高光譜遙感技術(shù)在現(xiàn)代林業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

張詩琪

（遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測院，沈陽 110122）

高光譜遙感技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)具有納米級的超高光譜分辨率，可以借助幾十或幾百個波段，在同一時段內(nèi)獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的所有生物的連續(xù)光譜信息，方便快捷，因而被廣泛用于現(xiàn)代林業(yè)的監(jiān)測和管理中，推動了現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展。

1 高光譜遙感技術(shù)的概述

高光譜遙感技術(shù)就是高光譜分辨率遙感，原理是利用窄而連續(xù)的光譜通道持續(xù)對地標(biāo)地物進行遙感成像的一種新型成像技術(shù)。高光譜遙感技術(shù)使用的可見光和短波紅外的光譜分辨率已經(jīng)達到納米數(shù)量級。同時，高光譜遙感技術(shù)的波段多且窄，具有的光譜通道波段高達幾十或幾百，且各光譜通道間是相互連續(xù)的，正因如此，高光譜遙感技術(shù)又被稱為成像光譜遙感，能夠在電磁波譜的可見光、熱紅外、近紅外等波段輻射范圍內(nèi)，獲得上百個窄且連續(xù)的光譜波段信息。

2 植物高光譜的分類與識別

植物的形態(tài)學(xué)特征與化學(xué)特征使其具有獨特的光譜反射特征。同時，這種特征也使得植物在感應(yīng)電磁波時形成光譜反射曲線。無論是喬灌木，還是草本植物，只要生活在同一環(huán)境中，且始終保持著良好的生長狀態(tài)，都具有相似的反射光譜特征。

大多數(shù)綠色植物的光譜曲線都呈現(xiàn)出明顯的“峰和谷”特征，反射光譜曲線主要分為3段：①可見光范圍(400～760 nm)內(nèi)，在550 nm 處有一個小反射峰。植物特有的葉綠素是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因。在450 nm(藍(lán)光)和650 nm(紅光)附近有一個吸收谷，具有極強的吸收作用，但受季節(jié)變化、生長環(huán)境變化以及發(fā)育狀態(tài)變化等多方面因素的影響，當(dāng)葉片變黃或者變紅時，葉黃素、葉紅素在葉片中起主導(dǎo)作用，植物對綠光的吸收加強，而對紅光反射率增強。②近紅外波段范圍(760～1 300 nm)內(nèi)形成一個高的反射峰，從700 nm 處反射率迅速增大至1 100 nm 附近形成一個“峰”，被稱作植被“紅邊”。對于不同類型植物或生活環(huán)境不同的同類植物來說，“紅邊”的位置、高度和斜率各不相同。通過對近紅外波段內(nèi)反射率實行測量，可以對植物種類加以區(qū)分。1 100～1 300 nm 內(nèi)反射率相對平坦，而植物細(xì)胞形態(tài)與分裂情況是出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因。③短波紅外波段(1 300～2 500 nm)內(nèi)反射率主要受含水量的影響，形成3個吸收谷和2個反射峰。

3 高光譜遙感技術(shù)在現(xiàn)代林業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展

3.1 森林火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)防中的應(yīng)用

森林火災(zāi)的發(fā)生不僅會危害森林的健康，還會波及人類的生命安全。森林火災(zāi)的發(fā)生特點，一是由于森林分布面積廣，且枝繁葉茂具備一定的隱蔽性，故而導(dǎo)致森林火災(zāi)在發(fā)生初期并不能很快被察覺，當(dāng)察覺時，火災(zāi)已經(jīng)燃燒到一定程度且發(fā)生蔓延，此時若想快速撲滅難度極大。其次，由于火災(zāi)具有蔓延迅速、突發(fā)性強的特點，且受風(fēng)向的影響，容易發(fā)生復(fù)燃，單純依靠人力手持滅火設(shè)備對其進行撲滅，難以達到良好效果極易造成事故。火災(zāi)發(fā)生地的溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周邊區(qū)域，而高光譜遙感技術(shù)正是利用這一特點，對森林區(qū)域范圍內(nèi)的異常溫況進行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)源頭出現(xiàn)，便可以快速對其進行撲滅，避免不必要的犧牲和損失的產(chǎn)生。

3.2 森林病蟲害預(yù)防與監(jiān)測的應(yīng)用

森林病蟲是危害森林健康的罪魁禍?zhǔn)祝瑫茐纳鷳B(tài)環(huán)境平衡，給自然資源帶來巨大損失。森林病蟲害具有較高的隱蔽性，大多發(fā)生于植物內(nèi)部，由內(nèi)向外蔓延，等發(fā)現(xiàn)時，植物內(nèi)部已經(jīng)完全被病蟲侵蝕，此時再對其進行治療已經(jīng)為時已晚。而高光譜遙感技術(shù)在現(xiàn)代林業(yè)中的應(yīng)用，剛好可以解決這一問題，被病蟲害侵蝕的部位與健康部位的遙感成像存在很大區(qū)別，非常容易區(qū)分，因此，利用高光譜遙感技術(shù)可以快速而準(zhǔn)確地找出病蟲害植株，可對其進行及時處理以防止病蟲害的蔓延和擴散，保護森林資源免受病蟲害的侵蝕。

3.3 監(jiān)測森林資源的變化軌跡

森林會隨著時間的變化不斷進行生長和繁衍，如果相關(guān)資源信息得不到及時更新，則會使相關(guān)決策與規(guī)劃合理性得不到保障，不能對森林資源進行有效管理和區(qū)分，更無法及時對森林資源進行保護，致使稀有物種滅絕。而高光譜遙感技術(shù)以其覆蓋范圍廣、成像率高、多時相等特點，可以從技術(shù)上實現(xiàn)對森林資源生長變化的全天候?qū)崟r監(jiān)測，利于相關(guān)管理部門及時獲取森林資源的變化情況，實現(xiàn)對森林資源的同步評估和測量，提高森林監(jiān)測的精準(zhǔn)度。

