce ( Picea asperata) forest was descript through the remote sensing
vegetation index application and inverse models establishment in Northwest Sichuan Province , Songpan2Zhengjiangguan watershed ,
and evaluated the potential of methodology in broadly regions and forests through the accuracy assessment . The results show that
Site index of spruce forest is linear correlation with remote sensed vegetation indices (Normalized Difference Vegetation Index
(NDVI) and soil adjust NDVI (TNDVI) ) , as well as these inverse models with high accuracy. This study demonstrated that this
approach can be used in similar estimating of different forest ecosystems.
© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Key words :forest ecosystem; spruce ; Site index ; remote sensed vegetation index ; inverse model
　　立地 (Site) 是指森林生态系统中体现气候 ,地质 ,地貌 ,土壤 ,水文 ,植被和其它生物等自然环境因子的综
合作用 ,所形成的各种不同立地条件的宜林地段[1～4 ] 。森林生态系统生产力的等级通常用立地指数来表
示[5 ,6 ] 。由于森林生态系统立地指数和立地质量的评估是森林生态系统经营管理和营林与造林的重要理论基
础 ,上世纪以来 ,发展了法瑞学派 ,英美学派 ,芬兰学派 ,苏俄生物地理群落学派和德国巴登2符腾堡学派等多
种重要的学术思想[3 ,7 ,8 ] ,现在依然是现代森林生态系统经营管理的主要工具[9 ,10 ] 。随着现代数学方法和计算
技术的发展 ,利用定量化的方法进行森林生态系统立地分类成为主要的方向[11～13 ] ,其中立地指数表的编制是
一个主要的内容[4 ,6 ,9 ,14 ] 。在实际工作中由于利用定量化的方法进行森林生态系统立地分类还存在许多困
难[3 ,4 ,6 ] ,例如野外样点的采集和调查非常耗时和耗力 ,许多森林类型缺乏长期定位观测的样地资料 ,大部分结
果主要还是来源于以点为基础的小范围调查的工作 ,迄今为止 ,还没有实现点面结合、以及森林生态系统立地
空间分布格局的分析 ,和开展立地条件随时间动态变化的研究[6 ,9 ,15 ] 。
卫星遥感为大区域研究森林生态系统的生产力和年龄及其空间分布格局和动态提供了一条重要的途
径[16 ,17 ] 。从 20 世纪 70 年代以来 ,许多科学家一直致力于利用遥感的手段和数据研究植被的特征和变化 ,特
别是研究遥感植被指数与叶面积指数 ,植被覆盖率 ,生物量和光合有效辐射等的关系[17～20 ] 。从遥感角度解释
地表植被覆盖情况最有价值的是遥感植被指数[18 ] ,其中最常用的遥感植被指数是归一化植被指数
(NDVI) [20 ] 。20 世纪 80 年代以来 ,卫星资料在国内外宏观植被研究中已经得到广泛应用 , 例如利用 NDVI 研
究叶面积指数的空间分布及其变化[20～22 ] ,研究森林生态系统净初级生产力的空间分布等[17 ] 。利用各种典型
的遥感植被指数和立地指数的关系估计和分析森林生态系统的立地指数及其时空动态变化将帮助人们深入
认识和了解森林生态系统的生产力 ,对于制定合理的造林和经营管理措施具有十分重要的意义 ,但是由于理
论、技术和人力与物力的限制 ,该领域一直还是空白 ,没有任何报道。
云杉 ( Picea asperata)又名粗枝云杉 ,为我国特有树种。该树种分布的主要区域为四川岷江上游和大小金
川流域、陕西西南部、甘肃东部和白龙江流域、洮河流域 ,是长江上游重要的水源涵养林地区 ,是许多重要物种
如大熊猫等的主要栖息地。因为该树种喜光耐旱又耐寒 ,适应性强且材质优良 ,在我国西部高山林区的生产
经营中占有十分重要的地位 ,是四川西北部亚高山、甘肃白龙江与洮河林区主要更新造林树种 ,在实施天然林
