利用与高完整性参考状态的差异性，研究人类活动对遥感生物多样性指标的累积影响及各组成部分的影响

《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》：Cumulative and component impacts of the human footprint on remotely sensed biodiversity indicators using dissimilarity to high integrity reference states

森林生态完整性评估与人类活动影响分析

　　### 生态完整性评估与森林保护策略：基于遥感数据的多维分析方法

森林生态系统是地球生物多样性的重要组成部分，其结构、功能和组成对维持生态平衡和提供生态系统服务至关重要。在当前人类活动日益频繁的背景下，森林的生态完整性正面临严峻挑战，如栖息地丧失、自然资源过度开发以及土地利用变化等。因此，评估森林生态完整性不仅是生态保护的必要手段，也是实现全球生物多样性保护目标的关键环节。本文提出了一种基于遥感数据和多维分析方法的框架，用于评估森林生态完整性，并探讨了人类活动对森林生态完整性的影响。该研究以加拿大不列颠哥伦比亚省的温哥华岛为案例，通过遥感数据和统计分析方法，为森林保护和恢复提供了科学依据。

#### 一、研究背景与意义

森林生态系统不仅为大量动植物提供了栖息地，还在全球范围内发挥着重要作用，如碳储存、养分循环、木材生产以及休闲旅游等。然而，随着人类活动的加剧，森林生态系统正经历显著的退化和破坏。气候变化、资源过度开发以及外来物种入侵等因素，导致森林的结构和功能发生改变，从而削弱了其维持生态服务的能力。在这种背景下，维持和保护具有高生态完整性的森林显得尤为重要。高生态完整性森林通常指那些具有自然或接近自然状态的森林生态系统，它们保留了预期的自然过程、干扰和生物多样性特征。

尽管生态完整性评估的重要性日益凸显，但目前缺乏有效的空间评估方法。特别是在全球范围内，如何准确识别和评估高生态完整性森林，成为实现生物多样性保护目标的关键挑战之一。2022年12月通过的《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》（GBF）明确提出，到2030年，全球30%的生态系统应得到保护，并强调保护高生态完整性生态系统的重要性。然而，现有数据和方法在评估高生态完整性生态系统方面仍存在不足，这使得全球生物多样性保护目标的实现面临困难。

为了应对这一挑战，本文提出了一种基于遥感数据的生态完整性评估方法。该方法通过结合结构和功能指标，并使用精确匹配（coarsened exact matching, CEM）技术建立参考状态，从而实现对森林生态完整性空间分布的准确评估。该方法不仅适用于温哥华岛，还具有良好的可扩展性，能够为全球范围内的森林保护和恢复提供科学支持。

#### 二、研究方法

本研究采用了一种创新的数据驱动方法，用于评估森林生态完整性。首先，通过CEM技术筛选出与研究区域环境条件相似的参考状态，确保比较对象的生态一致性。其次，利用遥感数据获取森林结构和功能指标，包括树冠高度、覆盖度、结构复杂性和生物量等。这些指标能够反映森林的结构特征，并作为评估生态完整性的基础。

在功能方面，本文引入了动态栖息地指数（Dynamic Habitat Indices, DHIs），该指数通过遥感数据计算，能够反映森林生态系统中能量可用性和季节性变化。DHIs包括累积指数（Cumulative DHI）、最小指数（Minimum DHI）和变异指数（Variation DHI），分别代表一年内森林的能量总量、最低能量值和能量变化幅度。通过整合结构和功能指标，研究团队能够更全面地评估森林生态完整性。

为了进一步量化生态完整性，研究团队采用了一种名为sigma相似度的指标。该指标基于马氏距离（Mahalanobis distance）计算，通过将数据标准化为百分位数，能够反映森林与参考状态之间的多维差异。sigma相似度越高，表示森林与高生态完整性状态越接近，反之则越偏离。此外，研究还分析了人类活动对生态完整性的影响，包括累积压力和个别压力（如人口密度、建筑环境、道路和林业活动）。

#### 三、研究区域与数据来源

本研究以加拿大不列颠哥伦比亚省的温哥华岛为案例，该岛拥有约31,285平方公里的陆地面积，其中79.5%为森林覆盖。温哥华岛的气候属于温带海洋性气候，冬季温和湿润，夏季凉爽干燥。研究团队选择了Strathcona Park作为参考状态，该公园成立于1911年，是不列颠哥伦比亚省最古老和最大的保护区，总面积约为2480平方公里。Strathcona Park的森林生态系统与研究区域在环境条件上具有高度相似性，因此成为评估森林生态完整性的重要基准。

