高光譜遙感技術在現代林業(yè)中的應用與發(fā)展

張詩琪

（遼寧省林業(yè)調查規(guī)劃監(jiān)測院，沈陽 110122）

高光譜遙感技術發(fā)展至今已經具有納米級的超高光譜分辨率，可以借助幾十或幾百個波段，在同一時段內獲取監(jiān)測區(qū)域內的所有生物的連續(xù)光譜信息，方便快捷，因而被廣泛用于現代林業(yè)的監(jiān)測和管理中，推動了現代林業(yè)的發(fā)展。

1 高光譜遙感技術的概述

高光譜遙感技術就是高光譜分辨率遙感，原理是利用窄而連續(xù)的光譜通道持續(xù)對地標地物進行遙感成像的一種新型成像技術。高光譜遙感技術使用的可見光和短波紅外的光譜分辨率已經達到納米數量級。同時，高光譜遙感技術的波段多且窄，具有的光譜通道波段高達幾十或幾百，且各光譜通道間是相互連續(xù)的，正因如此，高光譜遙感技術又被稱為成像光譜遙感，能夠在電磁波譜的可見光、熱紅外、近紅外等波段輻射范圍內，獲得上百個窄且連續(xù)的光譜波段信息。

2 植物高光譜的分類與識別

植物的形態(tài)學特征與化學特征使其具有獨特的光譜反射特征。同時，這種特征也使得植物在感應電磁波時形成光譜反射曲線。無論是喬灌木，還是草本植物，只要生活在同一環(huán)境中，且始終保持著良好的生長狀態(tài)，都具有相似的反射光譜特征。

大多數綠色植物的光譜曲線都呈現出明顯的“峰和谷”特征，反射光譜曲線主要分為3段：①可見光范圍(400～760 nm)內，在550 nm 處有一個小反射峰。植物特有的葉綠素是導致這種現象的主要原因。在450 nm(藍光)和650 nm(紅光)附近有一個吸收谷，具有極強的吸收作用，但受季節(jié)變化、生長環(huán)境變化以及發(fā)育狀態(tài)變化等多方面因素的影響，當葉片變黃或者變紅時，葉黃素、葉紅素在葉片中起主導作用，植物對綠光的吸收加強，而對紅光反射率增強。②近紅外波段范圍(760～1 300 nm)內形成一個高的反射峰，從700 nm 處反射率迅速增大至1 100 nm 附近形成一個“峰”，被稱作植被“紅邊”。對于不同類型植物或生活環(huán)境不同的同類植物來說，“紅邊”的位置、高度和斜率各不相同。通過對近紅外波段內反射率實行測量，可以對植物種類加以區(qū)分。1 100～1 300 nm 內反射率相對平坦，而植物細胞形態(tài)與分裂情況是出現這種現象的主要原因。③短波紅外波段(1 300～2 500 nm)內反射率主要受含水量的影響，形成3個吸收谷和2個反射峰。

3 高光譜遙感技術在現代林業(yè)中的應用與發(fā)展

3.1 森林火災監(jiān)測與預防中的應用

森林火災的發(fā)生不僅會危害森林的健康，還會波及人類的生命安全。森林火災的發(fā)生特點，一是由于森林分布面積廣，且枝繁葉茂具備一定的隱蔽性，故而導致森林火災在發(fā)生初期并不能很快被察覺，當察覺時，火災已經燃燒到一定程度且發(fā)生蔓延，此時若想快速撲滅難度極大。其次，由于火災具有蔓延迅速、突發(fā)性強的特點，且受風向的影響，容易發(fā)生復燃，單純依靠人力手持滅火設備對其進行撲滅，難以達到良好效果極易造成事故。火災發(fā)生地的溫度要遠遠高于周邊區(qū)域，而高光譜遙感技術正是利用這一特點，對森林區(qū)域范圍內的異常溫況進行監(jiān)測，一旦發(fā)現有火災源頭出現，便可以快速對其進行撲滅，避免不必要的犧牲和損失的產生。

3.2 森林病蟲害預防與監(jiān)測的應用

森林病蟲是危害森林健康的罪魁禍首，會破壞生態(tài)環(huán)境平衡，給自然資源帶來巨大損失。森林病蟲害具有較高的隱蔽性，大多發(fā)生于植物內部，由內向外蔓延，等發(fā)現時，植物內部已經完全被病蟲侵蝕，此時再對其進行治療已經為時已晚。而高光譜遙感技術在現代林業(yè)中的應用，剛好可以解決這一問題，被病蟲害侵蝕的部位與健康部位的遙感成像存在很大區(qū)別，非常容易區(qū)分，因此，利用高光譜遙感技術可以快速而準確地找出病蟲害植株，可對其進行及時處理以防止病蟲害的蔓延和擴散，保護森林資源免受病蟲害的侵蝕。

3.3 監(jiān)測森林資源的變化軌跡

森林會隨著時間的變化不斷進行生長和繁衍，如果相關資源信息得不到及時更新，則會使相關決策與規(guī)劃合理性得不到保障，不能對森林資源進行有效管理和區(qū)分，更無法及時對森林資源進行保護，致使稀有物種滅絕。而高光譜遙感技術以其覆蓋范圍廣、成像率高、多時相等特點，可以從技術上實現對森林資源生長變化的全天候實時監(jiān)測，利于相關管理部門及時獲取森林資源的變化情況，實現對森林資源的同步評估和測量，提高森林監(jiān)測的精準度。

