科研動態丨為森林碳儲量估計等提供新方法 我國科學家實現了森林三維垂直結構信息反演

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近日，中國科學院國家空間科學中心微波遙感重點實驗室雷洋研究員帶領團隊在國際遙感領域刊物《環境遙感》(Remote Sensing of Environment)上發表最新研究成果，該團隊在國際上首次利用星載 L 波段雙站單極化、單基線雷達干涉測量技術，實現了多個森林垂直結構信息的同步反演（森林三維垂直剖面、林下地形、樹高）。

圖 1 國產L波段雷達干涉衛星陸探1號雙站模式

在眾多參數中，森林高度作為核心指標，與森林地上生物量存在顯著關聯。因為，科學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（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性特征，亦可監測森林干擾動態。而星載L波段雙站合成孔徑雷達(SAR)干涉測量被廣泛認為是一項有潛力實現上述目標的技術，但通常要獲得森林三維垂直結構信息（例如森林垂直結構剖面、林下地形、樹高等）需要多種極化、多組基線才能實現。這對衛星載荷資源的要求較高，而國內外相關的雙站干涉雷達衛星（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方面的應用。

雷洋團隊在研究中以我國海南島的熱帶雨林為研究區域，重點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，是研究森林生態系統的理想場所。研究團隊借助中國陸探1號衛星任務所獲取的星載 L 波段雙站雷達干涉（InSAR）數據，采用小視數干涉相位高度直方圖方法來獲取森林垂直結構剖面。測量得到的小視數干涉相位高度直方圖與激光雷達波形高度吻合，均捕捉到了森林垂直結構剖面的相似特征。

圖2 星載激光雷達波形與陸探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域森林三維垂直剖面產品

圖 4 本研究技術流程圖

為了更好地進行校準，團隊進一步改進了基于小視數干涉相位高度直方圖的林下地形估計方法，整合了美國宇航局（NASA）的全球生態系統動態調查激光雷達（GEDI）和冰、云和陸地高程衛星2號/高級地形激光高度計系統（ICESat-2/ATLAS）的兩個星載激光雷達測量數據用做校準。在數字地形模型（DTM）估計方面，研究團隊開發了兩種地形估計策略：一種是利用充足的星載激光雷達樣本（以激光雷達高度為特征），另一種是利用有限的星載激光雷達樣本（以小視數雷達干涉相位高度標準差為特征），這兩種策略均依賴于將地形高程與小視數干涉相位高度直方圖統計特征相關聯的統計回歸模型。

隨后，團隊利用類似從激光雷達波形導出高度指標的方法，直接從小視數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、總面積達 2.74萬平方公里的大規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品（10 m分辨率）

圖 6 陸探1號生成的海南林下地形產品（10 m分辨率）

經過與機載激光雷達數據驗證，對于高度在 45 米的熱帶森林，其高度估計精度約為 5 米，相對誤差在 10% - 15% 之間。而干涉技術估計的林下地形DTM 與機載激光雷達 DTM 相比，偏差可忽略不計，其不確定性（中位數絕對偏差或 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應用標準。

相比多極化、多基線星載或機載觀測方案，本研究方法為全球森林監測提供了成本效益高的替代方案。研究為結合國產星載 L 波段雙站雷達干涉數據（如陸探1號及其后續任務）的升降軌觀測，進行大規模森林三維垂直結構剖面、高度指標、生物量、林下地形以及這些森林參數變化的全面測繪開辟了新的道路，對森林碳儲量估計、森林資源變化監測、生態環境保護和生物多樣性研究具有重要意義。

這項研究由中國科學院國家空間科學中心牽頭，國家林業和草原局林草調查規劃院、中南大學地球科學與信息物理學院、武漢大學資源與環境科學學院、海南大學三亞南繁研究院、自然資源部國土衛星遙感應用中心、中國科學院地理科學與資源研究所等多家單位的學者共同參與，合作完成。研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助。

論文鏈接：

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

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