近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員倪文儉帶領(lǐng)森林遙感團(tuán)隊(duì)，在利用超高分辨率光學(xué)遙感立體觀測(cè)數(shù)據(jù)提取森林三維結(jié)構(gòu)研究方面取得重大突破。現(xiàn)有研究認(rèn)為，因?yàn)楣鈱W(xué)多角度立體觀測(cè)數(shù)據(jù)在林區(qū)不具備穿透能力，故在缺乏林下地形數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)法獨(dú)立進(jìn)行森林垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)的直接測(cè)量，特別是在濃密山地林區(qū)。該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，分辨率優(yōu)于0.2 米的光學(xué)立體觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)沃陿?shù)木的冠頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)；受樹(shù)木異速生長(zhǎng)方程啟發(fā)，創(chuàng)建了“生長(zhǎng)關(guān)系約束的林下地形逼近算法(AGAR)”，打破了傳統(tǒng)認(rèn)知局限，實(shí)現(xiàn)了僅利用光學(xué)立體觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)森林垂直結(jié)構(gòu)的直接測(cè)量。該研究成果發(fā)表在遙感領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Remote Sensing of Environment》上。

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

　　近年來(lái)，我國(guó)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(hào)、高分七號(hào)、天繪系列以及其他商業(yè)遙感衛(wèi)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(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，既是國(guó)際前沿科學(xué)問(wèn)題，更是中國(guó)遙感科研人員亟需回答的問(wèn)題。

　　森林遙感團(tuán)隊(duì)意識(shí)到超高分辨率光學(xué)多角度立體觀測(cè)遙感數(shù)據(jù)的獨(dú)特價(jià)值，自2014年開(kāi)始對(duì)無(wú)人機(jī)立體觀測(cè)數(shù)據(jù)在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行了持續(xù)探索，并于2018年開(kāi)展了大興安嶺林區(qū)大范圍無(wú)人機(jī)采樣觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，先后揭示了觀測(cè)角度與影像分辨率的耦合規(guī)律，證實(shí)了森林高度信息對(duì)葉面積指數(shù)估算的補(bǔ)充作用，研發(fā)了針對(duì)落葉林區(qū)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(shí)別技術(shù)、單木識(shí)別與分割技術(shù)、以背景識(shí)別為基礎(chǔ)的高精度森林覆蓋度提取技術(shù)。在這些數(shù)據(jù)與技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了“生長(zhǎng)關(guān)系約束的林下地形逼近算法(AGAR)”，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形條件下森林高度的直接提取。研究結(jié)果證實(shí)了無(wú)需額外林下地形數(shù)據(jù)的支持，AGAR算法僅利用超高分辨率光學(xué)多角度立體觀測(cè)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)森林高度提取。

　　據(jù)悉，美國(guó)Albedo公司已于2021年獲準(zhǔn)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(jī)獲取的立體觀測(cè)影像開(kāi)展研究，且算法的具體技術(shù)細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步測(cè)試完善，但隨著0.1米衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)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(zhǎng)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)多角度立體觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取的數(shù)字表面模型(DSM) ;(d)-(f)為光學(xué)多角度立體觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)林窗插值提取的森林高度，由于濃密林區(qū)林窗較少，導(dǎo)致樹(shù)高被嚴(yán)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(qū)域覆蓋了山脊，(b)區(qū)域覆蓋了山谷；(c)區(qū)域覆蓋了從山腳到山頂?shù)男逼??！?/p>