高光譜遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用

洪 嬌， 舒清態(tài)， 吳嬌嬌

(西南林業(yè)大學(xué),云南 昆明 650224)

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高光譜遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用

洪 嬌， 舒清態(tài)， 吳嬌嬌

(西南林業(yè)大學(xué),云南 昆明 650224)

介紹了高光譜遙感技術(shù)的定義，闡述了當(dāng)前高光譜遙感技術(shù)在林業(yè)應(yīng)用中關(guān)于森林信息獲取、森林監(jiān)測和森林健康評價各個方面的運用，探討了高光譜遙感在林業(yè)中的發(fā)展趨勢。

高光譜遙感技術(shù)；林業(yè)；應(yīng)用

1　引言

20世紀(jì)80年代后期，成像光譜儀被廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、生態(tài)、地質(zhì)、水文和海洋等學(xué)科，充分的證實了遙感技術(shù)的應(yīng)用潛力與發(fā)展前途。尤其是近年來，隨著傳感器開發(fā)運用的不斷加強(qiáng)，成像技術(shù)也得到了較大提高與發(fā)展，遙感技術(shù)在各個研究領(lǐng)域的應(yīng)用也變得愈加廣泛。尤其是對林業(yè)而言，高光譜遙感技術(shù)的運用更是為其提供了理論支持與技術(shù)支撐，并越來越得到人們的重視。

2　高光譜遙感技術(shù)簡介

高光譜遙感(HyperspectralRemoteSensing)是高光譜分辨率的簡稱，指利用很窄的電磁波波段從感興趣的物體獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。高光譜遙感技術(shù)是在電磁波譜的紫外、可見光、近紅外和中紅外區(qū)域獲取許多及其窄且連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)[1]。這種全新的遙感前沿技術(shù)于20世紀(jì)末迅速發(fā)展，成為現(xiàn)階段人們獲取地球表面信息的一種主要手段。由于高光譜遙感的空間分辨率和光譜分辨率均高于常規(guī)遙感，且波段多而窄，是對常規(guī)遙感技術(shù)的繼承、發(fā)展與創(chuàng)新。尤其是在林業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，不僅能夠估測各種植物化學(xué)成分，對植物進(jìn)行生態(tài)學(xué)評價，還能極大提高森林樹種的分類與識別的精度，因此得到了世界各界人士的廣泛重視[1]。

3　高光譜遙感技術(shù)在現(xiàn)代林業(yè)中的應(yīng)用

高光譜遙感技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在經(jīng)濟(jì)、社會效益等方面發(fā)揮著及其重要的作用，被廣泛應(yīng)用于森林監(jiān)測、森林信息獲取以及森林健康評價等方面，并為其提供了新的理論支撐與技術(shù)支持[2]。

3.1高光譜遙感在森林監(jiān)測中的運用

3.1.1森林火災(zāi)監(jiān)測

森林火災(zāi)是威脅森林健康的重要風(fēng)險因子之一，不僅分布面積大而且又難以被發(fā)現(xiàn)，因此在某種程度上具有突發(fā)性強(qiáng)、蔓延迅速的特點[3～5]。此外由于火災(zāi)發(fā)生地的溫度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍地區(qū)，因此目前主要通過利用衛(wèi)星的溫度敏感通道實時監(jiān)測林區(qū)溫度異常區(qū)域，從而來迅速確定發(fā)生火災(zāi)的準(zhǔn)確地點[6]。繼而通過對林區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和相關(guān)分類分析，來確定火勢發(fā)生的方向和與燃燒有關(guān)的地表生物量等情況，從而來制定高效的營救方案，除此之外還可以對災(zāi)后損失進(jìn)行評估[5,7～10]。

據(jù)記載1987年5月6日～6月2日發(fā)生在黑龍江省大興安嶺的特大森林火災(zāi)，是新中國成立以來最嚴(yán)重的一次火災(zāi)，不僅使中國境內(nèi)的1800萬英畝的面積受到火災(zāi)損失，而且波及到蘇聯(lián)境內(nèi)的1200萬英畝森林[11～13]。我國利用高光譜準(zhǔn)確檢測了火點發(fā)生的具體位置,并且在火點擴(kuò)展階段監(jiān)測了該林區(qū)火災(zāi)的發(fā)展動態(tài),在最后階段對火災(zāi)損失進(jìn)行了準(zhǔn)確的評估,取得了顯著的社會、經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)效應(yīng)[11,14]。

3.1.2森林病蟲害監(jiān)測

森林病蟲害是我國主要的森林災(zāi)害之一，不僅對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅，而且也給森林資源帶來不可估量的損失。遙感方法監(jiān)測森林病蟲害始于20世紀(jì)30年代的航空實驗觀察，而目前利用高光譜遙感這一先進(jìn)技術(shù)手段監(jiān)測森林病蟲害，也因其周期短且獲取信息不受干擾等優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用，在森林病蟲害監(jiān)測中具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢以及巨大的發(fā)展?jié)摿15，16]。

