全 文 ：第 wu卷 第 tu期
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林 业 科 学
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遥感估测森林可燃物载量的研究进展
金 森
k东北林业大学林学院 哈尔滨 txsswsl
摘 要 } 对采用遥感图像估测森林可燃物载量的方法进行综述 ∀首先将现有方法根据对像元载量的分配方法 o
分成直接分配法和间接分配法 u种 ∀直接分配法分成聚类分析法和判别分析法 ~间接分配法分为简单植被特征
法 !林分模型法和综合因子约束法 v种 ∀然后对各方法的优缺点进行评价 o指出现有方法整体准确率不高的不足 o
并分析产生误差的 v个来源 }tl 从遥感图像判读中间特征所产生的误差 ~ul 从中间特征到可燃物载量之间的误
差 ~vl 使用可燃物模型所产生的误差 ∀据此提出改进现有方法 !提高估测准确率的 v个思路 }tl 使用新图像 o如
更高分辨率遥感图像 !雷达图像或混合图像 ~ul 选择更合适的中间特征以及它们与可燃物载量的关系模型 ~vl 使
用连续变量来描述可燃物载量 ∀
关键词 } 遥感 ~森林 ~可燃物 ~载量
中图分类号 }≥zyu ~≥zx{1w 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kussyltu p ssyv p sx
收稿日期 }ussy p sv p tx ∀
基金项目 }国家自然科学基金项目kvsxztxs{l ∀
Α Ρεϖιεω ον Εστιµατινγ Φορεστ Φυελ Λοαδσ βψ Ρεµοτε Σενσινγ Ιµαγερψ
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k Φορεστ Χολλεγε οφ Νορτηεαστ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Ηαρβιν txsswsl
Αβστραχτ } ²¤§¶¤±§·«¨¬µ¶³¤·¬¤¯ §¬¶·µ¬¥∏·¬²±²©©²µ¨¶·©∏¨ ¶¯¤µ¨ ¥¤¶¬¦¬±©²µ°¤·¬²±©²µ©²µ¨¶·©¬µ¨ °¤±¤ª¨ °¨ ±·q׫¨ °¤­²µ°¨ ·«²§
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Κεψ ωορδσ} µ¨°²·¨ ¶¨±¶¬±ª~©²µ¨¶·~©∏¨¯~ ²¯¤§
森林可燃物载量及其空间分布是林火管理的基础信息 o目前获取这些信息的方法有地面调查法和遥感
图像法 u种 ∀地面调查法通过大量地面调查 o可以比较准确地获得载量信息 o但费用太高 o只在各国森林防
火工作的早期使用过k‹²µ±¥¼ot|vy ~金可参 ot|{wl o目前除在样地数量较少的地面验证或研究中使用外k邸
雪颖等 ot||w ~刘晓东等 ot||xl o已基本不用 ∀
遥感图像法相对于地面调查法成本较低 o因而引起人们的广泛关注 o成为当前使用最广泛 !最主流的方
法 ∀所使用的遥感图像从航空照片k’¶º¤¯§ ετ αλqo t|||l !„∂Œ•Œ≥k•²¥¨µ·¶ ετ αλqo t||{l !‘’„„ „∂ ‹• •
k¦Ž¬±¯ ¼¨ ετ αλqot|{xl到 ¤±§≥¤·×k…µ¤±§¬¶ ετ αλqoussv ~王强 oussxl和 ≥≥k¬¯¯ µ¨ετ αλqot|{x ~ • ¬¯¶²± ετ
αλqot||wl !Œ≥≥ ŒŒk¤¬± ετ αλqot||yl乃至 Œ⁄„• k•¬¤±² ετ αλqoussvl等一系列遥感图像 o其中卫片的空间分
