数字化森林资源监测技术提名意见该项目面向国家林业信息化doc.docx
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数字化森林资源监测技术提名意见该项目面向国家林业信息化doc
数字化森林资源监测技术
一、提名意见:
该项目面向国家林业信息化建设的行业重大需求,从森林资源监测技术、可
视化模拟技术与经营管理技术出发,突破了森林资源信息获取时间长、精度低,
可视化程度低、预测模拟困难等技术难点,实现了森林资源高时效、高精度监测,
直观模拟与预测,为林业科研、生产和科学决策提供了技术支持与模拟平台,便
于森林经营管理者从宏观、全局和空间角度了解和掌握森林生长与变化动态。
该项目成果解决了森林资源动态监测研究中存在的不确定性、低精度、低效
率、单一尺度、不能直接应用于森林经营管理的问题,其中,基于多尺度嵌套抽
样方法的大区域森林生物量/碳密度反演、多源数据协同信息提取、树木形态结
构与生长耦合模拟、基于工作流的林分生长与经营交互模拟等多项技术处于国际
领先水平,基于多源多维遥感的多尺度森林资源动态监测技术填补了国内空白。
成果的应用提高了工作效率,降低了劳动强度,具有巨大的潜在生态、社会和经
济效益。
该项目发表学术论文141篇,其中SCI/EI收录37篇(SCI收录12篇,EI
收录25篇);申请专利42项(发明专利33项,实用新型专利9项),其中授权
专利26项(发明专利17项,实用新型专利9项);获得软件著作权登记60项;
编制行业标准2项;出版专著2部;成果在9个省(自治区、直辖市)开展了推
广应用,全面提高了我国森林资源监测科学技术水平。
该项目提供的材料经审查,符合国家科学技术进步奖提名和申报要求,公示
无异议。
提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。
二、项目简介:
1.主要技术内容
该项目面向现代森林资源监测业务需求,突破了森林资源信息获取时间长、
精度低、可视化程度低、预测模拟困难等技术难点,实现了森林资源的精准监测、
直观模拟与高效管理,提高了我国森林资源监测技术与业务应用水平。
1.1数字化森林资源监测关键技术研究
1
利用中低分辨率遥感影像,开展了大尺度森林覆盖信息快速提取技术研究,
实现了区域尺度的森林分布和覆盖信息的准确提取;利用时间序列数据开展了森
林类型识别与提取技术研究,研发了大尺度森林物理参数反演方法,开发了相应
软件模块,分析了全国与区域性大尺度森林资源的时间和空间变化状况。
1.2数字化森林模型与可视化模拟关键技术研究
针对森林可视化模拟关键技术,重点研究了树木数字化模型与可视化模拟技
术、林分数字化模型与可视化模拟技术、森林景观数字化模型与可视化模拟技术、
森林经营可视化模拟技术,为林业科研、生产和科学决策提供了直观、形象、全
新的三维森林可视化模拟平台。
1.3数字化森林经营管理关键技术研究
开展了森林生境因子精准获取与评价、森林经营管理决策支持等关键技术研
究,以及森林经营管理决策支持系统的开发与应用,研发了数字化森林经营管理
决策支持平台,实现了森林生境因子快速精准获取与经营管理决策。
2.授权专利情况
授权专利26项(发明专利17项,实用新型专利9项)。
3.技术经济指标
大区域森林资源信息监测周期<0.5年,总体精度达85%,森林类型分类精
度>90%,区域森林生物量/碳密度反演精度>80%,有效提升了我国森林资源监测
水平;研发了21个树种的三维可视化模型,为森林可视化模拟提供了基础模型,
提出了交互式经营可视化模拟技术,具备经营单位级/林场级森林可视化经营管
理能力;基于云的森林生境因子数字化智能采集系统,实现了1年中林分生境因
子的实时连续监测;森林多维形式决策支持模型为国内首创,处于国际领先水平,
直接服务于我国森林资源管理工作,提高了决策水平。
4.应用推广及效益情况
该项目研发的技术方法、软件系统等已在北京市、河北省(塞罕坝机械林场
