衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林資源及生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測中的應(yīng)用

摘 要：保護(hù)森林資源、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡，成為當(dāng)前我國生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)之一。在這一過程中，需要積極引進(jìn)和應(yīng)用衛(wèi)星遙感等先進(jìn)技術(shù)。從森林覆蓋變化、森林結(jié)構(gòu)參數(shù)估算、林木信息獲取3方面總結(jié)衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用，從水域監(jiān)測、土壤質(zhì)量分析、土地利用變化監(jiān)測、自然災(zāi)害監(jiān)測和評估4方面總結(jié)衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測中的應(yīng)用，以期為森林資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星遙感技術(shù)；森林資源；生態(tài)環(huán)境；監(jiān)測

中圖分類號：X87；X835 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2023）10-151-4

0 引言

森林資源在調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、保護(hù)水土、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等方面具有至關(guān)重要的作用。然而，部分地區(qū)為加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展，亂砍濫伐等情況屢禁不止，土地荒漠化、鹽堿化等問題愈發(fā)嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅我國生態(tài)環(huán)境安全。衛(wèi)星遙感技術(shù)是一種利用衛(wèi)星對地球表面物體進(jìn)行遙感探測的技術(shù)，其具有高時空分辨率、多光譜、高精度等特點，可以提供大量的有效數(shù)據(jù)。目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于森林資源監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測等領(lǐng)域，成為目前我國最有效的環(huán)境監(jiān)測手段之一。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用

森林資源是林地及其所生長的森林有機(jī)體的總稱，以林木資源為主。因此，該研究重點分析衛(wèi)星遙感技術(shù)在林木資源監(jiān)測中的應(yīng)用。

1.1 森林覆蓋變化監(jiān)測

受全球氣候變化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速影響，我國原有森林面積不斷減少。技術(shù)人員可通過衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取不同時間段、不同空間分辨率下的遙感圖像，并對其進(jìn)行比對和分析，從而得到森林覆蓋變化的相關(guān)信息，以便于更有效地對森林資源進(jìn)行管理和保護(hù)。

應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取森林覆蓋變化信息，主要包括如下幾個步驟：一是根據(jù)監(jiān)測環(huán)境選擇合適的遙感圖像數(shù)據(jù)，二是對圖像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理（如對獲取的遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行無云、影像光譜校正、影像濾波等預(yù)處理），三是對得到的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，四是通過外部數(shù)據(jù)驗證、比對，確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［1］。

1.2 森林結(jié)構(gòu)參數(shù)估算

森林結(jié)構(gòu)參數(shù)估算是衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林資源監(jiān)測中的另一個重要應(yīng)用方向。森林結(jié)構(gòu)參數(shù)包括森林中各種植物的數(shù)量、年齡、高度、胸徑、組成、空間分布、植被蓋度等特征參數(shù)。這些參數(shù)揭示了森林的空間結(jié)構(gòu)、物種組成、密度等信息，對于森林生態(tài)環(huán)境的評估、資源調(diào)查、管理和保護(hù)都有很重要的意義。技術(shù)人員根據(jù)森林結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以分析森林的演替、生物量、生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)功能等，還可用以開展森林火險預(yù)測、碳匯估算、物種多樣性保護(hù)等。

對于不同的森林類型和遙感數(shù)據(jù)集，技術(shù)人員需要采用不同的數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行分析，從而提高估算森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的準(zhǔn)確度。例如，在估算針葉林樹木高度時，可以使用光學(xué)遙感圖像和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)集結(jié)合像元級數(shù)據(jù)融合方法，以獲得更準(zhǔn)確、更精細(xì)的植被信息；在估算闊葉林樹冠密度時，可以使用合成孔徑雷達(dá)圖像和光學(xué)遙感圖像結(jié)合特征級數(shù)據(jù)融合方法，綜合利用雙波段反射率特征和林冠高度信息，從而實現(xiàn)對林木冠層空間結(jié)構(gòu)的全面獲取。

