文 | 岳春宇 鄭永超 龐勇 李世明

1.北京空間機電研究所 2.中國空間技術(shù)研究院空間激光信息感知技術(shù)核心專業(yè)實驗室 3.先進光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點實驗室4.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

一、引言

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，承擔(dān)著調(diào)節(jié)氣候和涵養(yǎng)水源等生態(tài)服務(wù)功能，對維護區(qū)域生態(tài)與環(huán)境及全球碳平衡、緩解全球氣候變化發(fā)揮著不可替代的作用，其本身及變化對陸地生物圈及其他地表過程有著重要影響。傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查需要外業(yè)實地觀測，僅能獲得單個點位上的測量結(jié)果。雖然在地面收集的采樣地點森林調(diào)查數(shù)據(jù)精度較高，但是難以獲取大面積的調(diào)查數(shù)據(jù)，存在耗時久、費用高、效率低等問題，不能滿足森林資源調(diào)查和生態(tài)過程監(jiān)測大范圍、高覆蓋、多時相、時空連續(xù)觀測等要求。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感、航空遙感、無人機遙感和地面遙感等都在林業(yè)資源調(diào)查中得到了應(yīng)用。衛(wèi)星遙感觀測范圍大，可定期重復(fù)觀測，是目前大面積森林調(diào)查的重要手段，可以彌補傳統(tǒng)方式的不足，有效減少外業(yè)調(diào)查和計量的人力時間耗費，并且能在保證精度的同時保證數(shù)據(jù)的空間完整性與時間一致性。本文從衛(wèi)星林業(yè)遙感系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜述了主流的衛(wèi)星林業(yè)遙感系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及衛(wèi)星林業(yè)遙感應(yīng)用方法。

二、衛(wèi)星林業(yè)遙感系統(tǒng)

1.主動遙感系統(tǒng)

（1）衛(wèi)星微波遙感

微波可以穿透云層，不受天氣的影響，進行全天時全天候觀測。微波雷達利用微波對森林葉子、枝條、樹干以及地面的散射信號，獲取樹高、樹冠和樹木三維結(jié)構(gòu)信息。主要用于林業(yè)遙感的微波波段范圍有X波段（2.4～3.75cm）、C波段（3.75～7.5cm）、S波段（7.5～15cm）、L波段（15～30cm）和P波段（30～100cm）。微波遙感的空間分辨率涵蓋米級到百米級別。

（2）衛(wèi)星激光遙感

星載激光雷達是一種新興的主動遙感技術(shù)，通過發(fā)射激光脈沖，并接收激光脈沖到達森林后返回的能量來獲取森林垂直結(jié)構(gòu)信息。常用于林業(yè)遙感的激光工作波長是1064 nm的紅外光和532 nm可見綠光，一般使用全波形和光子兩種探測體制。美國冰云與陸地高程衛(wèi)星（ICESat）上搭載的地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)是首個星載激光雷達系統(tǒng)，用于測量冰蓋收支平衡、云和氣溶膠高度、陸地地形和植被特征等。

2.被動遙感系統(tǒng)

（1）衛(wèi)星可見光遙感

可見光林業(yè)遙感利用森林葉子、針葉、枝條等對光子的吸收和散射輻射，獲取森林面積、森林種類、生物化學(xué)特性等信息?？梢姽舛喙庾V光學(xué)遙感傳感器可以實現(xiàn)亞米級高分辨率對地觀測，通過生產(chǎn)各種比例尺的地圖專題產(chǎn)品，數(shù)字高程模型產(chǎn)品（DEM）數(shù)據(jù)等，用于森林覆蓋信息提取、森林類型識別等。

（2）衛(wèi)星高光譜遙感

高光譜遙感獲取電磁波譜中的可見光、近紅外、中近紅外、熱紅外等范圍內(nèi)窄的、連續(xù)的光譜波段信息，可以提供更加豐富和細致的光譜信息，在目標識別和定量化應(yīng)用等領(lǐng)域的優(yōu)勢更加顯著。通過高光譜指數(shù)可以進行植被和農(nóng)作物、土壤類型和礦物質(zhì)及化學(xué)組成等的特征分析。