总场)、河南省、内蒙古自治区、湖南省、福建省、云南省、黑龙江省、海南省
等地开展了应用推广。
数字化森林资源监测技术的突破提高了森林资源信息获取效率和水平,减少
了野外地面调查工作,减少了损失,节约了人力、物力和财力。
对于提高现代林
业信息化水平、保障国家生态安全、践行绿色发展理念以及提升我国林业及相关
2
产业的竞争力具有非常重要的意义,生态、社会、经济效益显著。
三、客观评价:
1.该项目验收结论(其他附件[114])
科技部863现代农业领域办组织专家对该项目进行了验收,通过质询与讨
论,形成了如下意见:
(1)以实现森林资源高效精准监测为研究目标,重点围绕森林资源信息快
速获取、精准识别、参数反演和森林防火实时监测与智能预警系统构建方面开展
了系统研究,取得了显著进展。
研发的森林资源信息遥感快速提取系统模块,能
实现数据的快速处理,更新周期小于0.5年。
(2)以树木、林分、森林景观、森林经营为主要研究对象,成果为研究和
揭示森林结构与生长变化规律,开展高效森林经营、规划、调控和决策提供了关
键技术支撑,成果应用将促进森林数字化、可视化和智能化经营管理,提升森林
生长与经营模拟预测水平。
(3)以实现数字化森林信息快速精准获取与构建经营管理决策支持系统为
研究目标,重点围绕野外生境因子精准获取、数字化森林立地评价、经营决策模
型研究与森林经营决策支持系统的集成与应用等开展了系统研究,尤其在野外生
境因子实时采集与森林经营决策模型的耦合方面具有明显创新。
2.该项目查新结论(其他附件[115])
结论指出:
国内已有利用卫星遥感技术进行森林生物量和碳储量监测方面的
研究,和嵌套抽样方法在森林更新调查中的应用,但未见嵌套抽样方法在大区域
森林生物量/碳密度反演中的应用。
国内文献虽有关于工作流技术和可视化模型
在森林遥感领域应用的报道,但未见“实现林分生长与经营交互过程可视化模拟”
的描述。
该委托项目在以下3方面具有新颖性:
(1)提出一种多尺度嵌套抽样方法,并利用该方法实现大区域森林生物量/
碳密度反演。
(2)构建幂函数形式的树木冠形模型及冠形参数动态生长模型,提出冠形
控制下树木结构可视化模拟方法,形成树木形态、结构与生长耦合方法。
(3)基于工作流技术,构建自定义活动图形化可视化模型,交互式建立林
分生长与经营交互过程可视化模型,实现林分生长与经营交互过程可视化模拟。
3
综上所述,该项目在上述方面具有文献新颖性。
3.该项目成果综合报道(其他附件[116])
《科技日报》2016年3月13日聚焦版面以“鞠洪波:
数字化森林资源监测
守护丛林”为题,综合报道了该项目研究与应用成果。
报道指出:
(1)在高精度森林类型识别技术方面,科研人员研究出基于高分辨率影像
的森林类型自动提取算法,总体分类精度达到90%以上。
(2)研究人员完成了区域性森林时空变化与特征分析技术研究,全面开展
了树木、林分、经营、森林景观模型与可视化模拟方法的研究工作,完成了森林
生境因子精准获取与评价技术、森林经营管理决策支持技术等。
(3)项目团队开展了试验示范区的野外调查和示范应用,完成了相关试验
示范区数据的收集、整理、加工、处理和建库等工作,完成了相关应用示范工作,
取得了良好的应用示范效果。
4.该项目获奖情况(其他附件[117]、[118])
(1)2017年4月,获“梁希林业科学技术奖”一等奖,项目名称:
数字化
森林资源监测技术。
(2)2017年12月,获“中国林业科学研究院重大科技成果奖”,项目名称:
数字化森林资源监测技术。
5.国内外相关技术比较
(1)国内外的森林资源监测体系均以五年左右为周期,大区域森林覆盖信
息快速提取技术实现了全国大区域森林资源信息的快速获取,数据获取更新周期
小于0.5年,总体精度达到85%以上,处于国际领先水平。
(2)提出了顾及多尺度嵌套抽样方法,解决了固定样地大小和遥感影像空
间分辨率匹配的问题,将混合像元分解与序列高斯协同模拟相结合,解决了中低
分辨率混合像元分解与区域估计的问题,区域森林生物量/碳密度反演精度达
80%以上,处于国际先进水平。
