内容简介

从2010年至2020年，在国家国防科技工业局、中共安徽省委军民融合发展委员会办公室 （安徽省国防科学技术工业办公室）、安徽省教育厅等有关部门的大力支持下，滁州学院、安徽师范大学、安徽省高分辨率对地观测系统数据产品与软件研发中心、滁州学院安徽省院士工作站、2018安徽省省属高校国产卫星应用领才团队等单位和平台充分发挥多专业、多部门优势，组成研发团队，利用国产民用高分辨率对地观测系统开展江淮分水岭地区林地资源监测研究。在项目实施过程中，先后有30多位专业技术人员与工作人员参与本项工作，利用遥感及地理信息系统技术，结合现有成果、基础工作及江淮分水岭区域特点，对该区域林地资源的总体现状及动态化情况，开展了全方位的遥感监测和系统集成，形成了大量有价值的成果。滁州学院陈冬花教授、安徽师范大学李虎教授组织汇总编写本书，本书不仅是对高分专项区域应用示范和产业化工作的一个总结，而且是对各个研究内容成果的汇总，更是全体研究人员集体智慧的结晶。

编辑推荐

滁州学院、安徽师范大学等多家单位就利用国产民用高分辨率对地观测系统，开展江淮分水岭地区林地资源的监测进行了系统研究，充分发挥多专业、多部门优势，利用遥感及地理信息系统技术，结合现有成果、基础工作及江淮分水岭的区域特点，对该区域林地资源的总体现状及动态变化情况，开展了全方位的调查和系统集成，形成了大量有价值的专业调查成果，在此基础上撰写本书，本书内容丰富，成果突出。

作者简介

陈冬花，现任滁州学院教授，中组部“西部之光”访问学者，安徽省创新创业领军人才，安徽省高校优秀拔尖人才，安徽省高分辨率对地观测系统数据产品与研发中心首席专家，主要研究方向是资源环境遥感、国产卫星应用、空间信息应用。李虎，现任安徽师范大学教授，安徽省学术技术带头人，主要从事资源环境遥感分析方法、国产卫星在资源环境领域应用的教学与科研工作。先后主持高分系统国家重大科技专项，环境一号卫星星座等国家及省部级项目三十余项。

