高分六號寬幅數(shù)據(jù)的森林植被黃化監(jiān)測應(yīng)用

文|武紅敢 米國兵 曾慶偉

1.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室

3.關(guān)帝山國有林管理局二道川林場

4.北京中云偉圖科技有限公司

一、引言

展示了良好技術(shù)能力，對樹冠黃化監(jiān)測也體現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。本文應(yīng)用時(shí)間序列GF-6 寬幅數(shù)據(jù)開展了森林植被黃化過程的衛(wèi)星遙感監(jiān)測，以展示其在樹冠健康監(jiān)測中的應(yīng)用方法和潛力，為森林病蟲災(zāi)害、森林精準(zhǔn)經(jīng)營提供科學(xué)監(jiān)管技術(shù)手段。

二、研究數(shù)據(jù)與分析方法

1.高分六號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

高分六號（GF-6）衛(wèi)星是一顆三軸穩(wěn)定的對地觀測衛(wèi)星，配置一臺寬幅相機(jī)（WFV）。WFV傳感器在傳統(tǒng)4 波段基礎(chǔ)上，增加了2 個(gè)能有效反映植物特有光譜特性的紅邊譜段以及黃和海岸藍(lán)譜段，成為我國首顆設(shè)置紅邊譜段以及采用國產(chǎn)CMOS 成像器件的多光譜遙感衛(wèi)星，即具有星下點(diǎn)地面像元分辨率16m、8 譜段、860km 超大幅寬成像能力[10]。本文收集了2019 年春季和秋季的GF-6 WFV 數(shù)據(jù)，并基于高精度控制點(diǎn)和DEM 數(shù)據(jù)對圖像進(jìn)行了正射校正，圖像間配準(zhǔn)誤差在1 個(gè)像元之內(nèi)。同時(shí)根據(jù)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心網(wǎng)站提供的2019年GF-6 WFV 絕對定標(biāo)系數(shù)和FLAASH 算法，應(yīng)用ENVI 軟件對時(shí)序圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正，以方便后續(xù)的定量化研究。

WorldView-3、Landsat-8、Sentinel-2、GF-6 WFV 等新型傳感器都增設(shè)了紅邊、黃和海岸藍(lán)等波段，主要是服務(wù)于植被的健康狀態(tài)監(jiān)測。由于黃色光與紫色光互為補(bǔ)色，即黃色樹葉在黃波段反射最強(qiáng)而在紫色波段吸收最強(qiáng)，雖然GF-6 WFV 的海岸藍(lán)波段的中心波長比紫光略長，但含有紫光成分，對于森林植被的黃化程度監(jiān)測有著積極作用。

2.森林冠層黃化（或生長脅迫）的遙感監(jiān)測原理

春夏季節(jié)，樹木利用色素通過光合作用捕獲光能，并且在葉子中其他物質(zhì)的幫助下把光能以糖等化學(xué)物質(zhì)的形式存儲起來，而捕獲光能的色素主要是葉綠素。除葉綠素外，其他色素的主要作用是把捕獲的光能傳遞給葉綠素。在森林植被的旺盛生長季，葉綠素在葉子中的含量比其他色素要豐富得多，所以葉子呈現(xiàn)出葉綠素的綠色，而看不出其他色素的顏色。但當(dāng)秋天來臨后，樹木為適應(yīng)天氣的變化，落葉樹、林下落葉灌木和草本等開始停止生長，只需少量養(yǎng)料就可存活。在落葉前，樹木先分解葉綠素，分解產(chǎn)生的物質(zhì)從葉子輸送到樹根，作為過冬養(yǎng)料。葉綠素分解后，樹葉里就剩下類胡蘿卜素（還有其他色素，但主要呈黃色），且葉綠素的分解速度遠(yuǎn)大于類胡蘿卜素的分解速度，因此秋天樹葉會變黃，并由于得不到充足的水分供應(yīng)，會逐漸干枯，經(jīng)秋風(fēng)一吹，便會落葉紛飛，達(dá)到降低水分蒸騰和減少養(yǎng)料消耗，讓樹木能安全度過寒冷干燥的冬季。這是森林植被生長的一個(gè)主動生理過程，在此過程中葉片發(fā)生大量復(fù)雜的生理和生化反應(yīng)（如色素濃度和水分含量等改變），因此光學(xué)衛(wèi)星遙感能夠根據(jù)這些生理和生化的特征表現(xiàn)進(jìn)行有效的監(jiān)測。樹冠葉片的衰老表征在自然情況下是受到年齡、季節(jié)變化誘導(dǎo)以及自身基因調(diào)控的自然發(fā)生的過程。但是在受到生物或非生物脅迫時(shí)，體內(nèi)生理平衡被打破，衰老進(jìn)程提前，同樣會發(fā)生葉片黃化脫落，光合作用過早停止，最終形成生理性早衰。輕則影響生長，重則會導(dǎo)致林木死亡，因此樹冠狀態(tài)的監(jiān)測對于防范森林災(zāi)害具有非常重要的指導(dǎo)意義。