保护与退耕还林两大工程中发挥重大作用[25 ,28 ] 。对于该树种的立地指数已经开展了大量的调查和分析 ,积累
了许多的数据[4 ,24～28 ] ,为开展本研究提供了重要的前期工作基础。
本文以云杉森林生态系统为对象 ,利用卫星遥感为研究手段 ,在岷江上游的四川西北部松潘镇江关流域
研究森林生态系统立地指数的空间分布特点 ,探索有关的遥感反演模型的建立 ,并通过有关精度的评估分析
了这种高技术在该领域应用的价值和潜力。
1 　研究方法
111 　研究区域
研究区域位于云杉分布中心区域所在的四川省西北部的岷江上游松潘县镇江关流域 (图 1 ,图 2) 。该研
究区域大致分为高山峡谷区和丘状高原区 (海拔一般高于 3400m 以上 ,见数字海拔高程模型 (DEM) 图 3) 两种
地貌类型[4 ,26 ,29 ] ,其森林植被是以云、冷杉为主的川西亚高山针叶林[17 ] (图 4) 。
112 　立地数据的收集和立地指数的计算
在岷江上游松潘县镇江关流域的云杉分布区 ,按统一的技术要求 ,以林分面积 3 %～5 %比例典型抽样 ,
共调查样地 210 个 ,解析木 300 株 ,样地面积一般为 1200m2 (图 1) [24 ,25 ,19 ] 。样地调查包括生境因子、林分树木
平均胸径 ,平均树高 ,平均年龄 ,林分蓄积量 ,优势木年龄和高度 ,样木解析及林分内地被物等。在评价生境生
产力时 ,国内外多采用林分上层木高作为生产力指标 (因变量)与生境因子 (自变量)来建立生境潜在生产力预
测模型 ,如 5 株优势木平均高[3 ,9 ] 。本文的云杉林的立地指数计算采用 5 株优势木平均高的方法[26 ] 。导向曲
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线是一条反映林分优势木平均高随年龄变化的曲线[6 ] ,采用了多个数学模型进行了拟合 ,发现以理查德
(Richard)生长模型的效果最好 ,其回归剩余标准差最小 ,相关指数最高[26 ] 。
图 1 　研究区域示意图
Fig. 1 　The study area in Sichuan Province of China
113 　遥感数据的收集和遥感植被指数的计算
研究使用的遥感影像是与野外调查时段 (1980 年
代后期和 1990 年代初期)比较接近的 1992 年 6 月 26 日
摄取的 Landsat25 TM (Path130 Row37) 影像 ,影像云覆盖
率低。研究采用的 DEM 垂直分辨率为 1m ,水平空间分
辨率为 90 m。对Landsat25 TM 影像 ,选取野外实地获取
的 40 个 GPS点进行精确几何校正 ,误差小于 015 个像
元。为了提高精度 ,还对影像进行了地形校正和大气校
正。采用 Civco 提出的地形校正方法[18 ] ,基于 90m 分辨
率 DEM 对影像进行地形校正以剔除地形影响。
本研究利用美国陆地资源卫星 5 (LANDSAT TM) 的
遥感影像 ,计算有关的遥感植被指数 ,主要选用的是归
　　　　　　　　　
图 2 　野外调查样地分布示意图
Fig. 2 　The sampling plots in the study area
图 3 　研究区域地形条件示意图 (DEM)
Fig. 3 　The topography (DEM) of study area
一化植被指数 (NDVI) 。同时 ,因为研究区植被类型多样 ,植被覆盖稀疏程度不均 ,影像混合像元比重大 ,土壤
背景对植被指数提取会产生较大影响 ,因此除归一化植被指数 (NDVI) 外 ,文中还采用土壤调整植被指数
(TNDVI ,又叫 SAVI)以使土壤影响最小。利用 TM影像的波段 3 (红波ρr) 、波段 4 (近红外ρn )提取有关的遥感
植被指数如下 :
归一化植被指数 NDVI =ρn - ρ4ρn +ρr (1)
土壤调整植被指数 TNDVI = (ρn - ρr) (1 + L )(ρn +ρr + L ) (2)
土壤调整植被指数 (TNDVI)中 L 为土壤调整因子 ,通常给定常数 015[18 ] 。
114 　用不同遥感植被指数估计云杉立地指数的结果
对经过预处理 TM影像依据经纬度坐标提取 150 个野外实测值对应的 NDVI、TNDVI 值 ,各种植被指数均
采用地面对应点相邻 3 ×3 像元均值。运用 Origin 软件对不同遥感植被指数估计的森林立地指数进行回归
分析。
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115 　精度评估
随机抽取森林立地指数测定的结果大约 60 个点 ,不参加回归建模 ,以保证数据的相对独立性。然后将模
拟结果与实测结果进行精度分析 ,建立 1∶1 的精度分析图 ,定性判断模拟的总体效果。