前言

我国的陆地卫星自“十一五”以来，在民用航天、高分辨率对地观测系统重大专项、空间基础设施等重大工程牵引下，在规模上已稳居全球第二位，在卫星数据性能、质量、类型、服务能力等方面也紧跟美欧，取得了巨大进展，为其应用的产业化奠定了坚实基础。陆地卫星应用是基于天空地一体化数据获取、对地球系统的定量化感知、大数据运营以及多学科交叉、多领域集成，与卫星通信/导航、大数据、物联网、云服务、人工智能、地理信息等手段融合，可及时、精准地提取和反演相关重要参数（如大气/地球物化参数、植被生化参数等）并挖掘其关联性和推导时空变化规律，对政府部门信息获知精确化、辅助决策精准化和实施治理精细化，以及大众消费升级和精致生活具有重要支撑作用，是典型的高技术服务业。但是，我国的陆地卫星应用和空间信息产业发展还相对滞后于卫星系统建设，需要深入挖掘行业、地方和大众需求，聚焦具体应用场景，突破相应的关键技术。近年来，中国经济发展和人口增长的双重压力对国家资源环境的影响程度超过了历史上的任何时期。为了保证国家资源与环境的可持续发展，如何准确及时地对自然资源进行有效监管，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国内外科学家普遍关注的问题。江淮分水岭地区在森林地理分区属于亚热带常绿阔叶林带的安徽中部北亚热带落叶、常绿阔叶林混交林地带。该区域是长江、淮河流域的分界线，状如“脊背”，在长三角区域经济发展格局中占有重要地位。江淮分水岭地区属秦岭、大别山向东的延伸部分，因其独特的地理环境和气候条件，拥有丰富的农业资源，是安徽省乃至全国重要的粮棉基地，但同时旱涝灾害多发。扩大和保护森林资源，对于该地生态环境的恢复与保育，促进当地的脱贫致富和社会可持续发展具有重要意义。同时，江淮分水岭地区在“长江经济带”中具有重要的战略地位，具有创新活跃强劲、制造特色鲜明、生态资源良好、内陆腹地广阔等优势。在该区域开展以林地资源监测为主的国产陆地卫星应用产业化关键技术攻关和示范，对于推进省级/地市级政务信息化联动建设、探索大众空间信息应用和数字经济创新发展新模式、促进长三角区域一体化具有重要意义。从2010年至2020年，在国家国防科技工业局、中共安徽省委军民融合发展委员会办公室 （安徽省国防科学技术工业办公室）、安徽省教育厅等有关部门的大力支持下，滁州学院、安徽师范大学、安徽省高分辨率对地观测系统数据产品与软件研发中心、滁州学院安徽省院士工作站、2018安徽省省属高校国产卫星应用领军人才团队等单位和平台充分发挥多专业、多部门优势，组成研发团队，利用国产民用高分辨率对地观测系统开展江淮分水岭地区林地资源监测研究。在项目实施过程中，先后有30多位专业技术人员与工作人员参与本项工作，项目各课题承担单位克服了工作任务重、经费少、环境条件艰苦等种种困难，利用遥感及地理信息系统技术，结合现有成果、基础工作及江淮分水岭区域特点，对该区域林地资源的总体现状及动态变化情况，开展了全方位的遥感监测和系统集成，形成了大量有价值的成果。项目完成的主要工作成果包括：一、科研任务研究成果（1）基于高分载荷的林地变化监测软件模块与专题产品基于高分卫星载荷数据，提出了一种基于高分二号卫星数据的林地变化监测模型，并形成自动提取软件模块，为暖温带落叶阔叶林林地变化监测提供理论依据与算法借鉴。（2）基于高分载荷的林地树种识别软件模块与专题产品基于高分卫星载荷数据，提出了一种基于高分五号和高分六号卫星数据的暖温带落叶阔叶林树种识别模型，并形成自动提取软件模块，为暖温带落叶阔叶林树种识别提供理论依据与算法借鉴。（3）基于高分载荷的林分郁闭度估计软件模块与专题产品基于高分卫星载荷数据，提出了一种基于高分一号和高分六号卫星数据的森林郁闭度估计模型，并形成自动提取软件模块，为暖温带落叶阔叶林森林郁闭度估计提供理论依据与算法借鉴。