高頻衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在林木資源監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用?

付明千

（東北虎豹國(guó)家公園管理局琿春局，琿春 133300）

隨著生態(tài)環(huán)境損害責(zé)任追究實(shí)施辦法出臺(tái)，對(duì)生態(tài)環(huán)境變化情況實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，第一時(shí)間定性定量，第一時(shí)間處置修復(fù)，成為迫切需要解決的問(wèn)題。目前對(duì)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)快速有效的手段是采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[1]。雖然能提供資源監(jiān)測(cè)影像數(shù)據(jù)服務(wù)的衛(wèi)星有很多，如美國(guó)的landsat系列衛(wèi)星[2],法國(guó)的spot5衛(wèi)星[3],中國(guó)的高分2號(hào)[4]、吉林1號(hào)[5]等，但這些衛(wèi)星的分辨率基本都小于1 m，且對(duì)地面同一地點(diǎn)的重訪周期一般都比較長(zhǎng)，如美國(guó)的landsat系列衛(wèi)星重訪周期一般為16 d;法國(guó)的spot5衛(wèi)星為26 d；我國(guó)的高分2號(hào)為5 d,吉林1號(hào)理論上具備全球熱點(diǎn)地區(qū)30 min內(nèi)重訪能力，每天可觀測(cè)全世界范圍內(nèi)800多個(gè)目標(biāo)區(qū)域，但用于民用成本巨大，目前用于森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)基本不現(xiàn)實(shí)。

從國(guó)家環(huán)保督察及國(guó)家林業(yè)和草原局森林督查等所使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)看，拍攝間隔周期為1年，即以兩年同一時(shí)間拍攝的同一地點(diǎn)的衛(wèi)星照片判斷生態(tài)環(huán)境變化情況[6]。以這種間隔周期，一年時(shí)間幾乎所有的生態(tài)環(huán)境破壞都已經(jīng)結(jié)束，因此只適用于環(huán)境破壞后的監(jiān)督檢查，不適用于環(huán)境破壞中的即時(shí)發(fā)現(xiàn)和制止。采取這種“事后監(jiān)測(cè)”一種是因工作所需，另一種是因?yàn)樗栊l(wèi)星影像數(shù)據(jù)在商業(yè)化運(yùn)行中采取“訂購(gòu)制”[7]，是“量身定制”，數(shù)據(jù)又是“亞米級(jí)”，因此購(gòu)買數(shù)據(jù)費(fèi)用高，一般單位很難承擔(dān)。

“事后監(jiān)測(cè)”適用于監(jiān)管者，但作為被監(jiān)管者則更希望“事前監(jiān)測(cè)”、“事中預(yù)警”。為了對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞事件做到早發(fā)現(xiàn)、早制止、早修復(fù)[8]，也為了能讓基層的資源監(jiān)測(cè)工作者早日使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)定位，定性生態(tài)破壞問(wèn)題，筆者經(jīng)過(guò)一年多反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)某些中小型衛(wèi)星對(duì)同一地點(diǎn)拍攝頻率高達(dá)一天一次甚至多次，且使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用“注冊(cè)制”，注冊(cè)成為會(huì)員后可享用基本影像數(shù)據(jù)服務(wù)，商用資費(fèi)低廉[9]。通過(guò)對(duì)同一地點(diǎn)短周期多次拍攝，可以快速發(fā)現(xiàn)責(zé)任區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境變化情況，跟蹤每天變化周期，找出起始時(shí)間點(diǎn)，判讀變化坐標(biāo)，測(cè)量出大致面積，判讀變化速率，有效解決“事前監(jiān)測(cè)”、“事中預(yù)警”的大問(wèn)題[10]。

1 高頻次小衛(wèi)星特點(diǎn)

1.1 數(shù)據(jù)覆蓋效率高

據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2019年5月，全球在軌運(yùn)行的衛(wèi)星有2 063顆，其中遙感衛(wèi)星有771顆[11]。在771顆遙感衛(wèi)星中，高頻中低分辨率小衛(wèi)星有300余顆，僅美國(guó)的PlanetScope小衛(wèi)星星座就有在軌衛(wèi)星170余顆，為實(shí)現(xiàn)全球每日覆蓋提供了條件。

1.2 影像自主覆蓋

衛(wèi)星影像無(wú)需編程，上百顆衛(wèi)星每天對(duì)全球進(jìn)行自主拍攝。提供在線遙感影像監(jiān)測(cè)服務(wù)，多光譜影像分辨率一般為3 m，并可以對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)拍攝，實(shí)現(xiàn)每天重訪，其高頻次、高分辨率的時(shí)序圖像可以用于監(jiān)測(cè)土地利用變化情況、森林資源長(zhǎng)勢(shì)、森林盜砍盜伐現(xiàn)象、森林病蟲害、森林火災(zāi)等，能較好地服務(wù)于森林資源保護(hù)與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

1.3 成本低廉

龐大數(shù)量的微小衛(wèi)星群造就了全球覆蓋以及同一地點(diǎn)高效重訪能力，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中大型遙感觀測(cè)衛(wèi)星，用更低的成本靈活地獲取影像數(shù)據(jù)。

