GIS和遥感技术在三北防护林体系建设中的应用

GIS和遥感技术在三北防护林体系建设中的应用

边 亮

（河南中化地质测绘院有限公司，河南郑州 450011）

【摘 要】近年来，随着科学的不断发展和进步，GIS和遥感技术越来越多地应用于各种领域。在三北防护林体系建设过程中，运用遥感技术(RS)，结合地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)，可以进行防护林立地调查、林地资源的调查统计、动态变化监测、生态效益评估、防灾救灾等。GIS和遥感技术不断成熟，必将在三北防护林体系建设中发挥越来越重要的作用，服务于三北防护林体系的可持续发展。

【关键词】防护林；动态监测；遥感；GIS

1 引言

三北防护林体系建设工程（简称三北工程）是我国自1978年以来，实施建设的一项地跨东北西部、华北北部和西北大部分地区（简称三北地区），总计13个省（市、自治区）的551个县（旗、市、区）的宏伟生态建设工程，总面积406.9×104km2，占国土面积的42.4%。三北工程建设区域主要为我国的干旱区、半干旱区。30年来，三北工程的建设有效地缓解了三北地区的日趋恶化的生态环境，在防风固沙、水土保持、水源涵养等方面都取得了显著的生态环境、经济社会效益，对三北地区区域经济的可持续发展做出了重大贡献。2001年，我国开始实施“数字林业”发展计划，它综合运用地理信息系统、遥感、多媒体和虚拟仿真技术，对林业资源进行信息自动采集、动态监测管理和辅助决策服务，以实现林业的可持续发展。由于三北地区的地理条件和自然环境都比较特殊，要对三北工程建设进行有效地管理，采用GIS(Geography information system)和遥感技术就有着明显的优势。

①覆盖范围广，可进行大面积的同步观察。尤其在三北地区存在众多受自然因素（地形、气候等）影响较大，人迹罕至的地区，采用遥感技术，可以填补条件恶劣地区数据信息的空白，节省人力物力等经费开支，降低防护林资源的调查成本；②信息量大。遥感影像提供多波段组合影像，含有丰富的信息。采用遥感技术的费用投入与所获取的效益可高达1:80，甚至更大。与传统方式相比，节约了大量的人力、物力、财力和时间，具有很高的经济效益和社会效益；③遥感图像成像周期短。遥感技术的时效性，能迅速地跟踪防护林的动态变化，重复连续不断得提供防护林资源信息，尤其对于防护林的灾情监测预报具有非常重要的意义；④现代遥感技术中，新型传感器的开发和运用，使得空间分辨率不断提高，影像清晰度和精度得到了较大的提高。在林业方面，高光谱遥感的运用给现代林业研究的发展带来了巨大的促进作用。5分析功能强大。运用GIS技术对采集、获取的三北防护林信息进行管理、分析，及时预测可能发生的问题，为制定政策方法提供科学的依据。

遥感技术自被国家列入重点科技攻关项目和“863”攻关项目以来，

在我国的科研取得了一系列重大的成果。把GIS和遥感技术结合起来，引入到三北工程中来，可以更好地为三北地区的林业资源调查、分析和研究服务。

2 GIS和遥感技术在三北防护林建设中的应用

2.1 防护林立地调查

立地类型是森林立地分类系统中的最基本的分类单位，是土壤养分和水分条件相似地区的总称。在立地分类中，把立地条件相近、具有相同生产力而又不相连的地段组合起来，划为一类，按类型选用造林树种，设计营林措施。因此，采用合理的森林立地类型划分方法，在造林和造林规划，森林抚育和主伐更新、森林资源调查设计以及森林生态恢复中等都发挥着至关重要的作用。

立地类型与地理景观存在这内在的紧密的联系，因此可以通过遥感的手段，利用遥感平台拍摄的遥感影像信息，基于不同植被类型的不同纹理特征和目视判读等方法，确定不同的景观类型，从而间接地确定立地类型。浦瑞良等[1]采用了数量化Ⅱ模型及多为多类判别准则对遥感影像进行判归分类，从而达到了立地类型分类的目的。

1）数量化Ⅱ线性判别模型（混合判别模型）

其中，为第t组第i个样品的第1个定量说明变量；为第t组第i个样品的第j个定性说明变量，并且当第j个项目内第k个类目有反应时，其值为1，否则，其值为0;为第t组第i个样品的基准变量；，为待定判别系数。2）最小距离法。在多维多类判别情形下，最简单的方法是先算出各类已知样品的1维均值得分，然后计算判别样品与各类均值的欧氏距离，如果

