高分遥感林业应用研究

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一、引言

林业承担着森林和湿地生态保护、荒漠化治理、生物多样性保护等国家重大任务，肩负着保护资源环境和维护生态安全的责任。林业在维护生态平衡中起着决定性作用，特别是森林具有巨大的固碳功能，在应对气候变化、维护生态安全中发挥着特殊作用[1]。为了科学评价林业生态建设和生态修复等工程效益，急需科学、翔实和连续的监测和评价数据支持。遥感技术和遥感应用技术经过四十多年的发展，已成为支撑林业资源和生态环境监测评价的主要技术手段。随着林业监测业务的发展，林业对高空间、高光谱和高时间分辨率遥感数据和处理技术的需求与日剧增，如森林资源规划设计调查、生态工程造林成效等监测都需要米级分辨率的遥感数据支持；过去由于缺少自主的高分数据，主要依赖国外数据源，这些数据价格昂贵，卫星的数据获取能力也十分有限，很难满足林业监测业务的需求。制约遥感数据林业业务化应用的另一个技术瓶颈是海量遥感数据处理技术和计算瓶颈，系统自身的集成化程度低，应用性能差，严重影响了系统的规范化运行能力发挥[2]。

“高分辨率对地观测系统重大专项”（简称高分专项）于2010年5月经国务院常务会审议批准启动实施，是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》中部署的16个国家重大科技专项之一，主要使命是加快我国空间信息与应用技术发展，提升自主创新能力，建设高分辨率先进对地观测系统，满足国民经济建设、社会发展和国家安全的需要[3]。高分林业遥感应用示范系统是为支撑“高分辨率对地观测系统”重大专项（简称高分专项）应用系统建设而立项实施的行业应用示范项目，以服务于森林资源调查、湿地监测、荒漠化监测、林业生态工程监测和森林灾害监测等调查和监测业务为目标，重点围绕高分专项计划发射的7 颗民用高分卫星数据在林业调查和监测业务中的应用，研究解决自主高分卫星数据林业应用关键技术和应用示范系统建设，形成满足我国林业调查和监测业务需求的高分遥感林业应用技术体系；建设高分林业遥感应用服务平台，实现高分林业应用专题产品生产和服务，并开展高分林业遥感应用示范。高分林业遥感应用技术体系和应用系统的建立，不但可满足林业调查和监测业务对高分遥感数据和产品的需求，而且对优化林业调查和监测技术流程、提高生态监测效率、服务于国家林业发展和生态环境建设、以及提升林业调查和监测的智能化和自动化水平均具有重要的现实意义[4-5]。

二、攻克的高分遥感林业应用关键技术

高分林业遥感应用示范系统项目针对我国高分专项计划发射的7颗民用高分卫星数据特点，围绕森林资源调查、湿地监测、荒漠化监测、林业生态工程监测和森林灾害监测等主要林业调查和监测业务，开展了高分遥感林业应用技术研究，突破了8项高分遥感林业应用关键技术，主要体现在以下三个方面：

1.突破高分遥感林业资源类型高精度分类技术

充分发挥多源高分数据协同观测优势，突破了最佳分析单元的生成、最优分类特征自动化选择及高效稳健机器学习分类模型构建等技术，有效提高了林业资源类型分类的精度、效率和自动化程度。

（1）多源高分遥感森林类型自动化分类技术

综合利用高分一号、高分二号和高分四号等卫星的高空间与高时间分辨率优势，发展了以一类清查固定样地数据为训练和精度检验样本构建CART决策树分类器的森林类型自动化分类方法；在黑龙江省森林类型分类中，该方法分类精度达到88%。

（2）高分湿地类型精细分类技术

利用高光谱与高分辨率多光谱数据，提出了基于改进型克隆选择算法的湿地类型遥感精细分类方法，实现了湿地和湿地植被群落细分，分类精度达89.09%。

（3）沙化土地类型高分遥感自动分类技术

利用高分辨率多光谱遥感数据和实测土壤高光谱数据，发展了一种基于分形网络进化分割算法与支持向量机相结合的沙化土地高分遥感自动分类方法，精度达到85.61%。

2. 突破林业监测专题要素高分遥感定量估测技术

针对森林蓄积量、沙地植被覆盖度、林火燃烧强度等专题要素高分遥感定量估测，解决了模型构建及其参数优化的技术瓶颈，提高了模型的稳健性，实现了专题要素的自动化遥感精准估测。其中包括：

（1）高分遥感森林蓄积量定量估测技术

基于高分影像光谱反射率、纹理、植被指数等特征，提出了一种按森林类型分层估测森林蓄积量的定量方法，估测精度达到75.8%。

（2）沙化土地稀疏植被覆盖度遥感估测技术

基于高光谱和多光谱NDVICAI/DFI特征空间分解光谱混合模型，实现了光合和非光合植被覆盖度的定量精确估测，精度达到86%。

（3）林火燃烧强度遥感定量反演技术

基于Stenfan-Boltzman定律和高分四号卫星数据特性，研发了一种利用高分四号中波红外数据估算森林植被燃烧火势强度的方法，实现了对林火燃烧强度的遥感定量反演。

3. 云构架下高分林业遥感应用服务平台构建与按需服务技术

突破了云构架下高分林业遥感应用服务平台资源协同管理、产品流程定制和分发服务的关键技术，实现了平台高效稳定运行和服务。

（1）高分林业遥感应用服务平台构建与协同管理技术

创新性地提出并实现了以域为单元的平台资源管理模式，改进了高性能、高可靠、高可用的NAS统一存储平台，满足了海量高分遥感数据管理和服务对大容量、高I/O带宽和系统扩展性的要求。

