衛星監測技術在森林資源管理工作中的應用

張宏偉，胡淑儀

(廣東省森林資源保育中心，廣東 廣州 510173)

為貫徹落實習近平生態文明思想和黨的十九大精神，全面掌握森林資源變化情況，及時發現破壞森林資源違法行為并依法查處，切實保護森林資源，國家林業和草原局自2018年起在全國范圍內開展了以林地“一張圖”為基礎的森林督查工作，構建“天上看、地上查”的“天空地”監管全覆蓋體系。從廣東省2018年、2019年工作開展情況來看，森林督查工作有效遏制了破壞森林資源違法行為，解決了當前森林資源監管“被動式發現、運動式查處”的問題，大大提升了森林資源保護管理水平[1]。但也存在一些問題：一是使用的高分遙感影像數據不統一，部分衛片拍攝的時間與森林督查檢查時段不符，有的甚至相差半年以上；二是年度判讀出來的變化圖斑數量多，國家下發廣東省2018年判讀疑似圖斑65181個，2019年雖減少到33110個，但總量依舊較多；三是部分被發現的違法行為持續時間較長，森林督查工作是在本年度初對上年度引起的變化圖斑進行檢查核實，部分違法行為因地處偏僻等原因，未能在早期發現并制止[2]。針對存在的問題，如何在當年較短時間內獲取2期影像數據判讀變化圖斑，及時發現制止破壞森林資源行為并依法處理，避免第2年森林督查大規模集中核查和督查出現問題，保護林業干部，成為廣東省森林資源管理工作迫切需要解決的重要問題。中空間分辨率衛星相對于森林督查工作使用的高分衛星，覆蓋頻次高，每年各季度均可覆蓋廣東全省區域，能夠為廣東省當前森林資源管理工作面臨的問題提供技術支持。

1 研究思路

選取廣東省清遠市陽山縣、廣州市從化區2個森林資源具有代表性地區作為研究區，運用專門內嵌的中空間分辨率衛星遙感光譜定量分析模型等監測技術自動提取2個研究區某個時間段的森林資源變化圖斑[3]。采用內業人工目視判讀和外業實地驗證2種方式，計算中空間分辨率衛星監測技術自動提取圖斑的準確率，為下一步在廣東省森林資源管理工作上推廣應用該項技術提供借鑒和參考。

2 研究方法

2.1 中空間分辨率衛星監測技術提取圖斑

2.1.1 中空間分辨率衛星介紹 本研究的中空間分辨率衛星包括Sentinel-2和Landsat 8。其中：Sentinel-2(哨兵2號)是中分辨率多光譜成像衛星，攜帶一枚多光譜成像儀(MSI)，分為2A、2B 2顆衛星，高度為786 km，可覆蓋13個光譜波段，幅寬達290 km；地面分辨率分別為10、20、60 m。一顆衛星的重訪周期為10 d，2顆互補，重訪周期為5 d。從可見光、近紅外到短波紅外，具有不同的空間分辨率，在光學數據中，哨兵-2號數據是唯一一個在紅邊范圍含有3個波段的數據，這對監測植被健康信息非常有效。

Landsat 8是美國陸地衛星計劃(Landsat)的第8顆衛星，攜帶有陸地成像儀(Operational Land Imager ，OLI)和熱紅外傳感器(Thermal Infrared Sensor，TIRS)。OLI陸地成像儀包括9個波段，空間分辨率為30 m，其中包括1個15 m的全色波段，成像寬幅為185 km×185 km。OLI全色波段Band 8波段范圍較窄，這種方式可以在全色圖像上更好區分植被和無植被特征。

在線性光譜分析端元確定中，根據Li-Strahler幾何光學模型，采用C-G-T-Z 4個分量，分別對應光照樹冠、地表、陰影樹冠、地表。進而解算各像元中樹冠分量，利用不同時相的樹冠分量占比的變化進行森林變化圖斑探測。依據變化類型的不同，探測圖斑至少包括以下3種變化類型：①前時相影像有植被覆蓋，后時相影像有明顯裸露跡地特征；②前時相影像有植被覆蓋，后時相影像有明顯建設特征；③前時相影像有明顯建設特征或采伐跡地特征，后時相影像有植被覆蓋。并根據各類型的特點，設置不同的閾值進行提取。

2.1.3 變化斑塊提取結果 通過中空間分辨率衛星數據獲取、衛星遙感機理分析、數據并行計算優化等一系列監測技術的應用，計算機分別自動提取到陽山縣2018年11月1日—2019年3月11日時段森林資源變化圖斑332個，從化區2019年3月11日—2019年9月22日時段森林資源變化圖斑333個(圖斑最小面積1000 m2)[4]，見圖1。

圖1 中空間分辨率衛星監測技術計算機 自動提取的圖斑

2.2 內業人工目視判讀

由6名多年從事遙感影像處理的專業技術人員，分為3組，分別以陽山縣和從化區相同的2期中空間分辨率衛星影像為底圖，開展人工目視判讀，標記出計算機錯判斑塊，找出可能漏判的圖斑。

2.3 外業實地驗證

對陽山縣12個鄉鎮及從化區8個鎮(街道)的所有變化圖斑(含計算機自動提取圖斑和人工目視判讀疑似漏判圖斑)進行實地驗證，核實變化情況。

2.4 監測技術準確率計算

根據實地驗證結果，分別按圖斑個數和圖斑面積統計計算中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑的準確率。

2.4.1 按圖斑個數計算 中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑準確率=經外業核實計算機自動提取變化圖斑中確屬變化的圖斑數/經外業核實確屬變化的圖斑總數。

