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一、引言

林業(yè)承擔(dān)著森林和濕地生態(tài)保護(hù)、荒漠化治理、生物多樣性保護(hù)等國(guó)家重大任務(wù)，肩負(fù)著保護(hù)資源環(huán)境和維護(hù)生態(tài)安全的責(zé)任。林業(yè)在維護(hù)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(duì)氣候變化、維護(hù)生態(tài)安全中發(fā)揮著特殊作用[1]。為了科學(xué)評(píng)價(jià)林業(yè)生態(tài)建設(shè)和生態(tài)修復(fù)等工程效益，急需科學(xué)、翔實(shí)和連續(xù)的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)支持。遙感技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，已成為支撐林業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的主要技術(shù)手段。隨著林業(yè)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的發(fā)展，林業(yè)對(duì)高空間、高光譜和高時(shí)間分辨率遙感數(shù)據(jù)和處理技術(shù)的需求與日劇增，如森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查、生態(tài)工程造林成效等監(jiān)測(cè)都需要米級(jí)分辨率的遙感數(shù)據(jù)支持；過(guò)去由于缺少自主的高分?jǐn)?shù)據(jù)，主要依賴(lài)國(guó)外數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)價(jià)格昂貴，衛(wèi)星的數(shù)據(jù)獲取能力也十分有限，很難滿(mǎn)足林業(yè)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的需求。制約遙感數(shù)據(jù)林業(yè)業(yè)務(wù)化應(yīng)用的另一個(gè)技術(shù)瓶頸是海量遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計(jì)算瓶頸，系統(tǒng)自身的集成化程度低，應(yīng)用性能差，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的規(guī)范化運(yùn)行能力發(fā)揮[2]。

“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)”（簡(jiǎn)稱(chēng)高分專(zhuān)項(xiàng)）于2010年5月經(jīng)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)審議批準(zhǔn)啟動(dòng)實(shí)施，是《國(guó)家中長(zhǎng)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(gè)國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)之一，主要使命是加快我國(guó)空間信息與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，提升自主創(chuàng)新能力，建設(shè)高分辨率先進(jìn)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全的需要[3]。高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)是為支撐“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”重大專(zhuān)項(xiàng)（簡(jiǎn)稱(chēng)高分專(zhuān)項(xiàng)）應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)而立項(xiàng)實(shí)施的行業(yè)應(yīng)用示范項(xiàng)目，以服務(wù)于森林資源調(diào)查、濕地監(jiān)測(cè)、荒漠化監(jiān)測(cè)、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測(cè)和森林災(zāi)害監(jiān)測(cè)等調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)為目標(biāo)，重點(diǎn)圍繞高分專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃發(fā)射的7 顆民用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，研究解決自主高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)，形成滿(mǎn)足我國(guó)林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求的高分遙感林業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系；建設(shè)高分林業(yè)遙感應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高分林業(yè)應(yīng)用專(zhuān)題產(chǎn)品生產(chǎn)和服務(wù)，并開(kāi)展高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范。高分林業(yè)遙感應(yīng)用技術(shù)體系和應(yīng)用系統(tǒng)的建立，不但可滿(mǎn)足林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)高分遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的需求，而且對(duì)優(yōu)化林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)技術(shù)流程、提高生態(tài)監(jiān)測(cè)效率、服務(wù)于國(guó)家林業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)、以及提升林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)的智能化和自動(dòng)化水平均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-5]。

二、攻克的高分遙感林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)高分專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃發(fā)射的7顆民用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn)，圍繞森林資源調(diào)查、濕地監(jiān)測(cè)、荒漠化監(jiān)測(cè)、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測(cè)和森林災(zāi)害監(jiān)測(cè)等主要林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，開(kāi)展了高分遙感林業(yè)應(yīng)用技術(shù)研究，突破了8項(xiàng)高分遙感林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1.突破高分遙感林業(yè)資源類(lèi)型高精度分類(lèi)技術(shù)

