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倪文俭：俯瞰森林筑梦遥感
本刊记者汲晓奇
“江河流淌着数据,大地蕴藏着信息.”在这个充满科技力量的现代社会里,他和他的小伙伴们利用手中掌握的遥感“利器”,将数字的魅力深入到绿色大森林的深处,倾听大自然的呼吸,感受绿色生命的意义——
森林是地球的“绿肺”,是地球气候的“调节阀”,在应对气候变化的今天发挥着越来越重要的作用.认识地球系统运行规律,应对全球气候变化给人类生存带来的挑战,这是无数从事与气候领域相关研究的全球科学家的共同目标.
为此,他们彼此协作,又独立攻关.中国科学院遥感与数字地球研究所倪文俭研究员埋首十余年,用测绘、遥感的手段,探析绿色森林,把脉人类气候.
挖掘摄影测量数据的价值
“众所周知,森林是孕育人类的母亲,它是氧气制造厂,是粉尘过滤器,还是天然蓄水库和天然空调……随着全球气候变化问题越来越严重,森林生态系统所发挥的作用也越来越受到人们的重视.”倪文俭对记者谈到目前自己从事的工作.
他提到,一方面,准确估算森林植被碳储量及其动态变化是确定其在地球系统碳循环过程中作用的基础；另一方面,对于引起全球变化的人为因素,当前国际社会采取的主要行动之一是置换,即通过植树造林增加碳汇,用增加的森林对二氧化碳的吸收能力置换二氧化碳的排放,森林植被碳储量和固碳能力评价事关各国温室气体减排所承担的责任,直接涉及到相关国家的政治和经济利益.
为满足地球系统碳循环过程研究和国际碳排放谈判的需求,高精度自动化区域森林植被碳储量及其变化监测是目前国际森林遥感研究的热点.
倪文俭说：“从遥感原理角度讲,遥感辐射信息更适于土地覆盖和土地利用变化监测以及森林类型的识别,而遥感几何信息特别是垂直结构信息的利用,是实现高精度区域森林植被碳储量估算的关键.”
我国于2012年发射了资源三号(ZY-3)星载摄影测量系统,并且后续还有相关卫星计划.星载摄影测量数据可对森林的垂直结构进行直接测量,并且我国的摄影测量技术已走在国际前列.“我的目标就是以我国资源三号测绘卫星的发射为契机,深入开展基于摄影测量数据的区域森林生物量制图与碳储量估算研究,基于我国自有的卫星数据,率先完成能经受检验的区域森林生物量图,促进我国地球系统碳循环过程研究,并支持我国在碳排放有关的国际谈判中掌握主动权.”对于自己今后工作的目标,如今回国已有1年的倪文俭早已经有了清晰的蓝图.
“值得一提的是,ZY-3之外,我国后续还有很多卫星计划,包括将能实现‘双星组网’运行的资源三号测绘卫星02星；计划于2020年前发射的分辨率达到亚米级的高分七号卫星等.新的摄影测量数据将在区域,甚至全球尺度的森林生态研究上发挥巨大的作用.”他分析说,我们应深入开展基于星载摄影测量数据的区域森林植被碳储量及其动态变化监测的基础理论与方法研究.
目前主要的发达国家都在积极地探索建立统一的全球森林植被碳储量及其动态变化监测技术体系.而近十年来,星载高分辨率摄影测量系统不断升空,包括美国的ASTER(1999年)、法国的SPOT5(2002年)和SPOT6(2012年)、日本的ALOS/PRI(2006)、我国的资源三号测绘卫星(2012年),数字相机技术的发展及摄影测量数据处理技术的进步,为利用星载摄影测量数据进行森林碳储量及其动态变化监测研究提供了新的契机.
但遗憾的是,这一优势目前在国际国内森林遥感领域里并没有得到足够的重视.倪文俭希望,有更多相关人士能够意识到我们在星载摄影测量上的优势,也希望有更多的有志之士加入到我们的事业中来.汇聚点滴力量,共筑绿色梦想.
三类技术集大成者
2014年8月,倪文俭结束了在美国马里兰大学4年的研究工作,回到祖国.
清华大学地球系统科学研究中心主任、美国地理学会遥感专业委员会杰出贡献奖获得者宫鹏教授在给他的入选“中国科学院百人计划”推荐书中写道：“在森林结构参数提取过程中,有三个主要类型的技术——摄影测量、干涉雷达、激光雷达.世界上,很少有人把这三类技术融会贯通.”“他（倪文俭）有明确的且符合学科前沿的发展方向.所取得的系列成果表明他是把摄影测量-激光雷达-干涉雷达技术融会贯通之后,成功应用于森林测量的人.”
宫鹏在推荐书中还说,“倪文俭取得了很大的学术进步,实现了从实验研究人员到有自主研究方向,能够独挡一面的首席学者的转变”.
“如果说我在专业研究上取得了一些创新成果,那是因为有幸站在了巨人的肩膀上.我一直庆幸自己人生道路上遇到了许多杰出的前辈,包括我的导师美国马里兰大学的孙国清教授、美国宇航局戈达德飞行中心的KennethJonRanson教授、中国科学院遥感与数字地球研究所的郭华东院士、美国加州大学圣巴巴拉分校的施建成教授、曾就职于美国加州大学伯克利分校的宫鹏教授、中国林业科学研究院的李增元教授和东卡罗莱纳大学的教授等这样一些在激光、雷达等领域领衔的研究学者.是他们让我懂得了什么是潜心研究,不争不抢功到自然成……”
对于自己的成绩,倪文俭很自然地将功劳归功于他的前辈,归功于他的经历.
