基于3S技術林地立地質量可監(jiān)測因子分析研究

魏秋桂

(福建省大田桃源國有林場，福建 大田 366100)

1 引言

在造林中，要保證苗木成活率高，就要因地制宜、適地適樹，選擇適合的立地造林。森林立地質量分析和評價是合理利用土地的基礎。正確的森林立地質量分析結果可以為適地適樹提供科學依據。

由于植被類型和環(huán)境條件多種多樣、變化復雜，森林立地質量的測定到目前為止仍是以傳統(tǒng)調查的手段為主，這樣在偏遠和交通難于到達的地區(qū)，立地質量的測定和調查有很大的難度，而且森林資源分布面積廣、傳統(tǒng)調查只能進行抽樣調查，所獲得的數(shù)據往往難于真實、客觀地反映森林立地類型的實際情況。3S技術的發(fā)展及其在林業(yè)中的應用，為監(jiān)測林分生長因子如林分蓄積量、林分郁閉度以及林分齡組等因子提供了重要的技術手段，為森林立地類型的劃分提供了實現(xiàn)手段，也為森林立地質量的測定提供了重要的基礎。本文以福建省永安市森林立地質量為研究對象，基于3S技術對森林立地質量的可監(jiān)測因子進行分析研究，表明實現(xiàn)應用3S技術測定森林立地質量具有重要的意義，是實現(xiàn)科學造林、育林、經營的基礎工作，可為指導生產、科學管理提供重要依據和手段。

2 森林立地質量相關概念、研究區(qū)域概況

2.1 森林立地質量的相關概念

森林所在地(在一定空間范圍內)的地貌、氣候、土壤和生物環(huán)境，稱為森林立地。森林立地質量的高低對造林更新、樹種選擇、地力維持和經營管理至關重要，是森林生產力的基礎。森林立地質量是指所有影響森林生長發(fā)育的環(huán)境條件的總和，包括氣候因子、土壤因子及生物因子。通過研究森林立地質量，適地適樹，預估森林生產潛力。

森林立地質量評價是指對森林立地的性狀、生產力和立地等級按一定的目的進行評價。森林立地質量評價是對森林立地性能的認識，有利于適地適樹，充分發(fā)揮森林立地的生產潛力。

植被指數(shù)是利用衛(wèi)星不同波段探測數(shù)據組合而成的，能反映植物生長狀況的指數(shù)，反映植被在可見光、近紅外波段反射與土壤背景之間差異的指標，可以用來定量說明植被的生長狀況。在遙感影像中，近紅外波段的反射值與紅光波段的反射值之差比上兩者之和，即(NIR-R)/(NIR+R)，NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值，稱為歸一化植被指數(shù)(NDVI)。反映農作物的長勢和營養(yǎng)信息，NDVI是重要參數(shù)之一。

2.2 研究區(qū)域概況

永安市為福建省轄縣級市，位于福建省境中西部, 北緯25°33′～26°12′，東經116°56′～117°47′。地勢四周高,中部低,有沙溪、燕江流貫全域，轄4個街道辦事處、8個鎮(zhèn)、3個鄉(xiāng),228個行政村,總人口35.8萬人。永安市氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫在14.3～19.2 ℃之間，全年平均無霜期為302 d，日照充足。年均降水量在1484～2040 mm之間，平均降雨日數(shù)為130～169 d，十分有利于林木的生長。

全市總面積2931 km2。其中森林面積382.5萬畝,森林覆蓋率82.83%,森林總蓄積量2210萬m3，竹林面積100.7萬畝，是中國筍竹之鄉(xiāng)、中國竹子之鄉(xiāng)，是我國南方48個重點林區(qū)縣(市)之一和全國唯一的林業(yè)改革與發(fā)展示范區(qū)。

3 研究內容、方法及技術路線

3.1 研究內容

以永安市森林立地質量為研究對象，確定森林立地質量評價的主導因子，運用遙感技術提取評價主導因子。以森林立地質量等級為觀測值，以各評價因子為控制變量，根據數(shù)量化模型Ⅰ建立兩者的數(shù)學模型并進行精度檢驗和分析，依據建立的數(shù)學模型反演永安市森林立地質量。

3.2 研究方法

(1)研究區(qū)域的森林立地外業(yè)小班調查。

(2)確定森林立地質量評價主導因子。

(3)應用遙感技術提取森林立地質量評價主導因子。

(4)應用數(shù)量化理論Ⅰ把定性的森林立地質量評價主導因子轉化為定量主導因子，根據數(shù)量化模型Ⅰ建立兩者的數(shù)學模型并進行精度檢驗和分析，通過編制森林立地質量數(shù)量化得分表，定量地預測森林立地質量。

