高分辨率林業生態工程監測系統研建與應用

莫 琴，陳志泊，謝士琴，陳明健，夏朝宗

（1.北京林業大學 信 息學院，北京100083；2.國家林業局 調 查規劃設計院，北京100714）

高分辨率林業生態工程監測系統研建與應用

莫 琴1，陳志泊1，謝士琴1，陳明健1，夏朝宗2

（1.北京林業大學 信 息學院，北京100083；2.國家林業局 調 查規劃設計院，北京100714）

林業生態工程監測是林業管理和生態建設的基礎性工作，對于監督工程落實情況和調整相關林業政策具有重要意義。選取重慶市云陽縣為研究區，以高分1號衛星遙感數據、二類調查數據以及基礎地理數據等為基礎，通過遙感影像特征提取、OTSU閾值分割和面向對象分類等方法，研發林業生態工程地塊識別、成林提取、森林類型分布提取等算法模型，建立滿足林業生態工程動態監測業務需求的高分遙感應用技術體系，并結合空間數據庫技術和ArcGISEngine二次開發技術，實現將數據管理、造林核查檢查、森林資源動態監測和林業專題產品生產集成于一體的監測應用示范系統。高分辨率衛星數據與遙感監測應用技術體系的結合有利于林業生態工程管理建設，提升了中國森林資源調查與監測技術水平。圖4參15

森林經理學；林業生態工程監測；高分辨率衛星；應用示范系統；森林資源；云陽縣

面對森林資源的動態性、復雜性和特殊性，傳統的森林資源調查和監測方法由于周期長，地面工作量大，已難適應現代林業發展的需要［1］。利用衛星影像和遙感技術進行森林資源調查，可以在同一時間對大面積的工程區進行大規模監測，是現代森林資源管理中的重要技術手段［2］。然而，近年來森林資源監測的遙感數據來源主要依賴從國外購買昂貴的SPOT-5，Quick Bird等高分辨率衛星數據（簡稱 “高分數據”）［3］，數據獲取能力十分有限且分類精度低，導致林業對國產高分辨率遙感數據和處理技術的需求與日俱增。此外，林業生態工程監測雖然已經有較多技術積累，但迄今為止還未建立完整的全國林業生態工程監測業務系統，不利于林業生態工程管理和監測［4］。2013年，中國發射了首顆高分辨率對地觀測衛星高分1號衛星（簡稱 “GF-1”），可提供幅寬不低于60 km，空間分辨率優于2 m的全色影像和優于8 m的多光譜影像。李艷華等［5］利用國產GF-1遙感影像研究山區細小水體提取方法，王磊等［6］分析了GF-1影像特征及其在草地監測中的應用。如今GF-1影像已成為土地利用動態監測、城鄉規劃監測評價、森林資源調查監測、荒漠化監測等行業的重要數據源。本研究針對國產GF-1數據，研究高分遙感影像信息提取算法模型，實現工程造林地塊識別、造林成林提取、森林分布變化提取精度達到85%，森林類型提取精度達到80%，建設中國高分林業生態工程監測應用系統。

1 數據源

云陽縣位于重慶市東北部的三峽庫區腹地，是三峽庫區沿江經濟走廊承東啟西、南引北聯的重要樞紐，其生態區位十分重要，是中國天然林資源保護工程和退耕還林工程實施重點縣。本研究選取云陽縣作為研究示范區，用到的數據包括：2013年和2015年云陽縣GF-1遙感影像共19景，2009年森林資源清查數據，2012年森林資源二類調查數據，以及行政區劃、地形圖和落界矢量等基礎地理數據。

2 系統建設

2.1 體系結構

本系統采用C/S模式進行開發，從上到下劃分為應用層、平臺支撐層和數據層［7］，如圖1所示。①數據層：負責存儲和管理系統建設所需的各類數據庫，以關系數據庫SQL Server作為基礎數據庫來統一管理數據，空間數據引擎Arc SDE來實現空間數據的管理和操作［8］。②平臺支撐層：ArcGISEngine［9］是ESRI推出的一套完備的嵌入式地理信息系統（GIS）二次開發組件庫和工具庫［10］，系統基于ArcGISEngine10.1組件，使用C#語言在.Net環境下進行開發，結合eCognition和Envi等遙感應用軟件提供的二次開發工具和算法語言，開發高分遙感專題信息提取工具，利用NASAWorld Wind 3D Engine組件，實現監測成果數據在三維環境下無縫漫游和顯示。③應用層：可為林業生態工程建設相關部門、單位，提供數據管理、造林核查檢查、森林資源動態監測和專題產品生產等方面應用服務。

