王文娟

(河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)，鄭州，450002)

鄧榮鑫

(華北水利水電學(xué)院)

李 穎 張樹文 史曉亮

(中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所)

遙感技術(shù)的發(fā)展為人類提供了從多維和多尺度去認(rèn)識(shí)和研究地球表面的新方法和新手段。遙感技術(shù)作為目前一種最先進(jìn)的信息采集方式，是資源環(huán)境監(jiān)測(cè)中非常重要的技術(shù)手段，在對(duì)大尺度防護(hù)林調(diào)查中發(fā)揮了十分重要的作用。

在我國，遙感作為資源環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段，真正用于防護(hù)林遙感監(jiān)測(cè)始于1986年以徐冠華院士為首席科學(xué)家的“三北防護(hù)林遙感綜合調(diào)查”，它以Landsat5 TM為基本信息源，在重點(diǎn)造林區(qū)開展防護(hù)林類型、分布、面積和保存率遙感調(diào)查，并在此基礎(chǔ)上建立資源與環(huán)境信息系統(tǒng)，對(duì)防護(hù)林防護(hù)效益和不同類型地區(qū)造林適宜性作出分析和評(píng)價(jià)，為“三北”地區(qū)綜合治理提供連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)、分布資料和圖件［1］。將景觀生態(tài)學(xué)指標(biāo)引入到農(nóng)田防護(hù)林結(jié)構(gòu)分析中，并利用遙感數(shù)據(jù)開展中小尺度農(nóng)田防護(hù)林景觀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)研究，可為農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)的宏觀布局存在的問題提出針對(duì)性的建設(shè)意見和經(jīng)營方向。周新華等［2］以1987年攝制的，比例尺為1∶10 000的24幅航片為基礎(chǔ)，將景觀生態(tài)學(xué)中描述網(wǎng)格特征的連接度、環(huán)度、帶豐度、帶斑比、優(yōu)勢(shì)度等指標(biāo)引入到農(nóng)田防護(hù)林研究中，從林網(wǎng)成型狀況、數(shù)量以及分布均勻程度等3個(gè)方面綜合地描述和度量了吉林省農(nóng)安縣前崗鄉(xiāng)林網(wǎng)現(xiàn)狀。孫保平等［3］根據(jù)1990年攝制的北京市大興縣北藏鄉(xiāng)1∶25000比例尺的航空像片判讀量測(cè)結(jié)果，利用連接度、環(huán)度、帶斑比、優(yōu)勢(shì)度等指標(biāo)評(píng)價(jià)和研究了該地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)在景觀中的宏觀布局。關(guān)文彬等［4］、梁萬君［5］利用航片轉(zhuǎn)繪的土地利用現(xiàn)狀圖，評(píng)價(jià)了農(nóng)田防護(hù)林的宏觀布局，并對(duì)研究區(qū)域的防護(hù)林分布存在的問題提出針對(duì)性的建設(shè)和經(jīng)營方向。

可見，遙感為農(nóng)田防護(hù)林的研究提供了許多有用的空間信息，同時(shí)有助于研究大尺度和跨尺度上的景觀格局，遙感技術(shù)已經(jīng)成為研究大尺度上景觀格局動(dòng)態(tài)的重要監(jiān)測(cè)手段。隨著遙感空間分辨率的提高，可以更精確地獲取農(nóng)田防護(hù)林信息，并對(duì)其進(jìn)行景觀評(píng)價(jià)，但同時(shí)必然造成調(diào)查成本的增加。所以應(yīng)根據(jù)研究目的的不同來選擇合適的遙感數(shù)據(jù)，文中選擇覆蓋研究區(qū)內(nèi)的TM與SPOT5數(shù)據(jù)，分析不同空間分辨率數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)內(nèi)防護(hù)林?jǐn)?shù)量及防護(hù)林景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，為進(jìn)行農(nóng)田防護(hù)林調(diào)查時(shí)，針對(duì)不同目的進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

