遥感技术与应用, 2022, 37(3): 651-662 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2022.3.0651

林业遥感专栏

结合Landsat时序遥感干扰检测的福建将乐县森林林龄估算与评价

李媛,, 周小成,, 陈芸芝, 王锋克

福州大学 卫星空间信息技术综合应用国家地方联合工程研究中心,空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室,数字中国研究院(福建),福建 福州 350108

Estimation and Evaluation of Forest Age in Jiangle County, Fujian Province based on Lansat Time Series Remote Sensing Disturbance Detection

Li Yuan,, Zhou Xiaocheng,, Chen Yunzhi, Wang Fengke

The Academy of Digital China(Fujian),Key Laboratory of Spatial Data Mining and Information Sharing of Ministry of Education,National & Local Joint Engineering Research Center of Satellite Geospatial Information Technology,Fuzhou University,FuZhou 350108,China

通讯作者: 周小成(1977-),男,陕西渭南人,博士,副研究员,主要从事资源环境遥感研究。E⁃mail: zhouxc@fzu.edu.cn

收稿日期: 2021-01-04   修回日期: 2022-03-10  

基金资助: 福建省科技厅高校产学合作项目.  2022N5008
福建省科技厅对外合作项目.  2022I0007

Received: 2021-01-04   Revised: 2022-03-10  

作者简介 About authors

李媛(1994-),女,宁夏银川人,硕士研究生,主要从事林业遥感研究E⁃mail:N185520010@fzu.edu.cn , E-mail:N185520010@fzu.edu.cn

摘要

高精度的森林林龄可以改善森林生物量、蓄积量、碳储存量等的估算精度。为提高频繁发生干扰区域森林年龄估算精度,以森林干扰强度较大的福建省将乐县为例,通过构建将乐县1987~2019年Landsat时序数据集,利用LandTrendr算法获得森林干扰开始时间节点特征,与林龄建模,实现干扰区林龄估算;接着利用GF-1号影像的波段、植被指数、纹理以及地形因子特征,通过递归特征消除的随机森林算法,与林龄建模,实现非干扰区林龄估算;最后将两部分的林龄合并,得到研究区2019年森林年龄。结果表明:①将乐县森林干扰总面积为346.37 km2,其中,针叶林、阔叶林干扰面积占比75.06%;②利用LandTrendr算法的干扰开始时间节点估算的林龄误差(RMSE=1.91 a)较小,模型精度(R²=0.94)较高;③通过递归特征消除的随机森林算法估算的针叶林、阔叶林林龄的R²和RMSE分别为0.64、0.48和4.71 a、12.71 a。研究表明:结合长时间序列的干扰算法可以有效提高干扰区森林年龄估算精度,为亚热带山区的区域尺度上进行森林林龄估计提供参考。

关键词: 林龄 ; 长时间序列遥感 ; 森林干扰 ; 高分一号 ; 随机森林回归

Abstract

High-precision forest age can improve the estimation accuracy of forest biomass, stock and carbon storag, In order to improve the accuracy of forest age estimation in areas with frequent disturbances, taking Jiangle County, Fujian Province, where the forest disturbance intensity is high, as an example. the Landsat time series data of Jiangle County from 1987 to 2019 was constructed, and, the LandTrendr algorithm was used to obtain the node characteristics of the beginning of forest disturbance, through modeling with forest age information, realizing the mapping of the existing forest age in the disturbance area. Then, using the band, vegetation index, texture and topographic factor characteristics of the GF-1 image. through the recursive feature elimination of random forest algorithm, and the forest age modeling to achieve non- Estimation of the forest age in the disturbed area; In the end, the forest age of the two parts are combined to obtain the forest age in the study area in 2019. The results show that:①The total area of forest disturbance in Jiangle County from 1987 to 2019 is 346.37 km², of which the - coniferous forest and broad-leaved forest account for 75.06% of the disturbance area;②The forest age error (RMSE=1.91 years) estimated by the LandTrendr algorithm’s disturbance start time node is small, and the model accuracy (R2=0.94) is high;③The R2 and RMSE of the age of coniferous forest and broad-leaved forest estimated by the random forest algorithm with the recursive feature elimination random forest algorithm are 0.64,0.48 and 4.71,12.71 years, respectively. Research shows that the disturbance algorithm combined with long time series can effectively improve the accuracy of forest age estimation in disturbance area, and provide a reference for forest age estimation at the regional scale in the subtropical mountainous area.

