全 文 ：林业科学研究
2007, 20( 3): 307~ 311
Forest R esearch


文章编号: 1001
1498( 2007) 03
0307
05
基于 RS的黄土高原天然林资源时空动态变化分析
赵鹏祥 1, 强建华 1, 张会儒 2, 陈国领 1
( 1.西北农林科技大学林学院,陕西 杨凌
712100; 2.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京
100091 )
摘要: 以黄土高原天然林典型分布地区黄龙山林业局蔡家川林场为研究对象, 以 1997年和 2004年两期 TM (专题制
图仪 )影像为主要数据源, 结合同年的森林资源二类调查资料, 在遥感数字图像处理系统支持下, 研究了该林场天
然林资源的时空变化。结果表明 , 1997年至 2004年之间, 该林杨优势树种面积增加, 其中栎类增加了 1. 8% , 油松
增加了 8. 4% ,杨树增加了 6. 7% ;同时, 其水平空间分布也发生了一定的变化; 森林覆盖率增加了 16. 9% ; 林地类型
之间发生了明显的动态变化,其中, 55. 5%的采伐迹地变成了油松林地, 21. 1%的采伐迹地变成了杨类林地。这些
明显变化与天然林保护工程的实施有着密切的联系。
关键词: 遥感;天然林资源; 动态变化
中图分类号: S757. 2 文献标识码: A
收稿日期: 2006
04
10
基金项目: 国家林业局天然林保护工程重点技术研究及试验示范课题 天然林资源动态时空分析评价技术 ( TBKJ2003
5)
作者简介: 赵鹏祥 ( 1965
) ,男,青海乐教人,副教授,博士,主要从事林业遥感和地理信息系统研究.
Dynam ic Spatial
temporalChanges Analysis of
Natural Forest Resources Based on RS
ZHAO Peng
x iang1, Q IANG Jian
hua1, ZHANG H ui
ru2, CHEN Guo
ling1
( 1. Co llege of Forestry, Northwest Sci
T ech ofAgricu lture and Fores try Un iversity, Yangl ing
712100, Shaanx,i Ch ina;
2. R esearch Inst itute of Resou rce and Inform ation T echn iques, CAF, Beij ing
100091, Ch ina)
Abstract: Th is paper studied the dynam ic spat ia l
temporal changes o f natural forest resources based on RS . Ca ijia

chuan Forest Farm, as the typ ical reg ion of distribution o f natural fores,t was the research object, the TM images of
1997and 2004 as thema in data sources, w ith the survey data and suppored by IMAGE so ftw are, the authors stud ied the
dynam ic spatia l
tempo ral changes of th is area. The results show ed that the area of dom inant tree increased from 1997
to 2004, for example, the oak increased by 1. 8%, Chinese p ine increased by 8. 4% , pop lar increased by 6. 7%;
M eanwh ile, spat ia l distribut ion has changed; forest coverage rat io increased by approx imately 16. 9%; obvious dynam ic
change has been occurred, such as 55. 5% of cutting land w as covered by Chinese pine and 21. 1% was covered by
poplar. These obv iously changes has close relation w ith the implementation of the natural forest protection pro jec.t
Key words: remote sensing; natura l forest resources; dynam ic changes
森林资源影响着社会经济和生态环境的可持续
