森林覆被下銅仁地區(qū)環(huán)境遙感研究動(dòng)向

劉懷鵬 熊波 邱雪超 胡邦紅 譚智勇 楊建

摘要：指出了森林生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)在突出區(qū)域生態(tài)特色、診斷當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)健康、分析生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空演變等研究中具有重要的作用，遙感技術(shù)在提取相關(guān)森林生態(tài)參數(shù)時(shí)具有大尺度、省時(shí)、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)勢，是主要的信息采集途徑?？偨Y(jié)了林業(yè)遙感的技術(shù)應(yīng)用范疇，分析了阻礙林業(yè)遙感迅速發(fā)展的主客觀原因，提出了在大生態(tài)背景下，依據(jù)區(qū)域森林資源特色、特殊地表帶環(huán)境特點(diǎn)來分析銅仁市級區(qū)域林業(yè)遙感技術(shù)研究動(dòng)向，認(rèn)為可在特定林木信息提取、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、環(huán)境要素反演、大數(shù)據(jù)分析方面展開深入研究，以期為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、區(qū)域生態(tài)旅游資源吸引力提高提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：銅仁地區(qū)；大生態(tài)；林業(yè)遙感；研究動(dòng)向；區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展

中圖分類號：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：16749944（2017）10020504

1 引言

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其廣泛的地表分布與復(fù)雜的林間結(jié)構(gòu)，為多種生物棲息提供了良好的環(huán)境，維護(hù)著生態(tài)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。與森林有關(guān)的林木參數(shù)、環(huán)境要素、干擾等因子共同指向森林生態(tài)系統(tǒng)的演替、健康與安全，因此相關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的獲取十分重要。遙感可以多時(shí)相、大尺度對地進(jìn)行觀測，海量數(shù)據(jù)的利用有助于對生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行綜合分析。

銅仁地區(qū)森林資源十分豐富，在維護(hù)自然生態(tài)平衡中起著重要作用，良好的森林植被是銅仁地區(qū)的生態(tài)品牌、最突出的生態(tài)優(yōu)勢[1，2]。但銅仁地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)仍十分脆弱，需要加強(qiáng)保護(hù)[3，4]。豐富的資源與脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，亟需要獲取相關(guān)的森林生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)，用以突顯地方特色和進(jìn)行生態(tài)保護(hù)。

筆者總結(jié)了遙感在林業(yè)環(huán)境信息化中可供應(yīng)用的技術(shù)范疇，分析了阻礙林業(yè)遙感快速發(fā)展的原因，提出了在大生態(tài)背景下，銅仁地區(qū)遙感技術(shù)應(yīng)用應(yīng)關(guān)注的研究方向與研究內(nèi)容，用以深入開展遙感研究，充分利用遙感技術(shù)，為生產(chǎn)實(shí)踐、區(qū)域吸引力提高提供科學(xué)支撐與方法，進(jìn)一步利用遙感大數(shù)據(jù)，分析森林資源響應(yīng)環(huán)境變化，為維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全與穩(wěn)定提供數(shù)據(jù)決策，促進(jìn)區(qū)域社會與環(huán)境協(xié)調(diào)健康發(fā)展。

2 林業(yè)遙感技術(shù)的應(yīng)用

2.1 技術(shù)產(chǎn)品

利用圖像處理技術(shù)，可獲取的林業(yè)遙感產(chǎn)品包括：二、三維電子影像產(chǎn)品，紙質(zhì)影像產(chǎn)品，地形圖產(chǎn)品，林相圖產(chǎn)品，郁閉度、密度、植被指數(shù)產(chǎn)品，地表反射率產(chǎn)品，溫度、濕度、負(fù)離子濃度反演產(chǎn)品，資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測產(chǎn)品，災(zāi)害監(jiān)測產(chǎn)品等[5，6]。此外，還可研發(fā)可視化的林業(yè)遙感參數(shù)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品[7]。

