倪文儉：俯瞰森林 筑夢(mèng)遙感

汲曉奇

森林是地球的“綠肺”，是地球氣候的“調(diào)節(jié)閥”，在應(yīng)對(duì)氣候變化的今天發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。認(rèn)識(shí)地球系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，應(yīng)對(duì)全球氣候變化給人類(lèi)生存帶來(lái)的挑戰(zhàn)，這是無(wú)數(shù)從事與氣候領(lǐng)域相關(guān)研究的全球科學(xué)家的共同目標(biāo)。

為此，他們彼此協(xié)作，又獨(dú)立攻關(guān)。中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所倪文儉研究員埋首十余年，用測(cè)繪、遙感的手段，探析綠色森林，把脈人類(lèi)氣候。

挖掘攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的價(jià)值

“眾所周知，森林是孕育人類(lèi)的母親，它是氧氣制造廠，是粉塵過(guò)濾器，還是天然蓄水庫(kù)和天然空調(diào)……隨著全球氣候變化問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，森林生態(tài)系統(tǒng)所發(fā)揮的作用也越來(lái)越受到人們的重視?！蹦呶膬€對(duì)記者談到目前自己從事的工作。

他提到，一方面，準(zhǔn)確估算森林植被碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化是確定其在地球系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程中作用的基礎(chǔ)；另一方面，對(duì)于引起全球變化的人為因素，當(dāng)前國(guó)際社會(huì)采取的主要行動(dòng)之一是置換，即通過(guò)植樹(shù)造林增加碳匯，用增加的森林對(duì)二氧化碳的吸收能力置換二氧化碳的排放，森林植被碳儲(chǔ)量和固碳能力評(píng)價(jià)事關(guān)各國(guó)溫室氣體減排所承擔(dān)的責(zé)任，直接涉及到相關(guān)國(guó)家的政治和經(jīng)濟(jì)利益。

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

倪文儉說(shuō)：“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(cè)以及森林類(lèi)型的識(shí)別，而遙感幾何信息特別是垂直結(jié)構(gòu)信息的利用，是實(shí)現(xiàn)高精度區(qū)域森林植被碳儲(chǔ)量估算的關(guān)鍵?！?/p>

我國(guó)于2012年發(fā)射了資源三號(hào)（ZY-3）星載攝影測(cè)量系統(tǒng)，并且后續(xù)還有相關(guān)衛(wèi)星計(jì)劃。星載攝影測(cè)量數(shù)據(jù)可對(duì)森林的垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接測(cè)量，并且我國(guó)的攝影測(cè)量技術(shù)已走在國(guó)際前列?！拔业哪繕?biāo)就是以我國(guó)資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星的發(fā)射為契機(jī)，深入開(kāi)展基于攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的區(qū)域森林生物量制圖與碳儲(chǔ)量估算研究，基于我國(guó)自有的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，率先完成能經(jīng)受檢驗(yàn)的區(qū)域森林生物量圖，促進(jìn)我國(guó)地球系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程研究，并支持我國(guó)在碳排放有關(guān)的國(guó)際談判中掌握主動(dòng)權(quán)。”對(duì)于自己今后工作的目標(biāo)，如今回國(guó)已有1年的倪文儉早已經(jīng)有了清晰的藍(lán)圖。

“值得一提的是，ZY-3之外，我國(guó)后續(xù)還有很多衛(wèi)星計(jì)劃，包括將能實(shí)現(xiàn)‘雙星組網(wǎng)運(yùn)行的資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星02星；計(jì)劃于2020年前發(fā)射的分辨率達(dá)到亞米級(jí)的高分七號(hào)衛(wèi)星等。新的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)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(shuō)，我們應(yīng)深入開(kāi)展基于星載攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的區(qū)域森林植被碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)理論與方法研究。

目前主要的發(fā)達(dá)國(guó)家都在積極地探索建立統(tǒng)一的全球森林植被碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。而近十年來(lái)，星載高分辨率攝影測(cè)量系統(tǒng)不斷升空，包括美國(guó)的ASTER（1999年）、法國(guó)的SPOT5（2002年）和SPOT6（2012年）、日本的ALOS/PRISM（2006）、我國(guó)的資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星（2012年），數(shù)字相機(jī)技術(shù)的發(fā)展及攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，為利用星載攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行森林碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)研究提供了新的契機(jī)。

但遺憾的是，這一優(yōu)勢(shì)目前在國(guó)際國(guó)內(nèi)森林遙感領(lǐng)域里并沒(méi)有得到足夠的重視。倪文儉希望，有更多相關(guān)人士能夠意識(shí)到我們?cè)谛禽d攝影測(cè)量上的優(yōu)勢(shì)，也希望有更多的有志之士加入到我們的事業(yè)中來(lái)。匯聚點(diǎn)滴力量，共筑綠色夢(mèng)想。

