丁 勝 魏安世 黃華兵

（1.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520；2.中山大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519082）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是人類賴以生存的必要保障和發(fā)展的基礎(chǔ)，在支撐經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展中具有不可替代的作用，森林在自然和人為因素的共同作用下，森林生態(tài)系統(tǒng)無時無刻都在消長交替動態(tài)變化[1]。森林資源監(jiān)測是對森林資源的數(shù)量、質(zhì)量、空間分布及其利用狀況進(jìn)行分析和評價，是森林資源管理的基礎(chǔ)性工作，是保持森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性、時效性的重要手段，是實(shí)現(xiàn)森林資源精細(xì)、精確、精準(zhǔn)管理，提高森林資源資源信息化管理水平的重要舉措，監(jiān)測成果是實(shí)行森林生態(tài)效益補(bǔ)償和森林資源資產(chǎn)化管理，指導(dǎo)和規(guī)范森林科學(xué)經(jīng)營，干部離任審計的重要依據(jù)。

廣東省作為改革開放的前沿陣地，先后成功完成了森林資源與生態(tài)狀況綜合監(jiān)測試點(diǎn)[2]、大樣地監(jiān)測試點(diǎn)[3]等任務(wù)，開展了基于3S 技術(shù)的年度森林資源監(jiān)測方法研究[4]，積累了豐富的森林資源監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)。按照國家在新時代下大數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢要求，以遙感技術(shù)、云計算技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，按照“綠水青山就是金山銀山”的思路，廣東省逐步構(gòu)建符合實(shí)際的森林資源“天-空-地”一體化監(jiān)測模式，實(shí)現(xiàn)常態(tài)化森林資源監(jiān)控機(jī)制，提高了森林資源管理水平。

1 “天—空—地”一體化監(jiān)測技術(shù)

利用多源遙感數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)，依托現(xiàn)有的全省森林資源管理“一張圖”，深度融合衛(wèi)星遙感獲取的森林資源變化信息、無人機(jī)獲取的現(xiàn)場觀測資料以及地面林業(yè)模型等不同的技術(shù)手段和數(shù)據(jù)，發(fā)揮“天—空—地”各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)森林資源一體化監(jiān)測。

“天”指衛(wèi)星遙感對地觀測技術(shù)，該技術(shù)具有快速、周期性等特點(diǎn)，通過獲取大范圍的多源、多尺度、多時相遙感數(shù)據(jù)，對覆蓋同一地表區(qū)域、不同歷史時期遙感影像和相關(guān)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析，獲取森林資源的動態(tài)變化信息，包括變化的空間位置、變化類型、變化的數(shù)量與規(guī)模、變化的狀態(tài)與性質(zhì)等，已成為森林資源變化監(jiān)測研究的重要技術(shù)手段[5]。衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林資源調(diào)查、林火監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測評價等各個方面得到了廣泛應(yīng)用[6]。森林資源遙感監(jiān)測研究主要包括基于像素、基于特征和面向?qū)ο蟮缺O(jiān)測方法與技術(shù)。覃先林等[7]利用MODIS 數(shù)據(jù),分別采用紅光—近紅外差值法、共生紋理矩陣法和基于相似度的變化檢測方法對我國東北林區(qū)的森林覆蓋變化進(jìn)行監(jiān)測；邵亞奎[8]在谷歌云平臺支持下，構(gòu)建了光譜、紋理、地形等多維分類特征集，進(jìn)行森林遙感監(jiān)測與時空變化分析，周小成等[9]采用基于面向?qū)ο笥跋穹治龅乃枷耄岢龆鄬哟蚊嫦蛐“鄬ο蟮纳仲Y源變化遙感監(jiān)測方法，大大提高了變化檢測和解譯的時效性。

“空”指無人機(jī)(UAV)遙感，該技術(shù)是航空遙感的一種重要方式，日益成為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段, 具有快速、機(jī)動、靈活、分辨率高、影像實(shí)時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低等優(yōu)點(diǎn)[10],是衛(wèi)星遙感的有力補(bǔ)充。無人機(jī)航拍測量具有精度高、效率高和安全性高的“三高”的特點(diǎn)，在山區(qū)圖斑調(diào)查時，調(diào)查效率提高 8～10 倍，提高外業(yè)調(diào)查效率的同時大大提高了調(diào)查的安全系數(shù)[11]。發(fā)揮無人機(jī)在森林督查等專項(xiàng)調(diào)查優(yōu)勢，對“天”發(fā)現(xiàn)突變小班進(jìn)行及時現(xiàn)場取證。

