森林災害快速評估

1、森林災害快速評估雪災是影響森林生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的重要非生物干擾因子之一2,長時間的冰雪災害直接損害森林植物，改變森林生態(tài)系統(tǒng)的結 構組成，降低森林生態(tài)系統(tǒng)的功能與效益，影響森林生態(tài)系統(tǒng)的演替 方向并危及森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與健康2。2008年初，我國遭 遇50年一遇的持續(xù)冰凍雨雪災害天氣，造成南方多省的森林資源損 失嚴重。許多學者利用遙感和地理信息系統(tǒng)等技術，開展了災害范圍 確定，災害等級劃分和相關災害評估體系建立等研究，為災后森林生 態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建提供科學依據(jù)3-9。但上述這些研究在對森林 雪災進行評估時，往往以降雪開始到積雪消融作為研究的時間段，忽 略了災后的次生災害影響;評估災害依

2、賴的輔助資料過多，缺少一個 快速可靠的評估指標和方法，直接影響到評估效率和可行性;同時， 采用中低分辨率影像進行省級范圍森林雪災損失評估時，缺少區(qū)域尺 度的檢驗方法或者檢驗方法過于簡單。針對這些問題，本文首先建立 貴州省2005-2008年的MODIS/NDVI時間序列，并基于數(shù)據(jù)集的可 用性指數(shù)和S-G(Savitzky-Golay)ijg波方法重構關鍵期影像;然后利用不 同年份同時段的森林像元NDVI值變化率探測森林毀壞區(qū)域，結合統(tǒng) 計學方法確定森林災害閾值，對研究區(qū)森林損失而積與等級進行快速 劃分與評估;最后根據(jù)貴州省凝凍災害森林資源損失的小班調(diào)查數(shù)據(jù) 對研究結果進行一致性檢驗。1研究區(qū)

3、與數(shù)據(jù)準備1. 1研究區(qū)概況貴州省介于東經(jīng)10336-10935北緯2437,2913之間，總 而積為17616770hm2,其中林地面積8771550hm2,占國土總而積的 49. 79%,森林面積為7033936hm2,森林覆蓋率達到39. 93%,主 要分布在黔東南及北部的遵義地區(qū)，西北部和中部地區(qū)森林分布較少 10-llo 2008年初，貴州省遭遇了有氣象記錄以來最為嚴重的雪凝 災害，致使森林出現(xiàn)大面積的死亡，根據(jù)各地（州、市）初步調(diào)查結果， 確定黎平等83個縣（市、區(qū)）為木次災害評估調(diào)查對象，對馬尾松、杉 木、針闊混和其他闊葉樹等類型樹種展開災害調(diào)查。根據(jù)調(diào)查結果匯 總統(tǒng)計，全省森林

4、資源受災面積為（損失程度等級“輕度以 ）1090026hm2,占全省森林資源面積的177% 22。1. 2數(shù)據(jù)準備本文的主要采用2005-2008年低分辨率MOD13Q1植被指數(shù)科學 數(shù)據(jù)集（貴州省覆蓋景為h27v06.005）,數(shù)據(jù)空間分辨率為250m,時 間分辨率為26d,共計92期。該數(shù)據(jù)包括歸一化植被指數(shù)（NDVI）和植 被指數(shù)質量標ifi（QualityAssessment, QA）, QA 產(chǎn)品是關于 MOD13Q1 植被指數(shù)科學數(shù)據(jù)質量信息的綜合評價資料，該資料在像元尺度對植 被指數(shù)進行質量評價與。輔助數(shù)據(jù)主要包括了 2006年研究區(qū) MCD12Q1數(shù)據(jù)和2008年貴州省凝凍災害

