遙感技術在林業中的應用現狀與展望

薛東艷

（神木縣林業局 林業工作站，陜西 神木719300）

0 引言

遙感(Remote Sensing，RS)是20 世紀60 年代發展起來的一門集地學、生物學、航空航天、電磁波傳輸和圖像處理等多學科交叉融合的新興學科。 遙感技術具有周期性觀測和大面積覆蓋獲取地面信息的特點，可以提供一種實時、動態、綜合性強的環境資源信息。 遙感技術在林業中的應用被稱為林業遙感技術，是指通過衛星和飛機對林業資源進行實時動態地監測，形成各種數據和信息，并通過綜合分析處理為林業決策和發展提供服務。 我國應用林業遙感技術已有二十多年的歷史，取得了可喜的成績，充分展現了遙感技術在林業中的巨大生命力[1]。

1 遙感技術在林業中的應用現狀

遙感技術在林業中的應用非常廣泛， 主要包括以下幾個方面：森林資源遙感調查、森林火災遙感監測、森林病蟲災害遙感監測及林業資源遙感動態監測等。遙感技術在空間分辨率和光譜分辨率方面的提高，以及雷達遙感、航空遙感和無人遙感飛機的發展，為林業遙感提供了豐富的信息源，拓寬了林業遙感應用的深度和廣度，給森林資源清查和監測工作帶來了新的契機，為“數字林業”的順利推廣提供了強大的信息保證[2]。

1.1 林業遙感數據源

1.1.1 高空間分辨率遙感數據

林業遙感應用的主要數據源是光學遙感數據，如TM 和SPOT 等。TM 數據具有較高的空間分辨率和光譜分辨率， 且數據量大、 信息豐富、成本較低，一直是林業遙感的主要信息源,但其30m 的空間分辨率的應用精度并不令人滿意。進行宏觀森林資源監測時通常采用NOAA等中低分辨率數據，因為它們經濟、實惠、待處理的信息量少，而且來源有保證， 但隨之而來的問題是在使用這種信息源時如何保持其精度。 高分辨率衛星數據的出現,給林業遙感監測帶來了希望，目前多用以IKONOS 為代表的高分辨率的衛星影像展開對監測森林資源、工程造林質量、退耕還林效益等方面的研究。

1.1.2 高光譜遙感數據

高光譜遙感能夠探測到具有細微光譜差異的各種物體，大大地改善了對植被的識別和分類精度。利用高光譜數據實行的混合光譜分解方法可以將森林郁閉度這個最終光譜單元信息提取出來，合理而真實地反映其在空間上的分布[3]，對于掌握森林結構與森林環境、加強森林生態系統管理具有重要意義。 此外，高光譜遙感數據憑借大量的光譜信息，在森林分類與調查、森林資源變化信息提取、森林火災監測、森林病蟲害評估等方面起到了舉足輕重的作用，為實時而科學的森林經營管理增添了一種新技術手段。

1.1.3 雷達遙感數據

一般情況下，地球有60%～70%被云層覆蓋，可見光、紅外技術在這種天氣下難以獲得有效數據， 不能及時為林業行業提供數據支持。而合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR）具有全天時、全天候以及能夠穿透掩蓋物、較好反映地表結構信息的能力，為林業遙感提供了新的數據源，有效解決了上述問題。 SAR 遙感通過獲取各種森林生物物理參數，被廣泛用于識別森林類型、森林密度、年齡和監測森林生長、再生狀況、森林砍伐、森林災害以及估算森林的生物量、蓄積量，特別是對熱帶雨林砍伐監測，雷達幾乎是唯一可以依賴的信息源[4]，這些信息有效提高了人們對森林資源的認識。

1.2 應用現狀

1.2.1 森林資源遙感調查

森林資源遙感調查主要是通過野外調查和衛星圖像的對照判讀，進行森林類型判別，并用遙感數據與地面各種因子建立模型的定量表達，估計森林蓄積量和森林面積，利用多時相遙感影像監測森林覆蓋率等。 早在1954 年，我國就創建了“森林航空測量調查大隊”，首次建立了森林航空攝影、森林航空調查和地面綜合調查相結合的森林調查技術體系[5]。

然而，過去我國森林資源規劃設計調查主要是以航空照片和地形圖為參考，制作外業調查手圖，通過現場勾繪等手段完成林相圖區劃。這種傳統的調查方式存在調查間隔期過長、調查人員投入多、勞動強度大、一次性經濟投入大、出錯機率大等問題，難以滿足新時期的調查需求。自2003 年起，高空間分辨率衛星影像寫進森林資源規劃設計調查規程， 我國很多省區相繼應用SPOT5 數據進行了森林資源規劃設計調查試點[6]，有效推動了林業資源調查數字化進程，促進了高空間分辨率衛星遙感技術的研發，相關研究內容主要包括蓄積量估測、樹冠信息的提取方法、SPOT5 影像用于小班區劃的方法， 并研發了基于高分辨遙感數據的小班區化系統[7]。高光譜遙感數據應用方面，主要開展了星載高光譜遙感數據的預處理、基于統計模型的森林郁閉度和葉面積指數估測、森林類型遙感識別方法、森林葉綠素含量的幾何光學模型反演和機載高光譜數據的優勢樹種識別技術[8]等方面的研究。