3.4 在森林信息管理上的應(yīng)用

3.4.1 識別物種

森林作為可再生資源與陸地生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的主體，為人類的生存和發(fā)展提供了大量物質(zhì)資源。在某種程度上保護森林資源就是保護生態(tài)環(huán)境、保護物種多樣性。為更好地對森林資源進行保護，首先要正確識別森林物種，只有這樣才能確保森林物種多樣性的延續(xù)，維持生態(tài)平衡。由于不同物種具有不同的生長環(huán)境要求，且其屬于森林生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的一部分，當(dāng)生態(tài)環(huán)境中的某一環(huán)節(jié)被破壞后，必然會引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致一個物種或多個物種的滅絕。因此，森林物種的多樣性對森林資源保護具有非常重要的作用。然而，單純依靠人力對森林物種進行辨別耗時又耗力，不少處于滅絕邊緣的物種，可能會等不到人類的光臨便在悄無聲息中消失，生態(tài)系統(tǒng)失衡加劇。利用高光譜遙感技術(shù)可以幫助研究人員對森林物種進行分類與辨識，實現(xiàn)對森林物種的精細(xì)化識別，以此為森林資源物種多樣性保護提供有效的數(shù)據(jù)支撐，這也是在現(xiàn)代森林管理中應(yīng)用高光譜遙感技術(shù)的主要價值之一。

3.4.2 測量葉面指數(shù)

葉面指數(shù)指的是植物葉片在單位面積內(nèi)的垂直投影面積總合，常被用來定量指示植被特征，作為研究植物生產(chǎn)趨勢與產(chǎn)量的重要參數(shù)指標(biāo)，同時也是監(jiān)測森林水分、二氧化碳吸收量及氧氣交換量的重要參數(shù)，其被廣泛用在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域及林業(yè)、農(nóng)業(yè)的研究上。在過去的現(xiàn)代森林管理中，通常采用多光譜來估測葉面指數(shù)，但是多光譜數(shù)據(jù)較寬，在大范圍的監(jiān)測中容易與其他非監(jiān)測植物的光譜混淆，且只能對被監(jiān)測的植被指數(shù)進行簡單統(tǒng)計，并不能很好地將植被指數(shù)與葉面指數(shù)聯(lián)系起來，這導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不夠精確。改用高光譜遙感技術(shù)后，可以有效改善這一問題，從而提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.4.3 提取森林郁閉度信息

森林郁閉度信息通常被用作反應(yīng)森林植物生產(chǎn)狀況及林分密度的重要指標(biāo)，是預(yù)測森林蓄積量的核心數(shù)據(jù)。在當(dāng)前的高光譜遙感技術(shù)中，森林郁閉度信息是一個相對容易被提取的參數(shù)。大量的研究表明，高光譜遙感技術(shù)由于波段分辨率高且波段窄而多的特點，能夠通過某成分光譜的特征變化，準(zhǔn)確反映森林郁閉度信息，為現(xiàn)代森林的研究和發(fā)展提供準(zhǔn)確度較高的信息數(shù)據(jù)。

3.5 在森林健康評價中的運用

對森林的健康狀況進行評測，是森林監(jiān)控評測的主要內(nèi)容，為森林的管理決策、產(chǎn)量預(yù)測以及生態(tài)領(lǐng)域研究提供重要的信息數(shù)據(jù)。利用高光譜遙感技術(shù)可以獲得森林植被的有效光譜信息，并在光譜上將植被各生化組分的精細(xì)光譜信息體現(xiàn)出來。同時，還能在光譜上反映出植被各組分的養(yǎng)分及水分等物質(zhì)的含量及生長狀況，科研人員可以以此對植被的吸收情況進行監(jiān)測，分析森林土壤的性質(zhì)及土壤對植被健康的影響，從而對森林的未來生長狀況及健康狀況進行預(yù)測，提前解決可能會影響森林健康的危害因素，保障森林植被的健康。高光譜遙感技術(shù)還可以對森林空氣的受污染情況進行監(jiān)測，結(jié)合森林植被的物種類型及生長情況，制定有效的“生態(tài)治污”方案，實現(xiàn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展。

3.6 在現(xiàn)代林業(yè)中的發(fā)展方向

得益于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用的光波窄且多，比寬波段遙感探測到更多的物質(zhì)特征，極大地提高了現(xiàn)代森林研究的精準(zhǔn)度和深度。因此，高光譜遙感技術(shù)要在未來的發(fā)展中，要將更多的精力用于提高高光譜遙感的探測精度，以便于能夠更深一步地對森林植被的生物特征進行探測。

現(xiàn)階段，我國大部分高端遙感監(jiān)測設(shè)備都是從國外進口，這嚴(yán)重制約了我國尖端遙感技術(shù)的研究和發(fā)展。為改變這個局面，我國必須加大高光譜遙感技術(shù)軟硬件設(shè)施的研究，爭取早日擺脫進口國外監(jiān)測儀器的被動局面。最后，要正確認(rèn)識高光譜遙感技術(shù)在現(xiàn)代林業(yè)管理中的重要作用，將高光譜遙感領(lǐng)域的科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代林業(yè)管理與研究的驅(qū)動力，更好地對森林資源進行保護。

4 結(jié)語

高光譜遙感技術(shù)在現(xiàn)代森林中的應(yīng)用，為森林資源的保護和發(fā)展提供了強有力的技術(shù)支持和理論支撐，使森林資源保護切實的落到實處，有利于森林資源可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)。