● 文| 中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 李增元 高志海 李凡 武紅敢 張旭 陳爾學(xué) 張懷清 覃先林國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院 夏朝中

高分遙感應(yīng)用 RS APPLICATION

高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用

● 文| 中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 李增元 高志海 李凡 武紅敢 張旭 陳爾學(xué) 張懷清 覃先林國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院 夏朝中

摘 要：高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)重點針對森林資源調(diào)查、濕地監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測等主要林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)對高分遙感的應(yīng)用需求，通過開展高分遙感林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用示范等，初步形成了滿足我國林業(yè)業(yè)務(wù)需求的高分遙感林業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系。項目成果對推動新一代林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)、提高林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測效率有重要應(yīng)用價值。本文重點介紹高分林業(yè)應(yīng)用示范系統(tǒng)項目的基本情況和高分衛(wèi)星在林業(yè)行業(yè)的應(yīng)用情況。

一、引言

“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”（簡稱高分專項）是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006 — 2020年）》中部署的16個國家重大專項之一，重點發(fā)展基于衛(wèi)星、飛機和平流層飛艇等先進高分辨率對地觀測系統(tǒng)，并建立對地觀測地面支撐系統(tǒng)，到2020年，建成由空、天、地三個層次觀測平臺組成的大氣、陸地、海洋先進觀測體系，并在國家安全、減災(zāi)、農(nóng)業(yè)、資源與環(huán)境等方面開展廣泛應(yīng)用，建立穩(wěn)定的運行系統(tǒng)，為保障國防、經(jīng)濟和社會安全提供決策支持。

林業(yè)是一項重要的公益事業(yè)和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，承擔(dān)著生態(tài)建設(shè)和林產(chǎn)品供給的重要任務(wù)，在維護生態(tài)平衡中起著決定性作用，特別是森林具有巨大的固碳功能，在應(yīng)對氣候變化、維護生態(tài)安全中發(fā)揮著特殊作用。為了科學(xué)評價森林可持續(xù)經(jīng)營與林業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展狀況和水平，急需科學(xué)、翔實和連續(xù)的監(jiān)測和評價數(shù)據(jù)支持，現(xiàn)代遙感技術(shù)的應(yīng)用可有效解決森林資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價中存在的技術(shù)瓶頸問題。

經(jīng)過近40年的發(fā)展，遙感技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到森林資源調(diào)查、濕地監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、生態(tài)工程監(jiān)測、森林災(zāi)害監(jiān)測等林業(yè)監(jiān)測業(yè)務(wù)中，并研發(fā)了許多遙感專題應(yīng)用系統(tǒng)。然而，隨著林業(yè)監(jiān)測業(yè)務(wù)的發(fā)展，林業(yè)對高空間、高光譜和高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)和處理技術(shù)的需求與日劇增，如森林資源二類調(diào)查、生態(tài)工程等監(jiān)測需要米級分辨率的遙感數(shù)據(jù)支持，由于缺少自主的高分數(shù)據(jù)，目前主要依賴國外的SPOT-5、QuickBird等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)價格昂貴，數(shù)據(jù)獲取能力也十分有限，很難滿足林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)的需求。建設(shè)高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)，不但可有效解決林業(yè)資源調(diào)查和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的高分數(shù)據(jù)源問題，而且通過研發(fā)服務(wù)于林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)需要的高分林業(yè)應(yīng)用模型、軟件工具和產(chǎn)品，將進一步優(yōu)化林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)流程，有效地提高我國森林資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的精度、效率和水平，全面提升國家林業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、評估和預(yù)警的水平，有力地促進林業(yè)信息化水平的整體提高。

二、高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)情況

高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)以服務(wù)于森林資源調(diào)查、濕地監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測等主要林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)為目標，重點圍繞高分專項計劃發(fā)射的7顆高分民用衛(wèi)星數(shù)據(jù)在主要林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，開展高分林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用示范。建設(shè)服務(wù)于高分一號至六號衛(wèi)星林業(yè)應(yīng)用的高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)，實現(xiàn)高分林業(yè)應(yīng)用專題產(chǎn)品生產(chǎn)和服務(wù)；開展高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范，并完成高分二號、高分四號、高分六號衛(wèi)星（林業(yè)為主用戶）的林業(yè)應(yīng)用在軌測試和評價，推動自主高分數(shù)據(jù)服務(wù)于國家林業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

高分專項“林業(yè)資源調(diào)查與評估信息服務(wù)系統(tǒng)及示范先期攻關(guān)”項目為高分專項（民用部分）2011年第一批立項實施的高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)先期攻關(guān)項目，項目全面完成了國內(nèi)外技術(shù)和系統(tǒng)發(fā)展調(diào)研、高分林業(yè)應(yīng)用需求調(diào)研、高分林業(yè)應(yīng)用示范系統(tǒng)總體研制大綱制定、高分林業(yè)應(yīng)用示范系統(tǒng)總體方案設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、技術(shù)規(guī)范制定和高分林業(yè)應(yīng)用示范服務(wù)平臺原型系統(tǒng)和3個專題應(yīng)用示范原型系統(tǒng)的開發(fā)等，項目已于2013年順利通過驗收。