辨率从 t1t ®°提高到 tx °或更高 ∀下面对用遥感估测可燃物载量方法 !存在的问题进行综述 o对可能的改
进思路进行探讨 ∀
t 遥感估测森林可燃物载量的主要方法
遥感图像在森林防火中应用很广 ∀在现有工作中 o只有少数研究k≥¦²· ετ αλqoussu ~ …µ¤±§¬¶ ετ αλqo
ussvl以获取可燃物载量为目的 o采用连续变量来描述可燃物 o属于真正意义的可燃物载量的遥感估测研究 ∀
多数工作的目的是可燃物类型的划分和制图 ∀在这些工作中 o可燃物类型通过可燃物模型来描述 o如美国
‘ƒ⁄• ≥可燃物模型k⁄¨ °¨¬±ª ετ αλqot|z{l !„±§¨µ¶²±可燃物模型k„±§¨µ¶²±ot|{ul和加拿大的 ƒ…°可燃物模型
kƒ²µ¨¶·µ¼ ≤¤±¤§¤ƒ¬µ¨ ⁄¤±ª¨µŠµ²∏³ot||ul o从遥感图像中首先获得的是可燃物模型 o载量只是作为其中预定义
的一个参数而随之得到 o对于载量的估算也是离散的 ∀尽管这些工作不是以获取可燃物载量为直接目的 o但
可燃物载量毕竟通过遥感图像获得了 o而且这些工作与以载量估测为直接目的的工作在原理上没有本质的
区别 o因此 o也将其看作是从遥感图像估测森林可燃物载量的研究 o在下面的方法综述中 o不再对此区分 ∀
由遥感图像估测森林可燃物载量的核心问题是确定像元的可燃物载量 ∀根据对像元载量的分配方法 o
对现有方法分为直接分配法和间接分配法 ∀
111 直接分配法
该方法是最早使用的方法 o根据像素的光谱数据和地面抽样调查所得的可燃物类型或模型 o对遥感图像
直接进行分类 o确定其可燃物类型或模型 o然后对图像中的像素分配载量 ∀该方法根据分类中使用的数学方
法还可以分成聚类分析法和判别分析法 u种 ∀聚类分析法使用最多k∏µ¤µ²ot|zs ~ ¦Ž¬±¯ ¼¨ ετ αλqot|{x ~
…¨ ©¯²µ·ot|{{ ~≥¤¯¤¶ ετ αλqot||w ~∂¤± • ¤ª·¨±§²±®ot||| ~ ¬¯¯ µ¨ετ αλqoussvl ∀一般通过像素的光谱数据 o采用
一定的距离公式 o计算相似性 o然后进行归并 o再通过地面调查数据进行有监督分类 ∀判别分析方法使用相
对较少 ∀一般根据地面调查数据和图像特征 o建立不同可燃物类型的判别函数 o然后据此进行分类 ∀ ’¶º¤µ§
等kt|||l曾采用此方法对美国德克萨斯州东部森林的可燃物类型进行了分类 o准确率达到 |s h ∀一般来说 o
直接分配法较适于单层的草地和灌丛 ∀对于森林而言 o遥感图像直接反映的是冠层的光谱反射特性 o由于冠
层的遮挡 o难以直接从图像上有效地获取森林可燃物的特征k∞¯√¬§ª¨ ot|{{l ∀因此 o该方法对森林可燃物载
量的估计一般误差很大 o’¶º¤µ§等kt|||l的分类效果很好 o可能与当地森林的特殊情况有关 ∀
112 间接分配法
该方法首先从遥感图像上判读一些与可燃物模型k载量l相关联的中间特征 o然后根据这些特征与可燃
物模型k载量l的关系 o为各像元分配可燃物模型k载量l o这样就克服了林冠的遮挡效应kŽ¨¤±¨ ετ αλqo
usstl ∀根据在遥感图像和可燃物载量之间建立联系的中间特征和联系途径 o可以分为简单植被特征法 !林
分模型法和综合因子约束法 v种 ∀其中简单植被特征法 !林分模型法在确定像元的载量时单纯依靠植被特
征 o如植被类型 !树种组成等因此 o又可合称为植被特征法 ∀
t1u1t 植被特征法 简单植被特征法通过植被特征和可燃物载量之间的简单关系来确定像元的载量 ∀该
方法使用较早 o是国际上研究最多 !发表文献也最多的方法k¬¯¯ µ¨ ετ αλqot|{x ~ •²²·ετ αλqot|{x ~ ≠²²¯ ετ
αλqot|{x ~…∏µª¤±ot|{z ~ • ¬¯¶²± ετ αλqot||w ~ ¤µ·ετ αλqot||x ~ ‹¤µ§º¬¦® ετ αλqot||y ~¤¬± ετ αλqot||y ~
