整合历史影像与Landsat观测重建印度尼西亚Leuser Ecosystem（LE）1960年代至2020年长期分数森林覆盖（FFC）动态

《Science of Remote Sensing》：Mapping long-term fractional forest cover dynamics in the Leuser Ecosystem, Indonesia by integrating historical imagery and Landsat observations spanning the 1960s to 2020

　　

Leuser Ecosystem（LE，印度尼西亚）是最重要的热带森林景观之一，但其长期分数森林覆盖（fractional forest cover，FFC）动态仍缺乏充分记录，因为延伸至Landsat之前时代的观测有限。研究人员整合了1965年的Corona影像、1972–1974年的Landsat MSS观测以及1988–2020年的多传感器Landsat数据，以重建长期FFC动态。采用基于对象的影像分析（object-based image analysis，OBIA）处理Corona影像，以获取30 m的历史FFC基线；同时使用PlanetScope-3B（PS-3B）参考FFC训练随机森林（random forest，RF）模型，用于基于Landsat的FFC估算，并从可获取的MSS观测中生成1972–1974年的孤立FFC快照。随后，改进的连续变化检测与分类（continuous change detection and classification，CCDC）框架重建了植被指数（vegetation index，VI）轨迹，并生成1988年1月10日至2020年11月17日期间日期特定的逐日FFC估算。独立验证显示其与PS-3B参考FFC具有良好一致性（R² = 0.71，RMSE = 0.16），而使用GFW-FFC对2000年和2010年进行的补充性交叉产品评估（R²分别为0.55和0.49）以及针对2020年的三个非Landsat FFC产品，揭示出交叉产品一致性存在显著的产品依赖性差异。1988–2020年的趋势分析识别出，在分析区域内77.39%的面积上存在显著正FFC趋势，6.40%存在负趋势，16.21%无显著趋势。然而，正的FFC并不必然代表自然森林恢复；在已记录的油棕和种植园景观中选取的轨迹显示，干扰后FFC增加与种植园建立和冠层成熟相一致。本研究扩展了热带FFC监测的时间视角，并为解释长期森林覆盖动态及支持保护与土地管理规划提供了可转移的框架。

**研究背景与问题**

Leuser Ecosystem（LE，勒塞尔生态系统）位于印度尼西亚苏门答腊，面积约2.28百万公顷，是东南亚最大的保护区之一，涵盖低地雨林、山地森林、泥炭沼泽与海岸带等生境，在气候调节、水资源管理、自然灾害预防及极度濒危物种保护方面具有重要价值，但正面临不断加剧的土地覆盖变化。分数森林覆盖（fractional forest cover，FFC）作为表征冠层覆盖比例的连续指标，能够区分完整森林与部分退化或破碎化森林，是理解这一过程的关键参量。然而，多数长期区域与全球FFC记录起始于20世纪80年代或更晚，1980年前的森林覆盖动态分辨率不足；印度尼西亚自20世纪50年代初兴起的种植园扩张仅见于粗略的国家统计，在现代卫星档案之前缺乏空间记录。历史地图虽提供基线信息，却往往不一致且空间粗糙，难以刻画细尺度FFC动态。Corona影像自1995年公开，可提供1960年代初至1980年代末的高分辨率覆盖，但受模拟胶片格式、几何畸变及单一灰度波段限制；Landsat自1972年起提供连续多年代观测，却受云覆盖、大气效应与传感器故障造成的缺失数据困扰，现有填补方法在热带异质和快速变化条件下均存在局限。为此，研究人员整合Corona与Landsat观测，重建LE自20世纪60年代至2020年的长期FFC动态。

