熱紅外影象上的亮度與地物的什麼有關

2017年12月5日，在肯亞內羅畢舉行的第三屆聯合國環境大會上，我國塞罕壩機械林場建設者被授予“地球衛士獎”。“地球衛士獎”作為聯合國系統最具影響力的環境獎項，每年都會評選出在環境領域有傑出貢獻的個人或組織，予以表彰獲獎者在環境保護及促進提高環境質量方面的特殊貢獻和成績。塞罕壩機械林場的獲獎，引起了社會各界的廣泛關注，在這裡究竟發生了什麼，讓聯合國環境部門給予如此肯定？接下來，就讓筆者帶領大家，感受一下塞罕壩近50年來經歷的“死而復生”。

塞罕壩的歷史變遷

塞罕壩機械林場位於河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣北部壩上地區，屬內蒙古渾善達克沙地南緣，系內蒙古高原與大興安嶺餘脈、陰山餘脈交接處，海拔在1000米以上。

“水的源頭，雲的故鄉，花的世界，林的海洋，珍奇異獸的天堂”，這是塞罕壩歷史上的景象。遼、金時期，塞罕壩水草豐沛，森林茂密，被稱為“千里松林”；清朝初期，康熙皇帝看上了這一塊“南拱京師，北控漠北，山川險峻，里程適中”寶地，把塞罕壩地區設為“木蘭圍場”，以供皇家進行“春搜、夏苗、秋獮、冬狩”四季狩獵的禮儀。

然而，隨著清王朝歷史的推移，因吏治腐敗和財政頹廢，內憂外患的清政府在同治二年（1863年）開圍放墾，塞罕壩的森林植被因此被破壞。後來，塞罕壩又經歷了日本侵略者的掠奪採伐和連年山火，原始森林已蕩然無存，當年“山川秀美、林壑幽深”的太古聖境和“獵士五更行”、“千騎列雲涯”的壯觀場面不復存在，塞罕壩地區退化為高原荒丘。到解放初期，原始森林已蕩然無存，呈現“飛鳥無棲樹，黃沙遮天日”的荒涼景象（圖1）。

圖1 塞罕壩早期的荒蕪景象

塞罕壩距北京僅有180公里，海拔較高，在北風呼嘯下，猶如屋頂向院落揚沙般，沙塵入侵北京。為了阻止沙地向南擴張，1962年，林業部在塞罕壩機械林場、大喚起林場、陰河林場的基礎上建立起塞罕壩機械林場總場。經過三代林場人的不懈努力，50多年前的一片沙海，成為了現如今世界上面積最大的人工森林（圖2）。

圖2 如今的塞罕壩

天眼比較

就像醫生對患者進行面色觀察、體溫量測、X光透射分析，遙感衛星從太空中對地球進行拍攝，獲得的遙感影像能夠對地球的健康進行診斷：可見光波段可以觀測地球表面的變化，熱紅外波段可以感受地球的溫度，微波波段可以穿透地表，看到地表下面的部分構造等等。利用遙感衛星的這個優勢，我們對塞罕壩地區的森林植被狀態進行了長時間序列的觀察分析。

圖3a 1970年美國鎖眼偵查衛星

圖3a 2016年Qucikbird衛星

圖3是塞罕壩林場中一個隨機小樣區的森林植被變化情況。第一張黑白色的影像是1970年美國鎖眼衛星獲取的，由於森林的反射強度遠低於沙地，在影像中，森林表現為黑色，而亮白色的則為裸土和沙地，白色亮度越大，說明沙子的成分越高。第二張為2016年Qucikbird衛星獲取的影像，深綠色區域為森林，淺綠色區域為草地或耕地，亮白色區域為建築、道路或裸地。圖中紅色圈出的範圍，由1970年的沙化地，變成了2016年的森林，這種由沙到林的轉變，在塞罕壩機械林場內大量存在。

圖4 塞罕壩研究區位置（矩形黃框）

為了進一步瞭解塞罕壩林場森林的整體變化情況，我們把衛星的“目光”放在整個塞罕壩地區（圖4黃框範圍）。從上世紀六十年代開始的造林工程，已經超額完成了既定任務。在圖4所示的塞罕壩國家森林公園範圍以外的山地區域，也種植了大量的人工林。

圖5a 1988年的Landsat衛星遙感影像

圖5b 2016年的Landsat衛星遙感影像

圖5c 動畫比較

圖5是研究區在1988年（上）和2016年（下）夏季的Landsat衛星遙感影像，相對於1988年，2016年森林的“綠色”明顯變深，範圍更廣，尤其是圖中黃色圈中地區，新增森林面積很大。