（4）基于高分一号及高分六号卫星数据的生物量估算软件模块与专题产品为探究高分一号和高分六号卫星遥感影像数据对生物量的估测效果，分析不同影像不同模型对生物量估测的适用性，以滁州市皇甫山自然保护区为研究区，高分一号及高分六号影像为数据源，从影像中提取光谱信息、地形、纹理特征等共386个指数因子，结合实地调查数据，根据不同树种分别筛选出合适的建模因子作为模型自变量，建立多元逐步回归模型，分析不同数据源对研究区中多树种和单一树种森林生物量估测的影响，同时引入BP神经网络和随机森林模型建立多树种生物量估测模型。结果表明，应用多元逐步回归模型进行不同树种生物量建模，联合数据优于单一数据建模；分树种建模结果马尾松和麻栎优于多树种建模，决定系数R2麻栎＞R2马尾松＞R2多树种＞R2湿地松；多树种生物量估算中，联合数据建立随机森林模型效果，其次为BP神经网络，多元逐步回归模型效果差。（5）基于高分一号及高分六号卫星数据的城市绿地信息提取软件模块与专题产品基于高分卫星载荷数据，提出了一种基于高分一号和高分六号卫星数据的城市绿地信息提取方法，并形成自动提取软件模块，为暖温带城市绿地信息提取提供理论依据与算法借鉴。二、建设任务研究成果研制开发完成了以区域森林资源遥感监测为主要业务主体的三个系统：原型系统、业务化系统、移动终端系统。（1）原型系统：“基于高分载荷的森林资源监测原型系统”该系统是面向林业管理部门、为区域林长制遥感监测量身打造的综合业务运行系统。该系统运行于Windows平台，可实现对国产高分卫星遥感数据进行预处理、信息提取、产品生产，基于国产高分卫星数据的林地信息识别、林地郁闭度估计、林种识别、生物量/NPP估算、林业资源信息统计与分析、森林资源消长动态显示与查询，以及基于互联网 云平台的信息即时推送及同步更新、多形式用户信息接收等功能，可以满足林业部门专题产品生产需求。（2）业务化系统：“森林资源管理与服务平台”该系统形成“终端设备 市级林长森林资源管理与服务平台运营 市级林长制监测服务专题产品”模式，构建了市级林长制监测体系，实现了森林资源二三维展示、现状森林资源数据统计与分析、林地工程统计与分析、森林资源消长动态监测等功能，为市级林长、地方林业局提供资源监测、森林管护、增绿护绿督察、辅助决策等卫星监测服务。（3）移动终端系统：“高分卫星森林资源监测移动终端系统”该系统是以森林资源管理与服务平台为依托，结合移动终端开发技术，以林业信息化业务为目标，按照森林资源业务需求设计原则开发的森林资源监测移动端系统，实现了基于云平台 移动终端模式的森林资源监测的业务目标。实现了“地图操作”“应用工具”“数据管理”“数据查询”“人员管理”等功能，主要服务于林业工作人员，为用户在野外实时定位、数据浏览、林业信息查询统计以及数据采集等提供有效服务支持。用户可随时随地、实时快速地获取地区遥感影像和林业信息数据，对林业信息进行查询和编辑，及时地对林业信息进行采集和反馈。三、示范应用研究成果（1）11类典型专题产品包括：示范区遥感影像专题产品1套、示范区基础地理信息专题产品1套、示范区林地光谱专题产品1套、示范区林地动态监测专题产品1套、示范区林分树种识别专题产品1套、示范区林分林地郁闭度提取专题产品1套、示范区森林生物量估测专题产品1套、示范区林地征占监测专题产品1套、示范区林长信息服务专题产品1套、示范区绿地信息分布专题产品1套、示范区植被覆盖度专题产品1套。（2）3类原型系统及业务化系统包括：基于高分载荷的森林资源监测原型系统1套；森林资源管理与服务平台1套；高分卫星森林资源监测移动终端系统1套。（3）1套安徽森林资源监测背景数据库包括：遥感影像数据库、基础地理信息数据库、森林资源背景数据库、林地光谱数据库。