三重数字监测(3LDM)--监测森林景观恢复(FLR)的遥感和信息技术解决方案

完整解决方案
马达加斯加无人机培训
© Forests4Future, GIZ

德国国际合作机构的森林未来(F4F)项目在埃塞俄比亚、马达加斯加和多哥等国倡导森林景观恢复(FLR)和治理。目前的森林景观恢复监测系统面临着准确性和完整性的问题。为解决这一问题,F4F 开始开发可靠的监测系统,并试行标准操作程序。利用外部地理空间数据公司的专业知识,F4F 引进了三重数字监测系统(3LDM)。该系统改进了监测工作,整合了三个层面的数据:

实地数据

无人机数据

3. 卫星数据

3LDM 方法跟踪选定的森林资源恢复地点的恢复公顷数、地上树木生物量和树木多样性

最后更新 30 Sep 2025
814 意见
背景
应对的挑战
荒漠化
土地和森林退化
生物多样性的丧失
冲突用途/累积影响
侵蚀
生态系统损失

环境挑战:

卫星成像,如哨兵或大地遥感卫星,由于分辨率低,可能会遗漏较小的树木,影响对森林的准确评估,特别是对幼树或树冠下的树木。3LDM 系统利用高分辨率无人机数据测量树冠高度,并利用异速方程完善生物量计算。无人机对大面积区域进行勘测,提高了数据的准确性和效率。

社会挑战:

传统的森林监测需要人工,对当地社区造成干扰。3LDM 利用无人机和卫星技术进行大范围监测,将干扰降到最低,保护了当地风俗习惯。它还促进了当地与无人机相关的技能发展和就业机会。

经济挑战:

人工森林清查成本高、速度慢。3LDM 提供了一种经济的解决方案。无人机数据收集速度快、范围广,可降低实地工作成本。使用开源图像可降低成本,使监测工作经济实惠,适用于各种项目。

实施规模
当地
国家以下一级
生态系统
农林业
耕地
热带落叶林
热带常绿林
红树林
河流、溪流
热带草原、热带稀树草原、灌木林
主题
修复
土地管理
陆地空间规划
科学与研究
森林管理
地点
马达加斯加
埃塞俄比亚
多哥
西非和中非
东非和南非
过程
过程概述

实地数据、无人机图像和卫星捕捉这三种数据收集机制之间错综复杂的协同作用是我们计划监测框架的支柱。每种机制都有其独特的优势:实地数据提供了地面的细微洞察,无人机图像提供了详细的空中视角,卫星捕捉则提供了更广阔的太空视野。它们相互交织在一起,形成了一个强大的数据织锦,提高了数据的可靠性和准确性。

这种协同方法对于 FLR 战略的整体监测至关重要。随着环境恢复工作的复杂性不断增加,必须要有多方面的视角。跟踪生物量等关键指标。此外,树高、胸径 (DBH)、森林组成和物种分化等次要指标对于深入了解恢复工作也至关重要。三层系统的优点在于其弹性:如果出现限制一种方法有效性的挑战,其他两种方法会无缝介入,确保数据质量或洞察力不会出现失误。这种相互依存的关系保证了数据的全面性,从而制定出更加明智的战略,并成功实现 FLR 成果。

积木
实地数据

卫星和无人机图像对监测工作的贡献不可否认,但它们在 FLR 工作的最初几年是有限的。在项目的最初几年,实地数据收集至关重要。

实地数据收集又分为三种参与式方法:

  • 固定采样地块:固定地块,用于估算树高、DBH 和树木存活率。由于需要投入大量人力和时间,永久性采样地块将每 3 年评估一次。
  • 土地利用规划: 为评估信息以及根据世界自然保护联盟(IUCN)濒危物种红色名录识别濒危物种而进行的讨论。它与其他土地利用规划过程相结合,因此没有明确的评估时间间隔。
  • 横断面: 在三个月的评估间隔期内确定植物和动物物种以及森林结构组成

三种参与式方法中的所有相关指标都是通过 KOBO 工具箱收集的。该软件条件适宜,操作简便,符合项目的监测目标。

有利因素

参与式方法对于保证对恢复地区进行长期监测至关重要。这种方法的核心是将当地知识与当地工作人员和地区合作伙伴的培训/能力建设结合起来。确定社区的需求、组织讨论、让当地社区参与监测系统的开发和测试,这些都有助于提高人们对恢复后的景观的认识并与之建立联系。

经验教训
  • 实地数据优先:在早期 FLR 阶段,实地数据收集比仅仅依靠卫星和无人机图像更有效。

  • 参与式方法:采用永久性采样地块、土地利用规划和横断面等参与式方法,让当地社区参与进来,加强监测。

  • 适当的技术:使用 KOBO 工具箱等用户友好型工具可以很好地与项目目标保持一致,并简化数据收集工作。

  • 当地社区参与:让当地社区参与进来并对其进行培训,可确保项目取得长期成功,并培养他们与恢复后的景观之间的联系。

卫星数据

卫星数据是 3LD-Monitoring 系统的基石,它利用了哥白尼哨兵-2 号卫星和 LANDSAT 卫星的开源图像功能。遥感解决方案(RSS)有限公司精心开发的算法彻底改变了这一过程。用户可以无缝提交其感兴趣区域的形状文件,促使算法自动获取和分析相关数据。该算法可进行一系列可靠的分析,包括使用 NDVI 评估植被增减的 5 年植被趋势、通过 NDWI 进行的 5 年植被湿度分析,以及细致入微的 5 年降雨趋势评估。此外,该算法还有助于将项目开始以来的植被变化可视化,以动态的洞察力加强监测框架。卫星数据是 3LDM 监测系统的重要组成部分,它利用哥白尼哨兵-2 任务和 LANDSAT 卫星提供的开放源图像。对于预定义的区域,这些数据会自动获取并分析特定参数。主要的分析包括使用 NDVI 作为植被增减的代理变量的 5 年植被趋势、通过 NDWI 得出的 5 年植被湿度趋势以及 5 年降雨趋势。此外,还可直观显示项目开始以来的植被变化。