Keywords: Forest age ; Long time series remote sensing ; Forest disturbance ; GF-1 remote sensing ; Random forest regression

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本文引用格式

李媛, 周小成, 陈芸芝, 王锋克. 结合Landsat时序遥感干扰检测的福建将乐县森林林龄估算与评价. 遥感技术与应用[J], 2022, 37(3): 651-662 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.3.0651

Li Yuan, Zhou Xiaocheng, Chen Yunzhi, Wang Fengke. Estimation and Evaluation of Forest Age in Jiangle County, Fujian Province based on Lansat Time Series Remote Sensing Disturbance Detection. Remote Sensing Technology and Application[J], 2022, 37(3): 651-662 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.3.0651

1 引 言

高精度的森林结构数据(如树高、胸径、林龄等)对森林资源调查、生态健康评估具有重要的意义1。但由于缺乏建模的林龄数据,研究相对较少,一定程度上影响了区域尺度上与林龄相关性强的森林结构参数和生态系统参数的估算精度(生物量、生产力等)。火灾、采伐、毁林等干扰事件是造成森林组成和结构变化的主要驱动力因素2。森林年龄的变化与上述活动有密切的关系,而Landsat图像较高的时间分辨率(16 d)可以提供长时间以来森林的干扰以及恢复情况,因此,借助反映森林年龄的森林资源清查数据、历史干扰数据(火灾、采伐等)和光学卫星数据3,获得更精确的森林年龄结构,为后期估算森林蓄积量、生物量、碳储量等提供高精度的建模因子,进而改善估算上述参数的精度。同时,可以为科学采伐、造林等提供参考。

目前获取林龄参数的方法主要包括野外实地调查、森林资源清查以及利用卫星遥感数据4-5和激光雷达数据预测林龄6-7。野外实地调查数据主要借助生长锥取样,通过树木年轮测得小样区林龄,森林资源清查数据主要在已有历史记录数据上对林龄更新,每5 a进行一次8。利用上述两种方法获得的森林年龄精度较高,但是耗费周期较长。利用卫星遥感数据预测森林年龄主要依据森林年龄与遥感影像的光谱、纹理因子之间的相关性,通过建立线性或者非线性模型反演森林年龄9,或者利用变化检测方法直接获得森林年龄10,进而获得大区域森林年龄。随着Landsat存档数据可以免费获取,国内外学者利用Landsat时序数据开展了大量的森林干扰与恢复研究,并将结果用于森林结构参数的估算。Huang等11利用植被变化追踪器(Vegetation Change Tracker, VCT)算法对森林扰动进行分析,通过分析每个像素的综合森林特征指数(Integrated Forest Z-cores, IFZ),区分森林、非森林与扰动区域。在此基础上,房磊等12-13利用Landsat历史存档数据,通过VCT算法获取相关干扰历史的时相信息,最终实现了当前林龄空间分布制图,其中,Diao等13又利用递归特征消除的随机森林算法(Random Forest Algorithm for Recursive Feature Elimination, RFE-RF),通过Landsat影像的光谱、纹理特征估算了非干扰区林龄。Kennedy等14提出了LandTrendr算法,该算法是一种基于轨迹的频谱-时间分割算法,主要用于Landsat时间序列的森林变化检测,可获得森林干扰开始时间节点,在此基础上,Gómez等15-16将上述算法中得到的干扰时间节点,用于森林地上生物量的估算,生物量估算精度有明显提高。Fujiki等10首先从Landsat时间序列图像的变化检测分析中提取了林分年龄,然后将得到的林分年龄与WorldView-2的光谱、纹理因子建立回归模型,估算了介于马来西亚沙巴的基纳巴鲁公园和克罗克岭公园之间的橡胶树年龄。Chen等17利用归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)时序影像估算了中国、缅甸和老挝三界交界处的橡胶种植园的年龄,其年龄的平均误差为1.53 a。综上所述,仅仅利用遥感影像的光谱、纹理因子估算森林年龄普遍会出现高估干扰频繁发生的区域幼林年龄,低估成熟林年龄的问题。现有研究主要基于长时间序列影像,利用分类后变化检测方法或者VCT变化检测算法估算干扰区人工林森林年龄,而LandTrendr变化检测算法用于林龄估算研究相对较少。另外,对估算非干扰区森林年龄,最新研究采用30 m分辨率卫星遥感影像13,高分辨卫星遥感影像应用较少,而高分辨率卫星遥感影像的纹理信息更加丰富,对森林树高、胸径等参数的估算精度有明显的提高18。例如:Gebreslasie等19分别利用IKONOS影像的多光谱数据的纹理信息和全色波段的纹理信息估算森林平均树高、胸径、蓄积量等林分参数,结果表明基于全色波段的纹理信息构建的模型精度均有所提高,最高达0.9。

