興安落葉松林火后植被恢復技術導則

3興安落葉松林火后植被恢復遙感評價技術導則本文件規(guī)定了興安落葉松林火后恢復階段與恢復速率的劃分標準，確立了火后植被不同恢復階段及程度的遙感評價指標體系及其評價流程。本文件適用于內蒙古自治區(qū)興安落葉松森林火燒跡地的植被恢復遙感監(jiān)測。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T20257.1-2017國家基本比例尺地圖圖式第1部分：1：5001：10001：2000地形圖圖式GB/T20257.2-2017國家基本比例尺地圖圖式第2部分：1：50001：10000地形圖圖式GB/T20257.3-2017國家基本比例尺地圖圖式第3部分：1：250001：500001：100000地形圖GB/T20257.4-2017國家基本比例尺地圖圖式第4部分：1：2500001：5000001：1000000地形圖圖式GB/T15968-2008遙感影像平面圖制作規(guī)范LY/T2188.2森林資源數(shù)據(jù)采集技術規(guī)范第2部分：森林資源規(guī)劃設計調查LY/T2188.3森林資源數(shù)據(jù)采集技術規(guī)范第3部分：作業(yè)設計調查3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。3.1植被恢復vegetationregeneration指經森林火災而退化的興安落葉松林利用其自然恢復能力或人工促進恢復，從狀態(tài)逐步恢復形成森林的過程，這里主要是指郁閉度的恢復。3.2遙感時間序列分析time-seriesanalysisusingremotesensing通過對一個區(qū)域進行一定時間段內的連續(xù)遙感觀測，提取圖像有關特征，形成以時間軸為橫坐標的時間序列曲線，并分析其變化過程與發(fā)展規(guī)模。3.3增強型植被指數(shù)enhancedvegetationindex4在遙感植被指數(shù)影像產品中，一種綜合考慮土壤背景、大氣及飽和度問題的增強型植被指數(shù)。3.4TIMESAT軟件包TIMESAT軟件包是由Jonsson和Eklundh共同開發(fā)用來濾波重建植被指數(shù)時間序列數(shù)據(jù)集的程序包。內部封裝了多項式濾波函數(shù)Savizky-Golay（S-G），非對稱高斯函數(shù)和雙Logistic曲線函數(shù)等多種擬合算法。3.5S-G濾波S-Gfilter一種基于移動窗口的加權平均算法，它可以直接用來平滑處理時間域內的數(shù)據(jù)，以達到去噪，剔除異常值的目的。4評價流程4.1流程圖興安落葉松林火后恢復遙感評價具體流程見圖1。圖1興安落葉松林火后恢復遙感評價處理流程圖4.2具體流程4.2.1建立時間序列5基于衛(wèi)星遙感空間影像數(shù)據(jù)，通過S-G濾波算法建立興安落葉松林火燒跡地遙感影像時間序列。S-G濾波是遙感時間序列分析的常用算法，其計算公式見式（1）。yf=σmNCiyJ+i…………(1)式中：yf——多項式擬合值；yJ+i——影像導入原始值；Ci——第i個像元值濾波時的系數(shù)；m——半個濾波窗口的寬度；N——濾波器長度，一般取值3以上。4.2.2確定恢復樣本結合地面火燒跡地調查，確定監(jiān)測區(qū)域火燒跡地不同恢復階段樣本。4.2.3結果評價建立樣地指標與遙感指數(shù)間的回歸模型，計算獲得火燒跡地不同恢復階段與程度的遙感指數(shù)劃分范圍；通過對比樣地與模型結果評價回歸模型精度，并根據(jù)處理結果完成興安落葉松林火燒跡地恢復階段與恢復程度分布圖專題產品。5數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預處理5.1遙感數(shù)據(jù)5.1.1遙感數(shù)據(jù)源選擇a數(shù)據(jù)源應為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源，需根據(jù)火燒范圍大小來確定，林場尺度大小的火燒跡地應考慮選擇較高分辨率的影像數(shù)據(jù)（<30m），而林業(yè)局或大區(qū)域尺度的火燒跡地可考慮中、低分辨率的影像數(shù)據(jù)(≥30m），常見的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源見附錄A；b衛(wèi)星傳感器應具有存檔數(shù)據(jù)，包含制圖區(qū)火燒事件發(fā)生前至少2年和發(fā)生后至少8年的圖像，以構建時間序列；c衛(wèi)星傳感器應具有藍光波段、紅光波段、近紅外波段探測通道；d衛(wèi)星影像時間分辨率應小于30天，空間分辨率應小于1km；e選擇每年生長季（6～8月）云量不超過10%的觀測遙感影像。