廣東省林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

葉裕琦

（廣東省國(guó)土資源測(cè)繪院，廣東 廣州 510000）

1 引言

林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)，主要是對(duì)林區(qū)的林地、草地、濕地、荒漠及其附著的森林資源和草資源，以及其他土地上的林木資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以查清我國(guó)林草資源具體變化、掌握年度消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化情況，分析評(píng)價(jià)林草生態(tài)系統(tǒng)狀況、功能效益以及演替階段和發(fā)展趨勢(shì)[1]，為國(guó)家制定林草資源監(jiān)督管理、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)政策，編制林草發(fā)展規(guī)劃、國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)是在林地現(xiàn)狀調(diào)查基礎(chǔ)上，采用RTK 測(cè)量技術(shù)獲取高精度的定位信息，可以大大提高林草資源測(cè)量的準(zhǔn)確性；基于遙感技術(shù)可以獲取林草資源的分布信息以及植被指數(shù)、面積指數(shù)等多維度參數(shù)信息；無(wú)人機(jī)可以覆蓋大范圍地表，快速獲取大面積的林草資源信息，尤其在山區(qū)、沼澤等工作人員難以到達(dá)的地方，利用無(wú)人機(jī)可以靈活、便捷地采集資源信息，實(shí)時(shí)掌握項(xiàng)目區(qū)林草資源情況；而人工智能技術(shù)不僅可以對(duì)項(xiàng)目區(qū)野生動(dòng)植物、有害生物進(jìn)行智能識(shí)別，還可以對(duì)大量的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，評(píng)估林草資源的狀態(tài)及變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)智能化的林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)。通過(guò)采用上述幾種技術(shù)開展林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確獲取項(xiàng)目區(qū)林草資源存量及質(zhì)量變化等信息。

2 測(cè)區(qū)地理概況

廣東省地處我國(guó)大陸最南部，東鄰福建，北接江西、湖南，西連廣西，南臨南海，珠江口東西兩側(cè)分別與香港、澳門特別行政區(qū)接壤，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)大省之一，經(jīng)濟(jì)綜合競(jìng)爭(zhēng)力居全國(guó)第一。廣東省全境地貌類型復(fù)雜多樣，有山地、丘陵、臺(tái)地和平原，地勢(shì)北高南低，北部多為山地和高丘陵，南部則為平原和臺(tái)地，且全省河流眾多，屬于東亞季風(fēng)區(qū)，從北向南分別為中亞熱帶[2]、南亞熱帶和熱帶氣候，全境林草資源豐富，四季常青、動(dòng)植物種類繁多，植被類型有屬于地帶性植被的北熱帶季雨林、南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林、中亞熱帶典型常綠闊葉林和沿海的熱帶紅樹林，還有非緯度地帶性的常綠混交林、常綠針葉林、竹林、灌叢、草坡，以及水稻、甘蔗和茶園等栽培植被。因此，為了摸清樣地周邊生態(tài)情況和森林蓄積量消長(zhǎng)變化情況，比如森林是否健康、林木是否長(zhǎng)大、林分構(gòu)成，需對(duì)廣東省林草資源展開調(diào)查監(jiān)測(cè)。

3 林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)作業(yè)

3.1 準(zhǔn)備工作

3.1.1 數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備

林區(qū)林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料、林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)資料基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此，需要提前準(zhǔn)備下列資料：

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料 ：主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、高分辨率遙感數(shù)據(jù)；全國(guó)國(guó)土調(diào)查成果及其年度變更數(shù)據(jù)、各級(jí)行政區(qū)域界線、經(jīng)營(yíng)單位界線等資料。

（2）林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)資料：包括森林資源連續(xù)清查成果、森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)、國(guó)家級(jí)公益林區(qū)劃界定，以及其他最新森林資源調(diào)查成果，草原、濕地和荒漠化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，立地類型和立地質(zhì)量評(píng)價(jià)等專業(yè)調(diào)查資料。

3.1.2 技術(shù)準(zhǔn)備

為了順利開展林區(qū)林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)工作，需要提前制定項(xiàng)目技術(shù)方案和技術(shù)規(guī)程，開展技術(shù)培訓(xùn)，明確監(jiān)測(cè)方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、操作流程、成果要求及質(zhì)量管理等技術(shù)準(zhǔn)備工作。廣東省林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 廣東省林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

3.2 圖斑監(jiān)測(cè)

圖斑監(jiān)測(cè)是一種基于遙感影像的分析方法，通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間點(diǎn)的衛(wèi)星圖像，識(shí)別出地表覆蓋的變化情況。這種技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地獲取大范圍的地表信息，為林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。具體監(jiān)測(cè)流程如下：

