火灾区域林地植被变化分析—以大兴安岭和黄石公园地区为例

钱 达，张 虎，何 龙

（天津师范大学 地理与环境科学学院，天津 300387）

森林作为地球上最大的陆地生态系统，是地球生物圈中重要的组成部分之一，在维系整个地球的生态平衡中起着至关重要的作用，同时也是人类赖以生存和发展的资源和环境.自地球出现森林以来，森林火灾时常发生.全世界每年平均发生森林火灾20 多万次，烧毁森林面积约占全世界森林总面积的1%以上.中国平均每年发生森林火灾约1 万多次，烧毁森林几十万至上百万公顷，约占全国森林面积的5%～8%.火灾会给森林带来严重的恶果，最直观的危害就是烧毁大面积的植被，降低整个区域的植被覆盖率，同时土壤中的有机质遭到破坏容易引起土地沙化和水土流失，大量动植物和微生物被烧死，其生存环境亦遭到破坏，打破了整个森林的生态平衡，对人民生命财产安全造成威胁.

由于森林火灾的毁坏性极强，近年来，森林火灾问题受到研究人员的广泛关注，研究方向主要有火灾迹地的提取[1-3]和火灾后植被恢复等[4-6].火灾迹地的提取多围绕燃烧进行，小范围的火灾迹地可以利用燃烧面积指数BAI（burn area index，BAI）通过增强过火后图像上的木炭信息进行提取[1]；较大范围的火灾迹地则需要利用归一化燃烧指数NBR（normalized burn ratio，NBR）进行提取[2].NBR 可以将影像中的水体区域和火烧迹地区别开，并具有很好的整体效果，精度达到89%[3].但将NBR 作为评价火灾恢复情况的指数只能得到火烧迹地的烧毁面积和恢复面积，无法准确判断出火烧迹地植被的恢复程度和烧毁程度.有关火灾后植被恢复的研究主要与植被归一化指数NDVI（normalized difference vegetation index，NDVI） 相关，如采用NDVI 像元二分线性模型估算法分析森林火灾前后火烧迹地植被覆盖度时空动态变化[4]，利用NDVI月度值监测整个森林火灾前后火灾期间的植被行为[5]，以及将混合光谱分析SMA（Spectral mixture analysis）与NDVI 的结果进行比较，以评估植被恢复[6]等.鉴于近年来火灾迹地的提取和火灾后植被恢复的研究情况，采用NBR 提取火烧迹地，然后利用火灾前后NDVI差值法评价火烧迹地植被的恢复程度以及烧毁程度，可以更加准确地获取火烧迹地范围，精确评估火烧迹地植被的恢复程度和烧毁程度，很好地弥补NBR 在评价恢复程度和烧毁程度方面的不足[7].

本研究以1987年黑龙江省大兴安岭地区和黄石公园森林火灾区为研究对象，以时间序列的Landsat-TM 地表反射率数据为基础，利用归一化燃烧指数（NBR）提取研究区，对研究区植被指数的变化情况进行对比分析，探究大兴安岭森林火灾和黄石公园的烧毁程度以及灾后植被的恢复程度，以期为该地区林火管理提供依据，同时也为火灾后林区的恢复和保护工作提供参考和理论支持.

1 研究区域与数据

本文研究区域为大兴安岭1987年火灾烧毁区域和1988年黄石国家公园火灾烧毁区域.图1 为研究区及其周边的标准假彩色影像，其中黑色区域即为火灾烧毁区域.