3.黃化樹冠光譜特征和信息提取

在遙感領(lǐng)域，由于植被指數(shù)有利于觀測植被的長勢和發(fā)展?fàn)顩r，從而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林領(lǐng)域。隨著傳感器技術(shù)的進(jìn)步，地球觀測衛(wèi)星為遙感專家不斷提供了新數(shù)據(jù)，以推動相關(guān)研究和改進(jìn)現(xiàn)有分析方法。歸一化差值植被指數(shù)（NDVI）是基于植被在近紅外波段的較強(qiáng)反射和在紅波段較強(qiáng)的吸收特性而構(gòu)建，因此常用來定量化反映植被的生長狀況，且由于計(jì)算簡單、指示性好，可以測量植物中光合作用的活性生物量，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域，是最適合監(jiān)測植被生長動態(tài)的指數(shù)之一；歸一化綠紅差值植被指數(shù)（NGRDVI）近年來被廣泛應(yīng)用于植被葉片遭受紅色攻擊后的森林災(zāi)害監(jiān)測，它是由綠波段和紅波段反射率計(jì)算所得。本文還構(gòu)建了由黃波段和海岸波段反射率計(jì)算所得的歸一化黃紫差值植被指數(shù)（NYCDVI）。

眾多研究表明，黃波段、海岸（紫邊）波段、紅波段和綠波段對于植被黃化有較好的敏感度，基于NYCDVI 指數(shù)的黃化率監(jiān)測模型，可以宏觀提取森林植被黃化程度信息。

三、應(yīng)用結(jié)果與分析

本文主要以山西省關(guān)帝山國有林管理局為研究區(qū)，開展黃化森林植被的預(yù)警監(jiān)測。共收集2019 年整個(gè)生長季14 個(gè)時(shí)相（4 月16 日、4 月29 日、5 月2 日、5 月19 日、6 月25 日、7 月7 日、7 月31 日、8 月17 日、9 月3 日、9 月18 日、10月21 日、10 月29 日、11 月11 日、11 月15 日）的GF-6 WFV 可用數(shù)據(jù)（云覆蓋小于20%），以保證月度森林健康監(jiān)測的需要，實(shí)際上在初春和秋天可滿足旬頻度的變化監(jiān)測。GF-6 WFV 的高時(shí)間分辨率為森林生長的即時(shí)監(jiān)測和評估奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)保障。

1.物候所致的黃化林分監(jiān)測

正如前面所述，每年秋季隨著日照時(shí)間變短，就會導(dǎo)致樹葉光合作用減弱，無法產(chǎn)生充足的葉綠素，而樹木為了維持生長，必須將自身葉片中的葉綠素進(jìn)行分解，從而產(chǎn)生葉片發(fā)黃的現(xiàn)象，繼而凋落。為了探討GF-6 WFV 新增波段在森林植被健康監(jiān)測中的應(yīng)用潛力，基于前述的單時(shí)相NYCDVI 指數(shù)構(gòu)建的監(jiān)測模型，利用2019 年10 月21 日的深秋圖像，開展了（靜態(tài)）黃化林分的制圖，圖1 和圖2 分別是兩種森林類型區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像圖（a）與遙感監(jiān)測結(jié)果圖（b）。