因此,本研究的目的是:①利用GEE云平台的LandTrendr算法20衍生的干扰时间特征估算频繁发生干扰的区域林龄,进而提整体的林龄估算的精度。②结合GF-1号影像的光谱、纹理、植被指数以及地形因子特征与林龄建模,对非干扰区中的人工林、天然林年龄进行估算,最后将两部分的森林年龄合并,获得将乐县森林年龄。由于福建省将乐县是我国南方典型的人工林种植县,本文的研究方法可以为区域尺度的人工林森林参数估算提供新的思路和参考。

2 研究区与数据源

2.1 研究区概括

将乐县属于福建省,属亚热带气候,年平均气温为18.7 ℃,降雨量为1 703.7 mm,雨季时间较长但分配不均匀。该地区最广泛的土壤类型是红壤,土层肥沃较深厚而且水湿条件较好,适宜培育杉木(Chinese fir forest)、马尾松(Pinus massoniana)、硬阔(Hard broadly)、软阔(Hardwood)等经济林木。全县总面积达2 246.7 km2,地理位置见图1(a),该县属于我国南方重点林业县之一,森林类型主要以针叶林和阔叶林为主,如图1(b),为将乐县2019年针叶林、阔叶林分布图。其中,针叶林是以杉木和马尾松为主的人工林,年龄大多低于40 a,而阔叶林为天然林,年龄相对偏高。其次为竹林和防护林,林下植被主要是以蕨类为主的草本植物。通过前期对将乐县的考察得知,该县大部分人工林为福建省将乐县金森公司经营的林地,因此森林干扰中最主要的是森林采伐以及采伐后的人为放火炼山,并且在采伐炼山后一年重新栽种幼苗,说明将乐县森林采伐干扰和造林间隔时间一般不超过一年。

图1

图1   研究区及2019年针叶林、阔叶林空间分布

Fig.1   The study area and the spatial distribution of coniferous forests and broad-leaved forests in 2019


2.2 数据获取与预处理

基于GEE云平台获得将乐县1987~2019年33期Landsat影像,考虑植被物候差异对光谱的影响,影像选择的日期集中在7月~10月份。通过对每期影像进行辐射定标、大气校正以及云掩膜等处理,得到将乐县33 a时序地表真实反射率影像。除上述Landsat数据外,本研究还采用高分辨率卫星影像进行林龄估算,但由于南方多雨、多云的天气状况,未能获取2019年GF-1号影像,因此采用成像时间为2016年12月,分辨率8 m的GF-1号影像。对影像进行辐射校正、大气校正、正射校正等处理后与全色影像融合,获得2 m空间分辨率影像。利用30 m分辨率的DEM数据生成坡度、坡向数据,DEM数据来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)。所用建模林龄样本数据来源于2016年、2019年小班数据,按照福建省地方森林资源监测体系小班区划调查技术规定,林龄跨度包括幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林(如表1所示),林龄跨度包括幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林。其中针叶林共计269个,年龄范围在3~66 a,阔叶林共计231个,年龄范围在6~98 a。

表1   森林龄组信息

Table 1  Forest age group information

龄组

森林类型

幼龄林

/a

中龄林

/a

近熟林

/a

成熟林

/a

过熟林

/a

针叶林1~1011~2021~2526~35≥36
阔叶林1~2021~4041~5051~70≥71

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3 研究方法

研究流程如图2所示,基于GEE云平台,利用LandTrendr算法20获得1987~2019年森林干扰节点特征,通过2019年现存的针叶林、阔叶林对森林干扰时空分布图掩膜,这样就以1987年为时间点,将研究区分为森林干扰区(即LandTrendr算法检测到受干扰的森林区域)和非干扰区(即LandTrendr算法中的持续森林以及未检测到的受干扰的森林)。获取森林干扰开始时间,与小班林龄建立一元线性回归模型,实现干扰区自1987年来受到干扰又恢复为森林的林龄估算。接着利用2016年的GF-1号影像的光谱、纹理信息、植被指数以及地形特征,采用RFE-RF算法,与小班林龄构建模型,实现非干扰区2016年森林林龄估算后,结合Landsat时间序列影像更新至2019年。将两部分林龄合并,最终得到将乐县2019年森林林龄。

