基于国产陆地卫星数据的西天山森林资源环境监测研究

第1章 总论 1.1 研究背景 地球是人类赖以生存的家园，随着全球资源环境问题的日益严峻，地球资源的可持续利用和保护地球环境已成为人类面临的重要问题。运用现代高科技手段，准确查明资源、环境家底，为国民经济建设和社会发展提供科学决策已势在必行。目前，世界上许多国家都在积极地发展和运用以遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球导航卫星系统（GNSS）为代表的地理信息技术，以数字的方式获取、处理、分析和应用关于地球自然和人文要素的地理空间信息。太空资源将成为继陆地、海洋和石油资源之后的第四大战略资源，在现在和将来，各类航天飞行器与传感器的开发和遥感分析解译技术将成为占领、争夺制高点的*为关键的要素。近年来，由于国土安全和经济发展的双重压力，国家对空间信息资源的需求超过了历史上的任何时期。为了保证国土安全、保持资源与环境的可持续发展、加强国产新型航空航天器的开发利用，建立基于国产卫星系列的空间信息的采集分析平台，准确及时地掌握资源与环境变化状况，进而指导人们正确开发利用自然资源、保护生态环境，已成为国家决策部门和科学界普遍关注的问题。我国目前已形成规模位居全球前列的专业卫星星群，如何综合、高效地利用这些卫星获取的数据服务于国土安全、生态安全、资源安全已成为国家科技创新的重大需求。 包括天然林、人工林和荒漠乔灌木林在内的新疆森林是新疆经济、社会可持续发展的基础。新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）的山地森林具有重要的水源涵养、水分调节和水土保持功能，生物多样性保育功能和文化功能，近半个世纪以来曾遭受强度砍伐破坏，其功能严重受损。虽有人工更新，但是恢复缓慢，完全恢复需要2～3个世纪或更长。为使新疆林业可持续发展，以西部大开发为标志，国家特别针对新疆林业发展先后出台了一系列的政策与规划，包括《国有公益林区划与经营》《干旱林业生态建设》《新疆林果业10年发展规划》等。这些新疆林业的重大事件都可以通过国产中高分辨率遥感对地观测系统优质高效地进行精细的判读解译、准确的空间定位、实时的动态监测、确切的定量分析、迅捷及时的预警、客观全面的评估，并提出分区分类指导的适应对策和优化设计的示范。迫切需要建立面向林业政务决策、森林资源管理和林业集约生产的高分辨率林业遥感观测系统，以求能迅捷地提供森林资源环境的现状与动态变化、重大林业生态工程建设效益状况、森林灾害等信息数据及产品。 中巴资源卫星（CBERS-1）于1999年10月14日成功发射，结束了我国依赖国外资源卫星遥感数据的历史，首次直接获取了我国西部边陲地区的遥感图像资料，为国家西部大开发战略的实施提供了良好的空间信息资源。目前， CBERS卫星数据已经广泛地应用于我国环境与灾害监测、资源调查、测绘制图、城市、军事等诸多领域。虽然中巴影像数据与国外高分辨影像数据相比还有许多不尽如人意的地方，但它毕竟是我国具有自主知识产权的地球资源卫星，它可以不受时间、地域的限制，接收任何时相的图像。它的清晰度、波谱分辨率亟待提高，这也必然会促使图像处理方法的不断研发。 环境与灾害监测预报小卫星星座是我国为适应环境监测和防灾减灾新的形势和要求所提出的遥感卫星星座计划。根据灾害和环境保护业务工作的需求，环境与灾害监测预报小卫星星座由具有中高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、宽观测幅宽性能，能综合运用可见光、红外与微波遥感等观测手段的光学卫星和合成孔径雷达卫星共同组成，以满足灾害和环境监测预报对时间、空间、光谱分辨率以及全天候、全天时的观测需求。2008年9月6日上午11:25成功发射环境与灾害监测预报小卫星 HJ-1A星和 HJ-1B星，HJ-1A星搭载了 CCD相机和超光谱成像仪（HSI），HJ-1B星搭载了 CCD相机和红外相机（IRS）。