森林雪灾害是由于积雪作用在树体上引起的，即当附加在树冠和树干上的雪压达到树木承受的极限时，树木的特定部位不能支持这些负荷而造成的树干弯曲、树冠和树干折断以及连根拔起等危害(Petty et al., 1981；Solantie，1994；李秀芬等，2005)。森林的雪灾害的发生强烈依赖于气象条件、地形、树木和林分特征各因子间的相互作用，一旦这些灾害发生，还可能产生进一步的损害(Valinger et al., 1992；李秀芬等，2005)。森林植被是森林可燃物的主体，雪灾对森林植被产生影响的同时，也对森林可燃物的水平分布、垂直分布、空间结构以及载量产生重要影响，进行影响森林火灾的发生和蔓延。森林火灾的发生和蔓延与可燃物尺寸、结构、组成、理化燃烧特性、载量、含水率等密切相关。

2008年1月中旬到2月上旬发生在中国南方的冰雪灾害对森林植被产生了重要的影响，森林可燃物的结构和组成随之发生重大变化，尤其是地表可燃物的载量急剧增加。可燃物的空间分布特征与森林火灾为行为特征密切相关，包括可燃物的水平分布和垂直分布，以及不同空间分布下的载量分布，对于火行为的强度和燃烧类型均有不同程度的影响。本文通过遥感与地面调查相结合的方法对森林可燃物分布、载量变化进行研究，通过此研究对进一步研究森林火灾的火行为与扑火安全防范均有重要意义。

1 研究区域

湖南省位于长江中游(24°38′—30°08′N，108°47′—114°15′E)，面积21万km²以上，位于我国地势第二、三阶梯的过渡地段。全省土壤类型，西面以黄壤为主，东面以红壤为主。森林资源主要集中在湘西南、湘南、湘西北及湘东。

湖南属中国南部亚热带湿润森林植物区系，植物种类多，区系成分复杂，古老孑遗及孤寡种属多，成为我国宝贵的物种基因库之一。有高等植物约5 000种左右，其中木本植物1 900余种，地带植被主要有壳斗科、樟科、木兰科、金缕梅科、山茶科、冬青科、安息香科的树种组成。截至1999年，全省森林覆盖率40.63%，全省天然林面积为469.76万hm²，人工林面积为390.39万hm²(肖兴威，2005)。

湖南省森林火灾大多发生在山地，主要为人类活动引起的，湖南省森林与居民点相互交错，人类活动频繁，稍不慎，就会给森林留下火种，引发森林火灾。森林火灾主要发生在1月—5月，高峰期在2—4月，1999—2007年年平均发生火灾次数1 615起左右，是我国森林火灾发生次数最多的省份之一。

2 材料与方法 2.1 材料

本文采用遥感与地面调查相结合的方法，遥感数据主要为MODIS数据。MODIS数据具有多光谱分辨率，高时间分辨率，多空间分辨率等特点，具有专门用于植被监测的波段。本文利用冰雪前后MODIS 1B数据，分别选取雪前(2007-05-02)和雪后(2008-05-11)同期少云或无云的影像，在几何校正和大气校正的基础上对数据进行分析计算，用于冰雪对森林危害等级划分。

植被分类数据用1:1 000 000中国植被分布图(侯学煜，2001)，在数字化的基础上，进行不同可燃物类型的分类。

地面调查数据来源于3个方面，不同林型生物量数据主要来源于前期61个样地数据，包括树高、胸径、树龄、植被类型、立地条件、经纬度、地点、凋落物层生物量、草本层、下木层生物量，利用树木生长模型，计算出树叶、树枝和树干生物量，同时考虑生产力，对现有生物量进行计算。

对森林受害程度地面调查主要采用踏查和样地调查2种方法。踏查调查，在行进过程中定位经纬度坐标，并对海拔、植被类型进行记录，同时对森林受害程度进行估测，与森林地上生物量调查方法相对应，分别对树冠、树枝和树干受损情况进行估测，调查时间为2008-02-16—19)。样地调查，设置10 m×10 m样地，对树种、树高、枝下高、胸径、树龄、林下植被类型、立地条件、树木密度、死亡率、草本层、凋落物层生物量进行调查，利用树木生长模型，计算出树叶、树枝和树干生物量，调查时间为2008-03-19—26。

2.2 方法

MODIS具有专门用于监测植被状态的波段，正常情况下，植物体内的含水量较高，会掩盖或影响植物体内生化成分的波谱特征。树木受害后的水状态和光谱反射率均发生显著变化，在红光和近红外区域的变化更显著，尤其是红边的位置更能反映植物的生理状态。在0.620~0.670?μm波段随着植物体含水量降低，反射率会迅速增加，0.841~0.876μm波段反射率也会增加，但增加的程度远小于0.620~0.670μm波段，导致计算出的NDVI值小于正常情况下的值。因此可以用NDVI值的变化对冰雪灾害对森林的影响进行评估。

