興安落葉松林火后植被恢復(fù)技術(shù)導(dǎo)則

3興安落葉松林火后植被恢復(fù)遙感評價技術(shù)導(dǎo)則本文件規(guī)定了興安落葉松林火后恢復(fù)階段與恢復(fù)速率的劃分標準，確立了火后植被不同恢復(fù)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(nèi)蒙古自治區(qū)興安落葉松森林火燒跡地的植被恢復(fù)遙感監(jiān)測。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(yīng)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(shù)規(guī)范第2部分：森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查LY/T2188.3森林資源數(shù)據(jù)采集技術(shù)規(guī)范第3部分：作業(yè)設(shè)計調(diào)查3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1植被恢復(fù)vegetationregeneration指經(jīng)森林火災(zāi)而退化的興安落葉松林利用其自然恢復(fù)能力或人工促進恢復(fù)，從狀態(tài)逐步恢復(fù)形成森林的過程，這里主要是指郁閉度的恢復(fù)。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(nèi)的連續(xù)遙感觀測，提取圖像有關(guān)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(chǎn)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(nèi)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(quán)平均算法，它可以直接用來平滑處理時間域內(nèi)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(fù)遙感評價具體流程見圖1。圖1興安落葉松林火后恢復(fù)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(dǎo)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(fù)樣本結(jié)合地面火燒跡地調(diào)查，確定監(jiān)測區(qū)域火燒跡地不同恢復(fù)階段樣本。4.2.3結(jié)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(fù)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(jié)果評價回歸模型精度，并根據(jù)處理結(jié)果完成興安落葉松林火燒跡地恢復(fù)階段與恢復(fù)程度分布圖專題產(chǎn)品。5數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(gòu)建時間序列；c衛(wèi)星傳感器應(yīng)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(yīng)小于30天，空間分辨率應(yīng)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(yù)處理a根據(jù)不同傳感器選擇相對應(yīng)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(nèi)；c遙感影像平面坐標系應(yīng)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(shù)平均值作為當(dāng)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(diào)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(diào)查6.1調(diào)查目的進行地面樣地調(diào)查，實測森林結(jié)構(gòu)參數(shù)，用來標定、校準和驗證遙感指標。6.2調(diào)查內(nèi)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(yīng)滿足在大范圍內(nèi)面積連續(xù)且地物特征較為均質(zhì)，對照樣地應(yīng)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(chǔ)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(shè)，對于分辨率位1km的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，應(yīng)在1×1km范圍內(nèi)的4個對角與中間分別布設(shè)標準樣地，以5塊標準樣地的均值代表該衛(wèi)星像元對應(yīng)的樣地實測值。火燒跡地與對照樣地對應(yīng)衛(wèi)星影像的樣點個數(shù)應(yīng)分別不少于30個。b樣地布設(shè)：通過隨機、機械或其他的抽樣方法，布設(shè)圓形、方形、帶狀樣地，并應(yīng)用GPS定位記錄樣地中心位置坐標。c郁閉度調(diào)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(diào)查數(shù)據(jù)處理根據(jù)樣地調(diào)查的有林地郁閉度，火燒跡地恢復(fù)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(fù)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(fù)階段樣地劃分指標恢復(fù)階段恢復(fù)早期恢復(fù)中期恢復(fù)后期RCI≤0.40.4~0.8>0.87評價方法7.1恢復(fù)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(fù)階段劃分基于地面相對郁閉度調(diào)查結(jié)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(guān)系函數(shù)（式（5）），計算得出測定的樣地恢復(fù)等級所對應(yīng)的遙感指數(shù)范圍，劃分火燒跡地植被的不同恢復(fù)階段。其恢復(fù)階段與地面調(diào)查劃分一致，劃分為3級，即恢復(fù)早期(Ⅰ)、恢復(fù)中期(Ⅱ)以及恢復(fù)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(fù)階段遙感劃分指標恢復(fù)階段恢復(fù)早期恢復(fù)中期恢復(fù)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(yù)測能力。通過模型精度來調(diào)整模型參數(shù)設(shè)置，將相關(guān)系數(shù)R≥0.7的結(jié)果認為是合理參數(shù)設(shè)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(fù)速率評價7.2.1時間序列曲線構(gòu)建基于TIMESAT軟件，構(gòu)建遙感時間序列數(shù)據(jù)，具體處理步驟如下：a)導(dǎo)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(fù)調(diào)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(gòu)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(jié)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(guān)。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(guān)。式中：i——E中，第i年的EVI值；i————所對應(yīng)的時間；7.2.3計算相對恢復(fù)速率（RTI）按照式（8）計算大興安嶺林區(qū)火后植被恢復(fù)速率遙感指數(shù)。RTI為基于EVI時間序列計算的相對恢復(fù)時間，它反映EVI恢復(fù)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(fù)程度越低，反之，則表明其植被恢復(fù)程度越高。RTI=……(8)式中：9RTI——相對恢復(fù)時間指數(shù)；EVIr0——火燒當(dāng)年EVI平均值；EVIpre——火前EVI平均值。7.2.4恢復(fù)速率劃分逐像元計算可以得到相對恢復(fù)速率指數(shù)分布圖像。并將火后植被恢復(fù)速率劃分為三個等級：恢復(fù)快速、恢復(fù)中速和恢復(fù)慢速，見表3。表3興安落葉松林植被恢復(fù)速率劃分指標恢復(fù)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(fù)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(fù)程度遙感評價報告內(nèi)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(nèi)容解析、恢復(fù)評價及其建議等。在遙感評價報告中，重點針對植被恢復(fù)早期階段，并且恢復(fù)速率慢的火燒跡地開展分析和經(jīng)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