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基于Landsat TM数据的大兴安岭盘古林场森林健康评价

董灵波 高小龙 朱宇 刘兆刚

董灵波, 高小龙, 朱宇, 刘兆刚. 基于Landsat TM数据的大兴安岭盘古林场森林健康评价[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(4): 87-99. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200067
引用本文: 董灵波, 高小龙, 朱宇, 刘兆刚. 基于Landsat TM数据的大兴安岭盘古林场森林健康评价[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(4): 87-99. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200067
Dong Lingbo, Gao Xiaolong, Zhu Yu, Liu Zhaogang. Forest health assessment of Pangu Forest Farm based on Landsat TM in Great Xing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(4): 87-99. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200067
Citation: Dong Lingbo, Gao Xiaolong, Zhu Yu, Liu Zhaogang. Forest health assessment of Pangu Forest Farm based on Landsat TM in Great Xing’an Mountains of northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(4): 87-99. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200067

基于Landsat TM数据的大兴安岭盘古林场森林健康评价

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200067
基金项目: 国家重点研发计划课题(2017YFC0504103),国家自然科学基金项目(31700562)
详细信息
    作者简介:

    董灵波,博士,副教授。主要研究方向:森林可持续经营。Email:farrell0503@126.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市和兴路26号东北林业大学林学院

    责任作者:

    刘兆刚,博士,教授。主要研究方向:森林经理。Email:lzg19700602@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S771.8

Forest health assessment of Pangu Forest Farm based on Landsat TM in Great Xing’an Mountains of northeastern China

  • 摘要:   目的  健康评价是实施森林资源健康经营的前提和基础,但现有研究多从单一尺度开展,未充分考虑森林生态系统的层级结构。为此,该文以林木冠层特征为基础,结合Landsat TM数据和统计学方法实现森林健康评价的多尺度转换,为我国森林健康经营提供理论依据和技术支撑。  方法  以大兴安岭盘古林场50块固定样地单木健康调查数据为基础,采用熵值−AHP综合指数法构建单木健康评价模型,并汇总得到样地尺度健康得分的平均值(Hm)、标准差(Hstd)、变异系数(Hcv)、偏度(Hpd)和峰度(Hfd)共5项统计指标,结合Landsat TM和地形数据并采用非线性度量误差联立方程组模型构造区域尺度森林健康评价综合反演模型,实现了森林健康从单木−林分−区域的多尺度综合评估。  结果  样地调查结果表明:盘古林场单木健康得分均值为0.663 8 ± 0.091 2,整体处于亚健康水平,其中亚健康树木所占比例最高(79.43%);区域内不同树种健康等级间差异显著,主要表现为云杉 > 白桦 > 兴安落叶松 > 山杨 > 樟子松;林分尺度健康得分的HmHstdHcvHpdHfd值分别为0.663 3、0.084 1、12.84%、−0.607 6和0.846 0,表明该地区约78.43%的林分中单木健康得分呈明显左偏尖削状正态分布;遥感反演结果表明:区域内森林健康得分Hm均值约为0.619 4 ± 0.054 3,其主要受地形(DEM)、植被指数(RVI、DVI、EVI和Green)和原始波段(B1、B3)等多种因素的综合影响,所建模型的预估精度可达到75%以上,能够满足森林健康评价的需求;林场范围内林木健康得分整体呈现南低北高的格局,且Hm较高区域主要集中在居民点、道路沿线等交通便利地区。  结论  盘古林场森林整体以亚健康为主,亟待开展科学的健康经营;同时,该文提出的以林木冠层特征为基础并充分结合遥感数据和统计学方法,能够有效实现森林健康的多尺度评价。

     

  • 图  1  固定样地空间分布图

    Figure  1.  Spatial distribution of the fixed sample plots

    图  2  盘古林场样地尺度健康评价结果

    Figure  2.  Health evaluation results of sample plots in Pangu Forest Farm, northeastern China

