高分遙感林業(yè)應(yīng)用研究

●

一、引言

林業(yè)承擔(dān)著森林和濕地生態(tài)保護、荒漠化治理、生物多樣性保護等國家重大任務(wù)，肩負(fù)著保護資源環(huán)境和維護生態(tài)安全的責(zé)任。林業(yè)在維護生態(tài)平衡中起著決定性作用，特別是森林具有巨大的固碳功能，在應(yīng)對氣候變化、維護生態(tài)安全中發(fā)揮著特殊作用[1]。為了科學(xué)評價林業(yè)生態(tài)建設(shè)和生態(tài)修復(fù)等工程效益，急需科學(xué)、翔實和連續(xù)的監(jiān)測和評價數(shù)據(jù)支持。遙感技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已成為支撐林業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測評價的主要技術(shù)手段。隨著林業(yè)監(jiān)測業(yè)務(wù)的發(fā)展，林業(yè)對高空間、高光譜和高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)和處理技術(shù)的需求與日劇增，如森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查、生態(tài)工程造林成效等監(jiān)測都需要米級分辨率的遙感數(shù)據(jù)支持；過去由于缺少自主的高分?jǐn)?shù)據(jù)，主要依賴國外數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)價格昂貴，衛(wèi)星的數(shù)據(jù)獲取能力也十分有限，很難滿足林業(yè)監(jiān)測業(yè)務(wù)的需求。制約遙感數(shù)據(jù)林業(yè)業(yè)務(wù)化應(yīng)用的另一個技術(shù)瓶頸是海量遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計算瓶頸，系統(tǒng)自身的集成化程度低，應(yīng)用性能差，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的規(guī)范化運行能力發(fā)揮[2]。

“高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項”（簡稱高分專項）于2010年5月經(jīng)國務(wù)院常務(wù)會審議批準(zhǔn)啟動實施，是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中部署的16個國家重大科技專項之一，主要使命是加快我國空間信息與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展，提升自主創(chuàng)新能力，建設(shè)高分辨率先進對地觀測系統(tǒng)，滿足國民經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展和國家安全的需要[3]。高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)是為支撐“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”重大專項（簡稱高分專項）應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)而立項實施的行業(yè)應(yīng)用示范項目，以服務(wù)于森林資源調(diào)查、濕地監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測等調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)為目標(biāo)，重點圍繞高分專項計劃發(fā)射的7 顆民用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，研究解決自主高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)，形成滿足我國林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)需求的高分遙感林業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系；建設(shè)高分林業(yè)遙感應(yīng)用服務(wù)平臺，實現(xiàn)高分林業(yè)應(yīng)用專題產(chǎn)品生產(chǎn)和服務(wù)，并開展高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范。高分林業(yè)遙感應(yīng)用技術(shù)體系和應(yīng)用系統(tǒng)的建立，不但可滿足林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)對高分遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的需求，而且對優(yōu)化林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測技術(shù)流程、提高生態(tài)監(jiān)測效率、服務(wù)于國家林業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)、以及提升林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測的智能化和自動化水平均具有重要的現(xiàn)實意義[4-5]。

二、攻克的高分遙感林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)項目針對我國高分專項計劃發(fā)射的7顆民用高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點，圍繞森林資源調(diào)查、濕地監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測等主要林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)，開展了高分遙感林業(yè)應(yīng)用技術(shù)研究，突破了8項高分遙感林業(yè)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，主要體現(xiàn)在以下三個方面：

1.突破高分遙感林業(yè)資源類型高精度分類技術(shù)

充分發(fā)揮多源高分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)同觀測優(yōu)勢，突破了最佳分析單元的生成、最優(yōu)分類特征自動化選擇及高效穩(wěn)健機器學(xué)習(xí)分類模型構(gòu)建等技術(shù)，有效提高了林業(yè)資源類型分類的精度、效率和自動化程度。

（1）多源高分遙感森林類型自動化分類技術(shù)

綜合利用高分一號、高分二號和高分四號等衛(wèi)星的高空間與高時間分辨率優(yōu)勢，發(fā)展了以一類清查固定樣地數(shù)據(jù)為訓(xùn)練和精度檢驗樣本構(gòu)建CART決策樹分類器的森林類型自動化分類方法；在黑龍江省森林類型分類中，該方法分類精度達到88%。

（2）高分濕地類型精細(xì)分類技術(shù)

利用高光譜與高分辨率多光譜數(shù)據(jù)，提出了基于改進型克隆選擇算法的濕地類型遙感精細(xì)分類方法，實現(xiàn)了濕地和濕地植被群落細(xì)分，分類精度達89.09%。

（3）沙化土地類型高分遙感自動分類技術(shù)

利用高分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)和實測土壤高光譜數(shù)據(jù)，發(fā)展了一種基于分形網(wǎng)絡(luò)進化分割算法與支持向量機相結(jié)合的沙化土地高分遙感自動分類方法，精度達到85.61%。

