森林覆被下銅仁地區環境遙感研究動向

劉懷鵬 熊波 邱雪超 胡邦紅 譚智勇 楊建

摘要：指出了森林生態系統參數在突出區域生態特色、診斷當前生態系統健康、分析生態系統時空演變等研究中具有重要的作用，遙感技術在提取相關森林生態參數時具有大尺度、省時、高效、準確等優勢，是主要的信息采集途徑?？偨Y了林業遙感的技術應用范疇，分析了阻礙林業遙感迅速發展的主客觀原因，提出了在大生態背景下，依據區域森林資源特色、特殊地表帶環境特點來分析銅仁市級區域林業遙感技術研究動向，認為可在特定林木信息提取、動態監測、環境要素反演、大數據分析方面展開深入研究，以期為區域生態環境保護、區域生態旅游資源吸引力提高提供科學依據。

關鍵詞：銅仁地區；大生態；林業遙感；研究動向；區域協調發展

中圖分類號：P237

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10020504

1 引言

森林是陸地生態系統的主體，其廣泛的地表分布與復雜的林間結構，為多種生物棲息提供了良好的環境，維護著生態系統的安全與穩定。與森林有關的林木參數、環境要素、干擾等因子共同指向森林生態系統的演替、健康與安全，因此相關森林生態系統參數的獲取十分重要。遙感可以多時相、大尺度對地進行觀測，海量數據的利用有助于對生態環境狀況進行綜合分析。

銅仁地區森林資源十分豐富，在維護自然生態平衡中起著重要作用，良好的森林植被是銅仁地區的生態品牌、最突出的生態優勢[1，2]。但銅仁地區森林生態系統仍十分脆弱，需要加強保護[3，4]。豐富的資源與脆弱的生態系統，亟需要獲取相關的森林生態系統參數，用以突顯地方特色和進行生態保護。

筆者總結了遙感在林業環境信息化中可供應用的技術范疇，分析了阻礙林業遙感快速發展的原因，提出了在大生態背景下，銅仁地區遙感技術應用應關注的研究方向與研究內容，用以深入開展遙感研究，充分利用遙感技術，為生產實踐、區域吸引力提高提供科學支撐與方法，進一步利用遙感大數據，分析森林資源響應環境變化，為維護區域生態系統安全與穩定提供數據決策，促進區域社會與環境協調健康發展。

2 林業遙感技術的應用

2.1 技術產品

利用圖像處理技術，可獲取的林業遙感產品包括：二、三維電子影像產品，紙質影像產品，地形圖產品，林相圖產品，郁閉度、密度、植被指數產品，地表反射率產品，溫度、濕度、負離子濃度反演產品，資源動態監測產品，災害監測產品等[5，6]。此外，還可研發可視化的林業遙感參數數據庫產品[7]。

2.2 森林參數反演

利用影像與野外實測值建立關系模型，可對森林的溫度、濕度、空氣負離子含量、葉面積指數、冠幅、郁閉度、密度、胸徑、蓄積量、碳儲量等進行反演[8～12]。在分類基礎上，基于地理坐標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體樹高，利用影像光譜信息、紋理信息，結合常規分類方法（最大似然、支持向量機、隨機森林等）確定森林類型、樹種類型，經影像分類或野外實測GPS坐標等方法確定林木的位置分布等[14～16]。

2.3 動態監測

采用不同時相的數據源，經特定信息提取，對土地的石漠化、荒漠化、沙化程度進行監測；影像對比分析，對土地利用現狀進行監測[17]；提取濕地信息，經過不同時相數據源的疊加分析，可對濕地資源進行監測[18]；分析多時相影像，對林業生態工程建設成效進行監測[19]；對災害（雪災、火災、水災、地質災害、病蟲害）進行監測。監測中，根據遙感提供的技術方法，確定監測對象的原貌、現狀、動態過程及發展趨勢，為生態恢復或建設成效評價提供決策與分析依據[20]。

2.4 生物多樣性空間信息共享

利用不同時空尺度的遙感觀測數據通過定量反演等方法，可以獲取許多與生物多樣性有關的環境變量，例如：NDVI、地表溫度、大氣水分、土壤濕度等，這些環境變量可以為生態學家提供參考[21，22]。在對生物多樣性監測指標體系模型中的環境變量進行分析時，利用地理信息系統可以將這些因素根據時空的變化統一在一起，通過其強大的空間分析功能，從空間的維度，挖掘生物多樣性信息隱含的空間規律，為生物多樣性的信息共享提供新的途徑與技術支持，提高生物多樣性領域的空間信息共享和服務水平[23，24]。

3 阻礙林業信息化發展的原因

遙感技術在林業信息化進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來解決的實際林業問題容易被擱淺，導致遙感技術在林業中的應用與大眾的期望存在很大的差距。

3.1 數據價格問題

阻礙遙感研究的其中一個壁壘是價格因素。來自中國遙感數據網的資料顯示，低分辨率的遙感衛星影像每景的價格上千元，而1 m高分辨率的遙感衛星影像每景的價格高達數萬元，這樣昂貴的價位使龐大的民用市場潛力難以發揮。遙感數據價格較貴，針對大尺度、多時相的研究，投入成本太大，影響相關研究，因此，在我國，遙感應用主要局限在公共事業部門和科研機構，遙感數據利用率、共享率和商業化水平較低[25，26]。

