陳新福

(福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,福建 福州 350007)

三明市位于福建省中部連接西北隅，東臨福州、南接泉州、北靠南平、西連龍巖，西北部與江西省接壤。全市土地總面積2.29萬 km2，呈東南—西北高低走向。其中，耕地面積16.97萬 hm2，非耕地面積191.19萬 hm2，道路、水域、村莊等占地面積21.44萬 hm2，分別占總土地面積的7.4%、83.3%和9.3%，具有“八山一水一分田”之稱[1]。三明市屬于典型的亞熱帶季風氣候，寧化、建寧、明溪等高海拔地區(qū)為中亞熱帶氣候區(qū)，南部和東南部海拔相對較低的地區(qū)為南亞熱帶氣候。域內(nèi)全年氣候溫暖濕潤，四季明顯，降水量充沛，年均溫17～19.4℃。三明市是一座新興的工業(yè)城市，是國家園林城市和中國優(yōu)秀旅游城市，2016年9月被授予“國家森林城市”稱號。為掌握三明市林業(yè)資源動態(tài)，采用2009年和2018年遙感影像調(diào)查數(shù)據(jù)進行動態(tài)分析與評價，為制定全市林業(yè)持續(xù)發(fā)展規(guī)劃和森林資源保護提供幫助。

1 林業(yè)資源概況

三明市森林資源非常豐富，不僅享有“綠色寶庫”的美譽，還是中國集體林區(qū)綜合改革重點實驗區(qū)，全市林業(yè)用地面積187.53萬 hm2，占土地總面積的81.7%；森林面積161.53萬 hm2，占林業(yè)用地面積的86.14%；活立木蓄積量1.21億 m3，毛竹儲量3.8億株；年產(chǎn)木材200萬 m3、松香4萬 t，商品竹 4 000 多萬支、筍干3萬 t余。木竹和其他林業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量占福建省的 1/3 左右，林業(yè)產(chǎn)值約占三明市工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的 1/4。森林資源以杉木林、馬尾松林、竹林和闊葉樹林為主[2]。

2 數(shù)據(jù)來源

2.1 遙感數(shù)據(jù)

本文選用的遙感影像資料為2009年1月1日30 m分辨率的TM影像及2018年6月30日5.8 m分辨率的資源三號衛(wèi)星影像(ZY-3)，同時收集三明市土地資源利用現(xiàn)狀和城市規(guī)劃圖。TM遙感影像主要包含7個波段，每個波段波長及分辨率見表1。

ZY-3衛(wèi)星通過立體觀測可以測繪1∶50 000比例尺地形圖，彌補了中國立體測繪圖的空白[3-4]。ZY-3影像技術(shù)指標見表2。

2.2 輔助數(shù)據(jù)

本次研究中的輔助數(shù)據(jù)主要包含了當前三明市土地利用現(xiàn)狀、二類調(diào)查數(shù)據(jù)和實地調(diào)查數(shù)據(jù)等。

3 研究方法

3.1 研究內(nèi)容

通過遙感影像，明確不同時期三明市林業(yè)資源分布情況，借助ENVI 4.8系統(tǒng)完成影像校正、影像融合，控制誤差，完成三明市數(shù)字影像圖；根據(jù)三明市林業(yè)資源分類，在ArcGIS支持下采取K-Means方法和支持向量機方法作出RS影像上的森林類型解釋；最后，借助FRAGSTATS軟件計算三明市森林景觀指數(shù)，分析三明市林業(yè)資源演化態(tài)勢[5]。

表1 TM影像各波段波長及分辨率

表2 ZY-3影像技術(shù)指標

3.2 數(shù)據(jù)預處理

3.2.1 大氣校正

大氣校正是為了消除遙感影像中因為大氣散射引發(fā)輻射誤差的處理方式[6-7]，校正后的影像如圖1、圖2所示。

3.2.2影像裁剪及融合

在ArcGIS 11.0支持下利用規(guī)則裁剪獲取影像，將裁剪后的影像資料進行校正，并采取全色和多光譜數(shù)據(jù)融合明確三明市林業(yè)資源分配[8](圖3)。

3.2.3波段合成

不同波段的組合表現(xiàn)出不同的遙感影像，TM遙感影像中有7個波段，ZY-3遙感影像中有4個波段，根據(jù)不同林業(yè)景觀光譜特征，采取不同波段組合的方式對3期遙感數(shù)據(jù)波段進行合成(圖4)。

