衛星林業遙感系統及應用

文 | 岳春宇 鄭永超 龐勇 李世明

1.北京空間機電研究所 2.中國空間技術研究院空間激光信息感知技術核心專業實驗室 3.先進光學遙感技術北京市重點實驗室4.中國林業科學研究院資源信息研究所

一、引言

森林是陸地生態系統的主體，承擔著調節氣候和涵養水源等生態服務功能，對維護區域生態與環境及全球碳平衡、緩解全球氣候變化發揮著不可替代的作用，其本身及變化對陸地生物圈及其他地表過程有著重要影響。傳統的森林資源調查需要外業實地觀測，僅能獲得單個點位上的測量結果。雖然在地面收集的采樣地點森林調查數據精度較高，但是難以獲取大面積的調查數據，存在耗時久、費用高、效率低等問題，不能滿足森林資源調查和生態過程監測大范圍、高覆蓋、多時相、時空連續觀測等要求。

隨著遙感技術的發展，衛星遙感、航空遙感、無人機遙感和地面遙感等都在林業資源調查中得到了應用。衛星遙感觀測范圍大，可定期重復觀測，是目前大面積森林調查的重要手段，可以彌補傳統方式的不足，有效減少外業調查和計量的人力時間耗費，并且能在保證精度的同時保證數據的空間完整性與時間一致性。本文從衛星林業遙感系統的角度出發，綜述了主流的衛星林業遙感系統的發展現狀及衛星林業遙感應用方法。

二、衛星林業遙感系統

1.主動遙感系統

（1）衛星微波遙感

微波可以穿透云層，不受天氣的影響，進行全天時全天候觀測。微波雷達利用微波對森林葉子、枝條、樹干以及地面的散射信號，獲取樹高、樹冠和樹木三維結構信息。主要用于林業遙感的微波波段范圍有X波段（2.4～3.75cm）、C波段（3.75～7.5cm）、S波段（7.5～15cm）、L波段（15～30cm）和P波段（30～100cm）。微波遙感的空間分辨率涵蓋米級到百米級別。

（2）衛星激光遙感

星載激光雷達是一種新興的主動遙感技術，通過發射激光脈沖，并接收激光脈沖到達森林后返回的能量來獲取森林垂直結構信息。常用于林業遙感的激光工作波長是1064 nm的紅外光和532 nm可見綠光，一般使用全波形和光子兩種探測體制。美國冰云與陸地高程衛星（ICESat）上搭載的地球科學激光測高系統(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)是首個星載激光雷達系統，用于測量冰蓋收支平衡、云和氣溶膠高度、陸地地形和植被特征等。

2.被動遙感系統

（1）衛星可見光遙感

可見光林業遙感利用森林葉子、針葉、枝條等對光子的吸收和散射輻射，獲取森林面積、森林種類、生物化學特性等信息。可見光多光譜光學遙感傳感器可以實現亞米級高分辨率對地觀測，通過生產各種比例尺的地圖專題產品，數字高程模型產品（DEM）數據等，用于森林覆蓋信息提取、森林類型識別等。

（2）衛星高光譜遙感

高光譜遙感獲取電磁波譜中的可見光、近紅外、中近紅外、熱紅外等范圍內窄的、連續的光譜波段信息，可以提供更加豐富和細致的光譜信息，在目標識別和定量化應用等領域的優勢更加顯著。通過高光譜指數可以進行植被和農作物、土壤類型和礦物質及化學組成等的特征分析。

三、衛星林業遙感應用

從資源的角度看，遙感可以提供三個層次的森林資源信息。簡單說就是“是不是”、“是什么”、“是多少”三個層次。第一個層次為森林覆蓋的空間范圍信息，區分森林、非森林，可以用來評價森林覆蓋的空間動態變化，即“是不是”的問題。第二個層次主要是森林類型信息，了解不同森林類型的空間分布情況，即“是什么”的問題。第三個層次主要是森林的生物物理和生物化學特性（參數）信息，包括各種森林資源調查參數，如樹種組成、胸徑、樹高、株數密度、郁閉度、蓄積量/生物量、葉綠素含量等，即“是多少”的問題。

1.微波遙感

一般通過極化干涉測量技術（Polarimetric SAR Interferometry, PolInSAR）進行林業遙感參數反演。通過微波觀測數據與森林的散射體形狀、分布規律和垂直結構等特征，進行極化特征表達建模，可以反演林業信息。 Christian Thiel等使用日本ALOS衛星的L波段SAR數據，對西伯利亞森林進行了森林覆蓋調查研究。

調查的對象包括已砍伐森林、新砍伐森林、林火區域和森林區域。根據森林極化參數對調查對象進行統計建模分類。考慮到森林極化參數受季節影響，研究分為冬季和夏季。試驗證明，微波遙感可以實現較高的林業覆蓋調查精度（圖1）。