发展。在我国天然林是森林资源的主体, 目前占全
国森林资源总面积的 69. 62% ( 107万 km2 ) ,蓄积量
占森林蓄积量的 89. 96% [ 1]。所以, 保护天然林对
维持陆地生态平衡、防止生态环境恶化、为人类创造
良好的生存环境具有重要意义。
研究天然林资源的动态变化有助于了解天然林
资源变化的机理和原因, 从而可以通过人为调整来
使天然林资源的数量、分布和格局更加趋于合理 [ 2]。
遥感技术的发展,为天然林资源的变化分析提供了
林
业
科
学
研
究 第 20卷
时空序列上的完整数据和技术支持 [ 3, 4]。遥感获取
的时空序列信息, 为恢复重现天然林资源利用的空
间信息和预测未来发展趋势奠定了坚实的基
础 [ 5, 6]。地理信息系统的快速发展, 为更好地管理
与使用地理时空信息提供了工具和手段 [ 7, 8 ]。
利用遥感技术进行区域土地利用时空动态变化
的研究在国内外都有大量的研究 [ 9~ 14]。但是, 森林
资源时空动态变化研究尚不多。本研究以蔡家川林
场为研究对象,主要研究基于遥感 ( RS)技术的黄土
高原天然林资源监测方法, 为快速掌握本地区天然
林的数量和质量以及制定一系列天然林保护措施提
供参考。
1
研究区概况
蔡家川林场位于延安地区黄龙山林业局中部,
小南川中上游, 属黄河水系。地理坐标 109!48∀~
110!02∀E, 35!45∀~ 35!57∀N。总面积 207. 26 hm2。
该场地跨黄龙县山崾先、小寺庄和瓦子街、砖
庙梁四乡, 属黄土高原丘陵沟壑区。地面破碎, 地
形变化复杂, 形成沟壑、梁峁、残原、土石质中低山
等特有的黄土地形, 剥蚀强烈, 河谷深切。地势西
南高,东北低,最高海拔 (旗杆庙 ) 1 650 m, 为小南
川、沙曲河之分水岭, 最低海拔 (乔峪沟 ) 940 m,相
对高差一般为 200~ 300m, 土壤为褐土带,地带性
土类主要为褐土,林场范围内主要河流蔡家川河汇
入小南川, 为仁望河左岸三级支流, 年迳流量
1 700万 m 3。气候属暖温带大陆性半湿润气候, 气
温低, 湿度大。年平均气温 8. 6 # , 极端高温
36. 7 # , 最低温度 - 21. 9 # 。年降水量 602. 2
mm,多集中于 7、8、9三个月。
森林植被属暖温带落叶阔叶林地带北部落叶阔
栎林亚地带; 天然植被覆盖高,森林植物种类较多。
优势树种主要有油松 (P inus tabu laeform is Carr. )、辽
东栎 ( Quercus liaotungensis K oidz. )、槲栎 (Quercus
aliena B lume)、山杨 (Populu s david iana Dode)、白桦
(B etula p latyphylla Suk. )、侧柏 (P laty cladus orientalis
( L. ) Franco)、小叶杨 (Populus simonii Carr. )等。
2
资料来源
研究区域 1997年 8月 25日、2004年 6月 25日
TM图像数据, 空间分辨率为 30 m; 1∃5万地形图;
1997年森林资源二类调查手薄; 1998年蔡家川林场
的林相图。
3
研究方法
为了实现利用遥感技术对黄土高原天然林区
森林资源的动态变化进行分析的目的。本次采取
的方法为: 首先对两期 TM图像进行几何校正; 其
次,选择不同的图像增强方法, 分别进行图像增强
处理和比较, 最终选择最佳的图像处理结果; 第
三,建立两期 TM图像的解译标志, 其中 1997年的
解译标志基于同年的森林资源二类调查资料建立,
2004年的解译标志基于同年外业调查的资料建
立;第四; 对两期 TM图像进行有监分类处理 [ 15] ;
第五,对两期图像上林地动态变化进行统计分析。
工作流程见图 1。
图 1
森林资源时空分析工作流程
4
结果及分析
4. 1
图像配准
图像配准的方法是进行图像几何精纠正。本研
究中, 以研究区 1∃50 000的 DRG(数字栅格图 )作为
参考图像, 分别对 1997年和 2004年的 TM影像进行
了几何纠正。采用二次多项式校正方法, 采集了 20
个均匀分布的明显地物点 (河流的交汇点,桥梁, 道
路的拐弯处等 )作为控制点, 最终校正精度为 0. 27个
像元,满足误差小于 0. 5个像元的精度要求。
4. 2
图像增强方法的确定及预处理
以 1997年蔡家川林场森林资源二类调查结果
为依据, 以同年的 TM遥感数据为处理对象, 分别选
用主成分变换 ( PCA )、比值变换、LBV变换 3种图像
308
第 3期 赵鹏祥等:基于 RS的黄土高原天然林资源时空动态变化分析
增强方法 [ 16] , 对遥感图像进行处理, 增强后图像对
地类的识别能力见表 1。
表 1
图像变换后的地类识别能力的比较
地类 主成分变换 比值变换 LBV变换
油松 可识别 可识别 可识别
栎类 与杨类有混淆 与杨类有混淆 可识别
杨类 与栎类有混淆 与栎类有混淆 与裸地不易区分
农田 可识别 与林地不易区分 不易区分
