兴安落叶松林火后植被恢复技术导则

3兴安落叶松林火后植被恢复遥感评价技术导则本文件规定了兴安落叶松林火后恢复阶段与恢复速率的划分标准，确立了火后植被不同恢复阶段及程度的遥感评价指标体系及其评价流程。本文件适用于内蒙古自治区兴安落叶松森林火烧迹地的植被恢复遥感监测。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T20257.1-2017国家基本比例尺地图图式第1部分：1：5001：10001：2000地形图图式GB/T20257.2-2017国家基本比例尺地图图式第2部分：1：50001：10000地形图图式GB/T20257.3-2017国家基本比例尺地图图式第3部分：1：250001：500001：100000地形图GB/T20257.4-2017国家基本比例尺地图图式第4部分：1：2500001：5000001：1000000地形图图式GB/T15968-2008遥感影像平面图制作规范LY/T2188.2森林资源数据采集技术规范第2部分：森林资源规划设计调查LY/T2188.3森林资源数据采集技术规范第3部分：作业设计调查3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1植被恢复vegetationregeneration指经森林火灾而退化的兴安落叶松林利用其自然恢复能力或人工促进恢复，从状态逐步恢复形成森林的过程，这里主要是指郁闭度的恢复。3.2遥感时间序列分析time-seriesanalysisusingremotesensing通过对一个区域进行一定时间段内的连续遥感观测，提取图像有关特征，形成以时间轴为横坐标的时间序列曲线，并分析其变化过程与发展规模。3.3增强型植被指数enhancedvegetationindex4在遥感植被指数影像产品中，一种综合考虑土壤背景、大气及饱和度问题的增强型植被指数。3.4TIMESAT软件包TIMESAT软件包是由Jonsson和Eklundh共同开发用来滤波重建植被指数时间序列数据集的程序包。内部封装了多项式滤波函数Savizky-Golay（S-G），非对称高斯函数和双Logistic曲线函数等多种拟合算法。3.5S-G滤波S-Gfilter一种基于移动窗口的加权平均算法，它可以直接用来平滑处理时间域内的数据，以达到去噪，剔除异常值的目的。4评价流程4.1流程图兴安落叶松林火后恢复遥感评价具体流程见图1。图1兴安落叶松林火后恢复遥感评价处理流程图4.2具体流程4.2.1建立时间序列5基于卫星遥感空间影像数据，通过S-G滤波算法建立兴安落叶松林火烧迹地遥感影像时间序列。S-G滤波是遥感时间序列分析的常用算法，其计算公式见式（1）。yf=σmNCiyJ+i…………(1)式中：yf——多项式拟合值；yJ+i——影像导入原始值；Ci——第i个像元值滤波时的系数；m——半个滤波窗口的宽度；N——滤波器长度，一般取值3以上。4.2.2确定恢复样本结合地面火烧迹地调查，确定监测区域火烧迹地不同恢复阶段样本。4.2.3结果评价建立样地指标与遥感指数间的回归模型，计算获得火烧迹地不同恢复阶段与程度的遥感指数划分范围；通过对比样地与模型结果评价回归模型精度，并根据处理结果完成兴安落叶松林火烧迹地恢复阶段与恢复程度分布图专题产品。5数据源与数据预处理5.1遥感数据5.1.1遥感数据源选择a数据源应为卫星遥感数据源，需根据火烧范围大小来确定，林场尺度大小的火烧迹地应考虑选择较高分辨率的影像数据（<30m），而林业局或大区域尺度的火烧迹地可考虑中、低分辨率的影像数据(≥30m），常见的卫星遥感数据源见附录A；b卫星传感器应具有存档数据，包含制图区火烧事件发生前至少2年和发生后至少8年的图像，以构建时间序列；c卫星传感器应具有蓝光波段、红光波段、近红外波段探测通道；d卫星影像时间分辨率应小于30天，空间分辨率应小于1km；e选择每年生长季（6～8月）云量不超过10%的观测遥感影像。5.1.2遥感数据预处理a根据不同传感器选择相对应的辐射定标参数，进行影像去云、辐射定标和大气校正，获得地表反射率数据；b选择地面控制点进行几何校正，要求配准误差在0.5个像元之内；c遥感影像平面坐标系应采用国家规定的统一坐标系，建议采用高斯-克吕格投影。d根据反射率影像地物特征，人工目视勾绘火烧迹地边界矢量图，并根据火烧迹地矢量边界图，对遥感影像进行剪裁。e计算每年生长季（6月～8月）的增强型植被指数（EVI求其算术平均值作为当年的生长ed−C2RBlue+L)………(2)6式中：EVI——增强型植被指数；RNir——近红外波段反射率；RRed——红光波段反射率；Rblue——蓝光波段反射率；L——土壤调节参数，一般为1；C1、C2——NDVI修正参数，取值分别为6.0和7.5。5.2其他数据其他数据包含：——制图区行政规划图；——制图区域火烧迹地情况记录表；——DEM数字高程地形图。6火烧迹地调查6.1调查目的进行地面样地调查，实测森林结构参数，用来标定、校准和验证遥感指标。6.2调查内容和要求a样地选择：根据火烧迹地情况记录表（附录B），选择不同火烧年份的火烧迹地，其特征应满足在大范围内面积连续且地物特征较为均质，对照样地应选择靠近火烧迹地范围的边界处。以标准样地30×30m大小为基础单位，根据附录A中卫星数据的分辨率大小进行样地布设，对于分辨率位1km的卫星数据，应在1×1km范围内的4个对角与中间分别布设标准样地，以5块标准样地的均值代表该卫星像元对应的样地实测值。火烧迹地与对照样地对应卫星影像的样点个数应分别不少于30个。