“地”指全省范圍森林參數(shù)（樹高、平均胸徑、公頃株數(shù)、公頃蓄積等）變化監(jiān)測，遙感技術(shù)由于受到光學(xué)遙感信號局限性，以及遙感模型適用性，還不能對小班林分因子進(jìn)行準(zhǔn)確更新，主要通過林業(yè)生長模型來更新，通過研究不同樹種胸徑、樹高和材積的最優(yōu)生長模型[12-13]，更新自然增長的森林資源林分信息，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的監(jiān)測。通過森林和林地變化圖斑遙感判讀區(qū)劃、森林資源檔案核實(shí)、現(xiàn)地核實(shí)等方法，建立森林資源一體化監(jiān)測平臺，及時更新動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)森林資源的空間和屬性更新。

2 廣東省森林資源“天—空—地”一體化監(jiān)測體系

充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術(shù)在大尺度、快速、海量信息提取的優(yōu)勢，融合先進(jìn)的林業(yè)監(jiān)測模型和遙感技術(shù)，發(fā)現(xiàn)森林資源突變的圖斑，實(shí)現(xiàn)變化信息的快速提取。利用無人機(jī)技術(shù)，核實(shí)和確認(rèn)衛(wèi)星遙感發(fā)現(xiàn)的變化信息，從而實(shí)現(xiàn)及時、快速、準(zhǔn)確監(jiān)測林業(yè)資源的變化。通過建設(shè)廣東森林資源監(jiān)測平臺，整合數(shù)據(jù)孤島，統(tǒng)一林業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用“天”的衛(wèi)星遙感變化信息，“空”的無人機(jī)現(xiàn)場取證，“地”的森林經(jīng)營資料和林木變化趨勢，構(gòu)建森林資源一體化監(jiān)測體系，提高了從數(shù)據(jù)更新、管理、成果展示以及決策等方面的效率和水平（圖1）。

圖1 森林資源“天-空-地”一體化監(jiān)測體系Fig. 1 Integrated forest monitoring system of “space-air- ground”

2.1 森林資源遙感影像變化監(jiān)測

傳統(tǒng)森林資源變化主要是采用高分衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)，通過人工比對前后兩幅高分影像的圖斑變化，實(shí)現(xiàn)森林資源變化圖斑的檢測，是一種比較可靠的監(jiān)測技術(shù)。雖然高分衛(wèi)星在監(jiān)測1 ～3 m的小目標(biāo)圖斑變化方面具有高空間分辨率的優(yōu)勢，但其每次觀測的范圍有限，地面覆蓋寬度僅有十幾公里。同時，高分辨率衛(wèi)星的觀測頻度低，對同一地區(qū)重復(fù)觀測的時間間隔長，加之華南氣候條件下多云覆蓋的影響，高分辨率衛(wèi)星每年僅能提供一次覆蓋我省的監(jiān)測圖斑，即每年實(shí)現(xiàn)一次森林資源變化圖斑的監(jiān)測。此外，現(xiàn)有的基于高分辨率衛(wèi)星的圖斑變化探測方法多以人工解譯或人工目視與計算機(jī)識別相結(jié)合的半自動方法為主，變化圖斑識別提取時間周期長。所以，通過高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，無法解決森林資源“過程監(jiān)管”問題。為了及時發(fā)現(xiàn)破壞森林資源行為，快速掌握森林資源變化信息，我省充分利用中分遙感衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)“周期短、覆蓋廣”的大區(qū)域森林資源變化快速監(jiān)測，能快速提取森林資源變化信息提取，通過結(jié)合林業(yè)監(jiān)測模型和遙感技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的以人工目視和半自動提取森林變化的方法，實(shí)現(xiàn)了快速提取突變小班，衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)路線如圖2 所示。通過在陽山縣、從化市試點(diǎn)，自動檢測變化圖斑準(zhǔn)確率達(dá)到85%以上，目前已經(jīng)在森林督查和森林資源“一張圖” 年度更新省級檢查全面使用，通過中分遙感影像快速監(jiān)測，對林木無證采伐、土地整理、違規(guī)使用林地等情況起到了震懾、 監(jiān)督作用，取得很好的效果。

圖2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)路線Fig.2 Technical route of satellite remote sensing monitoring

