衛星遙感技術在森林資源及生態環境變化監測中的應用

摘 要：保護森林資源、維護生態系統平衡，成為當前我國生態文明建設的重要任務之一。在這一過程中，需要積極引進和應用衛星遙感等先進技術。從森林覆蓋變化、森林結構參數估算、林木信息獲取3方面總結衛星遙感技術在森林資源監測中的應用，從水域監測、土壤質量分析、土地利用變化監測、自然災害監測和評估4方面總結衛星遙感技術在生態環境變化監測中的應用，以期為森林資源保護、生態環境保護和可持續發展提供科學依據。

關鍵詞：衛星遙感技術；森林資源；生態環境；監測

中圖分類號：X87；X835 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2023）10-151-4

0 引言

森林資源在調節區域小氣候、保護水土、維持生態系統平衡等方面具有至關重要的作用。然而，部分地區為加快經濟發展，亂砍濫伐等情況屢禁不止，土地荒漠化、鹽堿化等問題愈發嚴重，嚴重威脅我國生態環境安全。衛星遙感技術是一種利用衛星對地球表面物體進行遙感探測的技術，其具有高時空分辨率、多光譜、高精度等特點，可以提供大量的有效數據。目前，衛星遙感技術已被廣泛應用于森林資源監測、生態環境變化監測等領域，成為目前我國最有效的環境監測手段之一。

1 衛星遙感技術在森林資源監測中的應用

森林資源是林地及其所生長的森林有機體的總稱，以林木資源為主。因此，該研究重點分析衛星遙感技術在林木資源監測中的應用。

1.1 森林覆蓋變化監測

受全球氣候變化和城鎮化進程加速影響，我國原有森林面積不斷減少。技術人員可通過衛星遙感技術獲取不同時間段、不同空間分辨率下的遙感圖像，并對其進行比對和分析，從而得到森林覆蓋變化的相關信息，以便于更有效地對森林資源進行管理和保護。

應用衛星遙感技術獲取森林覆蓋變化信息，主要包括如下幾個步驟：一是根據監測環境選擇合適的遙感圖像數據，二是對圖像數據信息進行預處理（如對獲取的遙感圖像數據進行無云、影像光譜校正、影像濾波等預處理），三是對得到的影像數據進行分類處理，四是通過外部數據驗證、比對，確認數據的準確性［1］。

1.2 森林結構參數估算

森林結構參數估算是衛星遙感技術在森林資源監測中的另一個重要應用方向。森林結構參數包括森林中各種植物的數量、年齡、高度、胸徑、組成、空間分布、植被蓋度等特征參數。這些參數揭示了森林的空間結構、物種組成、密度等信息，對于森林生態環境的評估、資源調查、管理和保護都有很重要的意義。技術人員根據森林結構參數，可以分析森林的演替、生物量、生產力、生態系統功能等，還可用以開展森林火險預測、碳匯估算、物種多樣性保護等。

對于不同的森林類型和遙感數據集，技術人員需要采用不同的數據融合方法進行分析，從而提高估算森林結構參數的準確度。例如，在估算針葉林樹木高度時，可以使用光學遙感圖像和激光雷達數據集結合像元級數據融合方法，以獲得更準確、更精細的植被信息；在估算闊葉林樹冠密度時，可以使用合成孔徑雷達圖像和光學遙感圖像結合特征級數據融合方法，綜合利用雙波段反射率特征和林冠高度信息，從而實現對林木冠層空間結構的全面獲取。

以山西省一處森林為例，說明如何利用不同遙感數據集與數據融合方法實現精準估算森林結構參數［2］。利用Landsat 8 OLI影像，通過植被指數和影像分類方法，提取出森林區域的植被覆蓋度、樹種等參數，反演植被高度等指標。其中，歸一化差異植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可作為確定植被覆蓋度的指標，其計算公式為（NIR-Red）/（NIR+Red）。NIR為近紅外波段反射率，Red為紅光波段反射率，NDVI與植被高度有較強的相關性。因此，通過NDVI與植被高度的線性回歸模型，可以估算出森林區域的樹高。

利用Sentinel-1 SAR數據，通過反射率、散射系數等參數，得到森林區域的植被生物量等參數。以岡薩雷茲散射模型為例，該模型展現了散射信號與植被生物量之間的關系，通過反演該模型參數，可以估算出森林區域的生物量。

