多源遥感数据森林蓄积量估测研究现状、问题及对策

张智锋，张 燕 ，汪新岩 ，范凤云

(1.陕西省林业调查规划院，西安 710082；2.二十一世纪空间技术应用股份有限公司，西安 710100)

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。森林蓄积量是反映国家或地区的森林资源总体规模和水平的一项重要依据指标，也能反映森林资源的丰富程度并衡量优劣的森林生态环境，在应对气候变化、维护生态安全中发挥着特殊作用。经过近40年的发展，遥感技术已经应用到森林资源调查、湿地监测、荒漠化监测、森林火灾等业务中，各种林业应用系统的应运而生，有效地提高了我国森林资源和生态环境监测、评估和预警的水平，有利地促进了林业信息化水平的整体提高[1]，多源遥感技术的发展，为森林蓄积量遥感估测提供了更多的手段支撑。

陕西省，植物资源丰富，种类繁多，是全国林业大省，拥有林地1 236.79万公顷，森林覆盖率达45%(截止2019年底统计数据，第九次连续清查数据为43.06%)。全省现有森林资源连续清查国家样地6 440个，加密样地1 579个。长期以来的森林资源数据来源主要是五年一次的森林资源连续清查和二类调查以及林地变更调查三大体系，而三大体系又各有侧重，互相分离，难以融合。另外在沙化荒漠化监测、湿地资源调查、野生动植物资源调查等专项工作和公益林、植树造林、森林采伐、占用征收林地、森林灾害、森林案件等其它专项调查中，又缺乏统一协调、数出多门。为实现省和市级森林资源年度出数，确保森林资源年度出数省、市、县各级成果的科学性，和调查监测的可操作性，需要了解当下森林资源清查的先进经验，与科研院所加强合作，开展联合攻关，研创一套理论基础扎实，适合陕西省森林资源特点、科学、实用、可操作的森林资源监测体系方案，建设统一的资源调查监测体系，综合开展省、市、县各级森林资源和各项专项调查动态监测工作。

因此，本文通过调研，梳理森林蓄积量传统调查方法和多源遥感估测研究现状，根据森林资源动态监测中存在的问题，利用传统森林资源调查与多源遥感监测技术相结合的方法，提出适合陕西森林资源清查中森林蓄积量遥感估测调查思路，在智慧林业和林业“一张图”建设思路的支撑下，构建面向林业系统行政决策者、林业工作者的林业资源一体化管理平台，实现对森林资源、湿地资源、生物多样性资源的综合展示和统一管理等。

2 森林蓄积量监测方法现状

2.1 传统的估算方法

森林蓄积量是反映一个国家或地区森林资源总体水平和森林碳贮存能力的基本指标，也是反映森林资源丰富程度、衡量森林生态系统状况的重要依据。以往的森林蓄积量估测着重于小尺度林分水平上，而大面积的森林蓄积量估算仍然有很多不确定因素。传统的森林资源调查方法是国家森林资源连续清查(简称一类清查)和森林资源规划设计调查(简称二类调查)。一类清查以省为单位，原则上每五年复查一次，其任务是定期、准确查清全国和各省森林资源的数量、质量及其消长动态；二类调查间隔期一般为十年，其主要任务是查清森林、林地和林木资源的种类、数量、质量与分布。两种森林资源调查方法的调查内容都包括有森林蓄积量因子的调查,在森林活立木蓄积量调查中，常常采用机械角规样地调查法、全林每木检尺法、带状样地调查法、样圆调查法和角规辅助典型选样调查法等[2]。不同调查方法获得的森林蓄积量有所差异，在相同方法下有不同的精度，这会影响相应森林蓄积量调查结果的适用范围，而且，传统的森林蓄积量调查方法存在任务重、劳动强度大、调查周期长、人财物投入大等问题[3]。

