全 文 ：林业科学研究　2005 ,18 (1) :31～35
Forest Research
　　文章编号 :100121498 (2005) 0120031205
遥感影像分类技术在森林景观
分类评价中的应用研究
陆元昌1 , 陈敬忠2 , 洪玲霞1 , 雷相东1
(11 中国林业科学研究院资源信息研究所 ,北京　100091 ; 21 北京林业大学资源与环境学院 ,北京　100083)
摘要 :以吉林省旺清林业局金沟岭林场为例 ,在地面调查数据和 Landsat TM 多光谱卫星遥感数据的基础上 ,以 ER2
DAS遥感影像处理系统和 MapInfo 地理信息系统支持 ,利用基于二类调查数据取证遥感分类技术 ,对其森林景观进
行分类和评价 ,得到金沟岭林场森林景观空间分布图及空间格局分析结果。本研究提出的一套实用技术方法可为
宏观上快速提取森林景观要素及空间格局状态提供技术参考 ,结果可为进一步森林景观规划和设计提供依据。
关键词 :森林景观 ;遥感影像有监督分类 ;景观要素分类 ;景观空间格局分析
中图分类号 :S77118 　　　文献标识码 :A
收稿日期 : 2003211219
其金项目 : 科技部“十五”攻关课题“东北天然林生态采伐更新技术研究与示范”05 子课题 (2001BA510B0705)的部分内容
作者简介 : 陆元昌 (1957 —) ,男 ,云南昆明人 ,研究员 ,博士 ,主要从事森林经理研究.
Application of Remote2sensing Image Classif ication Techniques in
Forest Landscape Classif ication and Evaluation
LU Yuan2chang1 , CHEN Jing2zhong2 , HONG Ling2xia1 , L EI Xiang2dong1
(11Research Institute of Forest Resource Information Techniques ,CAF ,Beijing 　100091 China ;
21College of Resource and Environment ,Beijing Forestry University ,Beijing 　100083 China)
Abstract :Study on classification of forest landscape based on data of multi2spectrum remote2sensing of Landsat TM and terrestrial
inventory was conducted. On Jingouling State Forest Farm of Wangqing Forestry Bureau in Jilin Province , ERDAS Imagine and
MapInfo were used as technical supporting systems for data processing. Supervised classification of remote2sensing image supported
by terrestrial sampling plots and associated with inventory data of forest management was used in the study. As results ,the distribu2
tion map of forest landscape of the study area and its spatial structure analysis and evaluation were produced. These results served
as useful information for further planning and design of forest landscape development in the study region.
Key words :forest landscape ; supervised classification of remote2sensing image ; classification of landscape elements ;Jingoulin