(3)结合高分影像和面向对象方法的林分类型自动识别技术,获得林场尺
度的森林类型分类精度均达到90%以上,过去国内外学者采用不同空间分辨率和
光谱分辨率传感器数据进行温带森林树种分类,整体分类精度大都在72%-88%之
间。
该技术处于国际领先。
(4)多源数据森林参数提取技术弥补了传统调查方法的不足,解决了目前
4
森林资源动态监测中不确定性、低精度、低效率、单一尺度、不能直接应用于森
林经营管理的问题,填补了国内外应用多源多维遥感进行多尺度森林资源动态监
测的技术空白。
(5)树木形态结构三维可视化模拟方法,较国内外同类树木建模方法,具
有更逼真的树木可视化模拟效果,突破了交互式树木模型耦合方法,实现了冠形
控制下树木参数化动态建模。
该方法处于国际领先地位。
(6)利用工作流技术,构建了量化经营措施的森林经营可视化模型,与国
内外同类方法相比,具有经营方案可视化设计、调整、辅助决策分析、结果可视
化表达等突出优点,实现了森林经营规划、设计、实施和评价的可视化模拟与分
析。
该方法处于国际领先地位。
(7)森林生境因子采集技术可对一年中林分二氧化碳、空气温湿度、土壤
温湿度与太阳照度的变化进行精准测量,并用以评价经营效果。
该方法处于国内
首创,达到国际先进水平。
(8)人工林生长收获模型自动更新算法与技术保证了建模数据变化后,不
必手动建模也无需重新编程,即可完成决策支持模型的重新拟合与更新。
该技术
处于国际领先水平。
四、推广应用情况:
1.推广应用情况
该项目成果先后在多个试验区进行了应用推广,包括:
河北省塞罕坝机械林
场总场、内蒙古自治区赤峰市克什克腾旗桦木沟林场、黑龙江省佳木斯市孟家岗
林场、国有平江县芦头林场、北京松山国家级自然保护区管理处、湖南省平江县
福寿国有林场、攸县黄丰桥国有林场、河南鸡公山国家级自然保护区管理局、海
南霸王岭国家级自然保护区管理局、黑龙江省林业监测规划院、黑龙江省第三森
林调查规划设计院、内蒙古绰源林业局、普洱市林业科学研究所、云南省普洱市
国家公园管理局、福建省将乐国有林场等。
具体应用情况如下:
五、主要知识产权证明目录:
知识
产权
知识产权具
体名称
国家
(地
授权号
授权日
期
证书
编号
权利人发明人
发明专
利有效
5
类别区)状态
一种基于地
面激光雷达
三维扫描的
树木枝干参
数提取方法
中国
ZL2013
101362
60.7
2016年5
月25日
2080
554
中国林
业科学
研究院
资源信
息研究
所
张怀清、
高士增、
刘闽、鞠
洪波、蒋
娴
发明有效专
专利利
一种基于自
适应分形算
法的树木形
态模拟方法
中国
ZL2013
107525
59.5
中国林
业科学
研究院
资源信
息研究
所
刘闽、张
怀清、鞠
洪波、陈
永富、蒋
娴
发明有效专
2017年32406
专利利
月8日487
一种森林经
营决策支持
模型自动更
新方法
中国
ZL2013
103623
30.0
2016年8
月19日
2106
710
北京林
业大学
吴保国、
郭艳荣、
韩焱云
发明有效专
专利利
基于激光三
维扫描数据
的树木三维
矢量模型构
建方法
中国
ZL2012
102668
87.X
2015年
11月18
日
1838
604
中国林
业科学
研究院
资源信
息研究
所
孟献策、
鞠洪波、
张怀清、
蒋娴、刘
华、凌成
星、肖鹏
发明有效专
专利利
一种基于多
源遥感数据
的复杂异质
林分平均高
估测方法
中国
ZL2013
105560
77.2
2017年
06月06
日
2505
567
北京林
业大学
张晓丽、
赵明瑶、
白金婷、
王金兰
发明有效专
专利利
发明
专利
一种合轴分
枝树木形态
结构三维可
视化模拟方
法
中国
ZL2014
103135
10.4
2017年2
月15日
2380
484
中国林
业科学
研究院
资源信
息研究
所
张怀清、
刘闽、白
静、蒋娴
有效专
利
6
基于摄影测
量的树木形
态模型参数
快速获取方
法
中国