2.2 森林參數(shù)反演

利用影像與野外實(shí)測值建立關(guān)系模型，可對森林的溫度、濕度、空氣負(fù)離子含量、葉面積指數(shù)、冠幅、郁閉度、密度、胸徑、蓄積量、碳儲量等進(jìn)行反演[8～12]。在分類基礎(chǔ)上，基于地理坐標(biāo)信息確定不同林地類型的面積[13]。利用攝影測量方法測定個(gè)體樹高，利用影像光譜信息、紋理信息，結(jié)合常規(guī)分類方法（最大似然、支持向量機(jī)、隨機(jī)森林等）確定森林類型、樹種類型，經(jīng)影像分類或野外實(shí)測GPS坐標(biāo)等方法確定林木的位置分布等[14～16]。

2.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測

采用不同時(shí)相的數(shù)據(jù)源，經(jīng)特定信息提取，對土地的石漠化、荒漠化、沙化程度進(jìn)行監(jiān)測；影像對比分析，對土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)測[17]；提取濕地信息，經(jīng)過不同時(shí)相數(shù)據(jù)源的疊加分析，可對濕地資源進(jìn)行監(jiān)測[18]；分析多時(shí)相影像，對林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)成效進(jìn)行監(jiān)測[19]；對災(zāi)害（雪災(zāi)、火災(zāi)、水災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害、病蟲害）進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測中，根據(jù)遙感提供的技術(shù)方法，確定監(jiān)測對象的原貌、現(xiàn)狀、動(dòng)態(tài)過程及發(fā)展趨勢，為生態(tài)恢復(fù)或建設(shè)成效評價(jià)提供決策與分析依據(jù)[20]。

2.4 生物多樣性空間信息共享

利用不同時(shí)空尺度的遙感觀測數(shù)據(jù)通過定量反演等方法，可以獲取許多與生物多樣性有關(guān)的環(huán)境變量，例如：NDVI、地表溫度、大氣水分、土壤濕度等，這些環(huán)境變量可以為生態(tài)學(xué)家提供參考[21，22]。在對生物多樣性監(jiān)測指標(biāo)體系模型中的環(huán)境變量進(jìn)行分析時(shí)，利用地理信息系統(tǒng)可以將這些因素根據(jù)時(shí)空的變化統(tǒng)一在一起，通過其強(qiáng)大的空間分析功能，從空間的維度，挖掘生物多樣性信息隱含的空間規(guī)律，為生物多樣性的信息共享提供新的途徑與技術(shù)支持，提高生物多樣性領(lǐng)域的空間信息共享和服務(wù)水平[23，24]。

3 阻礙林業(yè)信息化發(fā)展的原因

遙感技術(shù)在林業(yè)信息化進(jìn)程中具有廣闊的舞臺，但從目前的研究中可以看出，有許多需要通過遙感技術(shù)來解決的實(shí)際林業(yè)問題容易被擱淺，導(dǎo)致遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用與大眾的期望存在很大的差距。

3.1 數(shù)據(jù)價(jià)格問題

阻礙遙感研究的其中一個(gè)壁壘是價(jià)格因素。來自中國遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)的資料顯示，低分辨率的遙感衛(wèi)星影像每景的價(jià)格上千元，而1 m高分辨率的遙感衛(wèi)星影像每景的價(jià)格高達(dá)數(shù)萬元，這樣昂貴的價(jià)位使龐大的民用市場潛力難以發(fā)揮。遙感數(shù)據(jù)價(jià)格較貴，針對大尺度、多時(shí)相的研究，投入成本太大，影響相關(guān)研究，因此，在我國，遙感應(yīng)用主要局限在公共事業(yè)部門和科研機(jī)構(gòu)，遙感數(shù)據(jù)利用率、共享率和商業(yè)化水平較低[25，26]。

