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基于國產陸地衛星數據的西天山森林資源環境監測研究 版權信息
- ISBN:9787030711809
- 條形碼:9787030711809 ; 978-7-03-071180-9
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
基于國產陸地衛星數據的西天山森林資源環境監測研究 本書特色
該書突破國產衛星在西天山森林資源監測關鍵技術,解決了森林資源調查人力、物力、時間成本高的難題,具有經濟效益和生態效益。
基于國產陸地衛星數據的西天山森林資源環境監測研究 內容簡介
本書以新疆西天山為研究區域,總結了中巴資源衛星、環境與災害監測預報小衛星、高分辨率對地觀測系統在森林資源環境監測方面的初步研究成果,突出了國產陸地衛星的鮮明特色,根據新疆西天山林區的森林資源環境監測、公益林區劃與資源補充調查、護林防火系統構建等業務需求,深入探討基于系列國產陸地衛星數據的森林資源專題信息提取、云杉林生物量和生產力估算、小班郁閉度估測、小班邊界提取、新疆森林資源環境高分載荷遙感監測評價子系統等應用的學術思想與關鍵技術。
基于國產陸地衛星數據的西天山森林資源環境監測研究 目錄
前言
第1章 總論 1
1.1 研究背景 1
1.2 國內外研究現狀和發展趨勢 3
1.2.1 國內外技術發展及應用現狀 3
1.2.2 國內外應用發展趨勢 5
1.3 需求分析 6
1.3.1 需求總體分析 6
1.3.2 主要應用描述與業務需求 7
1.3.3 功能與性能需求分析 8
1.3.4 主要技術需求分析 9
第2章 基于中巴資源衛星數據的森林資源監測研究 11
2.1 中巴資源衛星遙感影像數據庫的開發 11
2.1.1 數據情況 11
2.1.2 影像處理 13
2.1.3 工作流程 14
2.2 基于中巴資源衛星數據的森林資源監測研究 25
2.2.1 概述 25
2.2.2 監測調查依據與指標體系 27
2.2.3 基于CBERS數據的森林資源信息提取 29
2.2.4 成果應用 36
2.3 CBERS02B-HR圖像質量與林業應用評價 41
2.3.1 概述 41
2.3.2 CBERS02B-HR影像質量評價 43
2.3.3 CBERS02B-HR影像森林資源監測評價 62
第3章 基于HJ-1數據的西天山云杉林生物量/生產力反演與時空分析 74
3.1 概述 74
3.2 數據源及數據處理 76
3.2.1 HJ-1數據預處理 76
3.2.2 森林資源數據獲取與處理 79
3.2.3 地理基礎數據獲取與預處理 79
3.2.4 氣象數據獲取與預處理 79
3.3 天山云杉林生物量模型構建 80
3.3.1 模型原理 80
3.3.2 模型參數選擇與獲取 84
3.3.3 模型模擬 96
3.3.4 模型驗證 120
3.3.5 小結 122
3.4 天山云杉林綜合遙感生產力區域尺度模型構建 125
3.4.1 模型原理 125
3.4.2 氣象要素空間分布子模型 127
3.4.3 輻射子模型 128
3.4.4 FPAR 子模型 131
3.4.5 潛在蒸散子模型 132
3.4.6 溫度脅迫系數子模型 134
3.4.7 模型驗證 135
3.5 天山云杉林生物量/生產力估算及尺度效應分析 136
3.5.1 生物量/生產力時間尺度估算及效應分析 136
3.5.2 生物量/生產力空間尺度估算及效應分析 138
3.5.3 生物量/生產力空間分布變異性分析 141
3.5.4 生物量/生產力時空變化因素分析 144
第4章 基于多源高分衛星數據的小班郁閉度估測 146
4.1 概述 147
4.2 數據源及數據處理 148
4.2.1 高分二號衛星數據及預處理 149
4.2.2 高分三號衛星數據及預處理 151