State Forest Farm
景观是指在几十公里到几百公里范围内由不同
类型生态系统组成的、具有重复性格局的异质性地
理单元 ,包括出现在从微观到宏观不同尺度上的具
有异质性或斑块性的空间单元[1～3 ] 。景观生态学研
究可以概括为对景观结构、景观功能、景观动态等三
方面内容[4 ] ,景观结构的研究是功能和动态研究的
基础 ,景观要素分类及其多样性和空间格局评价是
结构研究最基本的内容[5 ] ,也是本研究的核心问题。
景观要素是指构成景观的基本的、相对均质的
土地生态要素或单元的集合[6 ,7 ] 。森林景观是以森
林生态系统为主体所构成的景观 ,对其研究的目的
在于揭示基本规律和掌握调控手段 ,并通过科学的
规划设计对景观实施生态保护、恢复、建设和管
理[8 ] 。森林景观要素类型的划分是开展森林景观生
态研究、分析景观格局结构、进行景观规划设计的基
础。我国森林景观生态学的研究是以森林异质斑块
结构及其动态研究为标志进入到森林景观研究的领
域[9 ,10 ] ,目前存在研究的技术手段相对落后、研究案
例有限、森林景观生态模型缺乏等问题[8 ] 。
森林景观分类是确定景观构成要素及其空间分
布格局 ,在大尺度上探讨森林生态系统整合问题的基
础[11]。遥感技术为森林景观研究提供了从局部具体
林分的生态研究跨越到景观层计划和经营的桥梁[12] ,
将地面样地调查数据和遥感数据结合起来作为森林
景观生态学研究中的基础数据 ,以及时获得大范围 ,
多时相、多波段的地表状况信息 ,为不同时序上从局
部到整体的景观综合分析创造了条件[13 ,14] 。本文以
吉林省汪清林业局金沟岭林场为对像 ,在 Landsat TM
5 多光谱卫星遥感数据、实测样地和控制点 GPS(全球
定位系统) 调查数据、森林资源二类调查数据的基础
上 ,应用遥感影像监督分类技术进行了森林景观分类
研究 ,给出了金沟岭林场的森林景观分类图及景观格
局分析结果 ,为深入进行森林景观规划和调控工作服
务 ;也是应用遥感和地理信息系统技术对森林景观快
速分类及空间格局评价的一种探索。
1 　研究地区概况
金沟岭林场位于吉林省汪清县境内东北部 ,
130°05′～130°19′E、43°17′～43°25′N ,属长白山系 ,
总面积 16 286 hm2 ;林场交通方便 ,距县城 59 km ,境
内道路以公路为主 ,总长 30 余 km ,是构成对外交流
的主要交通枢纽。
金沟岭林区是汪清河三条大支流中的第二支流
发源地 ,地貌属低山丘陵 ,海拔为 300～1 200 m 之
间 ,坡度一般在 5°～25°内。林区属季风型气候 ,全
年平均气温为 3. 9 ℃左右 ,积温 2 144 ℃,多年平均
年降水量 600～700 mm ,且多集中在 7 月份 ;早霜从
9 月中旬开始 ,晚霜延至翌年 5 月末 ,生长期 120 d ;
冬季积雪平均 50 cm。土壤主要是玄武岩中低山灰
化土灰棕壤类型 ,平均厚度在 40 cm 左右。
林区属吉林省东部山地温带湿润针阔叶混交林
地带的长白山红松云冷杉针阔混交林小区 ,其原生
植被为红松针阔混交林[15 ] 。但经过长期的经营活
动及其他人为干扰 ,部分天然红松针阔混交林已经
演替成多种森林类型 ,还有相当部分经人工造林成
为长白落叶松 ( Larix olgensis Henry) 、红松 ( Pinus ko2
raiensis Sieb. et Zucc. ) 和云冷杉纯林 ( Picea jezoensis
Carr. ,Abies nephrolepis (Trautv. ) Maxim. ) 。
2 　数据和方法
211 　数据
本次研究使用的数据有 : (1) 金沟岭林场 1997
年二类森林资源调查数据基础上建立的地理信息系
统 (MapInfo)数据库及林相图 ; (2)与调查数据同期的
Landsat TM 5 多光谱卫星遥感影像数据 ; (3) 地类控
制点野外调查数据 ; (4) 主要森林类型样地调查数
据 ; (5)其他森林作业和社会经济情况调查数据。
遥感影像数据采用 1997 年 7 月的 Landsat25/ TM
卫星影像数据 ,空间分辨率 30 m ×30 m , Krasovsky
1940 坐标系 ,中心点坐标 1301090°E , 431170°N ,
