我國林業遙感技術的發展及應用

唐盛哲 潘海云 廖興文 楊開鴻 吳少晶

摘 要：林業資源是人類重要的生物資源，涉及林業資源的調查和監測工作專業性強，工作量大。遙感技術作為一種空間探測技術，在林業資源調查和監測方面發揮了積極作用。本文從我國林業遙感技術的起步開始，介紹了我國林業遙感技術的發展歷程，并從森林資源調查、森林信息提取、森林動態監測和林業執法監察方面總結和分析了林業遙感技術在我國林業中的具體應用，為林業遙感技術的進一步研究和應用提供參考。

關鍵詞：遙感技術;林業;發展;應用

中圖分類號：S127? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Development and Application of Remote Sensing?Technology in China’s Forestry

TANG Shengzhe1，PAN Haiyun2，LIAO Xingwen3，YANG Kaihong4，WU Shaojing5

（1Guangxi Shengqi Technology Co. Ltd.，Nanning，Guangxi 530028，China;2Nanning Senmian Technology Development Co. Ltd.，Nanning，Guangxi 530219，China;3Baise Forestry Industry Supervision Station，Baise，Guangxi 533000，China;4Quanzhou Shengfeng Agricultural Technology Development Co.，Ltd.，Quanzhou，Guangxi 541500，China;5Guangxi Forest Survey and Design Institute，Nanning，Guangxi 530001，China）

Abstract： Forestry resources are important biological resources for human being. The investigation and monitoring work on forestry resources is highly professional and with heavy workload. Remote sensing technology，as a space exploration technology，has played an active role in the investigation and monitoring of forestry resources. This paper introduces the beginning and development course of forestry remote sensing technology in China，and summarizes and analyzes its specific application in forest resources survey，forest information extraction，forest dynamic monitoring and forestry law enforcement supervision，providing reference for further research and application of forestry remote sensing technology.

Key words： Remote sensing technology;forestry;development;applications

遙感技術是一種從遠離地面的不同工作平臺上，通過傳感器對地球表面的電磁波輻射信息進行探測，然后經信息的傳輸、處理和判讀分析，獲取地表物體幾何和物理性質的綜合性技術[1]。遙感作為一種空間探測技術，是在航空攝影和判讀的基礎上隨航天技術和電子計算機技術的發展而逐漸形成的綜合性感測技術，至今已經歷地面遙感、航空遙感和航天遙感三個階段[2-3]。林業遙感技術是指能夠應用于林業的遙感技術，其通過非接觸和非實地性的觀測技術進行林業生物、地理、生態以及其他相關信息的調查和記錄。我國林業遙感技術研究走過了從局部應用研究，到基礎高新技術研究，再到大范圍應用3個重要階段[1]。目前，林業遙感技術已廣泛應用于森林資源調查[4]、森林資源監測[5] 、森林病蟲害防治監測[6]、森林信息提取[7]、森林火災監測[8]、野生動物監測[9]和林業執法[10]等。本文在查閱我國林業遙感技術研究與應用方面頗具代表性的文獻及資料的基礎上，梳理和總結了我國林業遙感技術的發展歷程及應用現狀。

1 林業遙感技術的發展歷程

我國林業遙感的起始時間可追溯到20世紀50年代，至今為止已經有近70 年的發展歷程[1]。1951年至1980年，我國林業遙感技術處于以航空象片為主的目視解譯應用階段，在這30年間，林業遙感技術的應用局限于森林資源調查，以及部分森林火災和病蟲害防控應用[11]。1953年，我國林業部組建的空中視察隊使用1/25萬小比例尺舊地形圖和中型飛機，以流域為單位進行了航空調查;1954年，我國引進了蘇聯的森林調查技術，創建了森林航空測量調查大隊，以航空象片編制象片鑲嵌略圖和略圖復照圖，用航空象片進行立體判讀，區劃不同土地利用類型和森林類型的小班，并用小型低速飛機在空中對判讀區劃的小班逐個進行目測調查[12];1977年，利用美國陸地衛星MMS圖像與航空象片和地面抽樣實測相結合的雙重抽樣方法及衛星圖像制圖技術，在西藏全區開展森林資源清查，至此，我國首次利用衛星遙感手段完成森林資源清查工作[12-13]。80年代初，我國建立遙感試驗場，進口了遙感數據處理軟硬件設備，開始了基于計算機的遙感數據數字化處理和分析系統的研發，開展了森林波譜[12]、MMS數據的圖像處理[12]、樹種光譜測定[14]、地類分類及信息提取[15]、蓄積量估計[16]、城市綠地分布及對環境的影響[17]、林火監測[18]等一系列應用性試驗研究，林業遙感技術的研究和應用也由單一的森林資源調查逐步走向多元化。隨著1998年“數字地球”概念的提出和1999年第一顆高空間分辨率衛星IKONOS的發射[19]，中國林業遙感技術的發展也進入了快車道，而1981年至2000年這一期間也被稱之為衛星遙感的開拓創新階段[12]。在此期間，在我國140余名科技人員共同努力下，首次制定了再生資源遙感綜合調查技術規范，在信息源評價、專業遙感調查、遙感系列制圖、遙感圖像處理、生態效益評價等關鍵技術領域取得重大突破，實現多種資源數據分析、管理和預測[20]。2000年后，我國開展了大量林業遙感技術研究工作，包括樹冠信息提取[21]，星載高光譜遙感數據預處理[22]，森林類型遙感識別方法[23]，基于SPOT5 影像的小班區劃方法[24]，森林葉面積指數和郁閉度估測[25-26]，機載高光譜數據優勢樹種識別技術[27]，森林葉綠素含量反演[28]，作物種類識別及長勢檢測[29] ，林業有害生物防治[30]等方面的研究，并取得豐碩成果，形成了林業綜合監測技術體系，建立了森林資源綜合監測集成平臺，林業遙感綜合應用服務平臺，林業遙感技術得到了深度及廣泛的應用[22]。