利用數據融合方法，將Landsat 8 OLI和Sentinel-1 SAR數據集合，通過數據融合提高估算結果的精度。例如，利用加權平均法，可以將Landsat 8 OLI和Sentinel-1 SAR數據按照一定的權重加權平均，得到綜合的估算結果。

通過上述方法，可以利用不同遙感數據集結合數據融合方法實現森林結構參數的精準估算。在實際應用中，技術人員還可以結合地面調查數據進行模型驗證和修正，提高估算結果的可靠性。

1.3 林木信息獲取

合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術屬于一種高分辨率二維成像的主動微波遙感技術，是衛星遙感技術中的一種。其通過搭載在平臺上的雷達設備發射信號，再通過接收地面反射回來的信號來確定地面目標的相關信息。在森林覆蓋區域，SAR發射信號能夠穿透植被表層，獲取高精度的地面反射回波數據［3］。SAR反射信號中的相位和振幅信息可用于獲取林木參數，如樹木高度、胸徑等信息。這些數據最終被處理成高分辨率的圖像，反映出監測區域林木高度、植被結構特征等。

以我國松嫩平原上的黑土草原為例，說明利用SAR技術可以監測黑土草原林冠高度信息［4］。黑土草原面積廣闊，是我國重要的牧區。探究該地區的林木信息情況對解決草原退化和沙漠化問題都具有重要意義。

2018年，研究人員通過Sentinel-1A/b衛星的相關數據重點篩選了覆蓋黑土草原區域的詳細數據，選取了7—9月的數據。SAR圖像的分辨率為10 m，一共覆蓋了459個站點，每個站點大小為250 m×250 m。首先，研究人員對篩選數據進行了預處理，包括數據校正、波束平移、灰度定標、多視幾何配準和壓縮等，并且對于水面、城市、山脈等區域，采用不同的濾波和校正策略，從而保證得到精準、可靠的林冠高度反演數據。其次，研究人員對數據進行反演處理，通過基于方位視角相干化串擾對比方法來反演黑土草原林冠高度。該方法包括有背景干擾消除、相干化、串擾去除、信噪比提高等多個步驟。研究人員還可以通過全球衛星導航系統接收器來獲得傳感器和站點之間的極化標準偏差。

通過數據分析，可以得到監測時期內黑土草原林冠高度變化。采用此方法，黑土草原內大部分地區都能夠實現林冠高度的精準反演；黑土草原林冠高度在4.3～5.8 m，且分布不均勻。研究人員采集了InSAR圖像，分析樹高與正射影像之間的相關性，發現在小于4 m的樹高范圍內，大多數樹冠可以被正射影像探測到，但對于較高的樹木，正射影像的探測能力不強。因此，該案例可以有效展示出SAR數據反演黑土草原林冠高度的可行性。這些結果為黑土草原的生態保護和管理提供了有價值的參考依據。

2 衛星遙感技術在生態環境變化監測中的應用

隨著人口的不斷增長和經濟的迅速發展，生態環境問題不斷加劇。因此，應加大生態環境保護力度。保護生態環境的有效手段之一就是定期監測其變化情況，以便有關部門及時發現問題并采取合理措施，避免生態環境進一步惡化。而衛星遙感技術具有廣覆蓋、高效率、低成本等優勢，能夠跨時空提供連續、準確、大范圍的數據信息，是監測生態環境變化的重要手段之一。

2.1 衛星遙感技術在水域監測中的應用

2.1.1 分析水質、水文等信息。技術人員可以利用衛星遙感技術進行水域監測，如通過遙感儀器獲取圖像，監測水域的許多重要參數，包括水面溫度、水深、透明度、總溶解固體、總懸浮物等水質、水文信息。同時，技術人員還可利用相關數據研究水質和水文特性的變化趨勢等，通過這些數據來區分和監測不同類型的水域。衛星遙感技術在水域監測方面有著不可替代的應用優勢，能夠為水資源管理提供強有力的技術支持。在監測水質方面，技術人員可利用遙感數據獲取水體的顏色、透明度、葉綠素含量等信息，從而推斷出水體的營養狀況、富營養化程度等。技術人員還可利用遙感數據獲取水域的水面、水深變化等信息，從而預測水文變化［5］。

