高分辨率遙感的林業應用

張磊

森林資源的管理對踐行生態文明建設具有重大意義，高分辨率遙感的應用，極大提升管理的效率

在林業領域中，高分辨率影像的運用主要集中在森林動態監測、森林樹種識別、森林植被物理參數反演、森林災害監測以及森林質量評估。

森林動態監測

森林動態監測就是利用遙感數據范圍大、多尺度的特點，運用一定的數學方法、變換分析來檢測遙感影像是否發生變化以及變化的程度大小。動態監測的結果可以用來揭示森林群落的演替機制與規律，預測森林資源的變化，培育森林資源，對實現森林資源的可持續利用具有重大作用。而且，高分辨率遙感在數據的精度上已經達到了亞米級，在森林資源動態監測中，能夠更好地捕捉到森林資源的細微變化，對智慧林業的精細化管理具有重大意義。

森林樹種識別

森林樹種識別是指利用不同地物種具有不同光譜信息的特點，對森林內的不同樹種進行光譜識別，為林業資源的調查和管理提供可靠的依據。由于森林樹種之間存在著一定的相似性，往往會出現“同物異譜，異物同譜”的現象，因此在實際的應用中，利用高分辨率遙感影像具有的豐富紋理特征，將光譜信息、紋理信息、地形特征以及環境等結合在起來，極大提升了樹種識別的準確度。

森林物理參數反演

森林植被的物理參數主要有植被的樹高、胸徑、冠幅、郁閉度、葉面積指數等，這些是森林資源調查的基礎。

樹高是林層劃分的重要依據之一，不僅反映著森林的生產力，還可用于確定立木材積和材積生長率。國內外運用高分辨率遙感技術對樹高的反演主要是通過激光雷達數據的判別和提取、植被指數等波段比值或單波段反射率統計模型、立體像對及數字表面模型（DSM）與數字高程模型（DEM）的空間相差模型以及點云和波形特征值的統計模型。

胸徑是直接反映材積的重要指標。傳統的胸徑的測量主要是通過輪尺、直徑卷尺和檢徑尺直接進行測量，效益低下。使用高分辨率遙感影像不僅可以快速獲取大范圍的樹木胸徑，極大地提升了工作效率，還可以保證提取的精度。提取的主要手段是通過激光雷達掃描獲取三維點云來估算。

樹冠是樹木光合作用最主要的場所，對冠幅進行準確的判斷和研究，可以更好地用來監測樹木的長勢，預測樹木的生物量和蓄積量。冠幅的提取主要通過高分辨率影像的多尺度冠幅分割與面向對象信息提取。

郁閉度是反映林分光能的利用程度，確定撫育間伐、主伐更新和控制采伐強度的重要參考，也是判定森林狀況和進行森林碳儲量、蓄積量和生物量估測的重要指標。過去人們基于遙感技術來獲取森林郁閉度的研究，主要通過影像灰度值的變化以及灰度比值來進行估測，但是灰度值的變化極易受到緯度和太陽高度角的影響。高空間分辨率遙感技術的引入，產生了運用圖像紋理特征信息對森林郁閉度進行提取的方法，解決了原有的缺陷問題。

葉面積指數是估計植物冠層功能的重要參數，也是陸地生態、水文模型中不可或缺的植被參數。葉面積指數的遙感反演的算法主要分為經驗模型、物理模型和機器學習三種方法。高分辨的遙感可以在機器學習算法中提供更多精確的樣本，對反演精度的提升，具有重要的作用。

森林災害監測

通過遙感手段監測的主要有火災與病蟲害監測。

森林火災是影響森林生態系統最為嚴重的災害類型之一，不僅造成巨大經濟損失，還會改變整個生態系統的碳循環過程和碳分布格局，破壞全球生態系統平衡。當前應用于森林火災監測的高空間分辨率光學衛星，主要有中國環境減災衛星、高分系列衛星、美國Landsat系列、歐洲Spot系列衛星等。2018年6月2日，大興安嶺汗馬國家級自然保護區和內蒙古阿巴河林場相繼發生森林火災。火災發生后，及時啟動衛星遙感數據獲取機制，利用氣象衛星、高分四號衛星及多個極軌光學、SAR衛星數據，充分發揮各類衛星遙感數據優勢，開展森林火災火點實施監測及火燒跡地監測，為火災應急撲救提供數據支撐。

森林病蟲害是森林健康的大敵，影響著森林的可持續發展，每年直接或間接地造成經濟損失，被稱為“無煙火的森林火災”。傳統的病蟲害的監測只能通過觀察來判斷，不僅浪費人力、財力、物力，有時還出現誤判，導致錯過了最優的防治和治療時期。通過高分辨遙感技術可以快速、大范圍地監測，極大地提升了監測的效率，同時能夠及時準確地反饋病蟲害信息。我國早在1978年就利用航天遙感技術對云南騰沖地區的松葉蜂災害開始了監測，并測定了健康木與蟲害木的光譜特征。

森林質量評估

森林質量的評估主要分為森林蓄積量和森林生物量兩個方面。

森林蓄積量是反映森林資源的豐富程度、衡量森林生態環境優劣的重要依據，也是一個國家或地區森林資源總規模和水平的基本指標之一。森林蓄積量的估算主要基于森林調查實測胸高斷面、樹高、樹種等信息得到實測蓄積量值，利用光學高分辨率遙感與微波遙感或多源數據相結合，依據光譜信息、紋理信息和環境地形因子，建立描述非線性關系的模型算法與人工神經網絡等機器學習模型。

森林生物量是衡量生態系統生產力的重要指標，也是研究森林生態系統碳循環的重要基礎。森林生物量估測大多基于實測胸徑、胸高等調查數據，根據不同樹種的異速生長方程計算得到。

存在的不足

雖然高分辨率遙感數據相比于低分辨率的遙感數據而言，具有豐富的空間信息，但是也存在一定的不足之處。第一，高分辨率影像由于數據量大，對處理高分辨率影像數據的機器性能要求高得多。第二，高分辨率影像價格昂貴。第三，分辨率提升的同時，光譜波段有所減小。當然，上述問題將會隨著遙感技術的進步而逐步解決，高分辨率遙感技術在各林業的應用將會繼續深入。

（作者單位：山東省青島市森林病蟲害防治工作站）