眾所周知，保證睡眠的時間和質(zhì)量對身體健康極為重要，尤其是對于青少年而言，缺少睡眠會增加患肥胖癥和Ⅱ型糖尿病的風(fēng)險。據(jù)法國健康雜志《TOPSANTE》報道，美國休斯頓大學(xué)的研究表明，睡眠時間不足或睡眠質(zhì)量較低的青少年患抑郁癥和焦慮癥的風(fēng)險很高。

大量調(diào)查實踐均已表明傳統(tǒng)的森林病蟲害檢測手段由于存在工作量大且效率低等方面的特點，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段相關(guān)部門對森林病蟲害的監(jiān)測分析。但與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，高光譜遙感技術(shù)可以實時、快速的觀測到植被受病蟲害影響時，葉綠色濃度降低甚至消失以至林區(qū)的反射和輻射光譜發(fā)生相應(yīng)變化等這些特點，利用高光譜遙感影像數(shù)據(jù)獲取的不同時相植被指數(shù)變化情況，可以快捷準(zhǔn)確確定病蟲害發(fā)生的林區(qū)以及分布范圍，從而制定相應(yīng)的防治措施以進(jìn)行預(yù)警預(yù)報和動態(tài)監(jiān)測[3,4,9,10,17]。

3.1.3森林資源變化監(jiān)測

森林資源作為一個動態(tài)資源，如果資源信息得不到及時有效的更新，就不能為林業(yè)工作的決策、發(fā)展規(guī)劃以及開展經(jīng)營活動提供及時有效的信息。因此，森林資源變化監(jiān)測成為現(xiàn)階段森林資源可持續(xù)發(fā)展的必由之路，是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點之一[9,10,18,19]。

高光譜以它覆蓋范圍廣、多傳感器以及多時相的特點在森林資源變化監(jiān)測方面的應(yīng)用十分廣泛，主要包括對林業(yè)用地的利用變化監(jiān)測、林分變化監(jiān)測和林權(quán)管理監(jiān)測三方面[7]。通過提取不同時相對同一地區(qū)森林資源變化的信息，可以及時、準(zhǔn)確的對森林資源進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與評估，極大提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性和科學(xué)研究的精確性[20]。

3.2高光譜遙感技術(shù)在森林信息獲取中的運用

3.2.1樹種識別

森林是地球上可再生資源和陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，為人類的生存以及發(fā)展均提供了豐富的物質(zhì)資源，在環(huán)境保護(hù)、自然資源管理以及生物多樣性等各項研究中占有十分重要的地位，因此正確識別森林樹種是利用和保護(hù)森林資源的基礎(chǔ)和依據(jù)，意義及其重大[21]。

大量研究表明常規(guī)的樹種調(diào)查和識別方法不僅成本高而且耗時長。因此近年來利用高光譜進(jìn)行森林樹種識別成為現(xiàn)階段的重要研究內(nèi)容之一，廣大研究學(xué)者利用高光譜和植被的葉片光譜曲線特征之間直接而重要的聯(lián)系，以及高光譜自身波段多而窄的特點，觀測到了具有細(xì)微光譜的各種植被，克服了傳統(tǒng)多光譜遙感樹種分類與識別的難題，有效提高了植被的分類精度，滿足了森林資源調(diào)查的需求，是森林樹種識別最強(qiáng)有力的工具[22～24]。利用高光譜遙感對樹種進(jìn)行精細(xì)化識別，不僅能夠為森林資源管理和生物多樣性保護(hù)等提供重要信息，而且對研究分析森林生態(tài)過程和生物多樣性特征局具有十分重要的作用。

葉面積指數(shù)(Leafareaindexs,LAI)可以定量表明植被特征，是指單位面積上植物葉片垂直投影面積的總和。其不僅是植物生態(tài)研究中可以反映作物長勢與預(yù)測預(yù)報產(chǎn)量的一個重要生理參數(shù)，與生物量和植物長勢均有密切關(guān)系，是確定森林二氧化碳、水和氧氣交換的重要變量，在農(nóng)學(xué)、林學(xué)以及生態(tài)學(xué)領(lǐng)域均得到極其廣泛地應(yīng)用，常被用來作為植被狀況的指示器[7,25,26]。

傳統(tǒng)方法估測森林葉面積指數(shù)多采用多光譜數(shù)據(jù)，但由于多光譜數(shù)據(jù)波段較寬，常混淆有大量非植物光譜，且提取的只是各植被指數(shù)中一些簡單的統(tǒng)計關(guān)系，導(dǎo)致各種植被指數(shù)與葉面積指數(shù)聯(lián)系不緊密，因此往往造成探測結(jié)果的靈敏度不高，計算結(jié)果精度較低等問題。而與傳統(tǒng)方法相比，運用高光譜計算森林葉面積指數(shù)時，可以實現(xiàn)對植被冠層快速有效的采集和處理，此外光譜微分技術(shù)可以使一些非植物光譜得到抑制，減少計算誤差，從而提高計算精度[7,26，27]。

