近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員倪文儉帶領(lǐng)森林遙感團隊，在利用超高分辨率光學(xué)遙感立體觀(guān)測數據提取森林三維結構研究方面取得重大突破?，F有研究認為，因為光學(xué)多角度立體觀(guān)測數據在林區不具備穿透能力，故在缺乏林下地形數據時(shí)，無(wú)法獨立進(jìn)行森林垂直結構參數的直接測量，特別是在濃密山地林區。該團隊研究發(fā)現，分辨率優(yōu)于0.2 米的光學(xué)立體觀(guān)測數據能夠對單株樹(shù)木的冠頂結構進(jìn)行精細刻畫(huà)；受樹(shù)木異速生長(cháng)方程啟發(fā)，創(chuàng )建了“生長(cháng)關(guān)系約束的林下地形逼近算法(AGAR)”，打破了傳統認知局限，實(shí)現了僅利用光學(xué)立體觀(guān)測數據對森林垂直結構的直接測量。該研究成果發(fā)表在遙感領(lǐng)域頂級期刊《Remote Sensing of Environment》上。

　　森林作為重要的陸地生態(tài)系統碳庫之一，準確估算其碳儲量是遙感研究的主要方向，能夠服務(wù)我國“雙碳”戰略需求和地球系統碳循環(huán)過(guò)程研究。過(guò)去三十多年，國內外開(kāi)展了基于遙感影像光譜或微波散射強度等“二維”特征的森林碳儲量估算原理與方法研究，然而，“地形影響”和“遙感信號飽和”依然是難以逾越的兩大科學(xué)難題。因此，國際學(xué)界逐漸轉向以衛星測距技術(shù)為基礎的“三維”遙感，包括以激光測距為基礎的激光雷達遙感、以微波測距為基礎的合成孔徑雷達干涉和以視覺(jué)測距為基礎的光學(xué)多角度立體觀(guān)測。美國致力于發(fā)展具備冠層穿透能力的星載激光雷達, 包括早期搭載在航天飛機上的激光高度計SLA01和SLA02，2003年至2009年運行的ICESat/GLAS衛星，2018年發(fā)射的ICESat-2衛星以及2019年放置在國際空間站上的GEDI。歐洲則積極發(fā)展穿透能力較強的L波段Tandem-L和P波段BIOMASS合成孔徑雷達干涉衛星，計劃2024年發(fā)射。相較于激光雷達和合成孔徑雷達干涉，光學(xué)多角度立體遙感具有圖像直觀(guān)形象的顯著(zhù)優(yōu)勢，但受穿透能力的限制，目前主要用于地表高程的測量，需要依靠其他數據源提供的林下地形才能對森林垂直結構進(jìn)行測量，造成其應用價(jià)值和場(chǎng)景受到極大的限制。

　　近年來(lái)，我國在光學(xué)多角度立體遙感方面快速發(fā)展，先后發(fā)射了資源三號、高分七號、天繪系列以及其他商業(yè)遙感衛星，且影像空間分辨率逐步提高。能否利用不斷提高的空間分辨率來(lái)突破其穿透能力弱的限制，進(jìn)而最大程度地發(fā)揮超高分辨率光學(xué)多角度立體遙感數據的應用價(jià)值，既是國際前沿科學(xué)問(wèn)題，更是中國遙感科研人員亟需回答的問(wèn)題。

　　森林遙感團隊意識到超高分辨率光學(xué)多角度立體觀(guān)測遙感數據的獨特價(jià)值，自2014年開(kāi)始對無(wú)人機立體觀(guān)測數據在森林結構參數測量中的應用進(jìn)行了持續探索，并于2018年開(kāi)展了大興安嶺林區大范圍無(wú)人機采樣觀(guān)測實(shí)驗，先后揭示了觀(guān)測角度與影像分辨率的耦合規律，證實(shí)了森林高度信息對葉面積指數估算的補充作用，研發(fā)了針對落葉林區森林高度提取的有葉季和無(wú)葉季影像協(xié)同解決方案, 突破了光譜與三維幾何特征協(xié)同的散發(fā)枯立木識別技術(shù)、單木識別與分割技術(shù)、以背景識別為基礎的高精度森林覆蓋度提取技術(shù)。在這些數據與技術(shù)積累的基礎上，創(chuàng )建了“生長(cháng)關(guān)系約束的林下地形逼近算法(AGAR)”，實(shí)現了復雜地形條件下森林高度的直接提取。研究結果證實(shí)了無(wú)需額外林下地形數據的支持，AGAR算法僅利用超高分辨率光學(xué)多角度立體觀(guān)測數據即可實(shí)現森林高度提取。

　　據悉，美國Albedo公司已于2021年獲準全球分發(fā)空間分辨率為0.1米的商業(yè)光學(xué)遙感圖像。盡管AGAR算法使用無(wú)人機獲取的立體觀(guān)測影像開(kāi)展研究，且算法的具體技術(shù)細節需要進(jìn)一步測試完善，但隨著(zhù)0.1米衛星光學(xué)遙感數據時(shí)代的到來(lái)，該方法的提出將開(kāi)啟超高分辨光學(xué)立體遙感影像森林三維遙感新時(shí)代。

生長(cháng)關(guān)系約束的林下地形逼近算法(AGAR)的核心思路

典型地形條件下森林高度提取的效果。(a)-(c)為光學(xué)多角度立體觀(guān)測數據獲取的數字表面模型(DSM) ;(d)-(f)為光學(xué)多角度立體觀(guān)測數據通過(guò)林窗插值提取的森林高度，由于濃密林區林窗較少，導致樹(shù)高被嚴重低估，或者地形特征去除不徹底； (g)-(i)為利用AGAR提取的森林高度。(a)區域覆蓋了山脊，(b)區域覆蓋了山谷；(c)區域覆蓋了從山腳到山頂的斜坡?！?/p>