倪文儉：俯瞰森林 筑夢遙感

汲曉奇

森林是地球的“綠肺”，是地球氣候的“調節(jié)閥”，在應對氣候變化的今天發(fā)揮著越來越重要的作用。認識地球系統(tǒng)運行規(guī)律，應對全球氣候變化給人類生存帶來的挑戰(zhàn)，這是無數從事與氣候領域相關研究的全球科學家的共同目標。

為此，他們彼此協(xié)作，又獨立攻關。中國科學院遙感與數字地球研究所倪文儉研究員埋首十余年，用測繪、遙感的手段，探析綠色森林，把脈人類氣候。

挖掘攝影測量數據的價值

“眾所周知，森林是孕育人類的母親，它是氧氣制造廠，是粉塵過濾器，還是天然蓄水庫和天然空調……隨著全球氣候變化問題越來越嚴重，森林生態(tài)系統(tǒng)所發(fā)揮的作用也越來越受到人們的重視。”倪文儉對記者談到目前自己從事的工作。

他提到，一方面，準確估算森林植被碳儲量及其動態(tài)變化是確定其在地球系統(tǒng)碳循環(huán)過程中作用的基礎；另一方面，對于引起全球變化的人為因素，當前國際社會采取的主要行動之一是置換，即通過植樹造林增加碳匯，用增加的森林對二氧化碳的吸收能力置換二氧化碳的排放，森林植被碳儲量和固碳能力評價事關各國溫室氣體減排所承擔的責任，直接涉及到相關國家的政治和經濟利益。

為滿足地球系統(tǒng)碳循環(huán)過程研究和國際碳排放談判的需求，高精度自動化區(qū)域森林植被碳儲量及其變化監(jiān)測是目前國際森林遙感研究的熱點。

倪文儉說：“從遙感原理角度講，遙感輻射信息更適于土地覆蓋和土地利用變化監(jiān)測以及森林類型的識別，而遙感幾何信息特別是垂直結構信息的利用，是實現高精度區(qū)域森林植被碳儲量估算的關鍵。”

我國于2012年發(fā)射了資源三號（ZY-3）星載攝影測量系統(tǒng)，并且后續(xù)還有相關衛(wèi)星計劃。星載攝影測量數據可對森林的垂直結構進行直接測量，并且我國的攝影測量技術已走在國際前列?！拔业哪繕司褪且晕覈Y源三號測繪衛(wèi)星的發(fā)射為契機，深入開展基于攝影測量數據的區(qū)域森林生物量制圖與碳儲量估算研究，基于我國自有的衛(wèi)星數據，率先完成能經受檢驗的區(qū)域森林生物量圖，促進我國地球系統(tǒng)碳循環(huán)過程研究，并支持我國在碳排放有關的國際談判中掌握主動權?！睂τ谧约航窈蠊ぷ鞯哪繕?，如今回國已有1年的倪文儉早已經有了清晰的藍圖。

“值得一提的是，ZY-3之外，我國后續(xù)還有很多衛(wèi)星計劃，包括將能實現‘雙星組網運行的資源三號測繪衛(wèi)星02星；計劃于2020年前發(fā)射的分辨率達到亞米級的高分七號衛(wèi)星等。新的攝影測量數據將在區(qū)域，甚至全球尺度的森林生態(tài)研究上發(fā)揮巨大的作用?！彼治稣f，我們應深入開展基于星載攝影測量數據的區(qū)域森林植被碳儲量及其動態(tài)變化監(jiān)測的基礎理論與方法研究。

目前主要的發(fā)達國家都在積極地探索建立統(tǒng)一的全球森林植被碳儲量及其動態(tài)變化監(jiān)測技術體系。而近十年來，星載高分辨率攝影測量系統(tǒng)不斷升空，包括美國的ASTER（1999年）、法國的SPOT5（2002年）和SPOT6（2012年）、日本的ALOS/PRISM（2006）、我國的資源三號測繪衛(wèi)星（2012年），數字相機技術的發(fā)展及攝影測量數據處理技術的進步，為利用星載攝影測量數據進行森林碳儲量及其動態(tài)變化監(jiān)測研究提供了新的契機。