1.4 適用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[12]

高頻率中高分影像，具有實(shí)時(shí)型數(shù)據(jù)采集能力，適用于對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行時(shí)間序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星遙感用戶，如區(qū)域資源環(huán)境動(dòng)態(tài)變化、農(nóng)作物全生長(zhǎng)周期、特殊目標(biāo)動(dòng)向、災(zāi)害應(yīng)急、熱點(diǎn)地區(qū)及熱點(diǎn)事件追溯等監(jiān)測(cè)。

1.5 操作簡(jiǎn)便

這些高頻次、中高分辨率小衛(wèi)星一般都建有云服務(wù)平臺(tái)[13]。基于云平臺(tái)，用戶可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)直接訪問(wèn)云端，查詢、瀏覽、對(duì)比目標(biāo)區(qū)域時(shí)序影像數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的前端處理與結(jié)果導(dǎo)出。用戶也可選擇將需要的數(shù)據(jù)下載下來(lái)，用于進(jìn)一步深度分析處理。同時(shí)，后臺(tái)也有技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供針對(duì)性的支持，操作簡(jiǎn)便，易于基層監(jiān)測(cè)管理人員掌握。

2 應(yīng)用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)路線

2.1 劃分網(wǎng)格

以縣為單位，根據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的任務(wù)需要，把責(zé)任區(qū)內(nèi)的林地、草原、濕地等劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)責(zé)任人分別監(jiān)測(cè)若干個(gè)網(wǎng)格。基于高頻次、中高分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，建立生態(tài)環(huán)境資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)責(zé)任區(qū)網(wǎng)格責(zé)任制，改“事后監(jiān)測(cè)”為“事前監(jiān)測(cè)”、“事中預(yù)警”，即為“網(wǎng)格法”[14]。

圖1 網(wǎng)格法示意圖Fig.1 Sketch map of grid method

2.2 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

選擇某高頻次遙感監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，應(yīng)用每天一次的高頻率影像數(shù)據(jù)，結(jié)合“同步聯(lián)動(dòng)”技術(shù)[15]，網(wǎng)格責(zé)任人每天對(duì)責(zé)任區(qū)對(duì)比掃描一次，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影像圖斑變化，及時(shí)做出判斷或預(yù)警，若遇不明情況可以立即到現(xiàn)地查看，從根本上實(shí)現(xiàn)借助衛(wèi)星的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2.3 動(dòng)態(tài)管理

以縣一級(jí)林草管理部門為例，在下一個(gè)資源調(diào)查周期到來(lái)前，無(wú)論是開展植樹造林、占用林地、還是采伐利用，一般都不會(huì)對(duì)資源底圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。而應(yīng)用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)后，可以及時(shí)根據(jù)影像變化情況，對(duì)林班、小班、村屯、河流、道路等圖面檔案進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了資源的動(dòng)態(tài)管理[16]。

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)例

3.1 采伐動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

圖2 某處森林高頻衛(wèi)星時(shí)序影像Fig.2 Sequential high-frequency satellite images of a forestland

可以監(jiān)測(cè)森林盜砍盜伐現(xiàn)象，服務(wù)于森林資源保護(hù)與生態(tài)環(huán)境發(fā)展。如圖2所示為某處森林的2016年下半年的變化情況，從砍伐面積變化情況和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)間隔周期，結(jié)合森林資源檔案，可以判斷出砍伐速率及采伐作業(yè)方式等[17]。

3.2 林地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

高頻次遙感影像可以監(jiān)測(cè)林地變化情況，按照時(shí)間順序追溯變化速率和變化面積，判斷變化性質(zhì)[18]，必要時(shí)結(jié)合現(xiàn)地核查及時(shí)做出管理決策。

圖3 某地林地占用高頻衛(wèi)星時(shí)序影像Fig.3 Sequential high-frequency satellite images occupied by a forest land

3.3 濕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)多期影響變化對(duì)比，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)濕地的“圈層結(jié)構(gòu)”變化情況[19-23]，或各圈層內(nèi)水資源變化情況[24-26]，及時(shí)調(diào)整保護(hù)或修復(fù)措施, 做出判斷和預(yù)警，制止人為干擾和破壞。

圖4 某地水庫(kù)大雨前后水量變化高頻衛(wèi)星時(shí)序影像Fig.4 Sequential high-frequency satellite images change of water volume changes of a reservoir before and after a heavy rainfall

4 結(jié)語(yǔ)

基于龐大數(shù)量的微小衛(wèi)星群造就的全球覆蓋，同一地點(diǎn)實(shí)時(shí)高效重訪能力，以及與同分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)相比所采用的獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)運(yùn)作模式和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，使得對(duì)目標(biāo)區(qū)域林木資源進(jìn)行時(shí)間序列動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成為可能，這將徹底改變事后監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)模式，對(duì)于林木資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、工業(yè)巡查、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然資源與野生動(dòng)物的保護(hù)等領(lǐng)域意義重大。