成立，则待判样品V与第k类中心点Vk距离最短，故将其归入第k个类别。

通过遥感影像，对三北地区防护林立地类型进行调查和分类，综合利用地理信息系统（GIS），建立起立地类型数据库，从而在未来的防护林建设过程中，可以更科学地指导不同区域的防护林建设类型，因地制宜地规划防护林类型，维护三北防护林的可持续发展。

2.2 防护林资源的调查统计

在三北地区开展防护林资源的调查统计主要分为两方面，防护林林木调查和林地调查。结合全球定位系统，可以准确地测定防护林的位置以及面积信息，从而绘制出精确的森林分布图。在确定了林区的面积后，就可以估算出木材量和可采伐木材的面积。赵宪文和李崇贵[2]利用TM 图像为数据源，结合3S技术对森林资源的面积、郁闭度及森林蓄积量进行定量估测，为林业遥感定量估测奠定了基础。蔡会德等[3]在地理信息系统的支持下对林业遥感蓄积量进行估测，建立起遥感蓄积估测模型。通过野外作业获取训练样地的信息数据，利用数理统计的方法对样

本（包括树种、树龄等）、变量（包括坡向、坡位、龄组等）和类目等进行筛选，从而建立起遥感蓄积估测模型。运用Ｔ检验对已建立的模型进行检验，通过对类目的适当调整和合并，使得类间分级达到显著水平。在内业过程中，对遥感影像进行像素值的提取，然后利用RGB值进行各种颜色系统的转化，在GIS软件平台上形成含有三原色的数据库，通过与外业获取信息制成的图像矢量图叠加，形成包含属性信息的小班面状图，利用图中每个像素的颜色信息就可以估测出森林蓄积量。

李建民等[4]通过对内蒙古巴盟林业系统的勘测调查，认为遥感技术的引进改变过去传统的繁杂的林业资源调查模式，缩短了工作时间，提高了工作笑脸，将林业调查工作设计推向快速、精确、高效和科学的领域。因此，利用遥感技术，结合全球定位系统（GPS）和地理信息系统(GIS)，对三北防护林的资源进行调查，可以广泛运用于防护林分类经营区划的界定、防护林资源的二次清查、重大建设项目的可行性研究和规划设计、采伐作业设计、封山育林等策略的制定、防护林林木的培育等领域，为科学合理地开发、经营和利用防护林资源提供科学的依据。

2.3 防护林的动态变化监测

遥感技术具有视野宽广、立体覆盖能力大、多时相性和宏观性等特点，利用卫星遥感技术进行资源的动态监测成为现在比较流行且先进的方法。在三北工程中运用遥感技术，可以通过对同一地区的不同时间的影像进行对比，从而及时准确地获取防护林的动态变化信息，为防护林资源的培育、采伐等做出科学的引导，同时对防护林的防风固沙、水土保持能力分析提供科学的参考。

康文发和刘晓辉[5]运用遥感技术在对大兴安岭地区的森林资源进行遥感动态监测，通过两期遥感影像的对比，判读采伐区面积，完善了森林采伐管理制度，加大了森林资源的监督监测力度，及时发现并调查规划部门在资源监测中的无证采伐、超量采伐问题，合理地组织木材的生产管理。曹卫平和孙垂河[6]通过选取甘肃省景泰县两个时段的卫星影像进行分析比较，得到了该县的植被变化情况和土地利用变化情况，从林业工程建设任务的角度，科学地分析了土地利用变化和森林消长的原因。刘兴汉和张柏[7]在吉林省西部对东北平原“三北防护林体系建设”进行了遥感监测，通过对遥感图像的解译，获取土地利用动态变化信息。通过土地利用的动态变化监测，为“三北工程”的进一步建设、合理开发利用森林资源、调整农牧业结构、保护生态环境及综合治理等方面，提供了直观的影像文件及科学数据，实现对资源的动态监测与分析。

2.4 防护林的生态环境效应评估

运用遥感技术获取的区域资源利用状况或土地利用动态变化的直观影像文件等数据信息，结合GIS技术，建立起土地利用数据库，可以从宏观上分析区域资源或土地利用的动态变化对其生态环境效应进行分析和