三、衛(wèi)星林業(yè)遙感應(yīng)用

從資源的角度看，遙感可以提供三個層次的森林資源信息。簡單說就是“是不是”、“是什么”、“是多少”三個層次。第一個層次為森林覆蓋的空間范圍信息，區(qū)分森林、非森林，可以用來評價森林覆蓋的空間動態(tài)變化，即“是不是”的問題。第二個層次主要是森林類型信息，了解不同森林類型的空間分布情況，即“是什么”的問題。第三個層次主要是森林的生物物理和生物化學(xué)特性（參數(shù)）信息，包括各種森林資源調(diào)查參數(shù)，如樹種組成、胸徑、樹高、株數(shù)密度、郁閉度、蓄積量/生物量、葉綠素含量等，即“是多少”的問題。

1.微波遙感

一般通過極化干涉測量技術(shù)（Polarimetric SAR Interferometry, PolInSAR）進行林業(yè)遙感參數(shù)反演。通過微波觀測數(shù)據(jù)與森林的散射體形狀、分布規(guī)律和垂直結(jié)構(gòu)等特征，進行極化特征表達建模，可以反演林業(yè)信息。 Christian Thiel等使用日本ALOS衛(wèi)星的L波段SAR數(shù)據(jù)，對西伯利亞森林進行了森林覆蓋調(diào)查研究。

調(diào)查的對象包括已砍伐森林、新砍伐森林、林火區(qū)域和森林區(qū)域。根據(jù)森林極化參數(shù)對調(diào)查對象進行統(tǒng)計建模分類。考慮到森林極化參數(shù)受季節(jié)影響，研究分為冬季和夏季。試驗證明，微波遙感可以實現(xiàn)較高的林業(yè)覆蓋調(diào)查精度（圖1）。

圖1 夏季和冬季的SAR森林圖像(RGB分別為HH/HV/VV極化層)

2.激光遙感

星載激光雷達是一種新興的主動遙感技術(shù)，通過發(fā)射激光脈沖，并接收激光脈沖到達森林后返回的能量來獲取森林垂直結(jié)構(gòu)信息，主要分為線性全波形和光子兩種探測體制。

邱賽等在吉林汪清林區(qū)利用GLAS全波形數(shù)據(jù)提取波形長度、地形坡度，建立基于波形參數(shù)的森林高度估測模型，林業(yè)反演試驗區(qū)如圖2所示。

圖2 林業(yè)反演試驗區(qū)

3.光學(xué)遙感

可見光林業(yè)遙感通過森林的吸收譜段進行森林資源調(diào)查。李明澤等以可見光多光譜遙感數(shù)據(jù)對黑龍江大興安嶺地區(qū)建立了地位級指數(shù)全局估算模型。使用Lansat-7 TM多光譜遙感圖像反演出4種植被指數(shù)：歸一化植被指數(shù)（NDVI）、土壤修正植被指數(shù)（MSVI）、差值植被指數(shù)（DVI）和比值植被指數(shù)（RVI）。大興安嶺林業(yè)參數(shù)反演結(jié)果見圖4。

使用上述模型提取的森林樹高與環(huán)境一號A星（HJ-1A）高光譜成像儀（HSI）高光譜數(shù)據(jù)聯(lián)合，建立森林高度與高光譜中特定維度分量的映射關(guān)系，推廣到激光足印無法覆蓋的區(qū)域，得到測區(qū)森林冠層高度分布，反演結(jié)果見圖3。試驗證明，可以較高精度從GLAS波形數(shù)據(jù)提取森林冠層高度。

圖3 林業(yè)反演結(jié)果

圖4 大興安嶺林業(yè)參數(shù)反演結(jié)果

根據(jù)上述林業(yè)反演參數(shù)，對研究區(qū)域進行地位級指數(shù)估算（圖5）。

圖5 大興安嶺地位級指數(shù)反演結(jié)果

4.各種空間林業(yè)遙感手段的特征

不同層次的森林信息，林業(yè)遙感應(yīng)用需要使用不同平臺、不同類型的傳感器或者不同傳感器之間的組合來獲取相關(guān)信息。基本上是光學(xué)的輻射信息為主，激光雷達或SAR的結(jié)構(gòu)信息為輔，同時激光雷達與SAR測量數(shù)據(jù)互為補充。

