中国林火卫星遥感预警监测技术研究进展

中国目前已形成了地面巡护、近地面监测、航空巡护和卫星监测等4级立体林火监测层次,但森林火灾仍是造成中国森林资源损失、森林生态环境安全和人身伤害的主要林业灾害。为对林火预警监测技术研究提供技术借鉴参考,本文从可燃物参数估测、烟区识别、着火点检测、森林大火燃烧动态监测、森林火烧迹地制图、森林火灾受害程度评价、森林燃烧生物量估算和火后植被恢复监测等8个方面,对中国近二十多年来开展的林火卫星遥感预警监测应用技术的研究进展、存在的技术问题和发展趋势进行了分析,并对构建服务于生态文明建设的天—空—地一体化的林火预警监测技术体系建设进行了展望。     

多模型耦合下的植被冠层可燃物含水率遥感反演

植被冠层可燃物含水率FMC(Fuel Moisture Content)是评估野火风险及估算火灾蔓延速率的重要指标。以中国西部6个典型研究区为例,基于辐射传输模型,利用Landsat 5 TM及Landsat 8 OLI遥感数据,开展草原、森林冠层FMC定量反演研究。为克服基于物理模型的病态反演问题、FMC自身的弱敏感性问题及西南森林多具复杂的双层冠层结构问题,研究中考虑了模型参数之间的相关特征,使用多波段遥感数据及耦合辐射传输模型等方法。反演结果显示,总体植被冠层FMC反演精度R~2为0.64,RMSE为44.86%,其中草地冠层FMC的反演精度(R~2=0.64,RMSE=47.57%)略低于森林冠层FMC的反演精度(R~2=0.71,RMSE=30.82%)。为进一步论证该反演结果对野火风险评估的有效性,研究中选取并分析了2011年3月2日于云南大理白族自治州剑川县金华镇金和村森林火灾爆发前、爆发时及灾后该区域植被冠层FMC的变化特征。结果显示,火灾爆发时该地区植被冠层FMC明显低于火灾发生前后(约一月时间)植被冠层FMC,证明了本文FMC反演结果对野火风险评估的有效性。     

内蒙古植被长势变化及其对气候变化的响应

针对内蒙古不同生态区植被长势时空变化及其对气候变化的响应差异问题,本文基于MODIS遥感数据构建植被长势指数(GI)模型,结合研究区气温降水数据,利用相关分析法研究了该区植被长势对不同气候因子响应的时空差异特征.结果表明:内蒙古近17a生长季植被GI整体呈上升趋势,森林生态区和草原生态区植被长势平稳,荒漠草原生态区植被长势较好;生长季植被GI均值在空间上呈南高北低的分布特征,植被长势整体由好到差表现为荒漠草原生态区＞森林生态区＞草原生态区;植被长势与气温呈负相关关系、与降水呈正相关关系;森林生态区植被长势受气温和降水共同影响,草原生态区和荒漠草原生态区植被长势主要受降水影响;大部分地区表现为受非气候因子驱动.     

基于林火特征分类模型的森林火情等级制图

森林中可燃物的分布状况是影响林火产生、扩散的重要因素之一,本研究的目的是结合森林资源调查数据、激光雷达(light laser detection and ranging,LiDAR)点云数据、地形和气象因子共同驱动的可燃物特征分类系统(fuel characteristic classification system,FCCS)模型来实现森林火险等级预测。以云南省普洱市为研究区,首先,利用机载LiDAR数据生产的树冠高度模型进行面向对象分割,与森林资源二类清查数据叠加分析确定分割单元,并根据可燃物的可燃性将研究区内的可燃物分为针叶林、阔叶林、竹林和灌木林等4种类型,在此基础上采用分层随机抽样形成验证数据集;然后,提取LiDAR变量因子,采用多元逐步回归法反演不同可燃物的森林参数;最后,将森林参数连同气象和地形因子作为FCCS模型的输入,完成各个分割单元的火情等级评价,实现该地区潜在火行为、树冠火、有效可燃物和综合火灾险情的制图。研究结果表明,研究区有效可燃物火险等级比较低,符合研究区的实际情况;森林垂直结构与森林火险等级关系密切,森林参数的准确估测对整个可燃物的制图具有非常重要的作用。     