图1 大兴安岭火灾和黄石国家公园火灾区域及其周边标准假彩色影像Fig.1 Standard false-color satellite image of the conflagration area and surrounding area in Da Hinggan Mountains and Yellowstone National Park

图1（a）中大兴安岭位于黑龙江省大兴安岭地区、内蒙古自治区呼伦贝尔市东北部，是内蒙古高原与松辽平原的分水岭，属大陆性季风气候，年均温度为-2～5°C，无霜期90～100 d，年降水量为400～500 mm.1987年5月6日大兴安岭北部发生特大森林火灾，火灾范围涵盖了塔河、西林吉、阿尔木和图强共4 个林业局，过火森林面积达5 600 km2，于同年6月2日被彻底扑灭.图1（b）中黄石国家公园地处落基山脉，位于美国中西部怀俄明州的西北角，并向西北方向延伸至爱达荷州和蒙大拿州，东西距离87 km，南北宽101 km，面积达8 956 km2，属于高原山地气候.黄石公园的温度和降水量变化很大，夏季期间白天最高温度为21 ～27 ℃，冬天最高温度为-20 ～-5 ℃.年均降水量从猛犸象温泉附近的380 mm 到该公园西南部的2 000 mm 不等.1988年，黄石公园多个独立的小山火先后在风势加剧和干旱的作用下失去了控制，火势迅速蔓延，最终形成了一场燃烧了几个月的大火灾，直到同年11月才被完全扑灭.本研究以搭载于Landsat-5 卫星上的TM 数据为基础，使用美国国家航空航天局NASA 的大陆区域森林扰动系统LEDAPS 处理系统对TM 图像进行大气校正.LEDAPS 以6S 大气辐射传输模型理论为基础，采用大量的实时大气观测数据，精度较高.大兴安岭研究区对应的Landsat 数据分幅号为h121v023 和h122v023，时间跨度为1986—1999年.黄石公园研究区对应的Landsat 数据分幅号为h038v029，时间跨度为1988—2000年.地表反射率数据经过波段合成、 影像拼接和裁剪后，得到覆盖研究区的遥感影像，空间分辨率为30 m.

受云层影响和卫星观测能力的限制，研究区数据可选择性有限，难以保证研究区所有数据均为同一月份.同时，受季节气候和植物生长规律的影响，导致不同季节植被覆盖度不同，所以在研究前需对不同月份NDVI 数据的一致性进行验证.分别在大兴安岭和黄石公园火烧迹地附近未受火灾影响的林区随机选择5 个50×50 像元大小的控制点，如图1 中黄色编号所指位置，通过对比控制点处不同月份NDVI 均值与方差的变化情况检验TM 数据的一致性，结果如图2 所示.

图2 大兴安岭和黄石公园未受火灾影响区域控制点5—10月NDVI 均值与方差变化图Fig.2 Variation of NDVI mean value and variance of the control points in the areas which is not affected by fire in the Da Hinggan Mountains from May to October

由图2 可以看出，5、9 和10月份的NDVI 值较低，采取此时间段内的数据会对研究结果的分析造成较大的不确定性；6～8月份的NDVI 值较高，基本维持在一个稳定的数值范围内，相互差值最大为0.03左右，数据间有较高的一致性.因此，本研究选用6～8月份的TM 地表反射率数据.

2 研究方法

本文所选的研究区域属于大范围火灾区域，归一化燃烧指数NBR 对烧毁面积超过200 公顷的大范围火灾区域具有增强效果[8]，因此本文采用NBR 提取火烧迹地，计算公式为

式（1）中：ρNIR和ρWEIR和分别为近红外波段和短波红外波段的反射率.火灾区域植被遭到破坏，光谱不再具有健康绿色植被的特征，近红外波段反射率下降，短波红外波段由于缺少植被冠层覆盖，湿度降低导致反射率上升[9]；而健康绿色植被在短波红外波段因为叶片水分的吸收作用常形成吸收谷.过火区域和未过火区域在近红外和短波红外2 个波段形成明显差异，从而突出了过火区域[10].

由于火烧迹地影像中裸地、云层和水体的归一化燃烧指数值相近，需要手动确定归一化燃烧指数的阈值范围以进行区分，经过多次修改阈值范围，通过对比得到一个最佳阈值范围[3].本研究最终选取的阈值范围为-0.58 ～-0.1，还有极少的裸地以及云层没有筛选出来，需要通过目视解译进行去除.