2 林業遙感技術的應用

2.1 森林資源調查

我國森林資源調查分為國家森林資源連續清查、縣級單位森林資源調查和以森林經營作業設計為基礎的作業調查。以上三種不同類型的森林資源調查中，只有以森林經營作業設計為基礎的作業調查不需使用遙感技術即可完成。在森林資源調查過程中，遙感（RS）技術普遍與地理信息系統（GIS）和全球定位系統（GPS）融合使用，RS具備實時、快速、動態獲取空間數據的能力，為GIS 提供及時、準確、大范圍的森林資源數據;GIS 則收集、存儲、處理和分析數據，并結合 GPS 為遙感信息的提取分析與應用提供重要手段和輔助數據資料，提高遙感數據的分類精度、存儲能力和數據處理效率;GPS實時、連續確定地球表面任意地點的經緯度與高程，為 GIS 提供精準的地理位置數據，結合數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和 GIS，經過坐標轉換、影像糾正，能夠將地面與衛星或無人機遙感影像進行較高精度配準，形成數據模型[31]。目前，一般采用 TM 衛星影像開展國家性、大面積的森林資源調查，采用 SPOT 或Quickbird 影像開展地區性的森林資源調查。基于衛星影像的遙感技術，由于一些測量指標對分辨率要求較高，衛星影像分辨率難以達到要求。近年來，低空無人機遙感技術迅速發展，無人機林業遙感技術成為新時期的一種全新應用技術手段[32]。在森林資源調查過程中，無人機遙感處理系統反應速度極快，可在短短幾分鐘內，對采集的數字高程模型（DEM）及馬賽克數據進行有效處理，同時獲得的遙感影像空間分辨率比傳統衛星遙感影像更高，在生態數據獲取、植被制圖、生物多樣性調查和精準林業等方面得到廣泛應用[33]。在干旱區域生態系統中，植物生長稀疏，個體矮小，即使高分辨率衛星遙感數據也難以完全滿足準確提取植物分布的調查需求，而無人機遙感技術能較好地解決分辨率限制問題。邱燕寧等以寧夏中衛沙坡頭草方格生態恢復工程區為對象，使用大疆Mavic pro 四旋翼無人機隊在30 m 的相對高度進行正射影像拍攝（可見光波段為400～700 nm），獲得了研究區域2 cm 空間分辨率的正射影像。所獲取的高分辨率影像中，植物活體、干枯的麥草以及沙地在可見光波段具有明顯差別，每個樣方的植被分類精度均達到95%以上[34]。張和鈺等[35]通過無人機平臺和運動結構建模技術，獲取1.5 cm高分辨率數字正射影像及數字高程模型（DEM），并利用決策樹算法基于正射影像自動估算植被覆蓋度，并與DEM數據進行疊加，分析戈壁區植被空間分布特征及其與地形的關系。在信息時代背景下，采用無人機林業遙感先進技術可實現小區域精準的資源調查，隨著科技的進一步發展，無人機林業遙感技術將越來越先進和成熟，對未來林業發展具有重要意義。