有利因素

能否有效使用这一构件取决于用户能否在 QGIS 等 GIS 平台上绘制和保存区域。此外,用项目的具体情况(如开始日期和 FLR 类型)增强 shapefile 可优化分析。对这些技能的适当培训可确保准确的数据输入和量身定制的监测,因此这些领域的能力建设至关重要。

经验教训

虽然卫星数据,尤其是开放源数据提供了广泛的见解,但其物种识别能力却受到很大限制,甚至无法实现。这一局限性强调了实地工作在辨别物种组成和特征方面不可或缺的作用。此外,了解卫星图像的先天限制,尤其是对幼树种植园的限制,就更有必要整合实地数据和无人机数据,以全面了解森林地形。

无人机数据

无人机在 3LD 监测系统中发挥着关键作用,是对其他数据收集方法的补充。无人机是伙伴国加强当地工作人员技术技能的重要工具。这些技能包括飞行规划、导航和图像评估。无人机监测旨在增强项目工作人员的能力,使他们能够捕捉适合摄影测量分析的数据,并从中获得重要的地理信息。

无人机测绘方法包括五个阶段,前两个阶段侧重于无人机操作:

  1. 制图任务准备(桌面工作)
  2. 执行测绘任务(实地考察)
  3. 开发数字地表模型(DSM)和生成正射影像图(桌面工作)
  4. 数据分析和完善(桌面工作)
  5. 纳入现有数据系统(桌面工作)

无人机数据有助于评估与碳/生物量相关的指标,如死亡率和森林类型。值得注意的是,通过应用异速方程和对土地类型的适当描述,可以确定树木的地面生物量估计值。

有利因素

具有预设飞行规划功能的无人机可确保从单个图像无缝创建正射影像图。这样就能将单张快照无缝合并为正射影像图(校正畸变的航空照片,以便进行精确测量)。考虑这些无人机在伙伴国当地市场的可用性也至关重要。在此过程中,让当地学术界参与进来,充分利用当地知识至关重要。他们可以提供以树木高度为基础的基本等比数列,有助于精确计算生物量。

经验教训

无人机可生成高分辨率图像,从而详细了解土地植被变化、树木存活率和侵蚀率等情况。结合实地数据,无人机监测得到了加强,从而保证了良好的监测效果。

树木和植被密度的不一致性往往会阻碍对图像间共同关键点的合理提取,而这对于估算高度和其他指标是必不可少的。在这方面,增加图像之间的重叠度,使正面和侧面重叠度至少达到 85%,可以改善关键点的提取。此外,增加无人机的飞行高度可减少透视失真,从而有利于检测重叠图像之间的视觉相似性。不过,重叠过多,即重叠百分比过高,会导致数据量增大,使数据处理更加耗时。

已经提到的另一个方面是伙伴国是否有合适的无人机。向相关国家进口无人机十分困难,官僚主义障碍依然存在。

影响

所有三个数据源(卫星、无人机和实地)都经过处理,并整合到一个仪表板平台上,可通过项目监测网站访问。通过该网站可以

在内部

- 评估项目活动

- 监测变化,作为进一步规划的基础

- 项目活动的管理(指导职能)

- 项目活动报告

- 比较和总结 FLR 的干预措施

对外

- 跟踪项目活动

- 协调项目与合作伙伴之间的活动

- 学习项目经验

- 成果报告和交流

- 财务条例和细则活动的透明度

平台仪表板有两个独特的属性:

1. 针对特定区域:对过去 5 年的卫星数据进行即时自动分析和可视化; 2.

2. 整合实地数据、无人机数据和卫星数据,将不同层次的信息结合起来,描绘恢复工作的全貌

受益人
  • AFR100 协调中心和秘书处
  • 部委(森林/环境和农业部)
  • 行政官员
  • 非政府组织
  • 恢复技术人员和爱好者
  • 当地社区
  • 森林为了未来 "项目及其他森林资源恢复项目团队
可持续发展目标
可持续发展目标 15--陆地生活
可持续发展目标 17--目标伙伴关系
故事

马克西姆领导着马达加斯加 3LDM 系统的实施工作。在马达加斯加使用无人机评估森林景观恢复情况意味着还要监测红树林。在这些茂密的沼泽地带进行传统监测令人生畏,但有了 3LDM 的无人机协议高分辨率图像,监测工作变得更加高效和详细。

在一次无人机勘测中,马克西姆的团队发现了一个意想不到的居民:一只正在享受日光浴的鳄鱼。清晰的图像不仅彰显了该技术的有效性,还凸显了其相对于徒步勘测的安全优势。

除了与野生动物的不期而遇,3LDM 还提供了对红树林生长动态的深入了解。虽然该系统也有其挑战,比如无人机如何适应多风的环境,但其成果远远大于障碍。

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