本研究以吉林省中西部三北防護(hù)林工程重點(diǎn)建設(shè)區(qū)為研究區(qū)域，包括德惠和農(nóng)安的部分地區(qū)(圖1)，該地區(qū)地處松遼平原，主要?dú)夂驅(qū)俸疁貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，風(fēng)蝕危害比較嚴(yán)重。該地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林自1978年實(shí)施“三北”防護(hù)林體系建設(shè)工程以來，已基本實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田林網(wǎng)化，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)起到了重要的作用。

2 研究方法

2.1 影像數(shù)據(jù)選擇與處理

遙感影像的選取原則:為了保證影像的高度清晰，影像云覆蓋至少低于影像面積的10%;數(shù)據(jù)季相相對(duì)一致，并且為了區(qū)分農(nóng)田防護(hù)林與耕地，影像主要選擇在五六月份。最后選擇的數(shù)據(jù)為2008年6月12日的Landsat－5 TM影像和2007年4月29日的SPOT5影像。

遙感影像的幾何精糾正的方法采用地面控制點(diǎn)法［6］。在ERDAS平臺(tái)下，采取控制點(diǎn)，利用已經(jīng)建立投影的20世紀(jì)70年代1∶10萬地形圖作為控制空間來完成對(duì)TM影像和SPOT5影像的配準(zhǔn)［7］。校正后為正軸等積雙標(biāo)準(zhǔn)緯線圓錐投影(albers)，誤差控制在0.5個(gè)像元。

圖1 研究區(qū)位置

2.2 農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)生成

TM數(shù)據(jù)使用432假彩色合成影像，SPOT5數(shù)據(jù)使用與2.5 m全色波段融合后的影像，農(nóng)田防護(hù)林在標(biāo)準(zhǔn)假彩色TM影像中的特點(diǎn)為:線狀、紅色，并且防護(hù)林間具有較規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。使用人機(jī)交互的方法分別進(jìn)行基于TM影像和SPOT5影像的農(nóng)田防護(hù)林解譯，解譯結(jié)果如圖2(以TM影像解譯結(jié)果為例)。并于2008年9月中旬對(duì)遙感影像獲取的農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，由于防護(hù)林特征較為明顯，與其他植被差異較易區(qū)分，解譯精度在95%以上。

圖2 研究區(qū)農(nóng)田防護(hù)林解譯結(jié)果圖

2.3 土地利用數(shù)據(jù)生成

基于TM遙感影像的土地信息解譯精度按照1∶10萬比例尺數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，參考國內(nèi)外全球變化(包括LUCC)研究中土地利用分類體系，結(jié)合研究目的、數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)和研究區(qū)狀況，制定了耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類一級(jí)類及19個(gè)二級(jí)類的土地利用分類體系。具體分類體系及指標(biāo)參見文獻(xiàn)［8］。耕地、建設(shè)用地等類型，按照2 mm×2 mm的上圖標(biāo)準(zhǔn)，相當(dāng)于當(dāng)時(shí)使用的陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)的6×6個(gè)像元，林地、草地、水域、未利用土地等上圖標(biāo)準(zhǔn)為15 mm2，約相對(duì)于12 ×12 個(gè)像元［9］，解譯結(jié)果如圖3。

圖3 研究區(qū)土地利用解譯結(jié)果圖

基于SPOT5遙感影像的土地信息解譯精度按照1∶1萬比例尺數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，最小圖斑上圖面積標(biāo)準(zhǔn)參考第二次全國土地調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)［10］:城鎮(zhèn)村及工礦用地為圖上4 mm2，耕地、園地為6 mm2，林地、草地等其他地類為15 mm2。

2.4 景觀指標(biāo)計(jì)算

林網(wǎng)在景觀上的布局用景觀生態(tài)學(xué)中描述網(wǎng)絡(luò)特征的指標(biāo)來度量。作為由防護(hù)林帶相互連接而成的農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)就是每2條或2條以上的林帶連接點(diǎn)和交叉點(diǎn)以及單條林帶的端點(diǎn)，連邊就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的林帶。度量景觀水平上農(nóng)田林網(wǎng)的空間布局主要使用林網(wǎng)的連接度、環(huán)通度、帶斑比、優(yōu)勢(shì)度等指標(biāo)［3］。