以山西省一處森林為例，說明如何利用不同遙感數(shù)據(jù)集與數(shù)據(jù)融合方法實現(xiàn)精準(zhǔn)估算森林結(jié)構(gòu)參數(shù)［2］。利用Landsat 8 OLI影像，通過植被指數(shù)和影像分類方法，提取出森林區(qū)域的植被覆蓋度、樹種等參數(shù)，反演植被高度等指標(biāo)。其中，歸一化差異植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可作為確定植被覆蓋度的指標(biāo)，其計算公式為（NIR-Red）/（NIR+Red）。NIR為近紅外波段反射率，Red為紅光波段反射率，NDVI與植被高度有較強(qiáng)的相關(guān)性。因此，通過NDVI與植被高度的線性回歸模型，可以估算出森林區(qū)域的樹高。

利用Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)，通過反射率、散射系數(shù)等參數(shù)，得到森林區(qū)域的植被生物量等參數(shù)。以岡薩雷茲散射模型為例，該模型展現(xiàn)了散射信號與植被生物量之間的關(guān)系，通過反演該模型參數(shù)，可以估算出森林區(qū)域的生物量。

利用數(shù)據(jù)融合方法，將Landsat 8 OLI和Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)集合，通過數(shù)據(jù)融合提高估算結(jié)果的精度。例如，利用加權(quán)平均法，可以將Landsat 8 OLI和Sentinel-1 SAR數(shù)據(jù)按照一定的權(quán)重加權(quán)平均，得到綜合的估算結(jié)果。

通過上述方法，可以利用不同遙感數(shù)據(jù)集結(jié)合數(shù)據(jù)融合方法實現(xiàn)森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的精準(zhǔn)估算。在實際應(yīng)用中，技術(shù)人員還可以結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗證和修正，提高估算結(jié)果的可靠性。

1.3 林木信息獲取

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術(shù)屬于一種高分辨率二維成像的主動微波遙感技術(shù)，是衛(wèi)星遙感技術(shù)中的一種。其通過搭載在平臺上的雷達(dá)設(shè)備發(fā)射信號，再通過接收地面反射回來的信號來確定地面目標(biāo)的相關(guān)信息。在森林覆蓋區(qū)域，SAR發(fā)射信號能夠穿透植被表層，獲取高精度的地面反射回波數(shù)據(jù)［3］。SAR反射信號中的相位和振幅信息可用于獲取林木參數(shù)，如樹木高度、胸徑等信息。這些數(shù)據(jù)最終被處理成高分辨率的圖像，反映出監(jiān)測區(qū)域林木高度、植被結(jié)構(gòu)特征等。

以我國松嫩平原上的黑土草原為例，說明利用SAR技術(shù)可以監(jiān)測黑土草原林冠高度信息［4］。黑土草原面積廣闊，是我國重要的牧區(qū)。探究該地區(qū)的林木信息情況對解決草原退化和沙漠化問題都具有重要意義。

2018年，研究人員通過Sentinel-1A/b衛(wèi)星的相關(guān)數(shù)據(jù)重點篩選了覆蓋黑土草原區(qū)域的詳細(xì)數(shù)據(jù)，選取了7—9月的數(shù)據(jù)。SAR圖像的分辨率為10 m，一共覆蓋了459個站點，每個站點大小為250 m×250 m。首先，研究人員對篩選數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)校正、波束平移、灰度定標(biāo)、多視幾何配準(zhǔn)和壓縮等，并且對于水面、城市、山脈等區(qū)域，采用不同的濾波和校正策略，從而保證得到精準(zhǔn)、可靠的林冠高度反演數(shù)據(jù)。其次，研究人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演處理，通過基于方位視角相干化串?dāng)_對比方法來反演黑土草原林冠高度。該方法包括有背景干擾消除、相干化、串?dāng)_去除、信噪比提高等多個步驟。研究人員還可以通過全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收器來獲得傳感器和站點之間的極化標(biāo)準(zhǔn)偏差。

通過數(shù)據(jù)分析，可以得到監(jiān)測時期內(nèi)黑土草原林冠高度變化。采用此方法，黑土草原內(nèi)大部分地區(qū)都能夠?qū)崿F(xiàn)林冠高度的精準(zhǔn)反演；黑土草原林冠高度在4.3～5.8 m，且分布不均勻。研究人員采集了InSAR圖像，分析樹高與正射影像之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)在小于4 m的樹高范圍內(nèi)，大多數(shù)樹冠可以被正射影像探測到，但對于較高的樹木，正射影像的探測能力不強(qiáng)。因此，該案例可以有效展示出SAR數(shù)據(jù)反演黑土草原林冠高度的可行性。這些結(jié)果為黑土草原的生態(tài)保護(hù)和管理提供了有價值的參考依據(jù)。