3.4 在森林信息管理上的應用

3.4.1 識別物種

森林作為可再生資源與陸地生態(tài)循環(huán)系統的主體，為人類的生存和發(fā)展提供了大量物質資源。在某種程度上保護森林資源就是保護生態(tài)環(huán)境、保護物種多樣性。為更好地對森林資源進行保護，首先要正確識別森林物種，只有這樣才能確保森林物種多樣性的延續(xù)，維持生態(tài)平衡。由于不同物種具有不同的生長環(huán)境要求，且其屬于森林生態(tài)系統循環(huán)的一部分，當生態(tài)環(huán)境中的某一環(huán)節(jié)被破壞后，必然會引發(fā)一系列的連鎖反應，導致一個物種或多個物種的滅絕。因此，森林物種的多樣性對森林資源保護具有非常重要的作用。然而，單純依靠人力對森林物種進行辨別耗時又耗力，不少處于滅絕邊緣的物種，可能會等不到人類的光臨便在悄無聲息中消失，生態(tài)系統失衡加劇。利用高光譜遙感技術可以幫助研究人員對森林物種進行分類與辨識，實現對森林物種的精細化識別，以此為森林資源物種多樣性保護提供有效的數據支撐，這也是在現代森林管理中應用高光譜遙感技術的主要價值之一。

3.4.2 測量葉面指數

葉面指數指的是植物葉片在單位面積內的垂直投影面積總合，常被用來定量指示植被特征，作為研究植物生產趨勢與產量的重要參數指標，同時也是監(jiān)測森林水分、二氧化碳吸收量及氧氣交換量的重要參數，其被廣泛用在生態(tài)學領域及林業(yè)、農業(yè)的研究上。在過去的現代森林管理中，通常采用多光譜來估測葉面指數，但是多光譜數據較寬，在大范圍的監(jiān)測中容易與其他非監(jiān)測植物的光譜混淆，且只能對被監(jiān)測的植被指數進行簡單統計，并不能很好地將植被指數與葉面指數聯系起來，這導致監(jiān)測結果不夠精確。改用高光譜遙感技術后，可以有效改善這一問題，從而提高預測結果的準確度。

3.4.3 提取森林郁閉度信息

森林郁閉度信息通常被用作反應森林植物生產狀況及林分密度的重要指標，是預測森林蓄積量的核心數據。在當前的高光譜遙感技術中，森林郁閉度信息是一個相對容易被提取的參數。大量的研究表明，高光譜遙感技術由于波段分辨率高且波段窄而多的特點，能夠通過某成分光譜的特征變化，準確反映森林郁閉度信息，為現代森林的研究和發(fā)展提供準確度較高的信息數據。

3.5 在森林健康評價中的運用

對森林的健康狀況進行評測，是森林監(jiān)控評測的主要內容，為森林的管理決策、產量預測以及生態(tài)領域研究提供重要的信息數據。利用高光譜遙感技術可以獲得森林植被的有效光譜信息，并在光譜上將植被各生化組分的精細光譜信息體現出來。同時，還能在光譜上反映出植被各組分的養(yǎng)分及水分等物質的含量及生長狀況，科研人員可以以此對植被的吸收情況進行監(jiān)測，分析森林土壤的性質及土壤對植被健康的影響，從而對森林的未來生長狀況及健康狀況進行預測，提前解決可能會影響森林健康的危害因素，保障森林植被的健康。高光譜遙感技術還可以對森林空氣的受污染情況進行監(jiān)測，結合森林植被的物種類型及生長情況，制定有效的“生態(tài)治污”方案，實現森林資源的可持續(xù)發(fā)展。

3.6 在現代林業(yè)中的發(fā)展方向

得益于科學技術的發(fā)展，高光譜遙感技術應用的光波窄且多，比寬波段遙感探測到更多的物質特征，極大地提高了現代森林研究的精準度和深度。因此，高光譜遙感技術要在未來的發(fā)展中，要將更多的精力用于提高高光譜遙感的探測精度，以便于能夠更深一步地對森林植被的生物特征進行探測。

現階段，我國大部分高端遙感監(jiān)測設備都是從國外進口，這嚴重制約了我國尖端遙感技術的研究和發(fā)展。為改變這個局面，我國必須加大高光譜遙感技術軟硬件設施的研究，爭取早日擺脫進口國外監(jiān)測儀器的被動局面。最后，要正確認識高光譜遙感技術在現代林業(yè)管理中的重要作用，將高光譜遙感領域的科研成果轉化為現代林業(yè)管理與研究的驅動力，更好地對森林資源進行保護。

4 結語

高光譜遙感技術在現代森林中的應用，為森林資源的保護和發(fā)展提供了強有力的技術支持和理論支撐，使森林資源保護切實的落到實處，有利于森林資源可持續(xù)發(fā)展目標的實現。