    图  3  林分健康得分统计特征与地形、遥感因子间的关系

    Figure  3.  Relations between statistics of stand-level health evaluation and factors of terrain and remote sensing

    图  4  盘古林场林分尺度健康评价实测值与估计值拟合关系

    Figure  4.  Relations between the measured and predicted values of forest health evaluation in Pangu Forest Farm, northeastern China

    图  5  盘古林场森林健康空间分布

    Figure  5.  Spatial distribution of forest health evaluation in Pangu Forest Farm, northeastern China

    表  1  样地调查因子统计特征

    Table  1.   Statistical characteristics of sample plots in Pangu Forest Farm

    样地
    Sample plot
    面积/hm2
    Area/ha
    年龄/a
    Age/year
    树种组成
    Species composition
    郁闭度
    Canopy density
    平均胸径
    Mean DBH/cm
    平均树高
    Mean tree height /m
    密度/(株.hm−2)
    Density/(tree·ha−1)
    蓄积/(m3·hm−2)
    Volume/(m3·ha−1)
    P01 0.06 23 10Bp 0.5 6.5 8.3 1 000 14.9
    P02 0.06 21 7Lg2Bp1Pd 0.6 8.1 8.1 1 650 45.1
    P03 0.06 78 7Lg3Bp 0.3 12.2 12.4 583 75.1
    P04 0.06 83 9Lg1As 0.6 11.9 13.3 1 483 118.4
    P05 0.06 53 5Lg3As2Bp 0.6 10.0 9.0 1 450 96.4
    P06 0.06 81 8Lg2Bp 0.7 11.6 12.9 1 667 148.6
    P07 0.06 60 5Lg3Bp2Pd 0.5 14.9 14.7 1 167 173.6
    P08 0.06 48 5Lg3Bp1Ps1Pd 0.7 9.6 13.0 1 917 92.5
    P09 0.25 81 4Lg4Bp1Ps1Pa 0.6 12.7 10.3 892 121.6
    P10 0.06 43 6Lg3Bp1Pa 0.6 9.1 12.2 2 517 110.7
    P11 0.06 82 10Lg 0.5 14.8 17.9 1 267 176.5
    P12 0.06 53 5Lg3Pd1Bp1Ps 0.6 11.7 11.9 1 883 167.4
    P13 0.05 23 10Bp 0.4 6.3 7.6 1 660 22.3
    P14 0.06 21 7Lg2Ps1Bp 0.7 7.0 6.7 2 017 40.3
    P15 0.06 21 9Lg1Pd 0.7 9.3 9.7 1 733 67.4
    P16 0.12 68 5Lg2Pd1Ps1Bp1As 0.3 10.8 10.9 475 46.2
    P17 0.06 73 7Bp2Lg1As 0.4 7.5 10.6 1 167 40.0
    P18 0.06 83 5Lg4Bp1As 0.6 9.0 9.5 2 667 112.0
    P19 0.06 103 9Lg1Pa 0.5 13.1 11.8 1 550 197.6
    P20 0.06 53 6Bp2Pd2Lg 0.6 10.3 13.2 2 067 126.5
    P21 0.09 53 5Lg4Bp1Ps 0.6 8.8 9.5 1 111 40.0
