我国林业遥感技术的发展及应用

唐盛哲 潘海云 廖兴文 杨开鸿 吴少晶

摘 要：林业资源是人类重要的生物资源，涉及林业资源的调查和监测工作专业性强，工作量大。遥感技术作为一种空间探测技术，在林业资源调查和监测方面发挥了积极作用。本文从我国林业遥感技术的起步开始，介绍了我国林业遥感技术的发展历程，并从森林资源调查、森林信息提取、森林动态监测和林业执法监察方面总结和分析了林业遥感技术在我国林业中的具体应用，为林业遥感技术的进一步研究和应用提供参考。

关键词：遥感技术;林业;发展;应用

中图分类号：S127                               文献标志码：A

Development and Application of Remote Sensing Technology in China’s Forestry

TANG Shengzhe1，PAN Haiyun2，LIAO Xingwen3，YANG Kaihong4，WU Shaojing5

（1Guangxi Shengqi Technology Co. Ltd.，Nanning，Guangxi 530028，China;2Nanning Senmian Technology Development Co. Ltd.，Nanning，Guangxi 530219，China;3Baise Forestry Industry Supervision Station，Baise，Guangxi 533000，China;4Quanzhou Shengfeng Agricultural Technology Development Co.，Ltd.，Quanzhou，Guangxi 541500，China;5Guangxi Forest Survey and Design Institute，Nanning，Guangxi 530001，China）

Abstract：
Forestry resources are important biological resources for human being. The investigation and monitoring work on forestry resources is highly professional and with heavy workload. Remote sensing technology，as a space exploration technology，has played an active role in the investigation and monitoring of forestry resources. This paper introduces the beginning and development course of forestry remote sensing technology in China，and summarizes and analyzes its specific application in forest resources survey，forest information extraction，forest dynamic monitoring and forestry law enforcement supervision，providing reference for further research and application of forestry remote sensing technology.

Key words：
Remote sensing technology;forestry;development;applications

遥感技术是一种从远离地面的不同工作平台上，通过传感器对地球表面的电磁波辐射信息进行探测，然后经信息的传输、处理和判读分析，获取地表物体几何和物理性质的综合性技术[1]。遥感作为一种空间探测技术，是在航空摄影和判读的基础上随航天技术和电子计算机技术的发展而逐渐形成的综合性感测技术，至今已经历地面遥感、航空遥感和航天遥感三个阶段[2-3]。林业遥感技术是指能够应用于林业的遥感技术，其通过非接触和非实地性的观测技术进行林业生物、地理、生态以及其他相关信息的调查和记录。我国林业遥感技术研究走过了从局部应用研究，到基础高新技术研究，再到大范围应用3个重要阶段[1]。目前，林业遥感技术已广泛应用于森林资源调查[4]、森林资源监测[5] 、森林病虫害防治监测[6]、森林信息提取[7]、森林火灾监测[8]、野生动物监测[9]和林业执法[10]等。本文在查阅我国林业遥感技术研究与应用方面颇具代表性的文献及资料的基础上，梳理和总结了我国林业遥感技术的发展历程及应用现状。

1 林业遥感技术的发展历程

我国林业遥感的起始时间可追溯到20世纪50年代，至今为止已经有近70 年的发展历程[1]。1951年至1980年，我国林业遥感技术处于以航空象片为主的目视解译应用阶段，在这30年间，林业遥感技术的应用局限于森林资源调查，以及部分森林火灾和病虫害防控应用[11]。1953年，我国林业部组建的空中视察队使用1/25万小比例尺旧地形图和中型飞机，以流域为单位进行了航空调查;1954年，我国引进了苏联的森林调查技术，创建了森林航空测量调查大队，以航空象片编制象片镶嵌略图和略图复照图，用航空象片进行立体判读，区划不同土地利用类型和森林类型的小班，并用小型低速飞机在空中对判读区划的小班逐个进行目测调查[12];1977年，利用美国陆地卫星MMS图像与航空象片和地面抽样实测相结合的双重抽样方法及卫星图像制图技术，在西藏全区开展森林资源清查，至此，我国首次利用卫星遥感手段完成森林资源清查工作[12-13]。80年代初，我国建立遥感试验场，进口了遥感数据处理软硬件设备，开始了基于计算机的遥感数据数字化处理和分析系统的研发，开展了森林波谱[12]、MMS数据的图像处理[12]、树种光谱测定[14]、地类分类及信息提取[15]、蓄积量估计[16]、城市绿地分布及对环境的影响[17]、林火监测[18]等一系列应用性试验研究，林业遥感技术的研究和应用也由单一的森林资源调查逐步走向多元化。随着1998年“数字地球”概念的提出和1999年第一颗高空间分辨率卫星IKONOS的发射[19]，中国林业遥感技术的发展也进入了快车道，而1981年至2000年这一期间也被称之为卫星遥感的开拓创新阶段[12]。在此期间，在我国140余名科技人员共同努力下，首次制定了再生资源遥感综合调查技术规范，在信息源评价、专业遥感调查、遥感系列制图、遥感图像处理、生态效益评价等关键技术领域取得重大突破，实现多种资源数据分析、管理和预测[20]。2000年后，我国开展了大量林业遥感技术研究工作，包括树冠信息提取[21]，星载高光谱遥感数据预处理[22]，森林类型遥感识别方法[23]，基于SPOT5 影像的小班区划方法[24]，森林叶面积指数和郁闭度估测[25-26]，機载高光谱数据优势树种识别技术[27]，森林叶绿素含量反演[28]，作物种类识别及长势检测[29] ，林业有害生物防治[30]等方面的研究，并取得丰硕成果，形成了林业综合监测技术体系，建立了森林资源综合监测集成平台，林业遥感综合应用服务平台，林业遥感技术得到了深度及广泛的应用[22]。