ZL2013
101120
54.2
2017年5
月10日
2482
199
中国林
业科学
研究院
资源信
息研究
所
刘闽、张
怀清、鞠
洪波、蒋
娴、陈永
富
发明有效专
专利利
一种基于最中国林
小空间结构
单元的林分
空间结构自
相似可视化
中国
ZL2013
104494
60.8
2016年8
月17日
2184
139
业科学
研究院
资源信
息研究
蒋娴、张
怀清、刘
闽、李凡
发明有效专
专利利
模拟方法所
中国林
一种小班边
界三维可视
化编辑方法
中国
ZL2014
108549
77.X
2017年5
月24日
2492
668
业科学
研究院
资源信
息研究
李永亮、
张怀清、
刘闽、蒋
娴
发明有效专
专利利
所
利用遥感、
发明
专利
地理信息系
统技术检测
小班林业资
中国
ZL2013
102044
98.9
2016年6
月8日
2107
474
北京林
业大学
吴保国、
郭恩莹、
张瀚
有效专
利
源的方法
7
六、主要完成人情况:
行技工
姓排政术作
对本项目贡献
名名职职单
务称位
中
国在《主要科技创新》第一、二项创新点中做出了创造
林性贡献,“数字化森林资源监测技术”项目总负责人。
业提出了基于多源数据的林地类型精细分类方法(其他
科
学
附件[49]),林分结构参数反演与精度评价方法(其
他附件[40]),一种基于分层次边界拓扑搜索模型的
研
鞠研
究
栅格转矢量系统(其他附件[9]),基于FPGA构建的分
层次栅格转矢量处理方法(其他附件[10]),研建了洪究
1无
院二维图像与三维遥感数据相结合的森林垂直结构参数波员
资提取方法,实现了基于多源遥感数据的森林蓄积量估
源
测与对比分析。
授权发明专利4项(其他附件[1],[9],
信
[10],[38]),取得软件著作权登记2项(其他附件[85],
息
[104])。
曾获国家科技奖励情况:
2013年获“国家科
研学技术进步奖”,二等奖,《森林资源综合监测技术
究
体系》,排名第1,证书号2013-J-202-2-03-R01。
所
中在《主要科技创新》第四、五项创新点中做出了创造
国性贡献。
“数字化森林模型与可视化模拟关键技术研研
林究”课题负责人,提出了一种基于地面激光雷达三维
张究研
业
扫描的树木枝干参数提取方法(必备附件,其他1[1]
怀
2
室究
科
附件),一种合轴分枝树木形态结构三维可视化[48]
清主员
学
模拟方法(其他附件[11]),一种基于自适应分形算
任
研
法的树木形态模拟方法(必备附件1[2]),一种基于
究最小空间结构单元的林分空间结构自相似可视化模拟
8
院
方法(其他附件[3]),获得软件著作权登记4项(其
资
他附件[56],[58],[78],[107])。
曾获国家科技奖
源
励情况:
2013年获“国家科学技术进步奖”1项,二等
信
奖,《森林资源综合监测技术体系》,排名第2,证书
息
号2013-J-202-2-03-R02。
研
究
所
在《主要科技创新》中第七、八项创新点的研究中做
出了创造性贡献,“数字化森林与牧场经营管理关键
技术研究”课题主持人。
设计了经营决策支持系统的
北知识库、数据库、模型库和方法库,提出了适用于特
京定树种培育经营全过程的决策流程与决策技术(其他吴
教林
附件[47]),设计了森林培育专家决策支持系统集成保
3无
授业平台功能结构,开发了森林培育专家决策支持系统集
国
大
成平台,组织系统推广示范。
制定行业标准1项(其他
学
附件[50]);获得发明专利授权2项(必备附件1[3],
其他附件[4]);获得软件著作权4项(其他附件[71],
[88],[89],[110]);发表学术论文9篇,其中EI论
文4篇。
中
在《主要科技创新》中第一项创新点的研究中做出了
国
林
创造性贡献,根据森林植被生长受环境影响的规律,
研
业
提出了按植被区划将全国分为8个区域进行森林覆盖
究副
科
学
信息快速提取的构思;基于MODIS等低分辨率遥感数
刘
华
4
室
副
研
