基于遥感技术的全国营造林监测体系建设构想

王小昆,王 耀,于世勇,贾 刚,李大瑞

(国家林业和草原局调查规划设计院,北京 100714)

0 引言

我国是世界上人工林面积最大的国家,第九次全国森林资源清查结果显示,目前,我国人工林面积7 954.28万hm2[1]。至今,我国每年仍进行着大面积的国土绿化工作,依据网络相关信息查询,2016—2019年,我国连续4年完成造林面积超666.67万hm2(1亿亩)。因此,开展全国营造林综合监测,掌握实际营造林面积和质量,是科学管理、科学决策的重要基础[2]。

我国造林核查工作始于1988年,自林业六大重点工程实施以来,全国营造林监测工作的形式不断演变,如造林实绩核查、造林成效核查、分工程核查、营造林综合核查等[3]。这些监测主要依靠人工现地调查的方式,投入人力较多,外业工作较为繁重,基层压力较大,总体效率不高。

随着遥感技术的迅速发展,遥感数据平台不断增多,可选的遥感影像类型越来越丰富,影像分辨率也越来越高,质量越来越好,为建立以遥感技术为主体的全国营造林综合监测体系提供了基础。

1 当前遥感技术的发展

1) 可获取的遥感影像不断丰富,数据成本不断降低。

目前,由航天、航空和地面观测台站网络等组成了以地球为研究对象的对地观测数据获取系统,具有提供全天候、全时域和全空间的数据能力[4]。卫星、航空摄影、无人机摄影所产生的遥感影像种类越来越丰富,分辨率逐渐提高。国产陆地观测卫星,如资源、高分、吉林一号、高景等系列卫星陆续升空,分辨率已达到亚米级。国产无人机技术更是发展迅速,无人机高清航拍影像使用逐渐增多。随着遥感数据储备量的增大,可选数据源增多,加之我国政府指导下的数据分享力度加大,各类资源监测的数据成本已大幅下降。

2) 各类应用平台数据储备日渐丰富,功能逐渐强大。

采用遥感技术进行全国营造林监测,必须基于全覆盖的、多期的遥感影像。显然,新建一套数据体系,每年重新购置(或接收)、处理遥感数据,从工作量、工作进度保证和经济性方面考虑都是经费投入大、甚至不可行的,较为理想的方式是依托一个现有的、较为成熟的遥感数据应用平台。

目前,林业调查工作中应用较多的遥感数据应用平台包括谷歌地球、奥维互动地图、天地图和国家森林资源智慧管理平台等。随着时间的积累,这些遥感数据管理平台数据储备日渐丰富,功能逐渐强大。如:

a.谷歌地球发布时间较早,技术较为成熟,其影像特点是色彩为真彩色,分辨率普遍较高,但是影像时段不能保证,特别是中国的许多非城市区域数据更新过慢,往往只有一期甚至没有高清数据。另外,由于各方面原因,谷歌地球在中国内地应用和二次开发等方面存在限制。

b.奥维互动地图是一款国内开发的集成多种数据源,且功能较为完备的地图工具,在移动端使用较多,但与谷歌地球一样,存在多数偏远区域缺少多期高清影像的情况。

c.天地图是国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务网站,是“数字中国”的重要组成部分,是国家地理信息公共服务平台的公众版。随着国产遥感卫星增多,天地图的遥感影像已经非常丰富,但天地图在客户端数据导入方面存在限制。

d.“国家森林资源智慧管理平台”是国家林业和草原局支持建设的森林资源数据管理平台,到2019年,平台已经储备了3个完整年度的、覆盖全国的中高分辨率遥感影像,以及3个年度的全国森林资源管理“一张图”更新数据。目前,该平台在全国森林资源管理方面发挥着巨大作用,并且,由于该平台为国家林业和草原局开发运营,对于林业行业的数据共享和平台二次开发方面存在优势。

2 我国当前的营造林监测工作概述

2.1 营造林监测开展情况

当前,我国的营造林监测:1)按照事权等级,主要分县级自查、省级复查和国家级核查。2)按照工程类别:a.部分国家重点工程,如退耕还林工程,要进行阶段性验收。b.部分地方重点工程,如北京市百万亩造林工程,要实行峻工验收;如河北张家口国家储备林工程,要专门招标开展第三方造林质量验收；等等。如上所述,营造林监测形式较为多样,尚未形成系统化的监测体系。