充分發(fā)揮多源高分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)同觀測(cè)優(yōu)勢(shì)，突破了最佳分析單元的生成、最優(yōu)分類(lèi)特征自動(dòng)化選擇及高效穩(wěn)健機(jī)器學(xué)習(xí)分類(lèi)模型構(gòu)建等技術(shù)，有效提高了林業(yè)資源類(lèi)型分類(lèi)的精度、效率和自動(dòng)化程度。

（1）多源高分遙感森林類(lèi)型自動(dòng)化分類(lèi)技術(shù)

綜合利用高分一號(hào)、高分二號(hào)和高分四號(hào)等衛(wèi)星的高空間與高時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)，發(fā)展了以一類(lèi)清查固定樣地?cái)?shù)據(jù)為訓(xùn)練和精度檢驗(yàn)樣本構(gòu)建CART決策樹(shù)分類(lèi)器的森林類(lèi)型自動(dòng)化分類(lèi)方法；在黑龍江省森林類(lèi)型分類(lèi)中，該方法分類(lèi)精度達(dá)到88%。

（2）高分濕地類(lèi)型精細(xì)分類(lèi)技術(shù)

利用高光譜與高分辨率多光譜數(shù)據(jù)，提出了基于改進(jìn)型克隆選擇算法的濕地類(lèi)型遙感精細(xì)分類(lèi)方法，實(shí)現(xiàn)了濕地和濕地植被群落細(xì)分，分類(lèi)精度達(dá)89.09%。

（3）沙化土地類(lèi)型高分遙感自動(dòng)分類(lèi)技術(shù)

利用高分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)土壤高光譜數(shù)據(jù)，發(fā)展了一種基于分形網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化分割算法與支持向量機(jī)相結(jié)合的沙化土地高分遙感自動(dòng)分類(lèi)方法，精度達(dá)到85.61%。

2. 突破林業(yè)監(jiān)測(cè)專(zhuān)題要素高分遙感定量估測(cè)技術(shù)

針對(duì)森林蓄積量、沙地植被覆蓋度、林火燃燒強(qiáng)度等專(zhuān)題要素高分遙感定量估測(cè)，解決了模型構(gòu)建及其參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)瓶頸，提高了模型的穩(wěn)健性，實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)題要素的自動(dòng)化遙感精準(zhǔn)估測(cè)。其中包括：

（1）高分遙感森林蓄積量定量估測(cè)技術(shù)

基于高分影像光譜反射率、紋理、植被指數(shù)等特征，提出了一種按森林類(lèi)型分層估測(cè)森林蓄積量的定量方法，估測(cè)精度達(dá)到75.8%。

（2）沙化土地稀疏植被覆蓋度遙感估測(cè)技術(shù)

基于高光譜和多光譜NDVICAI/DFI特征空間分解光譜混合模型，實(shí)現(xiàn)了光合和非光合植被覆蓋度的定量精確估測(cè)，精度達(dá)到86%。

（3）林火燃燒強(qiáng)度遙感定量反演技術(shù)

基于Stenfan-Boltzman定律和高分四號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)特性，研發(fā)了一種利用高分四號(hào)中波紅外數(shù)據(jù)估算森林植被燃燒火勢(shì)強(qiáng)度的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)林火燃燒強(qiáng)度的遙感定量反演。

3. 云構(gòu)架下高分林業(yè)遙感應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建與按需服務(wù)技術(shù)

突破了云構(gòu)架下高分林業(yè)遙感應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)資源協(xié)同管理、產(chǎn)品流程定制和分發(fā)服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)高效穩(wěn)定運(yùn)行和服務(wù)。

（1）高分林業(yè)遙感應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建與協(xié)同管理技術(shù)

創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了以域?yàn)閱卧钠脚_(tái)資源管理模式，改進(jìn)了高性能、高可靠、高可用的NAS統(tǒng)一存儲(chǔ)平臺(tái)，滿(mǎn)足了海量高分遙感數(shù)據(jù)管理和服務(wù)對(duì)大容量、高I/O帶寬和系統(tǒng)擴(kuò)展性的要求。

（2）高分林業(yè)遙感專(zhuān)題產(chǎn)品流程定制與按需服務(wù)技術(shù)