4.2.3 森林資源數據及預處理 153
4.2.4 其他相關數據及預處理 154
4.3 特征因子提取及相關性分析 155
4.3.1 特征因子提取 155
4.3.2 相關性分析 163
4.4 小班郁閉度遙感估測 173
4.4.1 建模基本原理 173
4.4.2 光學影像特征建模 176
4.4.3 雷達影像特征建模 180
4.4.4 聯合光學與雷達影像特征建模 183
4.4.5 模型精度評價與對比分析 188
4.4.6 郁閉度遙感反演制圖 195
第5章 基于高分二號衛星數據的小班邊界提取 196
5.1 概述 196
5.2 數據源及數據處理 198
5.2.1 遙感數據源及預處理 198
5.2.2 實測光譜數據及預處理 202
5.2.3 森林資源數據收集及預處理 203
5.3 天山云杉林遙感圖像特征分析 205
5.3.1 光譜特征 206
5.3.2 紋理特征 210
5.3.3 植被歸一化指數提取 216
5.3.4 主成分分析 217
5.4 云杉林遙感圖像多尺度分割 218
5.4.1 圖像分割方法構建 219
5.4.2 森林對象多尺度分割 220
5.5 基于SVM的小班邊界提取 231
5.5.1 樣本集構建 231
5.5.2 影像分割 232
5.5.3 影像分類 233
5.5.4 精度評價 237
第6章 高分大數據平臺與森林資源環境監測系統 240
6.1 總體設計 240
6.1.1 設計思路 240
6.1.2 設計模式 241
6.1.3 總體功能結構與流程 241
6.1.4 總體部署 243
6.1.5 實施途徑 243
6.2 指標體系 245
6.2.1 數據指標體系 245
6.2.2 應用指標體系 246
6.2.3 平臺建設指標體系 246
6.3 高分衛星大數據服務平臺 247
6.3.1 綜合數據庫分系統升級 247
6.3.2 信息產品生產處理分系統升級 251
6.3.3 集成共享與網絡服務分系統升級 251
6.4 森林資源數據庫構建 255
6.4.1 總體技術路線 255
6.4.2 數據庫體系結構 257
6.4.3 數據庫組織結構 258
6.4.4 已完成的數據庫 260
6.5 軟件模塊算法 261
6.5.1 文件管理模塊 261
6.5.2 森林調查因子提取模塊 262
6.5.3 森林資源動態監測模塊 262
6.5.4 林地征占監測模塊 264
6.5.5 森林火災應急與輔助決策模塊 264
6.5.6 GPS點跟蹤模塊 266
6.5.7 地圖定位模塊 267
6.5.8 信息統計模塊 267
6.5.9 工具模塊 268
6.5.10 高分森林資源移動終端模塊 269
6.6 系統研發 271
6.6.1 系統需求與目標 271
6.6.2 系統主要功能 271
參考文獻 272
基于國產陸地衛星數據的西天山森林資源環境監測研究 節選
第1章 總論 1.1 研究背景 地球是人類賴以生存的家園,隨著全球資源環境問題的日益嚴峻,地球資源的可持續利用和保護地球環境已成為人類面臨的重要問題。運用現代高科技手段,準確查明資源、環境家底,為國民經濟建設和社會發展提供科學決策已勢在必行。目前,世界上許多國家都在積極地發展和運用以遙感(RS)、地理信息系統(GIS)、全球導航衛星系統(GNSS)為代表的地理信息技術,以數字的方式獲取、處理、分析和應用關于地球自然和人文要素的地理空間信息。太空資源將成為繼陸地、海洋和石油資源之后的第四大戰略資源,在現在和將來,各類航天飛行器與傳感器的開發和遙感分析解譯技術將成為占領、爭奪制高點的*為關鍵的要素。近年來,由于國土安全和經濟發展的雙重壓力,國家對空間信息資源的需求超過了歷史上的任何時期。為了保證國土安全、保持資源與環境的可持續發展、加強國產新型航空航天器的開發利用,建立基于國產衛星系列的空間信息的采集分析平臺,準確及時地掌握資源與環境變化狀況,進而指導人們正確開發利用自然資源、保護生態環境,已成為國家決策部門和科學界普遍關注的問題。