评估，从而及时制定政策措施来维护区域生态环境的结构和格局，防止生态环境恶化的进一步蔓延。在三北防护林体系工程建设区域，地理和环境条件都比较恶劣，因此，对生态环境的改善尤其重要。通过对生态环境效应的评价，科学地指导防护林体系的建设，巩固三北地区防护林建设的防风固沙、水土保持、水源涵养作用，引导三北地区的生态环境向着健康的方向发展，维持三北地区经济、社会、生活的可持续发展。

黑龙江农科院遥感中心的刘洋[8]，通过对黑龙江省三北防护林区域草地资源的遥感调查，发现该地区由于畜牧业的迅猛发展，过度放牧现象严重，同事由于管理措施的不得当和自然灾害的影像，区域生态环境不断恶化，草场质量严重下降。同时，根据利用遥感影像绘制的草地资源图，提出了合理利用草地资源，解决该地区生态环境问题的方案。申海建等[9]，通过对1995年和2000年北京市城市区域的Landsat TM遥感影像进行几何纠正、判读解译，最后生成土地利用图形库和属性数据库，应用Costanza生态系统服务价值计算公式和谢高地等人的中国陆地生态单位面积生态服务价值表，研究分析北京市的土地利用变化对生态系统服务价值的影像，为北京市的土地资源可持续利用、生态环境保护、维持生态平衡和促进区域资源与环境的协调发展提供了科学依据。荆玉平等[10]，在遥感技术和GIS技术的支持下，对内蒙古自治区奈曼旗近25年来的土地利用变化进行分析，探讨了土地利用/覆盖的景观格局变化及生态环境效应。从奈曼旗的土地利用变化可以看出，该区域的生态环境质量变化呈现出改善和恶化并存的趋势，因此，要想逐渐回复生态系统的结构和功能，就必须进一步提高林地的种植面积及林地的存活率，继续实施退耕还林政策，保护生态环境。

2.5 防灾救灾

三北防护林体系建设中，防灾救灾工作关系着三北防护林工程能否最大程度发挥出其效益。三北防护林的防灾救灾工作主要包括防护林火险监控和病虫害监测两方面，利用遥感实时监测的特点在GIS平台上对防护林状态进行监测分析，可以有效地预防火灾和病虫害的发生，同时在已发生火情或者病虫害的区域，通过GIS和遥感技术，及时发现并控制灾害的进一步蔓延，为进一步地救灾工作提供参考，最大限度地减少灾害带来的经济损失。

孙智辉等[11]通过对延安市1989-2002年间发生的森林火灾资料的综合分析，收集当地火灾的高发期、多发时段、火灾类型及主要原因等信息，同时分析火灾对应的常规气象与遥感资料，建立起以持续无降雨日数、最高温度、最小相对湿度三要素为基础的分级火险预警模型，通过对遥感卫星资料的实时分析调整火险等级指标，有效地预防了当地火灾的发生，为林业部门的森林防火工作提供了有力的参考资料。1987年我国大兴安岭原始森林发生的特大火灾，遥感图像不但显示了它的火头、

火灾范围，而且还发现火势有向内蒙古原始森林逼近的可能。救火指挥部根据这一信息，及时采取了有效措施，加以防范，减少火灾损失。同时，利用遥感技术能及时、准确地评估森林灾害所造成的损失。在大兴安岭特大火灾的损失评价中，利用卫星资料统计出的过火面积为124万公顷，其精度为96.4%。利用卫星遥感资料进行了损失评估，有效地支持了灾后建设[12]。

遥感技术主要利用波谱反射特征信息获取地物的状况，健康植被中的叶绿素可以吸收多数的可见光，而枯萎干死或者遭遇病虫害的植被由于叶绿素含量的大量减少，在可见光波段的反射率要比健康植被高，但是在近红外波段，其反射率反而要比健康植被低[13]。程焕章等[14],以黑龙江省大兴安岭林管局十八站林业局为对象，建立起落叶松毛虫虫口密度和TM4灰度值同各生态因子之间的回归关系模型，有效地对该区域的森林病虫害进行了预报、预测和监测。武红敢和石进[15],在国家“八

五”期间攻关项目“松毛虫早期灾害点遥感监测研究”及以后的技术研究中，提出了相应的病虫害监测模型，准确区别出重、中、轻和微4级灾害，用于松毛虫早期灾害的预防和发现。在三北防护林体系建设中，综合利用GIS和遥感技术，建立起病虫害监测模型，可以预防或及时发现病虫害，维护三北防护林建设的健康运行，有效地减少因病虫害造成的经济损失。