3.2 圖像信息提取不易

由于遙感數(shù)據(jù)空間分辨率、光譜分辨率低及傳感器在光譜、空間分辨率方面二者不能兼顧的問題，以及地物間同物異譜、異物同譜現(xiàn)象的存在，目前基于像元、基于對象的計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類方法很難實(shí)現(xiàn)對森林樹種的識別。因此，在特定地物信息提取中，遙感技術(shù)還不能完全解決所有問題，存在技術(shù)瓶頸問題，為研究人員解決實(shí)際問題帶來困擾，也提出了巨大挑戰(zhàn)，在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)會制約著確切地物類型的識別[27～29]，比如森林樹種分類。

3.3 自然因素導(dǎo)致影像不可獲取

由于我國南方地區(qū)多云雨天氣，陰天數(shù)比例過高，衛(wèi)星過境掃描成像時(shí)會受到云層的干擾，想要獲取特定時(shí)相遙感數(shù)據(jù)的機(jī)會大大降低。研究中，特定森林參數(shù)提取可能需要多時(shí)相的影像數(shù)據(jù)，但由于某期影像被云全覆蓋或云的比例過高而不能使用，這樣特定的森林參數(shù)就無法被提取，好的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不能被執(zhí)行，無法實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境遙感監(jiān)測，妨礙了專家學(xué)者通過遙感技術(shù)對森林環(huán)境進(jìn)行深入研究。

3.4 其他因素

地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平落后、研究人員的科研技術(shù)落后、創(chuàng)新理念薄弱、科研投入不足、科研管理等問題與原因都會導(dǎo)致林業(yè)信息化進(jìn)程變緩，甚至停止不前。

4 森林環(huán)境遙感研究動(dòng)向

林業(yè)遙感研究一方面要注重生態(tài)功能，研究結(jié)果要有利于保持區(qū)域生態(tài)環(huán)境的平衡穩(wěn)定與安全；另一方面要突出特色，研究結(jié)果可展示區(qū)域環(huán)境魅力，增加旅游吸引力，促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展；更重要的是通過整合多源大數(shù)據(jù)信息，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的格局、過程、機(jī)理等進(jìn)行研究，建立多學(xué)科遙感指標(biāo)體系，通過模型預(yù)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境的時(shí)空分布特征，為決策者利用自然資源、保護(hù)自然資源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展。

4.1 特定信息提取

樹種的識別是林業(yè)遙感尚未解決的科學(xué)難題之一，亟需深入研究。銅仁地區(qū)森林資源豐富，可采用高分辨影像進(jìn)行分類試驗(yàn)；另外對于珍貴的古樹名木（古茶樹、菩提樹、楠木、紅豆杉等）、珍稀瀕危樹種（銀杏、珙桐等）、外來種等林木也要進(jìn)行遙感識別研究，建立檔案數(shù)據(jù)，實(shí)施長期監(jiān)測，避免外來物種脅迫，致使當(dāng)?shù)匚锓N滅絕。

通過遙感手段識別樹種，確定特定樹種的空間分布，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，除了可以有力推進(jìn)解決遙感技術(shù)識別樹種的問題，還可減輕森林資源調(diào)查的工作量，具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義[30，31]。

4.2 遙感監(jiān)測

我國南方較容易發(fā)生的災(zāi)害有雪災(zāi)、水災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害、病蟲害等，這些災(zāi)害破壞森林環(huán)境，嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，阻礙社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。通過遙感方法，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)災(zāi)害，實(shí)時(shí)監(jiān)控災(zāi)情發(fā)展，為災(zāi)害的防控提供強(qiáng)有力的支持，也是環(huán)境遙感需持續(xù)研究與解決的重大問題?？蓮南旅嬉恍┓较蛘归_研究：利用遙感圖像編制地質(zhì)災(zāi)害分布圖；研究識別不同遙感圖像下不同規(guī)模、不同亮度或?qū)Ρ榷鹊幕潞湍嗍鞯姆椒?；三維建模模擬分析、雷達(dá)數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測水災(zāi)、滑坡活動(dòng)可能達(dá)到的程度；建立遙感快速辨別森林病蟲害監(jiān)測的體系等。