我國目前已形成規模位居全球前列的專業衛星星群,如何綜合、高效地利用這些衛星獲取的數據服務于國土安全、生態安全、資源安全已成為國家科技創新的重大需求。 包括天然林、人工林和荒漠喬灌木林在內的新疆森林是新疆經濟、社會可持續發展的基礎。新疆維吾爾自治區(以下簡稱新疆)的山地森林具有重要的水源涵養、水分調節和水土保持功能,生物多樣性保育功能和文化功能,近半個世紀以來曾遭受強度砍伐破壞,其功能嚴重受損。雖有人工更新,但是恢復緩慢,完全恢復需要2~3個世紀或更長。為使新疆林業可持續發展,以西部大開發為標志,國家特別針對新疆林業發展先后出臺了一系列的政策與規劃,包括《國有公益林區劃與經營》《干旱林業生態建設》《新疆林果業10年發展規劃》等。這些新疆林業的重大事件都可以通過國產中高分辨率遙感對地觀測系統優質高效地進行精細的判讀解譯、準確的空間定位、實時的動態監測、確切的定量分析、迅捷及時的預警、客觀全面的評估,并提出分區分類指導的適應對策和優化設計的示范。迫切需要建立面向林業政務決策、森林資源管理和林業集約生產的高分辨率林業遙感觀測系統,以求能迅捷地提供森林資源環境的現狀與動態變化、重大林業生態工程建設效益狀況、森林災害等信息數據及產品。 中巴資源衛星(CBERS-1)于1999年10月14日成功發射,結束了我國依賴國外資源衛星遙感數據的歷史,首次直接獲取了我國西部邊陲地區的遙感圖像資料,為國家西部大開發戰略的實施提供了良好的空間信息資源。目前, CBERS衛星數據已經廣泛地應用于我國環境與災害監測、資源調查、測繪制圖、城市、軍事等諸多領域。雖然中巴影像數據與國外高分辨影像數據相比還有許多不盡如人意的地方,但它畢竟是我國具有自主知識產權的地球資源衛星,它可以不受時間、地域的限制,接收任何時相的圖像。它的清晰度、波譜分辨率亟待提高,這也必然會促使圖像處理方法的不斷研發。 環境與災害監測預報小衛星星座是我國為適應環境監測和防災減災新的形勢和要求所提出的遙感衛星星座計劃。根據災害和環境保護業務工作的需求,環境與災害監測預報小衛星星座由具有中高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、寬觀測幅寬性能,能綜合運用可見光、紅外與微波遙感等觀測手段的光學衛星和合成孔徑雷達衛星共同組成,以滿足災害和環境監測預報對時間、空間、光譜分辨率以及全天候、全天時的觀測需求。2008年9月6日上午11:25成功發射環境與災害監測預報小衛星 HJ-1A星和 HJ-1B星,HJ-1A星搭載了 CCD相機和超光譜成像儀(HSI),HJ-1B星搭載了 CCD相機和紅外相機(IRS)。HJ-1A星和 HJ-1B星上裝載的 CCD相機設計原理完全相同,以星下點對稱放置,平分視場、并行觀測,聯合完成對地推掃成像。 HJ-1A星和 HJ-1B星的軌道完全相同,相位相差180°,兩臺 CCD相機組網后重訪周期僅為2天。 高分辨率對地觀測系統工程是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》所確定的16個重大專項之一,由天基觀測系統、臨近空間觀測系統、航空觀測系統、地面系統和應用系統5個系統組成。應用系統要充分利用我國各行業、高校和研究機構在遙感應用領域的技術成果、運行系統和基礎設施,針對高分專項民用衛星、航空等數據組織開展應用技術研究、行業區域示范應用以及產業化示范,促進形成空間產業鏈。“十二五”以來,我國陸地衛星已基本實現了高分辨率對地觀測數據自給和在行業部委、省等總部級政府部門的工程化、業務化應用,亟待推進深化產業化應用,尤其是向中、基層政府部門和大眾擴展。在此情況下,結合重點區域的典型行業,實現多源國產陸地衛星數據綜合、高效地利用,對挖掘和釋放國家空間基礎設施的應用效能和服務數字中國建設、數字經濟發展具有重大意義。 