森林火灾后生态变化遥感监测评价模型的构建方法研究

通过攀西林区云南松林的一系列旧火烧迹地的更新恢复和生态变化的遥感调查，对各生态因子的空间分布特征及生态变化的影响规律进行分析，确定了评价因子（变量）及其评价标准，利用遥感信息，以及地形、土壤、林分和林木受害程度等要素的８个因子的模糊综合评判结果和火烧年限等为变量，通过多组数据的多元统计分析，建成森林火灾后生态变化遥感监测评价模型，经野外调查结果验证分析，达到了预期的攻关目标。为使该模型能适应森林生态遥感监测运行系统的需要，对各监测因子数据的获取、植被指数的提取等方面进行了深入的方法探索。     

机载光学全谱段遥感林火监测

森林火灾是一种危害极大的自然灾害，是森林扰动的主要类型之一，直接影响森林生态系统结构、碳循环甚至全球气候的变化。近年来，航空平台和传感器的技术进步有效地提升了机载遥感系统探测和监测森林火灾的能力，推动了机载遥感在森林可燃物调查及载量评估、火险测报预测、火场态势及火情监测、灾害损失评估以及火烧迹地生态修复治理等方面的应用。本文首先介绍了中国林业科学研究院机载光学全谱段遥感系统CAF-LiTCHy（Chinese Academy of Forestry’s LiDAR，Thermal，CCD and Hyperspectral airborne observation system），描述了激光雷达扫描仪、热红外相机、CCD相机和高光谱传感器等传感器的参数；然后，阐明了集成方案和观测数据的处理方法；最后，以四川省西昌市“3.30森林火灾”作为该系统火后灾情遥感调查和灾情评估应用示例，综合多传感器数据特征，进行森林火烧程度评价，分析该系统采集的正射影像、冠层高度模型、高光谱影像、热红外影像在森林火灾监测评价中的潜力。研究结果表明CAF-LiTCHy机载遥感观测系统能有效获取森林火灾的灾情信息、火场及火环境参数，可为预防、预报预警、扑救指挥、灾害评估和生态修复提供支持。     

利用多种传感器信息编制热带森林植被图的研究

本文介绍了利用卫星遥感编制西双版纳州热带森林植被图的研究方法。论述了以森林生态规律为导向,以多种传感器遥感信息为基础,通过计算机图像处理和森林植被分类判读,编制了热带森林植被图的技术过程。研究结果表明,利用多种传感器卫星遥感数据SPOT XS和TM,结合部份航空像片编制热带森林植被图是可行的。该图件的编制为西双版纳珍贵的热带森林植被的保护管理提供了重要的基础信息。     

路域植被覆盖度时空变化遥感定量反演

通过对路域植被覆盖度反演及其时空变化特征分析,可再现公路建设和运营对路域两侧生态环境的干扰过程和强度,反映路域生态环境质量。以京港澳高速(G4)长潭段为研究区,建立路域植被覆盖度遥感定量模型及主成分分析模型,分析路域植被覆盖度的动态变化空间格局及其变异性,并寻求其主要驱动因子。结果表明,影响路域植被时空格局的主要驱动力因子是公路运营带来的经济因素,环境因素次之,与地区实际经济发展情况吻合。     

我国森林植被遥感调查及建库研究

我国森林植被的覆盖程度受到土壤、气候、海拔、人为等各种因素的互相影响,为了能够遵循＂适地适树＂原则而更加精确在不同地区栽种适宜的树种从而提高我国森林覆被率,利用遥感技术对全国森林植被及其所生长的条件进行调查是重中之重。本文以全国范围为研究区域,利用MODIS数据对土壤、植被及气候数据进行提取,引入梯形网格,对全国进行等经纬度的网格划分,利用ArcGIS,ENVI等软件绘出我国土壤类型、N、P元素及有机质含量、年降雨量、年最高温度及最低温度的温度等值线,再利用数据挖掘技术提取与森林植被覆盖率相关的影响因子得出我国现阶段森林植被覆盖图,计算出我国现有林地面积并对影响森林植被覆盖的因子进行数据库的录入。     