5、森林資源損失調(diào)查數(shù)據(jù)。MCD12Q1數(shù)據(jù)空間分辨率為500m ,時間分辨率為 ly(. gsfc. nasa. gov/),該產(chǎn)品按照國際地圈生物圈計劃 (IGBP)分類標準，將研究區(qū)分為17個土地類型24。木文所研究的 森林區(qū)域主要由常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、 混交林和多樹地區(qū)這6個類型組成(圖1),在該區(qū)域內(nèi)的像元點統(tǒng)稱 為森林像元。而森林災害資源損失調(diào)查工作由貴州省林業(yè)廳組織，共 清查83調(diào)查單位，抽取24914個小班，其中林分小班17231個。為 了和地而小班調(diào)查范圍保持一致，MODIS影像數(shù)據(jù)將不包括羅甸等5 個縣(市)，具體范圍如圖1紅框所示。2研究方法2.

6、1MODIS/NDVI時間序列重構方法根據(jù)MOD13Q1植被指數(shù)科學數(shù)據(jù)集中QA產(chǎn)品的可用性指數(shù)規(guī)則, 可用性指數(shù)共分16個等級，其中像元可用性指數(shù)值越低，表明該像 元的質量越可靠13。利用LDOPE質量分解工具從MOD13Q1得到 QA質量評價波段，建立2005-2008年貴州省森林的NDVI時間序列 和分解其對應QA值。從分解得到的QA波段中獲取植被指數(shù)的“可用 性指數(shù)。計算每期MODIS/NDVI影像對應的可用性均值;每期可用性 均值越低，表明整幅影像的整體可靠性越高，以此來獲取較為可靠的 影像數(shù)據(jù)。但MODIS/NDVI初始數(shù)據(jù)由于受氣溶膠、冰雪、太陽光照 角度及傳感器觀測視角等因素的

7、影響，仍存在一定的噪聲，有必要對 其進行重建15-16,而Savitzky-Golay(S-G)濾波在植被類型提取時表 現(xiàn)出色，能夠較好的平滑VI曲線，具有反映植被變化趨勢等優(yōu)點 17-19O因此，木研究首先利用STL-decomposition方法剔除原始 NDVI時間序列的離異值，然后選擇用S-G濾波方法對剔除變異值后 完整NDVI時間序列進行重建20-21,進一步減少其他因素對影像 質量的干擾。2. 2建立森林災害評估指標和評估方法雪凝災害會造成一段時間森林資源岀現(xiàn)大面積的凍死、腰折、斷 稍等現(xiàn)象，導致災前與災后森林像元的NDVI變化率與往年同時期相 比會發(fā)生明顯的改變，將每個森林像元N

8、DVI值的變化率作為探測森 林災害的指標，記作R,計算公式如下:式中，NDVIpre表示災害前某 個森林像元的NDVI值，NDVIpost表示災后對應位置森林像元NDVI 值?？紤]到雪災對森林災害的后續(xù)影響和影像的質量，在NDVIpre和 NDVIpost關鍵期選擇上，需要滿足兩點:選擇NDVI可用性均值較低 影像數(shù)據(jù)，(2)兩期影像獲取時間處于每年森林的生長期。在大區(qū)域尺 度上，2005-2007年間研究區(qū)沒有出現(xiàn)大規(guī)模森林災害，將任一森 林像元在某個時間段NDVI變化率記作R2005-2006或R2006-2007, 同時 R2005-2006 或 R2006-2007 也可以表示為 R

9、20052007& 其中，RS? 2005-2007和6分別為2005-2007年每個森林像元的NDVI 變化率平均值和平均絕對偏差，由于平均絕對偏差對異常值有更大的 包容性，因而采用平均絕對偏差來代替標準差22。計算研究區(qū)所 有森林像元的R2005-2007,變化范圍可以表示為R Jj? all6all,認為 森林像元變化率在一也II, +也11范圍內(nèi)是屬于正常波動，將Sall 設定的森林災害閾值(DamageThreshold, DT)。當發(fā)生森林災害時，將 森林像元的NDVI變化率記作R2007-2008,將任一森林像元的 R2007-2008 一 R 20052007 值記作 R20072008