提取出火烧迹地后，需要通过研究区多年的地表反射率计算出与植被覆盖度有极强相关性的归一化植被指数NDVI，用于评价研究区多年植被覆盖度的变化，NDVI 的计算公式为：

式（2）中：ρNIR和ρR分别为近红外波段和红波段的反射率.正常植物在红波段和近红外波段的反射差异很大，植物光合作用吸收红光，反射出近红外光，因此依据吸收红光的量可以反映植物的长势，NDVI 值越大，植物的长势越好.同时，由NDVI 值也可以获知植物的数量.

本研究利用NBR 提取的火烧迹地范围裁剪不同年份大兴安岭和黄石公园的地表反射率数据后得到1986—1999年大兴安岭火灾区域和1988—1999年黄石公园火灾区域的地表反射率数据，分别计算得到不同年份大兴安岭火灾区域和黄石公园区域的NDVI，通过不同年份的NDVI 差值评价火灾区域的受灾情况以及火灾区域和重度火灾区域灾后多年的恢复情况.同时，在火灾区域附近未受影响的林区随机选择5 个50×50 像元大小的控制点，通过对比控制点处不同年份NDVI 的变化情况监测未烧毁区域植被的变化情况，用于火灾区域植被的变化情况的对照实验.

3 结果与讨论

3.1 火灾区域的提取及其NDVI分布图

利用归一化燃烧指数（NBR）提取出的大兴安岭和黄石公园的火烧迹地范围图3 所示.

图3 大兴安岭和黄石公园火灾区域范围的提取结果Fig.3 Extraction result of conflagration area in Da Hinggan Mountains and Yellowstone National Park

图3 中蓝色区域为大兴安岭和黄石公园的火灾区域，即本文的研究区.其中，大兴安岭火灾区域的面积为6 695.53 km2，黄石公园火灾区域的面积为2 187.95 km2.

对大兴安岭研究区和黄石公园研究区的地表反射率数据进行计算后，分别得到二者不同年份的NDVI 结果图，并从2 个研究区分别选取6 幅NDVI结果图，如图4 和图5 所示.

由图4 可以看出，与1986年相比，1987年大兴安岭研究区的NDVI 大幅度降低，1988年后开始缓慢增加，至1996年，研究区的NDVI 已经恢复到受灾前的水平，1999年研究区的NDVI 超过1986年的NDVI.

图4 大兴安岭研究区时间序列NDVI 结果图Fig.4 NDVI of research area in Da Hinggan Mountains with the time series

图5 黄石公园研究区时间序列NDVI 结果图Fig.5 NDVI of research area in Yellowstone National Park with the time series

由图5 可以看出，与1988 相比，1989年黄石公园研究区的NDVI 明显下降，1990年后开始缓慢升高，1998年仍然没有恢复到受灾前的水平，直到2000年NDVI 才恢复到受灾前的水平，2000年部分区域的NDVI 略高于受灾前的NDVI.2 个研究区的NDVI 变化过程都是先降低然后缓慢增加，但大兴安岭研究区的恢复速度相对较快.

3.2 研究区受灾情况评估

将研究区火灾前后的NDVI 进行差值计算，根据NDVI 的差值划分林区烧毁程度，分级标准如表1 所示.

表1 烧毁程度分级表Tab.1 Classification of burned degree

对大兴安岭（1986年和1987年）和黄石公园（1988年和1989年）火灾前后的NDVI 进行差值分级后，得到2 个研究区的烧毁程度，结果如图6 所示.由图6（a）可以看出，大兴安岭研究区中轻度烧毁区域的面积为270.62 km2，中度烧毁区域的面积为1 628.96 km2，重度烧毁区域的面积为4 738.55 km2.由图6（b）可知，黄石公园研究区中轻度烧毁区域的面积为204.78 km2，中度烧毁区域的面积为1 117.83 km2，重度烧毁区域的面积为772.72 km2.由图6 结果可知，大兴安岭火灾在烧毁范围和烧毁程度上都超过了黄石公园火灾，受灾情况更加严重.

3.3 研究区灾后恢复情况评价

对研究区火灾前后的NDVI 差值进行分级，得到恢复程度分级标注，结果如表2 所示.