2. 突破林業(yè)監(jiān)測專題要素高分遙感定量估測技術(shù)

針對森林蓄積量、沙地植被覆蓋度、林火燃燒強度等專題要素高分遙感定量估測，解決了模型構(gòu)建及其參數(shù)優(yōu)化的技術(shù)瓶頸，提高了模型的穩(wěn)健性，實現(xiàn)了專題要素的自動化遙感精準(zhǔn)估測。其中包括：

（1）高分遙感森林蓄積量定量估測技術(shù)

基于高分影像光譜反射率、紋理、植被指數(shù)等特征，提出了一種按森林類型分層估測森林蓄積量的定量方法，估測精度達到75.8%。

（2）沙化土地稀疏植被覆蓋度遙感估測技術(shù)

基于高光譜和多光譜NDVICAI/DFI特征空間分解光譜混合模型，實現(xiàn)了光合和非光合植被覆蓋度的定量精確估測，精度達到86%。

（3）林火燃燒強度遙感定量反演技術(shù)

基于Stenfan-Boltzman定律和高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)特性，研發(fā)了一種利用高分四號中波紅外數(shù)據(jù)估算森林植被燃燒火勢強度的方法，實現(xiàn)了對林火燃燒強度的遙感定量反演。

3. 云構(gòu)架下高分林業(yè)遙感應(yīng)用服務(wù)平臺構(gòu)建與按需服務(wù)技術(shù)

突破了云構(gòu)架下高分林業(yè)遙感應(yīng)用服務(wù)平臺資源協(xié)同管理、產(chǎn)品流程定制和分發(fā)服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了平臺高效穩(wěn)定運行和服務(wù)。

（1）高分林業(yè)遙感應(yīng)用服務(wù)平臺構(gòu)建與協(xié)同管理技術(shù)

創(chuàng)新性地提出并實現(xiàn)了以域為單元的平臺資源管理模式，改進了高性能、高可靠、高可用的NAS統(tǒng)一存儲平臺，滿足了海量高分遙感數(shù)據(jù)管理和服務(wù)對大容量、高I/O帶寬和系統(tǒng)擴展性的要求。

（2）高分林業(yè)遙感專題產(chǎn)品流程定制與按需服務(wù)技術(shù)

突破多語言自動服務(wù)封裝、可視化服務(wù)編排和算法服務(wù)資源組合，特定流程的并行化和虛擬化應(yīng)用與平臺交互等技術(shù)，實現(xiàn)海量高分林業(yè)專題遙感產(chǎn)品的流程化定制生產(chǎn)和按需服務(wù)。

三、高分遙感林業(yè)應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)

1. 高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)概述

基于高性能計算環(huán)境和云架構(gòu)，建立了高分遙感林業(yè)應(yīng)用示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括應(yīng)用服務(wù)平臺、高分?jǐn)?shù)據(jù)林業(yè)預(yù)處理和加工子系統(tǒng)以及高分森林資源調(diào)查、高分濕地資源監(jiān)測、高分荒漠化監(jiān)測評價、高分林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測、高分森林災(zāi)害監(jiān)測等5個專題應(yīng)用子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

系統(tǒng)實現(xiàn)了海量高分遙感數(shù)據(jù)并行處理和產(chǎn)品生產(chǎn)以及遠(yuǎn)程多客戶端同步操作運行，并在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)了高分遙感專題產(chǎn)品信息的發(fā)布與共享。通過單點登錄、用戶權(quán)限管理實現(xiàn)面向不同用戶的產(chǎn)品生產(chǎn)、分發(fā)模式。

2. 構(gòu)建了基于高性能計算環(huán)境和云架構(gòu)的高分林業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺

應(yīng)用服務(wù)平臺由基礎(chǔ)支撐服務(wù)、網(wǎng)格計算資源管理、數(shù)據(jù)資源管理、應(yīng)用系統(tǒng)管理和接口與界面管理等5個功能模塊構(gòu)成。具有PB級存儲能力，管理和計算節(jié)點數(shù)達到48個，計算速度優(yōu)于5 Tflops，可支持100個并發(fā)用戶使用。

3. 研制了21種專題產(chǎn)品生產(chǎn)線，實現(xiàn)了專題產(chǎn)品的流程化生產(chǎn)

為滿足高分林業(yè)專題產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，建成了森林資源調(diào)查、濕地資源監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測等5大類高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范專題數(shù)據(jù)庫。