为了获取森林结构和功能数据，研究团队使用了多种遥感数据源。森林结构数据来自Matasci等人（2018a, 2018b）利用随机森林-k近邻（kNN）方法生成的30米分辨率数据，涵盖了树冠高度、覆盖度、结构复杂性和地上生物量等指标。这些数据基于Landsat卫星影像，并通过地形和位置信息进行建模，以提高精度。此外，研究团队还利用了DHIs数据，这些数据基于Landsat影像生成，涵盖了全年能量可用性的变化情况。

人类活动压力数据来自加拿大人类足迹（Canadian Human Footprint）数据集，该数据集综合了12种人类活动类型，包括建筑环境、农业用地、人口密度、夜间灯光、铁路、道路、水道、水坝和水库、采矿活动、石油和天然气以及林业活动。通过将这些数据与森林结构和功能指标进行对比，研究团队能够评估不同人类活动对森林生态完整性的影响。

#### 四、研究结果

研究结果表明，累积人类活动压力显著增加了森林结构的差异，但对功能差异影响不大。具体而言，当人类活动压力较高时，森林结构的sigma相似度从0.79增加到1.61，而功能相似度则未发生显著变化。这一发现表明，人类活动对森林结构的影响更为直接，而对能量可用性等生态功能的影响相对较小。

在分析个别压力类型时，研究发现建筑环境、林业活动和人口密度显著增加了森林结构的差异，而道路对森林结构的影响则不显著。这一结果提示，虽然道路可能在一定程度上改变森林景观的连通性，但其对森林结构的直接影响较小。相比之下，建筑环境和林业活动则更直接地改变了森林的结构特征，如树冠高度和生物量。

此外，研究还发现，森林功能的sigma相似度在不同人类活动压力下变化不大。这可能与温哥华岛的高树冠覆盖率和稳定的能量可用性有关。在该地区，由于森林结构较为复杂，功能指标可能对人类活动压力具有一定的缓冲作用。然而，这一结论并不适用于所有生态系统，特别是在具有明显季节性变化的热带或温带落叶林生态系统中，人类活动可能对功能指标产生更大的影响。

#### 五、讨论与启示

本研究的方法为生态完整性评估提供了一种新的视角。通过结合遥感数据和统计分析方法，研究团队能够更准确地识别高生态完整性森林，并评估人类活动对其的影响。这种方法不仅适用于温哥华岛，还可以推广到其他地区，为全球范围内的森林保护和恢复提供科学依据。

在方法的适用性方面，本研究的框架具有较高的灵活性。它不仅可以用于评估森林生态完整性，还可以用于识别特定物种所需的高质量栖息地，如需要复杂树冠结构的大理石潜鸟（Brachyramphus marmoratus）。此外，该方法还可用于景观连通性分析和生态恢复规划，为不同生态系统提供量化的生态完整性指标。

然而，本研究也存在一定的局限性。例如，参考状态的选择可能影响评估结果的准确性。虽然Strathcona Park是一个理想的参考状态，但在某些地区可能难以找到同样大规模和长期保护的森林。因此，在扩展该方法时，需要考虑参考状态的可获得性和环境条件的匹配程度。此外，虽然sigma相似度能够有效反映生态完整性，但在某些生态系统中，可能需要结合其他指标，以更全面地评估生态完整性。

#### 六、结论与未来展望

本研究为森林生态完整性评估提供了一种新的方法，并展示了其在温哥华岛的应用效果。通过结合遥感数据和CEM技术，研究团队能够更准确地识别高生态完整性森林，并评估人类活动对其的影响。该方法不仅适用于温带森林，还具有良好的可扩展性，能够为全球范围内的森林保护和恢复提供支持。

未来，随着遥感技术的不断发展，更多的高分辨率数据将被用于生态完整性评估。例如，空间载荷激光雷达（spaceborne lidar）技术已经在全球范围内应用，能够生成更高精度的森林结构数据。此外，虚拟卫星星座（如Harmonized Landsat-Sentinel）的发展，使得全球范围内的动态栖息地指数（DHIs）数据生成成为可能。这些技术的进步将进一步提高生态完整性评估的准确性和可操作性。

同时，研究团队也强调，生态完整性评估应考虑不同生态系统的特点。在某些生态系统中，人类活动可能对功能指标产生更大的影响，而在其他生态系统中，结构指标可能更为敏感。因此，未来的生态完整性评估应结合具体生态系统的特点，选择合适的指标和方法。

最后，本研究的成果为全球生物多样性保护目标的实现提供了重要支持。通过识别高生态完整性森林和需要恢复的森林区域，研究团队为政策制定者和管理者提供了科学依据，以更有效地制定森林保护和恢复策略。此外，该方法还可以用于评估现有保护区的保护效果，为未来的保护规划提供参考。