卫星监测技术在森林资源管理工作中的应用

张宏伟，胡淑仪

(广东省森林资源保育中心，广东 广州 510173)

为贯彻落实习近平生态文明思想和党的十九大精神，全面掌握森林资源变化情况，及时发现破坏森林资源违法行为并依法查处，切实保护森林资源，国家林业和草原局自2018年起在全国范围内开展了以林地“一张图”为基础的森林督查工作，构建“天上看、地上查”的“天空地”监管全覆盖体系。从广东省2018年、2019年工作开展情况来看，森林督查工作有效遏制了破坏森林资源违法行为，解决了当前森林资源监管“被动式发现、运动式查处”的问题，大大提升了森林资源保护管理水平[1]。但也存在一些问题：一是使用的高分遥感影像数据不统一，部分卫片拍摄的时间与森林督查检查时段不符，有的甚至相差半年以上；二是年度判读出来的变化图斑数量多，国家下发广东省2018年判读疑似图斑65181个，2019年虽减少到33110个，但总量依旧较多；三是部分被发现的违法行为持续时间较长，森林督查工作是在本年度初对上年度引起的变化图斑进行检查核实，部分违法行为因地处偏僻等原因，未能在早期发现并制止[2]。针对存在的问题，如何在当年较短时间内获取2期影像数据判读变化图斑，及时发现制止破坏森林资源行为并依法处理，避免第2年森林督查大规模集中核查和督查出现问题，保护林业干部，成为广东省森林资源管理工作迫切需要解决的重要问题。中空间分辨率卫星相对于森林督查工作使用的高分卫星，覆盖频次高，每年各季度均可覆盖广东全省区域，能够为广东省当前森林资源管理工作面临的问题提供技术支持。

1 研究思路

选取广东省清远市阳山县、广州市从化区2个森林资源具有代表性地区作为研究区，运用专门内嵌的中空间分辨率卫星遥感光谱定量分析模型等监测技术自动提取2个研究区某个时间段的森林资源变化图斑[3]。采用内业人工目视判读和外业实地验证2种方式，计算中空间分辨率卫星监测技术自动提取图斑的准确率，为下一步在广东省森林资源管理工作上推广应用该项技术提供借鉴和参考。

2 研究方法

2.1 中空间分辨率卫星监测技术提取图斑

2.1.1 中空间分辨率卫星介绍 本研究的中空间分辨率卫星包括Sentinel-2和Landsat 8。其中：Sentinel-2(哨兵2号)是中分辨率多光谱成像卫星，携带一枚多光谱成像仪(MSI)，分为2A、2B 2颗卫星，高度为786 km，可覆盖13个光谱波段，幅宽达290 km；地面分辨率分别为10、20、60 m。一颗卫星的重访周期为10 d，2颗互补，重访周期为5 d。从可见光、近红外到短波红外，具有不同的空间分辨率，在光学数据中，哨兵-2号数据是唯一一个在红边范围含有3个波段的数据，这对监测植被健康信息非常有效。

Landsat 8是美国陆地卫星计划(Landsat)的第8颗卫星，携带有陆地成像仪(Operational Land Imager ，OLI)和热红外传感器(Thermal Infrared Sensor，TIRS)。OLI陆地成像仪包括9个波段，空间分辨率为30 m，其中包括1个15 m的全色波段，成像宽幅为185 km×185 km。OLI全色波段Band 8波段范围较窄，这种方式可以在全色图像上更好区分植被和无植被特征。

在线性光谱分析端元确定中，根据Li-Strahler几何光学模型，采用C-G-T-Z 4个分量，分别对应光照树冠、地表、阴影树冠、地表。进而解算各像元中树冠分量，利用不同时相的树冠分量占比的变化进行森林变化图斑探测。依据变化类型的不同，探测图斑至少包括以下3种变化类型：①前时相影像有植被覆盖，后时相影像有明显裸露迹地特征；②前时相影像有植被覆盖，后时相影像有明显建设特征；③前时相影像有明显建设特征或采伐迹地特征，后时相影像有植被覆盖。并根据各类型的特点，设置不同的阈值进行提取。

2.1.3 变化斑块提取结果 通过中空间分辨率卫星数据获取、卫星遥感机理分析、数据并行计算优化等一系列监测技术的应用，计算机分别自动提取到阳山县2018年11月1日—2019年3月11日时段森林资源变化图斑332个，从化区2019年3月11日—2019年9月22日时段森林资源变化图斑333个(图斑最小面积1000 m2)[4]，见图1。

图1 中空间分辨率卫星监测技术计算机 自动提取的图斑

2.2 内业人工目视判读

由6名多年从事遥感影像处理的专业技术人员，分为3组，分别以阳山县和从化区相同的2期中空间分辨率卫星影像为底图，开展人工目视判读，标记出计算机错判斑块，找出可能漏判的图斑。

2.3 外业实地验证

对阳山县12个乡镇及从化区8个镇(街道)的所有变化图斑(含计算机自动提取图斑和人工目视判读疑似漏判图斑)进行实地验证，核实变化情况。

2.4 监测技术准确率计算

根据实地验证结果，分别按图斑个数和图斑面积统计计算中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑的准确率。

2.4.1 按图斑个数计算 中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑准确率=经外业核实计算机自动提取变化图斑中确属变化的图斑数/经外业核实确属变化的图斑总数。