b样地布设：通过随机、机械或其他的抽样方法，布设圆形、方形、带状样地，并应用GPS定位记录样地中心位置坐标。c郁闭度调查：根据样地实际地形情况，选择目测法、机械布点法、样点法、树冠投影等合适方法测定样地郁闭度。具体参照LYT2188.3执行。6.3调查数据处理根据样地调查的有林地郁闭度，火烧迹地恢复阶段由相对郁闭度指数RCI确定，RCI计算公式见式（RcI=cpost/ccontrol (3)式中：RCI——相对郁闭度指数；CPost——火烧样地郁闭度；Ccontrol——对照样地郁闭度。7根据相对郁闭度取值范围，将火后植被恢复划分为三个阶段，具体见表1。表1兴安落叶松林火烧迹地植被恢复阶段样地划分指标恢复阶段恢复早期恢复中期恢复后期RCI≤0.40.4~0.8>0.87评价方法7.1恢复阶段评价7.1.1计算相对增强植被指数（RIEVI）按照式（4）逐像元计算相对增强植被指数RIEVI，获得兴安落叶松林火后RIEVI空间分布图。RIEVI=EVIpost/EVIContTol (4)式中：RIEVI——相对增强植被指数；EVIPost——火烧样地EVI；EVIcontrol——对照样地EVI。7.1.2火烧迹地植被恢复阶段划分基于地面相对郁闭度调查结果，提取与地面样地相同位置的RIEVI遥感指数，通过回归统计的方法建立地面相对郁闭度指数与遥感指数RIEVI之间的关系函数（式（5）），计算得出测定的样地恢复等级所对应的遥感指数范围，划分火烧迹地植被的不同恢复阶段。其恢复阶段与地面调查划分一致，划分为3级，即恢复早期(Ⅰ)、恢复中期(Ⅱ)以及恢复后期(Ⅲ),具体见表2。RIEVI=a×RCI+b (5)式中：a,b——RIEVI与RCI之间线性拟合参数。表2兴安落叶松林火烧迹地植被恢复阶段遥感划分指标恢复阶段恢复早期恢复中期恢复后期RIEVI≤0.4×a+b0.4×a+b~0.8×a+b>0.8×a+b7.1.3精度计算8通过样地数据与模型模拟值进行回归分析，计算模型决定系数R2来评估回归模型的预测能力。通过模型精度来调整模型参数设置，将相关系数R≥0.7的结果认为是合理参数设置的标准，其计算公式见式（6）。 σ1xi−2yi−2R2=1xi−)yi− σ1xi−2yi−2式中：n——样本总数；i————模型模拟值；I——样本号。7.2恢复速率评价7.2.1时间序列曲线构建基于TIMESAT软件，构建遥感时间序列数据，具体处理步骤如下：a)导入制图区遥感影像时间序列数据集，并建立EVI光谱指数的时间列表文件，统一将影像文件格式装换为img格式。b)读取图像列表文件，采用S-G滤波工具，反复调式参数窗口大小m与多项式次数，确定最佳拟合参数，运行并保存滤波函数，获得重构后的影像数据。c)对比S-G滤波前后时间序列曲线平滑程度变化对滤波结果进行定性评价。7.2.2计算EVI斜率逐像元提取时序数据中每年生长季EVI均值，按照时间顺序排列。以火后年份为横坐标ti，以EVI均值为纵坐标EVIi，拟合线性函数获得函数斜率值，用slopeti,EVIi)表示（式（7））。拟合的要求：拟合点最少8个，为火后8年的EVI。P<0.01，呈显著相关。slopeti,EVIi=σ1iti−)……(7)拟合点最少8个，为火后8年的EVI。P<0.01，呈显著相关。式中：i——E中，第i年的EVI值；i————所对应的时间；7.2.3计算相对恢复速率（RTI）按照式（8）计算大兴安岭林区火后植被恢复速率遥感指数。RTI为基于EVI时间序列计算的相对恢复时间，它反映EVI恢复到植被火前水平时所需要花费的时间，RTI值越大，说明其植被恢复程度越低，反之，则表明其植被恢复程度越高。RTI=……(8)式中：9RTI——相对恢复时间指数；EVIr0——火烧当年EVI平均值；EVIpre——火前EVI平均值。7.2.4恢复速率划分逐像元计算可以得到相对恢复速率指数分布图像。并将火后植被恢复速率划分为三个等级：恢复快速、恢复中速和恢复慢速，见表3。表3兴安落叶松林植被恢复速率划分指标恢复速率（年）快中慢RTI4～8>88评价成果8.1制图专题制图要素包括图名、图例、比例尺、恢复程度、行政区划信息等。基本地图要素制作方式按GB/T20257、GB/T15968完成。8.2评价报告大兴安岭地区植被火后恢复程度遥感评价报告内容包括火烧迹地基本发生情况、受害面积、样地现状、卫星传感器的选择、遥感数据处理过程、拟合回归模型过程、专题图内容解析、恢复评价及其建议等。在遥感评价报告中，重点针对植被恢复早期阶段，并且恢复速率慢的火烧迹地开展分析和经营措施规划建议。（资料性）常用卫星遥感数据空间分辨率和光谱特征表表A.1常用卫星遥感数据空间分辨率和光谱特征表遥感卫星传感器运行时间/a波段光谱范围/μm空间分辨率重返时间/dTerraMODIS1999~可见光可见光可见光可见光可见光可见光可见光可见光近红外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蓝绿红近红外短波红外热红外短波红外0.45-0.520.52-0.600.63-0.690.76-0.902.08-2.3530m30m30m30m30m60m30mOLI2013~深蓝蓝绿红近红外短波红外短波红外全色卷云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/气溶胶蓝绿红植被红边近红外（宽）近红外（窄）水蒸气短波红外0.43-0.450.45-0.540.54-0.680.68-0.710