圖1 體系結構圖Figure 1 System structure diagram

2.2 功能模塊設計

要利用GF-1遙感影像對研究區森林資源變化情況進行監測，需要進行如下業務流程：收集和處理研究區GF-1遙感影像，整理天然林資源保護工程和退耕還林工程造林、管護和撫育經營等方面的檔案資料，采集研究區工程地塊變化數據、退耕農戶統計等，建立數據庫管理森林資源數據。對遙感影像進行信息提取，得到造林地塊信息和成林提取信息，以及森林類型和森林分布變化，對工程區進行造林核查檢查和資源動態監測。依據專題圖制作規范，繪制工程造林地塊分布圖、工程造林成林分布圖、工程區森林類型圖和工程區森林變化分布圖等專題產品。因此，本系統按照監測業務需求分成4個功能模塊：森林資源數據管理、造林核查檢查、森林資源動態監測和專題產品生產（圖2）。

圖2 系統功能模塊Figure 2 System functionalmodule

2.3 關鍵技術

2.3.1 造林地塊識別算法 為了改變傳統的地面區劃調查方法，精準掌握工程區造林地塊林木生長情況，系統以工程區造林地塊為底圖，利用高分遙感影像的光譜特征和形狀特征，實現工程造林地塊自動識別，將工程區造林地塊的林地小班分為郁閉成林、林木明顯分布、無林木明顯分布等3類，并生成工程造林地塊分布圖。具體算法步驟如下：①特征提取：在高分遙感影像中，不同地類的植被覆蓋指數（INDVI）和色調特征值具有較顯著的差異。根據GF-1的全色和多光譜融合影像特點和地塊識別的需求，分別提取INDVI和色調2個特征。植被覆蓋指數（INDVI）是植物生長狀態以及植被空間分布密度的最佳指示因子，經歸一化處理的INDVI可以部分消除與太陽高度角和大氣條件輻射等影響［11］。INDVI計算方法如式（1），其中IRNI和R分別為近紅外波段和紅波段處的反射率值：

色調是目視解譯判讀和遙感分類提取中最常用的特征參數，系統采用IHS變換模型［12］進行RGB（R為紅色值，G為綠色值，B為藍色值）到IHS（強度I，色調H，飽和度S）的變換。如式（2）：

2.3.2 成林地塊提取算法 成林地塊提取算法主要用來提取造林地塊成林和未成林情況，以此客觀反映工程區森林區造林成林建設成效，對工程區進行核查檢查。①特征提取以及林木和非林木分類：提取GF-1影像INDVI和色調特征，進行OTSU自動閾值分割，對林地小班進行林木和非林木分類。②基于林地小班的面向對象分類：利用面向對象分類技術提取該林地小班中林木和非林木連通區域，每個連通區域為一個分類對象，面向對象分類以含有更多語義信息的多個相鄰同質像元組成大小不同的對象為處理單元，利用對象的空間特征和光譜特征實現較高層次的遙感圖像分類和目標地物提取［13］。根據分類對象面積要求對該林地小班的所有分類對象進行合并，得到分類對象的成林和未成林情況，并生成成林提取矢量結果。

2.3.3 森林類型識別算法 利用GF-1影像判讀和森林類型提取，對森林類型分布實施定期動態監測。算法流程如下：①特征提取和林木非林木分類：利用GF-1影像數據，分別提取植被覆蓋指數、色調、紋理等3個特征，其中植被覆蓋指數和色調可提高林木和非林木的分類精度，紋理特征可有效區分森林類型。紋理特征是指圖像灰度等級的變化，描述圖像局部特性，即相鄰像元之間的關系，用以表示圖像的均勻、細致、粗糙等現象，系統采用灰度共生矩陣算法［14］提取紋理特征，對林地小班進行OTSU自動閾值分割，得到林木和非林木分類結果。②林地小班森林分類：統計林地小班中林木區域的紋理均值和方差，將該林地小班分為竹林，針葉林、針闊混交林、闊葉林共4類，生成森林類型分布圖。

2.3.4 森林分布變化提取算法 森林分布變化監測功能主要是利用影像分割和分類技術提取工程區地塊的森林變化區域。具體步驟如下：根據高分影像中林木和非林木區域在光譜、色調上的特點，分別提取前期和后期遙感影像的植被覆蓋指數和色調2個特征，進行OTSU自動閾值分割，采用面向對象技術，對林地小班進行林木和非林木區域分類，并根據郁閉度修正林木和非林木分類結果。經過對比前后期2期影像的林木和非林木分類結果，分析森林分布變化，將林地小班進一步分為新成林（無林木區域變為郁閉成林區域）、森林轉出（郁閉成林區域變為無林木區域）和仍為森林等3類。

3 系統在森林資源監測管理中的應用

根據林業生態工程監測現狀和需求，以重慶市云陽縣為示范區，搭建基于ArcEngine二次開發的高分林業生態工程監測應用示范系統。系統包括數據管理、核查檢查、動態監測、專題產品產出定4個功能模塊。

