雪災(zāi)是影響森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要非生物干擾因子之一［1］，長時(shí)間的冰雪災(zāi)害直接損害森林植物，改變森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，降低森林生態(tài)系統(tǒng)的功能與效益，影響森林生態(tài)系統(tǒng)的演替方向并危及森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與健康［2］。2008年初，我國遭遇50年一遇的持續(xù)冰凍雨雪災(zāi)害天氣，造成南方多省的森林資源損失嚴(yán)重。許多學(xué)者利用遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，開展了災(zāi)害范圍確定，災(zāi)害等級(jí)劃分和相關(guān)災(zāi)害評(píng)估體系建立等研究，為災(zāi)后森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)［3-9］。但上述這些研究在對(duì)森林雪災(zāi)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，往往以降雪開始到積雪消融作為研究的時(shí)間段，忽略了災(zāi)后的次生災(zāi)害影響;評(píng)估災(zāi)害依賴的輔助資料過多，缺少一個(gè)快速可靠的評(píng)估指標(biāo)和方法，直接影響到評(píng)估效率和可行性;同時(shí)，采用中低分辨率影像進(jìn)行省級(jí)范圍森林雪災(zāi)損失評(píng)估時(shí)，缺少區(qū)域尺度的檢驗(yàn)方法或者檢驗(yàn)方法過于簡(jiǎn)單。針對(duì)這些問題，本文首先建立貴州省2005—2008年的MODIS/NDVI時(shí)間序列，并基于數(shù)據(jù)集的可用性指數(shù)和S-G(Savitzky-Golay)濾波方法重構(gòu)關(guān)鍵期影像;然后利用不同年份同時(shí)段的森林像元NDVI值變化率探測(cè)森林毀壞區(qū)域，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定森林災(zāi)害閾值，對(duì)研究區(qū)森林損失面積與等級(jí)進(jìn)行快速劃分與評(píng)估;最后根據(jù)貴州省凝凍災(zāi)害森林資源損失的小班調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

1研究區(qū)與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1．1研究區(qū)概況

貴州省介于東經(jīng)103°36'—109°35'、北緯24°37'—29°13'之間，總面積為17616770hm2，其中林地面積8771550hm2，占國土總面積的49．79%，森林面積為7033936hm2，森林覆蓋率達(dá)到39．93%，主要分布在黔東南及北部的遵義地區(qū)，西北部和中部地區(qū)森林分布較少［10-11］。2008年初，貴州省遭遇了有氣象記錄以來最為嚴(yán)重的雪凝災(zāi)害，致使森林出現(xiàn)大面積的死亡，根據(jù)各地(州、市)初步調(diào)查結(jié)果，確定黎平等83個(gè)縣(市、區(qū))為本次災(zāi)害評(píng)估調(diào)查對(duì)象，對(duì)馬尾松、杉木、針闊混和其他闊葉樹等類型樹種展開災(zāi)害調(diào)查。根據(jù)調(diào)查結(jié)果匯總統(tǒng)計(jì)，全省森林資源受災(zāi)面積為(損失程度等級(jí)“輕”度以上)1090026hm2，占全省森林資源面積的17．7%［12］。

1．2數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文的主要采用2005—2008年低分辨率MOD13Q1植被指數(shù)科學(xué)數(shù)據(jù)集(貴州省覆蓋景為h27v06.005)，數(shù)據(jù)空間分辨率為250m，時(shí)間分辨率為16d，共計(jì)92期。該數(shù)據(jù)包括歸一化植被指數(shù)(NDVI)和植被指數(shù)質(zhì)量標(biāo)記(QualityAssessment，QA)，QA產(chǎn)品是關(guān)于MOD13Q1植被指數(shù)科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量信息的綜合評(píng)價(jià)資料，該資料在像元尺度對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)［13］。輔助數(shù)據(jù)主要包括了2006年研究區(qū)MCD12Q1數(shù)據(jù)和2008年貴州省凝凍災(zāi)害森林資源損失調(diào)查數(shù)據(jù)。MCD12Q1數(shù)據(jù)空間分辨率為500m，時(shí)間分辨率為1y(http://modis．gsfc．nasa．gov/)，該產(chǎn)品按照國際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)分類標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)分為17個(gè)土地類型［14］。本文所研究的森林區(qū)域主要由常綠針葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、落葉闊葉林、混交林和多樹地區(qū)這6個(gè)類型組成(圖1)，在該區(qū)域內(nèi)的像元點(diǎn)統(tǒng)稱為森林像元。而森林災(zāi)害資源損失調(diào)查工作由貴州省林業(yè)廳組織，共清查83調(diào)查單位，抽取24914個(gè)小班，其中林分小班17231個(gè)。為了和地面小班調(diào)查范圍保持一致，MODIS影像數(shù)據(jù)將不包括羅甸等5個(gè)縣(市)，具體范圍如圖1紅框所示。