Gauss Kruger 投影方式 ,EOSAT Fast Format 产品格式。
212 　景观要素影像分类方法
由于景观要素是目标区域在景观尺度上相对同
质单元的集合 ,所以景观要素分类要根据研究工作的
需要 ,结合所收集的卫星影像的分辨率 ,即分类的实
际可能性确定分类的详细程度。本研究所采用的森
林景观分类和评价技术方法的工作流程如图 1 所示。
213 　遥感数据预处理
景观要素分类之前的影像准备工作包括波段组
合、影像剪裁、校正和增强等预处理。在 Landsat TM
影像中 ,TM2、3、4、5 这 4 个波段的特性较为有利于
森林植被分类的识别[16 ] 。在这 4 个波段中 ,TM2 和
TM3 之间相关性大 , 而 TM4 和 TM5 的独立性较
强[17 ] 。因此 ,本次分类采用 TM4、3、2 和 TM5、4、3 两
种波段组合进行。
图 1 　基于遥感影像的森林景观分类和评价技术方法和工作流程
23 林 　业 　科 　学 　研 　究 第 18 卷
214 　森林景观分类
21411 　景观要素类型划分 　景观要素类型划分是
按一定的特征把对象区域定义为几种相对均质的土
地生态单位 ,是一个多级细化的结构体系 ,类型定义
的详细程度既决定于数据和技术手段可达到的识别
程度 ,也决定于工作目标所需要的分类水平。
21412 　监督分类与精度评价 　监督分类借助人的
经验知识进行[17 ] ,按各个森林景观要素类型设置一
定的训练样地 (分类聚合中心) ,然后基于分类模板
使计算机系统自动识别具有相同特性的像元。经过
建立训练样地、模板精度评价、监督分类、重编码、去
斑和消除云阴影干扰、分类精度评价等过程完成分
类。分类结果采用 ERDAS 系统中的精度评估方法
进行精度评价 ,通过输入实际类型值 ,将专题图像中
的特定像元与已知的参考像元进行比较而产生分类
精度报告[18 ] 。分类结果的精度要求在 75 %以上 ,否
则需重新修改分类模板再次进行分类。
215 　森林景观结构与空间格局分析
包括各景观要素斑块特征的统计和景观结构分
析。分别统计出各类森林景观要素的斑块数、斑块
总面积、斑块平均面积、斑块总周长、斑块平均周长
等。景观结构分析包括要素斑块形状、景观破碎化
程度和景观粒级结构等的分析和评价。景观破碎化
程度可用斑块密度 ,即单位面积上斑块体数目 (个·
km - 2)和单位面积内的斑块面积 (hm2·km - 2) 这两个
指标表达。景观粒级结构是指景观要素的粗、细粒
结构 ,是自然和人为干扰因素。由于长期森林经营
活动的开展 ,斑块在很大程度上受人为干扰。而粒
级大小又取决于整个景观研究的尺度[19 ] 。本研究
把斑块体分为 5 类 :小斑块 < 10 hm2 ,中斑块 10～50
hm2 ,大斑块 50～100 hm2 ,超大斑块 100～200 hm2 ,巨
斑块 > 200 hm2。
3 　结果与分析
3. 1 　遥感数据预处理结果
研究地区遥感数据在 ERDAS 系统中通过输入、
剪裁和几何校正后 ,经过波段提取 ,得出具有大地坐
标和投影信息的 TM42322 和 TM52423 两种波段组合
的两幅金沟岭林场遥感影像 ,结果显示两幅影像所
含植被信息丰富 ,不同的森林景观要素所表现出的
色彩有较大差异 ,其特点如表 1 所示。
两种波段组合的各类景观要素虽然在色彩上有
所差别 ,但也有其共同点 :针叶混交林和无林地的色
调与其它景观要素有明显差别 ,较易区分 ;落叶松、
红松、云杉等人工针叶纯林的色彩偏淡且较单一均
匀 ,亮度较大 ;针阔混交林相对阔叶林色彩较深 ,混
交比不同色调会有所变化。
表 1 　两种波段组合的森林景观要素色彩表现
人工针叶
林纯林
针叶混
交林
阔叶林
针阔混
交林
无林地
TM 42322 浅红色 墨绿色 鲜红色 洋红色 天兰色
TM 52423 浅黄色 深紫色 浅绿色 灰绿色 紫红色
312 　景观要素分类结果
按照 21412 节的方法对不同森林类型和主要
树种设计分类试验 ,表明基于 TM 卫星影像的分类
难以有效地区分出不同树种的林分空间分布 ,但却
能明显地识别针叶林、阔叶林和纯林等森林类型。
结合森林景观结构和层次分析目标 ,把金沟岭林场
的森林景观要素划分为人工针叶纯林、针叶混交
林、阔叶混交林和针阔混交林、无林地等 5 类景观