在圖1（a）的標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像中，明亮的紅色區(qū)域?yàn)槁淙~闊葉林（柳樹、楊樹等）純林區(qū)，其他的暗色區(qū)域?yàn)槌＞G針葉（油松）和落葉闊葉混交林區(qū)。圖1（b）為對應(yīng)的黃化林分監(jiān)測結(jié)果，健康和輕度黃化區(qū)域主要位于海拔較低的溝谷兩側(cè)的常綠林，而中度和重度的黃化林分則分布于海拔較高的落葉闊葉林純林，充分表明了GF-6 WFV 數(shù)據(jù)及其監(jiān)測技術(shù)方法的有效性；在圖2（a）的標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像中，深紅色區(qū)域是常綠油松林，亮紅色區(qū)域?yàn)榛旖涣謪^(qū)或灌草分布區(qū)。圖2（b）是其對應(yīng)的黃化監(jiān)測結(jié)果，也呈現(xiàn)與森林類型分布的高度一致性，即健康和輕度黃化區(qū)域主要位于常綠林區(qū)，而中度和重度的黃化區(qū)域則位于闊葉林或灌草區(qū)，證明了監(jiān)測技術(shù)方法的可靠性，與當(dāng)年10 月中旬的現(xiàn)地勘察情況吻合。

圖1 基于單時(shí)相模型的闊葉林區(qū)的植被黃化程度監(jiān)測圖

圖2 基于單時(shí)相模型的針葉林區(qū)的植被黃化程度監(jiān)測圖

2.生長脅迫所致的黃化林分監(jiān)測

以往眾多研究都表明，由于地表覆蓋中樹種類型、林分組成、郁閉度、地形地勢等的差異，基于時(shí)間序列影像的變化檢測可以有效剔除上述影響因子的干擾，能更為客觀、準(zhǔn)確地刻畫林分生長狀態(tài)的相對變化情況，科學(xué)有效地提高遙感監(jiān)測精度。由于2019 年5 月關(guān)帝山遭遇幾次倒春寒侵襲，致使已經(jīng)展葉的柳樹、山楊、遼東櫟、白樺、林下灌草等出現(xiàn)不同程度凍害，表現(xiàn)為樹冠黃化枯萎。為了提高倒春寒凍害評估精度，基于時(shí)序GF-6 WFV 數(shù)據(jù)的NYCDVI 指數(shù)差值，構(gòu)建了林分黃化率監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)黃化林分的動態(tài)變化監(jiān)測，圖3 和圖4 為基于2019 年5 月19 日與2019 年6 月25 日兩期GF-6 WFV 數(shù)據(jù)的時(shí)序黃化模型監(jiān)測結(jié)果。

在圖3（a）和圖4（a）的標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像中，同樣亮紅色為落葉闊葉林或灌草，暗紅色為常綠油松林。圖3（b）的中度和重度的黃化林分主要位于落葉闊葉林區(qū)，健康和輕度則是在海拔較低的針葉林區(qū)。圖4（b）幾乎全部為健康和輕度黃化區(qū)域，說明倒春寒對研究區(qū)1600m 以上以油松林為主體的森林造成的黃化危害相對較小，驗(yàn)證了當(dāng)年6 月中旬的現(xiàn)地調(diào)查狀況。