光學(xué)遙感器獲取森林反射太陽光光譜，進而可以分辨是否為森林以及林分信息和各種森林生物物理特性（參數(shù)）的變化，可以完成林業(yè)三個層次信息的提取。

微波遙感也可以根據(jù)地物的微波反射信息進行對三個層次的林業(yè)信息獲取。相較于光學(xué)遙感器，SAR具有全天時的特點，但與光學(xué)遙感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類方法不同，SAR獲取的主要是距離信息。在林分信息上，從SAR數(shù)據(jù)進行森林覆蓋類型的分類主要側(cè)重于不同樹種、年齡或密度的林分的宏觀結(jié)構(gòu)上的差異。通過干涉相關(guān)性，可以用SAR來估測森林高度。但是，從應(yīng)用效果和范圍來看，還是光學(xué)遙感更有應(yīng)用價值。

激光雷達森林遙感主要基于面積以及森林冠層內(nèi)植被三維分布描述的森林垂直結(jié)構(gòu)信息進行三個層次的林業(yè)信息獲取。其中單木樹冠或單木探測（ITD）主要由地基和航空激光雷達實現(xiàn)。天基激光雷達通過回波垂直分布提取預(yù)測變量和地面調(diào)查因子之間的關(guān)系。其優(yōu)點是可以直接獲取林下結(jié)構(gòu)信息，缺點是只能進行宏觀的大范圍的遙感觀測。相對于光學(xué)的全面性，激光僅在三維分布參數(shù)獲取上具有一定優(yōu)勢，這種獲取結(jié)構(gòu)信息的優(yōu)勢也優(yōu)于SAR遙感器。但是綜合來看，天基激光雷達獲取的參數(shù)應(yīng)用效果和范圍依然弱于光學(xué)遙感。

四、結(jié)語

目前，已發(fā)展的空間林業(yè)遙感手段主要包括：光學(xué)遙感器、微波遙感器和激光遙感器。光學(xué)手段主要包括多光譜和高光譜遙感器，利用森林葉子、針葉、枝條等對光子的吸收和散射輻射，獲取森林面積、森林種類、生物化學(xué)特性等信息，但是不能獲取森林的垂直結(jié)構(gòu)信息。微波雷達包括X波段、C波段、S波段、L波段和P波段等SAR遙感器，利用微波對森林葉子、枝條、樹干以及地面的散射信號，獲取樹高、樹冠和樹木三維結(jié)構(gòu)信息，但是不能獲取林業(yè)的類型和分布等信息；另外不能直接獲取森林的垂直結(jié)構(gòu)信息，需要多譜段配合。激光雷達是新興的林業(yè)探測手段，與微波雷達類似，利用激光雷達穿透冠層的特點，根據(jù)測距信息，獲取森林木質(zhì)生物量和森林結(jié)構(gòu)信息，但是不能獲取林業(yè)的類型和分布等信息，垂直結(jié)構(gòu)信息的獲取精度還有待提高。

因此，大范圍林業(yè)遙感應(yīng)以天基遙感平臺數(shù)據(jù)為主，機載平臺和地基平臺作為驗證和修正數(shù)據(jù)。滿足林業(yè)遙感應(yīng)用需求的配置應(yīng)該是多光譜/高光譜+SAR/激光雷達的組合。多光譜及高光譜獲得森林的輻射信息用來完成林業(yè)調(diào)查中是否是森林、林分信息以及各項生物物理和生物化學(xué)特性（參數(shù)）信息。SAR或激光雷達主要獲取森林的垂直結(jié)構(gòu)信息，從三維角度提升觀測獲取各項生物物理和生物化學(xué)特性（參數(shù)）的精度。