2 　结果和讨论
211 　遥感植被指数与云杉立地指数的关系
利用下面得到的模型和遥感影像分别反演了岷江上游镇江关集水区森林 (云杉林为主) 的立地指数 (图 5
A 和 B) 。
图 6A 和 B 分别显示遥感植被指数 NDVI和 TNDVI与野外实测云杉立地指数 (SI) 间相关分析的结果。通
过统计分析 ,发现 NDVI和 TNDVI与云杉立地指数间基本为线性相关。
云杉立地指数 (Site index) = 61006 + 221045 NDVI (3)
R = 01448 ; p < 010001
云杉立地指数 (Site index) = - 51421 + 231723 TNDVI (4)
R = 01457 ; p < 010001
　　森林生态系统结构和功能的许多指标中 ,生产力一直是一个核心的变量。因为它关系到生态系统的能量
利用和对大气层二氧化碳通量的固定 ,在生态系统的持续稳定地增长和全球变化等重要的议题中扮演了十分
重要的角色。森林立地指数因为定量的反映了不同年龄阶段森林生态系统生产能力的大小 ,与森林的生长发
育状态具有密切的关系 ,森林立地指数的高低具有明显的光谱特点。Miller 等研究表明“叶绿素可以作为反
映森林立地条件的一个指标”,前人的大量研究已经揭示出叶绿素的含量与森林的生长和植物的光谱特征密
切相关[10 ,18 ,29 ] ,本文的研究结果证明了森林立地指数的与植物光谱特点关系密切的特点。发现了遥感植被指
数 NDVI和 TNDVI与云杉森林立地指数具有显著的相关关系 ,两个遥感植被指数 (NDVI 和 TNDVI ) 都有较好
的效果 ,其中 ,TNDVI的相关程度略高于 NDVI ,达到 01 457 , 初步表明土壤调整植被指数 ( TNDVI) 因为抑制了
土壤噪声的影响 ,反映的森林立地条件的光谱效果比 NDVI有一些改进。
212 　不同遥感植被指数估计云杉立地指数的精度
模拟结果的精度分析可以帮助判断模型的优劣 ,发现进一步改进的方向[30 ,31 ] 。通过对模型模拟结果和实
际测定结果的比较研究 ,发现在 1∶1 比例的比较分析图 (图 7 A 和 B) 中 ,NDVI 和 TNDVI 都有很好的拟合效
果 ,说明通过遥感植被指数的方法测定森林立地指数可以得到较高的精度 ,具有很高的实用价值。
213 　云杉立地指数的空间分布特点
在研究区域所在的岷江上游松潘县镇江关流域中 ,大致分为高山峡谷区和丘状高原区 (海拔一般高于
3400m以上)两种地貌类型 (图 3) [4 ,26 ,29 ] 。从研究结果可以看出 ,位于研究区域南部的高山峡谷区通常具有较
高的立地指数 ,说明其生长条件和状况要优于丘状高原区。岷江上游松潘县镇江关流域的森林植被是以云、
冷杉为主的川西亚高山针叶林 ,具有十分重要的生态功能 ,包括涵养水源、保持水土、调节区域性气候和维持
过渡地带植被相对稳定 ,以及为中国西部高海拔地区珍稀濒危动、植物提供栖息环境 ,保障下游地区得天独厚
的绿色保护屏障等。高山峡谷区较高的森林立地指数和较好的生境条件为其重要的生态系统服务功能的发
挥提供了重要的基础。
本文的研究为利用遥感进行森林立地指数的估计 ,合理评估森林生态系统的生产能力和生态服务功能提
出了一个新的研究方法 ,具有较大的实用价值。同时需要指出的是 ,影响利用遥感技术来高精度地估计大范
围森林立地指数的主要限制因子在于地面数据的质量[18 ] ,例如优势木高度和年龄的准确估计。与此同时还
要根据统计建模的要求考虑样本分布的代表性和样本的数量。另外 ,选择合适的遥感影像与遥感植被指数 ,
建立适宜的遥感反演模型等也是一些关键因素。概括起来 ,大面积估测和动态分析森林立地条件及其变化 ,
对于研究森林生态系统结构和功能的动态过程 ,了解森林生态系统的生产力 ,合理地确定适地适树的造林与
管理方案 ,都是十分重要的基础。利用现代高科技的航天定量遥感分析开展这个方面的研究 ,无疑是一个非
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常广阔的领域。
图 6 　NDVI(A)和 TNDVI(B)与 SI 的回归统计分析
Fig. 6 　The regression analysis of NDVI (A) and TNDVI (B) with Site Index (SI)
图 7 　NDVI(A)和 TNDVI(B)与 SI 的模拟精度分析
Fig. 7 　The accuracy assessment of NDVI (A) and TNDVI (B) with Site Index (SI)
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