2.2 森林信息提取

森林參數是反映森林質量和經營管理狀況的重要指標。過去森林信息的獲取主要通過樣地調查的方式進行，其效率低、難度大、精度差，且不利于大區域調查研究。林業遙感技術作為一種新型的數據獲取手段，能夠精準有效地提取多類森林信息，包括森林樹種識別[36]、森林蓄積量估算[37]、森林郁閉度估測[38]、葉面指數[39]、樹高和冠幅[40]和森林林分株數[41]等信息的獲取。近年來，林業遙感技術在森林樹種識別中發揮重要作用，特別是在高精度下對復雜地形下的樹種進行分類。隨著科技的發展和數據的增多，林業遙感技術對樹種識別及分類的精度也越來越高。其中，栗旭升等[36]對亞熱帶的天然次生林進行樹種識別，其總體識別精度達87.51%;趙霖等[42]對亞熱帶的森林樹種進行分類識別，總體精度達95.89%;劉麗娟等[43]對自然保護區內的樹種識別總體精度達83.88%;張倉皓等[44]對毛竹立竹度的識別最高精度達91.12%。雖然遙感技術在森林樹種識別及分類中得到了有效應用，但對樹種豐富、遮蓋度高以及地形復雜的森林生態系統的研究仍較少。為此，研究者們采用數據多源組合及優化計算方法的途徑，解決單一數據獲取困難，信息難以提取等難點。目前，林業遙感技術在森林葉面積指數反演方面的應用已比較成熟，主要采用經驗模型方法和物理模型方法進行 LAI 的遙感估算。有學者利用高光譜數據在高模型精度（R2=0.77）條件下，順利完成了植被葉面積指數的估算[39];部分學者還通過引入機器學習模型實施 LAI 監測，進而提高 LAI 估算精度。比如有學者將BRDF 校正影像應用于葉面積指數的建模反演，總體精度可達93.00%[45]。遙感技術在林木冠幅信息提取和林分蓄積量推算方面也得到有效應用，通過冠幅-胸徑相關模型獲得林木胸徑，進而推算出林分蓄積量的方法可有效滿足森林資源調查的精度需求。

2.3 森林動態監測

森林是一個龐大而又復雜的生態系統，會隨著時間的變化而不斷生長和繁衍。及時獲取森林動態信息，有利于森林資源的有效管理、保護和利用，有利于及時處理森林中發生的應急性問題。林業遙感技術實現了對森林動態的全天候實時監測，在森林火災防治、森林病蟲害監測、森林沙漠化監測、森林濕地監測、森林珍稀野生動物資源監測以及林木營養元素監測等多個方面得到有效應用。在森林火災防治方面，通過遙感技術可及時準確的發現火情、獲得火點位置信息，對火情動態進行偵察，計算過火面積，找出距火點最近水源、道路等，為消防官兵撲救戰術制定提供數據支撐。以冕寧“4·20”森林火災為例，遙感技術在該次火災撲救中發揮了重要作用，各部門通過高分遙感紋理特征快速提取林火要素，獲得了火場附近的水源位置、救援力量及撲救路線等重要信息，有效地幫助了該次火災的應急撲救及隱患的預判[46]。在森林病蟲害防治方面，武紅敢等[47]利用光學航天遙感技術對廣西6.7萬 hm2的馬尾松林分的松毛蟲災害情況進行監測，在800 m的飛行高度獲取林區數據，并經GIS與GPS數據處理平臺的轉換，采用GPS導航，到達災害區現場調查后，確認馬尾松林分質量的變化 91.4%是由于松毛蟲危害引起，誤判率僅有 1.9%。在其他森林動態監測方面，金點點等[48]以江西贛州南方丘陵山地的18個縣為研究范圍，利用林業遙感技術建立了不同類型生態修復行為的監測評估體系。秦張丹等[49]以最新時相的 Landsat8 衛星影像為數據源，以“室內與實地相結合、人機交互解譯與計算機自動提取雙結合”手段，對喀斯特地區進行了石漠化調查研究。

2.4 林業執法監察

森林資源管理中，經常會出現毀林開荒、亂砍濫伐、違法占用林地等現象，而人工巡查不僅工作量大，而且準確度低、實效性差。林業遙感技術可以對破壞林地的行為做到實時監控、及時自動報警并有效取證，通過影像直接定位事發具體位置，準確計算出遭受破壞的林地面積及株樹等信息，及時采取執法行動和補救措施[50]。林業遙感技術在自然資源監察工作中也發揮了重要作用，2020年，湖南省自然資源廳為提升執法監察工作效率，優化自然資源監察技術模式，采用遙感技術，通過年內不同分辨率和不同時相的遙感影像數據，做到早發現、早預警、早處置的自然資源執法監察要求[51]。

3 結語

遙感技術作為一種空間探測技術，在森林資源調查、森林信息提取、森林動態監測和林業執法監察中發揮著積極作用。隨著科學技術的進步，光譜信息成像化，光學探測多向化，雷達成像多極化，地學分析智能化，環境研究動態化以及資源研究定量化，大大提高了林業遙感技術的實時性、實效性和運行性，使其向立體化、多層次、多尺度、多頻率、全天候、高精度和高效快速的目標發展。隨著無人機技術的快速發展， 無人機遙感技術給林業工作帶來新的方法和思路，極大地提高了林業工作的效率和質量。今后，在無人機遙感技術研究方面，可進一步拓展無人機在林業上應用的廣度和深度，為我國現代林業提供更有力的技術支撐，使之更好、更精準地服務于林業生產管理工作。

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作者簡介：唐盛哲（1985-），男，工程師，主要從事3S技術在林業信息系統設計中的運用及研究。

*通信作者：潘海云（1986-），女，工程師，主要從事林業資源調查與規劃設計。

收稿日期：2022-01-05