突破多語(yǔ)言自動(dòng)服務(wù)封裝、可視化服務(wù)編排和算法服務(wù)資源組合，特定流程的并行化和虛擬化應(yīng)用與平臺(tái)交互等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量高分林業(yè)專(zhuān)題遙感產(chǎn)品的流程化定制生產(chǎn)和按需服務(wù)。

三、高分遙感林業(yè)應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)

1. 高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)概述

基于高性能計(jì)算環(huán)境和云架構(gòu)，建立了高分遙感林業(yè)應(yīng)用示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)、高分?jǐn)?shù)據(jù)林業(yè)預(yù)處理和加工子系統(tǒng)以及高分森林資源調(diào)查、高分濕地資源監(jiān)測(cè)、高分荒漠化監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、高分林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測(cè)、高分森林災(zāi)害監(jiān)測(cè)等5個(gè)專(zhuān)題應(yīng)用子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海量高分遙感數(shù)據(jù)并行處理和產(chǎn)品生產(chǎn)以及遠(yuǎn)程多客戶(hù)端同步操作運(yùn)行，并在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)了高分遙感專(zhuān)題產(chǎn)品信息的發(fā)布與共享。通過(guò)單點(diǎn)登錄、用戶(hù)權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)面向不同用戶(hù)的產(chǎn)品生產(chǎn)、分發(fā)模式。

2. 構(gòu)建了基于高性能計(jì)算環(huán)境和云架構(gòu)的高分林業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)

應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)由基礎(chǔ)支撐服務(wù)、網(wǎng)格計(jì)算資源管理、數(shù)據(jù)資源管理、應(yīng)用系統(tǒng)管理和接口與界面管理等5個(gè)功能模塊構(gòu)成。具有PB級(jí)存儲(chǔ)能力，管理和計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到48個(gè)，計(jì)算速度優(yōu)于5 Tflops，可支持100個(gè)并發(fā)用戶(hù)使用。

3. 研制了21種專(zhuān)題產(chǎn)品生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)題產(chǎn)品的流程化生產(chǎn)

為滿(mǎn)足高分林業(yè)專(zhuān)題產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，建成了森林資源調(diào)查、濕地資源監(jiān)測(cè)、荒漠化監(jiān)測(cè)、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測(cè)和森林災(zāi)害監(jiān)測(cè)等5大類(lèi)高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)。

基于高性能計(jì)算環(huán)境和云架構(gòu)的高分林業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，在實(shí)現(xiàn)高分一號(hào)、高分二號(hào)、高分三號(hào)和高分四號(hào)等衛(wèi)星數(shù)據(jù)自動(dòng)生成輻射校正、幾何精校正、正射校正和影像融合等4類(lèi)共性產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，研制了21種林業(yè)專(zhuān)題產(chǎn)品生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)題產(chǎn)品的流程化生產(chǎn)。其中：省級(jí)專(zhuān)題產(chǎn)品生產(chǎn)線包括森林類(lèi)型分布圖和森林資源年度監(jiān)測(cè)報(bào)告等2種；區(qū)域級(jí)專(zhuān)題產(chǎn)品生產(chǎn)線包括荒漠化程度現(xiàn)狀圖、濕地類(lèi)型分布圖、濕地植被類(lèi)型分布圖、濕地動(dòng)態(tài)變化圖、濕地區(qū)域洪泛受災(zāi)區(qū)結(jié)果圖、火情分布圖和區(qū)域?yàn)?zāi)害分布圖等7種；縣級(jí)專(zhuān)題產(chǎn)品生產(chǎn)線包括縣級(jí)森林蓄積量分布圖、縣級(jí)森林類(lèi)型制圖、小班地類(lèi)信息變化更新圖、沙化土地類(lèi)型分布圖、稀疏植被覆蓋度分布圖、荒漠化程度現(xiàn)狀圖、退耕還林工程造林地塊分布圖、退耕還林工程造林成林分布圖、天然林保護(hù)工程森林分布圖和工程區(qū)森林變化分布圖、退耕還林工程區(qū)森林分布圖、退耕還林工程區(qū)森林變化分布圖、變色立木分布圖等12種。