5.1.2遙感數(shù)據(jù)預處理a根據(jù)不同傳感器選擇相對應的輻射定標參數(shù)，進行影像去云、輻射定標和大氣校正，獲得地表反射率數(shù)據(jù)；b選擇地面控制點進行幾何校正，要求配準誤差在0.5個像元之內；c遙感影像平面坐標系應采用國家規(guī)定的統(tǒng)一坐標系，建議采用高斯-克呂格投影。d根據(jù)反射率影像地物特征，人工目視勾繪火燒跡地邊界矢量圖，并根據(jù)火燒跡地矢量邊界圖，對遙感影像進行剪裁。e計算每年生長季（6月～8月）的增強型植被指數(shù)（EVI求其算術平均值作為當年的生長ed?C2RBlue+L)………(2)6式中：EVI——增強型植被指數(shù)；RNir——近紅外波段反射率；RRed——紅光波段反射率；Rblue——藍光波段反射率；L——土壤調節(jié)參數(shù)，一般為1；C1、C2——NDVI修正參數(shù)，取值分別為6.0和7.5。5.2其他數(shù)據(jù)其他數(shù)據(jù)包含：——制圖區(qū)行政規(guī)劃圖；——制圖區(qū)域火燒跡地情況記錄表；——DEM數(shù)字高程地形圖。6火燒跡地調查6.1調查目的進行地面樣地調查，實測森林結構參數(shù)，用來標定、校準和驗證遙感指標。6.2調查內容和要求a樣地選擇：根據(jù)火燒跡地情況記錄表（附錄B），選擇不同火燒年份的火燒跡地，其特征應滿足在大范圍內面積連續(xù)且地物特征較為均質，對照樣地應選擇靠近火燒跡地范圍的邊界處。以標準樣地30×30m大小為基礎單位，根據(jù)附錄A中衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率大小進行樣地布設，對于分辨率位1km的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，應在1×1km范圍內的4個對角與中間分別布設標準樣地，以5塊標準樣地的均值代表該衛(wèi)星像元對應的樣地實測值?；馃E地與對照樣地對應衛(wèi)星影像的樣點個數(shù)應分別不少于30個。b樣地布設：通過隨機、機械或其他的抽樣方法，布設圓形、方形、帶狀樣地，并應用GPS定位記錄樣地中心位置坐標。c郁閉度調查：根據(jù)樣地實際地形情況，選擇目測法、機械布點法、樣點法、樹冠投影等合適方法測定樣地郁閉度。具體參照LYT2188.3執(zhí)行。6.3調查數(shù)據(jù)處理根據(jù)樣地調查的有林地郁閉度，火燒跡地恢復階段由相對郁閉度指數(shù)RCI確定，RCI計算公式見式（RcI=cpost/ccontrol (3)式中：RCI——相對郁閉度指數(shù)；CPost——火燒樣地郁閉度；Ccontrol——對照樣地郁閉度。7根據(jù)相對郁閉度取值范圍，將火后植被恢復劃分為三個階段，具體見表1。表1興安落葉松林火燒跡地植被恢復階段樣地劃分指標恢復階段恢復早期恢復中期恢復后期RCI≤0.40.4~0.8>0.87評價方法7.1恢復階段評價7.1.1計算相對增強植被指數(shù)（RIEVI）按照式（4）逐像元計算相對增強植被指數(shù)RIEVI，獲得興安落葉松林火后RIEVI空間分布圖。RIEVI=EVIpost/EVIContTol (4)式中：RIEVI——相對增強植被指數(shù)；EVIPost——火燒樣地EVI；EVIcontrol——對照樣地EVI。7.1.2火燒跡地植被恢復階段劃分基于地面相對郁閉度調查結果，提取與地面樣地相同位置的RIEVI遙感指數(shù)，通過回歸統(tǒng)計的方法建立地面相對郁閉度指數(shù)與遙感指數(shù)RIEVI之間的關系函數(shù)（式（5）），計算得出測定的樣地恢復等級所對應的遙感指數(shù)范圍，劃分火燒跡地植被的不同恢復階段。其恢復階段與地面調查劃分一致，劃分為3級，即恢復早期(Ⅰ)、恢復中期(Ⅱ)以及恢復后期(Ⅲ),具體見表2。RIEVI=a×RCI+b (5)式中：a,b——RIEVI與RCI之間線性擬合參數(shù)。