但遺憾的是，這一優(yōu)勢目前在國際國內森林遙感領域里并沒有得到足夠的重視。倪文儉希望，有更多相關人士能夠意識到我們在星載攝影測量上的優(yōu)勢，也希望有更多的有志之士加入到我們的事業(yè)中來。匯聚點滴力量，共筑綠色夢想。

三類技術集大成者

2014年8月，倪文儉結束了在美國馬里蘭大學4年的研究工作，回到祖國。

清華大學地球系統(tǒng)科學研究中心主任、美國地理學會遙感專業(yè)委員會杰出貢獻獎獲得者宮鵬教授在給他的入選“中國科學院百人計劃”推薦書中寫道：“在森林結構參數提取過程中，有三個主要類型的技術——攝影測量、干涉雷達、激光雷達。世界上，很少有人把這三類技術融會貫通?！薄八呶膬€）有明確的且符合學科前沿的發(fā)展方向。所取得的系列成果表明他是把攝影測量-激光雷達-干涉雷達技術融會貫通之后，成功應用于森林測量的人。”

宮鵬在推薦書中還說，“倪文儉取得了很大的學術進步，實現了從實驗研究人員到有自主研究方向，能夠獨擋一面的首席學者的轉變”。

“如果說我在專業(yè)研究上取得了一些創(chuàng)新成果，那是因為有幸站在了巨人的肩膀上。我一直慶幸自己人生道路上遇到了許多杰出的前輩，包括我的導師美國馬里蘭大學的孫國清教授、美國宇航局戈達德飛行中心的Kenneth Jon Ranson教授、中國科學院遙感與數字地球研究所的郭華東院士、美國加州大學圣巴巴拉分校的施建成教授、曾就職于美國加州大學伯克利分校的宮鵬教授、中國林業(yè)科學研究院的李增元教授和東卡羅萊納大學的王勇教授等這樣一些在激光、雷達等領域領銜的研究學者。是他們讓我懂得了什么是潛心研究，不爭不搶功到自然成……”

對于自己的成績，倪文儉很自然地將功勞歸功于他的前輩，歸功于他的經歷。

倪文儉本科期間學的是測繪工程專業(yè)，而到中國科學院遙感應用研究所后學習的是森林遙感，經過一段時間接觸，他發(fā)現自己竟然走到了學科交叉的點上。測繪更多關注的是遙感的幾何信息；而森林遙感研究更多的是遙感輻射信息的應用，包括光譜反射率、雷達后向散射系數和干涉相干系數等。

“遙感輻射信息和幾何信息各有利弊，能不能將兩者結合起來，揚長避短呢？”倪文儉在專業(yè)的交叉中找到了一條合適的發(fā)展道路。

“攝影測量是除激光雷達和雷達干涉外，對森林垂直結構進行直接測量的一種遙感數據，通過測量不同觀測角度形成的視差，可實現對地物高程的直接探測。但因為傳統(tǒng)的攝影測量主要依靠的是航片，數據獲取成本較高，數據處理過程比較復雜，所以其在森林生物量提取方面的潛力并沒有得到重視。近幾年星載高分辨率攝影測量傳感器的升空、數字相機技術的發(fā)展及數據處理技術的進步，為攝影測量數據在森林結構參數反演中的應用提供了新的契機。”

能不能將三種數據結合起來一起應用于區(qū)域森林生物量制圖呢？“要進行高精度的區(qū)域森林生物量制圖，必須依靠能夠對森林垂直結構進行直接測量的遙感數據。鑒于星載激光雷達數據只有點采樣數據，無法實現面覆蓋；而雷達干涉獲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結構；攝影測量數據使用的是光學數據，在有葉的條件下，能夠獲取森林冠層頂部的高程；那么雷達干涉與攝影測量數據結合即可獲取雷達穿透深度信息。”這就是后來讓倪文儉的研究獲得重大突破的“聯合使用雷達干涉、攝影測量與激光雷達數據的區(qū)域森林生物量制圖”這一創(chuàng)新融合思路。在隨后的研究中，這種設想的可行性得到了證實。