林業(yè)專(zhuān)題產(chǎn)品加工處理流程如圖2所示。

圖2 專(zhuān)題產(chǎn)品加工處理流程示意圖（以荒漠化程度現(xiàn)狀圖生產(chǎn)流程為例）

四、應(yīng)用情況

本研究形成的高分?jǐn)?shù)據(jù)及產(chǎn)品、關(guān)鍵技術(shù)以及高分林業(yè)服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)在全國(guó)森林資源清查、全國(guó)林地年度變更調(diào)查、全國(guó)森林資源宏觀監(jiān)測(cè)、全國(guó)濕地資源調(diào)查、全國(guó)荒漠化監(jiān)測(cè)、土地利用變化與林業(yè)碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)、全國(guó)石漠化監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)等13項(xiàng)全國(guó)性調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，以及三峽庫(kù)區(qū)森林資源年度監(jiān)測(cè)、云南森林資源二類(lèi)調(diào)查、湖南洞庭湖和江蘇太湖濕地調(diào)查、甘肅民勤生態(tài)工程監(jiān)測(cè)等7項(xiàng)地方性林業(yè)調(diào)查與監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用。不但滿(mǎn)足了林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)高分遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的需求，而且對(duì)提升林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)的智能化和自動(dòng)化水平均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。截至2018年8月，已向50多個(gè)林業(yè)單位分發(fā)高分?jǐn)?shù)據(jù)和專(zhuān)題產(chǎn)品9萬(wàn)多景；將森林資源監(jiān)測(cè)頻率由3～5年1次提高到1年1次，監(jiān)測(cè)精度普遍提高5%～10%；在森林資源調(diào)查中高分?jǐn)?shù)據(jù)替代國(guó)外數(shù)據(jù)率69%，在林業(yè)生態(tài)工程、石漠化監(jiān)測(cè)中近100%。

五、結(jié)語(yǔ)

高分遙感林業(yè)應(yīng)用研究，目前已攻克了高分一號(hào)到高分五號(hào)5顆高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在我國(guó)森林資源調(diào)查、濕地資源監(jiān)測(cè)、荒漠化監(jiān)測(cè)、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測(cè)和森林災(zāi)害監(jiān)測(cè)等主要調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用技術(shù)，建立了具有高性能計(jì)算環(huán)境和云架構(gòu)的高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自主高分?jǐn)?shù)據(jù)的自動(dòng)處理和共性產(chǎn)品的自動(dòng)生產(chǎn)以及21種林業(yè)專(zhuān)題產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而降低了高分遙感在我國(guó)林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用技術(shù)門(mén)檻和軟硬件資源配置需求，極大地滿(mǎn)足了我國(guó)林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)高分遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品和應(yīng)用技術(shù)的需求。

未來(lái)將針對(duì)高分六號(hào)、高分七號(hào)等國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星和林業(yè)碳衛(wèi)星等遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)，以及新時(shí)期林業(yè)和草原調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的需求，編制以生態(tài)保護(hù)和植被修復(fù)為主要目的的遙感調(diào)查或監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程，研發(fā)高分林業(yè)和草原監(jiān)測(cè)專(zhuān)題產(chǎn)品生產(chǎn)線，優(yōu)化和擴(kuò)充高分林業(yè)遙感應(yīng)用系統(tǒng)的功能，提升系統(tǒng)處理高分?jǐn)?shù)據(jù)和生產(chǎn)共性產(chǎn)品的能力，更好地為各級(jí)林業(yè)和草原主管部門(mén)的經(jīng)營(yíng)管理、規(guī)劃決策等業(yè)務(wù)提供技術(shù)服務(wù)。隨著新的國(guó)產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)在林業(yè)和草原調(diào)查和監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，將為生態(tài)環(huán)境保護(hù)和建設(shè)、林業(yè)資源利用、防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對(duì)全球變化等方面的宏觀決策和科學(xué)管理提供新的技術(shù)手段，并為“一帶一路”倡議、京津冀協(xié)同發(fā)展、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施提供重要的科技信息保障。