**研究实施、结论与意义**

研究人员整合1965年Corona影像、1972–1974年Landsat MSS观测与1988–2020年多传感器Landsat数据，构建了Corona–Landsat–Planet框架：以基于对象的影像分析（object-based image analysis，OBIA）提取1965年30 m历史FFC基线，以PlanetScope-3B（PS-3B）参考FFC训练随机森林（random forest，RF）模型，并以改进的连续变化检测与分类（continuous change detection and classification，CCDC）框架重建植被指数（vegetation index，VI）轨迹，生成1988年1月10日至2020年11月17日的日期特定逐日FFC估计。独立验证结果为R² = 0.71、RMSE = 0.16。趋势分析显示，分析区77.39%呈显著正趋势、6.40%呈显著负趋势、16.21%无显著趋势。研究强调，正FFC趋势并不必然代表自然森林恢复：在Tripa、East Aceh和Singkil等有种植园记录的区域，干扰后冠层快速增加与种植园建立及冠层成熟一致，作者据此提出“伪恢复”（pseudo-recovery）这一解释性风险。该研究将热带FFC监测的时间视角延伸至Landsat之前，提供了可转移的长期森林覆盖动态解释框架，可支撑保护与土地管理规划。

**主要关键技术方法**

Corona KH-4A影像（1965年7月21日，18景，分辨率2.4285947 m）按地形分层布设地面控制点（ground control point，GCP），采用一至三阶多项式变换进行两步手工共配准与镶嵌，重采样至2.5 m；以两级层次分割（SNIC尺度参数250与多分辨率分割尺度参数30）结合RF分类得到森林/非森林，聚合至30 m生成1965年FFC基线。PS-3B 2020年9月影像经OBIA树/非树分类并聚合至30 m生成参考FFC。以2020年Landsat的7个VI（NDVI、GRNDVI、NBR、EVI2、GNDVI、FDI、RDVI）为输入，经二阶多项式特征与随机搜索交叉验证调参，基于356,378个训练样本、101,692个内部验证样本和50,897个地理独立验证样本训练RF回归模型；改进CCDC以年与半年谐波加线性趋势重建逐日VI轨迹。外部比较采用GFW-FFC及CGLOPS FCover、GLOBMAP FTC、MOD44B VCF产品。

**研究结果**

4.1 影像共配准精度评估：以918个未参与配准的独立GCP验证，RMSE为4.71 m，误差呈空间异质性，在缺乏可识别地物的平坦泥炭沼泽区最大，其次为云覆盖密集的东部。

4.2 1965年森林覆盖制图精度评估：总体精度、精确率、召回率与F1-score分别为0.98、0.98、0.99和0.99；与AMS 1954和HILDA+ 1965参考数据比较显示，Corona结果能识别狭窄采伐廊道、早期道路与局部清林等细尺度特征，而HILDA+仅提供概化的大尺度格局。

4.3 LE 1965年历史FFC制图结果：在2,285,278.4 ha制图范围内，有效FFC估计覆盖2,105,942.5 ha（92.15%），179,335.9 ha（7.85%）受云及云影遮蔽，遮蔽区空间聚集（东部10.16%、西部1.88%）；蒙特卡洛空间扰动试验表明配准误差引入随机变异而非系统偏差，面积加权平均逐像元标准差为0.0047。

4.4 基于档案地面照片的交叉验证：Agusan、Samarkilang与Pantan Cuaca三地点的历史照片与Corona影像及其FFC结果高度吻合，为重建的历史FFC格局提供了定性支持。

4.5 1988–2020年基于Landsat的FFC估算模型验证：4.5.1 使用PS-3B-derived FFC的独立验证中，50,897个地理独立样本显示R² = 0.71、RMSE = 0.16、MAE = 0.12与近零偏差，但拟合关系（y = 0.6806x + 0.1632）表明预测范围被系统压缩，低FFC趋于高估、高FFC趋于低估，中间FFC（约0.4–0.7）分散较大。4.5.2 多产品时空一致性评估中，与GFW-FFC在2000年和2010年的R²分别为0.55和0.49，RMSE为0.24和0.26；2020年与非Landsat产品比较，CGLOPS的R² = ?0.51，GLOBMAP的R² = ?1.04，MOD44B的R² = 0.30、偏差?0.02、RMSE最低（0.26）。

4.6 1988–2020年LE长期FFC趋势：基于33期年度观测，采用Hamed–Rao修正Mann–Kendall检验与Sen’s slope估计，Sen’s slope范围为?0.04235至0.04289 FFC year^?1，中位数为0.00181 FFC year^?1；77.39%（1,765,918.35 ha）显著正趋势，6.40%（146,147.94 ha）显著负趋势，16.21%（369,789.57 ha）无显著趋势，负趋势集中在LE边缘与低地，正趋势广布于北部、中部和南部内陆。