图2

图2   研究流程图

Fig.2   Research flow chart


3.1 特征提取

3.1.1 干扰区特征提取

利用GEE平台的LandTrendr算法(https://emapr.github.io/LT-GEE/introduction.html)提取受干扰森林的干扰时间节点特征。算法核心是将选取的长时间序列的指数轨迹简化为一组首尾相连的线段,并对分割后的线段进行拟合14。关于指数的选取,有学者对比了影像标准化处理后的各个波段反射率值及由波段衍生的植被指数对森林砍伐、火灾、病虫害和植树造林4种干扰类型的区分度21-22。其中,短波红外(SWIR)波段的反射率值在4种干扰类型中区分度最高,而近红外(NIR)波段反射率值在4种类型中区分度较高,因此相应的归一化燃烧指数(Normalized Burn Ratio, NBR)的响应能力最强,而NDVI指数的响应能力最弱。另外,在利用LandTrendr算法监测森林干扰与恢复的研究发现,NBR指数对于区分采伐、火灾等干扰事件具备最大敏感性1423-24,而将乐县林地干扰主要以采伐和采伐后的炼山为主,因此,本研究使用NBR指数作为算法监测的指数,公式如下。算法主要参数选择Kennedy等开发的LandTrendr算法默认参数14

NBR=NIR-SWIR/NIR+SWIR

该比值中,森林干扰后NBR值会突然变小23,据此,可由时序轨迹中NBR值的突变来识别森林变化信息,呈下降趋势的线段表示此处森林像元受到干扰,用呈上升趋势线段表示森林开始恢复的状态,而水平线段则表示该像素一直是森林的状态,未受到干扰,如图3所示。

图3

图3   干扰时序轨迹提取

Fig.3   Disturbance sequence trajectory extraction


3.1.2 非干扰区特征提取

利用Ecognition软件,通过小班矢量对GF-1号影像分割,获得影像的4个波段反射率的像元均值及标准差、11个(表2)植被指数25和4个波段的纹理特征26,包括同质性(Homogeneity,HOM)、对比度(Contrast,CON)、非相似性(Dissimilarity,DIS)、熵(Entropy,ENT)、纹理均值(Mean,MEA)、纹理标准差(Standard Deviation,STD)、相关性(Correlation,COR)、角二阶矩(Angular Second Moment,ASM)以及DEM、坡度(Slope)、坡向(Aspect)3个因子的像元均值。利用SPSS软件对上述因子与林龄样本进行相关性分析,相关性分析是指对两个或多个具备相关性的变量元素进行分析,从而衡量两个变量因子的相关程度,本文通过皮尔逊相关系数(Pearson Correlation Coefficient)分析林龄与上述因子之间的相关程度,其值一般介于-1与1之间27,从而选择与林龄相关性强的因子参与建模。

表2   GF-1号影像植被指数

Table 2  The vegetation index of GF-1 image

植被指数计算公式备 注
差值植被指数(DVI)DVI=NIR-R(Richardson等,1977)
增强型植被指数(EVI)EVI=2.5*NIR-R/NIR+6*R-7.5*B+1(Huete等, 2002)
归一化植被指数(NDVI)NDVI=NIR-R/NIR+R(Rouse等, 1974)
红绿植被指数(GRNDVI)GRNDVI=NIR-R+G/NIR+R+G(Gitelson和Merzlyak, 1998)
绿化率植被指数(GRVI)GRVI=NIR/G(Fiorella和Ripple, 1993)
改进植被指数(MSR)MSR=NIR/R-1/NIR/R+1(Chen, 1996)
归一化差异绿度指数(NDGI)NDGI=G-R/G+R(Chamadn等,1991)
再归一化植被指数(RDVI)RDVI=NIR-R/NIR+R(Roujean等,1995)
红边比值植被指数(RGRI)RGRI=R/G(Gamon和Surfus等,1999)
比值植被指数(RVI)RVI=NIR/R(Jor Jordan等,1969)
转换型植被指数(TDVI)TNDVI=0.5+NIR-R/NIR+R(Rouse等,1974)
GF-1号波段//