MODIS 1B数据经几何校正和大气辐射校正后，计算出地表反射率值，然后利用地表反射率值计算NDVI植被指数，利用植被指数的变化对森林受影响的程度进行计算。

2.2.1 MODIS数据处理及NDVI计算

MODIS 1B数据经几何校正后，为了减弱大气的影响，达到更好的判别效果，需要对卫星影像进行大气校正，许多大气校正程序，它们所需的散射和吸收信息都源自MODTRAN4+(Alder-Golden等)或6S等成熟的大气辐射传输模型，包括ATREM、ATCOR、ACORN、FLAASH等(宋晓宇等，2005)，都是根据大气辐射传输模型发展起来的。本文利用FLAASH进行大气校正，FLAASH用MODTRAN4+的辐射传输代码对影像逐像元地校正大气中的水汽、氧气、二氧化碳、甲烷、臭氧和分与气溶胶散射的影响。它集成在ENVI遥感处理软件中，能对400~2 500 nm波长范围内的遥感影像进行大气校正。

由于MODIS 1B数据是灰度值，首先根据下面的公式转换成辐射值：

式中：scales，offsets分别是该波段的定标增益和定标偏移量；R是该波段的辐射值；DN是该波段的灰度值。

根据上式，分别根据其属性数据，计算出辐射值，将图像格式由bsq转为bil格式，用Flaash进行大气校正。因计算出来的MODIS辐射值的单位是W·m^-2μm^-1sr^-1，而FLAASH大气校正需要输入数据的单位是μW·cm^-2nm^-1sr^-1，因此在对MODIS数据进行大气校正时输入数据的比例系数是10。通过大气校正，计算出地表反射率值后，分别对雪前和雪后的NDVI值进行计算，然后，对NDVI值的差值进行计算。

2.2.2 可燃物分类及可燃物载量计算

将1:1 000 000植被分布图数字化，对属性数据进行赋值，将植被根据燃烧性和相似性进行归类，分为6种可燃物类型：阔叶林、马尾松(Pinus massoniana)林、杉木(Cunninghamia lanceolata)林、混交林、其他针叶林和竹林，在本文中只对乔木和竹林进行研究，对于灌木纯林不做研究。

可燃物载量的计算方法主要依据样地生物量调查，对于乔木可燃物载量的估算，国内外学者普遍接受相对生长模型W=a(D²H)^b估算生物量(陈灵芝等，1986)。对地上树木生物量根据树木相对生长模型，对地上部分树干、树枝和树叶，以及林下的可燃物载量进行计算，然后，依据可燃物分类，对不同可燃物类型，不同空间层次的可燃物载量平均值进行计算。

2.2.3 树木受害程度遥感分级方法

NDVI具有明显的年度和季节变化格局，与植物生长期变化相一致，随年份和季节而波动，同时受降水量和气温影响。2007-05-02—2008-05-11，在正常情况下NDVI值会有所增加，由于降水、气温的不均一性，不同地位、土壤条件的差异，以及不同植被本身生理特性对各生态因子响应的不同，使得NDVI的变化量也不相同。由于在没有植被的区域NDVI值变化很小，导致在计算NDVI差值时容易将这一部分NDVI值变化很小的部分归为受害区域，为了减少水体等地物特征对判别的影响，用研究区域的植被分布图对NDVI变化量分布图进行切割，只对乔木和竹林进行分析。

为了获得正常情况下NDVI同期的变化量，分别以冰雪前后NDVI频率峰值对应的NDVI值的差值作为正常NDVI增加的量，2007-05-02频率峰值对应的NDVI值为0.64，2008-05-11频率峰值对应的NDVI值为0.72，其差值为0.08，以0.08作为基本阈值，对受害与否进行判别。表示在正常情况下，在研究的时间段内，NDVI增加值应该在0.08，增加幅度小于0.08表示有不同程度的受害。

为了构建NDVI值与地面森林受害程度的对应关系，根据实地调查情况，将林木受雪压危害的形态种类大致可以分为4类，将地面调查分级与NDVI值分级建立对应关系，完成受害程度分级。

3 结果与分析 3.1 林木受害程度分级与不同植被类型受害情况

NDVI变化程度是反应林木受害程度的一个指标，根据NDVI变化对应的地面信息，将NDVI分为4个等级(图 1，表 1)。

Ⅰ级受害程度NDVI值< -0.08，树干损失 < 5%，树枝损失 < 10%，树叶损失 < 20%，受害形态表现为受害程度比较轻，树叶、树枝和树干有小部分损害。Ⅱ级受害程度NDVI值为-0.08~0，树干损失5%~30%，树枝损失10%~50%，树叶损失20%~60%，受害形态表现为受害程度比较重，大量叶子脱落，小枝折断，部分树干折断。Ⅲ级受害程度NDVI值为0~0.08，树干损失30%~80%，树枝损失50%~90%，树叶损失60%~95%，受害形态表现为受害程度非常重，大部分树枝折断，毛竹压弯在这一类型受害比较普遍，受害程度也比较严重，主要是由于林木树冠截获的雪的重量超过了树梢、树干本身的负荷极限所致。Ⅳ级受害程度NDVI值为≥0.08，树干损失≥80%，树枝损失≥90%，树叶损失≥95%，受害形态表现为受害程度极重，树头断裂，掘根，树枝全部断掉，这一类型也是主要的受害类型，受害率也比较高。主要发生于陡坡及土层较浅薄立地，林木因雪压而形成头重脚轻被连根拔起，根系完全离地或根系严重扯断。