图7 为大兴安岭和黄石公园研究区火灾区域、重度火灾区域和未烧毁区域NDVI 随时间的变化情况.由图7（a）可以看出，大兴安岭火灾区域和重度火灾区域的NDVI 均从1987年开始降低，然后缓慢上升趋于平稳，未烧毁区域一直保持平稳.大兴安岭研究区火灾区域1986年NDVI 为0.69，植被生长状况良好.1987年受火灾影响，火灾区域NDVI 均值骤降至0.23，可见火灾对林区影响程度非常大.灾后相关部门对不同烧毁程度的区域实施相应的恢复措施，使得1988年后火灾区域NDVI 迅速回升至0.45，相比1987年火灾区域NDVI 提升很大，植被恢复速度相当可观.1992年，火灾区域NDVI 增长至0.68，已经接近1986年火灾区域NDVI 值，随后几年火灾区域NDVI 值均保持在0.7 以上.由图7（b）可以看出，黄石公园火灾区域和重度火灾区域的NDVI 均在1989年开始降低，然后缓慢上升趋于平稳，黄石公园未烧毁区域NDVI 略有波动，但基本保持平缓.黄石公园研究区火灾区域1988年NDVI 为0.51，植被生长状况良好.1989年受火灾影响，火灾区域NDVI 均值骤降至0.18，可见火灾对研究区域的森林造成极大的破坏.1990年火灾区域NDVI 恢复至0.24，恢复速度较为缓慢，1990—1994年火灾区域NDVI 在0.35 左右，相对于大兴安岭火灾区域来说恢复较为缓慢，1995—1998年恢复到0.45 左右，相对1989年已经恢复较多，直到2000年才达到烧毁前的植被覆盖度.

图6 大兴安岭研究区和黄石公园研究区火灾烧毁程度的分布Fig.6 Degree distribulion of fire damage of research area in Da Hinggan Mountains and Yellowstone National Park

表2 恢复程度分级表Tab.2 Classification of recovery degree

图7 大兴安岭和黄石公园火灾区域、未受火灾影响区域以及重度火灾区域的多年NDVI 均值变化趋势图Fig.7 Tendency chart of NDVI mean over many years of burned area，unburned area and severely burned area in Da Hinggan Mountains and Yellowstone National Park

火灾区域的少部分年份的NDVI 变化趋势有所波动，主要原因有：①遵循云层比小于10%的原则筛选TM 数据，在研究过程中尽量去除薄云，但厚云的灰度值与火烧迹相似，区别度不大[5]，造成NDVI 略低，如大兴安岭火灾区域1986年TM 影像中有少量厚云（厚云的NDVI 值极小），造成1986年火灾区域的NDVI略低于其他2 个区域；②由于数据可选择性有限，很难选择不同年份同一月份的数据，导致数据的连续性受到影响，造成局部结果产生些许误差.同时本研究对不同年份植被覆盖度进行比较，其中不同年份气候因素不同造成当年植被生长状况存在一定差异，对研究结果也会产生一定的影响，如黄石公园火灾区域1994年选用的是8月末的数据，而1993年选用的是7月份数据，导致1994年未烧毁区域NDVI 略高于1993年未烧毁区域NDVI；（3）本研究仅考虑了NDVI信息，没有考虑树种的变化对NDVI 的影响，同样会对研究结果带来一定不确定性.从大兴安岭火灾区域来看，火灾后落叶松林首先由杂草群落和杂草灌木群落所代替，随后白桦幼苗大量发生，逐渐形成白桦林[10].白桦属于乔木，叶面较大，而落叶松的叶面是针叶，白桦林代替落叶松林，会使该区域NDVI 上升.

大兴安岭研究区1988年和1996年的NDVI 分别与1986年的NDVI 进行差值计算，分级后得到大兴安岭研究区恢复程度图，结果如图8 所示.