(5)依據建立的數(shù)學模型反演永安市森林立地質量。

(6)采用主成分分析法，建立回歸模型，分析篩選自變量因子，獲得影響森林立地質量的首要因子。

4 數(shù)據資料與圖象處理

4.1 數(shù)據資料

本研究主要的數(shù)據資料有：2018年永安市的ALOS遙感影像、永安市1∶5萬地形圖、永安市行政區(qū)劃邊界圖。根據研究需要，開展林地外業(yè)小班調查，收集研究區(qū)域的水熱因子、土壤因子、植被因子等各種資料，并獲取永安市林地外業(yè)小班調查的GPS點坐標。

4.2 遙感圖象預處理

4.2.1 遙感圖象幾何校正

以永安市1∶5萬地形圖為參考圖對ALOS影像圖進行幾何精校正。重采樣采用立方卷積法，采用高斯-克呂格投影坐標系統(tǒng)校正，校正后的ALOS影像圖誤差為0.4819個像元，達到研究所需要的精度要求。

4.2.2 圖像裁剪

利用福建省行政邊界矢量圖層，通過GIS，提取永安市地域范圍SHP圖 (圖1)。并通過遙感圖像處理軟件將矢量圖層轉換為研究區(qū)域AOI，裁剪出永安市2018年ALOS遙感影像圖(圖2)。

圖1 研究區(qū)SHP圖

圖2 研究區(qū)2008年ALOS遙感影像

4.2.3 DEM數(shù)據的裁剪

DEM數(shù)據是實現(xiàn)地理環(huán)境因子提取和利用的重要基礎數(shù)據源。通過GIS的工作平臺，以永安市SHP圖層裁剪DEM數(shù)據(圖3)，作為基礎數(shù)據之一，通過GIS的空間分析工作生成坡度圖和坡向圖，作為研究的地形因子(圖4)。

圖3 研究區(qū)DEM

圖4 研究區(qū)海拔

5 森林立地質量主導因子選擇及信息提取

5.1 森林立地質量主導因子選擇

森林立地質量的劃分及分析，立地因子的擬定和選擇很關鍵。在這方面，國內外學者主要從定性描述、數(shù)量化方法、數(shù)學建?；蚓C合多種方法的集成進行研究。根據遙感和地理信息系統(tǒng)技術特點，基于3S技術森林立地分類的主導因子大致可以分為以下幾類。

5.1.1 海拔

海拔是林地變化最明顯的因子之一，在遙感影像上最容易確定，不同的海拔高度反映了立地條件在垂直方向上的變化。因不同海拔的氣候—土壤條件不同，樹木的生長及形態(tài)特征均有差異。

5.1.2 坡度

坡度直接影響到森林立地質量的狀況。隨著坡度的增大，水土流失的可能性也越大，土壤變得越來越瘠薄，森林立地質量也越來越差。反之，土層深厚，保水保肥能力強，森林立地質量好。

5.1.3 坡向

由于太陽輻射強度和日照時數(shù)不同，不同坡向的光照、溫度、雨量、風速、土壤質地等特性均有很大的差異。

5.1.4 小氣候

地形的微小凹凸，會改變日照長短、光照強弱、迎風背風、冷空氣聚散等，形成局地小氣候。林木分布邊緣區(qū)域，經常受到小氣候控制?？梢?，小氣候是一個綜合的生態(tài)因子。

5.1.5 土壤

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的基礎，是森林賴以生存的載體,它不但是水、光、熱、植物等因子的直接承受者，也是各生態(tài)因子的綜合反映者，土壤性質的好壞直接影響林木的生長發(fā)育。土壤因子主要為土壤類型，還有厚度、肥力等。土壤有效厚度，主要指樹木根系所占的那部分土壤厚度，它對確定立地性質具有重要意義。

5.1.6 植被

植物葉面對可見光紅光波段和近紅外波段有很強的吸收特性和反射特性，利用衛(wèi)星不同波段探測數(shù)據組合而成的植被指數(shù)，能定量說明植被的生長狀況。