圖1 2009年RS影像FLAASH校正前后

圖2 2018年RS影像FLAASH校正前后

3.3 遙感影像林業(yè)信息提取

3.3.1 研究林業(yè)類型劃分

根據(jù)三明市2008年和2016年森林資源二類調(diào)查成果數(shù)據(jù)，綜合考慮調(diào)查比例尺、遙感影像資料可辨別性、適用性和系統(tǒng)性，主要提取建筑用地、林地、水體、耕地4種類型的遙感影像信息[9-10]。

3.3.2信息提取方法選擇

遙感影像分類通?？煞譃槟恳暯忉尯陀嬎銠C自動解釋2種方法。相對傳統(tǒng)的目視解釋方法的精準度是非常高的，但是對解釋者的經(jīng)驗和知識儲備要求很高，本文選取計算機自動解釋法[11]。計算機自動解釋法主要分成非監(jiān)督分類(聚類分析)、監(jiān)督分類(訓練分類)2種，主要融合了專家分析、對象信息提取和人工智能等多種分析方式[12]。

圖4 三明市不同時期遙感影像

3.3.3遙感影像解釋與結(jié)果選擇

在ENVI 14.8系統(tǒng)中，非監(jiān)督分類有K-Means和ISODATA 2種類型，本研究選取K-Means方法分類(圖5)[13]。

監(jiān)督分類法主要有平行六面體、最小距離、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機和馬氏距離等多種方法，本研究主要選取支持向量機方法[14](圖6)。

3.4 評價結(jié)果

在ENVI 14.8系統(tǒng)支持下將分類結(jié)果疊加與混淆矩陣相結(jié)合，利用實地調(diào)查數(shù)據(jù)，對上述2種分類結(jié)果進行評價，得出分類結(jié)構(gòu)總體精度與Kappa系數(shù)?？傮w精度越趨近于“1”，表示影像中分類正確的像元越多，影像圖像更精準。Kappa系數(shù)用于一致性檢驗，Kappa系數(shù)≥0.75時，表示一致性很好；Kappa系數(shù)為0.4～0.75時，一致性良好；Kappa系數(shù)<0.4時，一致性較差[15-16]。2類分類結(jié)果評價結(jié)果見表3。

表3 K-means與支持向量機分類結(jié)果總體精度與 Kappa系數(shù)

從表3可以看出，支持向量機分類方法的總體精度與Kappa系數(shù)都明顯高于K-means分類方法，本研究將以支持向量機分類法作為三明市林業(yè)資源分類方法。

圖5 K-Means分類結(jié)果(多光譜融合影像)

圖6 支持向量機分類

4 結(jié)果與分析

4.1 三明市林業(yè)資源格局演變及分析

運用FRAGSTSTS軟件將三明市林業(yè)資源格局分成斑塊尺度、斑塊類型與資源尺度3個類型，基于市域內(nèi)林業(yè)資源分析，本次討論尚未將單個斑塊類型納入研究對象，僅從斑塊類型尺度與資源尺度格局變化進行分析，并且結(jié)合支持向量機分類遙感圖譜分析三明市林業(yè)資源格局演變。

4.1.1斑塊類型層面

立足林業(yè)資源類型尺度，選取斑塊類型、數(shù)量、面積百分比等7項指標進行分析，明確三明市林業(yè)資源斑塊類型演變情況(表4)。

結(jié)合表4對三明市林業(yè)資源分布特征進行分析。

1)斑塊面積特征

從斑塊面積類型來看，三明市建筑用地不斷增長，與城市化進程一致；林地面積由2018年的 1 431 100 hm2增長到 1 615 300 hm2，林地面積有所增長但增速緩慢；水體與耕地面積相應(yīng)減少，與三明市改造河流和退耕還林政策密切相關(guān)。同時，部分耕地用于發(fā)展林業(yè)經(jīng)濟也是導致耕地減少的重要原因之一。

表4 類型尺度上資源分布情況

2)斑塊數(shù)量與斑塊密度

斑塊數(shù)量和斑塊密度直接表現(xiàn)了景觀類型的破碎度和異質(zhì)化程度，數(shù)值越大表明斑塊的破碎度和斑塊密度之間異質(zhì)化程度越大[17]。2009—2018年十年間，建筑用地、林地斑塊數(shù)量和密度增長明顯，并呈現(xiàn)同步增長趨勢，水體與耕地的數(shù)量變化差異不大。客觀上說明了城市建設(shè)與林業(yè)資源發(fā)展是有一定關(guān)聯(lián)的，尤其是城市綠化、苗圃等將推動林業(yè)資源的發(fā)展。