新疆維吾爾自治區是我國陸地面積*大的省份,更是國家能源、礦產、糧油等重要生產基地,在國家西部大開發中占有舉足輕重的地位。而且,新疆地處西部干旱地區,是中亞干旱區的主要組成部分和世界典型的荒漠分布地區,其生態環境相對比較脆弱,面臨許多重大生態環境問題,新疆生態與環境安全直接關系到區域經濟發展格局。新疆干旱的氣候、遼闊的地域、獨*的地理景觀給遙感技術提供了優越的應用空間。同時,新疆生態與環境條件復雜、區域廣闊、人煙稀少,現代空間技術的應用又面臨許多新的問題與技術難點。因此,在新疆建立實驗區開展森林資源監測與評估研究,不僅為遙感技術應用提供了極大的發展空間,還有助于形成生態環境研究新的生長點。但由于受各種條件的限制,目前在新疆還未系統地利用國產衛星系列數據開展森林資源監測與評估研究。高分專項的啟動和實施,必將獲得大量寶貴的高分數據,這些高分數據需要盡快進入實際應用領域,為中國和全球的社會發展與科學研究提供服務。國產中高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率等新型衛星遙感數據的應用,必將推動林業遙感監測與應用的發展,使國產系列衛星在資源環境變化的遙感動態監測和網絡服務中替代國外同類產品,產生巨大的經濟效益和生態效益。 1.2 國內外研究現狀和發展趨勢 1.2.1 國內外技術發展及應用現狀 目前來看,國家森林資源調查方法可以分為3種:①森林資源連續清查(CFI);②利用各省(州)的森林資源調查信息統計全國的方法;③根據森林經理調查(森林簿)結果累計全國的方法。法國和北歐各國采用第1種方法;美國、加拿大、德國、奧地利等國采用第2種方法;日本、俄羅斯及東歐各國采用第3種方法。 從國家森林資源調查體系的特征來看,森林資源調查體系有以下特點:①抽樣技術與 CFI高度結合;②重視森林環境信息和森林環境監測;③重視 GNSS、GIS和 RS等高新技術的綜合利用;④強調成果公開和面向用戶。 世界各國研建了各種各樣的林業數據庫管理系統(FRDMS)。美國東部森林清查數據庫 EWDB和西部的 WWDB,不但包括了森林資源連續清查數據,還包括了統計分析數據,如各種森林類型的面積、各個州的地理分布、木材計劃和消耗情況等,能夠滿足各層次人員需要。加拿大建立的森林資源數據庫系統 CFRDS是一個集成化的森林資源信息庫,存儲著森林蓄積、運輸途徑、木材需求等信息,可提供林區現有的鐵路、公路和水路運輸途徑,森林蓄積圖表和需材企業圖表等信息,成為森林經營規劃的有力助手。 我國森林資源調查中曾使用過9類衛星25種傳感器的數據,今后會有更多的衛星和傳感器數據供森林調查監測實際應用,特別是小衛星所獲取的高分辨數據。利用遙感可以快速、低成本地得到地面物體的空間位置和屬性數據。隨著各種新型號傳感器的研制和應用,遙感特別是航天遙感有了飛速的發展,遙感影像的分辨率大幅度提高,波譜范圍不斷擴大。星載和機載成像雷達的出現,使遙感具有了多功能、多時相、全天候能力。在林業中,遙感技術被應用于土地利用和植被分類、森林面積和蓄積估計、土地沙化和侵蝕監測、森林病蟲害和水災監測等方面。全球導航衛星系統(GNSS)是利用地球通信衛星發射的信息進行空中或地面的導航定位,它具有實時、全天候等特點,能夠及時準確地提供地面或空中目標的位置坐標,定位精度*高能達到毫米。森林資源調查監測中,GNSS可用于遙感地面控制、伐區邊界量測、森林災害評估等諸多方面。今后,隨著 GNSS精度的不斷提高,其在林業調查監測中的應用將會日益增加。在森林資源調查中,遙感、地理信息系統、全球導航衛星系統這3個技術系統各有側重,互為補充。 歐美等林業發達國家在森林資源監測上不斷增加其信息量與科技含量,形成了新的森林資源監測體系:除了有定期連續性的全國性的森林資源清查(CFI)外,還有一些地方性或區域性的監測調查和跨國合作監測項目。