3S技术在林业中应用的基本原理

3S技术在林业中应用的基本原理

资源和环境问题，是人类社会发展所面临的严峻挑战.森林作为一种有限再生资源和重要的环境资源，不仅可持续提供社会发展所必不可少的林产品，而且在世界范围内的环境保护方面占有独一无二的位置。

森林资源及其动态变化，是对森林进行永续利用的一个必不可少的重要依据。对森林资源的错误估计，将给森林经营带来严重后果，特别在重砍轻营的情况下，偏高的森林资源估计结果，可能导致森林资源的破坏和枯竭。由此可见，保证森林资源估测方法的正确性是十分重要的。在建立的大规模的以省为总体的森林资源连续清查体系中，对固定样地进行定期复查，这固然是森林资源调查的可靠方法，但它需要较长的时间和较大的工作量，而且不能满足省以下各级森林经营单位及时而可靠地掌握森林资源的需要。在以往的森林资源调查中，已经积累了极其丰富的固定样地复测资

料，如何有效地利用这些资料，探讨迅速、准确而又能一次性取得森林资源估计值的

预测方法，来满足各级管理部门的需要，始终是必须解决的一个问题。

森林蓄积量是森林资源调查因子中最重要的因子之一，因此对于它的估测研究也一直是比较活跃的领域。在森林蓄积量估测实践中相继采用各种抽样方法，如简单随机抽样、分层抽样、整群抽样、二阶与多阶抽样、系统抽样等，另外与遥感资料的结合也进行了研究，如航空像片、航天遥感数据(NOAA和TM数据)、高光谱遥感数据和高分辨率的卫星遥感数据(IKNOS )等，这些探索都很大程度地提商了森林蓄积量估测的精度和效率。90年代以来，"3S”一体化技术的特点和优势逐渐被林业工作者所认识和接受，其与林业的结合应用研究又成为一个新的热点。

本研究的思路是以实际的二类调查数据为基础，结合"3S”技术，以其中森林蓄积量作为因变量，以卫星相片上各像元的波段值及比值因子作为自变量，研究它们之间的关系类型(线性或非线性)，用其中表现蓄积量较好的因子，以像元为单位建立相应的模型，来对森林调查因子(蓄积量)进行估计，并将所建立的线性或非线性模型的估测效果进行对比，从中找到一个在试验区范围内较好的模型.

模型的建立有助于在试验区或更大范围内实现用遥感的方法进行森林资源调查，不仅可以克服复杂地形对森林资源调查的影响，节省大量的人力、物力和财力，而且可以及时准确地提供森林蓄积量的数据，为各级部门进行森林资源管理和确定采伐限额提供参考依据。1."3S”技术的含义及组成

"3S ”技术是以遥感(RemoteS ensing)地理信息系统(GeographicalIn formation System)全球定位系统(GlobalPo sitioningS ystem)为基础，将RS,G IS,G PS三个技术领域与其它高新技术领域(如网络技术、通讯技术等)有机地构成一个整体而形成的综合技术。它集成信息获取、信息处理、信息应用于一身，突出表现在信息获取与信息处理的高速、实时，信息应用的高精度、可定量化方面。它的技术目标是:实现快速、准实时以及实时遥感图像定位;对多维的非均质数据进行快速复合处理，并在生物地学规律模型、社会经济发展模型、决策模型、特殊专业模型等专家知识及推理功能的支持下做出综合分析，提供决策支持，输出应用结果。3S技术是森林资源调查与监测的一种技术手段和科学方法。

3S 技术由以下三部分组成:遥感技术、地理信息系统技术和全球定位系统技术。

1.1遥感技术

遥感是指在不与目标物直接相接触的情况下获取目标及其环境信息，并对目标性质进行测定、测量、分析的技术。即:从不同高度的平台使用传撼器接收地面物体的电磁波信息，再将这些信息传输到地面并加以处理，从而达到对地物的识别与监侧。遥感系统一般包括:

被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用五大部分川。

遥感技术有很多特点，从性能、经济效益等方面可概括为下列六点:(1)探测范围广，可实现大面积的同步观测，同时容易发现地球上一些重要目标物的空间分布的宏观规律。(2)获取信息快，时效性好。可以在短时间内对同一地区进行重复探测，发现地球上许多事物的动态变化，因此遥感在3S技术体系中担负着信息的采集和更新的重要角色。(3)综合性和可比性。遥感技术构成对地球观察监测的多层空间、多波段、多时相的探测网。它从三个空间:地理空间(经、纬、高程)、光谱空间、时间

空间提供给我们五维信息12]，使我们能更加全面深入的观察分析问题。(4)约束少。不受地理条件限制，不受国界限制。并且遥感信息趋于国际化、商品化。(5)成本低。遥感的费用投入与所获取的效益，与传统的方法相比，可以大大地节省人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益。(6)局限性。遥感技术特别是航天遥感技术在目前也还存在着它的局限性，这表现为遥感技术所利用的电磁波还很有限，仅是其中的几个波段范围，另外遥感探测易受天气影响，某些地区的遥感应用受到一定的限制。

遥感技术现已广泛应用于农业、林业、水利、测绘、环保、灾害监测、地质矿产勘探、城市规划等领域。在利用遥感数据解决具体的应用问题中，最新发展都普遍采用数据模型方法提取所需的信息。模型是具体目标的一种抽象，它反映了目标的本质，而略去了枝节或表象。因此，建立特定目标的模型，在辨别物体的过程中具有指导性的作用。建立遥感应用的分析模型，作为应用研究的基础性的工作.在我国受到了重视，获得的一些成果，如农作物估产模型、森林和植被的动态监测、土地资源和盐碱地动态监测、融雪径流预报模型、土壤水分遥感动态监测方法、海岸和河口泥沙监测方法、多种数据复合成矿预测方法等。

1.2地理信息系统技术

地理信息系统是一门介于信息科学、计算机科学、现代地理学、测绘遥感学、空间科学、环境科学和管理科学之间的新兴边缘学科。它是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件技术支持下采集、存储、管理、检索和综合分析各种地理空间信息，适时提供多种空间的和动态的地理空间信息，用于管理和决策过程的计算机技术系统。

GIS作为一个空间信息系统要求至少具备五项基本功能，即数据输入、图形与文本编辑、数据存贮与管理、空间查询与空间分析、数据输出与表达[31。地理信息系统具有如下特征: (1)具有采集、管理、分析和以多种方式输出地理空间信息的能力，具有空间性和动态性，GIs的数据必须具有空间分布特征，具有一个特定投影和比例的参考坐标系统，基于共同的地理基础，并且是多维结构的。

(2)为管理和决策服务，以地理模型方法为手段，具备区域空间分析、多要素综合分析和动态预测能力，产生决策支持信息及其它高层地理信息。

(3)由计算机系统支持进行地理空间数据管理，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法，作用到空间数据之上产生有用信息。完成人类难以完成的任务。计算机系统的支持使得地理信息系统具有快速、准确并能综合地对复杂的地理系统进行空间和过程的动态分析。

随着计算机绘图和空间分析技术的发展，GIs在很多相关专业领域里，尤其是地籍测量、地形绘图、专题图制图、上木工程、地理、土壤科学、空间变量的数学研究、测量与摄影测量、城乡规划、公用设施网络以及遥感和影像分析等行业中，在诸如自动化数据采集获取、空间数据分析、数据输出显示等应用技术方面也得到很大发展。GIs的出现则是将这些在不同行业中对空间数据处理过程的不同应用有机地联系起来所形成的一种技术系统。GIs的出现正在成为人类对客观世界中各种具有空间特征的事物、关系和过程进行描述、分析和模拟，进而根据所得规律指导人类利用和改造客观世界的强有力的工具。在具体的应用方面，已开

辟和发展了以下几个领域[4).

