基于LANDSAT的辽宁省朝阳市1985—2020年退耕还林工程动态监测.pdf
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1、第4 3卷第3期2 0 2 3年6月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.3J u n.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 0 修回日期:2 0 2 2-1 0-0 1 资助项目:辽宁工程技术大学项目“智慧农业遥感监测创新培育团队”(L N TU 2 0 T D-2 3)第一作者:帅艳民(1 9 7 3),女(汉族),山东省菏泽市人,博士,教授,主要研究方向为植被定量遥感、地表辐射、卫星遥感数据产品。E m a i l:s h u a i y mg
2、 m a i l.c o m。通信作者:霍燃(1 9 9 9),女(汉族),辽宁省朝阳市人,硕士研究生,研究方向为植被遥感。E m a i l:r a n 3 3 2 3 8 8 4 5 3 41 6 3.c o m。基于L A N D S A T的辽宁省朝阳市1 9 8 52 0 2 0年退耕还林工程动态监测帅艳民1,2,3,4,霍 燃1,曲 歌1,邵聪颖1,田艳君1(1.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院,辽宁 阜新1 2 3 0 0 0;2.浙江师范大学 地理与环境科学学院,浙江 金华3 2 1 0 0 4;3.中国科学院 中亚生态与环境研究中心,新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 1 1;
3、4.中国科学院大学,北京1 0 0 0 4 9)摘 要:目的分析辽宁省朝阳市退耕还林工程作用下的土地覆被情况,跟踪监测年际间地类变动趋势,探讨退耕还林工程对朝阳市荒山、耕地、林地和草地的影响,为朝阳市土地资源合理规划利用提供科学支撑。方法基于1 9 8 52 0 2 0年逐期L a n d s a t影像,利用C 5.0算法提取该地区地表覆被时空分布信息,借助土地利用动态度、土地利用转移矩阵等分析3 6a间山田林草的动态变化及其驱动因素。结果3 6a间朝阳市荒山绿化面积达27 4 5.5k m2,退耕还绿的面积约9 3 3k m2,工程成效较为显著。退耕区和还林区主要分布在坡度2 5 和海拔超
4、过5 0 0m的地区,二者变化主要表现在内部结构的转换,即增加海拔低于5 0 0m和坡度2 5 a n da l t i t u d e so v e r 5 0 0m.T h ec h a n g e sw e r em a i n l yr e f l e c t e d i nt h et r a n s f o r m a t i o no ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r e,t h a ti s,i n c r e a s i n gt h ep r o p o r t i o no fa r a b l el a n dw i t he l
5、 e v a t i o n sb e l o w5 0 0 ma n ds l o p e s E(Si),表示为:G(S,B)=E(S)-ti=1SiSE(Si)(2)把样本集划为子集时,变量取值存在偏差,为减少偏差进行如下计算:P(S,B)=-ti=1SiSl o g2S iS(3)C 5.0选择最大信息增益率的分组完成生长,定义为:I G R(S,B)=G(S,B)/P(S,B)(4)(1)训练样本选取。试验整合了2 0 2 0年训练样本时序指数曲线的阈值范围(图2),山田林草曲线趋势大体相似,阈值集中在特定范围,类内差异易于辨别;其余地类时序曲线阈值固定,且单凭曲线走向可见类间差异。