衛星遙感技術可用于監測湖泊和魚塘、儲水庫和河川、海洋環境等水域。①用于湖泊和魚塘監測。技術人員可利用多光譜遙感技術和紅外遙感技術監測湖泊和魚塘，實時掌握水體中金屬離子濃度、農藥種類及其含量、藻類水平等信息。②用于儲水庫和河川監測。技術人員可利用多光譜遙感技術監測儲水庫、河川流量，追蹤并分析水域變化，包括水位上漲情況、泥沙流失、水流變化等。技術人員也可利用紅外遙感技術判斷水深，從而計算水域總體積。③用于海洋環境監測。技術人員可利用雷達遙感技術獲取海洋漂浮物含量、地表反射率等信息，并且還可以計算海水的波高和風浪變化。技術人員可利用這些數據判斷海岸線變化，創建各種海洋環境模型，以加強海洋資源管理［6］。

由于水環境的復雜性及傳感器的限制等問題，技術人員在利用衛星遙感技術分析水質、水文等信息過程中還存在一些不足。因此，有關部門需要加強對衛星遙感技術的研究和開發，并結合地理信息、物聯網等多種技術，實現數據挖掘、模型參數結構優化等；技術人員也要加強數據質量和誤差控制，掌握影像處理、模型推理等技術，以提高分析質量和精度。

2.1.2 獲取水體覆蓋范圍等信息。利用衛星遙感技術獲取水體覆蓋范圍等信息，已成為開展水資源保護、防洪減災等領域工作的重要手段之一。

2.1.2.1 獲取水體的空間位置和面積信息。技術人員可以通過可見光、紅外線等各種不同波段的遙感數據來獲得水體的相關信息。例如，根據紅外波段探測水體變化，并從原始圖像中得到水體的空間位置，通過圖形處理軟件生成圖像，然后對水體面積進行計算，從而得到水體相關信息［7］。

2.1.2.2 獲取水體形狀信息。技術人員可以通過多光譜遙感數據獲取水體形狀信息，如水體的邊緣線和周圍的植被覆蓋情況。技術人員也可以通過衛星遙感技術獲得水體沿岸區域的地貌信息，如巖石和沙灘的類型等。

2.1.2.3 獲取水體演變信息。水體演變信息包括水體的干涸、淤積、擴張等變化情況。技術人員可以通過衛星遙感技術獲取的影像序列數據分析水體演化的時間序列。例如，技術人員可以對同一地區的多幅影像進行疊加比對，分析水體的面積、位置、形狀等參數變化，從而預測水體演變趨勢，并制訂對應的管理措施。

江蘇省太倉市即通過衛星遙感技術監測太浦河流域的魚塘情況。太倉市是一個典型的江南水鄉，豐富的魚塘資源為當地的農業和經濟發展做出了重要貢獻。但隨著時間的推移，太浦河流域的魚塘也面臨著很大的生態風險。于是，太倉市農業技術推廣服務中心開始使用衛星遙感技術，對太浦河流域的魚塘進行長期、實時的監測［8］。

技術人員通過衛星遙感技術獲取較高分辨率的魚塘遙感影像數據，同時采用模擬的具有空間閾值的自適應截斷搜索優化算法，并將其應用到遙感數據計算，從而獲取水體及其底部反射信息數據，然后對提取到的影像數據進行分析和處理。這種操作方式既能進行高時空分辨率的遙感數據采集，又可有效地避免因平臺或過程原因造成的干擾。首先，對所獲得的數據進行預處理，包括遙感圖像質量評估、去除非水體像素、矯正幾何失真、去除云和陰影等處理。其次，使用邊緣檢測算法之一的canny算子來檢測和提取水體邊緣的輪廓，并進行邊界化處理，從而得到準確的水體范圍。最后，對數據進行分割并提取相關重要信息，包括水體面積、水體深度、魚塘面積等。

總之，為了更好地利用衛星遙感技術獲取水體覆蓋范圍等信息，技術人員需要不斷完善遙感數據處理技術，提升數據精度；采用多源數據進行融合和協同，完整反映水域信息；積極利用大數據技術，加強數據共享，提高水資源的智能化管理水平。