GIS在采煤沉陷区生态价值评价中的应用

以淮南市在采煤沉陷区生态治理规划中对规划区的生态价值评价为例,探讨了运用GIS技术和多源信息复合原理对规划区进行生态要素单因子评价和生态价值综合评价,选取评价因子包括地形因子、生态基质因子、植被因子及水环境保护因子。采用遥感与地理信息系统相结合的技术,建立与评价相关的基于GIS的基础数据平台,运用GIS的空间分析功能对规划区的生态价值进行分析和评估。通过对规划区各类生态因子的评价,深入了解规划区内生态价值的特征与空间分布,提取重要生态节点;为挖掘规划区生态建设潜力,实施生态治理和建设提供依据。     

区域生态遥感的发展与未来

结合生态遥感应用技术的发展, 介绍了中国科学院遥感应用研究所农业与生态遥感研究室在区域生态遥感研究领域的发展现状与未来。研究室重点开展植被结构、蒸散发、降水量、土壤湿度、水土流失和热环境等生态因子的遥感监测技术研究, 以三峡库区、海河流域、三北地区为研究区, 开展生态遥感的综合应用。研究室以全球变化条件下的水生态管理、工程生态效应评估、区域人地关系等作为未来区域生态遥感应用的重点发展方向。     

基于TVDI的江苏省淮北地区干旱监测技术研究

以江苏省淮北地区作为研究区,利用MODIS遥感数据,选择温度植被干旱指数对研究区进行干旱监测对比分析,建立基于温度植被干旱指数的研究区干旱遥感监测模型;结合土壤含水量数据和降雨量数据,确定研究区的干旱等级划分标准;利用干旱遥感模型对2011年夏旱进行监测研究。结果表明,建立干旱遥感监测模型对研究区干旱研究有很好的适用性和推广性。     

森林火灾可燃物信息系统的设计与实现

设计和开发了利用遥感影像提取森林火灾可燃物信息方法的原型系统,通过构建不同的森林火灾场景,对森林火灾蔓延进行模拟和分析。实验表明,该系统能够为森林火灾的应急管理提供决策支持。     

基于RS与GIS技术的泸定县植被空间分布分析

以四川省泸定县为分析研究区域,综合运用遥感图像处理技术与GIS空间分析技术,用ETM+遥感影像获取归一化植被指数(NDVI)信息并反演植被覆盖度,用地形图等高线生成数字高程模型(DEM)并提取地形因子。借助叠合分析法,讨论植被覆盖度与海拔高度、坡度、坡度变率、坡向、坡向变率5种地形因子的空间关系,得到泸定县关于地形因子的各等级植被空间分布特征。分析对地植物学中高山峡谷地区植被的地形格局分布规律研究与生态环境的评价与改良都具有重要的参考价值。     

基于MODIS数据的火险潜在指数（FPI）及其应用研究

死、活可燃物含水率大小决定森林点燃的难易度,是判断林火能否发生、进行林火预报的重要因子。本文应用火险潜在指数（FPI,Fire Potential Index）模型,从这2个方面分析研究可燃物湿度对林火发生的影响。利用MODIS遥感数据提取FPI模型所需因素（气象数据： 相对湿度、温度; 植被数据： 10 h时滞可燃物湿度、归一化水分指数、植被绿度）,并将获得的2004年10月黑龙江省和2008年3月南方几省的气象、植被数据输入FPI模型,得到火险指数和火险等级划分。实践证明,应用该模型能够提高火险在时间和地理分布上的预报能力及预防技术。     

生态地质环境评价方法研究

为了建立和探索区域生态地质环境的评价体系,该文以饶河边疆区为例,利用遥感数据提取相关生态环境信息,选取地形坡度、土壤侵蚀强度、土壤退化因子、植被覆盖度、土地利用类型、地质剖面结构、工程地质岩性性状、地貌特征类型等8个指标因子构建生态地质环境分区评价的指标体系,通过层次分析法确定各个指标因子的权重,借助隶属函数将各个因子图像生成对应级别的模糊栅格图像,建立了基于GIS系统的生态地质环境质量综合评价模型,较好地区分了研究区生态地质环境的相对稳定程度,为相关生态地质环境评价方法研究提供参考。     