四、科技创新（1）突破了暖温带落叶阔叶林森林资源调查因子提取关键技术突破了安徽江淮北部丘陵地区暖温带落叶阔叶林基于国产高分卫星光谱特征的树种识别、郁闭度提取、林地动态监测以及光学卫星遥感数据的森林生物量估测等关键技术，实现了基于高分光学和高光谱卫星载荷的森林变化监测、树种、林分郁闭度、森林生物量、城市绿地等信息遥感自动识别，为后续国产高分数据应用于森林资源调查、监测管理奠定了技术基础。（2）构建了森林资源信息化综合服务平台针对森林资源监测业务需求，应用多平台、多时相遥感数据载荷，融合“互联网 天基”等新一代信息技术，构建集森林资源监测和管理于一体的森林资源信息化综合服务平台。提出一种基于“SDIKWa”信息链的森林资源监测技术，利用“数据-信息-知识-智慧-作业”闭环滚动模型优化森林资源动态监测信息链，针对不同类型的用户需求分别提供基于B/S的服务模式与基于移动终端的服务模式，为政府、林业部门以及广大群众提供多样化、多层次、定制化的林业专题信息，构建安徽区域空间信息服务体系，并形成长效综合服务模式。（3）探讨了高分卫星林业产业化服务体系初步形成了安徽区域辐射长江经济带区域的高分卫星应用系统及增值产品的销售服务网络体系，为政府和林业部门提供国产高分卫星数据接收、数据预处理、数据加工、专题产品、数据分发、终端应用等服务，推进安徽区域高分卫星应用产业发展，为长江经济带区域战略性新兴产业发展提供典型范例。五、研究成果的技术水平及其先进性（1）实现了国产高分数据的“好用”通过林分各要素提取关键技术的实现，突破了快速协同反演与共性处理中多源卫星观测所带来的时间、空间、辐射与波谱差异性纠正和不确定性等诸多关键技术瓶颈，初步解决了在华东地区落叶阔叶林监测过程中，因国产高分数据噪声、图像清晰度、定标精度等原因造成的“数据不好用”的问题，实现了国产高分数据的“好用”。（2）实现了国产高分数据的“用好”研建了具有完全自主知识产权的陆地卫星星群综合数据预处理系统，以及面向政府、科研、行业、大众等多用户多层次的卫星应用产品。通过行业与区域应用示范，为林业、国土资源等领域的业务系统建设与运行，两个省区以上的区域应用提供技术支撑和产业化示范，解决了由于国外封锁，无法从国际上引进先进的卫星数据预处理系统，定量遥感应用标准缺乏、处理复杂、规模化程度低，导致应用难度大等问题，实现了国产高分卫星数据的“用好”。在完成上述研究工作及任务的基础上，滁州学院陈冬花教授、安徽师范大学李虎教授组织汇总编写本书，本书不仅是对高分专项区域应用示范和产业化工作的一个总结，而且是对各个研究内容成果的汇总，更是全体研究人员集体智慧的结晶。其中前言由李虎执笔编写；第1章总论由李虎、陈冬花执笔编写；第2章高分卫星载荷森林树种识别研究由陈冬花、栗旭升执笔编写；第3章基于高分二号卫星影像的森林郁闭度估计研究由陈冬花、刘赛赛执笔编写；第4章基于高分卫星载荷的森林生物量估算研究由陈冬花、刘聪芳执笔编写；第5章林地资源动态变化遥感监测应用由李虎、陈冬花、黄万里、赵俊鹏执笔编写；第6章基于高分六号卫星数据的绿地信息提取由李虎、陈冬花执笔编写；第7章林地资源监测高分业务化系统由陈冬花、李虎执笔编写。在本书付梓之际，衷心感谢钱桂仑、郑超、陈剑、顾家山、吴德安、洪蔚、胡如忠、卫征、陈桂林、王燕永、张培、苏勤、陆欣等专家在本书成稿过程中的悉心指导与支持。同时，向支持过本项目的国家国防科技工业局、国家国防科技工业局重大专项工程中心、中共安徽省委军民融合发展委员会办公室 （安徽省国防科学技术工业办公室）、安徽省教育厅、安徽省科技厅、滁州市政府、滁州市科技局、滁州市林业局以及有关的领导、专家表示衷心的感谢。由于时间有限，书中疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。