1.2.2 森林火災遙感監測

森林火災是自然災害中最為嚴重的一種， 森林一旦發生火災，不僅會使辛苦幾十年培育的林木頃刻間化為灰燼，而且會對生態環境帶來嚴重的負面影響。如果能及時監測、預報森林火災，其帶來的損失就會大大減小。 早在20 世紀50 年代，我國林業行業就開展了利用航空遙感技術進行森林火災監測的技術方法研究。 到70 年代末80 年代初， 美國的Landsat TM、NOAA 等衛星數據逐步被我國相關專家學者應用于森林火災監測的研究中， 并在1987 年大興安嶺特大森林火災監測中發揮了非常重要的作用。

隨著衛星遙感技術的深入發展與應用，我國科研人員不斷地探討利用遙感技術進行森林防火應用的研究，并取得了許多重要成果。 尤其是“十五”以來，面對國內外不斷面世的新型衛星遙感數據，我國學者解決了利用這些新型數據進行森林火災預警監測的應用技術，如針對新出現的Terra/Aqua MODIS、ENVISAT-AATSR、ENVISAT-MERIS等衛星數據森林火災預警監測應用技術需求，有效解決了森林火災預警監測模型中可燃物類型的分類方法、植被因子的估測、小火點自動識別等方面的應用技術[9]；利用MODIS 數據進行了森林火災預警的應用方法；針對新型衛星數據林火信息快速提取的技術需求，建立完善了利用高性能平臺森林火災信息提取的技術系統。 通過近20 多年的技術突破，我國逐步研究形成了基于衛星遙感數據的森林火災監測應用方法與技術系統，初步建立了基于航天、航空、瞭望臺（塔）以及與地面巡護相結合的森林火災監測體系[10]；同時，還將海事衛星技術等應用于我國森林火災的預防、監測及撲救工作中。 我國國家森林防火指揮部衛星森林火災監測系統從1995 年應用至今， 從以前單一的NOAA-AVHRR 資料到后來綜合應用NOAA、FY、MODIS 等資料，逐步發展成為國家森林防火指揮部和各省市林業部門防火辦森林火災宏觀監測的主要手段， 并為撲救指揮提供了可靠的數據保障和技術支撐。

1.2.3 森林病蟲災害遙感監測

植物受到病蟲害侵襲，會導致植物在各個波段上的波譜值發生變化。如植物在受到病蟲災害、人眼還不能感覺到時，其紅外波段的光譜值就已發生了較大的變化。 從遙感數據中提取這些變化的信息，分析病蟲害的源地、災情分布、和發展狀況，可以為防治森林病蟲害提供有效幫助。早在1978 年，騰沖遙感綜合試驗就已開啟了我國遙感技術監測森林病蟲災害的序幕。 隨著航天遙感技術的發展，“七五”末期、“八五”初期，我國科研人員以松毛蟲等食葉害蟲災害為例，廣泛開展了針對針葉損失率、松針生物量和災害程度等遙感監測方法的研究，充分證明當森林植物遭受病蟲災害的侵襲時，其葉綠素、水分等便會急劇下降，葉黃素、葉紅素等會提高，必然導致其反射率發生顯著變化，此項研究結果為林業遙感病蟲災害監測提供了重要的科學依據。此外還發展了基于多種植被指數的病蟲災害信息提取技術[11]。

“八五”后期和“九五”期間，在國家眾多科技項目的支持下，我國科研人員全面地開展了森林病蟲災害遙感監測預警技術的研究，建立了基于單時相和多時相衛星遙感數據的災害信息提取技術路線，引進吸收了航空錄像和航空電子勾繪等遙感監測技術方法， 初步探索了天、空、地相結合的森林病蟲災害監測體系。并基于林業業務主管部門的預報、監測、災害損失評估和決策支持需求，提出了森林病蟲災害的遙感、地理信息系統和全球定位系統技術集成應用模式[12]。 最近十幾年來，著重開展了基于遙感技術的森林病蟲災害監測專業應用系統的研發，并進行了生產性示范，以完善相關應用系統的可操作性和實用性，同時也展示了其指導森林病蟲災害調查情況的應用潛力[13]。