2 林业遥感技术的应用

2.1 森林资源调查

我国森林资源调查分为国家森林资源连续清查、县级单位森林资源调查和以森林经营作业设计为基础的作业调查。以上三种不同类型的森林资源调查中，只有以森林经营作业设计为基础的作业调查不需使用遥感技术即可完成。在森林资源调查过程中，遥感（RS）技术普遍与地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）融合使用，RS具备实时、快速、动态获取空间数据的能力，为GIS 提供及时、准确、大范围的森林资源数据;GIS 则收集、存储、处理和分析数据，并结合 GPS 为遥感信息的提取分析与应用提供重要手段和辅助数据资料，提高遥感数据的分类精度、存储能力和数据处理效率;GPS实时、连续确定地球表面任意地点的经纬度与高程，为 GIS 提供精准的地理位置数据，结合数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和 GIS，经过坐标转换、影像纠正，能够将地面与卫星或无人机遥感影像进行较高精度配准，形成数据模型[31]。目前，一般采用 TM 卫星影像开展国家性、大面积的森林资源调查，采用 SPOT 或Quickbird 影像开展地区性的森林资源调查。基于卫星影像的遥感技术，由于一些测量指标对分辨率要求较高，卫星影像分辨率难以达到要求。近年来，低空无人机遥感技术迅速发展，无人机林业遥感技术成为新时期的一种全新应用技术手段[32]。在森林资源调查过程中，无人机遥感处理系统反应速度极快，可在短短几分钟内，对采集的数字高程模型（DEM）及马赛克数据进行有效处理，同时获得的遥感影像空间分辨率比传统卫星遥感影像更高，在生态数据获取、植被制图、生物多样性调查和精准林业等方面得到广泛应用[33]。在干旱区域生态系统中，植物生长稀疏，个体矮小，即使高分辨率卫星遥感数据也难以完全满足准确提取植物分布的调查需求，而无人机遥感技术能较好地解决分辨率限制问题。邱燕宁等以宁夏中卫沙坡头草方格生态恢复工程区为对象，使用大疆Mavic pro 四旋翼无人机队在30 m 的相对高度进行正射影像拍摄（可见光波段为400～700 nm），获得了研究区域2 cm 空间分辨率的正射影像。所获取的高分辨率影像中，植物活体、干枯的麦草以及沙地在可见光波段具有明显差别，每个样方的植被分类精度均达到95%以上[34]。张和钰等[35]通过无人机平台和运动结构建模技术，获取1.5 cm高分辨率数字正射影像及数字高程模型（DEM），并利用决策树算法基于正射影像自动估算植被覆盖度，并与DEM数据进行叠加，分析戈壁区植被空间分布特征及其与地形的关系。在信息时代背景下，采用无人机林业遥感先进技术可实现小区域精准的资源调查，随着科技的进一步发展，无人机林业遥感技术将越来越先进和成熟，对未来林业发展具有重要意义。

