FORMSpoT：揭示全国范围1.5米森林冠层高度时间序列中的细尺度森林干扰

《Remote Sensing of Environment》：FORMSpoT: Revealing fine-scale forest disturbances from nation-wide 1.5 m forest canopy height time series

　　

欧洲联盟（EU）高度依赖森林碳汇来履行其在《巴黎协定》下的国际承诺，这一目标通过旨在2050年实现碳中和的《欧洲绿色协议》得以推进。然而，这一承诺因近期欧盟森林碳汇的下降而受到损害，部分原因是森林生产力下降以及人为和自然干扰的增加。欧洲的森林干扰涵盖广泛的空间尺度，从覆盖数公顷的大型皆伐、风暴或野火，到导致小冠层空隙形成的单木死亡或择伐作业。计划内的人为木材采伐干扰占欧洲森林冠层开放空间的82%。野火、病虫害侵袭和风倒等自然干扰占剩余部分，并预计在气候变化下加剧。除这些大规模事件外，背景死亡率产生的小冠层空隙尽管仅涉及一到几棵单木，但在森林生态过程中发挥着基础性作用。然而，由于当前大陆尺度监测方法的局限性，这些细尺度事件对欧洲森林总受干扰面积的总体贡献仍未量化。

国家森林清查（NFI）样地提供了森林干扰的精确细尺度观测，如单木死亡或采伐，并支持欧洲的国家碳报告。然而，作为空间不连续的采样网络，NFI需要在较大区域和多年间进行聚合才能具有统计稳健性，且不提供空间显式信息。基于卫星的监测可实现空间连续性，但现有业务化产品所依赖的传感器分辨率过于粗糙，无法探测最小尺度的干扰。基于Landsat的产品如Hansen等（2013）、Turubanova等（2023）和欧洲森林干扰地图集（EFDA）以30米分辨率提供多十年的大陆和全球尺度干扰估算，理论最小干扰探测阈值为900平方米。基于Sentinel-1的系统提供补充方法，可提供近实时的干扰警报。同样，基于Sentinel-2的产品以10米分辨率提供干扰图。然而，这些产品很少能对恰好10米或更小的干扰敏感。由于树冠直径很少超过10米，这些产品因此仅限于影响多棵树的干扰。

高分辨率（HR）和甚高分辨率（VHR）光学影像，空间分辨率分别低于4米和1米，为突破这一限制提供了可能。近期研究已展示了VHR影像在大尺度森林结构制图方面的潜力。然而，这些研究基于单一时相获取，缺乏干扰监测所需的时间连续性。从HR和VHR影像中探测干扰不仅需要某一时间点的高空间分辨率，还需要几何一致的时间序列，以便可靠地评估冠层高度随时间的变化。这样的时间序列将能够在超出当前10–30米监测系统能力范围的空间细节上，表征欧洲森林的细尺度干扰机制。

法国凭借两个互补的开放数据集，为弥补这一差距提供了合适的途径。首先，DINAMIS计划自2014年以来每年提供全国范围的SPOT-6/7镶嵌影像，分辨率为1.5米全色，形成了覆盖欧盟最大国家（551,695平方公里）的十一年HR档案。其次，法国LiDAR HD计划已获取覆盖整个领土的激光扫描数据，提供了森林三维结构的精确视图。这种数据组合具有重要价值，且法国森林涵盖广泛的树种组成、经营制度和地形条件，使该国成为基于HR的温带欧洲森林干扰监测的一个高要求和代表性测试案例。

本文提出了FORMSpoT（FORest Mapping with SPOT Time-series，基于SPOT时间序列的森林制图），这是一个覆盖2014至2024年法国本土的年度1.5米分辨率森林冠层高度图数据集，基于SPOT-6/7影像并使用在LiDAR HD数据上训练的分层变换器模型生成。为确保在不同观测角度、日期和大气条件下获取的影像间的时间一致性，研究人员引入了一个结合空间配准和时空全变差去噪的后处理流程。从所得高度时间序列中，研究人员提取了FORMSpoT-Δ，这是一个年度细尺度森林干扰多边形数据库，已利用19个样地的连续机载LiDAR采集和5087个法国国家森林清查样地复查进行了验证，并与七个现有较粗分辨率干扰产品进行了比较。研究人员解决了三个研究问题：（1）捕捉欧洲温带森林全谱系森林干扰所需的有效空间分辨率是多少，当前10–30米产品中哪些比例的干扰仍不可见？（2）全国尺度的HR卫星时间序列能否提供可靠地年度干扰监测，直至小冠层空隙尺度？（3）法国不同森林类型和区域的细尺度干扰模式如何变化？FORMSpoT和FORMSpoT-Δ均可在https://doi.theia.data-terra.org/FORMSpoT/公开获取。

