高分遙感林業應用研究

●

一、引言

林業承擔著森林和濕地生態保護、荒漠化治理、生物多樣性保護等國家重大任務，肩負著保護資源環境和維護生態安全的責任。林業在維護生態平衡中起著決定性作用，特別是森林具有巨大的固碳功能，在應對氣候變化、維護生態安全中發揮著特殊作用[1]。為了科學評價林業生態建設和生態修復等工程效益，急需科學、翔實和連續的監測和評價數據支持。遙感技術和遙感應用技術經過四十多年的發展，已成為支撐林業資源和生態環境監測評價的主要技術手段。隨著林業監測業務的發展，林業對高空間、高光譜和高時間分辨率遙感數據和處理技術的需求與日劇增，如森林資源規劃設計調查、生態工程造林成效等監測都需要米級分辨率的遙感數據支持；過去由于缺少自主的高分數據，主要依賴國外數據源，這些數據價格昂貴，衛星的數據獲取能力也十分有限，很難滿足林業監測業務的需求。制約遙感數據林業業務化應用的另一個技術瓶頸是海量遙感數據處理技術和計算瓶頸，系統自身的集成化程度低，應用性能差，嚴重影響了系統的規范化運行能力發揮[2]。

“高分辨率對地觀測系統重大專項”（簡稱高分專項）于2010年5月經國務院常務會審議批準啟動實施，是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》中部署的16個國家重大科技專項之一，主要使命是加快我國空間信息與應用技術發展，提升自主創新能力，建設高分辨率先進對地觀測系統，滿足國民經濟建設、社會發展和國家安全的需要[3]。高分林業遙感應用示范系統是為支撐“高分辨率對地觀測系統”重大專項（簡稱高分專項）應用系統建設而立項實施的行業應用示范項目，以服務于森林資源調查、濕地監測、荒漠化監測、林業生態工程監測和森林災害監測等調查和監測業務為目標，重點圍繞高分專項計劃發射的7 顆民用高分衛星數據在林業調查和監測業務中的應用，研究解決自主高分衛星數據林業應用關鍵技術和應用示范系統建設，形成滿足我國林業調查和監測業務需求的高分遙感林業應用技術體系；建設高分林業遙感應用服務平臺，實現高分林業應用專題產品生產和服務，并開展高分林業遙感應用示范。高分林業遙感應用技術體系和應用系統的建立，不但可滿足林業調查和監測業務對高分遙感數據和產品的需求，而且對優化林業調查和監測技術流程、提高生態監測效率、服務于國家林業發展和生態環境建設、以及提升林業調查和監測的智能化和自動化水平均具有重要的現實意義[4-5]。

二、攻克的高分遙感林業應用關鍵技術

高分林業遙感應用示范系統項目針對我國高分專項計劃發射的7顆民用高分衛星數據特點，圍繞森林資源調查、濕地監測、荒漠化監測、林業生態工程監測和森林災害監測等主要林業調查和監測業務，開展了高分遙感林業應用技術研究，突破了8項高分遙感林業應用關鍵技術，主要體現在以下三個方面：

1.突破高分遙感林業資源類型高精度分類技術

充分發揮多源高分數據協同觀測優勢，突破了最佳分析單元的生成、最優分類特征自動化選擇及高效穩健機器學習分類模型構建等技術，有效提高了林業資源類型分類的精度、效率和自動化程度。

（1）多源高分遙感森林類型自動化分類技術

綜合利用高分一號、高分二號和高分四號等衛星的高空間與高時間分辨率優勢，發展了以一類清查固定樣地數據為訓練和精度檢驗樣本構建CART決策樹分類器的森林類型自動化分類方法；在黑龍江省森林類型分類中，該方法分類精度達到88%。

（2）高分濕地類型精細分類技術

利用高光譜與高分辨率多光譜數據，提出了基于改進型克隆選擇算法的濕地類型遙感精細分類方法，實現了濕地和濕地植被群落細分，分類精度達89.09%。

（3）沙化土地類型高分遙感自動分類技術

利用高分辨率多光譜遙感數據和實測土壤高光譜數據，發展了一種基于分形網絡進化分割算法與支持向量機相結合的沙化土地高分遙感自動分類方法，精度達到85.61%。

2. 突破林業監測專題要素高分遙感定量估測技術

針對森林蓄積量、沙地植被覆蓋度、林火燃燒強度等專題要素高分遙感定量估測，解決了模型構建及其參數優化的技術瓶頸，提高了模型的穩健性，實現了專題要素的自動化遙感精準估測。其中包括：

（1）高分遙感森林蓄積量定量估測技術

基于高分影像光譜反射率、紋理、植被指數等特征，提出了一種按森林類型分層估測森林蓄積量的定量方法，估測精度達到75.8%。

（2）沙化土地稀疏植被覆蓋度遙感估測技術

基于高光譜和多光譜NDVICAI/DFI特征空間分解光譜混合模型，實現了光合和非光合植被覆蓋度的定量精確估測，精度達到86%。

（3）林火燃燒強度遙感定量反演技術

基于Stenfan-Boltzman定律和高分四號衛星數據特性，研發了一種利用高分四號中波紅外數據估算森林植被燃燒火勢強度的方法，實現了對林火燃燒強度的遙感定量反演。

3. 云構架下高分林業遙感應用服務平臺構建與按需服務技術

突破了云構架下高分林業遙感應用服務平臺資源協同管理、產品流程定制和分發服務的關鍵技術，實現了平臺高效穩定運行和服務。

（1）高分林業遙感應用服務平臺構建與協同管理技術

創新性地提出并實現了以域為單元的平臺資源管理模式，改進了高性能、高可靠、高可用的NAS統一存儲平臺，滿足了海量高分遙感數據管理和服務對大容量、高I/O帶寬和系統擴展性的要求。

