衛(wèi)星林業(yè)遙感系統(tǒng)及應(yīng)用

文 | 岳春宇 鄭永超 龐勇 李世明

1.北京空間機(jī)電研究所 2.中國(guó)空間技術(shù)研究院空間激光信息感知技術(shù)核心專業(yè)實(shí)驗(yàn)室 3.先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室4.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

一、引言

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，承擔(dān)著調(diào)節(jié)氣候和涵養(yǎng)水源等生態(tài)服務(wù)功能，對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)與環(huán)境及全球碳平衡、緩解全球氣候變化發(fā)揮著不可替代的作用，其本身及變化對(duì)陸地生物圈及其他地表過程有著重要影響。傳統(tǒng)的森林資源調(diào)查需要外業(yè)實(shí)地觀測(cè)，僅能獲得單個(gè)點(diǎn)位上的測(cè)量結(jié)果。雖然在地面收集的采樣地點(diǎn)森林調(diào)查數(shù)據(jù)精度較高，但是難以獲取大面積的調(diào)查數(shù)據(jù)，存在耗時(shí)久、費(fèi)用高、效率低等問題，不能滿足森林資源調(diào)查和生態(tài)過程監(jiān)測(cè)大范圍、高覆蓋、多時(shí)相、時(shí)空連續(xù)觀測(cè)等要求。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感、航空遙感、無人機(jī)遙感和地面遙感等都在林業(yè)資源調(diào)查中得到了應(yīng)用。衛(wèi)星遙感觀測(cè)范圍大，可定期重復(fù)觀測(cè)，是目前大面積森林調(diào)查的重要手段，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足，有效減少外業(yè)調(diào)查和計(jì)量的人力時(shí)間耗費(fèi)，并且能在保證精度的同時(shí)保證數(shù)據(jù)的空間完整性與時(shí)間一致性。本文從衛(wèi)星林業(yè)遙感系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜述了主流的衛(wèi)星林業(yè)遙感系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及衛(wèi)星林業(yè)遙感應(yīng)用方法。

二、衛(wèi)星林業(yè)遙感系統(tǒng)

1.主動(dòng)遙感系統(tǒng)

（1）衛(wèi)星微波遙感

微波可以穿透云層，不受天氣的影響，進(jìn)行全天時(shí)全天候觀測(cè)。微波雷達(dá)利用微波對(duì)森林葉子、枝條、樹干以及地面的散射信號(hào)，獲取樹高、樹冠和樹木三維結(jié)構(gòu)信息。主要用于林業(yè)遙感的微波波段范圍有X波段（2.4～3.75cm）、C波段（3.75～7.5cm）、S波段（7.5～15cm）、L波段（15～30cm）和P波段（30～100cm）。微波遙感的空間分辨率涵蓋米級(jí)到百米級(jí)別。

（2）衛(wèi)星激光遙感

星載激光雷達(dá)是一種新興的主動(dòng)遙感技術(shù)，通過發(fā)射激光脈沖，并接收激光脈沖到達(dá)森林后返回的能量來獲取森林垂直結(jié)構(gòu)信息。常用于林業(yè)遙感的激光工作波長(zhǎng)是1064 nm的紅外光和532 nm可見綠光，一般使用全波形和光子兩種探測(cè)體制。美國(guó)冰云與陸地高程衛(wèi)星（ICESat）上搭載的地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)是首個(gè)星載激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于測(cè)量冰蓋收支平衡、云和氣溶膠高度、陸地地形和植被特征等。

2.被動(dòng)遙感系統(tǒng)

（1）衛(wèi)星可見光遙感

可見光林業(yè)遙感利用森林葉子、針葉、枝條等對(duì)光子的吸收和散射輻射，獲取森林面積、森林種類、生物化學(xué)特性等信息?？梢姽舛喙庾V光學(xué)遙感傳感器可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)高分辨率對(duì)地觀測(cè)，通過生產(chǎn)各種比例尺的地圖專題產(chǎn)品，數(shù)字高程模型產(chǎn)品（DEM）數(shù)據(jù)等，用于森林覆蓋信息提取、森林類型識(shí)別等。

（2）衛(wèi)星高光譜遙感

高光譜遙感獲取電磁波譜中的可見光、近紅外、中近紅外、熱紅外等范圍內(nèi)窄的、連續(xù)的光譜波段信息，可以提供更加豐富和細(xì)致的光譜信息，在目標(biāo)識(shí)別和定量化應(yīng)用等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)更加顯著。通過高光譜指數(shù)可以進(jìn)行植被和農(nóng)作物、土壤類型和礦物質(zhì)及化學(xué)組成等的特征分析。