FORMSpoT：揭示全国范围1.5米森林冠层高度时间序列中的细尺度森林干扰

**一、研究背景与问题**

欧洲联盟高度依赖森林碳汇来履行《巴黎协定》下的国际承诺，旨在通过《欧洲绿色协议》实现2050年碳中和目标。然而，这一承诺正因欧盟森林碳汇的近期下降而受到损害，部分原因在于森林生产力下降以及人为和自然干扰的增加。欧洲的森林干扰涵盖广泛的空间尺度，从覆盖数公顷的大型皆伐、风暴或野火，到导致小冠层空隙形成的单木死亡或择伐作业。计划内的人为木材采伐干扰占欧洲森林冠层开放空间的82%，而野火、病虫害侵袭和风倒等自然干扰占其余部分，并预计在气候变化下加剧。背景死亡率产生的小冠层空隙尽管仅涉及一到几棵单木，但在森林生态过程中发挥着基础性作用。然而，由于当前大陆尺度监测方法的局限性，这些细尺度事件对欧洲森林总受干扰面积的总体贡献仍未量化。

现有监测手段面临根本性挑战：国家森林清查（NFI）样地虽能提供精确的细尺度观测，但作为空间不连续的采样网络，需要在大区域和多年间聚合才具统计稳健性，且不提供空间显式信息；基于卫星的监测虽能实现空间连续性，但现有业务化产品所依赖的传感器分辨率过于粗糙，无法探测最小尺度的干扰。Landsat-based产品如Hansen等（2013）、Turubanova等（2023）和欧洲森林干扰地图集（EFDA）以30米分辨率提供干扰估算，理论最小探测阈值为900平方米；Sentinel-2 based产品以10米分辨率提供干扰图，但对恰好10米或更小的干扰不敏感。鉴于树冠直径很少超过10米，这些产品仅限于影响多棵树的干扰。因此，开发能够探测小冠层空隙尺度干扰的全国尺度监测系统，对于理解欧洲森林干扰全谱系至关重要。

**二、研究内容与主要方法**

针对上述问题，研究人员提出了FORMSpoT（FORest Mapping with SPOT Time-series）数据集，这是一个覆盖2014至2024年法国本土的年度1.5米分辨率森林冠层高度图数据集。研究利用法国两个互补的开放数据源：DINAMIS计划提供的年度全国SPOT-6/7镶嵌影像（1.5米全色分辨率）和法国LiDAR HD计划获取的全境激光扫描数据。研究人员采用在Open-Canopy基准数据集上预训练的PVTv2金字塔变换器模型，对2014–2024年的SPOT-6/7影像进行推理，生成年度冠层高度图。为确保不同获取条件下影像间的时间一致性，研究人员引入了结合空间配准和时空全变差（TV）去噪的后处理流程，其中时间正则化参数λtemp=5，空间正则化参数λspat=0.5。从所得高度时间序列中，研究人员通过5米高度损失阈值和形态学开运算滤波（核大小为3像素），提取了FORMSpoT-Δ年度细尺度森林干扰多边形数据库。

在验证方面，研究使用了38次高分辨率（>5 pts/m2）机载激光扫描（ALS）采集数据，覆盖19个分布于法国各地的样地，每个样地有两次间隔至少一年的采集以支持变化检测；同时使用了5087个法国国家森林清查（NFI）样地复查数据。此外，研究将FORMSpoT-Δ与七个现有较粗分辨率干扰产品（包括Hansen等2013、Turubanova等2023、EFDA、SUFOSAT、FORMS-T、Pauls等2025和deadtrees.earth）进行了系统比较。

**三、主要研究结果**

**3.1 FORMSpoT：全国尺度冠层高度时间序列**

FORMSpoT在NFI参考高度验证中实现了r2为0.74、平均绝对误差（MAE）为3.85米的精度；在ALS CHM验证中MAE为3.54米、r2为0.68。误差在不同高度等级间分布不均：低到中等冠层重现良好（10–15米范围内偏差0.7米），而高于25米的森林呈现系统性负偏差且随高度增大（35–40米范围内偏差-9.8米）。年度间精度保持稳定：MAE年际标准差为0.08米，r2年际标准差为0.02。空间误差格局呈地理一致性：山区（孚日、阿尔卑斯）误差最大，地中海盆地和科西嘉误差最低。FORMSpoT的30米聚合树冠覆盖度与ALS派生树冠覆盖度一致性良好（MAE=0.09，r2=0.83），但在高值区存在系统性高估。

**3.2 FORMSpoT-Δ：跨空间尺度的干扰探测**

通过5米高度损失阈值的敏感性分析，研究确认5米阈值在所有干扰大小等级中最大化F1分数。探测性能随干扰尺寸增大而提升，在约100平方米处出现明显转变。低于100平方米的事件中，0–25平方米等级精度为0.58、召回率为0.21；75–100平方米等级精度提升至0.76、召回率0.60。高于100平方米时，F1分数超过0.8，精度保持相对稳定而召回率继续增加。与较粗分辨率产品的比较显示，所有产品的可靠探测尺寸均远大于传感器原生分辨率：10米分辨率产品在100–200平方米等级召回率仅0.06–0.31，在500–700平方米范围才达到高水平（如Pauls为0.95）；Landsat-based产品在500–700平方米等级召回率为0.39。相比之下，FORMSpoT-Δ在100–200平方米等级召回率达0.90，精度为0.97。