2.2 森林信息提取

森林参数是反映森林质量和经营管理状况的重要指标。过去森林信息的获取主要通过样地调查的方式进行，其效率低、难度大、精度差，且不利于大区域调查研究。林业遥感技术作为一种新型的数据获取手段，能够精准有效地提取多类森林信息，包括森林树种识别[36]、森林蓄积量估算[37]、森林郁闭度估测[38]、叶面指数[39]、树高和冠幅[40]和森林林分株数[41]等信息的获取。近年来，林业遥感技术在森林树种识别中发挥重要作用，特别是在高精度下对复杂地形下的树种进行分类。随着科技的发展和数据的增多，林业遥感技术对树种识别及分类的精度也越来越高。其中，栗旭升等[36]对亚热带的天然次生林进行树种识别，其总体识别精度达87.51%;赵霖等[42]对亚热带的森林树种进行分类识别，总体精度达95.89%;刘丽娟等[43]对自然保护区内的树种识别总体精度达83.88%;张仓皓等[44]对毛竹立竹度的识别最高精度达91.12%。虽然遥感技术在森林树种识别及分类中得到了有效应用，但对树种丰富、遮盖度高以及地形复杂的森林生态系统的研究仍较少。为此，研究者们采用数据多源组合及优化计算方法的途径，解决单一数据获取困难，信息难以提取等难点。目前，林业遥感技术在森林叶面积指数反演方面的应用已比较成熟，主要采用经验模型方法和物理模型方法进行 LAI 的遥感估算。有学者利用高光谱数据在高模型精度（R2=0.77）条件下，顺利完成了植被叶面积指数的估算[39];部分学者还通过引入机器学习模型实施 LAI 监测，进而提高 LAI 估算精度。比如有学者将BRDF 校正影像应用于叶面积指数的建模反演，总体精度可达93.00%[45]。遥感技术在林木冠幅信息提取和林分蓄积量推算方面也得到有效应用，通过冠幅-胸径相关模型获得林木胸径，进而推算出林分蓄积量的方法可有效满足森林资源调查的精度需求。

2.3 森林动态监测

森林是一个庞大而又复杂的生态系统，会随着时间的变化而不断生长和繁衍。及时获取森林动态信息，有利于森林资源的有效管理、保护和利用，有利于及时处理森林中发生的应急性问题。林业遥感技术实现了对森林动态的全天候实时监测，在森林火灾防治、森林病虫害监测、森林沙漠化监测、森林湿地监测、森林珍稀野生动物资源监测以及林木营养元素监测等多个方面得到有效应用。在森林火灾防治方面，通过遥感技术可及时准确的发现火情、获得火点位置信息，对火情动态进行侦察，计算过火面积，找出距火点最近水源、道路等，为消防官兵扑救战术制定提供数据支撑。以冕宁“4·20”森林火灾为例，遥感技术在该次火灾扑救中发挥了重要作用，各部门通过高分遥感纹理特征快速提取林火要素，获得了火场附近的水源位置、救援力量及扑救路线等重要信息，有效地帮助了该次火灾的应急扑救及隐患的预判[46]。在森林病虫害防治方面，武红敢等[47]利用光学航天遥感技术对广西6.7万 hm2的马尾松林分的松毛虫灾害情况进行监测，在800 m的飞行高度获取林区数据，并经GIS与GPS数据处理平台的转换，采用GPS导航，到达灾害区现场调查后，确认马尾松林分质量的变化 91.4%是由于松毛虫危害引起，误判率仅有 1.9%。在其他森林动态监测方面，金点点等[48]以江西赣州南方丘陵山地的18個县为研究范围，利用林业遥感技术建立了不同类型生态修复行为的监测评估体系。秦张丹等[49]以最新时相的 Landsat8 卫星影像为数据源，以“室内与实地相结合、人机交互解译与计算机自动提取双结合”手段，对喀斯特地区进行了石漠化调查研究。

2.4 林业执法监察

森林资源管理中，经常会出现毁林开荒、乱砍滥伐、违法占用林地等现象，而人工巡查不仅工作量大，而且准确度低、实效性差。林业遥感技术可以对破坏林地的行为做到实时监控、及时自动报警并有效取证，通过影像直接定位事发具体位置，准确计算出遭受破坏的林地面积及株树等信息，及时采取执法行动和补救措施[50]。林业遥感技术在自然资源监察工作中也发挥了重要作用，2020年，湖南省自然资源厅为提升执法监察工作效率，优化自然资源监察技术模式，采用遥感技术，通过年内不同分辨率和不同时相的遥感影像数据，做到早发现、早预警、早处置的自然资源执法监察要求[51]。

3 结语

遥感技术作为一种空间探测技术，在森林资源调查、森林信息提取、森林动态监测和林业执法监察中发挥着积极作用。随着科学技术的进步，光谱信息成像化，光学探测多向化，雷达成像多极化，地学分析智能化，环境研究动态化以及资源研究定量化，大大提高了林业遥感技术的实时性、实效性和运行性，使其向立体化、多层次、多尺度、多频率、全天候、高精度和高效快速的目标发展。随着无人机技术的快速发展， 无人机遥感技术给林业工作带来新的方法和思路，极大地提高了林业工作的效率和质量。今后，在无人机遥感技术研究方面，可进一步拓展无人机在林业上应用的广度和深度，为我国现代林业提供更有力的技术支撑，使之更好、更精准地服务于林业生产管理工作。

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作者简介：唐盛哲（1985-），男，工程师，主要从事3S技术在林业信息系统设计中的运用及研究。

*通信作者：潘海云（1986-），女，工程师，主要从事林业资源调查与规划设计。

收稿日期：2022-01-05

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