“江河流淌著數據，大地蘊藏著信息?！痹谶@個充滿科技力量的現代社會里，他和他的小伙伴們利用手中掌握的遙感“利器”，將數字的魅力深入到綠色大森林的深處，傾聽大自然的呼吸，感受綠色生命的意義——

2010年，倪文儉有機會跟隨導師孫國清教授到美國馬里蘭大學進行深入研究。就是在那里，自己的研究思路與國際前沿思想和技術手段開始碰撞。

早在倪文儉在中科院攻讀博士期間，他就已經在研究上有所突破。他將matrix-doubling 方法引入到孫國清教授發(fā)展的三維森林雷達后向散射模型中，提高了模型對交叉極化的模擬能力；后來，用經他改進的三維森林雷達后向散射模型和森林生長模型，建立了基于查找表方法的森林生物量反演技術體系。他清楚地認識到“對森林垂直結構的直接測量是破解高精度森林生物量估算這一國際難題的關鍵，因為最近十年在森林生物量反演方面取得的進展，都源于利用遙感幾何信息對森林高度和垂直結構進行直接測量，包括激光雷達和極化干涉雷達”等。沿著這一思路，倪文儉做了4年的系統(tǒng)性研究：他對孫國清教授的三維森林雷達后向散射模型作了進一步改進，使其具備對干涉雷達數據的模擬能力，模型模擬結果表明，雷達穿透深度確實與森林生物量之間存在較好的相關性。

在研究中，倪文儉還發(fā)現，不同源的數字表面模型之間的位置并不是精確對準的。為了解決這一問題，他發(fā)展了高精度全自動化不同源DSM數據的配準算法。在該算法的支持下，他使用激光雷達數據對ASTER GDEM中所包含的植被垂直結構信息進行了分析，結果表明，攝影測量數據的確能提供森林頂層高度信息。

更為令人振奮的是，倪文儉和他的同事一起建立了多角度攝影測量數據融合方法，并發(fā)現多角度攝影測量數據獲取的點云在刻畫植被垂直結構方面的互補性。他們進一步對ALOS/PRISM和ZY-3等具有較高分辨率和區(qū)域覆蓋能力的星載攝影測量數據做了深入分析。結果發(fā)現，在林下地形的支持下，多角度攝影測量數據可以很好地刻畫森林的空間結構；而在落葉林區(qū)或混交林區(qū)，冬季獲取的攝影測量數據可以較好地提取林下地形。

而在“百人計劃”項目中，倪文儉將對自己的研究做進一步地延伸，包括繼續(xù)深入發(fā)展相干森林雷達后向散射模型；進一步通過模型模擬分析，突破地形和運動補償等關鍵因素對雷達干涉數據應用的制約；發(fā)展森林攝影測量數據正向模擬模型，建立旋翼無人小飛機森林調查系統(tǒng)等。

其中，建立旋翼無人小飛機森林調查系統(tǒng)是該項目研究的一大亮點。因為區(qū)域森林生物量圖需要林業(yè)調查實測數據加以驗證。在過去很長一段時間內，采集林業(yè)數據需要深入研究區(qū)的采樣點進行詳細的單木測量，這種作業(yè)方式一方面效率較低，另一方面由于林下衛(wèi)星定位信號較差，樣點的坐標測量不準，造成實測數據與遙感數據的不匹配。在攝影測量數據處理已經較為完善，且無人小飛機系統(tǒng)也已成熟的背景下，倪文儉及其團隊在他們獲得的“百人計劃”研究中將研發(fā)一套基于旋翼無人小飛機的森林調查系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提高野外森林調查的工作效率；同時，通過小飛機圖像與遙感圖像的精確配準可降低由調查數據位置測量誤差引起的反演誤差。

“多年在外給我的感覺是，在積極跟蹤國際前沿的同時，不應一味盲從，而應該注意利用我們自己的優(yōu)勢，敢于走自己的發(fā)展道路，努力由‘跟蹤向‘引領轉變?！泵鎸ξ磥?，倪文儉躊躇滿志。

從跟蹤到超越固然不易，但轉變的開始或許就是敢于邁出第一步。