由于不同类型可燃物面积及分布区域的差异，各受害面积和受害等级分布差异比较大(表 2)。其中Ⅰ有受害面积400.07万hm²，占总森林面积41.68%，Ⅱ级受害面积403.95万hm²，占总森林面积41.93%，Ⅲ级受害面积100.90万hm²，占总森林面积10.42%，Ⅳ级受害面积57.76万hm²，占总森林面积5.96%。受害面积比较大的可燃物类型主要为阔叶林、可尾松林和杉木林。受害程度在Ⅱ级以上的占总森林面积的58.31%，其中受害比较重的Ⅲ级和Ⅳ级占总森林面积的16.38%。

不同植被类型受害程度除了受植被分布、林木本身机械强度的影响外，也受气象、地形、海拔、降雪分布等因素的综合影响，因而各植被类型受害程度和区域分布具有很大的差异。在不同类型可燃物中，马尾松林、杉木林和阔叶林所占面积较大，受害面积也相应较大，在受害最严重的Ⅳ级中，马尾松林受害面积达30.78万hm²，阔叶林面积达12.96万hm²，杉木林受害面积达6.14万hm²。

3.2 不同可燃物地表可燃物载量变化

受害前可燃物垂直结构明显，树枝和枝叶占有较大的比例，在不同类型可燃物中混交林和马尾松林地上可燃物载量较大，分别达到142.82和119.86 t·hm^-2，地表可燃物对森林火灾的发生和蔓延具有重要影响，地表可燃物以马尾松林和混交林载量较大，分别为19.95和15.36 t·hm^-2(表 3)。

经过冰雪损害后，森林可燃物的空间结构发生明显变化，地表可燃物载量根据受害程度的不同有不同程度地增加，随着受害程度的加重，地表可燃物载量积累增大，根据受害程度分级(表 1)和受害前可燃物载量(表 3)，计算出受害后地表可燃物的增加量，进而对地表可燃物载量增长倍数进行计算(表 4)。对于面积比较大的阔叶林、马尾松林和杉木林，受害最严重的Ⅳ级，地表可燃物载量分别是受害前地表可燃物载量的16.51~20.08倍，4.10~5.01倍和25.93~31.35倍。对于受害最严重的区域，地表可燃物最多可增长32.81倍，最高地表可燃物载量可达142.82 t·hm^-2(图 2)。

4 结论与讨论

南方冰雪灾害对森林地表可燃物的水平和垂直空间布局均产生重大影响，根据冰雪前后同期卫星数据NDVI值的差异可以对林木受害程度进行分级。在本文中根据NDVI变化和地面调查将受害程度分为4级，其中Ⅰ有受害面积400.07万hm²，占总森林面积41.68%，Ⅱ级受害面积403.95万hm²，占总森林面积41.93%，Ⅲ级受害面积100.90万hm²，占总森林面积10.42%，Ⅳ级受害面积57.76万hm²，占总森林面积5.96%。林木受害后主要表现为地表可燃物载量急剧增加，对于不同可燃物、不同受害程度增加的量有很大不同，地表可燃物载量最大增长倍数为32.81倍，最高地表可燃物载量可达142.82 t·hm^-2。地表可燃物的增加主要表现为死可燃物和细小可燃物的急剧增加，火强度将增大，火行为将更加复杂。由于大量树冠遭到破坏，林内变得开阔，有利于草类等阳性杂草入侵，使得草类可燃物增多，细小可燃物载量增加。

由于当地地形比较破碎，对大气校正会有一定的影响，对于NDVI分级，如果建立大样本的地面调查数据，与NDVI数据建立映射关系，进而进行分级，会得到更好的效果。在实际中，不同类型植被NDVI对气象要素的响应是不同的，因此，同样条件下NDVI的变化程度也有所差异，本文仅仅将所有的植被类型NDVI变化情况作为统一情况来处理。导致NDVI值降低的因素有很多，如采伐、火灾、风雪等的干扰，更准确地对冰雪对森林的危害进行判别需要更多的信息进行约束。

由于冰雪对植被生理和结构等不同方面的影响，因此可以从不同的角度对受害程度进行判别，如LAI、LAD、EVI、纹理特征、树冠指数、植被健康指数等。森林生物量在空间分布是连续的和异质的，在实际中只是对一些离散的点进行采样，目前通过光学遥感对森林生物量的提取还有一定的难度，多是通过高空间分辨率卫星影像，提取一些生态学参数，通过这些生态学参数建立与生物量的数学模型，进而对生物量进行估测。由遥感本身性质决定的，对生物量的反演还有一定的局限性，通过遥感和更多的样地对生物量进行估算，会获得更好的效果。由于混合像元的存在，使得非纯净像元的受害程度不同程度的低估，更高分辨率的卫星影像会有更好的效果。