三、衛(wèi)星林業(yè)遙感應(yīng)用

從資源的角度看，遙感可以提供三個(gè)層次的森林資源信息。簡(jiǎn)單說就是“是不是”、“是什么”、“是多少”三個(gè)層次。第一個(gè)層次為森林覆蓋的空間范圍信息，區(qū)分森林、非森林，可以用來評(píng)價(jià)森林覆蓋的空間動(dòng)態(tài)變化，即“是不是”的問題。第二個(gè)層次主要是森林類型信息，了解不同森林類型的空間分布情況，即“是什么”的問題。第三個(gè)層次主要是森林的生物物理和生物化學(xué)特性（參數(shù)）信息，包括各種森林資源調(diào)查參數(shù)，如樹種組成、胸徑、樹高、株數(shù)密度、郁閉度、蓄積量/生物量、葉綠素含量等，即“是多少”的問題。

1.微波遙感

一般通過極化干涉測(cè)量技術(shù)（Polarimetric SAR Interferometry, PolInSAR）進(jìn)行林業(yè)遙感參數(shù)反演。通過微波觀測(cè)數(shù)據(jù)與森林的散射體形狀、分布規(guī)律和垂直結(jié)構(gòu)等特征，進(jìn)行極化特征表達(dá)建模，可以反演林業(yè)信息。 Christian Thiel等使用日本ALOS衛(wèi)星的L波段SAR數(shù)據(jù)，對(duì)西伯利亞森林進(jìn)行了森林覆蓋調(diào)查研究。

調(diào)查的對(duì)象包括已砍伐森林、新砍伐森林、林火區(qū)域和森林區(qū)域。根據(jù)森林極化參數(shù)對(duì)調(diào)查對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模分類?？紤]到森林極化參數(shù)受季節(jié)影響，研究分為冬季和夏季。試驗(yàn)證明，微波遙感可以實(shí)現(xiàn)較高的林業(yè)覆蓋調(diào)查精度（圖1）。

圖1 夏季和冬季的SAR森林圖像(RGB分別為HH/HV/VV極化層)

2.激光遙感

星載激光雷達(dá)是一種新興的主動(dòng)遙感技術(shù)，通過發(fā)射激光脈沖，并接收激光脈沖到達(dá)森林后返回的能量來獲取森林垂直結(jié)構(gòu)信息，主要分為線性全波形和光子兩種探測(cè)體制。

邱賽等在吉林汪清林區(qū)利用GLAS全波形數(shù)據(jù)提取波形長(zhǎng)度、地形坡度，建立基于波形參數(shù)的森林高度估測(cè)模型，林業(yè)反演試驗(yàn)區(qū)如圖2所示。

圖2 林業(yè)反演試驗(yàn)區(qū)

3.光學(xué)遙感

可見光林業(yè)遙感通過森林的吸收譜段進(jìn)行森林資源調(diào)查。李明澤等以可見光多光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)黑龍江大興安嶺地區(qū)建立了地位級(jí)指數(shù)全局估算模型。使用Lansat-7 TM多光譜遙感圖像反演出4種植被指數(shù)：歸一化植被指數(shù)（NDVI）、土壤修正植被指數(shù)（MSVI）、差值植被指數(shù)（DVI）和比值植被指數(shù)（RVI）。大興安嶺林業(yè)參數(shù)反演結(jié)果見圖4。

使用上述模型提取的森林樹高與環(huán)境一號(hào)A星（HJ-1A）高光譜成像儀（HSI）高光譜數(shù)據(jù)聯(lián)合，建立森林高度與高光譜中特定維度分量的映射關(guān)系，推廣到激光足印無法覆蓋的區(qū)域，得到測(cè)區(qū)森林冠層高度分布，反演結(jié)果見圖3。試驗(yàn)證明，可以較高精度從GLAS波形數(shù)據(jù)提取森林冠層高度。

圖3 林業(yè)反演結(jié)果

圖4 大興安嶺林業(yè)參數(shù)反演結(jié)果

根據(jù)上述林業(yè)反演參數(shù)，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行地位級(jí)指數(shù)估算（圖5）。