基于高性能計算環(huán)境和云架構(gòu)的高分林業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺，在實現(xiàn)高分一號、高分二號、高分三號和高分四號等衛(wèi)星數(shù)據(jù)自動生成輻射校正、幾何精校正、正射校正和影像融合等4類共性產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，研制了21種林業(yè)專題產(chǎn)品生產(chǎn)線，實現(xiàn)了專題產(chǎn)品的流程化生產(chǎn)。其中：省級專題產(chǎn)品生產(chǎn)線包括森林類型分布圖和森林資源年度監(jiān)測報告等2種；區(qū)域級專題產(chǎn)品生產(chǎn)線包括荒漠化程度現(xiàn)狀圖、濕地類型分布圖、濕地植被類型分布圖、濕地動態(tài)變化圖、濕地區(qū)域洪泛受災(zāi)區(qū)結(jié)果圖、火情分布圖和區(qū)域災(zāi)害分布圖等7種；縣級專題產(chǎn)品生產(chǎn)線包括縣級森林蓄積量分布圖、縣級森林類型制圖、小班地類信息變化更新圖、沙化土地類型分布圖、稀疏植被覆蓋度分布圖、荒漠化程度現(xiàn)狀圖、退耕還林工程造林地塊分布圖、退耕還林工程造林成林分布圖、天然林保護工程森林分布圖和工程區(qū)森林變化分布圖、退耕還林工程區(qū)森林分布圖、退耕還林工程區(qū)森林變化分布圖、變色立木分布圖等12種。

林業(yè)專題產(chǎn)品加工處理流程如圖2所示。

圖2 專題產(chǎn)品加工處理流程示意圖（以荒漠化程度現(xiàn)狀圖生產(chǎn)流程為例）

四、應(yīng)用情況

本研究形成的高分?jǐn)?shù)據(jù)及產(chǎn)品、關(guān)鍵技術(shù)以及高分林業(yè)服務(wù)平臺已經(jīng)在全國森林資源清查、全國林地年度變更調(diào)查、全國森林資源宏觀監(jiān)測、全國濕地資源調(diào)查、全國荒漠化監(jiān)測、土地利用變化與林業(yè)碳匯計量監(jiān)測、全國石漠化監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測等13項全國性調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)，以及三峽庫區(qū)森林資源年度監(jiān)測、云南森林資源二類調(diào)查、湖南洞庭湖和江蘇太湖濕地調(diào)查、甘肅民勤生態(tài)工程監(jiān)測等7項地方性林業(yè)調(diào)查與監(jiān)測業(yè)務(wù)中廣泛應(yīng)用。不但滿足了林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)對高分遙感數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的需求，而且對提升林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測的智能化和自動化水平均具有重要的現(xiàn)實意義。截至2018年8月，已向50多個林業(yè)單位分發(fā)高分?jǐn)?shù)據(jù)和專題產(chǎn)品9萬多景；將森林資源監(jiān)測頻率由3～5年1次提高到1年1次，監(jiān)測精度普遍提高5%～10%；在森林資源調(diào)查中高分?jǐn)?shù)據(jù)替代國外數(shù)據(jù)率69%，在林業(yè)生態(tài)工程、石漠化監(jiān)測中近100%。

五、結(jié)語

高分遙感林業(yè)應(yīng)用研究，目前已攻克了高分一號到高分五號5顆高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在我國森林資源調(diào)查、濕地資源監(jiān)測、荒漠化監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和森林災(zāi)害監(jiān)測等主要調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)中的應(yīng)用技術(shù)，建立了具有高性能計算環(huán)境和云架構(gòu)的高分林業(yè)遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)，實現(xiàn)了自主高分?jǐn)?shù)據(jù)的自動處理和共性產(chǎn)品的自動生產(chǎn)以及21種林業(yè)專題產(chǎn)品的生產(chǎn)，從而降低了高分遙感在我國林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)中的應(yīng)用技術(shù)門檻和軟硬件資源配置需求，極大地滿足了我國林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)對高分遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品和應(yīng)用技術(shù)的需求。

未來將針對高分六號、高分七號等國產(chǎn)高分衛(wèi)星和林業(yè)碳衛(wèi)星等遙感數(shù)據(jù)特點，以及新時期林業(yè)和草原調(diào)查和監(jiān)測業(yè)務(wù)的需求，編制以生態(tài)保護和植被修復(fù)為主要目的的遙感調(diào)查或監(jiān)測技術(shù)規(guī)程，研發(fā)高分林業(yè)和草原監(jiān)測專題產(chǎn)品生產(chǎn)線，優(yōu)化和擴充高分林業(yè)遙感應(yīng)用系統(tǒng)的功能，提升系統(tǒng)處理高分?jǐn)?shù)據(jù)和生產(chǎn)共性產(chǎn)品的能力，更好地為各級林業(yè)和草原主管部門的經(jīng)營管理、規(guī)劃決策等業(yè)務(wù)提供技術(shù)服務(wù)。隨著新的國產(chǎn)高分?jǐn)?shù)據(jù)在林業(yè)和草原調(diào)查和監(jiān)測中的應(yīng)用，將為生態(tài)環(huán)境保護和建設(shè)、林業(yè)資源利用、防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對全球變化等方面的宏觀決策和科學(xué)管理提供新的技術(shù)手段，并為“一帶一路”倡議、京津冀協(xié)同發(fā)展、長江經(jīng)濟帶建設(shè)等國家戰(zhàn)略的實施提供重要的科技信息保障。