裸地 可识别 可识别 可识别
采伐迹地 可识别 不易识别 不易区分
从表 1可以看出, 经过比值变换的图像消除了
地形的影响,但是阔叶林之间不能区分,以及采伐迹
地与裸地色调相似,不易分辨,容易错分; LBV变换
后的图像总体视觉效果较好,类于真彩色, 但是杨类
与裸地色调相似, 不易区分, 采伐迹地也不易辨别;
相比之下,经过主成分变换后的图像在区分地类方
面优于其它两种变换。根据这一结论,对 1997年和
2004年 TM影像分别进行 PCA变换, 前者以 PCA3
+ PCA2+ PCA1进行 RGB(红、绿、蓝通道 )合成, 后
者以 PCA2+ PCA 3+ PCA1进行 RGB合成。
4. 3
建立解译标志
根据 1997年森林资源二类调查原始资料
以及 2004年野外实地调查的结果, 并结合影像特
征,建立两期遥感影像的解译标志, 结果见表 2、表
3。其中, 1997年影像最终确定为 6类, 即以栎树为
主的硬阔叶林;杨树为主的软阔叶林;油松为主的针
叶林;农田 1为有农作物覆盖的农田,农田 2包括裸
地、道路、荒地以及无农作物覆盖的农田; 以及采伐
迹地 (主要是 1997年以前未实行天保工程的森林作
业地 )。 2004年影像最终确定为 5类, 与 1997年相
比,去掉采伐迹地,其他地类不变。
表 2
1997年蔡家川林场 TM 影像解译标志
地类 颜色 特征描述
栎类 绿色 以栎、桦为主的阔叶林或针阔混交林
油松 暗红色 以油松为主的针叶树过熟林、成熟林以及近熟林
农田 1 浅兰色 有农作物覆盖的农地
农田 2 白色 没有作物覆盖的农地,道路及无林地
杨类 浅绿色 主要以杨树类为主的阔叶林或少量针阔混交林
采伐迹地 品红色 进行过人工作业
表 3
2004年蔡家川林场 TM 影像解译标志
地类 颜色 特征描述
栎类 品红色 以栎、桦为主的阔叶林或针阔混交林
油松 绿色 以油松为主的针叶树过熟林、成熟林以及近熟林
农田 1 浅兰色 有农作物覆盖的农地
农田 2 蓝色 没有作物覆盖的农地,道路及无林地
杨类 白色 主要以杨树类为主的阔叶林或少量针阔混交林
4. 4
图像分类
在遥感图像处理系统支持下, 依据解译标志建
立训练样区, 分别进行监督分类、聚类分析以及去除
分析,结果见图 2、图 3。
图 2
蔡家川林场 1997年图像分类结果
图 3
菜家川林场 2004年图像分类结果
4. 5
各地类面积动态变化
4. 5. 1两期各地类面积统计及其变化
各地类的
面积变化是评价天然林保护成效的一项非常重要
指标 [ 17]。为了全面了解研究区的地类面积变化,
对两个时期遥感影像地类分类的结果进行了统计
(见表 4)。
由表 4可知, 1997年栎类、油松、杨类分别占
蔡家川林场总面积的 30. 3%、26. 1% 和 15. 3% ,
2004年栎类、油松、杨类分别占总面积的 32. 1%、
34. 5% 和 22. 0% , 与 1997年相比分别增长了
1. 8%、8. 4% 和 6. 7%。可以看出, 栎类、油松、
杨类面积均有增加, 特别是油松增加幅度较大,
其次是杨类和栎类; 1997年大片的采伐迹地到
2004年已经消失, 在一定程度上说明了天然林保
护工程的效果。
309
林
业
科
学
研
究 第 20卷
表 4
蔡家川林场两期各地类面积变化对比
年份 项目 栎类 油松 农田 1 农田 2 杨类 采伐迹地 合计
1997年 面积 /km2 63. 825 54. 919 3. 263 19. 483 32. 212 36. 636 210. 338
像元数 102 202 87 958 58 766 5 253 31 560 51 594 337 333
面积比例 /% 30. 3 26. 1 1. 6 9. 3 15. 3 17. 4 100
2004年 面积 /km2 67. 595 72. 621 7. 162 16. 674 46. 286 0 210. 338
像元数 108 201 116 301 11 474 26 928 74 150 0 337 054
面积比例 /% 32. 1 34. 5 3. 4 8. 0 22. 0 0 100
增减 ( + /- ) + 3. 77 + 17. 702 + 3. 899 - 2. 809 + 14. 074 - 36. 636
4. 5. 2
1997年至 2004年间主要优势树种的空
间变化
对两期影像的分类结果进行矩阵分析, 并
将分析的结果转化成矢量文件,在 GIS支持下,对转
化来的矢量文件进行选择查询, 可以得到各地类分
布及面积变化的情况 (见图 4、5、6)。
由图 4可以看出, 油松空间分布变化主要发生
在油松生长适应区的林场中部和东北部, 根据历史
资料证明,此变化主要是 1997年的采伐迹地经过封
山育林后自然更新或是人工造林引起的变化; 图 5
反映了栎类的空间分布变化, 这种变化主要来源于
自然更新以及针叶林向阔叶林的演替, 还有农田退
耕还林等原因。图 6表明了杨类的空间分布变化格
局,此变化主要来源于采伐迹地的自然更新以及针