•²¥¨µ·¶ ετ αλqot||{ ~≥¦²· ετ αλqoussul ∀例如 o≥¦²·等kussul 以美国新墨西哥州的针叶混交林 !西黄松
kΠινυσ πονδεροσαl林和杜松kϑυνιπερυσριγιδαl林为研究对象 o以树冠覆盖比率 !胸高断面积为中间特征 o通过建
立可燃物载量和这些中间特征的线性回归方程 o研究了利用航空照片对可燃物载量的估计方法 ∀该研究只
给出了绝对误差 o对于上述 v种林分 o最小误差分别是 {1u !tt1|和 p s1u·#«°pu ∀
t1u1u 林分模型法 林分模型法根据森林可燃物本身是林分生态过程k生长 !凋落等l的产物的事实 o以中
间特征驱动林分动态模型来计算林内各组分的生物量 o即可燃物载量 ∀该方法较复杂 o见诸文献的还不多 ∀
赵宪文kusssl提出先根据遥感图像估算林分的蓄积量 o再根据蓄积量和叶量的关系计算出林分的叶量 o然后
根据每年叶的凋落比例 o估计出林分地表可燃物载量的思想 ∀ …µ¤±§¬¶等kussvl从 א 图像中以林分生物量
为中间特征 o通过林分模型估计了年凋落物量 o再根据已知的分解速率和凋落物累积方程k’¯ ¶²±ot|yvl o计
算了森林可燃物的载量 o所得结果比简单关系法所得结果更接近实测数值 ∀在其研究中使用的林分高度是
从调查数据而不是遥感图像中获得的 o从方法上讲是不封闭的 o但显示了林分模型法的一定优势 ∀
t1u1v 综合因子约束法 综合因子约束法是近年来发展起来的方法kŽ¨¤±¨ ετ αλqot||{¤~t||{¥~usss ~王
强 oussxl ∀该方法在确定各像元的可燃物模型k载量l时 o除使用中间特征外 o还要考虑环境因子k气候 !地
wy 林 业 科 学 wu卷
形 !土壤等l和扰动因素k林火等l对可燃物形成的制约 o例如 o在 Ž¨¤±¨ 等kusssl的研究中 o用根据 ⁄∞ 和土
壤类型确定的潜在植被类型来表征环境因子对可燃物的综合制约作用 o利用 א 图像获取植被类型和结构
信息 o然后通过地面调查数据建立了可燃物模型和上述 v个变量组合之间的查询表 o将可燃物模型k载量l分
配给每个像元 ∀王强kussxl利用 ∞א 图像以图像像素的光谱数据和地面的坡向和海拔为自变量 o分别利用
多元线性回归和人工神经网络的方法 o分别建立了从遥感图像上估测我国东北的次生阔叶林的地表可燃物
载量的预测方程 o取得了较好的效果 ∀
尽管笔者人为地对现有方法进行了上述划分 o实际研究往往同时采用了其中的几种方法 o如 …µ¤±§¬¶等
kussvl的工作 ∀
u 现有方法的不足和误差分析
上述表明 o对森林可燃物载量的遥感估测走过了从直接分配法到间接分配法 !从单纯植被特征法到综合
因子约束法 !再从简单关系法到林分模型法的发展历程 o已取得了很大进展 o一些森林类型的可燃物载量的
遥感估测效果较好 o如王强kussxl对于我国东北次生林林下可燃物载量的估测 o…µ¤±§¬¶等kussvl的林分模型
法研究中对于个别植被类型 !遥感图像中估测的载量和实测值之间的决定系数k Ρul高达 s1z| ∀但目前这些
方法也存在着明显的不足 o最突出的是整体准确率不高 o林下可燃物区分能力差 ∀例如 oŽ¨¤±¨ 等kusssl综合
因子约束法的平均正确率只有 vy1u h ~在 …µ¤±§¬¶等kussvl的工作中 o对于多数植被类型 o从遥感图像中估测
的载量和实测值之间的决定系数k Ρul比较小 o整体的准确率高 ∀≥¦²·等kussul的简单关系法研究也存在着
类似的问题 ∀因此 o作为当前经济技术条件下获取森林可燃物载量空间信息的最主流方法 ~遥感图像法还
不能完全反映森林可燃物复杂的空间差异 o在火行为预报等应用中会产生较大的误差 ∀