在平臺所屬行業(yè)領(lǐng)域上，調(diào)研的平臺主要分為兩類：一類是垂直行業(yè)的科研眾包平臺，如“化學加”網(wǎng)、快包平臺、LED行業(yè)眾包平臺等，這類平臺專注某一具體行業(yè)，其創(chuàng)辦者大都有著豐富的行業(yè)經(jīng)驗。他們打造的平臺不求大和全，而是專心做自己熟悉領(lǐng)域內(nèi)的事，以行業(yè)權(quán)威和專家的姿態(tài)吸引業(yè)內(nèi)用戶；另一類是綜合性的科研眾包平臺，如經(jīng)驗海、粵科眾包等。這類平臺提供的服務(wù)涵蓋的范圍會相對廣一點，但也不是無所不包，它們會基于平臺自身的背景及資源優(yōu)勢，面向擅長的行業(yè)和領(lǐng)域開展服務(wù)。

3)邊緣密度

邊緣密度是揭示相關(guān)景觀類型被分割的程度。建筑用地、林業(yè)用地、耕地邊緣密度增長超過100%，水體面積邊緣密度變化不大，說明了三明市林業(yè)資源與建筑之間相互分割。耕地分割情況是否與建筑、林業(yè)發(fā)展相關(guān)需要進一步探討。

4)斑塊形狀特征

斑塊形狀與景觀資源發(fā)展趨勢息息相關(guān)，研究中利用最大斑塊指數(shù)和平均分維數(shù)來描述斑塊的形狀特征，可以有效地體現(xiàn)林業(yè)資源景觀的破碎化程度和自身形狀與對應(yīng)景觀資源的復雜性，指數(shù)越大表明斑塊間復雜性越高。從表4可知，三明市建筑用地斑塊指數(shù)持續(xù)增加，但是其他3種類型的板塊指數(shù)在持續(xù)減小，說明三明市在一定程度上忽視了綠色資源建設(shè)。

4.1.2景觀類型層面

景觀類型層面上三明市林業(yè)資源演變主要選取斑塊數(shù)量、斑塊密度、景觀分離度、Shannon均勻度指數(shù)和Shannon多樣性指數(shù)5個指標(表5)。

從表5可以看出，2009—2018年，三明市內(nèi)景觀整體斑塊數(shù)、斑塊密度明顯上升，區(qū)域內(nèi)景觀格局破碎化程度相對嚴重，同時，景觀的豐富程度和異質(zhì)化程度不斷增加。從景觀的分離程度來講，域內(nèi)景觀分離程度逐漸下降，集群化景觀形態(tài)趨勢較強。Shannon均勻度和Shannon多樣性指數(shù)有減小趨勢，說明了在人類活動影響下，各類景觀的結(jié)構(gòu)趨向于單一化，某一種景觀在幾種景觀類型中占據(jù)明顯優(yōu)勢。結(jié)合表4可以得出，林業(yè)景觀在三明市內(nèi)發(fā)展優(yōu)勢明顯。

表5 三明市景觀尺度上格局指數(shù)

4.2 三明市景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

表6 2009—2018年三明市景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣

從表6可以看出，三明市域內(nèi)各類景觀類型轉(zhuǎn)化具備以下特征：(1)2009—2018年，建筑用地增加了60.64 km2,主要由林地和耕地轉(zhuǎn)入，說明了隨著城市規(guī)模擴大和智慧城市建設(shè)，建筑用地面積不斷增加，影響了林地和耕地面積；(2)林地面積在10年中增加了184.20 km2，主要由建筑用地和耕地轉(zhuǎn)入，說明了在城市化建設(shè)進程中，人們越來越重視綠化景觀在生活中的運用，綠色、生態(tài)成為發(fā)展的重要趨勢；(3)水體面積減少了5.12 km2，主要轉(zhuǎn)出到林地和建筑用地，說明人為因素對水體的影響較大，人工湖、生態(tài)湖建設(shè)成為影響水體面積的重要因素；(4)耕地面積減少481.44 km2，主要轉(zhuǎn)出到建筑用地和林地，意味著耕地減少與城市擴張和退耕還林政策密切相關(guān)。

5 三明市林業(yè)資源持續(xù)發(fā)展策略

5.1 林業(yè)景觀格局存在的問題

布朗芬布倫納在生態(tài)系統(tǒng)理論中強調(diào)發(fā)展個體嵌套于相互影響的一系列環(huán)境系統(tǒng)之中，林業(yè)資源影響著生態(tài)系統(tǒng)，是一項相互作用、互相影響的整體。對三明市景觀生態(tài)系統(tǒng)進行分析，發(fā)現(xiàn)三明市林業(yè)資源發(fā)展中存在的問題。