2002年开始,国家林业局开始实施全国营造林综合核查,通过对各重点工程的营造林检查进行整合,采用统一组织、统一标准和方法进行核查。该项目随着时代发展也在不断演变,项目名称由核查向监测转变,核查(监测)内容由全口径(工程类别包括重点和一般工程,造林方式包括人工造林、飞播造林、封山育林)向重点工程和人工造林倾斜,监测重点由实绩到实绩和成效并重,再向侧重营造林成效转变。2018年10月,按照中共中央办公厅《关于统筹规范督查检查考核工作的通知》(1)中共中央办公厅.关于统筹规范督查检查考核工作的通知.2018的要求,全国营造林核查工作停止。

2.2 营造林监测主要内容

1) 营造林面积。

营造林面积为各地本年度完成的,能够落到实际地块的面积。需符合的条件为:a.不能重复,既不能与近3～5年造林失败的造林小班重复,也不能在造林方式上进行重复(如将同样造林地块当做人工造林和封山育林分别上报)；b.不能虚报,不能只通过数字统计上报数据,而不能落到实地；c.所属类别要清晰,人工造林、人工更新、封山育林、飞播造林、退化林修复,均要落实到小班。

2) 造林成活率(保存率)。

造林成活率即为按照《造林技术规程》[5]技术标准,或项目确定的合格标准,达到造林成活标准的小班面积与上报完成造林面积的比例。

造林保存率即为人工造林3年(或飞播造林、封山育林5年)后,达到相关保存标准的小班面积与上报完成造林面积的比例。

3) 营造林管理指标。

营造林管理指标,即营造林地块的抚育、管护和管理等方面的指标,如苗木质量、苗木病虫鼠兔害,以及设计、检查验收、档案管理等方面的指标[6]。

3 遥感技术在营造林监测中的应用研究

3.1 遥感技术在营造林综合核查中的应用研究

全国营造林综合核查工作开展过程中,有关单位对遥感技术在营造林综合核查中的应用做了一些探索研究:

1) 遥感技术在营造林综合核查中的应用研究。2007年,国家林业局调查规划设计院以内蒙古杭锦旗为研究范围,探索了遥感技术在人工造林更新实绩、人工造林更新保存状况、封山育林实绩和成效,以及飞播造林实绩和成效检查中的应用效果,总结了在营造林综合核查中应用遥感技术的可行性[2]。

2) 中高分辨率遥感影像在营造林成效监测中的应用研究。随着林业“双增”目标的提出,营造林成效监测成为全国营造林综合核查工作重点关注的内容。2011年,国家林业局调查规划设计院以黑龙江省木兰县、内蒙古自治区鄂托克旗和杭锦旗为研究范围,应用中、高两级分辨率遥感影像分别对人工造林(更新)、封山育林和飞播造林成效进行监测,总结遥感技术在营造林成效监测中应用的可行性[7]。

3.2 无人机航拍在造林工程验收的应用

目前,遥感技术在造林验收中的应用主要体现在使用无人机航拍技术。由于无人机飞行的时间可控(随时可以航拍)、分辨率高(可以达到0.1m甚至更高),在一些高标准造林工程中使用较多。如目前我国大力开展的国家储备林建设项目的验收过程中,已经大范围推广使用无人机航拍数据对造林地面积和工程量进行验收。无人机航拍所获数据科学客观、验收结果有说服力[8]。

4 遥感技术用于营造林监测的优点和制约

4.1 优点

1) 利于形成全覆盖监测,掌握全国营造林情况,摸清“造了多少,造在哪里”。采用遥感技术结合地理信息系统,形成分年度的全国营造林小班数据库档案,可以明确全国总体营造林面积及其分布情况；通过对造林矢量数据叠加资源底图(包括后期国土调查成果),分析小班属性,结合遥感影像的判读,可以明确小班造林前地类,掌握不同林地地类造林、非林地造林等情况。

2) 利于挤出造林数据中的水分。通过连续落界、连年监测,形成年度造林小班数据库叠加,可以及时发现重复上报和虚报面积等问题。从长远看,也有利于落实政府保护发展森林资源目标责任制的量化考核。