倪文俭本科期间学的是测绘工程专业,而到中国科学院遥感应用研究所后学习的是森林遥感,经过一段时间接触,他发现自己竟然走到了学科交叉的点上.测绘更多关注的是遥感的几何信息；而森林遥感研究更多的是遥感辐射信息的应用,包括光谱反射率、雷达后向散射系数和干涉相干系数等.
“遥感辐射信息和几何信息各有利弊,能不能将两者结合起来,扬长避短呢？”倪文俭在专业的交叉中找到了一条合适的发展道路.
“摄影测量是除激光雷达和雷达干涉外,对森林垂直结构进行直接测量的一种遥感数据,通过测量不同观测角度形成的视差,可实现对地物高程的直接探测.但因为传统的摄影测量主要依靠的是航片,数据获取成本较高,数据处理过程比较复杂,所以其在森林生物量提取方面的潜力并没有得到重视.近几年星载高分辨率摄影测量传感器的升空、数字相机技术的发展及数据处理技术的进步,为摄影测量数据在森林结构参数反演中的应用提供了新的契机.”
能不能将三种数据结合起来一起应用于区域森林生物量制图呢？“要进行高精度的区域森林生物量制图,必须依靠能够对森林垂直结构进行直接测量的遥感数据.鉴于星载激光雷达数据只有点采样数据,无法实现面覆盖；而雷达干涉获取的是散射相位中心的高程,需要林下地形的配合才能提取森林垂直结构；摄影测量数据使用的是光学数据,在有叶的条件下,能够获取森林冠层顶部的高程；那么雷达干涉与摄影测量数据结合即可获取雷达穿透深度信息.”
这就是后来让倪文俭的研究获得重大突破的“联合使用雷达干涉、摄影测量与激光雷达数据的区域森林生物量制图”这一创新融合思路.在随后的研究中,这种设想的可行性得到了证实.
实践森林生物量制图
2010年,倪文俭有机会跟随导师孙国清教授到美国马里兰大学进行深入研究.就是在那里,自己的研究思路与国际前沿思想和技术手段开始碰撞.
早在倪文俭在中科院攻读博士期间,他就已经在研究上有所突破.他将matrix-doubling方法引入到孙国清教授发展的三维森林雷达后向散射模型中,提高了模型对交叉极化的模拟能力；后来,用经他改进的三维森林雷达后向散射模型和森林生长模型,建立了基于查找表方法的森林生物量反演技术体系.他清楚地认识到“对森林垂直结构的直接测量是高精度森林生物量估算这一国际难题的关键,因为最近十年在森林生物量反演方面取得的进展,都源于利用遥感几何信息对森林高度和垂直结构进行直接测量,包括激光雷达和极化干涉雷达”等.沿着这一思路,倪文俭做了4年的系统性研究：他对孙国清教授的三维森林雷达后向散射模型作了进一步改进,使其具备对干涉雷达数据的模拟能力,模型模拟结果表明,雷达穿透深度确实与森林生物量之间存在较好的相关性.
在研究中,倪文俭还发现,不同源的数字表面模型之间的位置并不是精确对准的.为了解决这一问题,他发展了高精度全自动化不同源D数据的配准算法.在该算法的支持下,他使用激光雷达数据对ASTERGDEM中所包含的植被垂直结构信息进行了分析,结果表明,摄影测量数据的确能提供森林顶层高度信息.
更为令人振奋的是,倪文俭和他的同事一起建立了多角度摄影测量数据融合方法,并发现多角度摄影测量数据获取的点云在刻画植被垂直结构方面的互补性.他们进一步对ALOS/PRI和ZY-3等具有较高分辨率和区域覆盖能力的星载摄影测量数据做了深入分析.结果发现,在林下地形的支持下,多角度摄影测量数据可以很好地刻画森林的空间结构；而在落叶林区或混交林区,冬季获取的摄影测量数据可以较好地提取林下地形.
而在“百人计划”项目中,倪文俭将对自己的研究做进一步地延伸,包括继续深入发展相干森林雷达后向散射模型；进一步通过模型模拟分析,突破地形和运动补偿等关键因素对雷达干涉数据应用的制约；发展森林摄影测量数据正向模拟模型,建立旋翼无人小飞机森林调查系统等.
其中,建立旋翼无人小飞机森林调查系统是该项目研究的一大亮点.因为区域森林生物量图需要林业调查实测数据加以验证.在过去很长一段时间内,采集林业数据需要深入研究区的采样点进行详细的单木测量,这种作业方式一方面效率较低,另一方面由于林下卫星定位信号较差,样点的坐标测量不准,造成实测数据与遥感数据的不匹配.在摄影测量数据处理已经较为完善,且无人小飞机系统也已成熟的背景下,倪文俭及其团队在他们获得的“百人计划”研究中将研发一套基于旋翼无人小飞机的森林调查系统.该系统可提高野外森林调查的工作效率；同时,通过小飞机图像与遥感图像的精确配准可降低由调查数据位置测量误差引起的反演误差.
“多年在外给我的感觉是,在积极跟踪国际前沿的同时,不应一味盲从,而应该注意利用我们自己的优势,敢于走自己的发展道路,努力由‘跟踪’向‘引领’转变.”面对未来,倪文俭踌躇满志.
从跟踪到超越固然不易,但转变的开始或许就是敢于迈出第一步.
森林论文范文结:
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