2023年，由中国科学院空天信息创新研究院（空天院）承研的国家重点研发计划“典型脆弱生态系统保护与修复”重点专项首批青年科学家项目“塔基生态遥感观测的多载荷长光程大气校正技术研究” “木本和草本鲜活植物地上生物量无损观测技术与设备”取得一系列突出成果。
——“塔基生态遥感观测的多载荷长光程大气校正技术研究”项目在大倾角长光程大气调制传递函数建模和塔基观测等效辐射传输路径建模方面取得成果。
项目组综合考虑气溶胶衰减、多次散射、散射环境光的影响，构建气溶胶调制传递函数（MTF）模型，完整描述天光背景下图像经过大气传输时气溶胶对图像空间频谱分量的影响。通过多模型对比检验气溶胶MTF的可靠性，并研究气溶胶MTF具有明显的光谱特性。
分析了大气湍流引起的光强起伏（闪烁）、相位起伏（波前倾斜）、到达角起伏（抖动）导致图像细节的模糊、扭曲和变形，相对于气溶胶的影响随时间相对稳定，湍流的影响具有较显著的时间变化动态特征；同时分析了湍流MTF在长曝光和短曝光情况下受湍流强度、成像系统孔径的不同影响，并也分析了湍流MTF具有较明显的光谱特征。成果已被SCI期刊《Physica Scripta》和中文核心期刊《大气与环境光学学报》录用。
图1 实际场景仿真：(左)原场景图；(中)气溶胶衰减和多次散射影响的场景图；(右)气溶胶散射环境光影响的场景图
图2 实际成像场景：(左) 傍晚弱湍流影响；(右) 中午强湍流影响
另一方面，针对塔基多模式观测的复杂性，提出“等效辐射传输路径”思路，简化了大气辐射传输计算。对于半球观测模式，观测的辐亮度信号来自360°观测方位角和90°观测天顶角范围。不同方向的辐亮度信号传输经过不同的辐射传输路径，对应不同的大气透过率。在实际观测中，地表反射往往存在各向异性。项目组模拟计算等效辐射传输路径长度与塔基平台高度的相关关系，结果表明，地表方向性反射特性对等效辐射传输路径长度模拟具有影响，是塔基高光谱观测大气校正的重要不确定性来源。
图3 塔基半球观测模式辐射传输路径示意图（左）；地表方向性反射特性对等效辐射传输路径长度的影响（右）
——“木本和草本鲜活植物地上生物量无损观测技术与设备”项目在基于激光雷达的草地和森林高度监测、基于增强现实的单木胸径和高度实时测量方法等方面取得重要成果。
项目发展了基于扫描角度的草地冠层高度校正方法，通过补偿激光雷达在高度估算中的信息损失，实现区域尺度草地冠层高度的精准监测。通过高度校正模型补偿高度损失后的草地冠层高度估算精度得到了显著改善，表明利用LiDAR技术提高草地冠层高度监测精度需要在数据处理中考虑扫描角度的影响。成果已发表在期刊《Frontiers in Plant Science》。
图4 无人机LiDAR数据估算草地高度随扫描角度变化（左）；LiDAR数据估算草地高度校正前（中）与校正后验证结果（右）
快速准确获取树木结构参数是建立生物量模型和评价树木碳储量的重要基础。项目组提出一项创新性的基于增强现实的单木胸径和高度实时测量方法，开发测量树木胸径和高度手机软件ARTreeWatch，利用手机上摄像头和惯性测量单元（IMU）采集点云数据，并在屏幕上增强现实虚拟的尺子测量胸径和树高。成果发表在生态学和信息学跨学科交叉期刊《Ecological Informatics》。
图5 ARTreeWatch与胸径尺测量胸径结果对比
图6 ARTreeWatch与全站仪测量树高结果对比
准确估算森林地形和冠层高度对于及时了解森林生长状况，获取精确的生物量参数至关重要。项目组开展高分7号(GF-7)卫星激光雷达和立体影像在森林地形和高度测量中的潜力评估。利用机载激光扫描数据生成参考地形和森林垂直信息，在云南省普洱市开展验证试验，取得较高的精度。成果发表在期刊《Geo-spatial Information Science》。
图7 立体影像与机载激光雷达数据检测森林高度的对比结果：(a)样地尺度，(b)小班尺度
“塔基生态遥感观测的多载荷长光程大气校正技术研究”项目针对塔基多模式、长光程、高光谱生态遥感观测大气校正技术缺乏的问题，将突破塔基多模式观测的等效辐射传输路径建模、高光谱大气透过率精确计算及大倾角长光程图像损失恢复关键技术，研发塔基生态遥感观测的大气校正算法与模型，提高塔基生态遥感观测精度，进而提升生态系统关键参数的监测水平。项目负责人为空天院数字地球院重点实验室副研究员刘新杰。
“木本和草本鲜活植物地上生物量无损观测技术与设备”项目面向森林和草地生态系统地上生物量无损观测需求，创新提出“密度×体积”的植物地上生物量无损观测技术体系，结合微波+多光谱、地面+近地面多源遥感观测，研究森林和草地鲜活植物地上生物量无损观测技术与设备，支撑森林和草地碳储量精准观测和林草行业高质量发展。项目负责人为空天院遥感科学国家重点实验室副研究员赵旦。
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