3) 利于转变长期以来营造林“重量轻质、重造轻管”的问题。我国营造林之所以造得多存的少,很大原因就是重造林轻管护。造林(项目)只管3年(或5年,达到保存率或成效验收年份),之后自生自灭。管护主体不明晰,资金无保证,责任不明确,效果无保障。原来的营造林核查体系对保存率或成效验收后的保存状况不能完全掌握,遥感监测数据平台建立后,可以有效地对历史营造林进行长期监测。

4) 对于营造林成效监测效果较好,能够查清“成林多少”。以高分辨率影像为数据源,对于营造林小班初始地类的判读精度较高,在比较达到成林标准前后两期影像的基础上,能够准确提取营造林郁闭成林面积。

5) 使营造林监测的样本抽取更具针对性,提高监测效率。建立造林地块全覆盖申报制度,可先进行大数据分析(如:将造林类别与林地属性因子对应分析其相符性,封育项目分析其郁闭度标准是否相符,等等),对疑问小班,结合影像判读,最终通过提供补正材料,抽取疑似问题单位和造林小班,开展必要的外业现地核验。因抽取的样本更有针对性和代表性,可以有效减少抽取的样本数量,提高监测效率,精准打击虚报、串项乱报的问题,最终提高全国造林监测结果的准确性。

4.2 制约

1) 在管理平台上提交营造林矢量数据,还存在大量需要解决的问题。目前,国家六大重点林业工程的营造林任务都明确需要编制营造林设计,地方投资的一些高标准造林工程(如北京市的百万亩造林工程)、各地广泛实施的国家储备林工程等,都有条件提交造林小班的矢量数据。但全国仍有许多造林项目没有造林设计(或设计很粗放,只有示意图,甚至只统数据不落地),不具备矢量数据。另外,造林过程中存在不按设计施工,或认可施工变更但设计图未能及时变更的情况,从而导致营造林矢量图不准确；在全国造林设计中,还有许多单位由于没有集中连片的造林区域,造林矢量图存在面积大的小班套细班,细班以点状图层保存的情况；基层缺乏专业技术人员和专业设备,导致矢量数据存在误差。

2) 脱离现地验证,完全应用遥感技术尚不能充分判读造林状况。由于全国营造林树种、造林方式及整地模式较为复杂,单纯依靠遥感影像判读尚不支持全覆盖。首先,遥感技术对于造林苗木较小,造林痕迹不明显的造林小班实绩监测效果不佳。目前,我国造林中仍有柠条、红松、云杉等苗木规格很小的情况。另外,在南方,周边杂灌过高且生长过快,这些人工造林在整地、割灌、挖穴等痕迹不明显的情况下,遥感影像很难判读其造林实绩情况。其次,遥感技术对于有林地、疏林地或灌木林地内造林等情况监测效果不佳。我国营造林不仅存在于低效林改造、退化林改造、原有林改培中,还存在林冠下造林的情况,采用遥感判读手段,很难掌握新造林苗木的生长情况。

5 建立遥感技术为主体的全国营造林综合监测体系的构想

由于全国营造林综合核查(监测)工作停止,导致当前国家层面对于全国的营造林工作只能是通过各省情况上报来了解,而各省情况上报以统计数据为主,不能落地,不够全面客观。因此,在当前各地分散开展的营造林监测工作的基础上,建立遥感技术为主体的营造林监测体系,通过应用遥感技术将大量的外业监测工作逐渐转移到室内判读,从而大量减少外业监测量,降低基层工作压力,既有利于全国营造林工作的科学管理,也符合中央“放管服”的服务精神。

全国营造林综合监测体系应本着“先易后难、先试点后推开、边平台开发边运行反馈”的原则启动。

5.1 监测体系建设构想

依托“国家森林资源智慧管理平台”,建立“全国营造林监测评价系统”,开发营造林监测判读、录入、复核、统计、查询等功能,逐步开发移动端定位、录入、核验等功能。

将营造林小班矢量数据导入监测系统,利用“国家森林资源智慧管理平台”现有已成体系的遥感和森林资源管理“一张图”数据,对营造林成活(保存)率等级进行判读；抽取部分小班进行现地复核,以提高判读结果的准确性,并获取苗木质量、病虫害等管理类指标。