    P22 0.06 83 9Lg1Bp 0.5 10.2 11.8 2 883 163.5
    P23 0.06 78 6Lg4Bp 0.4 10.0 11.7 1 667 107.7
    P24 0.06 62 3Bp3Pd3Lg1Pa 0.6 14.1 14.1 1 033 149.0
    P25 0.06 44 8Lg1Bp1Ps 0.6 10.5 11.8 1 933 114.2
    P26 0.06 50 5Lg5Ps 0.5 8.9 9.1 2 417 96.1
    P27 0.06 47 9Lg1Bp 0.4 12.6 12.7 1 533 167.4
    P28 0.06 71 10Lg 0.3 14.0 12.9 783 83.5
    P29 0.08 48 5Lg4Bp1Pa 0.7 10.5 11.3 1 120 77.1
    P30 0.06 75 7Lg2Bp1Pa 0.7 8.5 10.4 2 750 88.0
    P31 0.05 95 6Lg3Pa1Bp1Ps 0.8 9.6 11.1 1 960 103.7
    P32 0.06 96 6Lg2Bp2Pa 0.7 10.0 11.7 2 133 114.1
    P33 0.06 70 8Lg1Pa1Bp 0.8 11.1 10.9 1 500 121.3
    P34 0.06 45 6Lg2Ps2Bp 0.6 8.4 9.4 1 833 65.9
    P35 0.06 45 6Lg4Ps 0.7 9.0 9.1 2 067 87.0
    P36 0.06 55 10Lg 0.5 13.6 12.2 783 93.5
    P37 0.06 44 10Lg 0.6 13.7 13.8 1 000 132.9
    P38 0.06 44 8Lg1Bp1Pa 0.5 9.5 9.6 1 400 70.5
    P39 0.06 77 9Lg1Bp 0.5 9.1 10.9 1 500 78.0
    P40 0.06 65 8Lg2Pa 0.8 10.7 11.8 1 767 132.0
    P41 0.06 48 10Lg 0.6 9.5 12.3 1 967 99.4
    P42 0.06 42 9Lg1Bp 0.8 7.8 9.6 2 933 72.2
    P43 0.06 42 8Lg2Bp 0.6 8.6 10.2 1 917 72.9
    P44 0.06 37 9Lg1Ps 0.6 7.9 8.7 2 250 66.5
    P45 0.06 47 9Lg1Bp 0.5 9.0 9.4 1 517 66.5
    P46 0.25 48 7Lg2Bp1Ps 0.7 9.7 10.6 2 288 112.6
    P47 0.06 43 7Lg3Bp 0.8 8.4 11.2 3 950 126.9
    P48 0.25 43 9Lg1Bp 0.6 10.6 10.7 1 456 99.9
    P49 1.00 49 8Lg2Bp 0.6 10.5 10.1 1 385 85.4
    P50 0.25 22 7Lg3Bp 0.7 8.7 9.8 2 648 90.6
    注:树种组成一列“10”表示占10成的意思,如7Lg2Bp1Pd表示落叶松占7成,白桦占2成,山杨占1成。Lg. 落叶松;Bp. 白桦;Ps. 樟子松;As. 毛赤杨;Pd. 山杨;Pa. 云杉。Notes: the number in the column of species indicates the percentage of species in the stands, e.g., 7Lg2Bp1Pd indicates the percent of volume for Lg, Bp and Pd are 70%, 20% and 10%, respectively. Lg, Larix gmelinii; Bp, Betula platphylla; Ps, Pinus sylvestris; As, Alnus sibirica; Pd, Populus davidiana; Pa, Picea koraiensis.
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    表  2  单木健康监测指标的定义、调查方式及评分标准