3.2.3森林郁閉度信息提取

森林郁閉度是最常用的反映林分密度和森林生長健康狀況的指標(biāo)，也是進(jìn)行森林蓄積量估測中貢獻(xiàn)最大的因子，直接決定森林蓄積量的大小[28]。除此之外還常用來確定撫育采伐強(qiáng)度和開展小班區(qū)劃，因此對于森林生態(tài)環(huán)境研究和森林經(jīng)營管理均具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實意義[29]。

郁閉度在遙感圖像上是一個比較容易提取的參數(shù)。大量研究實踐表明傳統(tǒng)遙感圖像由于存在空間分辨率低(<20m)且波段少而寬的特點，因此由這樣一些波段數(shù)據(jù)描述混合像元提取出來的森林郁閉度光譜信息精度通常不高，不能代表某一成分光譜的變化特征；而高光譜波段多而窄且具有較好的連續(xù)性，每個光譜像元均能近似用一條光譜曲線進(jìn)行描述，因此利用高光譜圖像數(shù)據(jù)實行的混合像元分解法獲取的森林郁閉度信息可以真實合理地反映其在空間上的分布，且精度較高[2,5,7,26]。

3.3高光譜遙感在森林健康評價中的運用

森林健康評價是診斷由于人類活動和自然因素引起森林生態(tài)系統(tǒng)的破壞所造成的森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)紊亂和功能失調(diào)，是對森林生態(tài)系統(tǒng)喪失服務(wù)和價值的一種評估[30]。該評價用定量的方法監(jiān)測森林健康，從而為森林管理決策、植被生產(chǎn)力模擬、森林更新和演替模擬以及生態(tài)學(xué)和生物學(xué)過程制圖提供重要信息[7,26]。

高光譜遙感在森林健康監(jiān)測中的應(yīng)用主要通過測定葉綠素含量、植物體內(nèi)化學(xué)成分變化等這些植物生活力來完成，可以探測到植被的精細(xì)光譜信息。尤其是近年來高光譜遙感技術(shù)在森立健康狀況評價和監(jiān)測中承擔(dān)著不可替代的責(zé)任，可以為森林資源管理與森林更新演替提供詳細(xì)數(shù)據(jù)與重要信息。麻坤運用高光譜遙感從植被分布、光合作用強(qiáng)弱和病蟲害分布三方面的研究結(jié)果對秦嶺火地溏地區(qū)的森林健康評價與管理提供了理論與技術(shù)支撐[31]。

4　高光譜遙感在林業(yè)中的發(fā)展趨勢

由于高光譜遙感可以探測到在寬波段遙感中不能夠探測到的物質(zhì)特征，使得林業(yè)方面相關(guān)研究結(jié)果更為理想和精準(zhǔn)，對林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到較好的指導(dǎo)和推動作用。因此，近年來高光譜理論與技術(shù)得到相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者大力支持與廣泛應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為林業(yè)領(lǐng)域的一項核心技術(shù)。但為了讓高光譜遙感技術(shù)在林業(yè)中得到更好的發(fā)展，還需要對以下問題進(jìn)行研究，有待于進(jìn)一步解決。

(1)提高高光譜遙感的計算精度，大力開展高光譜技術(shù)應(yīng)用和智能化分類軟件研究。

(2)不斷完善高光譜的硬件技術(shù)和軟件技術(shù)，并與各種相關(guān)技術(shù)不斷結(jié)合，使之成為一項高度集成化、智能化的綜合技術(shù)。

(3)將高光譜在林業(yè)領(lǐng)域的研究成果不斷轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，以提高其經(jīng)濟(jì)和社會效益。

5　結(jié)語

高光譜作為一門集新型探測技術(shù)、精密光學(xué)機(jī)器、高速信號處理技術(shù)、計算機(jī)處理技術(shù)于一體的多學(xué)科交叉的綜合型應(yīng)用技術(shù)，必將得到長足的發(fā)展。隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，在國內(nèi)外眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中更是發(fā)揮著不可替代的作用，為相關(guān)部門提供了強(qiáng)有力的科學(xué)技術(shù)支撐[32]。

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Application of Hyperspectral Remote Sensing Technology in Forestry

Hong Jiao,Shu Qingtai,Wu Jiaojiao

(SouthwestForestryUniversity,Kunming,Yunnan650224,China)

In this study, we expounded the definition of hyperspectral remote sensing technology and discussed the application of the current hyperspectral remote sensing technology in forestry application on forest information acquisition, forest monitoring and forest health evaluation. We stated the developing trend of hyperspectral remote sensing technology in forestry application.

hyperspectral remote sensing technology; forestry; application

2016-06-26

洪嬌(1992—)，女，西南林業(yè)大學(xué)碩士研究生。

TP79

A

1674-9944(2016)16-0258-03