卫星林业遥感系统及应用

文 | 岳春宇 郑永超 庞勇 李世明

1.北京空间机电研究所 2.中国空间技术研究院空间激光信息感知技术核心专业实验室 3.先进光学遥感技术北京市重点实验室4.中国林业科学研究院资源信息研究所

一、引言

森林是陆地生态系统的主体，承担着调节气候和涵养水源等生态服务功能，对维护区域生态与环境及全球碳平衡、缓解全球气候变化发挥着不可替代的作用，其本身及变化对陆地生物圈及其他地表过程有着重要影响。传统的森林资源调查需要外业实地观测，仅能获得单个点位上的测量结果。虽然在地面收集的采样地点森林调查数据精度较高，但是难以获取大面积的调查数据，存在耗时久、费用高、效率低等问题，不能满足森林资源调查和生态过程监测大范围、高覆盖、多时相、时空连续观测等要求。

随着遥感技术的发展，卫星遥感、航空遥感、无人机遥感和地面遥感等都在林业资源调查中得到了应用。卫星遥感观测范围大，可定期重复观测，是目前大面积森林调查的重要手段，可以弥补传统方式的不足，有效减少外业调查和计量的人力时间耗费，并且能在保证精度的同时保证数据的空间完整性与时间一致性。本文从卫星林业遥感系统的角度出发，综述了主流的卫星林业遥感系统的发展现状及卫星林业遥感应用方法。

二、卫星林业遥感系统

1.主动遥感系统

（1）卫星微波遥感

微波可以穿透云层，不受天气的影响，进行全天时全天候观测。微波雷达利用微波对森林叶子、枝条、树干以及地面的散射信号，获取树高、树冠和树木三维结构信息。主要用于林业遥感的微波波段范围有X波段（2.4～3.75cm）、C波段（3.75～7.5cm）、S波段（7.5～15cm）、L波段（15～30cm）和P波段（30～100cm）。微波遥感的空间分辨率涵盖米级到百米级别。

（2）卫星激光遥感

星载激光雷达是一种新兴的主动遥感技术，通过发射激光脉冲，并接收激光脉冲到达森林后返回的能量来获取森林垂直结构信息。常用于林业遥感的激光工作波长是1064 nm的红外光和532 nm可见绿光，一般使用全波形和光子两种探测体制。美国冰云与陆地高程卫星（ICESat）上搭载的地球科学激光测高系统(Geoscience Laser Altimeter System，GLAS)是首个星载激光雷达系统，用于测量冰盖收支平衡、云和气溶胶高度、陆地地形和植被特征等。

2.被动遥感系统

（1）卫星可见光遥感

可见光林业遥感利用森林叶子、针叶、枝条等对光子的吸收和散射辐射，获取森林面积、森林种类、生物化学特性等信息。可见光多光谱光学遥感传感器可以实现亚米级高分辨率对地观测，通过生产各种比例尺的地图专题产品，数字高程模型产品（DEM）数据等，用于森林覆盖信息提取、森林类型识别等。

（2）卫星高光谱遥感

高光谱遥感获取电磁波谱中的可见光、近红外、中近红外、热红外等范围内窄的、连续的光谱波段信息，可以提供更加丰富和细致的光谱信息，在目标识别和定量化应用等领域的优势更加显著。通过高光谱指数可以进行植被和农作物、土壤类型和矿物质及化学组成等的特征分析。

三、卫星林业遥感应用

从资源的角度看，遥感可以提供三个层次的森林资源信息。简单说就是“是不是”、“是什么”、“是多少”三个层次。第一个层次为森林覆盖的空间范围信息，区分森林、非森林，可以用来评价森林覆盖的空间动态变化，即“是不是”的问题。第二个层次主要是森林类型信息，了解不同森林类型的空间分布情况，即“是什么”的问题。第三个层次主要是森林的生物物理和生物化学特性（参数）信息，包括各种森林资源调查参数，如树种组成、胸径、树高、株数密度、郁闭度、蓄积量/生物量、叶绿素含量等，即“是多少”的问题。

1.微波遥感

一般通过极化干涉测量技术（Polarimetric SAR Interferometry, PolInSAR）进行林业遥感参数反演。通过微波观测数据与森林的散射体形状、分布规律和垂直结构等特征，进行极化特征表达建模，可以反演林业信息。 Christian Thiel等使用日本ALOS卫星的L波段SAR数据，对西伯利亚森林进行了森林覆盖调查研究。

调查的对象包括已砍伐森林、新砍伐森林、林火区域和森林区域。根据森林极化参数对调查对象进行统计建模分类。考虑到森林极化参数受季节影响，研究分为冬季和夏季。试验证明，微波遥感可以实现较高的林业覆盖调查精度（图1）。