圖1 夏季和冬季的SAR森林圖像(RGB分別為HH/HV/VV極化層)

2.激光遙感

星載激光雷達是一種新興的主動遙感技術，通過發射激光脈沖，并接收激光脈沖到達森林后返回的能量來獲取森林垂直結構信息，主要分為線性全波形和光子兩種探測體制。

邱賽等在吉林汪清林區利用GLAS全波形數據提取波形長度、地形坡度，建立基于波形參數的森林高度估測模型，林業反演試驗區如圖2所示。

圖2 林業反演試驗區

3.光學遙感

可見光林業遙感通過森林的吸收譜段進行森林資源調查。李明澤等以可見光多光譜遙感數據對黑龍江大興安嶺地區建立了地位級指數全局估算模型。使用Lansat-7 TM多光譜遙感圖像反演出4種植被指數：歸一化植被指數（NDVI）、土壤修正植被指數（MSVI）、差值植被指數（DVI）和比值植被指數（RVI）。大興安嶺林業參數反演結果見圖4。

使用上述模型提取的森林樹高與環境一號A星（HJ-1A）高光譜成像儀（HSI）高光譜數據聯合，建立森林高度與高光譜中特定維度分量的映射關系，推廣到激光足印無法覆蓋的區域，得到測區森林冠層高度分布，反演結果見圖3。試驗證明，可以較高精度從GLAS波形數據提取森林冠層高度。

圖3 林業反演結果

圖4 大興安嶺林業參數反演結果

根據上述林業反演參數，對研究區域進行地位級指數估算（圖5）。

圖5 大興安嶺地位級指數反演結果

4.各種空間林業遙感手段的特征

不同層次的森林信息，林業遙感應用需要使用不同平臺、不同類型的傳感器或者不同傳感器之間的組合來獲取相關信息。基本上是光學的輻射信息為主，激光雷達或SAR的結構信息為輔，同時激光雷達與SAR測量數據互為補充。

光學遙感器獲取森林反射太陽光光譜，進而可以分辨是否為森林以及林分信息和各種森林生物物理特性（參數）的變化，可以完成林業三個層次信息的提取。

微波遙感也可以根據地物的微波反射信息進行對三個層次的林業信息獲取。相較于光學遙感器，SAR具有全天時的特點，但與光學遙感系統的數據分類方法不同，SAR獲取的主要是距離信息。在林分信息上，從SAR數據進行森林覆蓋類型的分類主要側重于不同樹種、年齡或密度的林分的宏觀結構上的差異。通過干涉相關性，可以用SAR來估測森林高度。但是，從應用效果和范圍來看，還是光學遙感更有應用價值。

激光雷達森林遙感主要基于面積以及森林冠層內植被三維分布描述的森林垂直結構信息進行三個層次的林業信息獲取。其中單木樹冠或單木探測（ITD）主要由地基和航空激光雷達實現。天基激光雷達通過回波垂直分布提取預測變量和地面調查因子之間的關系。其優點是可以直接獲取林下結構信息，缺點是只能進行宏觀的大范圍的遙感觀測。相對于光學的全面性，激光僅在三維分布參數獲取上具有一定優勢，這種獲取結構信息的優勢也優于SAR遙感器。但是綜合來看，天基激光雷達獲取的參數應用效果和范圍依然弱于光學遙感。

四、結語

目前，已發展的空間林業遙感手段主要包括：光學遙感器、微波遙感器和激光遙感器。光學手段主要包括多光譜和高光譜遙感器，利用森林葉子、針葉、枝條等對光子的吸收和散射輻射，獲取森林面積、森林種類、生物化學特性等信息，但是不能獲取森林的垂直結構信息。微波雷達包括X波段、C波段、S波段、L波段和P波段等SAR遙感器，利用微波對森林葉子、枝條、樹干以及地面的散射信號，獲取樹高、樹冠和樹木三維結構信息，但是不能獲取林業的類型和分布等信息；另外不能直接獲取森林的垂直結構信息，需要多譜段配合。激光雷達是新興的林業探測手段，與微波雷達類似，利用激光雷達穿透冠層的特點，根據測距信息，獲取森林木質生物量和森林結構信息，但是不能獲取林業的類型和分布等信息，垂直結構信息的獲取精度還有待提高。

因此，大范圍林業遙感應以天基遙感平臺數據為主，機載平臺和地基平臺作為驗證和修正數據。滿足林業遙感應用需求的配置應該是多光譜/高光譜+SAR/激光雷達的組合。多光譜及高光譜獲得森林的輻射信息用來完成林業調查中是否是森林、林分信息以及各項生物物理和生物化學特性（參數）信息。SAR或激光雷達主要獲取森林的垂直結構信息，從三維角度提升觀測獲取各項生物物理和生物化學特性（參數）的精度。