根据系统判读结果和各省营造林检查结果,结合必要的资料收集,即可完成全国营造林监测数据统计、汇总,编制监测成果。全国营造林监测体系的技术框架如图1所示。

图1 全国营造林监测体系技术框架Fig.1 Technological frame of National Afforestation Monitoring System

另外,各省现有营造林检查(包括县级自查和省级复查)中确定的营造林不合格(未保存)小班移交地方,要求进行补植补造,待补植补造工作完成后,在后续年度中重新导入监测系统进行判读。

5.2 实施思路

1) “全国营造林监测评价系统”实行分用户等级、分区域管理制度。县级林草主管部门负责组织重点工程参建单位或第三方技术服务组织在平台注册并填报矢量化数据,并按各营造林工程管理要求,对年度营造林面积进行自查,形成自查成果进行上报；省级林草主管部门负责组织省院进行技术指导,对本省填报数据进行省级审核,按照各工程管理要求进行省级复查并形成复查成果上报；国家林草局直属院对监测区工作进行具体协调和技术指导,对省级提交的矢量数据进行审核,对造林小班进行遥感判读,开展有效的现地复核验证,对监测成果进行分析汇总和统计,编制相关监测报告。

2) 先在国家重点工程项目安排多、有资金支持、重点生态治理的县级单位开展试点。分步、分区推动,摸索营造林遥感监测方法；起步阶段,监测内容以造林实绩为重点,造林小班的成活率判读可以参考当地县级自查和省级复查成果,划定相应等级,以保证判读的准确性；随着系统内造林矢量数据的逐渐丰富,判读重点应向造林成效转变,重点关注营造林的成林郁闭情况；待平台运行成熟后,根据平台监测成果,编制全国年度营造林白皮书,公布年度营造林面积及成效情况,回应社会关注；对于白皮书内历年未能成林的造林面积,要督促当地进行整改,确实存在困难的,要统筹营造林工程资金,加大科技投入,切实提高营造林成效,扭转“年年造林不见林”的局面。

3) 现场查证核验是确保监测质量的必要手段。从森林资源保护管理的经验可知,判读和核验是“天上看,地面查”,是互为补充、缺一不可的,同样适用于营造林的监测。首先,对于本监测系统发现的营造林虚报、乱报现象,抽取一定比例进行现地核验；其次,对于营造林成活和成效情况,以当前县级自查、省级复查的监测体系为基础,国家抽取少量必要的典型地块进行现地验证；第三,抽取少量地块,探索应用遥感技术,以提高我国营造林的监测水平。

4) 最大程度地减轻基层林草技术工作人员的工作压力。为改变基层林业工作繁杂繁重的局面,应从重点工程入手。有技术能力的实施单位自己实施,缺乏技术或技术力量薄弱的单位可聘请第三方服务单位实施,确保按照质量要求如实申报完整的营造林矢量化数据和信息。基层林草部门人员仅负责督促和管理,承担申报真实性的责任。对故意虚报、乱报的单位建立责任追究制度。

5.3 问题的解决对策

1) 关于营造林矢量数据提交困难的问题。要从有国家资金投入的重点工程、地方有投资保障的重点工程入手,逐步规范管理,确保重点工程设计、验收阶段形成矢量化数据。对面上造林、林农造林制定鼓励政策,凡能够实现申报的在当年和成林后分别给予相应比例的补助资金。

2) 关于部分营造林小班成活率不能准确判读的问题。首先,改判读成活率为成活等级,以提高判读准确度；其次,参考县级自查和省级复查结果,结合少量现地核实进行判读；第三,进行科学研究,如,可以研究NDVI和营造林成活率之间的关系,从而实现利用提取NDVI值,实现对造林成活率的判断。

6 结语

大力推进“智慧林业”、“感知林业”,进一步提升林业工作科技含量和管理水平,已经是当前林业工作的主导方向。目前,林业的三大主体工作——森林资源管理、森林防火和营造林中,森林资源管理和森林防火工作均已实现系统化、平台化管理,只有营造林工作尚未实现,这也是林业工作下一阶段应重点研究解决的课题。本文从技术角度探讨了基于遥感技术,依托“国家森林资源智慧管理平台”建立“全国营造林监测评价系统”,以实现对全国营造林进行科学监测的构想。该构想对于新时期营造林工程建设、管理和营造林监测工作开展具有实践借鉴意义。