2.2 森林資源無人機(jī)監(jiān)測

隨著無人機(jī)在林業(yè)行業(yè)中應(yīng)用的不斷深入,不僅大幅提高了林業(yè)調(diào)查工作的作業(yè)效率,而且將無人機(jī)航測獲取的高分辨率的正射影像成果廣泛運(yùn)用到森林資源變化調(diào)查，包括人造成林、森林采伐、建設(shè)項(xiàng)目使用林地、開墾林地、森林災(zāi)害等方面得到了廣泛應(yīng)用。廣東省在每年的森林督察等工作，各縣區(qū)全面使用無人機(jī)現(xiàn)場取證，降低外業(yè)工作強(qiáng)度，提高了林業(yè)調(diào)查技術(shù)水平。圖3、圖4 分別為無人機(jī)拍攝森林采伐、項(xiàng)目使用林地正射影像。

圖3 森林采伐正射影像Fig.3 Orthophoto of deforestation

圖4 建設(shè)項(xiàng)目使用林地正射影像Fig.4 Orthophotos of forest land construction projects

2.3 廣東省林業(yè)生長模型研究

廣東通過持續(xù)對森林樹高、胸徑、冠幅、蓄積量等生長模型基礎(chǔ)研究，建立了符合廣東實(shí)際林分生長模型。余松柏等[12]建立了基于立地分級的林木生長更新的模型 。葉金盛等[14]通過在廣東省范圍內(nèi)收集了254 塊樣地資料，建立了廣東省馬尾松Pinus massoniana、杉木Cunninghamia lanceolata、濕地松Pinus elliottii、尾葉桉Eucalyptus urophylla、藜蒴Castanopsis fissa、軟闊類、硬闊類等7 個樹種（組）的相對樹高曲線模型。林麗平等[15]通過2013 年及 2016 年的廣東省樟樹Cinnamomum camphora、木荷Schima superba、楓香Liquidambar formosana3 個樹種的伐倒木數(shù)據(jù)，以廣東省第 8 次連清樣地數(shù)據(jù)，建立了廣東省主要鄉(xiāng)土闊葉樹種樟樹、木荷、楓香的胸徑、樹高和材積的最優(yōu)生長模型。通過不斷完善林木生長模型，提高了林分因子更新精度。

2.4 廣東省森林資源一體化監(jiān)測平臺

綜合運(yùn)用”互聯(lián)網(wǎng)+”及WebGIS 在線編輯技術(shù)，建立了基于廣東省政務(wù)網(wǎng)的廣東森林資源一體化監(jiān)測平臺，集中統(tǒng)一管理全省森林資源260多萬個林地小班。各級林業(yè)主管部門可通過政務(wù)外網(wǎng)，在瀏覽器端實(shí)時更新森林資源變化數(shù)據(jù)，結(jié)合移動端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、林業(yè)生長模型，構(gòu)建森林資源數(shù)據(jù)外業(yè)采集、在線更新、報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)審核和結(jié)果反饋的一體化在線更新流程。

3 廣東省森林資源“天—空—地”一體化監(jiān)測成效

3.1 監(jiān)管機(jī)制不斷完善

通過運(yùn)用使用“天—空—地” 一體化監(jiān)測技術(shù)手段，及時發(fā)現(xiàn)森林資源消長變化，建立了覆蓋全省、分級負(fù)責(zé)、上下聯(lián)動、齊抓共管的常態(tài)化森林資源監(jiān)測監(jiān)管機(jī)制。資源監(jiān)管執(zhí)法從被動式、運(yùn)動式向主動式、常規(guī)化轉(zhuǎn)變，森林資源監(jiān)管執(zhí)法的權(quán)威性明顯提升。

3.2 數(shù)據(jù)成果更加準(zhǔn)確

廣東森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)更加翔實(shí)，整合了森林資源數(shù)據(jù)、國家公益林?jǐn)?shù)據(jù)、省級、市級公益林?jǐn)?shù)據(jù)，天然林落界數(shù)據(jù)、濕地、石漠化等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)管理界線、面積規(guī)模、資源現(xiàn)狀一致，數(shù)據(jù)成果更加準(zhǔn)確。

