空天院首創(chuàng)超高分辨率光學(xué)森林三維遙感新方法

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(yàn)室研究員倪文儉帶領(lǐng)的森林遙感團(tuán)隊(duì)，在利用超高分辨率光學(xué)遙感立體觀測數(shù)據(jù)提取森林三維結(jié)構(gòu)研究方面取得重要進(jìn)展。現(xiàn)有研究認(rèn)為，光學(xué)多角度立體觀測數(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，無法獨(dú)立進(jìn)行森林垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)的直接測量，特別是在濃密山地林區(qū)。本研究發(fā)現(xiàn)：分辨率優(yōu)于0.2 米的光學(xué)立體觀測數(shù)據(jù)能夠?qū)沃陿淠镜墓陧斀Y(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)刻畫；受樹木異速生長方程啟發(fā)，創(chuàng)建了“生長關(guān)系約束的林下地形逼近算法”（AGAR），打破了傳統(tǒng)的認(rèn)知局限，實(shí)現(xiàn)了僅利用光學(xué)立體觀測數(shù)據(jù)對森林垂直結(jié)構(gòu)的直接測量。相關(guān)研究成果發(fā)表在Remote Sensing of Environment期刊上。

圖1 生長關(guān)系約束的林下地形逼近算法（AGAR）的核心思路

森林作為重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫之一，準(zhǔn)確估算其碳儲量是遙感研究的主要方向，可服務(wù)于我國的“雙碳”戰(zhàn)略和地球系統(tǒng)碳循環(huán)過程研究。過去，國內(nèi)外開展了基于遙感影像光譜或微波散射強(qiáng)度等“二維”特征的森林碳儲量估算原理與方法研究，而“地形影響”“遙感信號飽和”仍是難以逾越的兩大科學(xué)難題。因此，國際學(xué)界逐漸轉(zhuǎn)向以衛(wèi)星測距技術(shù)為基礎(chǔ)的“三維”遙感，包括以激光測距為基礎(chǔ)的激光雷達(dá)遙感、以微波測距為基礎(chǔ)的合成孔徑雷達(dá)干涉以及以視覺測距為基礎(chǔ)的光學(xué)多角度立體觀測。

美國科學(xué)家致力于發(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年放置在國際空間站上的GEDI。歐洲科研人員則積極發(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，并計劃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)勢但受穿透能力的限制，目前主要用于地表高程的測量，且需要依靠其他數(shù)據(jù)源提供的林下地形才能對森林垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，應(yīng)用價值和場景受限。

近年來，中國在光學(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(wèi)星，同時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)用價值，既是國際前沿科學(xué)問題又是中國遙感科研人員亟需回答的問題。

森林遙感團(tuán)隊(duì)意識到超高分辨率光學(xué)多角度立體觀測遙感數(shù)據(jù)的獨(dú)特價值，自2014年對無人機(jī)立體觀測數(shù)據(jù)在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)測量中的應(yīng)用進(jìn)行了持續(xù)研究，并于2018年開展了大興安嶺林區(qū)大范圍無人機(jī)采樣觀測實(shí)驗(yàn)，揭示了觀測角度與影像分辨率的耦合規(guī)律，證實(shí)了森林高度信息對葉面積指數(shù)估算的補(bǔ)充作用，研發(fā)了針對落葉林區(qū)森林高度提取的有葉季和無葉季影像協(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(chǔ)的高精度森林覆蓋度提取技術(shù)。

在上述數(shù)據(jù)與技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了“生長關(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。該成果證實(shí)了無需額外林下地形數(shù)據(jù)的支持，AGAR算法僅利用超高分辨率光學(xué)多角度立體觀測數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)森林高度提取。

圖2 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)多角度立體觀測數(shù)據(jù)通過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)域覆蓋山脊，（b）區(qū)域覆蓋山谷；（c）區(qū)域覆蓋從山腳到山頂?shù)男逼隆?/p>

盡管AGAR算法使用無人機(jī)獲取的立體觀測影像開展研究，且算法的具體技術(shù)細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步測試完善，但隨著0.1米衛(wèi)星光學(xué)遙感數(shù)據(jù)時代的到來，該方法將開啟超高分辨光學(xué)立體遙感影像森林三維遙感新時代。

審核編輯：劉清