1)林業(yè)景觀斑塊分布不均勻

從ZY-3遙感影像來看，三明市林業(yè)資源豐富，但是林業(yè)景觀主要集中在東北部地區(qū)，其他地區(qū)以小斑點模式為主，以此滿足生態(tài)需求。此種格局將在一定程度上制約三明市林業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。同時說明，建筑用地與林業(yè)用地呈現(xiàn)競爭態(tài)勢，如何平衡二者關(guān)系成為林業(yè)資源持續(xù)發(fā)展的主要因素。

2)林業(yè)景觀破碎度持續(xù)增加

隨著城市化進程加速，林業(yè)景觀破碎化程度增加是必然的，但是通過Shannon指數(shù)分析可以發(fā)現(xiàn)，三明市林業(yè)景觀斑塊個數(shù)與密度增加尤為迅速，建筑用地對林業(yè)用地的影響非常大，除了配套的建筑景觀造景、綠化等，城市化進程還導致原有的林地碎化。

3)林業(yè)資源豐富度不斷降低

Shannon多樣性指數(shù)可以看出，三明市林業(yè)資源多樣性呈下降趨勢，結(jié)合實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，森林景觀規(guī)劃層面，綠化植物呈現(xiàn)單一化。產(chǎn)業(yè)發(fā)展與人工造林層面，以毛竹為代表的經(jīng)濟林成為林業(yè)資源重要組成部分。

5.2 林業(yè)資源持續(xù)發(fā)展策略

根據(jù)三明市市政府《關(guān)于三明市“十三五”林業(yè)發(fā)展專項規(guī)劃》，發(fā)展“生態(tài)林業(yè)、民生林業(yè)”是推進生態(tài)文明建設(shè)的必然目標。結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)理論和RS技術(shù)分析三明市林業(yè)資源發(fā)展中存在的問題，推動三明市林業(yè)資源持續(xù)發(fā)展主要從3個層面入手。

1)推動市域林業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)

林業(yè)資源發(fā)展是一項系統(tǒng)性工程，發(fā)展林業(yè)與城市化發(fā)展形成的競爭是必然的，強調(diào)市域生態(tài)系統(tǒng)下林業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)，能夠直接推動三明市林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展。在城市化進程下，原有的林業(yè)景觀類型被分割取代，新型生態(tài)林業(yè)景觀的出現(xiàn)，將生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)與城市化需求相結(jié)合，減少原始林業(yè)景觀、打造新型林業(yè)景觀的同時滿足建筑用地需求。

2)不斷優(yōu)化市域內(nèi)林業(yè)景觀布局

著眼整體，立足長遠，綜合考量林業(yè)資源經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，尋求各方效益最大化。林業(yè)資源合理布局不可急功近利、重視經(jīng)濟利益忽視長遠利益，應(yīng)該在科學規(guī)劃基礎(chǔ)上推進生態(tài)文明城市建設(shè)。盡量減少城市化造成林業(yè)景觀破碎現(xiàn)狀，以大斑塊、小斑點相結(jié)合的景觀配置模式滿足城市填充需求，將距離城市較近的森林斑塊納入系統(tǒng)建設(shè)中；減少二維平面上的破碎化趨勢，重視森林景觀植物配置，合理利用植物景觀設(shè)計，充分發(fā)揮小空間效益，擴大生態(tài)效益；持續(xù)深化林改，通過林業(yè)改革，創(chuàng)新林業(yè)金融產(chǎn)品，調(diào)整林業(yè)生產(chǎn)關(guān)系，推動林業(yè)生產(chǎn)要素、投資主體聚集，促進經(jīng)營方式多樣化發(fā)展，加快三明市林業(yè)產(chǎn)業(yè)、林業(yè)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。

3)推動三明市生物多樣性發(fā)展

改變單一的林業(yè)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展模式，結(jié)合三明市氣候、水文、土壤、產(chǎn)業(yè)等因素，明確產(chǎn)業(yè)定位，推動三明市生物多樣性發(fā)展。重點抓好三大產(chǎn)業(yè)，以“木”為依托，強調(diào)杉木資源林木建設(shè)，加快推進林產(chǎn)業(yè)加工集群建設(shè)，發(fā)展林木經(jīng)濟；以“竹”為基礎(chǔ)，重視三明市毛竹產(chǎn)業(yè)與毛竹經(jīng)濟，將竹林建設(shè)與森林建設(shè)相結(jié)合，強化生態(tài)建設(shè)的同時促進竹產(chǎn)業(yè)發(fā)展；以“綠”為歸宿，重視林業(yè)資源與林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時合理發(fā)展林下經(jīng)濟，將豐富的藥用資源和食用資源納入林業(yè)資源建設(shè)發(fā)展中，激活林業(yè)發(fā)展活力的同時增加經(jīng)濟收入。