在傳統的森林木材資源監測和評價體系上又增加了以森林質量和環境為主要對象的監測和評價系統,形成了一個完整的森林資源、森林狀態和森林環境的監測與評價體系。這個體系除了定期報告森林資源外,還報告森林健康、森林環境等狀況。 近幾十年來,國際森林資源與環境監測不僅拓寬了監測內容,在監測儀器和分析手段上也有了長足的進步。在樣地布設上,設立了許多定位或半定位的樣地,采用自動和連續觀測設備;在野外觀測和室內分析中使用了冠層圖像分析系統(SCANOPY)和年輪圖像分析系統(DENDRO),加大了可視化程度,實現了年輪自動探測;此外,還采用了根系圖像分析系統(RHIZO)和激光測樹儀(LEDHA-GEO)等。許多觀測數據可以被直接輸入計算機中進行數據處理,從而節省了大量人力、物力,提高和保證了觀測數據的準確性和連續性。 隨著林業事業的發展和科學技術的進步,森林資源調查技術在基本理論、技術水平、技術手段、工藝操作、規范標準等方面都有較大發展。20世紀50年代初期,森林資源調查主要采用經緯儀或羅盤儀進行測量,控制調查面積;利用方格法區劃林班、小班,設置帶狀標準地,進行每木檢尺以計算森林蓄積量;對地形復雜地區采用自然區劃和人工區劃相結合的方法進行調查。森林航空調查技術在20世紀60年代中期和20世紀80年代后期大興安嶺森林火災調查中得到了應用。森林航空調查技術于1978年先后在全國各省(區、市)全面用于森林資源連續清查。這種清查是以省(區、市)為總體,以數理統計理論為基礎,根據預定精度要求,按系統抽樣原則,在地面設置固定樣地,進行精確測定。每5年為一間隔期,進行重復調查,能準確獲得森林資源現狀和森林資源消長變化的動態信息,掌握資源變化規律,分析林業經營效果,預測森林資源變化趨勢。到目前為止,我國森林資源連續清查體系已建成,并日趨完善。 20世紀80年代到90年代初,全國各省(區、市)在初建體系的基礎上,已先后進行了兩期復查,每期復查均獲得全國*新森林資源信息。由于各地復查固定樣地的復位率較高,增強了前后期調查成果的可比性,從而為準確掌握森林資源消長變化規律奠定了可靠基礎,為宏觀監測全國森林資源動態起到保障作用。我國在全國范圍內建立了25萬個固定樣地的森林資源連續清查體系,這是對森林資源調查技術的提高和發展,無論在技術上、規模上和組織體系方面均屬世界首創。 隨著科學技術的發展,新技術在森林資源調查領域得到不斷引進和應用,如“3S”技術、電子計算機技術等已被廣泛運用于森林資源調查、規劃設計和資源管理工作中,并取得較好成效。林業部門應用中低分辨率遙感數據進行森林災害調查和實時動態監測,還利用 Landsat-ETM和 SPOT等中高分辨率的遙感數據對森林病蟲害、風災、火災等進行災情監測評估,取得了大量的監測數據,為林業決策提供了數據依據。自2003年起,廣東、海南、云南、陜西、貴州、甘肅、寧夏、內蒙古、新疆等省份已相繼應用 SPOT-5數據進行森林資源二類調查與試點應用,并更新了林相圖。 目前,國家對林業生態建設高度重視,啟動了若干國家重點生態
基于國產陸地衛星數據的西天山森林資源環境監測研究 作者簡介
李虎,男,1962年生,博士,二級教授,博士生導師,安徽省人民政府參事,安徽省學術技術帶頭人,福建省百千萬人才工程層次人選。現任安徽師范大學教授,安徽省高分辨率對地觀測系統數據產品與研發中心主任,主要從事資源環境遙感分析方法、國產衛星在資源環境領域應用的教學與科研工作。主持環境一號衛星、CBERS-02B衛星在我國西部地區的應用示范與數據質量評價工作,以及高分辨率對地觀測系統重大科技專項項目、國家發改委重大計劃項目、國家衛星應用產業專項等國家及省部級項目三十余項。獲國家科學技術進步獎二等獎1項,省部級科學技術進步獎一等獎1項、二等獎3項、三等獎1項。出版著作4部,獲軟件著作權15項,發表論文60余篇,培養博士、碩士30余名。
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