近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國家重點實驗室研究員倪文儉帶領(lǐng)森林遙感團(tuán)隊，在利用星載光學(xué)多角度立體觀測點云進(jìn)行森林三維結(jié)構(gòu)立體觀測研究方面取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊利用國產(chǎn)遙感衛(wèi)星獲取的同一林區(qū)的多時相數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，遙感影像上可見光照背景的比例控制著立體觀測點云的垂直分布，可見光照背景比例越高，對林下地形的探測能力越強，并且證明選用適宜的時相組合，僅利用光學(xué)立體觀測點云數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)落葉林區(qū)森林地上生物量的估測。該研究成果發(fā)表在遙感領(lǐng)域頂級期刊Remote Sensing of Environment上，為利用星載光學(xué)多角度立體觀測點云進(jìn)行森林三維結(jié)構(gòu)測量提供了新的認(rèn)識。

　　森林三維結(jié)構(gòu)立體測量是實現(xiàn)植被碳儲量高精度估算的關(guān)鍵。相較于美國宇航局(NASA)以星載激光雷達(dá)見長，歐洲航天局(ESA)寄希望于星載雷達(dá)干涉，我國近年來發(fā)射了包括資源三號、高分七號和天繪等系列遙感衛(wèi)星，在星載光學(xué)多角度立體觀測方面逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位，初步呈現(xiàn)“三足鼎立”的局面。但資源三號、高分七號等衛(wèi)星主要面向地形測繪，研發(fā)目標(biāo)側(cè)重在無控定位精度的提高和影像密集匹配算法的改進(jìn)，而對林區(qū)立體觀測點云分布受光照、地形、森林結(jié)構(gòu)和觀測角度等因素的影響規(guī)律認(rèn)識不足。國際上公開發(fā)布的利用星載光學(xué)多角度立體觀測點云為主要數(shù)據(jù)源的全球地形數(shù)據(jù)產(chǎn)品，如ASTER GDEM，AW3D30等，也基本忽略了林區(qū)點云垂直分布的獨特性。

　　研究團(tuán)隊早在十余年前就深刻認(rèn)識到星載光學(xué)多角度立體觀測對于森林三維結(jié)構(gòu)的測量的獨特價值，并持續(xù)開展了深入的研究工作，先后證實了有葉季數(shù)據(jù)可較好地刻畫濃密森林冠頂結(jié)構(gòu)，無葉季數(shù)據(jù)具備林下地形探測潛力；研發(fā)了植被光學(xué)多角度立體觀測模型，并用于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星(句芒號)第一斜視觀測角度的論證，使該星成為我國特有的同時具備沿軌多角度光譜與多角度立體觀測能力的衛(wèi)星。

　　前期研究表明，利用有葉季與無葉季協(xié)同，可望實現(xiàn)落葉林區(qū)的三維結(jié)構(gòu)測量，但新的研究發(fā)現(xiàn)，地形和森林密度的變化使得該推論并不總是有效。于是進(jìn)一步研究了從8月份有葉季到3月份無葉季8個時相的數(shù)據(jù)，伴隨著太陽高度角從55.62°到15.66°的變化，在不同地形和森林密度條件下，林區(qū)光學(xué)多角度立體觀測點云的垂直分布規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在非密閉森林中，9月初的點云更接近冠頂，而8月的點云更接近地面，如圖1灰色區(qū)域所示；北向坡面在無葉季且有光照的情況下，點云接近地面，而在11月或1月份太陽高度角較低，沒有光照的情況下，即便是無葉季，點云也主要分布在冠頂，如圖2灰色區(qū)域所示，遙感影像上可見光照背景的比例是控制著對林下地形的探測能力，這可以解釋多時相點云高程差值的變化規(guī)律如圖3所示。

　　該研究系統(tǒng)揭示了星載光學(xué)立體觀測點云隨時相、地形和森林密度變化的垂直分布規(guī)律，為利用用星載光學(xué)立體觀測點云進(jìn)行區(qū)域森林三維結(jié)構(gòu)測量提供了理論依據(jù)，同時為充分發(fā)揮我國資源三號、高分七號、句芒號以及其他寬幅高分辨率快速重訪光學(xué)遙感衛(wèi)星的效能奠定了基礎(chǔ)，也為落葉林區(qū)森林植被碳儲量精準(zhǔn)核算提供了新的技術(shù)途徑。

　　[1] Wenjian Ni, Tianyu Yu, Yong Pang, Zhiyu Zhang, Yating He, Zengyuan Li, Guoqing Sun, (2023)，"Seasonal effects on aboveground biomass estimation in mountainous deciduous forests using ZY-3 stereoscopic imagery", Remote Sensing of Environment 289, 113520

　　[2] Wenjian Ni, Kenneth Jon Ranson, Zhiyu Zhang, Guoqing Sun,(2014) ,"Features of Point Clouds Synthesized from Multi-view ALOS/PRISM Data and Comparisons with LiDAR Data in Forested Areas", Remote Sensing of Environment, 149:47-57

　　[3] Wenjian Ni, Guoqing Sun, Kenneth Jon Ranson, Yong Pang, Zhiyu Zhang, Wei Yao, (2015), "Extraction of ground surface elevation from ZY-3 winter stereo imagery over deciduous forested areas", Remote Sensing of Environment, 159：194-202

　　[4] Ni, W.J., Zhang, Z.Y., Sun, G.Q., & Liu, Q.H. (2019). "Modeling the Stereoscopic Features of Mountainous Forest Landscapes for the Extraction of Forest Heights from Stereo Imagery". Remote Sensing, 11

　　

　　2014年8月1日的點云與其他不同時相點云的差值

　　

　　

　　平坦地區(qū)非密閉條件下，光學(xué)多角度立體觀測點云隨時相變化的垂直分布規(guī)律

　　

　　

　　山區(qū)北向坡面光學(xué)多角度立體觀測點云隨時相變化的垂直分布規(guī)律