三類(lèi)技術(shù)集大成者

2014年8月，倪文儉結(jié)束了在美國(guó)馬里蘭大學(xué)4年的研究工作，回到祖國(guó)。

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心主任、美國(guó)地理學(xué)會(huì)遙感專業(yè)委員會(huì)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)獲得者宮鵬教授在給他的入選“中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃”推薦書(shū)中寫(xiě)道：“在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)提取過(guò)程中，有三個(gè)主要類(lèi)型的技術(shù)——攝影測(cè)量、干涉雷達(dá)、激光雷達(dá)。世界上，很少有人把這三類(lèi)技術(shù)融會(huì)貫通?！薄八呶膬€）有明確的且符合學(xué)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(cè)量-激光雷達(dá)-干涉雷達(dá)技術(shù)融會(huì)貫通之后，成功應(yīng)用于森林測(cè)量的人?！?/p>

宮鵬在推薦書(shū)中還說(shuō)，“倪文儉取得了很大的學(xué)術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)研究人員到有自主研究方向，能夠獨(dú)擋一面的首席學(xué)者的轉(zhuǎn)變”。

“如果說(shuō)我在專業(yè)研究上取得了一些創(chuàng)新成果，那是因?yàn)橛行艺驹诹司奕说募绨蛏稀Ｎ乙恢睉c幸自己人生道路上遇到了許多杰出的前輩，包括我的導(dǎo)師美國(guó)馬里蘭大學(xué)的孫國(guó)清教授、美國(guó)宇航局戈達(dá)德飛行中心的Kenneth Jon Ranson教授、中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的郭華東院士、美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的施建成教授、曾就職于美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的宮鵬教授、中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院的李增元教授和東卡羅萊納大學(xué)的王勇教授等這樣一些在激光、雷達(dá)等領(lǐng)域領(lǐng)銜的研究學(xué)者。是他們讓我懂得了什么是潛心研究，不爭(zhēng)不搶功到自然成……”

對(duì)于自己的成績(jī)，倪文儉很自然地將功勞歸功于他的前輩，歸功于他的經(jīng)歷。

倪文儉本科期間學(xué)的是測(cè)繪工程專業(yè)，而到中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所后學(xué)習(xí)的是森林遙感，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間接觸，他發(fā)現(xiàn)自己竟然走到了學(xué)科交叉的點(diǎn)上。測(cè)繪更多關(guān)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(yīng)用，包括光譜反射率、雷達(dá)后向散射系數(shù)和干涉相干系數(shù)等。

“遙感輻射信息和幾何信息各有利弊，能不能將兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)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(cè)量是除激光雷達(dá)和雷達(dá)干涉外，對(duì)森林垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接測(cè)量的一種遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量不同觀測(cè)角度形成的視差，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地物高程的直接探測(cè)。但因?yàn)閭鹘y(tǒng)的攝影測(cè)量主要依靠的是航片，數(shù)據(jù)獲取成本較高，數(shù)據(jù)處理過(guò)程比較復(fù)雜，所以其在森林生物量提取方面的潛力并沒(méi)有得到重視。近幾年星載高分辨率攝影測(cè)量傳感器的升空、數(shù)字相機(jī)技術(shù)的發(fā)展及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)步，為攝影測(cè)量數(shù)據(jù)在森林結(jié)構(gòu)參數(shù)反演中的應(yīng)用提供了新的契機(jī)?！?/p>

能不能將三種數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)一起應(yīng)用于區(qū)域森林生物量制圖呢？“要進(jìn)行高精度的區(qū)域森林生物量制圖，必須依靠能夠?qū)ι执怪苯Y(jié)構(gòu)進(jìn)行直接測(cè)量的遙感數(shù)據(jù)。鑒于星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)只有點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)面覆蓋；而雷達(dá)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(jié)構(gòu)；攝影測(cè)量數(shù)據(jù)使用的是光學(xué)數(shù)據(jù)，在有葉的條件下，能夠獲取森林冠層頂部的高程；那么雷達(dá)干涉與攝影測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合即可獲取雷達(dá)穿透深度信息?！边@就是后來(lái)讓倪文儉的研究獲得重大突破的“聯(lián)合使用雷達(dá)干涉、攝影測(cè)量與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)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(shè)想的可行性得到了證實(shí)。

“江河流淌著數(shù)據(jù)，大地蘊(yùn)藏著信息?！痹谶@個(gè)充滿科技力量的現(xiàn)代社會(huì)里，他和他的小伙伴們利用手中掌握的遙感“利器”，將數(shù)字的魅力深入到綠色大森林的深處，傾聽(tīng)大自然的呼吸，感受綠色生命的意義——

