广东省森林资源“天-空-地”一体化监测构建与应用*

丁 胜 魏安世 黄华兵

（1.广东省林业调查规划院，广东 广州 510520；2.中山大学 测绘科学与技术学院，广东 珠海 519082）

森林是陆地生态系统的主体，是人类赖以生存的必要保障和发展的基础，在支撑经济社会可持续发展中具有不可替代的作用，森林在自然和人为因素的共同作用下，森林生态系统无时无刻都在消长交替动态变化[1]。森林资源监测是对森林资源的数量、质量、空间分布及其利用状况进行分析和评价，是森林资源管理的基础性工作，是保持森林资源管理“一张图”数据现势性、时效性的重要手段，是实现森林资源精细、精确、精准管理，提高森林资源资源信息化管理水平的重要举措，监测成果是实行森林生态效益补偿和森林资源资产化管理，指导和规范森林科学经营，干部离任审计的重要依据。

广东省作为改革开放的前沿阵地，先后成功完成了森林资源与生态状况综合监测试点[2]、大样地监测试点[3]等任务，开展了基于3S 技术的年度森林资源监测方法研究[4]，积累了丰富的森林资源监测经验。按照国家在新时代下大数据发展趋势要求，以遥感技术、云计算技术等现代信息技术为支撑，按照“绿水青山就是金山银山”的思路，广东省逐步构建符合实际的森林资源“天-空-地”一体化监测模式，实现常态化森林资源监控机制，提高了森林资源管理水平。

1 “天—空—地”一体化监测技术

利用多源遥感数据和云计算技术，依托现有的全省森林资源管理“一张图”，深度融合卫星遥感获取的森林资源变化信息、无人机获取的现场观测资料以及地面林业模型等不同的技术手段和数据，发挥“天—空—地”各自优势，实现森林资源一体化监测。

“天”指卫星遥感对地观测技术，该技术具有快速、周期性等特点，通过获取大范围的多源、多尺度、多时相遥感数据，对覆盖同一地表区域、不同历史时期遥感影像和相关地理数据进行比较、分析，获取森林资源的动态变化信息，包括变化的空间位置、变化类型、变化的数量与规模、变化的状态与性质等，已成为森林资源变化监测研究的重要技术手段[5]。卫星遥感技术在森林资源调查、林火监测、病虫害监测、林业生态工程监测评价等各个方面得到了广泛应用[6]。森林资源遥感监测研究主要包括基于像素、基于特征和面向对象等监测方法与技术。覃先林等[7]利用MODIS 数据,分别采用红光—近红外差值法、共生纹理矩阵法和基于相似度的变化检测方法对我国东北林区的森林覆盖变化进行监测；邵亚奎[8]在谷歌云平台支持下，构建了光谱、纹理、地形等多维分类特征集，进行森林遥感监测与时空变化分析，周小成等[9]采用基于面向对象影像分析的思想，提出多层次面向小班对象的森林资源变化遥感监测方法，大大提高了变化检测和解译的时效性。

“空”指无人机(UAV)遥感，该技术是航空遥感的一种重要方式，日益成为一项空间数据获取的重要手段, 具有快速、机动、灵活、分辨率高、影像实时传输、高危地区探测、成本低等优点[10],是卫星遥感的有力补充。无人机航拍测量具有精度高、效率高和安全性高的“三高”的特点，在山区图斑调查时，调查效率提高 8～10 倍，提高外业调查效率的同时大大提高了调查的安全系数[11]。发挥无人机在森林督查等专项调查优势，对“天”发现突变小班进行及时现场取证。

“地”指全省范围森林参数（树高、平均胸径、公顷株数、公顷蓄积等）变化监测，遥感技术由于受到光学遥感信号局限性，以及遥感模型适用性，还不能对小班林分因子进行准确更新，主要通过林业生长模型来更新，通过研究不同树种胸径、树高和材积的最优生长模型[12-13]，更新自然增长的森林资源林分信息，实现精细化的监测。通过森林和林地变化图斑遥感判读区划、森林资源档案核实、现地核实等方法，建立森林资源一体化监测平台，及时更新动态监测数据，实现森林资源的空间和属性更新。