2.2 基于多源遥感数据的森林蓄积量估测方法

早在2001年，李崇贵基于遥感因子和GIS因子，运用主分量分析对其进行降维分析，优选出对森林蓄积量敏感的因子，构建了以“3S”为基础的森林蓄积动态监测系统[4]，奠定了森林蓄积量遥感反演的基础。伴随着航天遥感技术发展，计算机模型与数据模型相结合，在森林蓄积量遥感估测研究中，遥感数据开始多元化，估测模型也由传统参数到非参数转变，统计近二十年森林蓄积量遥感估测现状，如表1所示[5-25]，研究主要集中在两个方面：一是不同遥感数据源(光学数据、SAR数据、激光雷达数据)的协同构建遥感反演模型，二是多种估测方法对比分析，通过不同方法的估测结果进行对比分析，探索不同方法在某一地区或不同数据源方面的普适性，提高森林蓄积量的估测精度，大多数研究在科研阶段，推广大范围实施较少。随着高分系列卫星的发展，国产高分辨率卫星遥感影像已成为森林资源调查和监测的重要数据源，基于国产卫星遥感的森林蓄积量估算成为重要的研究方向之一，遥感技术的推广应用给大尺度的森林蓄积量估测提供了一种新的思路和手段。

通过对比分析近二十年国内研究学者在森林蓄积量估测方面的研究，从研究团队、数据源、是否有外业调查数据、构建模型方法、模型因子及估测精度方面对比分析，在数据源方面，由单一数据源，逐渐扩展到多源遥感数据，从最初的只有TM、SPOT国外卫星数据，推广到高光谱分辨率、高空间分辨率、高时间分辨率的国内高分系列多源遥感卫星，同时，逐渐实现遥感数据的自给自足。另外，参与模型构建的变量也从单一到多元转化，从最初直接使用各波段发射率与蓄积量构建模型，逐渐提出了各种植被指数，由差值、比值指数、归一化植被指数，到纹理信息及后向散射系数相结合的综合运用。再着，由单一数据源到多源数据协同反演森林蓄积量，如不同光学数据源的联合，光学数据和微波数据的联合，卫星数据与无人机数据的联合，光学与激光雷达数据的结合等，最后，在模型构建方法方面，从最初的传统数学统计模型，到逐步多元回归、主成分回归等线性回归算法。伴随现代计算机算法的发展，逐渐由典型的参数算法向非参数算法提升，模型精度也逐渐因研究方法不同而有所差异。中国林业科学研究院李增元带领的团队突破了林业监测专题要素高分遥感定量估测技术，在森林蓄积量定量估测方面取得重大突破，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[27]，奠定了多源遥感卫星协同反演森林蓄积量的基础。

表1 不同遥感数据源估测森林蓄积量方法

续表1

2.3 基于新型LiDAR数据技术的森林蓄积量估测

近年来发展了激光雷达技术，能更高效获取单株木信息。激光雷达以脉冲激光作为技术手段，以激光束扫描的工作方式测量从传感器到地面上激光照射点的距离，即通过测量地面采样点激光回波脉冲相对于发射激光主波之间的时间延迟得到传感器到地面采样点之间的距离。激光雷达可提供包含高度的三维信息，能够更加精确地提取树冠层高度、覆盖度、叶面积指数和蓄积量、生物量等关键参数，为林业科学研究提供更多的信息量。激光雷达分卫星激光雷达、机载激光雷达和地基激光雷达，不同尺度下对林业调查发挥不同的作用。星载激光雷达ICESat-GLAS系统，如图1所示，能够提供测高仪接收与发送的全波形数据，可反映光斑内的地物信息，估算森林结构参数，通过估算树高，间接估算森林蓄积量。机载激光雷达对森林冠层具有穿透性，单株木测量，如图2所示，根据点云之间的空间位置关系，提取地形信息，通常采用不同的点云分类算法将回波点分为地面点和非地面点，由离散地面点内插生成DEM栅格，通过计算机图形配准融合以及渲染等操作，进而提取树高、胸径、材积及树冠体积表面积等测树因子。地基激光雷达具有探测森林内部三维场景的能力，可以提供一种快速、无破坏、全自动的方式来获取森林调查因子，如树干位置、胸径、树高、树冠等，也能够获取精细的林冠下层垂直结构，如图3所示，在林木资源勘查、林木结构重建、林分研究等方面有着极大的应用潜力，能够准确地获取森林冠层内部结构及林下地形信息。国家林业调查规划设计院吴发云提出[28]，在未来的林业探测中，可用激光雷达系统对大面积的森林资源进行探测，为大面积估测林分最大高、平均高、郁闭度、生物量、蓄积量、叶面积指数等一系列森林参数创造了条件。因此，激光雷达技术的发展，不但能够快捷、准确获取测树参数，丰富了当前的林木资源监测技术，而且能够拓展森林测量研究人员的观测范围，已经成为快速获取树木几何参数的一种有效方法。三种激光雷达技术相结合更够快速高效的获取森林参数，必将成为未来森林蓄积量遥感估测的发展趋势。