**3.3 与NFI样地复查的敏感性验证**

在2018–2023年NFI样地复查验证中，FORMSpoT-Δ实现了总体F1分数0.44（精度0.67，召回率0.33）。探测率随干扰严重度（样地内树木移除百分比）一致增加：可探测80–90%树木移除样地的73%，而树木损失低于10%的样地仅探测11%。在所有严重度等级中，FORMSpoT-Δ的探测率均高于其他产品：在仅10–20%树木损失的样地中，FORMSpoT-Δ探测20%，而其他产品至多3%。

**3.4 法国森林干扰的时空格局**

全国尺度上，FORMSpoT-Δ每年记录平均500万个干扰事件，面积跨度达四个数量级。低于100平方米的事件占所有多边形的72%但仅占总受干扰面积的13%；低于1000平方米（0.1公顷）的事件占97%的事件数和39%的总面积；超过10,000平方米（1公顷）的大型干扰占事件数的0.3%和总面积的34%。空间分布呈现显著异质性：地中海盆地和科西嘉干扰率最低，朗德（西南部）、诺曼底（西北部）和法国北部部分地区最高（年干扰率达2%）。小干扰（<100平方米）在山区的受干扰面积中占主导（阿尔卑斯、比利牛斯、中央高原），而大型干扰（>1公顷）在朗德、利穆赞和佩里戈尔地区占主导。

时间动态方面，法国东北部（孚日和阿尔戈讷地区）在2015–2019年与2020–2023年期间的干扰活动显著增加，与2017–2022年树皮甲虫危机相吻合。孚日时间序列显示2021和2022年出现显著干扰峰值：2022年总受干扰面积达9680公顷，较2016年的4259公顷增加2.3倍。该峰值由所有干扰等级驱动，但小和中型干扰（<0.1公顷）占2022年总受干扰面积的65%。朗德地区在同一时期呈现相反趋势，受干扰面积减少。

**四、讨论与结论**

讨论部分指出，现有10–30米分辨率产品可靠探测阈值集中在500–900平方米以上，这主要是传感器驱动的限制而非算法问题：尽管FORMS-T、Pauls和deadtrees.earth采用不同架构和训练策略，但在Joux-Fresse样地均收敛到约500–700平方米的有效探测阈值。这一限制在山地森林中尤为突出，因为自然间隙形成过程（如单木死亡和小型风倒）与陡峭地形约束的低强度择伐共同推动了干扰尺寸分布远低于当前产品分辨率。FORMSpoT-Δ将可靠探测能力延伸至约100平方米，使占法国森林事件多数的干扰等级首次在全国尺度上可见。

研究还讨论了HR监测的可靠性极限：低于100平方米的事件难以与获取噪声区分；高冠层（>25米）的系统性负偏差可能导致真实干扰低于5米检测阈值；密集冠层中的小间隙在1.5米分辨率下无法解析；获取异质性（物候错配、太阳角度、大气条件）会传播至高度预测中；ALS参考本身也存在不确定性。此外，FORMSpoT-Δ捕捉的是树木从冠层中物理移除的时刻而非死亡时刻，因此2017–2022年树皮甲虫危机的信号反映的是卫生伐木和结构崩溃的时间而非暴发动态本身。

在碳核算方面，低于100平方米的干扰占全国总受干扰面积的13%（且由于FORMSpoT-Δ本身对最细小事件的欠探测，该比例可能是下限值），这一贡献在当前大陆尺度卫星估算中缺失。FORMSpoT通过提供全国覆盖的年度细尺度干扰图，可补充NFI观测，提高山区等区域碳通量估算的空间精度和时间分辨率。此外，FORMSpoT-Δ可作为森林经营实践的空间指标，识别间伐、择伐和矮林作业模式，有助于理解经营对森林韧性的影响。

研究结论部分总结：首先，现有10–30米产品仅在500–900平方米以上实现可靠干扰探测，使大量森林干扰活动（尤其在以亚100平方米事件为主的山地）未被探测；其次，全国尺度HR时间序列可为约100平方米以上的事件提供可靠年度干扰监测，但低于该阈值时探测能力迅速下降；第三，结果与法国主导的经营策略一致：大型人工林（如朗德）以皆伐为主导动态，山地森林以弥散性细尺度死亡或择伐为主，后者此前使用卫星监测可靠性较低。FORMSpoT和FORMSpoT-Δ均已开放获取，可供广泛的林业利益相关者使用。