4.3 環(huán)境要素遙感反演

對區(qū)域環(huán)境中的溫度、濕度、空氣負(fù)離子濃度等進(jìn)行遙感反演，分析其時(shí)空分布與動(dòng)態(tài)變化，生成遙感影像產(chǎn)品或動(dòng)畫影片。以科學(xué)研究結(jié)果為依據(jù)，分析確定最適宜于人體養(yǎng)生養(yǎng)心的溫度、濕度與負(fù)氧離子濃度分布區(qū)，通過媒體宣傳，增強(qiáng)科普力度，彰顯區(qū)域特色，提高旅游吸引力[32，33]，引導(dǎo)游客進(jìn)行養(yǎng)心養(yǎng)生旅游，有利于人們的身心健康，同時(shí)也有助力地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

4.4 多元數(shù)據(jù)的整合與應(yīng)用

應(yīng)用遙感機(jī)理結(jié)合環(huán)境變化的模型算法分析人類活動(dòng)對區(qū)域氣候變化的影響；利用RS與GIS相結(jié)合的生態(tài)環(huán)境分析模型分析人類活動(dòng)、氣候自然變化雙重因素對生態(tài)環(huán)境的影響；應(yīng)用“3S”技術(shù)，對因大型環(huán)境工程而受損的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)和重建，模擬過程，評價(jià)結(jié)果。

通過對多源信息區(qū)域陸表生態(tài)過程響應(yīng)因子的多學(xué)科理解與知識發(fā)現(xiàn)，以遙感信息提取和模型建立為基礎(chǔ)，建立多學(xué)科的遙感指標(biāo)研究體系，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的格局、過程、機(jī)理等進(jìn)行分析，研究區(qū)域生態(tài)環(huán)境時(shí)空分布特征及其動(dòng)態(tài)變化。

研發(fā)可視化的遙感產(chǎn)品，建立多時(shí)相區(qū)域林業(yè)遙感參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境動(dòng)態(tài)分析，預(yù)警環(huán)境變化。通過利用遙感的監(jiān)測數(shù)據(jù)與其他環(huán)境要素變化建立關(guān)系模型，開發(fā)一些預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)未來的模型，利用強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)能力，巨大的數(shù)據(jù)的搜尋能力，幫助決策者評估各種人類行動(dòng)方案所產(chǎn)生的生態(tài)后果及補(bǔ)償機(jī)制。

5 結(jié)語

在科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步的今天，生態(tài)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來臨，生態(tài)觀測將迎來“數(shù)據(jù)洪流”，如何處理與有效利用這些數(shù)據(jù)已經(jīng)成為亟需解決的關(guān)鍵問題。林業(yè)遙感數(shù)據(jù)是生態(tài)領(lǐng)域大數(shù)據(jù)中的一類數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可提取、凝練大量與生態(tài)系統(tǒng)有關(guān)的森林參數(shù)，用以具體刻度區(qū)域生態(tài)環(huán)境的時(shí)空特征變化。

銅仁地區(qū)森林資源豐富、物種多樣，擁有巨大的生態(tài)優(yōu)勢。在依托生態(tài)優(yōu)勢的發(fā)展過程中應(yīng)充分利用遙感（或“3S”技術(shù)）等技術(shù)手段，監(jiān)測環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)；確定珍稀瀕危樹種的遙感分布，繪制溫度、濕度、空氣負(fù)離子濃度時(shí)空圖譜，彰顯區(qū)域生態(tài)特色，增強(qiáng)旅游吸引力，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)；整合多元數(shù)據(jù)，分析生態(tài)環(huán)境時(shí)空變化，維護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)安全與穩(wěn)定，促進(jìn)區(qū)域社會與環(huán)境協(xié)調(diào)、友好、健康發(fā)展。

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