图8 大兴安岭研究区1988年和1996年植被恢复程度分布图Fig.8 Distribution diagram of vegetation restoration degree of the research area in Da Hinggan Mountains in 1988 and 1996

1988年为烧毁后第1年，火灾区域内植被覆盖度略有改善，与过火前的植被覆盖度相比相差甚远.完全恢复区域的面积为207.99 km2，基本恢复区域的面积为2008.18km2，部分恢复区域面积为3847.16km2，较少恢复区域面积为572.61 km2.完全恢复区域面积只占整个火灾区域面积的3.13%，而部分恢复区域面积和基本恢复区域面积占整个火灾区域面积的88.24%，可见整个区域的植被恢复情况不容乐观.1996年，即烧毁后的第9年，火灾区域内基本看不到部分恢复区域和较小恢复区域，大部分区域植被覆盖情况已经达到过火前的水平.完全恢复区域的面积为4 844.56 km2，基本恢复区域面积为1 769.91 km2，部分恢复区域和较少恢复区域面积仅为17.32 km2和5.93 km2.完全恢复区域面积和基本恢复面积分别占整个火灾区域面积的72.99%和26.66%，部分恢复区域和较小恢复区域基本可以忽略不计，总体上整个火灾区域的植被覆盖度已经和过火前相差无几，火灾区域内植被覆盖情况基本恢复到火灾发生前的水平.

黄石公园研究区1990年和1998年的NDVI 分别与1988年的NDVI 进行差值计算，分级后得到黄石公园研究区恢复程度图，结果如图9 所示.

图9 黄石公园研究区1990年和1998年植被恢复程度分布图Fig.9 Distribution diagram of vegetation restoration degree of the research area in the Yellowstone National Park in 1990 and 1998

1990年即烧毁后的第2年，火灾区域内植被覆盖度虽略有改善，但与过火前的植被覆盖度相差甚远.完全恢复区域的面积为176.01 km2，基本恢复区域面积为359.53 km2，部分恢复区域面积为1184.21 km2，较少恢复区域面积为465.30 km2.完全恢复区域面积只占整个火灾区域面积的8.1%，而部分恢复区域面积和基本恢复区域面积占整个火灾区域面积的70.6%，较少恢复区域面积占整个火灾区域的21.3%，可见整个区域的植被完全恢复的面积较小，大部分区域植被仍旧在恢复当中.1998年，烧毁后的第10年，火灾区域内基本看不到较小恢复区域，部分区域植被覆盖情况已经达到过火前的水平.完全恢复区域的面积为469.64 km2，基本恢复区域面积为1 295.75 km2，部分恢复区域面积为419.90 km2，较少恢复区域面积为2.64 km2.完全恢复区域面积占据了整个火灾区域面积的36%，基本恢复区域面积占整个火灾区域面积的57%，部分恢复区域面积占整个火灾区域面积的7%，较小恢复区域基本可以忽略不计，总体上整个火灾区域的植被覆盖度还没有恢复到过火前的水平，火灾区域内仍有一大半植被还在恢复过程中.

1987年大火后，大兴安岭的火烧迹地根据不同的火烧强度采取了不同的管理措施.在轻度烧毁的火灾区域采取自然更新和人工促进自然更新为主的管理措施，在重度火灾烧毁区域采取人工更新的管理措施，主要以兴安落叶松为主[11].1988年大火后黄石公园采取的措施是自然发生的火灾只要控制住火势，没有威胁人类安全，就让火苗自生自灭，甚至要求工作人员定期把死亡的树木烧毁，人为地制造一些隔离带[12].同是大范围的火灾，在火灾后采取不同的管理措施，取得的效果也不相同.1987年大兴安岭火灾烧毁面积为6 638.13 km2，火灾区域的NDVI 下降了0.46，其中重度火灾区域占整个火灾区域面积的71.38%.1988年黄石公园火灾烧毁面积为2 095.33 km2，火灾区域的NDVI 下降了0.28，其中重度火灾区域占整个火灾区域面积的36.88%.上述分析表明，大兴安岭火灾的烧毁范围和烧毁程度远超过黄石公园，此外，大兴安岭火灾区域内植被被烧毁的数量也远大于黄石公园火灾区域内植被烧毁的数量.从恢复情况看，在烧毁后的第1年大兴安岭火灾区域NDVI 上升了0.22，在烧毁后的第5年NDVI 已经接近火灾前的NDVI，第9年时已经超过了火灾前的NDVI；而黄石公园火灾区域在烧毁后的第2年里NDVI 上升了0.06，在烧毁后的第6年NDVI 为0.35，距离烧毁前0.46 的NDVI 还是存在一定差距，在烧毁后的第10年仍旧未达到火灾前的NDVI.由此可知，大兴安岭火灾区域的植被恢复速度和恢复程度均超过黄石公园火灾区域.短期来看，相对于黄石公园以自然更新恢复的管理措施，大兴安岭以人工促进自然更新和人工更新恢复的管理措施对火灾后森林植被的恢复具有更好的效果.