綜上所述，海拔、坡度、坡向、土層厚度、植被指數(shù)5個因子能比較全面地反映森林立地質量，是森林立地類型劃分的主導因子。

5.2 森林立地質量各因子劃分標準

5.2.1 海拔劃分標準

山地、丘陵占福建省總面積的80%以上，根據福建省海拔高度的特點并結合國家森林資源調查技術規(guī)定，將海拔劃分為3個等級，見表1。

表1 海拔劃分標準

5.2.2 土層厚度劃分標準

根據福建省土層厚度的特點并結合國家森林資源一類調查，將土層厚度劃分為厚、中、薄3個等級，見表2。

表2 土層厚度劃分標準

5.2.3 坡向劃分標準

根據福建省坡向的特點并結合國家森林資源一類調查，將坡向劃分為8個等級，見表3。

表3 坡向劃分標準

5.2.4 坡度劃分標準

根據福建省坡度的特點并結合國家森林資源一類調查，將坡度劃分為斜坡、緩坡、陡坡3個等級，見表4。

表4 坡度劃分標準

5.2.5 NDVI等級劃分

根據福建省森林和林木生長狀況的特點，將植被指數(shù)劃分為3個等級[1,2]，見表5。

表5 NDVI等級劃分

5.2.6 林地類型分類標準表

根據上述所選取的項目和各項因子劃分的類別，建立林地類型分類標準，見表6。

表6 森林立地質量各主導因子劃分標準

5.3 森林立地質量各因子信息提取

由DEM數(shù)據經過GIS的空間疊加分析，建立新的空間、屬性特征，獲得每一個新圖斑的綜合屬性，包含高程、坡度、坡向的信息。根據森林立地分類方案，給每一個新圖斑填充相應的屬性，重新劃分圖斑，獲取最終的立地質量分類結果[3]。通過GPS地理坐標分別從森林立地質量柵格空間數(shù)據庫以及DEM數(shù)據的高程圖所派生的坡度圖，用ERDAS確定各柵格圖象上的位置并提取相應屬性值。

利用上述的數(shù)據生成海拔圖(圖4)、坡向圖(圖5)、坡度圖(圖6)、土層厚度圖(圖7)、植被指數(shù)圖(圖8)。

圖5 研究區(qū)坡向

圖6 研究區(qū)坡度

6 森林立地質量反演模型

6.1 數(shù)量化模型Ⅰ基本原理

以相應樣地立地質量為觀測值，所確定的測定因子為控制變量，通過數(shù)量化理論Ⅰ建立二者的關系模型并進行處理和分析。

表7 項目、類目反映

δi(j,k)=

由元素δi(j,k)構成的n×p階矩陣：

稱為反應矩陣。反應δi(j,k)有個重要性質，即對每個固定的i和j，有

這是因為樣品在每個項目中只有一個類目的反映，其余的反映皆為0。

6.2 森林立地質量數(shù)量化得分表編制

6.2.1 編制反映表

在提取的各種因子中，有的為定量因子，如坡度、海拔等，有的為定性因子，如坡向。首先采用分級法把定量因子轉化為定性因子，然后通過引進一個示函數(shù)(即0-1化數(shù)量方法)實現(xiàn)定量變換。各樣地立地因子、項目、類目反映表如表8所示。

表8 各樣地立地因子、項目、類目反映

續(xù)表8

續(xù)表8

以各樣地提取的森林立地質量和各評價因子作為因變量和自變量，建立數(shù)量化理論Ⅰ數(shù)學模型：

(1)