HJ-1A星和 HJ-1B星上装载的 CCD相机设计原理完全相同，以星下点对称放置，平分视场、并行观测，联合完成对地推扫成像。 HJ-1A星和 HJ-1B星的轨道完全相同，相位相差180°，两台 CCD相机组网后重访周期仅为2天。 高分辨率对地观测系统工程是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》所确定的16个重大专项之一，由天基观测系统、临近空间观测系统、航空观测系统、地面系统和应用系统5个系统组成。应用系统要充分利用我国各行业、高校和研究机构在遥感应用领域的技术成果、运行系统和基础设施，针对高分专项民用卫星、航空等数据组织开展应用技术研究、行业区域示范应用以及产业化示范，促进形成空间产业链。“十二五”以来，我国陆地卫星已基本实现了高分辨率对地观测数据自给和在行业部委、省等总部级政府部门的工程化、业务化应用，亟待推进深化产业化应用，尤其是向中、基层政府部门和大众扩展。在此情况下，结合重点区域的典型行业，实现多源国产陆地卫星数据综合、高效地利用，对挖掘和释放国家空间基础设施的应用效能和服务数字中国建设、数字经济发展具有重大意义。 新疆维吾尔自治区是我国陆地面积*大的省份，更是国家能源、矿产、粮油等重要生产基地，在国家西部大开发中占有举足轻重的地位。而且，新疆地处西部干旱地区，是中亚干旱区的主要组成部分和世界典型的荒漠分布地区，其生态环境相对比较脆弱，面临许多重大生态环境问题，新疆生态与环境安全直接关系到区域经济发展格局。新疆干旱的气候、辽阔的地域、独*的地理景观给遥感技术提供了优越的应用空间。同时，新疆生态与环境条件复杂、区域广阔、人烟稀少，现代空间技术的应用又面临许多新的问题与技术难点。因此，在新疆建立实验区开展森林资源监测与评估研究，不仅为遥感技术应用提供了极大的发展空间，还有助于形成生态环境研究新的生长点。但由于受各种条件的限制，目前在新疆还未系统地利用国产卫星系列数据开展森林资源监测与评估研究。高分专项的启动和实施，必将获得大量宝贵的高分数据，这些高分数据需要尽快进入实际应用领域，为中国和全球的社会发展与科学研究提供服务。国产中高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率等新型卫星遥感数据的应用，必将推动林业遥感监测与应用的发展，使国产系列卫星在资源环境变化的遥感动态监测和网络服务中替代国外同类产品，产生巨大的经济效益和生态效益。 1.2 国内外研究现状和发展趋势 1.2.1 国内外技术发展及应用现状 目前来看，国家森林资源调查方法可以分为3种：①森林资源连续清查（CFI）；②利用各省（州）的森林资源调查信息统计全国的方法；③根据森林经理调查（森林簿）结果累计全国的方法。法国和北欧各国采用第１种方法；美国、加拿大、德国、奥地利等国采用第2种方法；日本、俄罗斯及东欧各国采用第3种方法。 从国家森林资源调查体系的特征来看，森林资源调查体系有以下特点：①抽样技术与 CFI高度结合；②重视森林环境信息和森林环境监测；③重视 GNSS、GIS和 RS等高新技术的综合利用；④强调成果公开和面向用户。 世界各国研建了各种各样的林业数据库管理系统（FRDMS）。美国东部森林清查数据库 EWDB和西部的 WWDB，不但包括了森林资源连续清查数据，还包括了统计分析数据，如各种森林类型的面积、各个州的地理分布、木材计划和消耗情况等，能够满足各层次人员需要。加拿大建立的森林资源数据库系统 CFRDS是一个集成化的森林资源信息库，存储着森林蓄积、运输途径、木材需求等信息，可提供林区现有的铁路、公路和水路运输途径，森林蓄积图表和需材企业图表等信息，成为森林经营规划的有力助手。 我国森林资源调查中曾使用过9类卫星25种传感器的数据，今后会有更多的卫星和传感器数据供森林调查监测实际应用，特别是小卫星所获取的高分辨数据。利用遥感可以快速、低成本地得到地面物体的空间位置和属性数据。随着各种新型号传感器的研制和应用，遥感特别是航天遥感有了飞速的发展，遥感影像的分辨率大幅度提高，波谱范围不断扩大。