卫星数据辅助国家森林监测管理

卫星数据辅助国家森林监测管理

Satellite Data Aid Monitoring of Nation’s Forests

J oe Spruce是美国国家航空航天局（NASA）斯坦尼斯航天中心的一名科学家。他的姓Spruce意为“云杉”，与他的工作非常匹配，因为他的主要工作是与美国农业部林业服务局合作，利用NASA的卫星数据监测森林和其它植被的情况。中分辨率成像光谱仪（MODIS）是搭载在“水”（Aqua）和“大地”（Terra）地球观测卫星上的重要仪器之一，拥有36个离散光谱波段，可同时提供反映陆地表面状况，云边界、云特性，海洋水色、浮游植物，生物地理、化学，大气中水汽、气溶胶，地表温度，云顶温度，大气温度，臭氧和云顶高度等特征的信息，可用于对地表、生物圈、大气和海洋等情况进行长期全球观测。

森林是地球上最重要的资源之一，是生物多样化的基础，对于社会、环境、经济和生态的发展具有重要影响，因此，对地区性森林进行异常变化探测和早期预警是一项非常重要的工作。2003年，美国《健康森林恢复法案》提出，要开发一套国家森林早期预警系统，以探测美国森林潜在的异常情况，发现由昆虫、疾病、野火、极端天气及其它事件等导致的森林问题。

为了达到这一目的，美国农业部森林服务局位于北卡罗来纳州阿什维尔市的东部森林环境威胁评估中心，以及位于俄勒冈州普林威尔市的西部荒地环境威胁评估中心与NASA斯坦尼斯航天中心、美国地质服务局（USGS）的地球资源观测系统（EROS）中心，以及美国能源部的橡树岭国家实验室合作，计划开发一款近实时的早期森林预警系统，以识别、表征和追踪各区域森林所存在的异常情况。

最终，研究人员开发出了一种国家森林监测系统——ForWarn。该系统利用MODIS获得的卫星遥感光谱数据来评估森林的健康状况。MODIS获得的图像经过处理后，通过被称为“森林变化评估浏览器”（FCAV）的基于网络的用户友好型地理空间数据浏览器免费向公众提供。FCAV由北卡罗莱纳州阿什维尔大学的国家环境建模与分析中心开发和维护。美国能源部的橡树岭国家实验室负责MODIS数据的统计分析工作，并提供共享的超级计算服务。USGS的EROS中心开发出了一种可将NASA的MODIS获得的图像尽快分发的技术，以使数据可近实时地用于ForWarn系统的分析。通过FCAV，用户能够更方便地共享正在浏览的地图。如果森林管理人员发现异常，但不确定是什么原因，或其严重到何种程度，他们就可以通过橡树岭国家实验室的共享技术与其他人共同讨论问题。这种方式可有效提高通信效率，从而尽早发现和解决问题。

据Joe Spruce介绍，研究人员自2006年开始进行MODIS数据用于森林异常状况监测和分析的实验。他说：“MODIS任务利用了NASA应用科学项目的研究成果。该项目鼓励使用NASA的地球科学数据来改善环境监测和管理工作。ForWarn系统的成功应用为MODIS卫星数据的处理和社会效益的实现树立了典范。”美国农业部森林服务局ForWarn项目的负责人William Hargrove补充说：“如果区域中的森林的色彩比预期的更绿，那么，那里通常没有什么问题。但如果比预期的差，那么，就可能存在一些问题。”

▲来自ForWarn系统的图像能够显示出美国在2011年遭受干旱的地区

目前，ForWarn系统已被美国政府和各州的森林和自然资源管理人员所采用。植被的遥感观测能够使人们更好地理解植被所存在的区域性的异常情况，不管是非生物的还是生物的，而这些情况通过地面观测是无法实现的。其中，非生物因素包括飓风、干旱、冰雹、野火，以及风、河流的浮冰、霜冻等。生物因素通常为有害昆虫，例如宾夕法尼亚州的秋季结网毛毛虫所导致的落叶，华盛顿州夏天由西部云杉蚜虫所导致的植物死亡等。这些异常情况都可通过ForWarn系统进行监测。

ForWarn系统打破了传统的组织之间各自独立研究的格局，是各机构和组织精诚合作的成果，是任何单独的机构都无法完全依靠自身的力量完成的成果。研究人员提供了通过遥感方式使人们更加了解地球的途径，而这种创新合作成果的价值正在被人们所认可：ForWarn项目团队获得了联邦实验室联盟（FLC）东南地区2012年技术转移合作奖，以及2013年国家FLC跨机构合作奖。

据了解，目前，ForWarn系统已对美国及其邻近的陆地植被进行了监测。ForWarn系统主要通过人工观察来检查和识别卫星遥感图像中显示的异常情况，研究人员正在为该系统开发一种自动的异常识别应用程序，以自动标示出存在异常情况的森林，用以引起管理人员的注意。

基于近期的试验，William Hargrove和Joe Spruce相信，类似的监测方法在跟踪农业和山脉植被的异常情况方面也具有巨大的潜在应用价值。目前，他们正在开展相关研究工作，将ForWarn系统拓展应用于这些非林业领域异常状况的监测和识别。

通过这种跨机构合作开发的ForWarn系统，实现了NASA在地球科学数据领域投资对美国公众和其它团体的回报，体现了航天研究在地球生活中的价值。

(楠 译)