（2）高分林业遥感专题产品流程定制与按需服务技术

突破多语言自动服务封装、可视化服务编排和算法服务资源组合，特定流程的并行化和虚拟化应用与平台交互等技术，实现海量高分林业专题遥感产品的流程化定制生产和按需服务。

三、高分遥感林业应用示范系统建设

1. 高分林业遥感应用示范系统概述

基于高性能计算环境和云架构，建立了高分遥感林业应用示范系统，该系统包括应用服务平台、高分数据林业预处理和加工子系统以及高分森林资源调查、高分湿地资源监测、高分荒漠化监测评价、高分林业生态工程监测、高分森林灾害监测等5个专题应用子系统。系统组成如图1所示。

系统实现了海量高分遥感数据并行处理和产品生产以及远程多客户端同步操作运行，并在互联网上实现了高分遥感专题产品信息的发布与共享。通过单点登录、用户权限管理实现面向不同用户的产品生产、分发模式。

2. 构建了基于高性能计算环境和云架构的高分林业应用服务平台

应用服务平台由基础支撑服务、网格计算资源管理、数据资源管理、应用系统管理和接口与界面管理等5个功能模块构成。具有PB级存储能力，管理和计算节点数达到48个，计算速度优于5 Tflops，可支持100个并发用户使用。

3. 研制了21种专题产品生产线，实现了专题产品的流程化生产

为满足高分林业专题产品的生产需求，建成了森林资源调查、湿地资源监测、荒漠化监测、林业生态工程监测和森林灾害监测等5大类高分林业遥感应用示范专题数据库。

基于高性能计算环境和云架构的高分林业应用服务平台，在实现高分一号、高分二号、高分三号和高分四号等卫星数据自动生成辐射校正、几何精校正、正射校正和影像融合等4类共性产品的基础上，研制了21种林业专题产品生产线，实现了专题产品的流程化生产。其中：省级专题产品生产线包括森林类型分布图和森林资源年度监测报告等2种；区域级专题产品生产线包括荒漠化程度现状图、湿地类型分布图、湿地植被类型分布图、湿地动态变化图、湿地区域洪泛受灾区结果图、火情分布图和区域灾害分布图等7种；县级专题产品生产线包括县级森林蓄积量分布图、县级森林类型制图、小班地类信息变化更新图、沙化土地类型分布图、稀疏植被覆盖度分布图、荒漠化程度现状图、退耕还林工程造林地块分布图、退耕还林工程造林成林分布图、天然林保护工程森林分布图和工程区森林变化分布图、退耕还林工程区森林分布图、退耕还林工程区森林变化分布图、变色立木分布图等12种。

林业专题产品加工处理流程如图2所示。

图2 专题产品加工处理流程示意图（以荒漠化程度现状图生产流程为例）

四、应用情况

本研究形成的高分数据及产品、关键技术以及高分林业服务平台已经在全国森林资源清查、全国林地年度变更调查、全国森林资源宏观监测、全国湿地资源调查、全国荒漠化监测、土地利用变化与林业碳汇计量监测、全国石漠化监测、森林火灾监测等13项全国性调查和监测业务，以及三峡库区森林资源年度监测、云南森林资源二类调查、湖南洞庭湖和江苏太湖湿地调查、甘肃民勤生态工程监测等7项地方性林业调查与监测业务中广泛应用。不但满足了林业调查和监测业务对高分遥感数据和产品的需求，而且对提升林业调查和监测的智能化和自动化水平均具有重要的现实意义。截至2018年8月，已向50多个林业单位分发高分数据和专题产品9万多景；将森林资源监测频率由3～5年1次提高到1年1次，监测精度普遍提高5%～10%；在森林资源调查中高分数据替代国外数据率69%，在林业生态工程、石漠化监测中近100%。

五、结语

高分遥感林业应用研究，目前已攻克了高分一号到高分五号5颗高分卫星数据在我国森林资源调查、湿地资源监测、荒漠化监测、林业生态工程监测和森林灾害监测等主要调查和监测业务中的应用技术，建立了具有高性能计算环境和云架构的高分林业遥感应用示范系统，实现了自主高分数据的自动处理和共性产品的自动生产以及21种林业专题产品的生产，从而降低了高分遥感在我国林业调查和监测业务中的应用技术门槛和软硬件资源配置需求，极大地满足了我国林业调查和监测业务对高分遥感数据产品和应用技术的需求。

未来将针对高分六号、高分七号等国产高分卫星和林业碳卫星等遥感数据特点，以及新时期林业和草原调查和监测业务的需求，编制以生态保护和植被修复为主要目的的遥感调查或监测技术规程，研发高分林业和草原监测专题产品生产线，优化和扩充高分林业遥感应用系统的功能，提升系统处理高分数据和生产共性产品的能力，更好地为各级林业和草原主管部门的经营管理、规划决策等业务提供技术服务。随着新的国产高分数据在林业和草原调查和监测中的应用，将为生态环境保护和建设、林业资源利用、防灾减灾、应对全球变化等方面的宏观决策和科学管理提供新的技术手段，并为“一带一路”倡议、京津冀协同发展、长江经济带建设等国家战略的实施提供重要的科技信息保障。