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3.2 干扰区林龄估算模型
3.2.1 一元线性回归

一元线性回归模型通过一个因子作为自变量来解释因变量的变化。计算公式如下:

Y=α0+α1X

其中:α0为截距,α1为未知系数;Y为2019年森林林龄;X为LandTrendr算法获得的干扰开始时间节点距离2019年的差值。

3.3 非干扰区林龄估算模型
3.3.1 递归特征消除的随机森林算法(RFE-RF)

RF算法是由Breiman提出28,是一种用于回归或分类的机器学习方法,算法流程如下:①采用bootstrap抽样方法,随机选取总样本三分之二的数据作为训练样本,其余三分之一作为验证样本,后者可以用来估计内部误差;②对每个训练样本构造一棵回归树,生成N棵树组成的随机森林。③组合N棵决策树的回归结果,使用多数投票原则确定最终的回归结果,算法结束。RFE算法是Golub等29基于支持向量机提出的,在研究中将RFE算法引入RF回归算法,进行光谱、纹理等因子与林龄的模型构建。

RFE-RF算法原理是基于RF的最大间隔原理的序列后向选择算法,将所有特征集合初始化得到整个特征数据集合,根据排序准则分数的大小对特征排序,每次迭代剔除分数最小的特征,直到特征集为空为止30,算法流程如图4所示。研究主要基于Python中sklearn模块库,调用RFE-RF算法预测森林年龄。

图4

图4   RFE-RF算法流程图

Fig.4   The RFE-RF algorithm flow chart


3.4 模型精度评价

本文采用决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)反映模型的准确性和稳定性,其计算公式如下:

R2=1-i=1nŷi-yi2i=1nyi-y¯2
RMSE=i=1nyi-ŷi2n

其中:yi表示第i个林龄的实际值;ŷi表示第i个林龄的预测值;y¯表示林龄的平均值;n表示林龄样本数量。

4 结果与分析

4.1 干扰区林龄模型构建与精度分析

根据先验知识,将乐县森林采伐干扰和造林间隔时间一般不超过1 a。因此基于LandTrendr算法获得将乐县每一年的森林干扰开始时间,用2019年现存的针叶林、阔叶林对干扰检测结果掩膜,得到将乐县森林干扰区空间分布图,结果如图5中A所示,并将干扰开始时间年份转换成距离2019年的时间差值,该差值理论上可认为是将乐县森林林龄。以图5中B图样区a的Landsat时序影像和图5中B图NBR指数的分割拟合轨迹可知,该干扰小班NBR指数2009年开始增长,表示伐区开始恢复造林,同时2009年Landsat影像也呈现造林恢复的特征,2009年后NBR指数持续增加并稳定在高水平,同时,利用LandTrendr算法获得的将乐县森林林分干扰持续时间为1 a的面积比例高达91%,如图6所示,该干扰持续时间和实际情况相符合。为验证林龄精度,得到了2019年森林干扰区内,255个小班林龄样本点,将样本总数的70%与上述转换的时间差值建立线性回归模型,30%样本作为验证数据。利用模型获得的公式估算干扰区森林年龄。模型验证结果如图7所示。

图5

图5   将乐县森林干扰图以及Landsat时序图

Fig.5   The distribution of forest disturbance and Landsat time series in Jiangle


图6

图6   森林干扰持续时间面积

Fig.6   Forest disturbance duration area


图7

图7   干扰区森林林龄估算

Fig.7   Estimation of forest age in disturbance area


图7可知,利用LandTrendr算法衍生的森林干扰时间节点特征与小班林龄有很强的相关性,模型的R2为0.94,RMSE为1.91 a,所得模型公式如下:

Y=0.992*X+0.222

其中:X表示干扰开始时间距离2019年的差值,Y表示预测的森林年龄。

4.2 非干扰区林龄模型构建与精度分析

在非干扰区,如果在建模过程中使用所有相关的特征变量,可能会导致模型精度低和计算负荷高,因此通过RFE算法对SPSS软件中有显著相关因子进行特征选择,选择对特定林种的森林年龄敏感的重要特征,与RF算法结合进行林龄模型构建。特征选择数量如图8所示,相关性结果如表3所示,随机森林回归模型验证结果如图9所示。