6、分类时剔除超出标准差误差允许范围的异常点,在确保各类样本个数充足的情况下保留2 4 0个高精度样本。其余3 5a采取同种方法精选样本。图2 朝阳市2 0 2 0年退耕还林工程监测统计数据训练样本时序指数曲线F i g.2 T i m e s e q u e n c ee x p o n e n t i a l c u r v eo f t r a i n i n g s a m p l e so fm o n i t o r i n g s t a t i s t i c s f o rg r a i nf o rg r e e np r o j e c t i nC h a o y a n
7、gC i t y511第3期 帅艳民等:基于L AN D S A T的辽宁省朝阳市1 9 8 52 0 2 0年退耕还林工程动态监测 (2)分类规则确定。综合信息增益、维数和特征出现频率,选取N D V I,MN DW I,B C I,同质度和均值特征进行分裂,并加入坡度和高程特征构成训练数据集。在图2的基础上统计了不同时相下各地类指数的频率正态分布,选取某地物频率对应的最大数值选作分类阈值。根据筛选样本携带的地形信息确定坡度和高程阈值,结合指数阈值构成分类规则。以样本长时序一致为前提,其余年份参照2 0 2 0年分类规则制定,最终获得朝阳市退耕还林工程的长时序静态阈值C5.0分类机制,分类规
8、则见表1。表1 朝阳市退耕还林工程监测统计数据静态阈值分类规则T a b l e1 C l a s s i f i c a t i o nr u l e so f s t a t i c t h r e s h o l d s f o rm o n i t o r i n g s t a t i c s t i c a l d a t ao fg r a i nf o rg r e e np r o j e c t i nC h a o y a n gC i t y地物类型分类规则计算公式描述信息规则选取范围特征类型水 体MN DW I2 0H o m o g e n e i t y2 1G
9、r e e n-M I RG r e e n+M I Rhkmh k1+(h-k)2对影像进行归一化差值处理,凸显水体信息度量图像纹理的局部变化情况,反映纹理的规律性MN DW IJ u n e0.0 0 7且MN DW IA u g0.2 5 8且0.2 3 8 MN DW IS e p0.0 3 3提取水体,反之为非水体光谱特征纹理特征不透水面B C I2 2M e a n2 1(H+L)/2-V(H-L)/2+V1nn1xi对影像进行缨帽变换后的归一化差值处理,突出不透水面信息表征图像的纹理变化信息B C IJ u n0.0 9 5且B C IA u g0.1 9 5且B C IS e
10、p0.1 2 5,M e a n1.2提 取 不 透水面光谱特征纹理特征N D V I2 3N I R-R e dN I R+R e d检测植被生长状态和植被覆盖度等表示丘陵、屋顶等的斜度某点沿铅垂方向到绝对基面的距离N D V IF e b0.1 9 1且N D V IA u g0.4 9 7且N D V IS e p0.4 0 2且N D V IO c t0.2 5 3且S l o p e 3 0 0提取荒山,反之为植被光谱特征地形特征地形特征荒 山S l o p e坡面垂直高度坡面水平距离E l e v a t i o n(W0-W)/G耕 地N D V Is l o p eN I R-
11、R e dN I R+R e d坡面垂直高度坡面水平距离检测植被生长状态和植被覆盖度等表示丘陵、屋顶等的斜度N D V IF e b0.1 8 1且N D V IJ u n e0.2 2 1且N D V IA u g0.7 5 2且N D V IS e p0.4 0 2且0.2 1 4N D V IO c t0.4 0 3提取耕地光谱特征地形特征林 地N D V IN I R-R e dN I R+R e d检测植被生长状态和植被覆盖度等0.2 0 9N D V IF e b0.4 0 3且0.5 7 2N D V IJ u n e0.7 0 8且0.7 1 6N D V IA u g0.8