目录

第1章总论1 1.1研究区概况1 1.1.1地形地貌1 1.1.2气候条件1 1.1.3土壤与森林植被2 1.2林地资源遥感监测的基础条件2 1.3研究内容和技术方案3 1.3.1研究内容3 1.3.2技术方案4 1.3.3总体功能结构与流程6 1.4卫星数据产品指标体系9 1.5数据采集与预处理13 1.5.1卫星影像数据13 1.5.2高分卫星数据预处理17 1.5.3森林资源数据库25 第2章高分卫星载荷森林树种识别研究29 2.1研究区概况及数据准备29 2.1.1研究区概况29 2.1.2数据源概况30 2.1.3数据预处理32 2.2特征因子集构建与分析37 2.2.1特征因子集构建37 2.2.2特征因子集分析44 2.2.3特征因子集组合方案49 2.3森林树种识别模型构建51 2.3.1模型原理51 2.3.2样本标记及扩充54 2.3.3模型构建56 2.4模型评价及分析62 2.4.1传统机器学习模型树种识别62 2.4.2模型评价和精度分析67 2.4.3小结71 第3章基于高分二号卫星影像的森林郁闭度估计研究73 3.1模型原理73 3.2数据源及预处理76 3.2.1高分二号卫星76 3.2.2高分二号卫星影像预处理76 3.3特征因子提取78 3.3.1地表反射率78 3.3.2植被指数78 3.3.3纹理特征80 3.3.4地形特征82 3.4模型构建84 3.4.1相关性分析84 3.4.2模型构建87 3.5模型精度验证90 3.6反演制图90 第4章基于高分卫星载荷的森林生物量估算研究91 4.1研究区概况92 4.2数据与方法92 4.2.1遥感影像数据预处理92 4.2.2样地数据预处理92 4.2.3辅助数据预处理94 4.2.4光谱特征提取94 4.2.5精度评价95 4.3结果与分析95 4.3.1建模因子确定95 4.3.2不同影像建模结果分析96 4.3.3多树种不同模型建模分析98 4.4结论与讨论98 第5章林地资源动态化遥感监测应用101 5.1遥感信息特征与林地匹配性101 5.2遥感信息特性与林地分类体系102 5.3遥感数据源选择与监测流程103 5.3.1监测尺度与遥感数据优空间分辨率选择103 5.3.2遥感数据时相选择104 5.3.3监测方法流程104 5.4林地资源动态化遥感监测106 5.4.1遥感影像和森林资源小班数据预处理106 5.4.2基于小班边界约束的高分遥感影像多尺度分割分类106 5.4.3化分类后处理和结果验证109 5.5示范应用111 5.5.1林地征占遥感监测111 5.5.2林地更高分遥感核查118 5.5.3林地化遥感监测118 5.5.4林区内基本建设监测121 第6章基于高分六号卫星数据的绿地信息提取127 6.1高分六号卫星数据预处理128 6.2基于SVM的绿地信息提取129 6.2.1基于图像分割的样本集构建129 6.2.2SVM算法与绿地提取138 6.3基于高分六号卫星数据的植被覆盖率估算145 6.3.1基于像元二分模型的城市绿地植被覆盖度提取原理145 6.3.2适宜植被指数选择146 6.3.3NDVIveg和NDVIsoil的确定148 6.3.4植被覆盖度估算150 6.3.5估算精度评价152 第7章林地资源监测高分业务化系统154 7.1系统需求分析154 7.1.1卫星数据需求分析154 7.1.2用户需求分析155 7.1.3业务需求分析155 7.2系统总体设计与功能设置156 7.2.1系统总体设计156 7.2.2系统功能设置157 7.2.3原型系统158 7.2.4业务化系统与移动终端系统158 7.3基于高分载荷的林地资源监测原型系统161 7.3.1系统设计原则161 7.3.2系统总体设计162 7.3.3系统功能模块163 7.3.4实现效果分析165 7.4森林资源管理与服务平台174 7.4.1系统设计原则174 7.4.2系统总体架构174 7.4.3系统功能模块175 7.4.4实现效果分析177 7.5高分卫星森林资源监测移动终端系统179 7.5.1系统设计原则179 7.5.2系统总体架构180 7.5.3系统功能模块180 7.5.4系统实现效果182 7.6系统研发关键技术186 7.6.1海量数据快速分发技术186 7.6.2林业专题应用系统集成技术187 7.6.3前后端数据同步协同技术187 参考文献189