3.1 森林資源數據管理

森林資源數據管理是高分辨率林業生態工程監測應用的基礎內容，利用SQL Server和Arc SDE數據庫技術，對高分辨率林業生態工程的空間數據和非空間數據進行分類管理和顯示。根據業務需求將數據分成高分影像、工程檔案、檢驗數據、專題產品和其他數據等5項，如圖3所示。系統提供強大的管理工具和多樣化的可視化平臺，將基礎地理數據、小班調查矢量數據以及遙感影像集成到空間視圖平臺上［15］，通過3D Engine插件功能實現空間數據的三維顯示，還能通過查詢功能獲取林地小班的屬性數據，及時反映森林資源現狀。

3.2 造林核查檢查

圖3 森林資源數據管理顯示界面Figure 3 Display interface of forest resources datamanagement

造林地塊識別：從數據庫中選取2013年云陽縣GF-1數據，對林地小班進行造林地塊識別，得到郁閉成林分布、林木明顯分布和無林木等明顯地塊數分別為1 076，552，47個；面積分別為2 415.4，1 401.2，20.9 hm2。經外業調查核查驗證，此區域包含1 916個造林地塊，面積為4 316.6 hm2，匯總估算此區域地塊識別精度為88.9%。圖4為利用云陽縣2015年GF-1遙感影像進行造林地塊識別生成的專題圖結果。成林地塊提取：對云陽縣2013年GF-1影像進行成林地塊提取，得到成林和未成林地塊數分別為1 879和1 809個，面積分別為933.2和2 569.4 hm2，外業驗證成林提取精度達到87.2%。結果表明：本研究使用的植被覆蓋指數和色調特征結合的遙感信息提取算法在造林地塊識別和造林成林提取方面具有明顯的優勢，提取精度均在85%以上。利用遙感技術進行核查檢查摒棄了傳統人工現場調查的方法，大大提高了工作效率和成果質量，為林業生態工程動態監測和成效評價提供基礎。

圖4 云陽縣工程地塊分布圖Figure 4 Yunyang County engineering sitemap

3.3 森林資源動態監測

森林類型識別：運用森林類型識別算法，對云陽縣某區域2013年GF-1影像進行識別，得到針葉林、闊葉林、混交林等的地塊數分別為568，15，59個，面積分別為2 789.7，42.0，391.7 hm2，森林類型識別精度達到86.1%。森林分布變化提取：以云陽縣2013年和2015年獲取的同一區域不同時相的兩景GF-1影像為例，通過森林分布變化提取，得到仍為森林、森林轉出和新成林地塊數分別為779，38，529個，森林分布變化提取精度為86.5%。從結果可以看出：新成林地塊數占總地塊數的39.3%，天然林保護工程和退耕工程成果顯著，不僅原有森林得到良好保護，而且退耕還林和造林成林面積迅速增長。

4 結語

以云陽縣為示范研究區，將國產GF-1遙感數據應用于林業生態工程監測研究，建設了全國高分林業生態工程監測應用示范系統，解決了高分林業生態工程造林識別、成林提取等技術瓶頸。利用遙感等信息獲取分析工具和地理信息系統，實現森林資源管理、核查檢查、動態監測、專題產品生成和成效評價等功能，大大提高了云陽縣森林資源監測水平和效率，同時對于國產高分辨率衛星遙感影像在林業生態工程中的應用起到了重要的示范作用，推動了國家林業生態工程建設與管理的進程。

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Developing a system formonitoring high resolution forestry ecological projects

MO Qin1,CHEN Zhibo1,XIE Shiqin1,CHEN Mingjian1,XIA Chaozong2
（1.School of Information Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;2.Academy of Forest Inventory and Planning,State Forestry Administration,Beijing 100714,China）

Monitoring forestry ecological projects is vital as a fundamental task of forestrymanagement and ecological construction.To supervise project application and adjust forestry policies,a research area in Yunyang County in Chongqing was selected as a demonstration area based on available high-resolution data,forest resource inventory data,and basic geographic data.Through feature extraction of remote sensing images,the Otsu threshold segmentation method,and object-oriented classification,research was conducted on an algorithm of reforestation site identification,forest extraction,and forest type isolation for forestry ecological projects.Results showed a high-resolution remote sensing application technology system which satisfied the operational requirements of dynamicallymonitoring forestry ecological projects.The system integrated datamanagement,afforestation checks,dynamic forest resourcesmonitoring,and forestry-related products to produce a demonstration system.The combination of high resolution satellite image and remote sensing application technology was sufficient for management and construction of forestry ecological projects and could improve the technological level for examining and monitoring national forestry resources.［Ch,4 fig.15 ref.］

forest management;monitoring forestry ecological projects;high resolution satellite;application and demonstration system;forestry resources;Yunyang County

S757.2

A

2095-0756（2017）04-0737-06

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.04.021

2016-08-03；

2016-09-29

國家國防科技工業局資助項目（21-Y30B05-9001-13/15-4）

莫琴，碩士，從事計算機軟件與理論研究。E-mail：moqinsmile@163.com。通信作者：陳志泊，教授，博士生導師，從事數據庫技術研究。E-mail：1518432531@qq.com