3.2 圖像信息提取不易

由于遙感數據空間分辨率、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、異物同譜現象的存在，目前基于像元、基于對象的計算機自動分類方法很難實現對森林樹種的識別。因此，在特定地物信息提取中，遙感技術還不能完全解決所有問題，存在技術瓶頸問題，為研究人員解決實際問題帶來困擾，也提出了巨大挑戰，在相當長一段時間內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 自然因素導致影像不可獲取

由于我國南方地區多云雨天氣，陰天數比例過高，衛星過境掃描成像時會受到云層的干擾，想要獲取特定時相遙感數據的機會大大降低。研究中，特定森林參數提取可能需要多時相的影像數據，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就無法被提取，好的實驗設計不能被執行，無法實現區域環境遙感監測，妨礙了專家學者通過遙感技術對森林環境進行深入研究。

3.4 其他因素

地區經濟發展水平落后、研究人員的科研技術落后、創新理念薄弱、科研投入不足、科研管理等問題與原因都會導致林業信息化進程變緩，甚至停止不前。

4 森林環境遙感研究動向

林業遙感研究一方面要注重生態功能，研究結果要有利于保持區域生態環境的平衡穩定與安全；另一方面要突出特色，研究結果可展示區域環境魅力，增加旅游吸引力，促進區域社會經濟的發展；更重要的是通過整合多源大數據信息，對區域生態環境變化的格局、過程、機理等進行研究，建立多學科遙感指標體系，通過模型預測區域生態環境的時空分布特征，為決策者利用自然資源、保護自然資源提供基礎數據，促進人與自然和諧發展。

4.1 特定信息提取

樹種的識別是林業遙感尚未解決的科學難題之一，亟需深入研究。銅仁地區森林資源豐富，可采用高分辨影像進行分類試驗；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行遙感識別研究，建立檔案數據，實施長期監測，避免外來物種脅迫，致使當地物種滅絕。

通過遙感手段識別樹種，確定特定樹種的空間分布，進行動態監測，除了可以有力推進解決遙感技術識別樹種的問題，還可減輕森林資源調查的工作量，具有重要的理論與現實意義[30，31]。

4.2 遙感監測

我國南方較容易發生的災害有雪災、水災、地質災害、病蟲害等，這些災害破壞森林環境，嚴重威脅著人民的生命財產安全，阻礙社會經濟的可持續發展。通過遙感方法，準確預報災害，實時監控災情發展，為災害的防控提供強有力的支持，也是環境遙感需持續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災害分布圖；研究識別不同遙感圖像下不同規模、不同亮度或對比度的滑坡和泥石流的方法；三維建模模擬分析、雷達數據分析，監測水災、滑坡活動可能達到的程度；建立遙感快速辨別森林病蟲害監測的體系等。

4.3 環境要素遙感反演

對區域環境中的溫度、濕度、空氣負離子濃度等進行遙感反演，分析其時空分布與動態變化，生成遙感影像產品或動畫影片。以科學研究結果為依據，分析確定最適宜于人體養生養心的溫度、濕度與負氧離子濃度分布區，通過媒體宣傳，增強科普力度，彰顯區域特色，提高旅游吸引力[32，33]，引導游客進行養心養生旅游，有利于人們的身心健康，同時也有助力地方經濟的發展。

4.4 多元數據的整合與應用

應用遙感機理結合環境變化的模型算法分析人類活動對區域氣候變化的影響；利用RS與GIS相結合的生態環境分析模型分析人類活動、氣候自然變化雙重因素對生態環境的影響；應用“3S”技術，對因大型環境工程而受損的生態環境進行恢復和重建，模擬過程，評價結果。

通過對多源信息區域陸表生態過程響應因子的多學科理解與知識發現，以遙感信息提取和模型建立為基礎，建立多學科的遙感指標研究體系，對區域生態環境變化的格局、過程、機理等進行分析，研究區域生態環境時空分布特征及其動態變化。

研發可視化的遙感產品，建立多時相區域林業遙感參數數據庫，實現區域環境動態分析，預警環境變化。通過利用遙感的監測數據與其他環境要素變化建立關系模型，開發一些預測生態系統未來的模型，利用強大的機器學習能力，巨大的數據的搜尋能力，幫助決策者評估各種人類行動方案所產生的生態后果及補償機制。

5 結語

在科學技術日益進步的今天，生態領域的大數據時代已經來臨，生態觀測將迎來“數據洪流”，如何處理與有效利用這些數據已經成為亟需解決的關鍵問題。林業遙感數據是生態領域大數據中的一類數據，該數據可提取、凝練大量與生態系統有關的森林參數，用以具體刻度區域生態環境的時空特征變化。

銅仁地區森林資源豐富、物種多樣，擁有巨大的生態優勢。在依托生態優勢的發展過程中應充分利用遙感（或“3S”技術）等技術手段，監測環境變化，實現對區域生態環境的保護；確定珍稀瀕危樹種的遙感分布，繪制溫度、濕度、空氣負離子濃度時空圖譜，彰顯區域生態特色，增強旅游吸引力，為經濟發展做出貢獻；整合多元數據，分析生態環境時空變化，維護區域生態系統安全與穩定，促進區域社會與環境協調、友好、健康發展。

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