2.4.2 按图斑面积计算 中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑准确率=经外业核实计算机自动提取变化图斑中确属变化的图斑面积/经外业核实确属变化的图斑总面积。

3 结果与分析

3.1 阳山县验证结果

对中空间分辨率卫星监测技术计算机自动提取的阳山县森林资源变化图斑332个和人工目视判读发现的36个疑似漏判图斑(总共368个图斑)进行实地验证。验证中发现2个计算机自动提取变化图斑不属阳山县，未实地核实；5个计算机自动提取变化图斑难以到达实地，也未实地核实。实际总共外业核实变化图斑361个(表1)，其中325个确认为变化小斑(含计算机提取289个图斑和人工目视判读36个图斑)，变化总面积656.0 hm2(含计算机提取变化图斑面积546.0 hm2和人工目视判读变化图斑面积110.0 hm2)；36个(全部为计算机提取图斑)确认未发生明显变化，被计算机错判图斑面积26.5 hm2。按图斑个数计算中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑准确率=289÷361×100%=80%，按图斑面积计算中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑准确率=546.0÷682.5×100%=80%。

表1 阳山县变化图斑外业核实结果

在外业核实中发现最多的变化图斑类型为林木采伐点，共230处，约占变化图斑总数的70%；不少大山深处面积不到0.1 hm2的采伐点计算机也可以提取出来，充分展示了中空间分辨率卫星监测技术的优势。36个中空间分辨率卫星监测技术计算机提取图斑未受到任何人为活动影响，可能是由于林木自然生长引起的影像颜色和植被指数变化被计算机误判为变化图斑。36个人工目视判读图斑在外业核实后确认为变化图斑，属于计算机漏判图斑，类型包括高速公路征地、火烧迹地、采伐改造等；漏判图斑中有些地块变化很明显、面积也比较大，5 hm2以上的漏判图斑有7个。

3.2 从化区验证结果

对中空间分辨率卫星监测技术计算机自动提取的从化县森林资源变化图斑336个(人工目视判读未发现疑似漏判图斑)进行实地验证，验证中发现3个计算机自动提取变化图斑落在不属从化区，未实地核实；7个计算机自动提取的变化图斑落入陈禾洞省级自然保护区或因其它原因难以到达实地，也未实地核实。实际总共外业核实变化图斑326个(表2，图2)，其中311个确认为变化图斑，变化总面积3196.3 hm2(含非林地变化图斑面积604.5 hm2，主要为耕地变化和土地平整)；15个确认未发生明显变化，不属于变化图斑，面积98.1 hm2。按图斑个数计算中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑准确率=311÷326×100%=95.40%，按图斑面积计算中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑准确率=3196.3÷3294.4×100%=97.02%。

在确定发生变化的311个图斑中，发现最多的变化图斑类型为从化2019年“6.13”水灾后的地质灾害点(主要集中在吕田、良口镇)，发生滑坡塌方的地方117处，约占变化图斑总数的37.62%；97个为林木采伐引起变化；26个为征占用林地引起变化；32个为果园、森林割灌除草等抚育作业引起变化；20个为耕地劳作引起变化；16个为土地平整(含非林地)引起变化；3个为更新造林(其中2个为火灾后造林)引起变化；15个未受到人为活动和自然灾害影响被错判为变化图斑。

表2 从化区变化图斑外业核实结果

图2 从化区外业核实图斑类型

4 结论与讨论

实地验证计算得出，清远市阳山县按图斑个数和图斑面积计算得出的中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑准确率均达到了80%；在修正了模型参数和算法后，广州市从化区按图斑个数和图斑面积计算得出的准确率分别达到了95.40%和97.02%。其准确度可以满足实际应用推广要求，中空间分辨率卫星监测技术能够为广东省森林资源管理工作提供技术支撑。

研究结果表明，中空间分辨率卫星监测技术可以弥补森林督查工作数据不统一、年度核查图斑多、发现制止违法行为不及时等问题。中分卫星可以在短时间(一个季度)获取覆盖广东省全域的2期影像数据[5]，通过中空间分辨率卫星监测技术计算机自动提取的变化图斑对于辅助基层林业工作者有目的性、有针对性开展巡查，及时发现和打击违法行为具有重要意义，也有利于及时处理变化图斑反映的问题，避免第2年森林督查工作任务重，工作压力大。

本次实地验证工作中，未将中分卫星监测技术提取的图斑落入全省森林资源管理“一张图”数据库，也未能在验证过程直接将发现的违法地块是否属于林地进行核实，影响了外业实地验证工作效率[6]。下一步如果将该项技术应用于全省森林资源管理工作，应考虑将中空间分辨率卫星监测技术提取的图斑与广东省森林资源信息发布系统进行整合集成，直接利用该系统将计算机自动提取的变化图斑分发给各县(市、区、场)，由各地登录系统并接收经营范围内的林地变化图斑，有针对性地开展核实工作，能够大大提高工作效率。

本次中空间分辨率卫星监测技术实地验证选取的2个研究区森林资源都比较丰富(阳山县森林覆盖率72.53%，从化区森林森林覆盖率69.12%)，林地开发利用力度不大，人为活动相对较少。因此，中空间分辨率卫星监测技术自动提取变化图斑准确率也比较高。但在森林资源相对较少、经济高度发达、人为经营活动频繁、林地变化地块细碎的地区，中空间分辨率卫星监测技术计算机自动提取变化图斑的准确率还有待进一步验证。