(1)资源清查与管理，资源的清查、管理相关分析是GIs应用中趋于成熟而重要的领域，包括土地资源、森林资源和矿产资源的清查、管理，土地利用规划.野生动植物的保护等;

(2)区域和城镇规划，GIs的数据库管理系统可以将区域或城镇规划涉及大量的组成要素如资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化、通讯和金融等进行统一的处理和分析，从而实现城市规划建设、管理决策的科学化、现代化;

(3) 灾害监测，利用GIs方法和多时相遥感数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水监测和灾情损失的估算，为防洪决策和救灾抢险及时提供准确的信息;

(4)环境保护和评价，GIS技术也是进行环境评价，环境规划管理的有力工具。其内容包括:环境监测和数据收集，建立基础数据库和环境动态数据库，建立环境污染的有关模型，提供环境管理的统计数据和报表输出，环境作用分析和环境质量评价，环境信息传输和制图等;

(5)土地管理和房地产管理，借助GIs进行地籍数据的管理，开展房地产质量评价和经济评价，输出地籍图，便于为用户提供有关信息，进行土地的科学管理和合理利用;

(6)宏观决策，GIs利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，可为国家或区域的宏观决策提供科学依据。例如，在我国三峡工程的决策研究中，利用GIs的多种功能建立了环境监测系统，为这项宏大工程提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠数据，作了三峡工程的宏观决策，以避免发生重大失误和损失。

总之，建立在系统论、信息论和控制论等现代科学理论，以及计算机技术、空间技术等基础上的GIs，通过充分发挥其在理论、技术与应用三结合的优势，已跻身于世界高新技术领域:并且随着GIs应用领域的扩大和深入，又必然要推动GIs理论和技术方法的不断发展和完善，进而形成独立的学科一一地理信息学(Geoinformatics或Geomatics)，以及新兴的产业—地理信息产业。目前，主要的问题不是要不要GIS，而是如何应用它、发展它，使它发挥最佳的效益，为人类造福。

1.3全球定位系统技术

全球定位系统是由一系列卫星组成的，它们24小时提供高精度的世界范围的定位和导航信息。准确地说，它是由24颗沿距地球12000公里高度的轨道运行的NAVSTAR GPS卫星组成，它们不停地发送回精确的时间和它们的位置。GPS接收器同时收听3-12颗卫星的信号，用三角学原理来算出自己的位置。

GPS系统可在全球范围内，全天候为海上、陆上、空中、空间的用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息.并且有良好的抗干扰和保密性能，对导航定位、武器使用、交通管制、大地测量以及精密授时等均具有重要意义。

GPS因其观测简便、定位精度高、经济效益高等特点，与RS.G IS相配合进行信息的采集、处理和更新。

GPS系统不仅能够在陆海空三个领域内提供实时、全天候和全球性的导航服务，而且用GPS 卫星发送的导航定位信号(简称为GPS信号)能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态定位，米级甚至亚米级精度的动态定位，亚米级甚至匣米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广泛的应用前景。近年来，对GPS卫星的应用开发表明，用GPS信号可以进行海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、工程测量、动态观测、设备安装、时间传递、速度测显等。GPS动态测量技术的进一步发展，将会导致无需地面大地测量控制点的大中小比例尺航测快速成图技术的兴起，将会导致地理信息系统、全球环境遥感监测和自然灾害遥感实时监测的技术革命。

2． "3S”一体化在林业中的应用现状及发展趋势

遥感技术从上世纪以来开始得到广泛应用，50年代以来，更是得到突飞猛进的发展。从

最初区域视野的航空遥感发展到全球视野的航天遥感，从单一的可见光摄影手段发展到多波段摄影、多波段扫描仪、光谱仪、雷达及辐射计、信息获取的手段、精度与速度都得到了极大提高。成为区域与全球研究的有力手段.