表2興安落葉松林火燒跡地植被恢復階段遙感劃分指標恢復階段恢復早期恢復中期恢復后期RIEVI≤0.4×a+b0.4×a+b~0.8×a+b>0.8×a+b7.1.3精度計算8通過樣地數(shù)據(jù)與模型模擬值進行回歸分析，計算模型決定系數(shù)R2來評估回歸模型的預測能力。通過模型精度來調整模型參數(shù)設置，將相關系數(shù)R≥0.7的結果認為是合理參數(shù)設置的標準，其計算公式見式（6）。 σ1xi?2yi?2R2=1xi?)yi? σ1xi?2yi?2式中：n——樣本總數(shù)；i————模型模擬值；I——樣本號。7.2恢復速率評價7.2.1時間序列曲線構建基于TIMESAT軟件，構建遙感時間序列數(shù)據(jù)，具體處理步驟如下：a)導入制圖區(qū)遙感影像時間序列數(shù)據(jù)集，并建立EVI光譜指數(shù)的時間列表文件，統(tǒng)一將影像文件格式裝換為img格式。b)讀取圖像列表文件，采用S-G濾波工具，反復調式參數(shù)窗口大小m與多項式次數(shù)，確定最佳擬合參數(shù)，運行并保存濾波函數(shù)，獲得重構后的影像數(shù)據(jù)。c)對比S-G濾波前后時間序列曲線平滑程度變化對濾波結果進行定性評價。7.2.2計算EVI斜率逐像元提取時序數(shù)據(jù)中每年生長季EVI均值，按照時間順序排列。以火后年份為橫坐標ti，以EVI均值為縱坐標EVIi，擬合線性函數(shù)獲得函數(shù)斜率值，用slopeti,EVIi)表示（式（7））。擬合的要求：擬合點最少8個，為火后8年的EVI。P<0.01，呈顯著相關。slopeti,EVIi=σ1iti?)……(7)擬合點最少8個，為火后8年的EVI。P<0.01，呈顯著相關。式中：i——E中，第i年的EVI值；i————所對應的時間；7.2.3計算相對恢復速率（RTI）按照式（8）計算大興安嶺林區(qū)火后植被恢復速率遙感指數(shù)。RTI為基于EVI時間序列計算的相對恢復時間，它反映EVI恢復到植被火前水平時所需要花費的時間，RTI值越大，說明其植被恢復程度越低，反之，則表明其植被恢復程度越高。RTI=……(8)式中：9RTI——相對恢復時間指數(shù)；EVIr0——火燒當年EVI平均值；EVIpre——火前EVI平均值。7.2.4恢復速率劃分逐像元計算可以得到相對恢復速率指數(shù)分布圖像。并將火后植被恢復速率劃分為三個等級：恢復快速、恢復中速和恢復慢速，見表3。表3興安落葉松林植被恢復速率劃分指標恢復速率（年）快中慢RTI4～8>88評價成果8.1制圖專題制圖要素包括圖名、圖例、比例尺、恢復程度、行政區(qū)劃信息等?；镜貓D要素制作方式按GB/T20257、GB/T15968完成。8.2評價報告大興安嶺地區(qū)植被火后恢復程度遙感評價報告內容包括火燒跡地基本發(fā)生情況、受害面積、樣地現(xiàn)狀、衛(wèi)星傳感器的選擇、遙感數(shù)據(jù)處理過程、擬合回歸模型過程、專題圖內容解析、恢復評價及其建議等。在遙感評價報告中，重點針對植被恢復早期階段，并且恢復速率慢的火燒跡地開展分析和經營措施規(guī)劃建議。（資料性）常用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率和光譜特征表表A.1常用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間分辨率和光譜特征表遙感衛(wèi)星傳感器運行時間/a波段光譜范圍/μm空間分辨率重返時間/dTerraMODIS1999~可見光可見光可見光可見光可見光可見光可見光可見光近紅外0.405-0.420.438-0.480.483-0.4930.526-0.5360.546-0.5560.662-0.6720.673-0.6830.743-0.7530.862-0.8771LandsatTM1984~2013藍綠紅近紅外短波紅外熱紅外短波紅外0.45-0.520.52-0.600.63-0.690.76-0.902.08-2.3530m30m30m30m30m60m30mOLI2013~深藍藍綠紅近紅外短波紅外短波紅外全色卷云0.43-0.450.45-0.510.52-0.600.63-0.680.84-0.882.10-2.300.50-0.6830m30m30m30m30m30m30m30mSentinel-2MSI2A:2015~2B:2017~海岸/氣溶膠藍綠紅植被紅邊近紅外（寬）近紅外（窄）水蒸氣短波紅外0.43-0.450.45-0.540.54-0.680.68-0.710