4 结论

本研究选择大兴安岭和黄石公园两地森林火灾区域为研究对象，利用NBR 提取火灾区域的范围，以时间序列TM 地表反射率数据为基础，通过比较不同时间范围内火灾区域附近NDVI 数据的变化情况，评价数据的一致性，进而根据火灾前后火灾区域内NDVI 的变化情况，评价研究区的受灾程度和恢复情况.研究结果表明：

（1）大火对大兴安岭和黄石公园林区造成了巨大伤害.大兴安岭基于NBR 提取的火灾区域总面积为6 695.53 km2，其中轻度烧毁区域面积为270.62 km2，中度烧毁区域面积为1 628.96 km2，重度烧毁区域面积为4 738.55 km2，研究区NDVI 受火灾影响极为严重，NDVI 下降了66.32%.黄石公园基于NBR 提取的火灾区域面积为2 187.95 km2，其中，轻度烧毁区域面积为204.78 km2，中度烧毁区域面积为1117.83 km2，重度烧毁区域面积为772.72 km2，研究区NDVI 下降了64.68%.大兴安岭的植被覆盖度整体下降幅度、火灾范围和烧毁程度均超过黄石公园.

（2）大兴安岭火灾区域灾后NDVI 恢复速度较快，1988年NDVI 比1987年NDVI 增长了0.22，恢复到1986年的65.65%，1993年NDVI 值超过1986年NDVI 值，随后几年增长率较小，趋于平衡，至1999年NDVI 值较1986年增长了0.09.黄石公园火灾区域灾后NDVI 恢复速度较为缓慢，1990年NDVI 比1989年NDVI 增长了0.06，恢复到1988年的46.42%.1990年后NDVI 缓慢恢复，仍然没有达到过火前的NDVI水平，1998年达到过火前NDVI 的84.75%，直到2000年NDVI 才恢复到火灾前的水平.

（3） 火灾发生后火灾区域的NDVI 骤降，对火灾区域的植被造成了极大的破坏.在大兴安岭火灾轻度烧毁的火灾区域采取自然更新和人工促进自然更新为主的管理措施，在重度火灾烧毁区域采取人工更新的管理措施.人工促进恢复可以加速森林群落的更新和受灾区域森林生态系统的恢复，但是需要投入大量的人力物力来维持.黄石公园火灾区域采取任其烧毁的管理措施.自然恢复可以减少经济投入，但恢复速度略慢，同时森林群落演替的时间过长，短时期内森林群落主要被优势物种所占据.大兴安岭和黄石公园火灾区域在2 种截然不同的管理措施下，经过一段时间的修复，基本都恢复到火灾前的植被覆盖情况.大兴安岭火灾区域植被恢复速度快于黄石公园的植被恢复速度，说明火灾区域的森林植被依靠人工促进恢复辅助自然恢复要比自然恢复更早恢复到火灾前的植被覆盖水平.在以后森林火灾的恢复中，可以根据火灾烧毁程度等级采取对应措施.轻度火灾区域森林恢复可以通过自然恢复，在节约成本的同时也不影响植被的恢复；中度火灾区域森林恢复可以采取人工促进恢复辅助自然恢复，以期在经济效益和生态效益中寻求平衡； 重度火灾区域森林恢复采取人工促进恢复，以期加快火灾区域的恢复进度.