    Table  2.   Definition, survey method and scoring standard of single wood health monitoring indicators

    指标
    Index
    根部状态
    Root state
    树冠落叶程度
    Crown deciduous degree
    树冠透视度
    Crown transmittance
    树冠重叠度
    Crown overlap
    树冠枯梢比质量
    Specific mass of crown dead shoot
    定义 Definition 树木根部受损或裸露
    程度
    Degree of root damage or exposure
    林木冠层受病虫害、火灾等影响后的落叶程度
    Degree of crown defoliation affected by diseases, pests and fires
    林木树冠扣除侧枝及主干后,有叶部分的透光百分比
    Percentage of crown transmittance within the foliage, without considering the effects of branches and trunks
    树木与其周围四株最近相邻木的树冠重叠比例
    Percentage of crown overlaps between the reference tree and its four nearest neighboring trees
    树冠枯死部分占整个树冠的比例
    Percentage of dead crowns with respect to total crowns
    调查方式 Investigating method 目视判断
    Visual interpretation
    目视判断
    Visual interpretation
    目视判断
    Visual interpretation
    目视判断
    Visual interpretation
    目视判断
    Visual interpretation
    等级 Level 3(根部无损伤或裸露
    No damage or exposure of roots)
    2(根部裸露无伤
    Root exposure,
    but no damage)
    1(根部裸露有伤
    Root exposure and damage)
    0(根部死亡
    Root dead)
    6(无落叶
    No deciduous leaf)
    5 (0%,25%)
    4 [25%,50%)
    3 [50%,75%)
    2 [75%,90%)
    1 [90%,100%)
    0 枯死 Dead
    10 [0%,15%)
    9 [15%,25%)
    8 [25%,35%)
    7 [35%,45%)
    6 [45%,55%)
    5 [55%,65%)
    4 [65%,75%)
    3 [75%,85%)
    2 [85%,95%)
    1 [95%,100%)
    0(树冠枯死 Crown dead)
    6(无重叠 No overlap)
    5 (0%,25%)
    4 [25%,50%)
    3 [50%,75%)
    2 [75%,90%)
    1 [90%,100%)
    0(树冠枯死 Crown dead)
    7(枯死 Dead)
    6 (0%,15%)
    5 [15%,30%)
    4 [30%,45%)
    3 [45%,60%)
    2 [60%,75%)
    1 [75%,90%)
    0 [90%,100%)
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    表  3  盘古林场单木健康评价结果

    Table  3.   Health evaluation results of individual trees in Pangu Forest Farm, northeastern China

    树种
    Tree species
    株数
    Tree number
    最小值
    Min.
    最大值
    Max.
    平均值
    Mean
    标准差
    Std.
    变异系数
    CV/%
    健康等级 Health level/%
    不健康
    Unhealth
    中健康
    Mid-health
    亚健康
    Sub-health
    健康
    Health
    白桦 B. platyphylla 1 810 0.326 1 0.889 2 0.672 0 d 0.083 8 12.47 0.00 3.26 81.93 14.81
    落叶松 L. gmelinii 5 497 0.130 9 0.913 8 0.664 0 c 0.088 0 13.25 0.05 4.11 79.99 15.85
    山杨 P. davidiana 234 0.307 9 0.880 1 0.647 9 b 0.099 1 15.29 0.00 4.70 76.92 18.38
    云杉 P. koraiensis 226 0.378 8 0.904 6 0.703 3 e 0.093 9 13.34 0.00 3.98 61.06 34.96
    樟子松 P. sylvestris 266 0.204 6 0.819 7 0.560 8 a 0.123 9 22.09 1.13 27.07 68.80 3.01
    合计 Total 8 033 0.130 9 0.915 4 0.663 8 0.091 2 13.74 0.07 4.69 79.43 15.80
    注:不同字母表示树种间差异显著(P < 0.05)。Note: different letters represent significant differences among tree species (P < 0.05).
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    表  4  盘古林场林分尺度健康评价模型拟合和检验结果

    Table  4.   Model fitting and verification of forest health evaluation in Pangu Forest Farm, northeastern China

    项目 Item拟合优度 Goodness-of-fit 检验结果 Validation result
    确定系数 R2均方根误差 RMSE预估精度 P/%确定系数 R2均方根误差 RMSE预估精度 P/%
    平均值 Hm 0.442 7 0.024 5 96.87 0.472 7 0.025 0 97.75
    标准差 Hstd 0.549 4 0.007 3 96.37 0.584 9 0.008 8 96.02
    变异系数 Hcv 0.993 5 0.159 9 99.54 0.993 8 0.191 4 99.48
    偏度 Hpd 0.429 7 0.211 8 87.52 0.409 5 0.201 9 88.12
    峰度 Hfd 0.588 8 0.636 4 75.29 0.553 1 0.675 4 73.59
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-10
  • 修回日期:  2020-08-08
  • 网络出版日期:  2021-04-19
  • 刊出日期:  2021-04-30

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