2.4.2 按圖斑面積計算 中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑準確率=經外業核實計算機自動提取變化圖斑中確屬變化的圖斑面積/經外業核實確屬變化的圖斑總面積。

3 結果與分析

3.1 陽山縣驗證結果

對中空間分辨率衛星監測技術計算機自動提取的陽山縣森林資源變化圖斑332個和人工目視判讀發現的36個疑似漏判圖斑(總共368個圖斑)進行實地驗證。驗證中發現2個計算機自動提取變化圖斑不屬陽山縣，未實地核實；5個計算機自動提取變化圖斑難以到達實地，也未實地核實。實際總共外業核實變化圖斑361個(表1)，其中325個確認為變化小斑(含計算機提取289個圖斑和人工目視判讀36個圖斑)，變化總面積656.0 hm2(含計算機提取變化圖斑面積546.0 hm2和人工目視判讀變化圖斑面積110.0 hm2)；36個(全部為計算機提取圖斑)確認未發生明顯變化，被計算機錯判圖斑面積26.5 hm2。按圖斑個數計算中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑準確率=289÷361×100%=80%，按圖斑面積計算中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑準確率=546.0÷682.5×100%=80%。

表1 陽山縣變化圖斑外業核實結果

在外業核實中發現最多的變化圖斑類型為林木采伐點，共230處，約占變化圖斑總數的70%；不少大山深處面積不到0.1 hm2的采伐點計算機也可以提取出來，充分展示了中空間分辨率衛星監測技術的優勢。36個中空間分辨率衛星監測技術計算機提取圖斑未受到任何人為活動影響，可能是由于林木自然生長引起的影像顏色和植被指數變化被計算機誤判為變化圖斑。36個人工目視判讀圖斑在外業核實后確認為變化圖斑，屬于計算機漏判圖斑，類型包括高速公路征地、火燒跡地、采伐改造等；漏判圖斑中有些地塊變化很明顯、面積也比較大，5 hm2以上的漏判圖斑有7個。

3.2 從化區驗證結果

對中空間分辨率衛星監測技術計算機自動提取的從化縣森林資源變化圖斑336個(人工目視判讀未發現疑似漏判圖斑)進行實地驗證，驗證中發現3個計算機自動提取變化圖斑落在不屬從化區，未實地核實；7個計算機自動提取的變化圖斑落入陳禾洞省級自然保護區或因其它原因難以到達實地，也未實地核實。實際總共外業核實變化圖斑326個(表2，圖2)，其中311個確認為變化圖斑，變化總面積3196.3 hm2(含非林地變化圖斑面積604.5 hm2，主要為耕地變化和土地平整)；15個確認未發生明顯變化，不屬于變化圖斑，面積98.1 hm2。按圖斑個數計算中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑準確率=311÷326×100%=95.40%，按圖斑面積計算中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑準確率=3196.3÷3294.4×100%=97.02%。

在確定發生變化的311個圖斑中，發現最多的變化圖斑類型為從化2019年“6.13”水災后的地質災害點(主要集中在呂田、良口鎮)，發生滑坡塌方的地方117處，約占變化圖斑總數的37.62%；97個為林木采伐引起變化；26個為征占用林地引起變化；32個為果園、森林割灌除草等撫育作業引起變化；20個為耕地勞作引起變化；16個為土地平整(含非林地)引起變化；3個為更新造林(其中2個為火災后造林)引起變化；15個未受到人為活動和自然災害影響被錯判為變化圖斑。

表2 從化區變化圖斑外業核實結果

圖2 從化區外業核實圖斑類型

4 結論與討論

實地驗證計算得出，清遠市陽山縣按圖斑個數和圖斑面積計算得出的中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑準確率均達到了80%；在修正了模型參數和算法后，廣州市從化區按圖斑個數和圖斑面積計算得出的準確率分別達到了95.40%和97.02%。其準確度可以滿足實際應用推廣要求，中空間分辨率衛星監測技術能夠為廣東省森林資源管理工作提供技術支撐。

研究結果表明，中空間分辨率衛星監測技術可以彌補森林督查工作數據不統一、年度核查圖斑多、發現制止違法行為不及時等問題。中分衛星可以在短時間(一個季度)獲取覆蓋廣東省全域的2期影像數據[5]，通過中空間分辨率衛星監測技術計算機自動提取的變化圖斑對于輔助基層林業工作者有目的性、有針對性開展巡查，及時發現和打擊違法行為具有重要意義，也有利于及時處理變化圖斑反映的問題，避免第2年森林督查工作任務重，工作壓力大。

本次實地驗證工作中，未將中分衛星監測技術提取的圖斑落入全省森林資源管理“一張圖”數據庫，也未能在驗證過程直接將發現的違法地塊是否屬于林地進行核實，影響了外業實地驗證工作效率[6]。下一步如果將該項技術應用于全省森林資源管理工作，應考慮將中空間分辨率衛星監測技術提取的圖斑與廣東省森林資源信息發布系統進行整合集成，直接利用該系統將計算機自動提取的變化圖斑分發給各縣(市、區、場)，由各地登錄系統并接收經營范圍內的林地變化圖斑，有針對性地開展核實工作，能夠大大提高工作效率。

本次中空間分辨率衛星監測技術實地驗證選取的2個研究區森林資源都比較豐富(陽山縣森林覆蓋率72.53%，從化區森林森林覆蓋率69.12%)，林地開發利用力度不大，人為活動相對較少。因此，中空間分辨率衛星監測技術自動提取變化圖斑準確率也比較高。但在森林資源相對較少、經濟高度發達、人為經營活動頻繁、林地變化地塊細碎的地區，中空間分辨率衛星監測技術計算機自動提取變化圖斑的準確率還有待進一步驗證。