圖5 大興安嶺地位級(jí)指數(shù)反演結(jié)果

4.各種空間林業(yè)遙感手段的特征

不同層次的森林信息，林業(yè)遙感應(yīng)用需要使用不同平臺(tái)、不同類型的傳感器或者不同傳感器之間的組合來獲取相關(guān)信息?；旧鲜枪鈱W(xué)的輻射信息為主，激光雷達(dá)或SAR的結(jié)構(gòu)信息為輔，同時(shí)激光雷達(dá)與SAR測(cè)量數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充。

光學(xué)遙感器獲取森林反射太陽光光譜，進(jìn)而可以分辨是否為森林以及林分信息和各種森林生物物理特性（參數(shù)）的變化，可以完成林業(yè)三個(gè)層次信息的提取。

微波遙感也可以根據(jù)地物的微波反射信息進(jìn)行對(duì)三個(gè)層次的林業(yè)信息獲取。相較于光學(xué)遙感器，SAR具有全天時(shí)的特點(diǎn)，但與光學(xué)遙感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類方法不同，SAR獲取的主要是距離信息。在林分信息上，從SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行森林覆蓋類型的分類主要側(cè)重于不同樹種、年齡或密度的林分的宏觀結(jié)構(gòu)上的差異。通過干涉相關(guān)性，可以用SAR來估測(cè)森林高度。但是，從應(yīng)用效果和范圍來看，還是光學(xué)遙感更有應(yīng)用價(jià)值。

激光雷達(dá)森林遙感主要基于面積以及森林冠層內(nèi)植被三維分布描述的森林垂直結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行三個(gè)層次的林業(yè)信息獲取。其中單木樹冠或單木探測(cè)（ITD）主要由地基和航空激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)。天基激光雷達(dá)通過回波垂直分布提取預(yù)測(cè)變量和地面調(diào)查因子之間的關(guān)系。其優(yōu)點(diǎn)是可以直接獲取林下結(jié)構(gòu)信息，缺點(diǎn)是只能進(jìn)行宏觀的大范圍的遙感觀測(cè)。相對(duì)于光學(xué)的全面性，激光僅在三維分布參數(shù)獲取上具有一定優(yōu)勢(shì)，這種獲取結(jié)構(gòu)信息的優(yōu)勢(shì)也優(yōu)于SAR遙感器。但是綜合來看，天基激光雷達(dá)獲取的參數(shù)應(yīng)用效果和范圍依然弱于光學(xué)遙感。

四、結(jié)語

目前，已發(fā)展的空間林業(yè)遙感手段主要包括：光學(xué)遙感器、微波遙感器和激光遙感器。光學(xué)手段主要包括多光譜和高光譜遙感器，利用森林葉子、針葉、枝條等對(duì)光子的吸收和散射輻射，獲取森林面積、森林種類、生物化學(xué)特性等信息，但是不能獲取森林的垂直結(jié)構(gòu)信息。微波雷達(dá)包括X波段、C波段、S波段、L波段和P波段等SAR遙感器，利用微波對(duì)森林葉子、枝條、樹干以及地面的散射信號(hào)，獲取樹高、樹冠和樹木三維結(jié)構(gòu)信息，但是不能獲取林業(yè)的類型和分布等信息；另外不能直接獲取森林的垂直結(jié)構(gòu)信息，需要多譜段配合。激光雷達(dá)是新興的林業(yè)探測(cè)手段，與微波雷達(dá)類似，利用激光雷達(dá)穿透冠層的特點(diǎn)，根據(jù)測(cè)距信息，獲取森林木質(zhì)生物量和森林結(jié)構(gòu)信息，但是不能獲取林業(yè)的類型和分布等信息，垂直結(jié)構(gòu)信息的獲取精度還有待提高。

因此，大范圍林業(yè)遙感應(yīng)以天基遙感平臺(tái)數(shù)據(jù)為主，機(jī)載平臺(tái)和地基平臺(tái)作為驗(yàn)證和修正數(shù)據(jù)。滿足林業(yè)遙感應(yīng)用需求的配置應(yīng)該是多光譜/高光譜+SAR/激光雷達(dá)的組合。多光譜及高光譜獲得森林的輻射信息用來完成林業(yè)調(diào)查中是否是森林、林分信息以及各項(xiàng)生物物理和生物化學(xué)特性（參數(shù)）信息。SAR或激光雷達(dá)主要獲取森林的垂直結(jié)構(gòu)信息，從三維角度提升觀測(cè)獲取各項(xiàng)生物物理和生物化學(xué)特性（參數(shù)）的精度。