伴随着激光雷达技术在森林参数反演研究中的发展[29]，中国林科院资源信息所研究团队已经构建了机载激光雷达二类调查新技术方法体系，在全国十几个林场开展机载激光雷达森林参数信息提取示范研究，在广西林业勘测设计院的支持下，率先在广西南宁开展典型森林蓄积量估测制图产品,因此，顺应市场发展趋势，鉴于激光雷达数据在二类调查中发挥着重要作用，需要加大新技术的推广力度，逐步有序开展工作。

图1 星载激光雷达大区域森林参数估计

图2 机载激光雷达单株木测量

图3 地基激光雷达单木提取

3 森林蓄积量遥感估测发展趋势

传统森林蓄积量测量主要采用标准地调查法和抽样调查方法进行局部实测，进行每木调查，逐株调查胸径，测量树高，利用公式或材积表，计算蓄积量。优点是每木调查，利用经典的材积计算方法，准确度高；缺点是工作量繁重，有些林木无法到达，只能凭借先验知识估测。多源遥感技术，能够以宏观、综合、快速、动态、准确的优势为地球资源调查、环境变化监测乃至全球变化研究提供先进的探测与研究手段,尤其是近年来，激光雷达技术的发展，能够快速高效准确的生产小班尺度上的森林蓄积量产品，因此，多源遥感技术已成为地上大面积范围内蓄积量估测的有力工具,新技术的出现将比传统方法省时、省力，节约经费，但是，未来森林蓄积量估测需要协同多源遥感数据，在不同地形条件下开展工作，逐步优化多源遥感数据在森林蓄积量探索中的模型。

新的发展形式难以组织大规模的外业调查，且对调查的精度和效率要求更高。在遥感数据源价格方面，价格偏高，地面控制点精度不够，山区数据图形阴影难以去除等系列问题，致使在大面积估测森林蓄积量方面存在估测精度偏差问题，目前大部分探索研究在小范围内进行,没有大范围推广应用。当前形势下，森林蓄积量遥感估测受经费和计算机计算能力限制，没有充分展现先进技术在面积覆盖大、速度快、实时性和周期性等特点，未来可结合多种手段，用传统调查方式和多源遥感数据相结合，开展森林蓄积量普查工作，推广先进的激光雷达技术，做到年度出数，及时更新森林蓄积量因子。

4 结论

近几年来，无人机、机载和地基光学、激光雷达等中低空遥感平台发展迅速，同时相继发射了“高分系列”、Sentinel等高时空分辨率的卫星传感器以及ALOS PALSAR、PolSAR等雷达对地观测系统，使林业遥感进入了一个快速发展阶段。多源遥感数据作为森林资源清查中一种可靠的数据源，起着非常重要的作用。传统的森林资源清查森林蓄积量方式有一定的缺点，但不能完全摒弃，只有传统与现代相结合，建立健全林草科技制度，加快推动机械化、信息化、智能化与林草事业深度融合，才能让林草事业插上现代化翅膀，显著改变经营管理方式落后面貌，跟上时代步伐。因此，通过梳理近二十年的森林蓄积量估测现状，针对陕西森林资源清查的特点，今后工作的重点为：(1)要打破因循守旧的思维定势，大胆尝试机载激光雷达新技术和新方法。(2)重点扶持优势领域研究团队，科研与业务相结合。(3)加大软硬件集中投入，提升林业遥感平台建设能力，引进掌握先进技术的人才，提高林业遥感系统平台的智能化、系统化及自动化水平。