2 衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著人口的不斷增長和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題不斷加劇。因此，應(yīng)加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度。保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效手段之一就是定期監(jiān)測其變化情況，以便有關(guān)部門及時發(fā)現(xiàn)問題并采取合理措施，避免生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化。而衛(wèi)星遙感技術(shù)具有廣覆蓋、高效率、低成本等優(yōu)勢，能夠跨時空提供連續(xù)、準(zhǔn)確、大范圍的數(shù)據(jù)信息，是監(jiān)測生態(tài)環(huán)境變化的重要手段之一。

2.1 衛(wèi)星遙感技術(shù)在水域監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1.1 分析水質(zhì)、水文等信息。技術(shù)人員可以利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行水域監(jiān)測，如通過遙感儀器獲取圖像，監(jiān)測水域的許多重要參數(shù)，包括水面溫度、水深、透明度、總?cè)芙夤腆w、總懸浮物等水質(zhì)、水文信息。同時，技術(shù)人員還可利用相關(guān)數(shù)據(jù)研究水質(zhì)和水文特性的變化趨勢等，通過這些數(shù)據(jù)來區(qū)分和監(jiān)測不同類型的水域。衛(wèi)星遙感技術(shù)在水域監(jiān)測方面有著不可替代的應(yīng)用優(yōu)勢，能夠為水資源管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。在監(jiān)測水質(zhì)方面，技術(shù)人員可利用遙感數(shù)據(jù)獲取水體的顏色、透明度、葉綠素含量等信息，從而推斷出水體的營養(yǎng)狀況、富營養(yǎng)化程度等。技術(shù)人員還可利用遙感數(shù)據(jù)獲取水域的水面、水深變化等信息，從而預(yù)測水文變化［5］。

衛(wèi)星遙感技術(shù)可用于監(jiān)測湖泊和魚塘、儲水庫和河川、海洋環(huán)境等水域。①用于湖泊和魚塘監(jiān)測。技術(shù)人員可利用多光譜遙感技術(shù)和紅外遙感技術(shù)監(jiān)測湖泊和魚塘，實時掌握水體中金屬離子濃度、農(nóng)藥種類及其含量、藻類水平等信息。②用于儲水庫和河川監(jiān)測。技術(shù)人員可利用多光譜遙感技術(shù)監(jiān)測儲水庫、河川流量，追蹤并分析水域變化，包括水位上漲情況、泥沙流失、水流變化等。技術(shù)人員也可利用紅外遙感技術(shù)判斷水深，從而計算水域總體積。③用于海洋環(huán)境監(jiān)測。技術(shù)人員可利用雷達(dá)遙感技術(shù)獲取海洋漂浮物含量、地表反射率等信息，并且還可以計算海水的波高和風(fēng)浪變化。技術(shù)人員可利用這些數(shù)據(jù)判斷海岸線變化，創(chuàng)建各種海洋環(huán)境模型，以加強(qiáng)海洋資源管理［6］。

由于水環(huán)境的復(fù)雜性及傳感器的限制等問題，技術(shù)人員在利用衛(wèi)星遙感技術(shù)分析水質(zhì)、水文等信息過程中還存在一些不足。因此，有關(guān)部門需要加強(qiáng)對衛(wèi)星遙感技術(shù)的研究和開發(fā)，并結(jié)合地理信息、物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、模型參數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等；技術(shù)人員也要加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量和誤差控制，掌握影像處理、模型推理等技術(shù)，以提高分析質(zhì)量和精度。

2.1.2 獲取水體覆蓋范圍等信息。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取水體覆蓋范圍等信息，已成為開展水資源保護(hù)、防洪減災(zāi)等領(lǐng)域工作的重要手段之一。