图8

图8   特征选择

Fig.8   Feature selection


表3   森林类型和建模指标相关系数R

Table 3  Correlation coefficient R of forest stand age versus modeling index

森林类型因子类型因子相关性森林类型因子类型因子相关性
针叶林波段绿波段(Green)0.38**阔叶林波段蓝波段(Blue)-0.29**
近红外波段(NIR)-0.55**绿波段(Green)-0.28**
植被指数DVI0.43**红波段(Red)0.21**
GRNDVI0.42**近红外波段(NIR)-0.17**
RDVI0.46**植被指数RDVI0.17**
RGRI0.22**地形特征DEM0.40**
纹理特征GLCM_COR_NIR-0.22**纹理特征SD-Blue0.17**
GLCM_ENT_Red0.17**
GLCM_COR_NIR0.18**

注:**表示遥感因子与林龄的相关性在0.01水平上显著

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图9

图9   非干扰区森林年龄估算

Fig.9   Estimation of forest age in non-disturbed area


图9(a)可知:针叶林的RMSE为4.71 a,由图9(b)可知:阔叶林的RMSE为12.71 a,原因是阔叶林作为天然林,随着林龄不断增长,阔叶林冠层已完全闭合,生长缓慢,此时成熟林光谱信息与近熟林相似31

利用RFE-RF模型获得将乐县2016年森林年龄基础上,结合LandTrendr算法获得的2017~2019年森林干扰特征,以及Landsat时间序列影像,将森林年龄更新至2019年,即获得2019年非干扰区现存的针叶林、阔叶林的森林林龄。

4.3 分区与未分区林龄建模对比分析

利用本文中的两种方法,选择干扰区建模中的15个典型样本点林龄精度进行对比。通过表4结果可知:平均年龄误差中,基于干扰开始时间预测的森林年龄RMSE为0.54 a,而基于光谱、纹理因子等估算的林龄RMSE为6.76 a。同时可以看出,基于光谱、纹理等因子估算的幼林年龄,基本都会出现高估幼林的情况,可能由于种植密度差异,各树种在幼龄林阶段生长速度快且种植密度高于中龄林,导致幼龄林光谱承载信息与中龄林相似31,因此,基于LandTrendr干扰算法衍生的干扰开始时间来估算干扰区域中幼龄林、中龄林的年龄,可以较好地提高林龄估算精度。

表4   干扰区林龄精度分析表

Table 4  Age accuracy analysis table in disturbance area

2019年小班年龄/a线性回归预测年龄/a误差/a随机森林预测年龄/a误差/a
67.171.1729.8523.85
89.151.1520.9212.92
99.150.1523.0614.06
1010.140.1429.4119.41
1212.130.1318.306.30
1416.092.0918.584.58
1516.091.0918.113.11
1617.091.0919.343.34
1919.070.0724.205.20
2020.060.0624.784.78
2121.050.0525.064.06
2626.010.0128.052.05
2728.001.0027.280.28
2827.940.0626.241.76
3029.980.0229.240.76
平均年龄/年17.417.940.5424.166.76

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将乐县2019年森林年龄分布图,如图10所示,从图中可以看出,东部和西南地区森林年龄较大,原因是龙栖山自然保护区森林年龄较大且位于将乐县西南部。研究结果与实际情况相符,总体上,将乐县大部分森林年龄低于40 a。

图10

图10   将乐县2019年森林年龄分布图

Fig. 10   Forest age distribution map of Jiangle County in 2019


5 讨 论

利用遥感影像的光谱、纹理因子估算森林年龄,容易高估幼林年龄,低估成熟林年龄。本文借助GEE平台和Landsat长时间序列数据,利用LandTrendr算法估算了干扰区森林年龄,避免了由森林干扰事件造成的幼林年龄估算精度低的问题。