森林可燃物载量的遥感估测主要有 v个方面的误差 ∀tl从遥感图像判读中间特征所产生的误差 }该误
差与图像的空间分辨率 !图像判读方法 !所选择的中间特征及其在研究地区的复杂情况有关 ∀在 Ž¨¤±¨ 等
kusssl的研究中 o从遥感图像上获得的植被盖度等中间特征的准确率只有 vy h ∗ yw h o平均准确率不超过
xs h ∀ul从中间特征到可燃物载量之间的误差 }造成该误差的最主要原因是中间特征不能和可燃物模型一
一对应 o同一植被特征组合经常对应着多个可燃物模型 ∀ Ž¨¤±¨ 等kusssl在美国 Š¬¯¤国家森林公园的调查表
明 }vs h的植被类型包含 v ∗ ts个可燃物模型 o即便是综合因子约束法 o所用的约束变量组合与可燃物模型
之间也存在着同样的问题 ∀vl 使用可燃物模型所产生的误差 }多数研究是通过可燃物模型来确定载量的 o
可燃物模型是在计算机技术 !• ≥ !ŠŒ≥技术不发达条件下的权宜 !简化办法 o也是为方便可燃物制图 o但将连
续变化的载量离散化时会产生一定的误差 o既使是 ≥¤±§¥¨µª等kusstl提出的基于 t|u个可燃物模型的美国
新可燃物分类系统也同样不可避免 ∀更重要的是 o在地面调查时 o在确定某一林分属于何种可燃物模型时会
发生较大误差k≥¤±§¥¨µª ετ αλqousstl o这种误差远大于使用连续变量的实测法的误差 ∀
v 改进现有方法的设想
对现有遥感估测森林可燃物载量的方法进行改进和优化 o以提高其估测的准确率十分必要 ∀针对上述
误差 o建议在以下 v个方面开展工作 ∀
311 使用新图像
v1t1t 使用更高分辨率的或新类型遥感图像 ŒŽ’‘’≥图像kt !w °的空间分辨率l在可燃物分类研究中已
开始试验性研究k…¤±±¬±ª¨µετ αλqoussu ~Š¬¤®²∏°¤®¬¶oussul ∀高分辨率图像 o虽然光谱分辨率一般 o但通过纹
理分析 o可在植被类型及林分类型划分等方面提高准确率 ∀ Ž¨¤±¨ 等kusssl采用 א 图像进行可燃物载量的
研究中 o无植被类型的分类错误高达 {y h o严重影响了综合因子约束法的准确率 ∀通过更高分辨率的遥感
图像 o就可以克服这方面的不足 ∀因此 o充分利用图像像素的邻域信息 o控制像元和中间特征的匹配 o提高中
间特征的判别准确率 o更好地揭示林分结构 o可能会提高准确率 ∀
v1t1u 使用雷达图像 雷达图像由于具有穿透林冠的能力 o对于估测林分树高十分有价值 o而林分树高是
估测可燃物载量的一个关键因子 ∀ …µ¤±§¬¶等kussvl使用的树高数据来自野外调查 ∀如果直接从遥感图像中
估出树高 o就可以提高可燃物载量估测的准确率和效率 ∀
v1t1v 使用混合图像 使用 u种以上不同分辨率的图像 o如 א 图像和ŒŽ’‘≥图像 o这样融合后图像的光谱
xy 第 tu期 金 森 }遥感估测森林可燃物载量的研究进展
分辨率和空间分辨率都较高 o可能提高可燃物载量估测的准确率 ∀
312 选择更合适的中间特征以及它们与可燃物载量的关系模型
赵宪文kusssl指出 }从遥感图像估测森林蓄积量 o其准确率可达 |s h以上 o用此作为中间特征 o可望提高
克燃物载量的整体准确率 ∀现有研究表明 o采用包含多因子制约机制的林分过程模型也将有助于提高准确
率k…µ¤±§¬¶ ετ αλqoussvl ∀
313 使用连续变量来描述可燃物载量
目前技术的发展使直接使用连续的可燃物描述成为可能 ∀我国目前没有系统的可燃物模型体系 o更需
要使用连续变量 ∀
w 结语
遥感估测可燃物载量的研究开展多年 o产生了许多方法 o虽然某些工作取得了较好的效果 o但整体的估
测准确率还不尽人意 o还需多方改进优化 ∀
对于我国而言 o尽管遥感技术在林火管理中有很多应用 o如火险监测k郑海青等 oussvl !火情监测k易浩