图1 夏季和冬季的SAR森林图像(RGB分别为HH/HV/VV极化层)

2.激光遥感

星载激光雷达是一种新兴的主动遥感技术，通过发射激光脉冲，并接收激光脉冲到达森林后返回的能量来获取森林垂直结构信息，主要分为线性全波形和光子两种探测体制。

邱赛等在吉林汪清林区利用GLAS全波形数据提取波形长度、地形坡度，建立基于波形参数的森林高度估测模型，林业反演试验区如图2所示。

图2 林业反演试验区

3.光学遥感

可见光林业遥感通过森林的吸收谱段进行森林资源调查。李明泽等以可见光多光谱遥感数据对黑龙江大兴安岭地区建立了地位级指数全局估算模型。使用Lansat-7 TM多光谱遥感图像反演出4种植被指数：归一化植被指数（NDVI）、土壤修正植被指数（MSVI）、差值植被指数（DVI）和比值植被指数（RVI）。大兴安岭林业参数反演结果见图4。

使用上述模型提取的森林树高与环境一号A星（HJ-1A）高光谱成像仪（HSI）高光谱数据联合，建立森林高度与高光谱中特定维度分量的映射关系，推广到激光足印无法覆盖的区域，得到测区森林冠层高度分布，反演结果见图3。试验证明，可以较高精度从GLAS波形数据提取森林冠层高度。

图3 林业反演结果

图4 大兴安岭林业参数反演结果

根据上述林业反演参数，对研究区域进行地位级指数估算（图5）。

图5 大兴安岭地位级指数反演结果

4.各种空间林业遥感手段的特征

不同层次的森林信息，林业遥感应用需要使用不同平台、不同类型的传感器或者不同传感器之间的组合来获取相关信息。基本上是光学的辐射信息为主，激光雷达或SAR的结构信息为辅，同时激光雷达与SAR测量数据互为补充。

光学遥感器获取森林反射太阳光光谱，进而可以分辨是否为森林以及林分信息和各种森林生物物理特性（参数）的变化，可以完成林业三个层次信息的提取。

微波遥感也可以根据地物的微波反射信息进行对三个层次的林业信息获取。相较于光学遥感器，SAR具有全天时的特点，但与光学遥感系统的数据分类方法不同，SAR获取的主要是距离信息。在林分信息上，从SAR数据进行森林覆盖类型的分类主要侧重于不同树种、年龄或密度的林分的宏观结构上的差异。通过干涉相关性，可以用SAR来估测森林高度。但是，从应用效果和范围来看，还是光学遥感更有应用价值。

激光雷达森林遥感主要基于面积以及森林冠层内植被三维分布描述的森林垂直结构信息进行三个层次的林业信息获取。其中单木树冠或单木探测（ITD）主要由地基和航空激光雷达实现。天基激光雷达通过回波垂直分布提取预测变量和地面调查因子之间的关系。其优点是可以直接获取林下结构信息，缺点是只能进行宏观的大范围的遥感观测。相对于光学的全面性，激光仅在三维分布参数获取上具有一定优势，这种获取结构信息的优势也优于SAR遥感器。但是综合来看，天基激光雷达获取的参数应用效果和范围依然弱于光学遥感。

四、结语

目前，已发展的空间林业遥感手段主要包括：光学遥感器、微波遥感器和激光遥感器。光学手段主要包括多光谱和高光谱遥感器，利用森林叶子、针叶、枝条等对光子的吸收和散射辐射，获取森林面积、森林种类、生物化学特性等信息，但是不能获取森林的垂直结构信息。微波雷达包括X波段、C波段、S波段、L波段和P波段等SAR遥感器，利用微波对森林叶子、枝条、树干以及地面的散射信号，获取树高、树冠和树木三维结构信息，但是不能获取林业的类型和分布等信息；另外不能直接获取森林的垂直结构信息，需要多谱段配合。激光雷达是新兴的林业探测手段，与微波雷达类似，利用激光雷达穿透冠层的特点，根据测距信息，获取森林木质生物量和森林结构信息，但是不能获取林业的类型和分布等信息，垂直结构信息的获取精度还有待提高。

因此，大范围林业遥感应以天基遥感平台数据为主，机载平台和地基平台作为验证和修正数据。满足林业遥感应用需求的配置应该是多光谱/高光谱+SAR/激光雷达的组合。多光谱及高光谱获得森林的辐射信息用来完成林业调查中是否是森林、林分信息以及各项生物物理和生物化学特性（参数）信息。SAR或激光雷达主要获取森林的垂直结构信息，从三维角度提升观测获取各项生物物理和生物化学特性（参数）的精度。