3.2.1 提取變化圖斑

林草資源的圖斑監(jiān)測(cè)主要是提取地類和植被覆蓋類型、自然屬性、管理屬性等變化圖斑。

（1）建立遙感解釋標(biāo)志

首先將遙感影像與林草資源數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，使兩者之間形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)地表覆蓋類型進(jìn)行標(biāo)定，以便形成地表覆蓋遙感影像解譯標(biāo)志和地表覆蓋類型數(shù)據(jù)標(biāo)簽。然后選擇前后兩期遙感影像特征出現(xiàn)變化的區(qū)域，依據(jù)林草資源數(shù)據(jù)庫(kù)的圖斑信息進(jìn)行比較及標(biāo)定，最終形成遙感解譯標(biāo)志和變化類型數(shù)據(jù)標(biāo)簽。

（2）人工智能變化識(shí)別

在完成變化圖斑數(shù)據(jù)標(biāo)簽建立后，將其輸入人工智能識(shí)別模型進(jìn)行迭代訓(xùn)練，并從中選出最優(yōu)模型；然后對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行人工智能變化識(shí)別，提取出變化圖斑，并按照測(cè)區(qū)建設(shè)項(xiàng)目占用、林地草地濕地開墾破壞、林木采伐、災(zāi)害損失以及生態(tài)保護(hù)修復(fù)等標(biāo)記變化類型。

（3）遙感診斷變化圖斑

在提取出變化圖斑后，利用測(cè)區(qū)基礎(chǔ)地理國(guó)情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合兩期遙感影像特征變化情況，對(duì)人工智能識(shí)別提取的變化圖斑進(jìn)行遙感診斷，以確定有變化的圖斑。

3.2.2 變化圖斑驗(yàn)證核查

為了準(zhǔn)確獲取變化圖斑的屬性信息，需要對(duì)初步診斷出的變化圖斑進(jìn)行驗(yàn)證核實(shí)，主要采取查閱資料的方式對(duì)變化圖斑進(jìn)行驗(yàn)證，獲取變化圖斑的相關(guān)因子屬性信息；對(duì)于無(wú)法確認(rèn)變化原因的圖斑，還需利用無(wú)人機(jī)搭載機(jī)載激光雷達(dá)掃描林區(qū)內(nèi)樹木，測(cè)量冠幅，生成圖像，以此核查變化圖斑的地類、原因、自然屬性及管理屬性等信息。

3.2.3 林草資源數(shù)據(jù)更新

在核實(shí)變化圖斑后，還需更新變化圖斑數(shù)據(jù)，按照林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)成果，采用生長(zhǎng)模型更新方法，對(duì)林草資源蓄積量、生物量、碳儲(chǔ)量等因子屬性、地表覆蓋類型、自然屬性及管理屬性等進(jìn)行更新，以形成林草資源遙感影像及遙感解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)庫(kù)、林草生態(tài)圖斑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以及樣地、樣方、樣木等現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 樣地調(diào)查監(jiān)測(cè)

3.3.1 樣地布設(shè)

測(cè)區(qū)林草資源樣地監(jiān)測(cè)基于國(guó)家森林資源連續(xù)清查成果，設(shè)置林草資源監(jiān)測(cè)樣地，草地、濕地資源樣地按照樣地?cái)?shù)量精度不低于90%且年度之間變動(dòng)最少的原則進(jìn)行設(shè)置，將測(cè)區(qū)各個(gè)城市的樣地?cái)?shù)均勻分為5 組，分組方法如圖2 所示。

圖2 年度監(jiān)測(cè)樣地分組

考慮到森林、草原和濕地調(diào)查監(jiān)測(cè)樣地設(shè)計(jì)是一體化的復(fù)合樣地，主要由一個(gè)面積0.5 hm2的圓形樣地、一個(gè)面積為0.06～0.08 hm2的方形/長(zhǎng)方形/圓形樣地、3 條40 m 長(zhǎng)的樣線、一個(gè)100 m2大樣方、3 個(gè)4 m2小樣方和3 個(gè)1m2測(cè)產(chǎn)小樣方組成，具體樣地設(shè)計(jì)如圖3 所示。因此，本次草地樣地設(shè)計(jì)以廣東省森林資源清查固定樣地為基礎(chǔ)，選取與固定樣地位置較近的草地樣地作為監(jiān)測(cè)樣地，并按照樣方內(nèi)植物的高度和株叢幅度進(jìn)行分類，一類是植物以高度＜80cm 草本或＜50cm 灌木半灌木為主的樣方，另一類是以高度≥80cm 草本或≥50cm 灌木的樣方，且每個(gè)樣地應(yīng)設(shè)置1～4 個(gè)樣方。