12、0 3且0.5 0 6N D V IS e p0.7 1 3且0.4 0 2N D V IO c t0.6 1 0提取林地光谱特征草 地N D V IN I R-R e dN I R+R e d检测植被生长状态和植被覆盖度等N D V IF e b0.2 5 1且N D V IJ u n e0.3 5 0且N D V IA u g0.6 5 4且N D V IS e p0.4 8 7且N D V IO c t5 0 0m的区域定义为中高山区进行工程成效监测。另按照退耕还林条例,重点关注坡度超过2 5 范围的退耕、还林区。3.2.1 退耕区 1 9 8 52 0 2 0年耕地减少1.2 4%,耕
13、地变化主要为利用结构的转换而非面积增减。通过表3可知坡度2 5 的土地退耕比最高,相比1 9 8 5年,2 0 2 0年近半数坡耕地完成退耕。朝阳市退耕政策偏重调整耕地结构,对于0 2 和2 6 的水土流失不强烈的坡耕地,在保持原有面积的基础上尽量增加占比,优化土地利用。坡度6 1 5 的林下耕地尽数还林,而1 5 2 5 的耕地因农户不满政府补贴而停止退耕,该范围内坡耕地小幅度增加。海拔低于3 0 0m的低山丘陵和高阶岗地是农田主要分布区域;海拔超过3 0 0m的努鲁儿虎山西麓、河谷盆地及松岭东麓和南部丘陵区不宜耕作,需轮(间)作或植树种草、封山育林减少水土流失。故退耕范围主要在海拔5 0
14、012 3 4m土质层更薄的范围,变化比率为5 4.1 3%,2 15 0 0m范围内耕地面积不减反增。整体来看,退耕区域集中在坡度2 5 和海拔在5 0 012 3 4m之间更宜退耕的坡耕地。3.2.2 还林区 如图6所示,1 9 8 52 0 2 0年全市海拔超过5 0 0m的耕地减少4 4 0.8 1k m2,苇子沟山西侧耕地逐年减少,红石砬山及大柏山和大阳山之间的耕地增加;工程重点关注松岭和努鲁儿虎山脉的绿化情况,期间林地增加8 1 6.5 4k m2,与耕地变化趋势相反,荒山减少4 3 1.8 3k m2,在努鲁儿虎和松岭山脉(除去凤凰山、大柏山和楼子山)变化一致;海拔超过5 0 0
15、m的区域在朝阳市主粮食产地建平,故草地面积微微上涨了5 6.1 0k m2。坡度 2 5 与海拔超过5 0 0m区域在大柏山和红石砬山一带重合,全境坡度超过2 5 的面积为5 1 6.7 7k m2,占海拔5 0 0m的4.3 2%。1 9 9 9年坡度 2 5 的区域内耕地占比最大,林地面积1 3 6.9 0k m2811 水土保持通报 第4 3卷位居第二,荒山面积达1 2 2.9 9k m2,草地占比最小,仅占1 1.2%。2 0 2 0年耕地占3 4.1 7%,仍是该区域内最大地类,林草在工程影响下分别增至1 7 3.4 2k m2,7 9.5 6k m2,因岩体外漏或土质薄弱保留了8
16、7.2 1k m2荒山。综合而言,坡度2 5 和海拔超过5 0 0m的区域还林效果更显著。表3 不同地形分级下朝阳市耕地变化T a b l e3 C u l t i v a t e d l a n dc h a n g eu n d e rd i f f e r e n t t o p o g r a p h i cc l a s s i f i c a t i o na tC h a o y a n gC i t y项 目海拔高度/m面积/k m21 9 8 5年2 0 2 0年面积变化变化率/%0217 4 2.7 419 8 1.2 02 3 8.4 61 3.6 8268 7 8.4
17、39 9 5.6 01 1 7.1 71 3.3 4坡度/()61 510 8 9.2 29 4 0.7 5-1 4 8.7 2-1 3.6 51 52 510 9 1.2 111 3 2.7 54 1.5 43.8 12 56 4 4.6 13 2 8.4 6-3 1 6.1 5-4 9.0 52 13 0 413 8 9.2 216 5 1.5 02 6 2.2 81 8.8 8海拔/m3 0 45 0 09 6 4.5 410 7 5.7 51 1 1.2 11 1.5 35 0 06 4 621 7 8.4 319 5 4.2 0-2 2 4.2 3-1 0.2 96 4 612 3