圖3 基于時(shí)序模型的闊葉林區(qū)的植被黃化程度監(jiān)測圖

圖4 基于時(shí)序模型的針葉林區(qū)的植被黃化程度監(jiān)測圖

四、結(jié)論與討論

1.GF-6 WFV 數(shù)據(jù)將充實(shí)完善我國林草即時(shí)數(shù)據(jù)的采集技術(shù)體系

基于國家重大專項(xiàng)“林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)工程”項(xiàng)目，中國林業(yè)科學(xué)研究院搭建了“北斗林草綜合應(yīng)用服務(wù)平臺”，即利用北斗技術(shù)實(shí)現(xiàn)了林草時(shí)空數(shù)據(jù)的即時(shí)采集和快速傳輸。目前已經(jīng)集成了國內(nèi)外中等空間分辨率公益衛(wèi)星（含GF-6 WFV）的遙感監(jiān)測技術(shù)成果，對“北斗林草綜合應(yīng)用服務(wù)平臺”進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用擴(kuò)展形成了“林草即時(shí)數(shù)據(jù)通導(dǎo)遙綜合服務(wù)平臺”，以徹底打破各林草業(yè)務(wù)間的信息孤島，實(shí)現(xiàn)縱向到底、橫向到邊的即時(shí)數(shù)據(jù)雙向（上傳與下發(fā)）獲取與共享，服務(wù)于林草濕荒資源的高效管理，全面提升林草資源動態(tài)變化（或事件）的預(yù)警、決策、處置響應(yīng)時(shí)間，科學(xué)促進(jìn)林業(yè)信息化技術(shù)成果落地生“金”，為林業(yè)高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)“高分”力量。

2.GF-6 WFV 數(shù)據(jù)將促進(jìn)林長制的科學(xué)實(shí)施

林長制是林草資源管理制度的重大改革，主要是建立以黨政領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)制為核心的責(zé)任體系，以保護(hù)生態(tài)、促進(jìn)綠色資源發(fā)展、改善生態(tài)資源環(huán)境為目標(biāo)，對生態(tài)資源進(jìn)行保護(hù)與修復(fù)，強(qiáng)化資源監(jiān)管，生態(tài)災(zāi)害防護(hù)預(yù)警。目前各地正在落實(shí)貫徹中辦、國辦的《關(guān)于全面推行林長制的意見》文件精神，圍繞各級林長管理工作研發(fā)相應(yīng)的信息化管理系統(tǒng)，必須基于科技手段來提升林長工作的督辦督查能力，評價(jià)生態(tài)保護(hù)、災(zāi)害防治的治理效果，實(shí)現(xiàn)林長制到林長“治”的目標(biāo)。因此，利用GF-6 WFV 數(shù)據(jù)的高時(shí)間分辨率和準(zhǔn)實(shí)時(shí)森林健康狀態(tài)監(jiān)測的技術(shù)優(yōu)勢，可為各級政府落實(shí)森林資源目標(biāo)責(zé)任制和進(jìn)行逐級檢查與考核提供科學(xué)依據(jù)。

3.GF-6 WFV 數(shù)據(jù)將助力森林健康經(jīng)營

樹冠健康（樹葉損失率和樹葉變色程度）是森林健康監(jiān)測和評價(jià)的重要指標(biāo)之一，根據(jù)健康狀況診斷和評價(jià)結(jié)果，可以有針對性地制定森林經(jīng)營措施，從而使森林向更健康的方向發(fā)展，同時(shí)服務(wù)于可持續(xù)森林經(jīng)營和區(qū)域發(fā)展。林分是森林經(jīng)營的最小單位，中等空間分辨率GF-6 WFV數(shù)據(jù)可以即時(shí)監(jiān)測小班或林分尺度樹冠失葉、變色等健康狀態(tài)，以便對不健康、亞健康的森林采取相應(yīng)措施恢復(fù)健康，充分滿足人類對其價(jià)值、產(chǎn)品和生態(tài)服務(wù)功能等的迫切需求。

總之，森林關(guān)系國家生態(tài)安全，提高森林質(zhì)量是我國“十四五”期間林業(yè)建設(shè)的中心任務(wù)，即要堅(jiān)持保護(hù)優(yōu)先、自然修復(fù)為主，堅(jiān)持?jǐn)?shù)量和質(zhì)量并重、質(zhì)量優(yōu)先。只有保持森林的良好長勢，才能提高林木抵御病蟲、極端天氣等危害的能力。自2019 年3 月21 日GF-6 衛(wèi)星交付使用以來，已在自然資源調(diào)查、災(zāi)害監(jiān)測評估等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力為月度森林災(zāi)害的準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測與評估提供了有效的數(shù)據(jù)保障，并使森林冠層健康狀態(tài)的衛(wèi)星遙感預(yù)警監(jiān)測成為現(xiàn)實(shí)，必將成為我國森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升的重要技術(shù)支撐手段，并在及時(shí)控制森林生長衰退和綜合提升森林生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)效益方面發(fā)揮重要作用。