森林是陆地生态系统最大的碳库，其三维结构信息是森林资源调查、森林生物量估算、生态系统监测和全球碳循环研究的重要基础。其中，森林高度和林下地形是描述森林三维结构的两项关键参数。然而，在热带雨林等植被高大、冠层致密地区，雷达信号受复杂体散射和有限穿透能力影响，难以准确恢复林下地形和进一步获取森林真实高度，这一直是国际森林遥感领域的重要研究方向。
    由我国自主研制的宏图一号四星车轮编队SAR在国际上首次采用车轮式多星构型，通过单发多收双站干涉观测模式，可在一次飞行过程中同步获取多组不同空间基线的干涉数据，主要的应用场景为高精度地形测绘。但是，在复杂茂密植被区域测量得到的地形受到森林散射作用而显著抬升，得到实际等效于森林散射中心的数字表面高程，而并非林下地形的高程。同时，该车轮编队独有的多基线双站干涉数据为复杂森林三维结构探测提供了新的观测能力。如何充分发挥多基线同步观测优势，实现复杂森林三维结构参数高精度反演，是我国车轮编队SAR森林遥感应用面临的重要科学与技术问题。
    近日，中国科学院国家空间科学中心微波遥感技术重点实验室雷洋研究员团队联合北京航空航天大学、航天宏图信息技术股份有限公司及巴西Canopy Remote Sensing Solutions公司，在宏图一号四星车轮编队SAR复杂森林遥感应用方面取得重要进展。研究团队以巴西亚马逊Tapajós国家森林为研究对象，充分利用宏图一号多基线双站干涉观测优势，建立了森林林下地形与森林高度联合反演方法，实现了复杂热带森林林下地形和森林高度同步获取，并系统分析了不同干涉基线配置对森林参数反演性能的影响，为我国多基线干涉SAR森林遥感应用提供了新的技术途径。
    巴西亚马逊热带雨林是全球面积最大的热带森林，也是全球碳循环研究的重要区域。由于森林冠层高大、植被结构复杂，X波段雷达信号难以穿透至林下地面，长期以来一直是检验星载干涉SAR森林探测能力的重要典型场景。
    研究团队针对复杂森林散射特性，充分利用宏图一号四星编队同步获取的多基线观测数据，建立森林干涉相位统计模型，并结合GEDI、ICESat-2等星载激光雷达观测信息，实现了林下地形稳健恢复，在此基础上进一步结合森林散射模型完成森林高度反演。同时，研究系统分析了不同空间基线对森林参数反演性能的影响规律，为我国车轮编队SAR森林观测模式设计及数据应用提供了重要参考。研究结果表明，利用宏图一号四星编队SAR获取的多基线双站干涉数据，能够有效获取巴西亚马逊复杂热带森林的林下地形和森林高度信息。与GEDI、ICESat-2星载激光雷达及机载激光雷达数据对比验证表明，反演结果具有良好一致性（林下地形绝对误差精度3.6米，误差降低约70%，森林高度相对误差精度20%），展示了我国车轮编队SAR在复杂森林三维结构探测中的应用能力。
    该研究将宏图一号四星编队SAR从传统地形测绘领域进一步拓展，丰富了其在森林遥感领域的应用，为我国新型编队SAR系统服务森林资源监测、生态环境保护和全球变化研究提供了新的技术支撑。

图1 X波段四星车轮编队双站干涉雷达宏图1号示意图

图2 哥白尼数字高程地形标准产品（左）与宏图1号反演得到的亚马逊雨林林下地形产品（右）。右图中去除了左图中森林区域的地形高程不连续和偏差。

图3 哥白尼数字高程地形标准产品（左）、宏图1号反演得到的亚马逊雨林林下地形产品（右）分别与机载激光雷达林下地形产品对比精度验证。右图中去除了左图中森林区域的地形高程偏差，并大幅度降低了测量误差。

图4 宏图1号反演得到的亚马逊雨林森林高度产品（左）以及亚马逊森林2015-2023期间森林砍伐、退化引起的高度变化（右）。

图5 宏图1号反演得到的亚马逊雨林森林高度产品与星载激光雷达森林高度对比精度验证。

    上述研究成果以“Baseline-Dependent Retrieval of Underlying Terrain and Forest Height From Hongtu-1 Bistatic X-Band InSAR”为题发表于国际学术期刊IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing（IEEE JSTARS）。第一作者为北京航空航天大学研究生景罡，通讯作者为雷洋研究员和北京航空航天大学电子信息工程学院高飞教授。研究获得国家重点研发计划的支持。

来源：国家空间科学中心