60年代以来，大量的空间数据与落后的处理和应用手段之间的矛盾日益突出表现出来。计算机技术的发展使一种新型的、高效的处理手段成为可能，地理信息系统应运而生。它是空间技术与计算机技术发展的必然产物。世界上第一个地理信息系统开始运行至今不过40余年的时间，它业己成为遥感技术应用中不可缺少的组成部分，它以遥感技术提供的数据为其重要的信息源，随着遥感技术系统中的处理和应用系统GIs的出现，很大程度上解决了大量的遥感信息与快速处理之间的矛盾，实现了遥感信息的快速、及时处理，加强遥感信息的现势性，增强了遥感技术的可操作性。

GPS的产生也是空间技术发展的必然结果。遥感技术自产生以来，一直在探索一个问题的解决，即空间技术的定位问题.目前所采用的定位主要是利用地面控制点建立图像坐标系与地面控制点坐标的关系，依地面控制点将遥感信息定位于地面控制网中。这种定位技术要求大量的地表资料及地面控制点的建立，造成遥感信息处理难度大，应用周期长，效率低等一系列问题。GPS的出现成功地解决了这个问题，它能够实现遥感数据的实时定位，即由传统的地一空定位模式转变为现代的空一地定位模式，同时能够对遥感信息进行地学编码，并可直接进入GIs进行处理。此举大大提高了遥感数据的精度，减轻了数据处理的难度。如今.24颗GPS工作卫星已全部发射升空，可实现全球范围内全天候、全天时、快速、连续的定位，对遥感技术的发展提供巨大的技术支持。

RS,GPS和GIs一体化是90年代以来“3S”发展的共同趋势。GPS主要是实时、快速、准确地提供目标的位置信息:应用RS来获取目标的动态变化信息，及时更新GIs数据;GIS则是对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取、智能分析，提供决策支持161。因此‘，应用“3S”技术进行资源监测与评估，其优势主要体现在快速、机动、准确、可靠和集成。目前，美国己开发成功应用于森林资源调查的3S技术.加拿大、日本、印度等国，大约25min内可以利用前一天接收的mss和TM卫星遥感数据，按统一的指标体系和图例，输出整幅的1:20万或1:50万土地利用、土地覆盖图hl. RS, GIs, GPS三者密切结合，形成了现代遥感应用技术系统。RS, GPS是遥感信息的获取系统，为GIs提供准确的、实时的海量信息;GIs 是遥感信息的处理和应用系统，能对大量的空间数据进行分类、统计、计算、分析、

制图等。可以说GIs , GPs 是RS的两大技术支柱。RS, GPS, GIs三位一体，实现了遥感信息的获取、处理及应用的一体化.三者的有机结合，使现代遥感技术系统满足现代社会的需要，并用以解决人类目前面临的可持续发展等问题.

遥感信息视野广阔，现势性好，易于获取，因此在林业中广泛应用:借助GPS技术，可快速、便捷地直接采集地面目标的坐标信息;而GIs技术具有把时间信息、空间信息和地物的属性信息结合起来的能力，它可以对不同时间序列中的处于一定空间位置的地物作出直观的描述，而且它兼有数据的采集、处理、监测与编辑、存储与

组织、查询与分析的功能，并可以把查询与分析结果以声、图、文一体化的方式展现出来191使森林信息的可视化和直观性不断加强。

"3 S”技术在林业中应用的特点:①遥感探测视野宽、覆盖面大，利于进行大面积监测，如森林资源(如面积、蓄积)监测;②遥感探测重复覆盖周期短，其信息现势性好，利于进行动态监测，如林火监测;③遥感探测分辨率日益提高，可提取丰富的信息，满足林业需要，利于进行定量化研究:④遥感图片直观性强，经各种方法处理，如分类染色等，便于统计分析，并制成各种专题图，如森林分布图等;⑤遥感探测数据可在一定程度上减小人为误差，提高林业调查精度，更客观地反映实际情况;促进了遥感技术与林业的结合，在林业中应用遥感技术会极大地提高林业工作的效率，包括降低成本和提高精度两方面。