18、49 1 3.8 96 9 7.3 1-2 1 6.5 8-2 3.7 0图6 1 9 9 9,2 0 2 0年朝阳市海拔超过5 0 0m的地类分布F i g.6 D i s t r i b u t i o no f t e r r e s t r i a l s p e c i e sa b o v e5 0 0ma tC h a o y a n gC i t y i n1 9 9 9a n d2 0 2 03.3 1 9 8 52 0 2 0年退耕还林动态进展由图7可知,5个阶段的工程主要作用区都在努鲁儿虎一带,1 9 8 52 0 1 4年以退耕绿化为主要任务,2 0 1 42 0 2
19、0年荒山绿化占重要地位,第5阶段的保持效果最佳,生态修复效果良好。结合表4可知5个阶段的“退耕还林”各具特色。(1)1 9 8 51 9 9 9年是“退耕还林”的探索阶段2 8,目标完成良好但保持较差。此间全国尚未推出成型政策,但该市政府结合林情开展“三北工程”、封山育林工程并制定荒山承包政策,阶段绿化11 0 1.7 5k m2,超出目标8.7 1%。但工程缺乏保护措施,又时受灾害影响,近半数林草失活,成活率低至5 4.5 6%。为保护耕地资源,朝阳市确定12 0 0k m2的退耕目标,但农户退耕热情不高,退耕面积仅超出目标6 8.7 9k m2,仅仅完成目标且复垦现象频发。(2)北票和建平
20、作为辽宁省第一批工程试点,1 9 9 92 0 0 2年初显政策加持的良好成效,复垦现象减少、林草保持度增加。为达成9 0 0k m2的还绿目标,朝阳市实施“德援”项目和“4 3 2 1”工程,试点新增绿化8 5 2k m2,占目标任务9 4.6 7%。3a共发生7起林草火灾,虫灾毁坏过半沙棘,林草整体成活率为6 5.0 7%,耕地在工程和灾害影响下减少12 8 2.9 4k m2,复垦占比大大减小。3a内农户积极参与四荒治理,完成粮食产量目标并掀起退耕绿化热潮。(3)吸取前两阶段的教训后,2 0 0 22 0 0 4年朝阳市开启全市域“退耕还林”,完成荒山绿化11 0 0k m2和退耕绿化1
21、5 0 0k m2的目标。本阶段更注重灾害预防,病虫害防护8 3 9k m2,占新增绿化3 0.4 0%,林草巡911第3期 帅艳民等:基于L AN D S A T的辽宁省朝阳市1 9 8 52 0 2 0年退耕还林工程动态监测护次数增多,林地过火面积低至0.4 1 9k m2,草地并未受灾,工 程 阶 段 性 成 果 保 持 良 好。2a内 退 耕16 5 7.3 2k m2,于2 0 0 3年达到单年内退耕高潮,退耕面积高达9 6 7.5 2k m2,但中部大凌河两岸的高质量阶地复垦现 象 频 发,退 耕 保 存 率 仅 为5 5.7 0%。2 0 0 42 0 1 4年工程更偏向政策调整
22、,制定荒山绿化35 0 0k m2和退耕还绿20 0 0k m2的目标,1 0a内分别完成目标的1 1 0.7 0%和9 4.5 3%。政策调整促进了工程进程,以三北工程、绿廊工程、德援项目和33 3 3.3 3k m2荒山工程为典型的多项工程圆满结束,其中:2 0 0 12 0 0 7年共完成“德援”造林4 1 3.3 3k m2,超出目标1 2%;2 0 0 7年年内完成京四高速公路(朝阳段)“绿廊”建设,共造林3 0.4 7k m2;辽 西 北 边 界 防 护 林 体 系 建 设 工 程 于2 0 0 8年2月启动,历经1 5个月荒山造林3 4 6.6 7k m2,封山育林4 0k m2
23、,沙化耕地造林6 0k m2;自2 0 0 9年始历经两年半时间全面完成33 3 3.3 3k m2荒山工程。图7 1 9 8 52 0 2 0年朝阳市退耕还林工程变化F i g.7 C h a n g e so fG G Pa tC h a o y a n gC i t y f r o m1 9 8 5t o2 0 2 0表4 朝阳市退耕还林工程面积变化分析T a b l e4 D a t ac o m p a r i s o no fG G Pa tC h a o y a n gC i t y项 目退耕还林工程类型面积变化/k m21 9 8 51 9 9 9年1 9 9 92 0 0 2
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