基于Landsat时间序列的湖南省会同县杉木人工林干扰历史重建与林龄估算研究

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我国人口众多、人均森林面积不足。为加强对现有森林资源的保护,国家实施了天然林资源保护、退耕还林(草)、人工造林等一系列大规模林业建设工程,大力促进森林恢复发展。近几十年来,我国杉木人工林面积急剧增加,在控制水土流失、保护生物多样性等生态环境保护领域扮演着越来越重要的角色。杉木林面积分布广泛,是我国南方亚热带地区特有的优良速生乡土用材树种,具有繁殖容易、生长迅速、材质优良、产量高等特点。在我国林业建设与生态保护等领域占有重要地位。基于杉木林的优良特点及分布的广泛性,对杉木林的研究尤为重要。研究表明不同龄级的林分生物量、碳储量、碳密度存在显著差异,凸显了林龄结构与森林生产功能之间的密切联系。同时,对于区域尺度林分调查而言,林龄的准确估算对于提高森林结构与功能参数估算意义重大。探究不同年龄的杉木林在区域的空间分布,对于精确估算生物量、碳储量等重要生态参数具有重要的辅助作用。  本研究以我国亚热带杉木中心产区—湖南省会同县为例,通过Landsat时间序列数据重建森林的干扰和恢复过程并将之应用于林龄的估算。研究中利用1986-2016年Landsat存档数据,构建对森林扰动极为敏感的光谱指数时间序列,通过开展森林变化信息检测与时间序列分析,得到研究区森林干扰历史相关时相参数的空间分布;结合高分影像,对研究区当前卫星影像使用随机森林(Randomforest)算法进行土地覆盖类型分类,获取当前杉木人工林的空间分布信息;结合样点实测杉木树芯数据与对应森林干扰时相信息构建回归模型并进行模型外推,可最终获得研究区杉木林的年龄空间分布图。主要结论如下:  (1)本研究基于随机森林分类算法所得地表覆盖分类图的总体分类精度为67%,Kappa系数为0.72。对杉木林类别进行专题提取发现:会同县杉木人工林分布广泛,其总覆盖面积约为7.67×104hm2,占全县总面积的34%左右,然而受地形影响杉木林分布的破碎化程度较高。通过与坡度数据叠加分析表明:杉木林主要分布于坡度小于25°的平坡、缓坡与斜坡,共占总体的80%以上。  (2)利用Landsat IFZ(Integrated Forest Z-cores)年度数据进行森林干扰事件时序分析可获得森林变化动态信息。结果显示,1986-2016年间会同县未发生干扰事件的现存杉木林面积约为28463hm2,多分布于会同县中东部S222省道沿线以及会同县东部区域,占现存杉木林总面积的37.11%。现存杉木林的最近一次干扰发生时间与恢复成林时间的空间聚集程度存在明显差异。  (3)将3种杉木林干扰历史相关数据与野外实地调查所得林龄数据建立广义线性回归模型,进行逐步回归,获得最优变异解释量(R2=0.70,P<0.05)。将回归模型外推至整个研究区得到研究区现存杉木人工林的各年龄阶段空间分布。通过对会同县现存杉木人工林年龄组成与分布统计显示:该县现存杉木林中成熟林所占比例较高、分布广泛,约占现存杉木林总面积的47%,且多分布于会同县东部与北部地区;中龄林与近熟林分布面积次之,共24161hm2,占杉木林总面积的32%;杉木幼龄林多分布在会同县偏西部地区,占总面积的15%,这一类别的杉木林面积为11582hm2;杉木林林龄大于36的过熟林分布较少,覆盖面积分别约为4909hm2,仅占杉木林面积的6%。
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