式(1)中：yv為因變量，bij為項目類目的系數(shù)(即稱得分),δv是觀察中的隨機誤差，δr(i,j)為類目的反應矩陣[4～6]。

6.2.2 數(shù)量化得分表編制

利用唐啟義，馮明光編制的“數(shù)量化方法Ⅰ”進行建模[7]，按各項目對基準變量的貢獻，由小到大逐次篩選，剔除貢獻最小的項目，得到以下5個預測方程。

方程1：y=2.857143-0.1371429A1

-0.965251A2

方程2：y=2.349559-0.0832032A1

-0.829938A2+0.607011B1+0.335982B2

-0.1018663B3+0.637510B4+0.733644B5

+0.582978B6+0.679552B7

方程3 ：y=2.299464-0.00066A1

-0.828531A2+0.592021B1+0.364653B2

-0.1264448B3+0.754656B4+0.701198B5

+0.592885B6+0.649117B7-0.85846C1

+0.1386658C2

方程4：y=3.019127+0.2957199A1

-0.692258A2+0.372162B1+0.1325462B2

-0.317891B3+0.491770B4+0.517255B5

+0.480895B6+0.524775B7-0.920802C1

+0.1282929C2-1.083902D1-0.706203D2

方程5：y=3.38751+0.507330A1-

0.5811819A2+0.336569B1+0.0874148B2

-0.2993685B3+0.396533B4+0.345840B5

+0.382381B6+0.486241B7-0.984807C1

+0.1639398C2-1.073063D1-0.677461D2

-0.604128E1-0.344963E2

其中項目Ai、Bi、Ci、Di表示各項目中有i個類目(i=1、2、3、…)。

用數(shù)字表示各項目中所有類目的得分值的預測方程，編制森林立地質量得分表(表9)[8]。

表9 森林立地質量數(shù)量化得分

根據森林的各項立地因子，按照劃分的等級查表得到分值，再加上方程的常數(shù)項，即可得到該林地立地質量等級的預測值(表10)。

表10 森林立地質量預測方程顯著性及復相關系數(shù)檢驗

6.2.3 相關系數(shù)R檢驗

相關系數(shù)R值越大，Y的預估愈好，否則相反，R的大小與樣地數(shù)量及項目類目有關，所以需要F檢驗，F(xiàn)>F0.05(自由度為f1=m,f2=n-m-1)所得的效果好，否則不好。

續(xù)表9

由表10可以看出，各項類目所對應的F>F0.05，說明所預測的5個方程所得的效果很好。

6.3 森林立地質量等級劃分

為了便于評價森林立地質量，將各因子數(shù)量化得分表一列中的各類目最大得分值減去最小得分值的和四等分，將其由大到小組合為4個數(shù)值范圍，即為4個立地類型級別，分別評為優(yōu)、良、中、差4級，編制成表(表11)[8]。

6.4 精度檢驗

對照森林立地質量評價表，對各地立地質量進行評價。在“森林立地質量數(shù)量化得分表”中查算某個立地類型的“總得分值”，再查找“總得分值”在“評價表”中”的位置，便可確定該森林立地質量級別。如：某小班的立地條件是：海拔330 m，土層厚度100 cm，坡向東北，坡度23°，NDVI為0.103448，查該“森林立地質量數(shù)量化得分表”，其總得分值為：

0.5073+0.0874+0.1639+(-1.0731)

+0.0000= -0.3145

查找-0.3145在“評價表”中的位置，可以確定這一小班的森林立地質量級別為2，森林立地質量為良。用同樣的方法，可以4個、3個、2個或1個因素查出各自X5、X4、X3、X2、X1列中相應行類目的得分值，對森林立地質量進行預測、評價和研究。

為此研究，隨機抽取林地樣地點50個，組成大樣本，保證數(shù)據的相對獨立性。將模擬結果進行精度分析。表12為用5個因子根據表9和表11所查出的立地質量等級(預測值)。

表11 森林立地質量數(shù)量化評價

根據表12得出擬合模型的精度表，見表13。總精度為80%，符合精度要求，因此，此方法和結果可以采用。

表12 森林立地質量等級預測

表13 精度檢驗

6.5 森林立地質量反演模型構建

根據所建立的森林立地質量各種因子的關系，結合森林立地質量各因子得分值，應用上述方程5通過ERDAS的model中的條件函數(shù)和加和功能函數(shù)實現(xiàn)反演，其精度見表9、表10，反演模型如圖9所示。

圖9 反演模型

7 結果分析

7.1 森林立地質量圖反演

根據森林立地類型劃分標準，綜合上述建模生成的合并簡化圖層的屬性字段值，通過ERDAS的model重新對森林立地類型字段賦值。結果圖經過處理后，得到最終的森林立地質量專題圖(圖10)。

圖10 永安市森林立地質量分布

7.2 森林立地質量面積統(tǒng)計

通過編制森林立地質量數(shù)量化得分表，將森林立地質量劃分為4個等級，各森林立地質量等級面積統(tǒng)計如表14所示。

從表14中可以看出永安市森林立地質量面積以Ⅱ類地和Ⅲ類地分布的范圍最廣，Ⅳ類地分布的面積最小。

表14 永安市森林立地質量統(tǒng)計表

7.3 森林立地質量空間分布

通過森林立地質量反演圖可以看出森林立地質量Ⅱ類地和Ⅲ類地主要分布在永安市市區(qū)及主要河流兩岸，即永安市行政區(qū)的中部地區(qū)。該林地的土層厚度較厚、坡度平緩，海拔相對較低。森林立地質量Ⅰ類主要分布在距離市區(qū)和主要流域兩岸較遠的林地上，即分布在永安市行政區(qū)的四周。這些林地的特點為低海拔、土層厚度厚、緩坡、坡向為光照豐富的南坡方向。而森林立地質量Ⅳ類地則零散的分布在永安市行政區(qū)的各地，主要分布在坡度較陡、土層厚度薄、北坡方向的林地上。