4.7 1965–2020年FFC的空间异质性与时间动态：结合文献记录的土地利用历史，Tripa泥炭沼泽呈现两条干扰—冠层再发育路径；East Aceh同时存在已建立与不完整的冠层再发育；Upper Alas Valley以持续退化为主；Singkil泥炭沼泽表现为反复的清除—再发育循环。这些轨迹表明1988年并非统一起点，且干扰后FFC快速上升并维持高水平可能代表种植园发育而非生态森林恢复。

**讨论部分总结**

讨论指出，地理分离的独立验证证明VI–FFC关系可迁移至未参与建模的区域，较随机像元划分更保守；残差分布显示中间FFC区因混合像元而不确定性更高。GFW比较因同为Landsat产品而非完全独立，2020年三产品差异源于空间分辨率、反演算法与冠层定义不同，故仅用于刻画交叉产品一致性而非验证精度。主要局限在于无法证明VI–FFC关系在1972–2020年全期保持恒定，早期MSS快照应视为孤立历史基准。配准方面，Corona内部残差低（平均RMSE 1.29 m），但独立GCP验证RMSE为4.71 m且强烈依赖地形：山地因河流、山脊、道路交叉点等稳定地物误差较低，泥炭沼泽与低平海岸带因缺乏持续地标误差较大，未来可通过SuperGlue特征匹配及KH-9 Hexagon或立体Corona表面模型改进。光谱与物候方面，热带季节变异、持续湿度与复杂光照降低年际光谱一致性，CCDC用于重建一致VI轨迹，但FFC仅表征冠层覆盖比例，不直接代表组成、生物多样性与生态功能，故需通过加入缨帽变换（tasseled cap transformation，TCT）分量、纹理指标、物候敏感指标、地形归一化以及Sentinel-1/2数据来丰富预测变量。研究还强调，Corona的适用性限于Landsat之前存在重大森林干扰但缺乏记录的区域，且需具备足够的无云历史影像；Corona（1960–1972）及KH-9 Hexagon（延续至1980年代初）档案在婆罗洲、亚马逊和刚果盆地等热带区域具有可比机会。

**研究结论（原文翻译）**

本研究通过连接三个时间上不同的组成部分，刻画了Leuser Ecosystem的长期分数森林覆盖（fractional forest cover，FFC）动态：1965年基于Corona的历史基线、1972–1974年孤立的Landsat MSS FFC快照，以及由多传感器Landsat植被指数（vegetation index，VI）轨迹重建的1988年1月10日至2020年11月17日期间日期特定的逐日FFC估计。逐日VI轨迹采用改进的连续变化检测与分类（continuous change detection and classification，CCDC）框架重建，并利用以PS-3B衍生参考FFC训练的随机森林（random forest，RF）回归模型转换为FFC，从而在生物多样性关键的热带景观中实现了森林覆盖动态的多年代重建。使用地理独立PS-3B样本的独立评估支持了2020年留出区域的地理可迁移性，而交叉产品比较揭示了显著的产品依赖性一致性差异。

重建的FFC记录揭示了LE内部显著的空间与时间异质性。对1988–2020年连续重建的趋势分析识别出研究区内显著的FFC减少与增加。在Tripa、East Aceh和Singkil选取的站点尺度轨迹进一步表明，部分干扰后增加发生在独立记录有种植园发展的景观中，因而与人工种植冠层的建立和成熟一致。这些选定示例并未量化种植园扩张对LE整体FFC增加的贡献，但凸显了一项重要的解释性局限：正FFC趋势代表冠层覆盖增加，不应自动等同于自然森林再生或生态森林恢复。

因此，本研究使用“伪恢复”（pseudo-recovery）一词描述一种潜在的解释性信号，而非系统性制图的土地利用类别。区分自然森林再生与生态森林恢复同种植园驱动的冠层发育，需要额外的土地覆盖转移数据、明确的种植园信息以及针对驱动因子的验证，这超出了本重建研究的范围。

总体而言，本研究提供了将离散历史观测与连续现代卫星时间序列相连接的可转移框架。所生成的记录支持长期森林监测，并为历史观测仍然有限的热带地区的保护规划、政策评估以及后续土地利用归因分析提供了时间基础。