要素。分别为 TM42322 波段和 TM52423 波段组合的
影像进行分类 ,再进行分类精度评估 ,分类精度分
别为 8210 %和 8715 % , TM52423 波段组合的影像分
类精度较高 ,所以 ,景观格局评价选用 TM52423 波
段组合的分类结果进行 ,其分类专题图如图 2 所
示。
图 2 　金沟岭林场森林景观分类图
313 　景观要素斑块特征
对 TM 52423 波段组合的分类结果进行矢量化处
理和景观要素斑块特征统计分析 ,各类型斑块总面
积、平均面积、最大和最小面积以及总周长 ,平均周
长、最大周长和最小周长统计结果如表 2 所示。
33第 1 期 陆元昌等 :遥感影像分类技术在森林景观分类评价中的应用研究
表 2 　五类森林景观斑块面积周长统计
斑块类型 斑块数
面积/ hm2
总面积 % 平均 最大 最小
周长/ km
总周长 % 平均 最大 最小
针叶混交林 1 136 4 559131 2810 4101 392114 0112 1 056186 4815 0193 55102 0114
人工针叶纯林 271 801111 419 2196 68141 0112 226165 1014 0184 13192 0114
阔叶混交林 986 1 248132 717 1127 36104 0112 523178 2411 0153 9125 0114
针阔混交林 1 167 9 048126 5516 7175 2 522159 0112 1 65619 716 1142 360101 0114
无林地类 238 615162 318 2159 187156 0112 20414 914 0186 29109 0114
合计 3 798 16 272162 100 2 177138 100
　　注 :黑体部分为本栏目中的最大或最小值 (以下各表同) 。
表 2 给出整个金沟岭林场的面积为 16 272162
hm2 ,与森林资源调查的数据基本一致 ;各类森林景
观要素中 ,针阔混交林具有最大的斑块数、总面积、
平均和最大斑块面积、总周长及平均和最大斑块周
长 ,充分表现出该景观要素类型作为优势地带性植
被的基质特征。针叶混交林和针叶纯林是林场经营
的主要森林类型 ,有较高的平均斑块面积 ;而阔叶混
交林主要是由在特定立地条件下形成的块状林分或
是在天然针阔混交林中针叶树被利用后形成的次生
阔叶林组成 ,因而具有最小的平均斑块面积和周长。
314 　景观格局分析
图 2 所示的分类结果显示了金沟岭林场森林景
观在空间结构上的特点。作为该地区顶级群落的天
然针阔混交林类型目前仍然是主导的森林类型 ,在
景观空间格局上表现出景观基质要素的特征 ;而以
河流、道路和建筑地为主的无林地景观要素则表现
出廊道状的分布 ,是物质能量在景观格局中自然和
人为转移的主要通道 ;而人工营造的落叶松、红松、
云杉等针叶纯林在景观结构中呈斑块状分布 ;在主
要林区道路的两侧 ,由于长期生态采育更新作业的
影响 ,形成了大量异龄结构的针叶混交林 ,这个森林
景观要素的粒级结构呈现出沿道路向林区内部从大
斑块集中到小斑块发散镶嵌的空间分布格局 ,表现
出人为干扰因素和生态系统物质能量扩散的自然梯
度分布 ,是景观结构在没有干扰时将逐渐趋于均质
化这一普遍性的一个例证。
31411 　斑块形状 　根据矢量化后的斑块面积和周
长数据计算出金沟岭林场各类景观斑块形状指数如
表 3 所示 :
表 3 　各景观要素类型的斑块形状指数统计
项目 针叶混交林
人工针叶
纯林
阔叶
混交林
针阔
混交林
无林
地类
S圆 3192 2121 2120 13142 3164
S正方形 3192 1196 1195 11189 3122
　　从统计结果可看出 ,针阔混交林的形状指数最
大 ,表明该景观要素类型的形状结构最为松散 (如长
宽比很大或边界弯延多曲折) ;其次是针叶混交林和
针叶纯林等 ;阔叶混交林的斑块形状指数最小 ,其形
状最为紧密。由于本地区的原生植被是针阔混交
林 ,多为自然演替过程形成 ,人为干扰小 ;而针叶混
交林、人工针叶纯林及阔叶林等类型是林场长期生
产经营的结果 ,人为干扰严重 ,形成的斑块常表现出
不规则的复杂形状。根据形状和功能的一般关系 ,
紧密型形状有利于保蓄能量、养分和生物 ,而松散形
状易于促进斑块内部与外界环境的相互作用 ,尤其
是能量、物质和生物方面的交换 ;所以针叶林、人工