星载和机载成像雷达的出现，使遥感具有了多功能、多时相、全天候能力。在林业中，遥感技术被应用于土地利用和植被分类、森林面积和蓄积估计、土地沙化和侵蚀监测、森林病虫害和水灾监测等方面。全球导航卫星系统（GNSS）是利用地球通信卫星发射的信息进行空中或地面的导航定位，它具有实时、全天候等特点，能够及时准确地提供地面或空中目标的位置坐标，定位精度*高能达到毫米。森林资源调查监测中，GNSS可用于遥感地面控制、伐区边界量测、森林灾害评估等诸多方面。今后，随着 GNSS精度的不断提高，其在林业调查监测中的应用将会日益增加。在森林资源调查中，遥感、地理信息系统、全球导航卫星系统这3个技术系统各有侧重，互为补充。 欧美等林业发达国家在森林资源监测上不断增加其信息量与科技含量，形成了新的森林资源监测体系：除了有定期连续性的全国性的森林资源清查（CFI）外，还有一些地方性或区域性的监测调查和跨国合作监测项目。在传统的森林木材资源监测和评价体系上又增加了以森林质量和环境为主要对象的监测和评价系统，形成了一个完整的森林资源、森林状态和森林环境的监测与评价体系。这个体系除了定期报告森林资源外，还报告森林健康、森林环境等状况。 近几十年来，国际森林资源与环境监测不仅拓宽了监测内容，在监测仪器和分析手段上也有了长足的进步。在样地布设上，设立了许多定位或半定位的样地，采用自动和连续观测设备；在野外观测和室内分析中使用了冠层图像分析系统（SCANOPY）和年轮图像分析系统（DENDRO），加大了可视化程度，实现了年轮自动探测；此外，还采用了根系图像分析系统（RHIZO）和激光测树仪（LEDHA-GEO）等。许多观测数据可以被直接输入计算机中进行数据处理，从而节省了大量人力、物力，提高和保证了观测数据的准确性和连续性。 随着林业事业的发展和科学技术的进步，森林资源调查技术在基本理论、技术水平、技术手段、工艺操作、规范标准等方面都有较大发展。20世纪50年代初期，森林资源调查主要采用经纬仪或罗盘仪进行测量，控制调查面积；利用方格法区划林班、小班，设置带状标准地，进行每木检尺以计算森林蓄积量；对地形复杂地区采用自然区划和人工区划相结合的方法进行调查。森林航空调查技术在20世纪60年代中期和20世纪80年代后期大兴安岭森林火灾调查中得到了应用。森林航空调查技术于1978年先后在全国各省（区、市）全面用于森林资源连续清查。这种清查是以省（区、市）为总体，以数理统计理论为基础，根据预定精度要求，按系统抽样原则，在地面设置固定样地，进行精确测定。每5年为一间隔期，进行重复调查，能准确获得森林资源现状和森林资源消长变化的动态信息，掌握资源变化规律，分析林业经营效果，预测森林资源变化趋势。到目前为止，我国森林资源连续清查体系已建成，并日趋完善。 20世纪80年代到90年代初，全国各省（区、市）在初建体系的基础上，已先后进行了两期复查，每期复查均获得全国*新森林资源信息。由于各地复查固定样地的复位率较高，增强了前后期调查成果的可比性，从而为准确掌握森林资源消长变化规律奠定了可靠基础，为宏观监测全国森林资源动态起到保障作用。我国在全国范围内建立了25万个固定样地的森林资源连续清查体系，这是对森林资源调查技术的提高和发展，无论在技术上、规模上和组织体系方面均属世界首创。 随着科学技术的发展，新技术在森林资源调查领域得到不断引进和应用，如“3S”技术、电子计算机技术等已被广泛运用于森林资源调查、规划设计和资源管理工作中，并取得较好成效。林业部门应用中低分辨率遥感数据进行森林灾害调查和实时动态监测，还利用 Landsat-ETM和 SPOT等中高分辨率的遥感数据对森林病虫害、风灾、火灾等进行灾情监测评估，取得了大量的监测数据，为林业决策提供了数据依据。自2003年起，广东、海南、云南、陕西、贵州、甘肃、宁夏、内蒙古、新疆等省份已相继应用 SPOT-5数据进行森林资源二类调查与试点应用，并更新了林相图。 目前，国家对林业生态建设高度重视，启动了若干国家重点生态