林網(wǎng)帶斑比:帶斑比是防護(hù)林帶面積與需被防護(hù)斑塊面積之比，是從林網(wǎng)面積和數(shù)量方面度量林網(wǎng)在景觀中豐盛程度的指標(biāo)，近似于林網(wǎng)需要被防護(hù)的斑塊的覆蓋率，是在宏觀上度量防護(hù)林的總量指標(biāo)，其值的大小直接反映了林帶的比例。其計(jì)算公式為:

式中:P為林網(wǎng)帶斑比;Sb為林帶面積;A為需被防護(hù)的斑塊面積。

林網(wǎng)連接度和環(huán)度:林網(wǎng)連接度和環(huán)度表示林網(wǎng)在農(nóng)田景觀中網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)及成型狀況，它表達(dá)了農(nóng)田防護(hù)林體系網(wǎng)絡(luò)完整與否，也是農(nóng)田防護(hù)林能否高效的一個(gè)決定因素。

連接度的計(jì)算公式為:

式中:Q為林網(wǎng)連接度;Nb為主副林帶數(shù)之和;n為未建林網(wǎng)時(shí)景觀中需被防護(hù)斑塊數(shù);Lmax(V)為林網(wǎng)最多林帶(連邊)數(shù)，它是節(jié)點(diǎn)數(shù)V的函數(shù)。

環(huán)度計(jì)算公式為:

式中:R為林網(wǎng)環(huán)度;Nb為主副林帶數(shù)之和;n為未建林網(wǎng)時(shí)景觀中需被防護(hù)斑塊數(shù);Hmax(V)表示林網(wǎng)最大環(huán)路數(shù)，也是節(jié)點(diǎn)數(shù)V的函數(shù)。

林網(wǎng)優(yōu)勢(shì)度:優(yōu)勢(shì)度可被用來度量林網(wǎng)在景觀中的數(shù)量及其分布的均勻程度，確定林網(wǎng)在景觀中的地位及對(duì)景觀基質(zhì)的影響［11］。一般認(rèn)為，系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)度取決于其相對(duì)多度、頻度和蓋度。其計(jì)算公式為:

其中，林網(wǎng)的相對(duì)多度Rd=Nb/(N+M+Nb－n);林網(wǎng)頻度Rf=A/S;林網(wǎng)蓋度Rc=Sb/S。

式中:D為林網(wǎng)優(yōu)勢(shì)度;N為未建防護(hù)林之前整個(gè)景觀中斑塊和廊帶的總數(shù);M為林網(wǎng)建成后景觀中被防護(hù)斑塊的數(shù)量;S為景觀總面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)量對(duì)比

從林帶長(zhǎng)度上，SPOT5數(shù)據(jù)解譯的農(nóng)田防護(hù)林林帶長(zhǎng)度為3 390 km，要少于TM數(shù)據(jù)的3 664 km，而從林帶條數(shù)來看，SPOT5數(shù)據(jù)解譯的林帶條數(shù)為7 064條，多于TM數(shù)據(jù)的6 545條。這兩者看似較為矛盾，其實(shí)這與2個(gè)影像的空間分辨率有關(guān)，由于SPOT5融合后影像的空間分辨率達(dá)到了2.5 m，所以對(duì)于一條存在斷口的防護(hù)林帶，SPOT5數(shù)據(jù)能夠較為明顯地反映出來，而TM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，可能無法反映，所以同一條林帶，SPOT5可能用多條來表示，而TM可能只用1條，這就造成SPOT5數(shù)據(jù)的林帶條數(shù)多，但長(zhǎng)度卻少于TM數(shù)據(jù)。從兩者的誤差比較來看，林帶長(zhǎng)度的相對(duì)誤差為7.5%，林帶條數(shù)的相對(duì)誤差為7.9%。因此得出，雖然利用SPOT5與TM影像進(jìn)行農(nóng)田防護(hù)林解譯在數(shù)量上存在差異，但兩者的這種差異在可接受的范圍之內(nèi)。