2.1.2.1 獲取水體的空間位置和面積信息。技術(shù)人員可以通過可見光、紅外線等各種不同波段的遙感數(shù)據(jù)來獲得水體的相關(guān)信息。例如，根據(jù)紅外波段探測水體變化，并從原始圖像中得到水體的空間位置，通過圖形處理軟件生成圖像，然后對水體面積進(jìn)行計算，從而得到水體相關(guān)信息［7］。

2.1.2.2 獲取水體形狀信息。技術(shù)人員可以通過多光譜遙感數(shù)據(jù)獲取水體形狀信息，如水體的邊緣線和周圍的植被覆蓋情況。技術(shù)人員也可以通過衛(wèi)星遙感技術(shù)獲得水體沿岸區(qū)域的地貌信息，如巖石和沙灘的類型等。

2.1.2.3 獲取水體演變信息。水體演變信息包括水體的干涸、淤積、擴(kuò)張等變化情況。技術(shù)人員可以通過衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取的影像序列數(shù)據(jù)分析水體演化的時間序列。例如，技術(shù)人員可以對同一地區(qū)的多幅影像進(jìn)行疊加比對，分析水體的面積、位置、形狀等參數(shù)變化，從而預(yù)測水體演變趨勢，并制訂對應(yīng)的管理措施。

江蘇省太倉市即通過衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測太浦河流域的魚塘情況。太倉市是一個典型的江南水鄉(xiāng)，豐富的魚塘資源為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但隨著時間的推移，太浦河流域的魚塘也面臨著很大的生態(tài)風(fēng)險。于是，太倉市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心開始使用衛(wèi)星遙感技術(shù)，對太浦河流域的魚塘進(jìn)行長期、實時的監(jiān)測［8］。

技術(shù)人員通過衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取較高分辨率的魚塘遙感影像數(shù)據(jù)，同時采用模擬的具有空間閾值的自適應(yīng)截斷搜索優(yōu)化算法，并將其應(yīng)用到遙感數(shù)據(jù)計算，從而獲取水體及其底部反射信息數(shù)據(jù)，然后對提取到的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。這種操作方式既能進(jìn)行高時空分辨率的遙感數(shù)據(jù)采集，又可有效地避免因平臺或過程原因造成的干擾。首先，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括遙感圖像質(zhì)量評估、去除非水體像素、矯正幾何失真、去除云和陰影等處理。其次，使用邊緣檢測算法之一的canny算子來檢測和提取水體邊緣的輪廓，并進(jìn)行邊界化處理，從而得到準(zhǔn)確的水體范圍。最后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分割并提取相關(guān)重要信息，包括水體面積、水體深度、魚塘面積等。

總之，為了更好地利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取水體覆蓋范圍等信息，技術(shù)人員需要不斷完善遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提升數(shù)據(jù)精度；采用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和協(xié)同，完整反映水域信息；積極利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享，提高水資源的智能化管理水平。

2.2 衛(wèi)星遙感技術(shù)在土壤質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用

技術(shù)人員可以通過衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取土地表面的特征參數(shù)，如顏色、溫度、濕度等，進(jìn)而推斷土壤質(zhì)量、產(chǎn)能、適宜生長的植物種類等相關(guān)信息。應(yīng)用該技術(shù)可以獲得高分辨率的土壤影像，比傳統(tǒng)的野外監(jiān)測和分析方法更為準(zhǔn)確和全面，同時具備省時、省力等優(yōu)勢。

我國有許多應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行土壤有害物質(zhì)污染監(jiān)測和評估的案例。例如，黑龍江省大慶市利用Landsat遙感數(shù)據(jù)，對該區(qū)域的土壤重金屬污染情況進(jìn)行了評估；研究結(jié)果表明，該地區(qū)土壤鎘、鉛、銅等元素含量超標(biāo)區(qū)域較廣，整個區(qū)域土壤重金屬污染十分嚴(yán)重［9］。另外，福建省泉州市也利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對該區(qū)域的土壤磷污染情況進(jìn)行了監(jiān)測與評估，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)土壤磷污染區(qū)域與工業(yè)發(fā)展區(qū)高度相關(guān)，需要管控該區(qū)域污染源并逐步對受污染土壤進(jìn)行修復(fù)［10］。山東省泰安市部分研究人員根據(jù)在不同時段采集的Landsat TM/ETM+遙感圖像和地面數(shù)據(jù)（如土壤采樣數(shù)據(jù)、衛(wèi)星觀測站數(shù)據(jù)等），綜合分析土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH值、鹽含量等理化性質(zhì)，建立了土壤質(zhì)量評價模型，精確評估了當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量，并進(jìn)一步研究該地區(qū)水土流失和耕地污染情況［11］。

