高分辨率遥感的林业应用

张磊

森林资源的管理对践行生态文明建设具有重大意义，高分辨率遥感的应用，极大提升管理的效率

在林业领域中，高分辨率影像的运用主要集中在森林动态监测、森林树种识别、森林植被物理参数反演、森林灾害监测以及森林质量评估。

森林动态监测

森林动态监测就是利用遥感数据范围大、多尺度的特点，运用一定的数学方法、变换分析来检测遥感影像是否发生变化以及变化的程度大小。动态监测的结果可以用来揭示森林群落的演替机制与规律，预测森林资源的变化，培育森林资源，对实现森林资源的可持续利用具有重大作用。而且，高分辨率遥感在数据的精度上已经达到了亚米级，在森林资源动态监测中，能够更好地捕捉到森林资源的细微变化，对智慧林业的精细化管理具有重大意义。

森林树种识别

森林树种识别是指利用不同地物种具有不同光谱信息的特点，对森林内的不同树种进行光谱识别，为林业资源的调查和管理提供可靠的依据。由于森林树种之间存在着一定的相似性，往往会出现“同物异谱，异物同谱”的现象，因此在实际的应用中，利用高分辨率遥感影像具有的丰富纹理特征，将光谱信息、纹理信息、地形特征以及环境等结合在起来，极大提升了树种识别的准确度。

森林物理参数反演

森林植被的物理参数主要有植被的树高、胸径、冠幅、郁闭度、叶面积指数等，这些是森林资源调查的基础。

树高是林层划分的重要依据之一，不仅反映着森林的生产力，还可用于确定立木材积和材积生长率。国内外运用高分辨率遥感技术对树高的反演主要是通过激光雷达数据的判别和提取、植被指数等波段比值或单波段反射率统计模型、立体像对及数字表面模型（DSM）与数字高程模型（DEM）的空间相差模型以及点云和波形特征值的统计模型。

胸径是直接反映材积的重要指标。传统的胸径的测量主要是通过轮尺、直径卷尺和检径尺直接进行测量，效益低下。使用高分辨率遥感影像不仅可以快速获取大范围的树木胸径，极大地提升了工作效率，还可以保证提取的精度。提取的主要手段是通过激光雷达扫描获取三维点云来估算。

树冠是树木光合作用最主要的场所，对冠幅进行准确的判断和研究，可以更好地用来监测树木的长势，预测树木的生物量和蓄积量。冠幅的提取主要通过高分辨率影像的多尺度冠幅分割与面向对象信息提取。

郁闭度是反映林分光能的利用程度，确定抚育间伐、主伐更新和控制采伐强度的重要参考，也是判定森林状况和进行森林碳储量、蓄积量和生物量估测的重要指标。过去人们基于遥感技术来获取森林郁闭度的研究，主要通过影像灰度值的变化以及灰度比值来进行估测，但是灰度值的变化极易受到纬度和太阳高度角的影响。高空间分辨率遥感技术的引入，产生了运用图像纹理特征信息对森林郁闭度进行提取的方法，解决了原有的缺陷问题。

叶面积指数是估计植物冠层功能的重要参数，也是陆地生态、水文模型中不可或缺的植被参数。叶面积指数的遥感反演的算法主要分为经验模型、物理模型和机器学习三种方法。高分辨的遥感可以在机器学习算法中提供更多精确的样本，对反演精度的提升，具有重要的作用。

森林灾害监测

通过遥感手段监测的主要有火灾与病虫害监测。

森林火灾是影响森林生态系统最为严重的灾害类型之一，不仅造成巨大经济损失，还会改变整个生态系统的碳循环过程和碳分布格局，破坏全球生态系统平衡。当前应用于森林火灾监测的高空间分辨率光学卫星，主要有中国环境减灾卫星、高分系列卫星、美国Landsat系列、欧洲Spot系列卫星等。2018年6月2日，大兴安岭汗马国家级自然保护区和内蒙古阿巴河林场相继发生森林火灾。火灾发生后，及时启动卫星遥感数据获取机制，利用气象卫星、高分四号卫星及多个极轨光学、SAR卫星数据，充分发挥各类卫星遥感数据优势，开展森林火灾火点实施监测及火烧迹地监测，为火灾应急扑救提供数据支撑。

森林病虫害是森林健康的大敌，影响着森林的可持续发展，每年直接或间接地造成经济损失，被称为“无烟火的森林火灾”。传统的病虫害的监测只能通过观察来判断，不仅浪费人力、财力、物力，有时还出现误判，导致错过了最优的防治和治疗时期。通过高分辨遥感技术可以快速、大范围地监测，极大地提升了监测的效率，同时能够及时准确地反馈病虫害信息。我国早在1978年就利用航天遥感技术对云南腾冲地区的松叶蜂灾害开始了监测，并测定了健康木与虫害木的光谱特征。

森林质量评估

森林质量的评估主要分为森林蓄积量和森林生物量两个方面。

森林蓄积量是反映森林资源的丰富程度、衡量森林生态环境优劣的重要依据，也是一个国家或地区森林资源总规模和水平的基本指标之一。森林蓄积量的估算主要基于森林调查实测胸高断面、树高、树种等信息得到实测蓄积量值，利用光学高分辨率遥感与微波遥感或多源数据相结合，依据光谱信息、纹理信息和环境地形因子，建立描述非线性关系的模型算法与人工神经网络等机器学习模型。

森林生物量是衡量生态系统生产力的重要指标，也是研究森林生态系统碳循环的重要基础。森林生物量估测大多基于实测胸径、胸高等调查数据，根据不同树种的异速生长方程计算得到。

存在的不足

虽然高分辨率遥感数据相比于低分辨率的遥感数据而言，具有丰富的空间信息，但是也存在一定的不足之处。第一，高分辨率影像由于数据量大，对处理高分辨率影像数据的机器性能要求高得多。第二，高分辨率影像价格昂贵。第三，分辨率提升的同时，光谱波段有所减小。当然，上述问题将会随着遥感技术的进步而逐步解决，高分辨率遥感技术在各林业的应用将会继续深入。

（作者单位：山东省青島市森林病虫害防治工作站）