2.2 衛星遙感技術在土壤質量監測中的應用

技術人員可以通過衛星遙感技術獲取土地表面的特征參數，如顏色、溫度、濕度等，進而推斷土壤質量、產能、適宜生長的植物種類等相關信息。應用該技術可以獲得高分辨率的土壤影像，比傳統的野外監測和分析方法更為準確和全面，同時具備省時、省力等優勢。

我國有許多應用衛星遙感技術進行土壤有害物質污染監測和評估的案例。例如，黑龍江省大慶市利用Landsat遙感數據，對該區域的土壤重金屬污染情況進行了評估；研究結果表明，該地區土壤鎘、鉛、銅等元素含量超標區域較廣，整個區域土壤重金屬污染十分嚴重［9］。另外，福建省泉州市也利用衛星遙感技術對該區域的土壤磷污染情況進行了監測與評估，發現該地區土壤磷污染區域與工業發展區高度相關，需要管控該區域污染源并逐步對受污染土壤進行修復［10］。山東省泰安市部分研究人員根據在不同時段采集的Landsat TM/ETM+遙感圖像和地面數據（如土壤采樣數據、衛星觀測站數據等），綜合分析土壤有機質含量、pH值、鹽含量等理化性質，建立了土壤質量評價模型，精確評估了當地土壤質量，并進一步研究該地區水土流失和耕地污染情況［11］。

2.3 土地利用變化監測

技術人員可以應用衛星遙感技術獲取土地利用變化的遙感影像數據，從而為自然資源管理和土地利用規劃提供精確的信息。衛星遙感技術可以提供全面、定量、周期性的土地利用與覆蓋信息，從而有效揭示土地利用變化趨勢和特征，幫助決策者及時把握土地資源的變化狀況，為國土資源管理和土地利用規劃提供精確的信息支持。

2.3.1 基于遙感監測的土地利用分類。通過圖像分類技術，對土地利用類別分別統計，建立地表覆蓋類型的空間分布圖，以定量表達土地利用現狀及其變化過程。

2.3.2 基于土地利用強度和景觀格局的分析。在對土地利用類型進行分類后，可以分析土地利用強度和景觀格局，進一步研究土地利用類型的分布情況和變化趨勢。通過這種分析方法，人們能夠了解到土地利用變化的影響因素和規律。

2.3.3 基于土地資源利用情況進行效益評估。利用衛星遙感技術可以定量分析土地資源利用的空間分布和變化，因此，技術人員可以利用該技術對土地資源利用效益進行評估。首先，技術人員要利用衛星遙感技術對土地資源進行分類，同時建立土地資源類型劃分的數據庫。其次，技術人員可以通過衛星遙感技術搜集關于土地利用與地表覆蓋的高分辨率影像，建立土地資源利用情況的模型。最后，技術人員通過土地資源類型劃分的數據庫數據、土地資源利用的數據模型、土地利用的變化數據等進行統計分析，可獲得不同土地利用類型的面積、變化率、時間分布等信息，在此基礎上評估不同土地資源利用方式的效益。

2.4 自然災害監測和評估

衛星遙感技術對于自然災害的監測和評估也具有重要的應用意義。技術人員可通過應用衛星遙感技術獲取遙感影像數據，實時了解地表變化，及時監測危險區域，判斷受災程度，為相關部門制訂搶救措施提供數據支撐，為災害發生時的應急響應提供重要的信息技術支持，減少災害損失［7］。

在我國，衛星遙感技術在自然災害監測中得到了廣泛應用。例如，在2008年的汶川大地震中，衛星遙感技術被廣泛應用于災區的損失評估、救援物資調配等方面。衛星遙感技術還能用于監測河流、湖泊、水庫等水體水位，進而預測可能出現的洪水情況并及時預警。另外，衛星遙感技術還可以應用于火災監測，幫助有關部門及時采取相應的滅火措施，減少火災造成的損失。

總之，衛星遙感技術在自然災害監測和評估中發揮著至關重要的作用，可以實現對災害情況的實時監測和自動錄像，提高有關部門應急反應的速度，有效減少災害對人類和自然環境造成的損失。隨著科學技術的發展，衛星遙感技術在自然災害監測中將會得到更加廣泛和深入的應用。

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