目前正在實施的高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)（一期）項目的目標是：面向主要林業(yè)調(diào)查與監(jiān)測業(yè)務(wù)的重大應(yīng)用需求，充分發(fā)揮高分衛(wèi)星的對地觀測能力以及林業(yè)地面調(diào)查優(yōu)勢，圍繞森林資源調(diào)查、濕地資源監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測等5個應(yīng)用示范子系統(tǒng)、1個高分數(shù)據(jù)林業(yè)應(yīng)用預(yù)處理與加工子系統(tǒng)和1個高分林業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺的建設(shè)，開展關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)、專題產(chǎn)品研制及其相應(yīng)的軟件模塊開發(fā)，形成高分林業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系，初步建成高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)。

高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)（一期）建設(shè)的總體技術(shù)路線如圖1所示。高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)的核心是研建若干高分林業(yè)遙感專題應(yīng)用示范子系統(tǒng)和高分林業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺。基于高分林業(yè)應(yīng)用示范服務(wù)平臺，通過高分林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與模塊開發(fā)、專題應(yīng)用示范子系統(tǒng)的開發(fā)以及與服務(wù)平臺的集成、產(chǎn)品生產(chǎn)和林業(yè)應(yīng)用示范等，基本形成高分遙感林業(yè)應(yīng)用的技術(shù)體系。通過林業(yè)專題應(yīng)用示范子系統(tǒng)與高分林業(yè)網(wǎng)格服務(wù)平臺的集成，實現(xiàn)高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)的網(wǎng)格化運行和林業(yè)應(yīng)用專題產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)和共享服務(wù)。通過開展較大規(guī)模的高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)在我國森林資源監(jiān)管、濕地資源監(jiān)測、荒漠化治理、林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)和森林災(zāi)害防治等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，推動新一代林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)的建設(shè)，提高林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測效率，服務(wù)于國家林業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)。

圖1 高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)總體技術(shù)路線

高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)包括5個專題應(yīng)用子系統(tǒng)、1個高分數(shù)據(jù)林業(yè)應(yīng)用預(yù)處理與加工子系統(tǒng)和1個高分林業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺，專題應(yīng)用子系統(tǒng)包括高分森林資源監(jiān)測、濕地資源監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測評價、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測。本期建設(shè)任務(wù)是：通過高分林業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺與專題應(yīng)用示范子系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量并行處理和遠程多客戶端同步操作運行，并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品信息的發(fā)布與共享。

三、高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范情況

截至目前，高分專項已經(jīng)發(fā)射高分一號和高分二號兩顆民用高分衛(wèi)星，均已正式投入運行。本項目圍繞高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的林業(yè)應(yīng)用，重點在6個高分林業(yè)應(yīng)用示范區(qū)開展了高分森林資源、濕地資源、荒漠化、林業(yè)生態(tài)工程和森林災(zāi)害等監(jiān)測的應(yīng)用示范和高分林業(yè)專題信息產(chǎn)品的生產(chǎn)。

目前已經(jīng)獲取高分一號衛(wèi)星16m寬幅多光譜數(shù)據(jù)約2000余景，主要用于林地、濕地、沙地、森林災(zāi)害等的宏觀監(jiān)測應(yīng)用示范；獲取高分一號衛(wèi)星2m/8m數(shù)據(jù)約3500余景，主要用于重點區(qū)域（或示范區(qū)）林地、濕地、沙地、林業(yè)生態(tài)工程、森林災(zāi)害等的監(jiān)測應(yīng)用示范。

1．高分森林資源調(diào)查應(yīng)用示范

中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所與廣西壯族自治區(qū)林業(yè)勘察設(shè)計院、黑龍江省林業(yè)規(guī)劃設(shè)計院、黑龍江省大興安嶺林業(yè)規(guī)劃院、黑龍江省森工集團第二設(shè)計院等建立了合作關(guān)系。利用獲取的高分一號衛(wèi)星16m寬幅多光譜數(shù)據(jù)和2m/8m數(shù)據(jù)，在廣西和黑龍江兩省開展應(yīng)用示范。

2014年7—9月間，使用高分一號數(shù)據(jù)對黑龍江省國有林區(qū)森林資源變化情況進行監(jiān)測，并進行實地驗證工作。工作中將2013年和2014年兩期遙感影像疊加，根據(jù)兩期影像的變化特征及其他相關(guān)資料，逐塊判讀區(qū)劃因占地、開墾、森林采伐、森林災(zāi)害等造成影像特征變化的地塊。從圖2可以看出小塊森林被采伐，藤條灌木被清理，成為了堆放木耳餌料袋的場地。從圖3可以看出塊狀森林被采伐。