针叶纯林、阔叶林有利于继续保持其景观形态 ,而针
阔混交林景观类型可能通过与外界能量、物质和生
物方面的交换不仅促进其自身的演替 ,还影响到其
它景观要素的动态发展。
31412 　景观破碎化程度 　根据矢量化后的斑块面
积和周长数据计算出金沟岭林场各类景观要素的斑
块密度如表 4 所示 :
表 4 　各景观要素类型的斑块密度统计
　　　项目 针叶混交林
人工针叶
纯林
阔叶
混交林
针阔
混交林
无林
地类
单位面积的斑块数/
(个·km - 2) 6198 1166 6106 7117 1146
单位面积的斑块面积/
(hm2·km - 2) 28101 4192 7167 55160 3178
　　从表 4 可看出 ,针阔混交林单位面积上的斑块
数和斑块面积的值最大 ,其次是针叶林和阔叶林 ,人
工针叶纯林最小 ;说明针叶林、阔叶林和人工针叶纯
林的破碎化程度较高。而作景观基质的针 (红松) 阔
混交林是经过长期演替形成的 ,部分地段虽然经人
为经营利用后转变为针叶纯林及阔叶林 ,但其作为
原生植被的针阔混交林类型还是占绝对优势 ,体现
了森林景观对地域生态环境的适应性发展方向。
31413 　景观粒级结构 　根据矢量化后各要素斑块
分布图统计出金沟岭林场各类景观斑块等级如表 5
所示 :
43 林 　业 　科 　学 　研 　究 第 18 卷
表 5 　各景观要素类型斑块分级统计
景观类型
等级
小斑块
块数 %
中斑块
块数 %
大斑块
块数 %
超大斑块
块数 %
巨斑块
块数 % 合计
针叶混交林 1 070 94119 47 4114 11 0197 4 0135 4 0135 1 136
人工针叶纯林 　256 94146 14 5117 1 0136 0100　271
阔叶混交林 　968 98117 18 1183 　986
针阔混交林 1 137 97143 17 1146 3 0125 1 0109 9 0177 1 167
无林地类 　228 95180 9 3178 1 0142 　238
(合计) 3 659 96134 105 2176 15 0139 6 0116 13 0134 3 798
　　注 : (1)小斑块 < 10 hm2 ,中斑块 10～50 hm2 ,大斑块 50～100 hm2 ,超大斑块 100～200 hm2 ,巨斑块 > 200 hm2 ; (2) %为该类斑块占总斑块数的
百分数。
从表 5 可看出 ,4 种森林景观要素均是小斑块
比例最大 ,数量上占总斑块数的 96134 % ,但只是总
面积的 5169 %。在针叶混交林和针阔混交林景观中
有超大斑块存在。反映出在长期人工造林和采伐等
经营活动对原生针阔混交林景观的干扰影响下 ,在
不同程度和尺度上形成了针叶混交林及针叶纯林等
大量小规模景观斑块镶嵌在基质针阔混交林中的森
林景观格局 ;说明了经过长期演替形成的针阔混交
林景观仍然保持了主体森林生态系统的角色 ,而人
为干扰造成局部景观破碎化 ,同时也促进了景观生
态系统内部能和物质的交换。
4 　结论与讨论
(1)本研究证明利用遥感影像分类技术可以进
行区域森林景观格局结构的快速分类和评价工作。
使用基于二类调查数据的地理信息系统数据库辅助
遥感影像分类 ,能弥补目视判读以及由于同谱异物、
同物异谱现象及混合象元出现误判的情况 ,可大大
消除云和阴影对分类的干扰。
(2) 通过两种波段组合实验结果表明 ,TM 52423
波段组合的分类精度较高 ;在 ERDAS 系统中通过对
分类图矢量化可以较容易地获取各类型景观要素斑
块的数目、面积、周长等数据 ,实现景观格局的数量
化分析。
(3)金沟岭林场的四类森林景观要素的粒级结
构呈现出从大斑块集中到小斑块发散镶嵌的情况 ,
表现出生态系统间物质能量自然扩散的梯度分布空
间格局 ;四类森林景观要素破碎化程度高但其斑块
形状较好 ,小斑块占绝对比例 ,针叶林和混交林有超
大斑块和巨斑块存在。
(4)森林景观水平结构分析表明 ,金沟岭林场森
林景观虽然长期受人为经营活动干扰 ,但由原生植
被所形成的森林生态系统类型始终主导着本地区森
林景观格局的动态发展 ,因此 ,对于森林景观规划和
经营调控应该把原生植被作为主体对象。
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