2 广东省森林资源“天—空—地”一体化监测体系

充分发挥卫星遥感技术在大尺度、快速、海量信息提取的优势，融合先进的林业监测模型和遥感技术，发现森林资源突变的图斑，实现变化信息的快速提取。利用无人机技术，核实和确认卫星遥感发现的变化信息，从而实现及时、快速、准确监测林业资源的变化。通过建设广东森林资源监测平台，整合数据孤岛，统一林业数据标准，充分利用“天”的卫星遥感变化信息，“空”的无人机现场取证，“地”的森林经营资料和林木变化趋势，构建森林资源一体化监测体系，提高了从数据更新、管理、成果展示以及决策等方面的效率和水平（图1）。

图1 森林资源“天-空-地”一体化监测体系Fig. 1 Integrated forest monitoring system of “space-air- ground”

2.1 森林资源遥感影像变化监测

传统森林资源变化主要是采用高分卫星监测技术，通过人工比对前后两幅高分影像的图斑变化，实现森林资源变化图斑的检测，是一种比较可靠的监测技术。虽然高分卫星在监测1 ～3 m的小目标图斑变化方面具有高空间分辨率的优势，但其每次观测的范围有限，地面覆盖宽度仅有十几公里。同时，高分辨率卫星的观测频度低，对同一地区重复观测的时间间隔长，加之华南气候条件下多云覆盖的影响，高分辨率卫星每年仅能提供一次覆盖我省的监测图斑，即每年实现一次森林资源变化图斑的监测。此外，现有的基于高分辨率卫星的图斑变化探测方法多以人工解译或人工目视与计算机识别相结合的半自动方法为主，变化图斑识别提取时间周期长。所以，通过高空间分辨率卫星数据，无法解决森林资源“过程监管”问题。为了及时发现破坏森林资源行为，快速掌握森林资源变化信息，我省充分利用中分遥感卫星能实现“周期短、覆盖广”的大区域森林资源变化快速监测，能快速提取森林资源变化信息提取，通过结合林业监测模型和遥感技术，突破了传统的以人工目视和半自动提取森林变化的方法，实现了快速提取突变小班，卫星遥感监测技术路线如图2 所示。通过在阳山县、从化市试点，自动检测变化图斑准确率达到85%以上，目前已经在森林督查和森林资源“一张图” 年度更新省级检查全面使用，通过中分遥感影像快速监测，对林木无证采伐、土地整理、违规使用林地等情况起到了震慑、 监督作用，取得很好的效果。

图2 卫星遥感监测技术路线Fig.2 Technical route of satellite remote sensing monitoring

2.2 森林资源无人机监测

随着无人机在林业行业中应用的不断深入,不仅大幅提高了林业调查工作的作业效率,而且将无人机航测获取的高分辨率的正射影像成果广泛运用到森林资源变化调查，包括人造成林、森林采伐、建设项目使用林地、开垦林地、森林灾害等方面得到了广泛应用。广东省在每年的森林督察等工作，各县区全面使用无人机现场取证，降低外业工作强度，提高了林业调查技术水平。图3、图4 分别为无人机拍摄森林采伐、项目使用林地正射影像。

图3 森林采伐正射影像Fig.3 Orthophoto of deforestation

图4 建设项目使用林地正射影像Fig.4 Orthophotos of forest land construction projects

2.3 广东省林业生长模型研究

广东通过持续对森林树高、胸径、冠幅、蓄积量等生长模型基础研究，建立了符合广东实际林分生长模型。余松柏等[12]建立了基于立地分级的林木生长更新的模型 。叶金盛等[14]通过在广东省范围内收集了254 块样地资料，建立了广东省马尾松Pinus massoniana、杉木Cunninghamia lanceolata、湿地松Pinus elliottii、尾叶桉Eucalyptus urophylla、藜蒴Castanopsis fissa、软阔类、硬阔类等7 个树种（组）的相对树高曲线模型。林丽平等[15]通过2013 年及 2016 年的广东省樟树Cinnamomum camphora、木荷Schima superba、枫香Liquidambar formosana3 个树种的伐倒木数据，以广东省第 8 次连清样地数据，建立了广东省主要乡土阔叶树种樟树、木荷、枫香的胸径、树高和材积的最优生长模型。通过不断完善林木生长模型，提高了林分因子更新精度。