叶林的演替, 还有农田退耕还林等原因。
图 4
油松发生增长变化的区域 图 5
栎类发生增长变化的区域 图 6
杨类发生增长变化的区域
4. 5. 3
1997年至 2004年间森林覆盖率的变化情况

依据研究区遥感影像的实际情况, 对两期的森林
覆盖率进行了计算,结果见表 5。
表 5
蔡家川林场各类土地面积变化对比
年份 有林地 /km 2 无林地 /km2 采伐迹地 /km2 森林覆盖率 /% 合计 /km 2
1997年 150. 956 22. 746 36. 636 71. 8 210. 338
2004年 186. 502 23. 836 0 88. 7 210. 338
增减 ( + /- ) + 35. 546 + 1. 090 - 36. 636 + 16. 9


由表 5可以看出, 整个林场有林地面积从 1997
年的 150. 956 km2增加到 2004年的 186. 502 km2, 增
加 35. 546 km2, 森林覆盖率由 71. 8% 上升至
88. 7%, 提高了 16. 9%。从各地类面积变化情况来
看,有林地面积的增加主要是由于实施天然林保护
工程后,实行封山育林等政策,原来的采伐迹地现在
已经变成有林地,从而提高了森林覆盖率。
4. 5. 4
1997年至 2004年间地类相互变化
统计分
析天然林区不同地类属性之间的动态变化, 也是了
解天然林资源消化变化的重要内容。从中可以了解
天然林资源动态变化的趋势, 为确定天然林的经营
决策提供依据。本次研究中, 主要通过建立研究区
两期地类面积转移阵的方法进行分析,结果见表 6。
310
第 3期 赵鹏祥等:基于 RS的黄土高原天然林资源时空动态变化分析
表 6
1997年和 2004年蔡家川地类面积变化情况对比 km 2
项目 1997地类变化栎类 油松 农田 1 农田 2 杨类 采伐迹地 合计
2004年
地类变化
栎类 44. 210 7. 501 0. 457 0. 608 10. 367 4. 453 67. 595
油松 5. 408 44. 771 0. 570 0. 709 0. 840 20. 323 72. 622
农田 1 0. 226 0. 049 0. 215 4. 073 0. 665 1. 934 7. 162
农田 2 1. 808 0. 441 0. 754 10. 124 1. 335 2. 213 16. 674
杨类 12. 173 2. 158 1. 268 3. 970 19. 005 7. 713 46. 286
合计 63. 825 54. 919 3. 263 19. 483 32. 212 36. 636 210. 338


表 6表示的是面积变化的绝对值。对 7 a内油
松、栎类、杨类和农田的变化进行进一步分析, 分析
各地类的交互变化情况。2004年油松的增加部分
主要是 1997年分类中属于采伐迹地、栎类、杨类和
农田的类型,其中,来自采伐迹地的部分占所有油松
增加部分的 73%,栎类、杨类、农田分别占了油松增
加部分的 19%、3%和 5%; 2004年栎类的增加部分
主要来自 1997年属于杨类、油松和采伐地的类型,
其中, 杨类占栎类增加部分的 44%, 油松、采伐地分
别占了栎类增加部分的 32%和 19% ; 2004年杨类的
增加部分主要来自 1997年属于栎类、采伐地和农田
的类型,其中,栎类占杨类增加部分的 45%, 采伐地
和农田分别占了杨类增加部分的 28%和 20%。总
体来看,蔡家川林场林地的增加主要来自于 1997年
属于采伐迹地的部分,说明天然林保护工程在该林
场取得了明显成效。在林地所有增加的部分中, 油
松和杨类的增加幅度较大, 分别占有林地增加总面
积的 49. 8%和 39. 6% ,这说明油松和杨类这两个树
种是当地植树造林的先锋树种。
5
结论
( 1)利用不同时相遥感影像进行森林资源的时空
动态变化分析,能够直观地反映森林资源的消长变化
和分布状况。由研究看出, 油松、栎类、杨类等主要树
种分布面积分别增加了 8. 4%、1. 8%和 6. 7%。
( 2)自从实施天然林保护工程以后, 蔡家川林
场森林资源总体有所增加, 有林地面积大幅增加, 森
林覆盖率大约增加了 16. 9%, 充分说明, 天保工程
有利于森林资源的自然更新及林场的可持续发展。
( 3)林地类型之间发生了明显的变化, 其中,
55. 5%的采伐地区域变成了油松林地, 21. 1%的采伐
地区域变成了杨类林地。说明油松和杨树是该区域
的适生树种和先锋树种。因此, 从森林经营的角度
看,该林场将来的森林经营模式主要是营造混交林。
( 4)黄土高原树种单一,而且分布特征明显, 是利
用遥感技术进行天然林资源时空变化研究的理想场
所。随着遥感数据成本的不断下降、图像空间分辨率
的不断提高以及传感器类型的不断增多,遥感技术在
黄土高原天然林资源监测中将发挥更大的作用。
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