3 结束语

在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术的推动下，“精确林业（Precision Forestry）”应运而生。所谓精确林业，即在林业生产过程中运用视觉传感器、卫星定位等高新技术，实时测知工作对象所需工作的质、量和时机等数据，通过对影响林木生长的环境因素实际存在的时空差异性的分析，判别林木长势优劣，确定影响长势的原因，提出科学处方，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，消除和减少这些差异，按需定量实施灌溉、施肥和喷药，以实现最小资源投入、最大林业收益和最少环境危害。

虽然我国开展林业遥感工作只有三十多年的时间，但是大量的研究和试验工作，为林业遥感技术的发展积累了宝贵的资料和经验，也为今后的进一步研究奠定了坚实的基础。虽然遥感技术由于自身的不成熟，存在一些缺陷，如空间分辨率不高造成的精度不高，成本较传统方法要高等，但是无可否认，随着遥感技术的不断进步，通过与GIS技术的不断结合，可以显著提高工作效率，便于管理。可以在条件恶劣区域进行宏观、大信息量的空间覆盖等优点，使得GIS和遥感相结合的技术已经成为一种不可替代的林业管理方法。尤其是科技的进步，高分辨率遥感影像的获取变得更加容易，多波段、多时相的遥感数据有力地推动了现代林业的发展。把在林业管理中获取的经验运用到三北防护体系建设中来，可以更好地指导三北防护林体系建设朝着稳定、健康的方向发展。

参考文献

[1] 浦瑞良，曾小明，王晓辉，等．沿海防护林地区立地分类与评价的遥感方法研究[J]．南京林业大学学报，1990，14(3)：7-14．

[2] 赵宪文，李崇贵．基于“3S”的森林资源定量估测[M]．北京：中国科学技术出版社，2001．

[3] 蔡会德，农胜奇，吕郁彪．GIS支持下的林业遥感蓄积估测技术[J]．林业科技开发，2001，15(1)：34-36．

[4] 李建民，李艳彩，袁晓东，等．“3S”技术在林业勘测设计工作中的应用[J]．内蒙古林业调查设计，2005，28(12)： 98-100．

[5] 康文发，刘晓辉．卫星遥感技术在呼中林业局资源监测中的应用与探讨[J]．内蒙古林业调查设计，2006，26(4)： 41-42．

[6] 曹卫平，孙垂河．遥感影像在三北防护林监测管理中的应用研究[J]．森林工程，2008，24(3)：41-43．

[7] 刘兴汉，张柏．TM图像在“三北”防护林遥感调查中的应用[J]．遥感技术动态，1990，(3)：25-29．

[8] 刘洋．黑龙江省三北防护林区域草地资源遥感调查[J]．黑龙江农业科学，1998，(6)：44-45．

[9] 申海建，郭荣中，江艺明，等．基于RS和GIS的土地利用变化对生态系统服务价值的影响[J]．安徽农业科学，2008，36(11): 4781-4783．

[10] 荆玉平，张树文，匡文慧．20世纪70年代中期以来奈曼旗土地利用变化及生态环境效应研究[J]．干旱区资源与环境，2008，22(3)：20-25．

[11] 孙智辉，李生袖，苏长年，等．延安市森林火险分级预报方法[J]．气象，2004，31(6)：80-83．

[12] 刘洋．大兴安岭森林火灾遥感调查方法初探[J]．遥感信息，1991，(3)：42．

[13] 赵英时．遥感应用分析原理与方法[M]．北京：科学出版社．2003．

[14] 程焕章，刘新田，逢增和，等．航天遥感技术在落叶松毛虫危害区划中的应用研究[J]．东北林业大学学报，1992，(5)：25-32．

[15] 武红敢，石进．松毛虫灾害的TM影像监测技术[J]．遥感学报，2004，(2)：172-177．

The application of GIS and Remote Sensing technology

in Three North shelter forest project

Abstract: With the development of science,GIS and Remote Sensing technology has been increasingly implied in all kinds of fields. In the construction of Three North Shelter forest project, cominding with RS,GIS and GPS, we can perform the site condition investigation of shelter forest, statistical inquiry, dynamic monitoring of land use change, ecological benefit evaluation, prediction and prevention of disasters and so on. GIS and Remote Sensing technology must play a more and more important role in the Project of Three North Shelter Forest, and give service to the sustainable development of ecological enviroment in the future.

Key words:shelter forest;dynamic monitoring; remote sensing; Geography information system

BIAN Liang(CHEM Henan geological surveying institute Co.,Ltd，

Zhengzhou 450011，China)