圖3 測(cè)區(qū)林草資源樣地設(shè)計(jì)

濕地樣地需根據(jù)測(cè)區(qū)濕地類型及分布情況進(jìn)行設(shè)置，對(duì)落入濕地圖斑的全部固定樣地，挑選可以代表測(cè)區(qū)濕地資源狀況的作為濕地樣地；對(duì)只有部分可以代表測(cè)區(qū)濕地資源狀況的濕地，需在現(xiàn)有布點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行加密布設(shè)，直到滿足監(jiān)測(cè)要求方可選取加密樣地的濕地斑塊作為濕地樣地，并在確定的樣地范圍內(nèi)設(shè)置1～4 個(gè)植物樣方。

3.3.2 樣地調(diào)查

為了判定測(cè)區(qū)樣地林草資源因子變化情況，采用最新遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合測(cè)區(qū)森林樣地、草原樣地以及濕地樣地實(shí)際情況，對(duì)測(cè)區(qū)全部固定樣地進(jìn)行遙感判讀，以此判定測(cè)區(qū)林草資源覆被類型、優(yōu)勢(shì)樹種、起源、覆蓋度等級(jí)的變化情況，并對(duì)遙感監(jiān)測(cè)到的因子變化進(jìn)行記錄。

（1）森林資源樣地調(diào)查

為了提高森林資源樣地中心點(diǎn)坐標(biāo)值、周界測(cè)量及樣木定位精度，根據(jù)前期樣地位置記錄，首先架設(shè)RTK 衛(wèi)星定位系統(tǒng)裝置，打開監(jiān)測(cè)設(shè)備，采取RTK 測(cè)量技術(shù)進(jìn)行定位及周界測(cè)量，并按要求設(shè)置固定樣地標(biāo)志，采集引點(diǎn)位置和樣地西南角點(diǎn)（或中心點(diǎn)）的衛(wèi)星導(dǎo)航定位坐標(biāo)值。當(dāng)采用差分定位技術(shù)確保定位精度達(dá)到1m 以內(nèi)時(shí)，可以直接進(jìn)行樣地定位；完成樣地定位后，開始修復(fù)和補(bǔ)設(shè)固定樣地標(biāo)志。樣地位置和樣地周界原則上必須與前期保持一致，并采用暗標(biāo)和明標(biāo)相結(jié)合的方式進(jìn)行固定。

其次，根據(jù)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用閉合導(dǎo)線法測(cè)定樣地周界，應(yīng)用智能羅盤儀定向，皮尺量距，從西南角點(diǎn)起按順序測(cè)設(shè)，確定樣地西北角點(diǎn)、東北角點(diǎn)、東南角點(diǎn)和相應(yīng)四條邊界的正確位置，且復(fù)位樣地周界長(zhǎng)度誤差應(yīng)小于1%，新增或改設(shè)樣地周界測(cè)量閉合差應(yīng)小于0.5%[3]。

最后，測(cè)區(qū)周界測(cè)量完成后，利用無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)對(duì)樣地因子、樣木因子進(jìn)行調(diào)查記載、現(xiàn)地拍攝以及樣地所在圖斑調(diào)查。本次森林資源樣地共調(diào)查733個(gè)，森林面積1.58 億畝，森林覆蓋率達(dá)58.74%，空間分布如圖4 所示。

圖4 廣東省森林資源空間分布

（2）草原資源樣地調(diào)查

草原資源樣地調(diào)查主要包括位置坐標(biāo)采集、調(diào)查因子記載、樣地照片拍攝等。樣地位置坐標(biāo)采用RTK測(cè)量技術(shù)及GNSS 導(dǎo)航方法進(jìn)行樣地定位，并采集樣地中心點(diǎn)的坐標(biāo)值。然后在確定草原資源樣地范圍內(nèi)展開調(diào)查，并記錄下地形因子、土壤因子、地表特征，以及草地類型、草原起源、優(yōu)勢(shì)草種類等植被特征因子，并對(duì)所調(diào)查的樣地進(jìn)行拍照。

其次，沿著樣線每隔1m 或0.5m 間距，采用針刺法進(jìn)行植被蓋度測(cè)量，若有植物，記做1，若無(wú)則記做0，然后計(jì)算其出現(xiàn)頻率，即蓋度。

最后，對(duì)灌木及高大草本植物草原樣方進(jìn)行調(diào)查，主要測(cè)定樣方內(nèi)灌木及高大草本植物的樣方號(hào)、橫縱坐標(biāo)、植物名稱、面積、數(shù)量、高度、蓋率等有關(guān)數(shù)據(jù)，并使用無(wú)人機(jī)對(duì)樣方進(jìn)行航攝。