究
研
究
院
据研究利用时间序列影像进行大区域森林覆盖与森林
类型信息快速提取的技术方法,信息提取精度达到
主员
资源
85%以上,实现了森林面积、森林覆盖率、森林类型等信息
任
信息的快速获取,信息提取周期小于0.5年;解决了
研
究
森林资源信息获取周期长,缺乏连续、实时监测数据所
9
等技术难点。
获得授权发明专利4项(其他附件[1],
[9],[10],[33]),取得软件著作权登记2项(其他
附件[85],[104])。
林
业
在《主要科技创新》中第一、三项创新点的研究中做遥
出了创造性贡献,提出了基于物候的植被覆盖类型提感中
取技术(其他附件[40]),基于回归分析与光谱分解信南
方法,改进了森林碳储量估计方法(其他附件[42]),息林
提出了一套森林生物物理参数多分辨率影像反演制图
林工教业
5
样地布设和调查方案,实现了森林碳密度制图与精度辉程授科
估计(其他附件[45]),服务于大区域森林面积、类研技
型与结构等信息的快速与高精度提取,申请发明专利2究大
项(其他附件[35],[39]),出版专著1部(其他附件中学
[52]),取得软件著作权登记9项(其他附件[63],[64],心
[66],[67],[82],[83],[84],[95],[111])。
主
任
在《主要科技创新》中第二项创新点的研究中做出了
创造性贡献,提出了主被动遥感数据协同林分类型识东
别技术与高分结合面向对象的林分类型自动识别技北
范
术,提高了林分类型信息识别精度(其他附件[36]),
教林
文
6无获得授权发明专利6项(其他附件[13],[26],[27],
授业
义
大
[32],[34],[36]),实用新型专利2项(其他附件[20],
[22]),发表论文13篇(其中SCI、EI论文1篇)(其学
他附件[43]),取得软件著作权登记3项(其他附件
[68],[69],[96])。
张北在《主要科技创新》中第二、第三项创新点的研究中
教
晓京
7无做出了创造性贡献,提出了高精度、快速估测LAI的新
授
丽林
方法、基于高分辨率遥感的单木信息提取算法、MODIS
10
业
LAI和OLILAI之间的尺度转换模型、高分影像和极化
大雷达生物量与蓄积量协同反演模型,改进了郁闭度、
学林分平均高估算模型,完成了森林结构参数提取关键
技术研究,开发了森林植被参数提取系统,实现了森
林结构参数高精度快速提取,获得授权发明专利2项
(其他附件[6],[8]),发表论文22篇(其中SCI、EI
论文2篇)(其他附件[44]),取得软件著作权登记7
项(其他附件[65],[95],[97],[98],[99],[100],
[101])。
曾获国家科技奖励情况:
2004年获“国家科
学技术进步奖”1项,二等奖,《森林资源精准监测广
义3S技术研究》,排名第5,证书号
2004-J-202-2-05-R05。
中
国
林
在《主要科技创新》第六项创新点中做出了创造性贡业
献。
提出了参数化林木个体可视化模拟方法,构建了科
林分整体信息到林木个体信息估计的可视化模拟方学
助法,基于工作流技术,研发了林分生长与经营交互过
研
李理程可视化模拟技术与林分交互式经营措施方法决策可
究永
8无视化模拟技术(其他附件[24]),研建了基于森林资
研
院
亮究源调查数据的森林景观可视化模拟技术,实现了大区
资
员域森林景观的三维可视化模拟以及经营单位级森林经
源
营方案的可视化编制。
授权发明专利2项(其他附件信
[2],[12]),取得软件著作权登记5项(其他附件息
[105],[106],[107],[108],[109])。
研
究
所
刘9研副中在《主要科技创新》中第七、八项创新点的研究中做
11
鹏究研国出了创造性贡献,提出了基于传感器网络、智能移动
举室究林终端与视频监测协同的森林火险气象与环境因子动态
副员业采集、模型模拟、小班火险综合评测与预警技术,完
主科
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