3.2 農(nóng)田防護(hù)林景觀指標(biāo)對(duì)比

景觀指標(biāo)的計(jì)算需要用到農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)與土地利用數(shù)據(jù)，文中分別計(jì)算了SPOT5農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)與SPOT5土地利用數(shù)據(jù)、TM農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)與TM土地利用數(shù)據(jù)、SPOT5農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)與TM土地利用數(shù)據(jù)、TM農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)與SPOT5土地利用數(shù)據(jù)等不同組合的農(nóng)田防護(hù)林景觀指標(biāo)(表1)，在該研究區(qū)域內(nèi)，Shi et al.計(jì)算了林網(wǎng)在合理狀態(tài)下帶斑比、連接度、環(huán)度和優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算結(jié)果分別為0.035、0.531、0.317、0.351［12］，并且，據(jù)報(bào)道認(rèn)為林網(wǎng)各實(shí)際指標(biāo)值在其合理值為0.85～1.15倍時(shí)屬于優(yōu)質(zhì)林網(wǎng)［13］。以此為標(biāo)準(zhǔn)，分析研究區(qū)內(nèi)林網(wǎng)的景觀布局狀況，通過計(jì)算得出，優(yōu)勢(shì)度在優(yōu)質(zhì)林網(wǎng)的范圍之內(nèi)，表明研究區(qū)現(xiàn)有農(nóng)田防護(hù)林的分布較為均勻;但帶斑比、連接度和環(huán)度的誤差較大，說明研究區(qū)域農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)量與面積不足，主副林帶條數(shù)不足，成型狀況較差，農(nóng)田防護(hù)林形成的閉合網(wǎng)格較少。

表1 SPOT5與TM數(shù)據(jù)計(jì)算的農(nóng)田防護(hù)林景觀指標(biāo)值

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于帶斑比，4種情況下得出的帶斑比幾乎一致，可見SPOT5與TM數(shù)據(jù)解譯的農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)量方面基本一致，并無顯著差異。對(duì)于連接度，1、4兩種結(jié)果較為一致，2、3兩種結(jié)果較為一致，因此可以得出，不同數(shù)據(jù)源解譯的農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)連接度指標(biāo)無顯著影響，而不同數(shù)據(jù)源解譯的土地利用數(shù)據(jù)對(duì)連接度指標(biāo)影響較大，其相對(duì)誤差約為16%，并且TM解譯的土地利用數(shù)據(jù)計(jì)算值高于SPOT5數(shù)據(jù)，這是因?yàn)門M解譯的土地利用數(shù)據(jù)斑塊綜合大于SPOT5數(shù)據(jù)，使研究?jī)?nèi)斑塊數(shù)量相對(duì)較少，從公式(2)中就可以得出計(jì)算的連接度較大;對(duì)于環(huán)度，4種情況下的計(jì)算結(jié)果差異均較大，相對(duì)而言1、4結(jié)果較接近，2、3結(jié)果較接近，從而得出，不同數(shù)據(jù)源解譯的防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)與土地利用數(shù)據(jù)對(duì)景觀結(jié)果均有較大影響，不同數(shù)據(jù)源解譯的土地利用數(shù)據(jù)相對(duì)誤差達(dá)到79%，不同數(shù)據(jù)源解譯的農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)相對(duì)誤差達(dá)到41%，從公式(3)分析，土地利用數(shù)據(jù)的影響主要仍然是斑塊數(shù)量，防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)的影響主要是節(jié)點(diǎn)數(shù)，由于SPOT解譯的防護(hù)林?jǐn)帱c(diǎn)較多，從而造成計(jì)算的環(huán)度較差;對(duì)于優(yōu)勢(shì)度，1、4兩種結(jié)果較為一致，2、3兩種結(jié)果較為一致，進(jìn)而得出，不同數(shù)據(jù)源解譯的農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)優(yōu)勢(shì)度指標(biāo)無顯著影響，而不同數(shù)據(jù)源解譯的土地利用數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)勢(shì)度指標(biāo)影響較大，其相對(duì)誤差約為22%。通過計(jì)算分析，不同數(shù)據(jù)源解譯的土地利用數(shù)據(jù)對(duì)林網(wǎng)頻度和林網(wǎng)蓋度的影響不大，主要是對(duì)林網(wǎng)相對(duì)多度的影響，利用TM數(shù)據(jù)解譯的土地利用數(shù)據(jù)斑塊數(shù)少于SPOT5數(shù)據(jù)，從而使計(jì)算的相對(duì)多度變大，使TM解譯的土地利用數(shù)據(jù)計(jì)算的林網(wǎng)優(yōu)勢(shì)度值高于SPOT5數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與討論