（2）高分林業遙感專題產品流程定制與按需服務技術

突破多語言自動服務封裝、可視化服務編排和算法服務資源組合，特定流程的并行化和虛擬化應用與平臺交互等技術，實現海量高分林業專題遙感產品的流程化定制生產和按需服務。

三、高分遙感林業應用示范系統建設

1. 高分林業遙感應用示范系統概述

基于高性能計算環境和云架構，建立了高分遙感林業應用示范系統，該系統包括應用服務平臺、高分數據林業預處理和加工子系統以及高分森林資源調查、高分濕地資源監測、高分荒漠化監測評價、高分林業生態工程監測、高分森林災害監測等5個專題應用子系統。系統組成如圖1所示。

系統實現了海量高分遙感數據并行處理和產品生產以及遠程多客戶端同步操作運行，并在互聯網上實現了高分遙感專題產品信息的發布與共享。通過單點登錄、用戶權限管理實現面向不同用戶的產品生產、分發模式。

2. 構建了基于高性能計算環境和云架構的高分林業應用服務平臺

應用服務平臺由基礎支撐服務、網格計算資源管理、數據資源管理、應用系統管理和接口與界面管理等5個功能模塊構成。具有PB級存儲能力，管理和計算節點數達到48個，計算速度優于5 Tflops，可支持100個并發用戶使用。

3. 研制了21種專題產品生產線，實現了專題產品的流程化生產

為滿足高分林業專題產品的生產需求，建成了森林資源調查、濕地資源監測、荒漠化監測、林業生態工程監測和森林災害監測等5大類高分林業遙感應用示范專題數據庫。

基于高性能計算環境和云架構的高分林業應用服務平臺，在實現高分一號、高分二號、高分三號和高分四號等衛星數據自動生成輻射校正、幾何精校正、正射校正和影像融合等4類共性產品的基礎上，研制了21種林業專題產品生產線，實現了專題產品的流程化生產。其中：省級專題產品生產線包括森林類型分布圖和森林資源年度監測報告等2種；區域級專題產品生產線包括荒漠化程度現狀圖、濕地類型分布圖、濕地植被類型分布圖、濕地動態變化圖、濕地區域洪泛受災區結果圖、火情分布圖和區域災害分布圖等7種；縣級專題產品生產線包括縣級森林蓄積量分布圖、縣級森林類型制圖、小班地類信息變化更新圖、沙化土地類型分布圖、稀疏植被覆蓋度分布圖、荒漠化程度現狀圖、退耕還林工程造林地塊分布圖、退耕還林工程造林成林分布圖、天然林保護工程森林分布圖和工程區森林變化分布圖、退耕還林工程區森林分布圖、退耕還林工程區森林變化分布圖、變色立木分布圖等12種。

林業專題產品加工處理流程如圖2所示。

圖2 專題產品加工處理流程示意圖（以荒漠化程度現狀圖生產流程為例）

四、應用情況

本研究形成的高分數據及產品、關鍵技術以及高分林業服務平臺已經在全國森林資源清查、全國林地年度變更調查、全國森林資源宏觀監測、全國濕地資源調查、全國荒漠化監測、土地利用變化與林業碳匯計量監測、全國石漠化監測、森林火災監測等13項全國性調查和監測業務，以及三峽庫區森林資源年度監測、云南森林資源二類調查、湖南洞庭湖和江蘇太湖濕地調查、甘肅民勤生態工程監測等7項地方性林業調查與監測業務中廣泛應用。不但滿足了林業調查和監測業務對高分遙感數據和產品的需求，而且對提升林業調查和監測的智能化和自動化水平均具有重要的現實意義。截至2018年8月，已向50多個林業單位分發高分數據和專題產品9萬多景；將森林資源監測頻率由3～5年1次提高到1年1次，監測精度普遍提高5%～10%；在森林資源調查中高分數據替代國外數據率69%，在林業生態工程、石漠化監測中近100%。

五、結語

高分遙感林業應用研究，目前已攻克了高分一號到高分五號5顆高分衛星數據在我國森林資源調查、濕地資源監測、荒漠化監測、林業生態工程監測和森林災害監測等主要調查和監測業務中的應用技術，建立了具有高性能計算環境和云架構的高分林業遙感應用示范系統，實現了自主高分數據的自動處理和共性產品的自動生產以及21種林業專題產品的生產，從而降低了高分遙感在我國林業調查和監測業務中的應用技術門檻和軟硬件資源配置需求，極大地滿足了我國林業調查和監測業務對高分遙感數據產品和應用技術的需求。

未來將針對高分六號、高分七號等國產高分衛星和林業碳衛星等遙感數據特點，以及新時期林業和草原調查和監測業務的需求，編制以生態保護和植被修復為主要目的的遙感調查或監測技術規程，研發高分林業和草原監測專題產品生產線，優化和擴充高分林業遙感應用系統的功能，提升系統處理高分數據和生產共性產品的能力，更好地為各級林業和草原主管部門的經營管理、規劃決策等業務提供技術服務。隨著新的國產高分數據在林業和草原調查和監測中的應用，將為生態環境保護和建設、林業資源利用、防災減災、應對全球變化等方面的宏觀決策和科學管理提供新的技術手段，并為“一帶一路”倡議、京津冀協同發展、長江經濟帶建設等國家戰略的實施提供重要的科技信息保障。