圖2 小塊森林采伐前后的影像及現(xiàn)地照片

圖3 塊狀森林采伐前后的影像及現(xiàn)地照片

2．高分濕地資源監(jiān)測應(yīng)用示范

獲取了覆蓋湖南洞庭湖濕地大區(qū)域和洞庭湖核心區(qū)域的高分一號衛(wèi)星影像43景，其中39景2m/8m數(shù)據(jù)，4 景16m寬幅數(shù)據(jù)。與湖南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院合作開展湖南洞庭湖濕地監(jiān)測應(yīng)用示范工作。

2014年1—9月間，應(yīng)用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，完成了應(yīng)用示范區(qū)湖南洞庭湖濕地區(qū)域的數(shù)據(jù)預(yù)處理以及濕地信息提取產(chǎn)品，其中包括2m/8m濕地類型和植被提取產(chǎn)品，16m寬幅洞庭湖大區(qū)域濕地類型和土地利用類型信息提?。▓D4）。

圖4 湖南洞庭湖應(yīng)用示范區(qū)高分一號數(shù)據(jù)

3．高分荒漠化監(jiān)測評價應(yīng)用示范

（1）內(nèi)蒙古渾善達克沙地監(jiān)測應(yīng)用示范

根據(jù)國家林業(yè)局2011年公布的《中國荒漠化和沙化狀況公報》中顯示的我國沙化土地類型，基于面向?qū)ο蠓椒ǎ?013年高分一號衛(wèi)星（16m分辨率）對渾善達克沙地進行沙化土地類型制圖（圖5），總體分類精度達81.52%。

圖5 基于高分一號數(shù)據(jù)的渾善達克沙地分類結(jié)果圖

（2）甘肅省民勤生態(tài)工程監(jiān)測應(yīng)用示范

結(jié)合遙感和實地考察驗證，利用2007年的Landsat-5 TM影像和2013年的高分一號（16m分辨率）影像，對近6年在甘肅省民勤縣實施的荒漠化生態(tài)治理工程的效果進行了監(jiān)測。該縣老虎口土地利用變化情況見圖6，可以看出老虎口地區(qū)出現(xiàn)大面積梭梭林。

圖6 老虎口2007、2013年土地利用變化圖

4．高分林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測應(yīng)用示范

依據(jù)地域分異性、連續(xù)性、代表性與區(qū)域完整性原則，充分考慮林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)的任務(wù)量、投資和治理難度，以及生態(tài)脆弱和高敏感的特點，綜合天然林保護工程和退耕還林工程區(qū)域分布和實施情況，選取重慶市云陽縣作為應(yīng)用示范區(qū)，開展高分林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測示范子系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用示范。

根據(jù)衛(wèi)星參數(shù)指標，選取SPOT-5、資源三號作為參照影像。收集處理了覆蓋重慶市云陽縣的2013年3月、12月共9景高分一號影像，購置了2006年和2011年兩期共10景SPOT-5影像，以及2012年8月、12月，2013年3月、6月、9月共12景資源三號衛(wèi)星影像。收集整理應(yīng)用示范區(qū)近年來天然林資源保護工程和退耕還林工程造林、管護和撫育經(jīng)營等方面的檔案資料，包括專題圖件和文字材料。采集應(yīng)用示范區(qū)2011—2012年間天然林保護工程和退耕還林工程地塊變化數(shù)據(jù)，云陽縣退耕農(nóng)戶統(tǒng)計等，開展部分遙感監(jiān)測示范應(yīng)用工作，并依據(jù)《高分林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測應(yīng)用示范專題圖制作規(guī)范（草稿）》，研制了退耕還林工程造林地塊分布圖、工程造林成林分布圖、工程區(qū)森林分布圖和工程區(qū)森林變化分布圖（圖7）；天然林保護工程區(qū)森林分布圖和工程區(qū)森林變化分布圖等專題產(chǎn)品。

圖7 重慶市云陽縣退耕還林工程專題產(chǎn)品圖

利用ENVI軟件中的紋理分析工具進行紋理特征提取，對高分一號、SPOT-5和資源一號02C星的影像特征和圖像質(zhì)量進行了對比分析。從結(jié)果來看，資源一號02C星數(shù)據(jù)的均值較低，高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)和SPOT-5數(shù)據(jù)均值和方差均超過資源一號02C星數(shù)據(jù)，表明高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的整體輻射狀況最好，SPOT-5數(shù)據(jù)其次，資源一號02C星數(shù)據(jù)相對較差。高分一號和SPOT-5數(shù)據(jù)地塊識別能力對比見圖8。