2010年，倪文儉有機(jī)會(huì)跟隨導(dǎo)師孫國(guó)清教授到美國(guó)馬里蘭大學(xué)進(jìn)行深入研究。就是在那里，自己的研究思路與國(guó)際前沿思想和技術(shù)手段開(kāi)始碰撞。

早在倪文儉在中科院攻讀博士期間，他就已經(jīng)在研究上有所突破。他將matrix-doubling 方法引入到孫國(guó)清教授發(fā)展的三維森林雷達(dá)后向散射模型中，提高了模型對(duì)交叉極化的模擬能力；后來(lái)，用經(jīng)他改進(jìn)的三維森林雷達(dá)后向散射模型和森林生長(zhǎng)模型，建立了基于查找表方法的森林生物量反演技術(shù)體系。他清楚地認(rèn)識(shí)到“對(duì)森林垂直結(jié)構(gòu)的直接測(cè)量是破解高精度森林生物量估算這一國(guó)際難題的關(guān)鍵，因?yàn)樽罱暝谏稚锪糠囱莘矫嫒〉玫倪M(jìn)展，都源于利用遙感幾何信息對(duì)森林高度和垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接測(cè)量，包括激光雷達(dá)和極化干涉雷達(dá)”等。沿著這一思路，倪文儉做了4年的系統(tǒng)性研究：他對(duì)孫國(guó)清教授的三維森林雷達(dá)后向散射模型作了進(jìn)一步改進(jìn)，使其具備對(duì)干涉雷達(dá)數(shù)據(jù)的模擬能力，模型模擬結(jié)果表明，雷達(dá)穿透深度確實(shí)與森林生物量之間存在較好的相關(guān)性。

在研究中，倪文儉還發(fā)現(xiàn)，不同源的數(shù)字表面模型之間的位置并不是精確對(duì)準(zhǔn)的。為了解決這一問(wèn)題，他發(fā)展了高精度全自動(dòng)化不同源DSM數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)算法。在該算法的支持下，他使用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)ASTER GDEM中所包含的植被垂直結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，攝影測(cè)量數(shù)據(jù)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(cè)量數(shù)據(jù)融合方法，并發(fā)現(xiàn)多角度攝影測(cè)量數(shù)據(jù)獲取的點(diǎn)云在刻畫(huà)植被垂直結(jié)構(gòu)方面的互補(bǔ)性。他們進(jìn)一步對(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)做了深入分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在林下地形的支持下，多角度攝影測(cè)量數(shù)據(jù)可以很好地刻畫(huà)森林的空間結(jié)構(gòu)；而在落葉林區(qū)或混交林區(qū)，冬季獲取的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)可以較好地提取林下地形。

而在“百人計(jì)劃”項(xiàng)目中，倪文儉將對(duì)自己的研究做進(jìn)一步地延伸，包括繼續(xù)深入發(fā)展相干森林雷達(dá)后向散射模型；進(jìn)一步通過(guò)模型模擬分析，突破地形和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵因素對(duì)雷達(dá)干涉數(shù)據(jù)應(yīng)用的制約；發(fā)展森林?jǐn)z影測(cè)量數(shù)據(jù)正向模擬模型，建立旋翼無(wú)人小飛機(jī)森林調(diào)查系統(tǒng)等。

其中，建立旋翼無(wú)人小飛機(jī)森林調(diào)查系統(tǒng)是該項(xiàng)目研究的一大亮點(diǎn)。因?yàn)閰^(qū)域森林生物量圖需要林業(yè)調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，采集林業(yè)數(shù)據(jù)需要深入研究區(qū)的采樣點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的單木測(cè)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(hào)較差，樣點(diǎn)的坐標(biāo)測(cè)量不準(zhǔn)，造成實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)的不匹配。在攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理已經(jīng)較為完善，且無(wú)人小飛機(jī)系統(tǒng)也已成熟的背景下，倪文儉及其團(tuán)隊(duì)在他們獲得的“百人計(jì)劃”研究中將研發(fā)一套基于旋翼無(wú)人小飛機(jī)的森林調(diào)查系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提高野外森林調(diào)查的工作效率；同時(shí)，通過(guò)小飛機(jī)圖像與遙感圖像的精確配準(zhǔn)可降低由調(diào)查數(shù)據(jù)位置測(cè)量誤差引起的反演誤差。

“多年在外給我的感覺(jué)是，在積極跟蹤國(guó)際前沿的同時(shí)，不應(yīng)一味盲從，而應(yīng)該注意利用我們自己的優(yōu)勢(shì)，敢于走自己的發(fā)展道路，努力由‘跟蹤向‘引領(lǐng)轉(zhuǎn)變。”面對(duì)未來(lái)，倪文儉躊躇滿志。

從跟蹤到超越固然不易，但轉(zhuǎn)變的開(kāi)始或許就是敢于邁出第一步。