7.4 森林立地質量主導因子重要性分析

7.4.1 數(shù)量化模型主成分分析

從森林立地質量數(shù)量化得分表中可以看出，所選的森林立地質量評價的5個因子中，海拔的得分值最高，所占的比值最大，所以海拔對森林立地質量的影響最大，是森林立地質量的第一制約因子。

7.4.2 成分數(shù)據主成分分析

采用主成分分析法，利用降維，把從影響林木生長的諸多環(huán)境因子中挑選出最主要的因子作為新的自變量代替原來自變量，構造主成分分析法回歸模型，篩選回歸變量。用主成分分析篩選變量，實現(xiàn)用較少的計算量來選擇最佳變量子集合的效果[9]。

對選擇哪些森林立地因子作為森林立地質量評價的自變量進行分析。將表8 的5個立地因子重新整理、運算，得到成分數(shù)據。

其特征根：

λ1=1.4836,λ2=1.1239,λ3=0.9999,

λ4=0.7811,λ5=0.6116

貢獻率(%)：

X1=29.6723,X2=22.4781,X3=19.9971,X4=15.6215,X5=12.2310

累積貢獻率(%)：

X1=29.6723,X2=52.1504,X3=72.1475,X4=87.7690,X5=100.00

按累積變異性貢獻率不低于85%為準[10]，選4個主成分分析，降維不明顯。從主成分分析結果可以看出坡向、坡度、土層厚度、植被指數(shù)對森林立地質量的影響較大，而海拔對森林立地質量的影響最大，是森林立地質量的第一制約因子，為劃分所在地的立地類型提供了依據。

7.4.3 小結

通過數(shù)量化模型Ⅰ和成分數(shù)據主成分分析兩種方法分析，海拔、坡向、坡度、土層厚度、歸一化差分植被指數(shù)對森林立地質量都有重要的影響作用，但海拔對森林立地質量的影響作用最大，是森林立地質量的第一制約因子。

8 結論與討論

8.1 結論

(1)本文所確定的海拔、坡向、坡度、土層厚度、歸一化差分植被指數(shù)(NDVI)作為森林立地質量評價因子，能較好地反映森林立地質量。

(2)研究區(qū)域的ALOS遙感影像，根據所建立的基于3S技術的森林立地質量測定模型，實現(xiàn)區(qū)域森林立地質量的反演，利用其他樣地的森林立地質量進行驗證,所得驗證精度為80%，符合生產實踐精度要求，此方法和結果可以采用。

(3)應用數(shù)量化模型Ⅰ和成分數(shù)據主成分分析兩種方法對各主導因子進行重要性分析，同時得到海拔對森林立地質量的影響最大，說明海拔是影響森林立地質量最主要的一個因子。

(4)用數(shù)量化模型Ⅰ對森林立地質量主導因子進行分析，通過編制森林立地質量數(shù)量化得分表，能過較好、較直觀的預測研究區(qū)域的森林立地質量。研究可在一定程度上反映出基于3S技術可較易實現(xiàn)提取的永安市森林立地質量的監(jiān)測因子，使永安市森林立地因子的評價由定性到定量，并可預測造林地的立地質量類型，生產潛力，為森林合理培育經營提供科學依據。

8.2 討論

(1)利用3S技術劃分森林林地立地條件類型，能夠快速對森林立地進行分析，實現(xiàn)計算機自動化；定性與定量相結合，能夠對森林立地分類進行多因素綜合分析。參與分析的分類因子的精度決定了森林立地質量分析結果的精度，各因子定位和定性的準確性決定了森林立地質量分析的準確性、客觀性和科學性。

(2)運用3S技術方法，依據各森林立地單元，對整個研究區(qū)域的森林立地質量全面統(tǒng)一劃分，克服了傳統(tǒng)方法存在的問題，將傳統(tǒng)的森林立地因子的定性評價轉為定量評價。在生產生活中，考慮森林立地質量各影響因子時，要抓住主導因子，突出主導因子的主要影響作用。