（3）濕地資源樣地調(diào)查

測(cè)區(qū)濕地資源樣地調(diào)查采用RTK 測(cè)量技術(shù)和GNSS接收機(jī)進(jìn)行定位，然后開始監(jiān)測(cè)及記錄樣地中心點(diǎn)坐標(biāo)，調(diào)查樣地的地形因子、土壤因子、植被面積、植被群系、植物種類、溶解氧、積水狀況、水源保障情況、生物量、土壤含水量以及受威脅情況等因子。對(duì)于紅樹林，還要調(diào)查起源、樹種、平均年齡等因子，并將所有的調(diào)查因子錄入平板電腦，以此減少內(nèi)業(yè)工作量，提高工作效率和樣地調(diào)查精度。廣東省林草資源植被分布如圖5 所示。

圖5 廣東省林草資源植被分布

3.3.3 校驗(yàn)樣地調(diào)查

為了驗(yàn)證樣地內(nèi)林草資源調(diào)查的精準(zhǔn)性，還需要利用優(yōu)于2m 的最新遙感影像，對(duì)樣地內(nèi)的林草資源圖斑進(jìn)行全面判讀復(fù)核，復(fù)核時(shí)如果發(fā)現(xiàn)樣地內(nèi)圖斑與遙感影像不吻合，或是前后期遙感影像對(duì)比發(fā)生明顯變化的圖斑等問(wèn)題，則需要進(jìn)行區(qū)劃調(diào)整、補(bǔ)充。同時(shí)，如果對(duì)判定結(jié)果存在疑問(wèn)，還需采用無(wú)人機(jī)航攝對(duì)樣地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查核實(shí)，對(duì)現(xiàn)地進(jìn)行區(qū)劃調(diào)整、修正。

3.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

3.4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

考慮到測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理工作量大，為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，避免出現(xiàn)返工情況，采用遙感處理技術(shù)對(duì)林草資源的調(diào)查因子進(jìn)行預(yù)處理。

（1）森林資源樣地主要對(duì)樣地、樣木的調(diào)查因子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括立木材積、生物量和碳儲(chǔ)量的計(jì)算，生長(zhǎng)量和消耗量的計(jì)算，目測(cè)樣地、跨角樣地的處理等。

（2）草原資源樣地主要對(duì)樣地及樣方調(diào)查因子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括樣地及組成植物的鮮重、干重和產(chǎn)草量等的計(jì)量。

（3）濕地資源樣地主要對(duì)樣方調(diào)查因子進(jìn)行處理，包括樣方及植被的鮮重、干重和生物量等的計(jì)量。

3.4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)主要利用軟件對(duì)林草資源面積、儲(chǔ)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)分析關(guān)聯(lián)前后兩期圖斑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，產(chǎn)出林草濕地資源的面積動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。在對(duì)樣地調(diào)查數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和生長(zhǎng)消耗數(shù)據(jù)預(yù)處理中，以樣地為基礎(chǔ)對(duì)蓄積、產(chǎn)草量等動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而得出森林資源、草原資源及濕地資源面積，再利用樣地、樣方和遙感反演估算出測(cè)區(qū)林草濕地資源的構(gòu)成數(shù)據(jù)，以此產(chǎn)出本年度林草資源變化量流向統(tǒng)計(jì)表。

4 結(jié)論

綜上所述，為了充分發(fā)揮自然資源數(shù)據(jù)價(jià)值、構(gòu)建林草資源監(jiān)管體系，以廣東省林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)為例，在林草資源圖斑監(jiān)測(cè)、樣地監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)采用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行調(diào)查監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)成果顯示，廣東省的林草資源分布廣泛，森林面積達(dá)1.58 億畝，森林覆蓋率為58.74%，其中，北部南嶺地區(qū)的典型植被為中亞熱帶低山常綠闊葉林和亞熱帶常綠針葉林，中部則為南亞熱帶常綠闊葉林，而南部則主要為熱帶季雨林。在廣東省林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)中通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)不僅能高效精確地采集數(shù)據(jù)，還能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)林草資源的狀態(tài)，分析評(píng)估生態(tài)效益，提高林草資源調(diào)查監(jiān)測(cè)的效率及精度，進(jìn)而產(chǎn)出本年度的林草資源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)及林草資源變化量流向統(tǒng)計(jì)表等成果，為構(gòu)建科學(xué)規(guī)范、運(yùn)行高效的林草資源管理制度、技術(shù)體系提供科學(xué)依據(jù)。