2.4 广东省森林资源一体化监测平台

综合运用”互联网+”及WebGIS 在线编辑技术，建立了基于广东省政务网的广东森林资源一体化监测平台，集中统一管理全省森林资源260多万个林地小班。各级林业主管部门可通过政务外网，在浏览器端实时更新森林资源变化数据，结合移动端数据采集系统、林业生长模型，构建森林资源数据外业采集、在线更新、报表统计、数据审核和结果反馈的一体化在线更新流程。

3 广东省森林资源“天—空—地”一体化监测成效

3.1 监管机制不断完善

通过运用使用“天—空—地” 一体化监测技术手段，及时发现森林资源消长变化，建立了覆盖全省、分级负责、上下联动、齐抓共管的常态化森林资源监测监管机制。资源监管执法从被动式、运动式向主动式、常规化转变，森林资源监管执法的权威性明显提升。

3.2 数据成果更加准确

广东森林资源管理“一张图”数据更加翔实，整合了森林资源数据、国家公益林数据、省级、市级公益林数据，天然林落界数据、湿地、石漠化等数据，实现管理界线、面积规模、资源现状一致，数据成果更加准确。

3.3 监测方法更新优化

率先在全国建立了森林资源管理“一张图”一体化监测平台，详见图5，实现了森林督查、森林资源档案更新、天然林落界、公益林核定等工作深度融合，统一了技术标准和更新方法，实现了“县级在线更新、市级实时监控、省级自动汇总”新模式，森林资源数据实时在线更新。通过几年的使用 ，经受了实践考验，大幅提高了工作效率与质量，推进了监测技术进步，有效地提高了工作效率，真正实现了森林资源“一张图、一套数”。

图5 森林资源管理“一张图”一体化监测平台Fig.5 “One map” integrated monitoring platform for forest resource management

3.4 监测成果更加丰富

实现一次监测，多个成果目标。通过整合各类业务操作流程，实现森林资源管理“一张图”年度变更产出多项成果，包括森林资源档案更新、森林督查、生态公益林优化、天然林落界等数据成果和各类统计报表，客观反映全省森林数量、质量、生态服务价值以及空间分布情况，详见图6。监测成果用于广泛用于日常森林资源管理、林木采伐作业设计及管理、营造林作业设计及管理、使用林地审核审批、业务数据统计等。

图6 森林资源发布平台Fig.6 Forest resources information release platform

4 结论与讨论

通过森林资源“天—空—地”一体化监测构建与应用，充分挖掘和协同航天、航空和地面监测技术优势，实现了森林资源变化小班快速提取、现场取证、实时在线更新，满足了国家监测和省监测时间同步、技术标准统一、监测成果相互衔接的总体要求，实现了森林资源管理“一张图、一套数”，为各级政府考核、林政管理、森林经营等各方面工作开展提供了准确的数据支撑，效果明显。森林资源“天—空—地”一体化监测技术，相互补充，相互融合，相互依存，各自具有技术优势，在以下几个方便还需进一步研究。

建立多源遥感数据处理平台。随着国家加大数据开放和共享力度，多来源、多分辨率、多时相、多类别遥感数据越来越多，获取途径也方便，包括国产高分系列（高分一号、二号、三号等）、资源卫星系列（资源一号、资源三号）等，国外免费获取遥感数据包括美国Landsat 系列卫星，欧洲航天局哨兵系列卫星等。如何整合各类遥感数据源，建立不同数据源监测样本，依据现有森林资源管理“一张图”，进行数据挖掘以及深度学习，选择最优算法，实现从数据获取到变化信息提取与分析过程的自动化。

建立无人机一体化时空信息采集服务。随着5G 技术发展，通过无人机和5G 技术深度融合，实现无人机一体化时空信息采集服务。从航片影像获取到航片影像传输，通过后台服务器端进行遥感数据处理，同时编写地图服务配置文件将处理结果发布成影像地图服务，森林资源监测平台及时获取地图服务器，通过前端进行展示，实现一体化监测服务。

构建林草生态一体化综合监测体系。随着国土“三调”成果发布，林草监测需要适应“山水林田湖草沙”统一管理和助力“碳达峰”、“碳中和”战略要求，需要整合各类监测资源，构建林草生态综合监测评价体系，统筹开展森林、草原、湿地、荒漠化土地监测。