圖8 高分一號、SPOT-5衛(wèi)星數(shù)據(jù)地塊識別能力對比

5．高分森林災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用示范

在安徽省潛山縣和福建省大田縣開展了高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的區(qū)域森林災(zāi)害監(jiān)測的應(yīng)用示范工作；在四川省甘孜州雅江縣開展了利用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測森林火災(zāi)災(zāi)情的技術(shù)方法示范。

收集了覆蓋四川省甘孜州境內(nèi)的高分一衛(wèi)星1A級數(shù)據(jù)約180景，并利用獲取的高分一號衛(wèi)星16m寬幅數(shù)據(jù)，對發(fā)生在四川省甘孜州雅江縣的森林火災(zāi)災(zāi)害信息提取進行了應(yīng)用示范試驗。結(jié)果如圖9所示。

圖9 四川省甘孜州雅江縣火災(zāi)災(zāi)情監(jiān)測應(yīng)用示范

四、結(jié)論

高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)的建設(shè)，不但可以有效解決林業(yè)資源調(diào)查和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的高分數(shù)據(jù)源問題，而且可以優(yōu)化林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)流程，有效提高我國森林資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的精度、效率和水平，全面提升國家林業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、評估和預(yù)警的水平，有力地促進林業(yè)信息化水平的整體提高。通過4年的研制努力，基本攻克了高分一號到高分五號等5顆高分衛(wèi)星在森林資源調(diào)查、濕地資源監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，初步建成了高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)，并在示范區(qū)開展了高分一號衛(wèi)星的林業(yè)遙感監(jiān)測應(yīng)用示范，研制了高分一號數(shù)據(jù)林業(yè)應(yīng)用系列專題信息產(chǎn)品，初步形成滿足我國林業(yè)業(yè)務(wù)需求的高分遙感林業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系。

參考文獻

[1]WU JUN JUN,GAO ZHI HAI,LI ZHENG YUAN,et al.Estimationfor Sparse Vegetation Information in Desertification Region Based on Tiangong-1 Hyperspectral Image[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2014,34（3）:1-5.

[2]SUN BIN,GAO ZHI HAI,LI ZENG YUAN,et al.Dynamic and Dry/Wet Variation of Climate in the Potential Extent of Desertification in China during 1981-2010[J].Environmental Earth Sciences,doi: 10.1007/s12665 -014-3659-x.

[3]QIN XIAN LIN,YAN HOU,ZHANG ZI HUI,et al.Characterizing Vegetative Biomass Burning In China Using MODIS Data[J]. International Journal of Wildland Fire, 2014, 23:69-77.

[4]WU JUN JUN,LI ZENG YUAN,GAO ZHI HAI,et al.Degraded land Detection by Soil Particle Composition Derived from Multispectral Remote Sensing Data in the Otindag Sandy Lands of China[J].Geoderma, 2015.

[5]GAO ZHI HAI,SUN BIN,Gabriel del Barrio,et al.Land Degradation Assessment By Applying Relative RUE In Inner Mongolia,China,2001-2010[J]. International Geoscience And Remote Sensing Symposium,2014:1449-1452.

[6]WANG HONG YAN,LI QIANG ZI,GAO ZHI HAI,et al.Assessment of Land Degradation Using Time Series Trends Analysis of Vegetation Indictors in Beijing-Tianjin Dust and Sandstorm Source Region[J].International Geoscience And Remote Sensing Symposium,2014:1449-1452.

[7]XIA CHAO ZONG,ZHANG YU XING,WANG WEI.A Relief-Based Forest Cover Change Extraction Using GF-1 Images[J]. IEEE GARSS 2014:4212-4215.

[8]SHI JING JING,ZHANG YU XING,XIA CHAO ZONG.Forest Resources Annual Dynamic Monitoring Based On High-Resolution Remote Sensing Data[J].IEEE GARSS 2014. 749-752.

[9]WANG XUE JUN,ZHANG YU XING,YAN EN PING,et al.Deforestation Area Estimation In China Based On Landsat Data[J].IEEE GARSS 2014:4254-4256.

[10]李濤,李曉松,李飛,等.基于Hyperion的錫林郭勒草原光合植被、非光合植被覆蓋度估算[J].生態(tài)學(xué)報,2015, 35（11）:1-13.

[11]武紅敢,常原飛.高新技術(shù)在全國林業(yè)有害生物普查中的應(yīng)用前景分析[J].中國森林病蟲，2014，33（5）：30-34.

[12]廖靖，覃先林，周汝良.利用2種植被指數(shù)監(jiān)測中國6種典型森林生長期的比較研究[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014，34（3）：57-61.

[13]武紅敢等.森林災(zāi)害遙感監(jiān)測體系[J].森林資源管理，2014（5）：43-50.