利用TM影像與SPOT5影像提取出農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)與土地利用數(shù)據(jù)，并組合不同數(shù)據(jù)源計(jì)算出各農(nóng)田防護(hù)林景觀指標(biāo)，通過比較提取結(jié)果數(shù)量和指標(biāo)值的差異分析不同數(shù)據(jù)源對(duì)于農(nóng)田防護(hù)林景觀指標(biāo)的影響，為不同研究目的選擇合適的數(shù)據(jù)源提供借鑒。通過分析得出，從數(shù)量值上來看，不同數(shù)據(jù)源解譯的林帶長(zhǎng)度的相對(duì)誤差為7.5%，林帶條數(shù)的相對(duì)誤差為7.9%;從景觀指標(biāo)值來看，帶斑比基本不受數(shù)據(jù)源的影響，即TM數(shù)據(jù)和SPOT5數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)量的反映較為一致，不同源的土地利用數(shù)據(jù)對(duì)連接度與優(yōu)勢(shì)度的影響較大，其相對(duì)誤差分別為16%和22%，而農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)其影響不大，所以應(yīng)根據(jù)研究需要選擇合適的土地利用數(shù)據(jù)以提高計(jì)算精度。不同數(shù)據(jù)源的農(nóng)田防護(hù)林?jǐn)?shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)度的影響均較大，所以該指標(biāo)對(duì)于數(shù)據(jù)源的選擇最敏感。

TM與SPOT5數(shù)據(jù)是目前農(nóng)田防護(hù)林調(diào)查中最為經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)源，明確2種數(shù)據(jù)源的不同特點(diǎn)，便于針對(duì)不同的研究尺度與研究目的更科學(xué)地選擇數(shù)據(jù)。

［1］布和敖斯?fàn)?，劉紀(jì)遠(yuǎn)，王長(zhǎng)耀.遙感技術(shù)在我國資源和環(huán)境變化研究中的作用［J］.科技導(dǎo)報(bào)，1997(8):14－17.

［2］周新華，孫中偉.試論林網(wǎng)在景觀中布局的宏觀度量與評(píng)價(jià)［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，1994，14(1):24 －31.

［3］孫保平，岳德鵬，趙廷寧，等.北京市大興縣北藏鄉(xiāng)農(nóng)田林網(wǎng)景觀結(jié)構(gòu)的度量與評(píng)價(jià)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，19(1):45－50.

［4］關(guān)文彬，李春平，范秀珍，等.京郊北藏鄉(xiāng)防護(hù)林景觀生態(tài)評(píng)價(jià)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(2):25 －30.

［5］梁萬君.吉林省西部農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)學(xué)研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2007.

［6］Martin D，Bracken L.The integration and socioeconomic and physical resource data for applied land management information systems［J］.Applied Geography，1993:45 －53.

［7］毛鋒，王瑞萍，姚興雙，等.地理信息系統(tǒng):MGE方法［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1997.

［8］劉紀(jì)遠(yuǎn)，張?jiān)鱿椋瑥垬湮?，?中國土地利用變化的遙感時(shí)空信息研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［9］張樹文，張養(yǎng)貞，李穎，等.東北地區(qū)土地利用/覆被時(shí)空特征分析［M］.北京:科學(xué)出版社，2006.

［10］中華人民共和國國土資源部.第二次全國土地調(diào)查技術(shù)規(guī)程［M］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［11］范志平，關(guān)文彬，曾德慧，等.東北地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林高效多功能經(jīng)營的指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12(5):701－705.

［12］Shi Xiaoliang，Li Ying，Deng Rongxin.A method for spatial heterogeneity evaluation on landscape pattern of farmland shelterbelt networks:A case study in midwest of Jilin Province，China［J］.Chinese Geographical Science，2011，21(1):48 －56.

［13］姜鳳岐，朱教君，曾德慧，等.防護(hù)林經(jīng)營學(xué)［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2003.