科研動態(tài)丨為森林碳儲量估計(jì)等提供新方法 我國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了森林三維垂直結(jié)構(gòu)信息反演

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近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心微波遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室雷洋研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國際遙感領(lǐng)域刊物《環(huán)境遙感》(Remote Sensing of Environment)上發(fā)表最新研究成果，該團(tuán)隊(duì)在國際上首次利用星載 L 波段雙站單極化、單基線雷達(dá)干涉測量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個森林垂直結(jié)構(gòu)信息的同步反演（森林三維垂直剖面、林下地形、樹高）。

圖 1 國產(chǎn)L波段雷達(dá)干涉衛(wèi)星陸探1號雙站模式

在眾多參數(shù)中，森林高度作為核心指標(biāo)，與森林地上生物量存在顯著關(guān)聯(lián)。因?yàn)椋茖W(xué)界長期期望能在中高空間分辨率（<100 米）上直接獲取森林生物物理參數(shù)（如高度與生物量）的量值及空間分布。該尺度既可解析熱帶森林的異質(zhì)性特征，亦可監(jiān)測森林干擾動態(tài)。而星載L波段雙站合成孔徑雷達(dá)(SAR)干涉測量被廣泛認(rèn)為是一項(xiàng)有潛力實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的技術(shù)，但通常要獲得森林三維垂直結(jié)構(gòu)信息（例如森林垂直結(jié)構(gòu)剖面、林下地形、樹高等）需要多種極化、多組基線才能實(shí)現(xiàn)。這對衛(wèi)星載荷資源的要求較高，而國內(nèi)外相關(guān)的雙站干涉雷達(dá)衛(wèi)星（如德國宇航中心的TanDEM-X、中國的陸探1號）均主要采用單基線和單極化觀測模式，這在不同程度上制約了其在林業(yè)方面的應(yīng)用。

雷洋團(tuán)隊(duì)在研究中以我國海南島的熱帶雨林為研究區(qū)域，重點(diǎn)聚焦海南熱帶雨林國家公園。這里擁有豐富的生物多樣性，生長著熱帶雨林、亞熱帶常綠林等多種植被類型，是研究森林生態(tài)系統(tǒng)的理想場所。研究團(tuán)隊(duì)借助中國陸探1號衛(wèi)星任務(wù)所獲取的星載 L 波段雙站雷達(dá)干涉（InSAR）數(shù)據(jù)，采用小視數(shù)干涉相位高度直方圖方法來獲取森林垂直結(jié)構(gòu)剖面。測量得到的小視數(shù)干涉相位高度直方圖與激光雷達(dá)波形高度吻合，均捕捉到了森林垂直結(jié)構(gòu)剖面的相似特征。

圖2 星載激光雷達(dá)波形與陸探1號森林垂直剖面對比

圖 3 陸探1號生成的海南尖峰嶺區(qū)域森林三維垂直剖面產(chǎn)品

圖 4 本研究技術(shù)流程圖

為了更好地進(jìn)行校準(zhǔn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步改進(jìn)了基于小視數(shù)干涉相位高度直方圖的林下地形估計(jì)方法，整合了美國宇航局（NASA）的全球生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)查激光雷達(dá)（GEDI）和冰、云和陸地高程衛(wèi)星2號/高級地形激光高度計(jì)系統(tǒng)（ICESat-2/ATLAS）的兩個星載激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)用做校準(zhǔn)。在數(shù)字地形模型（DTM）估計(jì)方面，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了兩種地形估計(jì)策略：一種是利用充足的星載激光雷達(dá)樣本（以激光雷達(dá)高度為特征），另一種是利用有限的星載激光雷達(dá)樣本（以小視數(shù)雷達(dá)干涉相位高度標(biāo)準(zhǔn)差為特征），這兩種策略均依賴于將地形高程與小視數(shù)干涉相位高度直方圖統(tǒng)計(jì)特征相關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計(jì)回歸模型。

隨后，團(tuán)隊(duì)利用類似從激光雷達(dá)波形導(dǎo)出高度指標(biāo)的方法，直接從小視數(shù)干涉相位高度直方圖反演得到了森林高度。最終，生成了覆蓋中國海南島整個熱帶雨林地區(qū)、總面積達(dá) 2.74萬平方公里的大規(guī)模林下地形和森林高度分布圖。

圖 5 陸探1號生成的海南森林高度產(chǎn)品（10 m分辨率）

圖 6 陸探1號生成的海南林下地形產(chǎn)品（10 m分辨率）

經(jīng)過與機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對于高度在 45 米的熱帶森林，其高度估計(jì)精度約為 5 米，相對誤差在 10% - 15% 之間。而干涉技術(shù)估計(jì)的林下地形DTM 與機(jī)載激光雷達(dá) DTM 相比，偏差可忽略不計(jì)，其不確定性（中位數(shù)絕對偏差或 MAD）取決于地形表面坡度：坡度小于 2° 時為 3 米，2° - 6° 時為 4 米，6° - 25° 時為 7 米，大于 25° 時為 9 米，均符合我國地形測繪的行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

相比多極化、多基線星載或機(jī)載觀測方案，本研究方法為全球森林監(jiān)測提供了成本效益高的替代方案。研究為結(jié)合國產(chǎn)星載 L 波段雙站雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)（如陸探1號及其后續(xù)任務(wù)）的升降軌觀測，進(jìn)行大規(guī)模森林三維垂直結(jié)構(gòu)剖面、高度指標(biāo)、生物量、林下地形以及這些森林參數(shù)變化的全面測繪開辟了新的道路，對森林碳儲量估計(jì)、森林資源變化監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生物多樣性研究具有重要意義。

這項(xiàng)研究由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心牽頭，國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院、中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院、武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院、海南大學(xué)三亞南繁研究院、自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所等多家單位的學(xué)者共同參與，合作完成。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.rse.2025.114916

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