植被指數

俗話說“畫虎畫皮難畫骨”，看到表面的現象容易，探究事物的本質往往很難。在利用遙感影像觀測到塞罕壩地區表面的森林變化之後，我們決定繼續畫一畫這隻老虎的虎骨。

人眼能夠看到五顏六色的世間萬物，是因為地物能夠反射太陽光，且在不同的可見光波段呈現不同的反射特性，因而表現為不同的色彩。雖然很多遙感衛星拍攝的地物波段與肉眼觀測到的可見光波段不同，但依然可以利用這個原理來識別地物的型別。

在陸地上，森林等綠色植被，由於葉綠素的特徵，在可見光的紅色波段具有強烈的吸收作用；而又因為葉子內部構造的原因，在近紅外波段表現為高反射率和高透射率，吸收率很低。根據這種獨特的光譜特性，遙感科學家們提出了多種表徵植被特性的指數，為研究植被的分佈、長勢提供了極大的便利。

圖6a 1987-1990年平均植被指數圖

圖6b 2013-2016年平均植被指數圖

圖6c 動畫比較

基於此，我們繪製出塞罕壩研究區在1987-1990年（上）和2013-2016年（下）夏季植被指數的均值影象，用以描述該地區植被的脈絡。如圖6所示，綠色由淺至深是植被“綠度”越來越高的過渡，其中，0。6以上的墨綠色基本為森林覆蓋地區。這種植被指數分佈圖像，側重突出塞罕壩地區的植被狀態。從圖中可以看出，近幾年與20世紀80年代末相比，塞罕壩地區新增森林面積很大。

圖7 塞罕壩研究區植被變化圖

透過兩個時期植被指數數值的差異（圖7）可以更好的突出植被變化的程度和所在區域。在研究區的東部和東南部，以及塞罕壩國家森林公園的西部，植被覆蓋度和長勢明顯提高（綠色）。然而，在研究區西北部，非林場範圍的內蒙古境內部分地區，植被指數下降明顯，經過對遙感衛星資料的判讀，我們發現這一地區確實存在土地沙化程度加劇的現象。而研究區東北部是農田分佈區，植被指數的下降是由於農作物收割導致。

年度趨勢分析

圖8 植被指數均值變化趨勢

圖9 高植被指數覆蓋變化趨勢

為了進一步研究2000年後塞罕壩地區森林的連續變化情況，我們利用MODIS資料繪製了2000年到2017年間塞罕壩研究區夏季植被指數均值的變化趨勢（圖8）。塞罕壩研究區植被指數在本世紀前4年持續增高，而後呈現波動增高態勢，至2017年，植被指數均值較2000年增長0。1左右。

2009年出現的植被指數數值陡降現象引起了我們的注意，考慮到森林生長對光、溫、水等條件的需求，我們查詢了塞罕壩地區的氣候資料，發現在2009年的森林生長季期間，塞罕壩地區降水量明顯低於其他年份，水分的缺失影響了森林的生長，導致了該年份植被指數數值明顯低於相鄰的其他年份。

由於森林的植被指數數值高於草地、溼地、耕地等其他植被，為了排除非森林植被的影響，我們把夏季植被指數均值在0。6以上的區域提取出來，分析了其面積佔研究區總面積的比例變化趨勢（圖9）。從折線圖中我們可以看到和植被指數均值變化相似的趨勢，至2017年，0。6以上植被指數的比例較2000年提升30%左右。

以上兩個趨勢均可說明，塞罕壩地區森林植被質量在2000年以後仍在逐步提高，雖然增長過程中有所波動，但波動程度不高。

結語

結合我們對塞罕壩研究區上世紀七十年代、八十年末、以及2000年至今的研究，的確發現了塞罕壩以森林為主的植被在逐漸恢復的現象。從漫天黃沙到綠草如茵，從一棵樹到一片林，在塞罕壩機械林場建設者的不懈努力下，這片曾經的寶地死而復生，現如今已經成為了國家級自然保護區。

森林恢復的工作不是一朝一夕就能完成的，在我們研究的時間段內，每年都會發現新增的人工林地，這是塞罕壩機械林場建設者們辛勤勞動的結晶！不斷的努力終歸會有收穫，透過研究我們發現，塞罕壩森林植被的整體生態水平仍在趨好，這種趨勢不僅體現在森林覆蓋率的提高和森林茂密程度的提升上，同時表現為在應對環境變化時，森林具有更強的適應性和更高的穩定性。