3.3 監(jiān)測方法更新優(yōu)化

率先在全國建立了森林資源管理“一張圖”一體化監(jiān)測平臺，詳見圖5，實(shí)現(xiàn)了森林督查、森林資源檔案更新、天然林落界、公益林核定等工作深度融合，統(tǒng)一了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和更新方法，實(shí)現(xiàn)了“縣級在線更新、市級實(shí)時監(jiān)控、省級自動匯總”新模式，森林資源數(shù)據(jù)實(shí)時在線更新。通過幾年的使用 ，經(jīng)受了實(shí)踐考驗(yàn)，大幅提高了工作效率與質(zhì)量，推進(jìn)了監(jiān)測技術(shù)進(jìn)步，有效地提高了工作效率，真正實(shí)現(xiàn)了森林資源“一張圖、一套數(shù)”。

圖5 森林資源管理“一張圖”一體化監(jiān)測平臺Fig.5 “One map” integrated monitoring platform for forest resource management

3.4 監(jiān)測成果更加豐富

實(shí)現(xiàn)一次監(jiān)測，多個成果目標(biāo)。通過整合各類業(yè)務(wù)操作流程，實(shí)現(xiàn)森林資源管理“一張圖”年度變更產(chǎn)出多項(xiàng)成果，包括森林資源檔案更新、森林督查、生態(tài)公益林優(yōu)化、天然林落界等數(shù)據(jù)成果和各類統(tǒng)計報表，客觀反映全省森林?jǐn)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)服務(wù)價值以及空間分布情況，詳見圖6。監(jiān)測成果用于廣泛用于日常森林資源管理、林木采伐作業(yè)設(shè)計及管理、營造林作業(yè)設(shè)計及管理、使用林地審核審批、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

圖6 森林資源發(fā)布平臺Fig.6 Forest resources information release platform

4 結(jié)論與討論

通過森林資源“天—空—地”一體化監(jiān)測構(gòu)建與應(yīng)用，充分挖掘和協(xié)同航天、航空和地面監(jiān)測技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了森林資源變化小班快速提取、現(xiàn)場取證、實(shí)時在線更新，滿足了國家監(jiān)測和省監(jiān)測時間同步、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、監(jiān)測成果相互銜接的總體要求，實(shí)現(xiàn)了森林資源管理“一張圖、一套數(shù)”，為各級政府考核、林政管理、森林經(jīng)營等各方面工作開展提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，效果明顯。森林資源“天—空—地”一體化監(jiān)測技術(shù)，相互補(bǔ)充，相互融合，相互依存，各自具有技術(shù)優(yōu)勢，在以下幾個方便還需進(jìn)一步研究。

建立多源遙感數(shù)據(jù)處理平臺。隨著國家加大數(shù)據(jù)開放和共享力度，多來源、多分辨率、多時相、多類別遙感數(shù)據(jù)越來越多，獲取途徑也方便，包括國產(chǎn)高分系列（高分一號、二號、三號等）、資源衛(wèi)星系列（資源一號、資源三號）等，國外免費(fèi)獲取遙感數(shù)據(jù)包括美國Landsat 系列衛(wèi)星，歐洲航天局哨兵系列衛(wèi)星等。如何整合各類遙感數(shù)據(jù)源，建立不同數(shù)據(jù)源監(jiān)測樣本，依據(jù)現(xiàn)有森林資源管理“一張圖”，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘以及深度學(xué)習(xí)，選擇最優(yōu)算法，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取到變化信息提取與分析過程的自動化。

建立無人機(jī)一體化時空信息采集服務(wù)。隨著5G 技術(shù)發(fā)展，通過無人機(jī)和5G 技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)一體化時空信息采集服務(wù)。從航片影像獲取到航片影像傳輸，通過后臺服務(wù)器端進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)處理，同時編寫地圖服務(wù)配置文件將處理結(jié)果發(fā)布成影像地圖服務(wù)，森林資源監(jiān)測平臺及時獲取地圖服務(wù)器，通過前端進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)一體化監(jiān)測服務(wù)。

構(gòu)建林草生態(tài)一體化綜合監(jiān)測體系。隨著國土“三調(diào)”成果發(fā)布，林草監(jiān)測需要適應(yīng)“山水林田湖草沙”統(tǒng)一管理和助力“碳達(dá)峰”、“碳中和”戰(zhàn)略要求，需要整合各類監(jiān)測資源，構(gòu)建林草生態(tài)綜合監(jiān)測評價體系，統(tǒng)籌開展森林、草原、濕地、荒漠化土地監(jiān)測。