1.2.4 林業生態工程遙感監測評價

林業生態工程遙感監測評價技術就是利用遙感技術，在統一規劃和設計的技術平臺上，進行應用系統集成，為實現林業生態工程建設的信息資源共享和技術共享提供技術支持。早在1979 年，國家就決定在我國西北、華北北部和東北西部風沙危害、水土流失嚴重的地區，建設大型防護林工程，即“三北”防護林工程。在“七五”期間，實施了重大遙感綜合應用項目——“三北”防護林遙感綜合調查研究。該項目主要采用了航天遙感技術對“三北”防護林地區的森林類型、面積、具體分布、保存率、草場的數量質量和分布、土地資源類型分布及數量和應用現狀進行了綜合調查， 并建立了基于防護林生態效益的動態監測系統，對不同類型區的造林適宜性做出了分析評價以及對防護林的防護效益進行了評估，為“三北”地區的森林綜合治理提供了可靠的數據分析資料[14]。2000 年以來，國家先后啟動了天然林資源保護、退耕還林工程等六大生態建設和造林工程。 2004 年開始的“國家林業生態工程重點區遙感監測評價項目”， 利用了2003 年至2011 年期間的MODIS、Landsat-TM、SPOT5、QuickBird 等多源衛星遙感數據，共對4 個天然林資源保護工程監測區和8 個退耕還林工程監測區進行了多期動態監測與評價。 “十一五”期間，我國科研人員開展了天然林保護工程、重點防護林工程和京津風沙源治理工程的遙感監測技術研究，開發了“國家重點林業生態工程監測與管理系統”[15]， 廣泛地為林業生態工程管理提供技術支撐與服務，有效推動了林業生態工程遙感監測評價的發展。

2 展望

我國林業遙感技術的發展已有二十多年的歷史，不僅做了大量的研究和實驗工作、積累了豐富的資料和經驗，還培養了一大批優秀的科研與應用工作者。 但是，伴隨新時期國家對林業的要求和林業自身的發展，目前的林業遙感技術仍然不能全面滿足實際需要，因此，應進一步加強林業遙感技術與應用系統建設，逐步形成天、空、地一體化的林業遙感應用體系[16]。

2.1 建設林業遙感應用綜合服務平臺

目前國內除森林火災監測系統應用低分辨率的遙感衛星進行業務運行以外， 還沒有應用中高分辨率的衛星建立起業務化的運行體系。 為實現遙感技術在各類林業調查與監測業務中的廣泛應用，形成業務化運行的能力，還需要開展一項重要的基礎性、支撐性的設施建設工作，即林業遙感應用綜合服務平臺的建設。 該平臺應該建立面向林業遙感技術應用的集成環境，整合林業行業中與遙感技術應用密切相關的各類存儲資源、數據資源、計算資源、軟件資源和專家資源，逐步形成面向林業行業提供遙感數據的共享服務機制，并支撐林業遙感應用業務系統開發與運行服務的基礎平臺。該平臺應具有能夠支撐海量遙感數據存儲、查詢功能，具有基于網格的遙感數據應用處理和產品加工功能，以及對數據和產品的多層級分發與共享等強大功能。 該平臺的建設將大力促進森林資源調查、森林火災、森林病蟲災害及林業生態建設工程的監測等林業遙感應用業務化運行系統的建立。

2.2 加快遙感與GIS、GPS 的結合

遙感技術具有強大的數據獲取能力，卻在處理和分析這些數據時存在缺陷，地理信息系統（Geographic Information System，GIS）具有較為完善地空間數據綜合分析處理平臺，有效地解決了這一難題。 概括起來，GIS 在林業領域的應用研究內容主要有：森林資源信息管理、森林經營優化決策、森林分類經營區劃、森林抽樣設計、林業專題制圖、林業采伐設計、營造林規劃設計、森林資源管理網絡等，極大地豐富了遙感數據的分析處理方法。 同時全球定位系統 (Global Positioning System， GPS)能夠迅速準確地定位與導航，可以確定林業邊界、地塊、形狀、海拔高度等，對實現“數字林業”具有重要意義[17]。 因此，要加強遙感與GIS 和GPS 的結合，逐步形成以林業遙感為基礎，以GPS 為輔助手段，以GIS 為綜合處理方法的全方位林業服務體系，最終實現林業資源調查、規劃、經營管理的數字化。

2.3 重視林業遙感教育和培訓工作

任何一門學科的發展都離不開教育與培訓工作。林業遙感作為一門高新技術，其發展一日千里，教育工作尤顯重要。大學作為林業遙感教育和培訓的主力軍，不僅要開設全方位的林業遙感專業課程，而且要分層次，針對研究生、本科生和專科生開展不同的教學工作，為林業遙感培養大量的專業型人才和應用型人才。 此外，還要充分發揮林業研究機構的作用，將科研成果及時有效地用于實踐中。 并加大對林業行業機構工作者的培訓力度，全面提升我國林業工作者的專業技術水平。

3 結語

當前我國林業遙感的主要任務是以遙感技術為中心，提供信息獲取與信息服務的手段，為林業建設決策提供監測與效益評價信息。 林業行業應在國家林業資源與生態建設綜合監測體系建設的基礎上，大力推動林業遙感衛星、航空遙感平臺、林業遙感信息產品標定等支撐平臺的建設，不斷完善林業遙感應用綜合服務平臺。 同時應加快遙感與GIS、GPS 的結合、重視林業遙感教育和培訓工作，形成天、空、地一體化的綜合監測模式， 建立起林業遙感綜合監測評價的業務運行體系，促進我國森林資源、森林火災、森林病蟲災害和林業生態建設工程遙感監測與評價的業務化運行，為我國森林資源的管理和保護、林業生態建設的管理和決策等提供強有力的支撐。

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