首先,本文利用GEE云平台中的LandTrendr算法衍生的森林干扰开始时间估算了干扰频繁区域的森林年龄。与早期基于本地IDL语言的LandTrendr算法相比,基于GEE云平台的LandTrendr算法更加灵活。与现有估算干扰区域林龄的VCT算法12-13相比较,本文方法容易操作和实现。VCT算法实现的核心是构建IFZ指数,首先需要选择光谱纯净度较高的森林像元作为样本参考,然后计算时序影像的目标像元的光谱反射率值和参考样本的偏离程度,总体来说耗费时间较长。基于GEE云平台的LandTrendr算法20提供调节参数功能,可根据研究区的实际干扰情况选择合适的指数,并且可以快速获得大范围的森林干扰结果。通过该方法获得的干扰区森林年龄,误差为1.91 a,与传统的基于光谱等因子估算的森林年龄相比,该方法的森林年龄精度较高。这是因为森林生长初期的幼林地造林区林下杂草丛生,植被指数值偏高,与幼林龄林分存在灌草光谱混淆情况,导致承载光谱信息与中龄林相似,容易高估幼林年龄,低估成熟林年龄,造成误差较大;而利用LandTrendr算法精确检测早期森林干扰时间来推断现有森林林龄,从而可以避免植被指数反演法高估幼林林龄低估成熟林林龄的问题。例如:唐少飞等9利用Sentinel-2影像的光谱指数、生物物理参数,估算落叶松的年龄,最佳模型的误差为4 a。Kou等4利用Landsat时间序列影像以及PALSAR影像估算了西双版纳傣族自治州的橡胶树年龄,准确率达到80%~90%,但是该研究并未把年龄当作连续变量来对待,而是对年龄进行了分组。同样,Li和Fox32利用MODIS时间序列提取橡胶幼树年龄(<4)和成熟橡胶树年龄(≥4),准确率达97%以上,虽然结果显示准确率超过97%,但是年龄和空间辨别能力都比较粗糙,信息量较少,影响实际应用。本文方法在森林干扰区林龄估算精度上都要优于以上方法。但是由于林龄基础数据与影像数据有限,目前研究仅仅针对一个县域展开,后期可在有林龄基础数据的更大区域开展人工林年龄的估算,为森林树高、蓄积量、生物量的精度提供高精度的建模因子。

其次,在非干扰区利用RFE-RF算法对特征进行选择,通过选择的因子结果可以看出,在针叶林、阔叶林参与建模的因子中,同样都选择GF-1号影像波段中的近红外波段、绿波段,相关研究表明,近红外波段与林龄信息有较强的相关性6。对于绿色波段,相关研究表明绿色波段反映了森林演替期间叶面属性(如叶绿素-a浓度和氮浓度)的变化,而叶片叶绿素浓度值随林龄增长逐渐增加33-34。而对于纹理特征,相比多数研究选用的30 m分辨率的Landsat影像、500 m分辨率的MODIS影像以及10 m分辨率的Sentinel-2影像,本文选用的高分辨率卫星的纹理信息更丰富,并且用在林龄估算的研究中相对较少18

最后本文获得了将乐县针叶林、阔叶林年龄,但是相比较Diao等13利用RFE-RF算法估算的丽水市杉木、马尾松、橡树的年龄,RMSE为4.2~5.3 a,本研究估算的林龄误差较大,可能的原因是本研究针对的是针叶林,未对其进一步树种识别,部分误差来源于各树种之间及针阔混交林间光谱纹理信息差异较大。而阔叶林的RMSE为12.71 a,原因是阔叶林作为天然林,森林年龄基本处于成熟林阶段,由于冠层结构饱和效应,随着林龄不断增长,阔叶林冠层已完全郁闭,生长缓慢,此时成熟林光谱信息与近熟林相似31。后续考虑利用无人机影像进行树种识别,提取树高、郁闭度等因子提高针叶林、阔叶林的估算年龄。

6 结 论

本文以Landsat时间序列数据集与2 m GF-1号高分影像数据,利用LandTrendr算法、一元线性回归算法以及RFE-RF算法,得到福建将乐县内2019年森林林龄空间分布,结果表明:

(1)基于GEE平台的LandTrendr算法可以快速收集、处理数据,且可获得大范围的森林干扰结果,后续可将此结果用于福建省的森林年龄估算,也可用于林分树高、生物量等反演模型,进而改进幼林树高、生物量的反演精度。相较于本地处理节省了大量的时间。

(2)在LandTrendr算法中,NBR指数的轨迹变化在反映森林的状态上表现出了优越的性能,估算的林龄误差(RMSE)约为1~2 a,提高了整体的林龄估算精度。

(3)将高分辨率影像与Landsat时序遥感数据结合,采用LandTrendr算法获得的干扰时间节点来改进林龄精度估算的方法有效且可靠。总体上,获得的将乐县林龄估算结果与实际相符,大部分森林林龄低于40 a,可以为森林资源年度动态监测提供重要的参考。

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