2.3 土地利用變化監(jiān)測

技術(shù)人員可以應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取土地利用變化的遙感影像數(shù)據(jù)，從而為自然資源管理和土地利用規(guī)劃提供精確的信息。衛(wèi)星遙感技術(shù)可以提供全面、定量、周期性的土地利用與覆蓋信息，從而有效揭示土地利用變化趨勢和特征，幫助決策者及時把握土地資源的變化狀況，為國土資源管理和土地利用規(guī)劃提供精確的信息支持。

2.3.1 基于遙感監(jiān)測的土地利用分類。通過圖像分類技術(shù)，對土地利用類別分別統(tǒng)計，建立地表覆蓋類型的空間分布圖，以定量表達(dá)土地利用現(xiàn)狀及其變化過程。

2.3.2 基于土地利用強(qiáng)度和景觀格局的分析。在對土地利用類型進(jìn)行分類后，可以分析土地利用強(qiáng)度和景觀格局，進(jìn)一步研究土地利用類型的分布情況和變化趨勢。通過這種分析方法，人們能夠了解到土地利用變化的影響因素和規(guī)律。

2.3.3 基于土地資源利用情況進(jìn)行效益評估。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以定量分析土地資源利用的空間分布和變化，因此，技術(shù)人員可以利用該技術(shù)對土地資源利用效益進(jìn)行評估。首先，技術(shù)人員要利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對土地資源進(jìn)行分類，同時建立土地資源類型劃分的數(shù)據(jù)庫。其次，技術(shù)人員可以通過衛(wèi)星遙感技術(shù)搜集關(guān)于土地利用與地表覆蓋的高分辨率影像，建立土地資源利用情況的模型。最后，技術(shù)人員通過土地資源類型劃分的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、土地資源利用的數(shù)據(jù)模型、土地利用的變化數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計分析，可獲得不同土地利用類型的面積、變化率、時間分布等信息，在此基礎(chǔ)上評估不同土地資源利用方式的效益。

2.4 自然災(zāi)害監(jiān)測和評估

衛(wèi)星遙感技術(shù)對于自然災(zāi)害的監(jiān)測和評估也具有重要的應(yīng)用意義。技術(shù)人員可通過應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取遙感影像數(shù)據(jù)，實時了解地表變化，及時監(jiān)測危險區(qū)域，判斷受災(zāi)程度，為相關(guān)部門制訂搶救措施提供數(shù)據(jù)支撐，為災(zāi)害發(fā)生時的應(yīng)急響應(yīng)提供重要的信息技術(shù)支持，減少災(zāi)害損失［7］。

在我國，衛(wèi)星遙感技術(shù)在自然災(zāi)害監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在2008年的汶川大地震中，衛(wèi)星遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于災(zāi)區(qū)的損失評估、救援物資調(diào)配等方面。衛(wèi)星遙感技術(shù)還能用于監(jiān)測河流、湖泊、水庫等水體水位，進(jìn)而預(yù)測可能出現(xiàn)的洪水情況并及時預(yù)警。另外，衛(wèi)星遙感技術(shù)還可以應(yīng)用于火災(zāi)監(jiān)測，幫助有關(guān)部門及時采取相應(yīng)的滅火措施，減少火災(zāi)造成的損失。

總之，衛(wèi)星遙感技術(shù)在自然災(zāi)害監(jiān)測和評估中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可以實現(xiàn)對災(zāi)害情況的實時監(jiān)測和自動錄像，提高有關(guān)部門應(yīng)急反應(yīng)的速度，有效減少災(zāi)害對人類和自然環(huán)境造成的損失。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)在自然災(zāi)害監(jiān)測中將會得到更加廣泛和深入的應(yīng)用。

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