植被生态遥感参数定量反演研究方法进展

植被参数是生态遥感定量反演的热点和难点,也是生态系统研究的基础性参数。本文在广泛阅读国内外公开发表的文献资料基础上,将现有的植被生态遥感参数概括为物理类、生化组分类、能量和功能类3大类,系统梳理了每类参数定量反演的主要模型方法,进行优缺点和适用性分析,对现阶段存在的不足和未来发展趋势进行了探讨。物理类植被生态遥感参数主要介绍了植被覆盖度、生物量、叶面积指数、树高等研究进展,生化组分类植被生态遥感参数主要介绍了植被含水量、叶绿素含量和光合能力等研究进展,能量类植被生态遥感参数介绍了光合有效辐射、植被吸收光合有效辐射等研究进展,功能类植被生态遥感参数主要介绍了植被生产力和碳交换量等研究进展。存在的主要问题包括混合像元分解、病态反演、物理模型应用过程中的误差传递、数据融合的尺度效应和空间变异性、模型耦合的最优方案确定问题。     

基于植被覆盖度的植被变化分析

植被覆盖度是衡量地表植被状况的一个最重要的指标,也是影响土壤侵蚀与水土流失的主要因子,对于区域环境变化和监测研究具有重要意义。为了有效地从遥感资料中提取植被覆盖度,以像元线性分解模型两个重要参数为基础,建立基于归一化植被指数(NDVI)进行估算植被覆盖度的模型。最后以杭州地区为实验样区,利用MODIS影像数据对覆盖度进行估算,并对样区的植被变化进行分析。     

基于蓝噪声理论的遥感图像森林植被纹理测量

遥感图像分割中森林植被是重要的一类目标,有效确定森林植被的纹理尺度是纹理分割的重要问题。提出一种用蓝噪声理论描述遥感图像森林植被纹理特征的方法,是一种新的植被纹理刻画和纹理尺度计算方法。研究尺度与植被纹理形态的对应关系,对于选定的探测区域,迭代寻找蓝噪声特征。迭代过程包含通过几何变换缩小区域的尺寸,用快速傅里叶变换获取区域的频谱响应,从频谱响应中提取蓝噪声特征。对于具有蓝噪声特征的区域,计算森林植被纹理的灰度分布,根据当前区域尺寸计算纹理的尺寸。实验表明,森林植被纹理单元的尺度和灰度分布测量结果准确,为进一步纹理分割提供了可靠的基础。     

基于TM数据的雅鲁藏布江源区草地植被盖度估测

为了查明雅鲁藏布江源区的草地植被盖度,采用Landsat5 TM数据,以其派生数据NDVI,RVI,VI3,PVI,DVI,MSAVI,SAVI,TM4/TM5为主要分析因子,结合野外植被样地调查数据,选取相关性最高的因子与植被盖度实测值建立回归模型,然后利用该模型反演源区的植被盖度。研究结果表明:①和其他几种遥感评价指标相比,TM4/TM5的比值与草地植被盖度的相关性最高,与草地植被盖度实测值的变化趋势一致,在光谱特征上增强了不同退化程度草地植被的光谱反射值差异,最适宜用于草地植被盖度建模;②雅鲁藏布江源区植被盖度的10个分级中,植被盖度为10%～20%的分布地区最多,面积达到4 322.15 km2,占全部草地面积的49.27%;其次是植被盖度为0～10%和20%～30%的地区,面积分别达到2 238.53 km2和1 397.87 km2,分别占全部草地面积的25.52%和15.94%;植被盖度高于50%的草地面积为195.96 km2,仅占源区草地总面积的2.23%;③植被盖度大于50%的高覆盖度植被区主要分布于4 426～4 800 m高程范围内,面积达到186.25 km2,占整个源区高覆盖度草地面积的95.04%,这与源区的水分分布条件相关。