当前，计算机科学的发展和各种应用的需求决定了遥感与地理信息系统的发展趋势。遥感技术发展的趋势是从影像分类，制图和编辑到空间特征建模和专家知识影像解译。随着计算机性能的不断提高与地理信息系统软件不断完善，栅格与矢量数据的混合处理、遥感图像处理系统与地理信息系统一体化将成为基本的趋势，同时真正三维的GIs系统的开发以及三维地理信息系统的数据结构与拓扑关系研究将是一个热点;地学分析功能将进一步完善，一些用于解决复杂空间分析问题的新方法如神经网络分析、模糊理论、专家系统等将引入地理信息系统'91;同时，GIs分析的发展趋势是从简单的地图数据的叠加到空间分布的建模。此外，还需要加强地面特征尺度相关和遥感数据的绝对和相对尺度关系的研究，了解和跟踪数据处理步骤对输出结果的影响。另外还需要研制一些方法来测度输入数据的空间特性，例如空间自相关分析，两维空间相关分析和区域方差分析等。在改善分析功能方面，开发一套包括影像处理、GIs、数据库管理、专家系统和统计分析等方面的完整系统还有很长一段路要走。

3．森林蓄积遥感定量估测的原理及方法

蓄积量定量估测的原理是用已知的数据来建立和求解蓄积量与易于测定的测树因子之间的关系模型，然后用此模型来估测未知地块的蓄积量。其中存在两个关键问题，一是易于测定因子的确定，首先要保证它易于提取和测量，然后要确保与蓄积量密切相关，二是要确定此因子与蓄积量的关系类型，不仅要有简洁的形式，而且要确保估测有相应的精度。

在众多的蓄积量测定方法中，比较实用的有目测法、点抽样法、林分材积表法、平均木塔里夫法和单株抽样法。上述方法可归纳为两种方式:一种是单纯的地面工作;另一种是结合航片来估测蓄积。航天遥感资料出现以后产生了用航天资料与航空资料相结合的两阶抽样方法，航天资料通常用于选取一阶样本。20世纪80年代以来，国内外学者着手研究直接用卫星资料估测蓄积。他们均是在分类的基础上再与样地资料建立某种关系的方法。1989年美国LARSON和MCGOWIN公司也进行了蓄积量估测试验，对亚拉巴马州东南100平方英里上5个县的森林进行调查，首先利用卫星影像量测18种不同土地和森林类型的面积，然后再利用获得的立木材积抽样数据。计算各种类型松树，阔叶树立木材积平均值.试验结果表明，这种测算方法比以前在美国南部实施过的传统方法精确。赵宪文采用的估测方法不同于上述各法，利用了经处理的卫片的色彩差异和卫片上各样地位置处的灰度测定值为自变量与样地实测蓄积建立的多元回归关系来估测蓄积量，使卫片有更多的信息直接参与蓄积量估测，减少地面工作，增加局部估计值的可靠性not

国外HampusH olmstrom等应用光学卫星数据和雷达数据作为信息源，应用K-NN (Kappa nearest neighbour estimation)方法来估计森林变量(蓄积量)，比用单一信息源的精度提高了将近30%t"]. Pertu Anttila用航空像片和以前的调查资料，用K-NN方法估计样地蓄积，用多个最邻近的样地的加权平均值作为样地蓄积，均方根误差为29.9%，并证明以前的调查资料在估测蓄积量时的重要作用"2t. Muinonen等用航空像片作为材料，用到参考样地的距离的倒数作为权重。通过K-MSN(K mostsimilarne ighbors)的加权平均作为样地的蓄积，均方根误差可达到18%t"].

我国的森林资源估测工作，20世纪50年代采用目测加部分实侧;20世纪60年代采用分层抽样调查，用航空像片作分层依据和野外手图;20世纪70年代起，开始建立连续清查体系，70年代后期航天遥感技术开始引入林业:从20世纪80年代以来，对比研究了用航天遥感数据和地面样地结合，用航天、航空和地面样地结合及单纯用航空数据与地面结合等方式之间的成本和精度，认为航天资料与地面相结合的方法效率最高，其费用大约为航空资料与地面相结合方法的1/41141，并开始重点转向航天遥感数据应用于森林资源调查的探索。20世纪90年代以来，研究了，"3S"深层次一体化问题。

3S技术一起以其高效、精确的特点，必将成为未来林业调查研究方法的主要技术，在林

业科学研究领域有十分广阔的前景。

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