近日，中國科學院空天信息創新研究院遙感科學國家重點實驗室研究員倪文儉帶領的森林遙感團隊，在利用單光子激光雷達進行森林透視探測方面取得重要進展。
 

　　星載單光子激光雷達作為繼大光斑波形之后的新一代衛星激光測高技術，具備低能耗、高靈敏度的特點，使得雷達系統具有更長的壽命和更遠的探測距離。美國宇航局發射的第二代冰雪衛星(ICESat-2)，利用單光子激光測距技術，在測冰方面展現出優勢，但在森林透視探測方面面臨著一系列問題。例如，在芬蘭、瑞典等北方林區，由于樹木之間存在明顯的縫隙，單光子激光雷達能夠捕捉到冠頂和地面，較好地進行林下地形和森林高度的透視探測。然而，在濃密林區，由于冠層的遮擋，到達地面并被反射的光子數量與背景噪音光子的數量相當，對正確識別面光子帶來挑戰，導致山地林區森林高度透視測量結果存在嚴重錯誤。因此，如何準確識別林下地面光子是國際前沿難題。
 

　　不同于以往“全盤推翻，另起爐灶”的研究思路，該團隊以“循序漸進、優化迭代”為核心思路，提出了“地面光子優化算法”(OPIC算法)，以現有產品為基礎，創建錯分點云的優化規則。
 

　　以ICESat-2衛星官方發布的數據產品(ATL08)為基礎，研究利用光子點云空間分布特征，從“錯誤地面點剔除”“噪音光子中召回”“冠層光子中召回”三個角度入手，創建點云優化規則，并在廣西的高峰林場(亞熱帶)、印度尼西亞的加里曼丹(熱帶)、愛沙尼亞的帕努馬(溫帶)和美屬波多黎各(熱帶)等四個代表性區域進行驗證。結果表明：在給定森林高度提取精度要求的情況下， OPIC算法能顯著提高數據利用效率；在給定有效數據的情況下，OPIC算法能顯著提高森林高度的測量精度。
 

　　在高、中、低冠層覆蓋度與高、低地形坡度組合的不同場景下，OPIC算法提供的有效數據明顯多于ATL08產品。在最具挑戰性的高冠層覆蓋場景(HL、HH)中，OPIC算法的優化效果尤為明顯。例如，在以亞熱帶人工林為主的高峰林場，經OPIC算法優化后的數據有效利用率從2.2%(15段)提升到41%(278段)；以高森林覆蓋度為特色的加里曼丹熱帶天然林，ATL08產品的數據有效利用率只有2.4%(29段)，經過OPIC算法優化后可增加到85.4%(1043段)；在帕努馬研究區，OPIC可將數據有效利用率從29.7%提升至85.2%；在波多黎各熱帶林區，可將數據有效利用率從12.4%提升至42.8%。
 

　　此外，在加里曼丹研究區，OPIC算法提高數據有效利用率，并可以提高森林高度的提取精度。ATL08森林高度產品的相對均方根誤差為25.74%，經過OPIC算法優化后可下降到18.84%。
 

　　相關研究成果發表在《環境遙感》(Remote Sensing of Environment)上。
 

　　不同的冠層覆蓋和坡度場景下地面光子優化算法(OPIC)與ATL08產品提供的冠層高度有效數據段數的對比。低覆蓋(L)、中覆蓋(M)、高覆蓋(H)；低坡度(L)、高坡度(H)。
 

　　森林高度估測精度。左圖：ICESat-2官方產品精度；右圖：OPIC算法優化后的估測精度。