2研究方法

2．1MODIS/NDVI時(shí)間序列重構(gòu)方法

根據(jù)MOD13Q1植被指數(shù)科學(xué)數(shù)據(jù)集中QA產(chǎn)品的可用性指數(shù)規(guī)則，可用性指數(shù)共分16個(gè)等級(jí)，其中像元可用性指數(shù)值越低，表明該像元的質(zhì)量越可靠［13］。利用LDOPE質(zhì)量分解工具從MOD13Q1得到QA質(zhì)量評(píng)價(jià)波段，建立2005—2008年貴州省森林的NDVI時(shí)間序列和分解其對(duì)應(yīng)QA值。從分解得到的QA波段中獲取植被指數(shù)的“可用性指數(shù)”。計(jì)算每期MODIS/NDVI影像對(duì)應(yīng)的可用性均值;每期可用性均值越低，表明整幅影像的整體可靠性越高，以此來獲取較為可靠的影像數(shù)據(jù)。但MODIS/NDVI初始數(shù)據(jù)由于受氣溶膠、冰雪、太陽光照角度及傳感器觀測(cè)視角等因素的影響，仍存在一定的噪聲，有必要對(duì)其進(jìn)行重建［15-16］，而Savitzky-Golay(S-G)濾波在植被類型提取時(shí)表現(xiàn)出色，能夠較好的平滑VI曲線，具有反映植被變化趨勢(shì)等優(yōu)點(diǎn)［17-19］。因此，本研究首先利用STL-decomposition方法剔除原始NDVI時(shí)間序列的離異值，然后選擇用S-G濾波方法對(duì)剔除變異值后完整NDVI時(shí)間序列進(jìn)行重建［20-21］，進(jìn)一步減少其他因素對(duì)影像質(zhì)量的干擾。

2．2建立森林災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估方法

雪凝災(zāi)害會(huì)造成一段時(shí)間森林資源出現(xiàn)大面積的凍死、腰折、斷稍等現(xiàn)象，導(dǎo)致災(zāi)前與災(zāi)后森林像元的NDVI變化率與往年同時(shí)期相比會(huì)發(fā)生明顯的改變，將每個(gè)森林像元NDVI值的變化率作為探測(cè)森林災(zāi)害的指標(biāo)，記作R，計(jì)算公式如下:式中，NDVIpre表示災(zāi)害前某個(gè)森林像元的NDVI值，NDVIpost表示災(zāi)后對(duì)應(yīng)位置森林像元NDVI值?？紤]到雪災(zāi)對(duì)森林災(zāi)害的后續(xù)影響和影像的質(zhì)量，在NDVIpre和NDVIpost關(guān)鍵期選擇上，需要滿足兩點(diǎn):(1)選擇NDVI可用性均值較低影像數(shù)據(jù)，(2)兩期影像獲取時(shí)間處于每年森林的生長期。在大區(qū)域尺度上，2005—2007年間研究區(qū)沒有出現(xiàn)大規(guī)模森林災(zāi)害，將任一森林像元在某個(gè)時(shí)間段NDVI變化率記作R2005—2006或R2006—2007，同時(shí)R2005—2006或R2006—2007也可以表示為R?2005—2007±δ，其中，R?2005—2007和δ分別為2005—2007年每個(gè)森林像元的NDVI變化率平均值和平均絕對(duì)偏差，由于平均絕對(duì)偏差對(duì)異常值有更大的包容性，因而采用平均絕對(duì)偏差來代替標(biāo)準(zhǔn)差［22］。計(jì)算研究區(qū)所有森林像元的R2005—2007，變化范圍可以表示為R?all±δall，認(rèn)為森林像元變化率在［－δall，+δall］范圍內(nèi)是屬于正常波動(dòng)，將δall設(shè)定的森林災(zāi)害閾值(DamageThreshold，DT)。當(dāng)發(fā)生森林災(zāi)害時(shí)，將森林像元的NDVI變化率記作R2007—2008，將任一森林像元的R2007—2008－R－2005—2007值記作R2007—2008'，如果R2007—2008'大于δall，則認(rèn)為該像元受到了災(zāi)害的影響。同時(shí)對(duì)不同年份災(zāi)害時(shí)間段的RNDVI均值(R—)、中心點(diǎn)偏移(ShiftAmplitude)、四分位數(shù)距離IQR(InterquartileofRange)和受到破壞的森林像元百分比等統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行計(jì)算［23］。