若等 ot||x ~t||y ~t||{ ~舒立福等 ousst ~陈本清等 ousst ~覃先林等 oussul和火灾后的生态监测与评价k范
建容等 ot||x ~高世忠等 ot||xl等 o但对于森林可燃物载量的遥感估测方面只有少量研究 ∀我国目前没有标
准的可燃物模型体系 o利用遥感图像进行可燃物调查的工作基本没有开展 o因此 o我国缺乏利用现代手段得
到的可燃物分布信息 o工作中常用植被图 !林相图替代 o所得结果势必不能满足需要 ∀今后应在现有研究的
基础上 o积极开展可燃物载量等特征的遥感估测研究工作 o不断提高估测的准确度 o为林火管理工作提供有
力的支持 ∀
参 考 文 献
陈本清 o徐涵秋 qusst1 遥感技术在森林火灾信息提取中的应用 q福州大学学报 }自然科学版 ou|kul }uv p uy
邸雪颖 o王宏良 o姚树人 o等 qt||w1 大兴安岭地表可燃物生物量与林分因子关系的研究 q森林防火 ou }ty p t{
范建容 o周万村 o高世忠 o等 qt||x1 遥感与模糊评判在森林火灾后生态监测评价中的应用 q遥感技术与应用 otskwl }wu p wz
高世忠 o周万村 o范建容 o等 qt||x1 攀西林区森林火灾后生态变化的遥感监测 q山地研究 otvktl }uz p vw
金可参 qt|{w1 大兴安岭地区地面可燃物分布调查研究 q森林防火 ot }ty p t|
刘晓东 o王 军 o张东升 o等 qt||x1 大兴安岭地区兴安落叶松林可燃物模型的研究 q森林防火 ov }{ p | ~vu
舒立福 o寇晓军 qusst1 森林特殊火行为格局的卫星遥感研究 q火灾科学 otskvl }tws p tw{
覃先林 o易浩若 qussu1 利用  ’⁄Œ≥数据探测燃烧的方法研究 q遥感技术与应用 otzkul }yy p y|
王 强 qussx1基于遥感图像估测森林可燃物的研究 q东北林业大学硕士学位论文
易浩若 o何筱萍 o纪 平 o等 qt||x1 利用 ‘’„„Π„∂ ‹• • 资料监测南方林区森林火灾的研究 q国土资源遥感 ot }uw p vs
易浩若 o何筱萍 o纪 平 o等 qt||y1 林火卫星监测及早期报警技术研究 q遥感技术与应用 ottktl }ws p wy
易浩若 o纪 平 qt||{1 森林过火面积的遥感测算方法 q遥感技术与应用 otvkul }ts p tw
赵宪文 qusss1 森林火灾预报的新视角 q中国工程科学 otukxl }yy p zt
郑海青 o张春桂 o陈家金 o等 qussv1 利用 ‘’„„卫星遥感监测福建省森林火险 q福建林学院学报 ouvkul }ttw p tt{
„±§¨µ¶²± ‹ ∞qt|{u1 „¬§¶·² §¨·¨µ°¬±¬±ª©∏¨¯ °²§¨ ¶¯©²µ ¶¨·¬°¤·¬±ª©¬µ¨ ¥¨«¤√¬²µq ˜≥⁄„ ƒ²µ¨¶·≥¨ µ√¬¦¨ oŒ±·¨µ°²∏±·¤¬± ƒ²µ¨¶·¤±§ •¤±ª¨ ∞¬³¨µ¬° ±¨·≥·¤·¬²±
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ƒ²µ¨¶·µ¼ ≤¤±¤§¤ƒ¬µ¨ ⁄¤±ª¨µŠµ²∏³qt||u1 ⁄¨ √¨¯²³° ±¨·¤±§¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©·«¨ ≤¤±¤§¬¤± ƒ²µ¨¶·ƒ¬µ¨ …¨ «¤√¬²µ°µ¨§¬¦·¬²± ≥¼¶·¨° qƒ²µ¨¶·µ¼ ≤¤±¤§¤o ’·¤º¤o ’‘q
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k责任编辑 石红青l
zy 第 tu期 金 森 }遥感估测森林可燃物载量的研究进展