近年來(lái)，我校地理科學(xué)學(xué)院孫仲秋教授、盧珊教授團(tuán)隊(duì)在多角度偏振光遙感定量分析植物生化特征參數(shù)方面展開(kāi)了深入研究，系統(tǒng)性解析了遙感探測(cè)中多角度效應(yīng)對(duì)植被生化特征參數(shù)的影響機(jī)制，為植被遙感領(lǐng)域的研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和方法支持，取得了一系列重要研究成果。
植被是地表資源的重要組成部分，其功能差異性反映了全球氣候變化、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能以及原位植物生理過(guò)程的關(guān)鍵指標(biāo)。獲取、分析和評(píng)估植被生化參數(shù)成為地表氣候與生態(tài)變化研究的核心問(wèn)題之一。光學(xué)遙感技術(shù)通過(guò)植被反射的太陽(yáng)輻射信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片和冠層尺度生化參數(shù)的無(wú)損、連續(xù)和大范圍估算與反演，在研究植被對(duì)氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，受傳感器自身視場(chǎng)角的影響，即使在垂直方向探測(cè)，遙感影像的部分像元值也會(huì)反映植被冠層不同探測(cè)角度的反射強(qiáng)度信息，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多角度探測(cè)效應(yīng)。特別是當(dāng)傳感器的空間分辨率達(dá)到厘米級(jí)別甚至更高時(shí)，由于植物葉片隨機(jī)分布的角度以及太陽(yáng)入射角的變化，葉片表面的多角度強(qiáng)度反射信息會(huì)直接占據(jù)大部分像元。因此，多角度反射觀(guān)測(cè)效應(yīng)是客觀(guān)存在的，但其對(duì)植被生化特征參數(shù)估算和反演過(guò)程的影響機(jī)制尚不明確。
圖1. 植被的多角度遙感探測(cè)示意圖
在植被多角度反射探測(cè)中，鏡面反射是影響生化參數(shù)估算與反演的主要因素，也是產(chǎn)生偏振信息的根源。探究鏡面反射效應(yīng)對(duì)植被生化特征參數(shù)估算和反演的影響程度，以及如何緩解這一影響，逐漸成為高光譜植被遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。孫仲秋教授和盧珊教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)廣泛的植物物種葉片多角度反射測(cè)量光譜，評(píng)估了經(jīng)典輻射傳輸模型PROSPECT反演生化參數(shù)的性能，發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)反射光譜進(jìn)行導(dǎo)數(shù)、小波等變換可以有效緩解鏡面反射效應(yīng)，顯著提高模型反演生化參數(shù)的精度（TGRS, 2024）。此外，團(tuán)隊(duì)提出了PROSPECULAR模型，成功實(shí)現(xiàn)了多角度反射光譜的模擬和葉片生化參數(shù)的反演，有效反演了葉片表面的粗糙度參數(shù)，為葉片特征參數(shù)與光譜反射響應(yīng)之間的相互作用提供了新的認(rèn)識(shí)（RSE, 2023）。通過(guò)挖掘植物反射的各向異性特征，開(kāi)創(chuàng)了利用各向異性植被指數(shù)估算葉片葉綠素含量的新策略，極大地簡(jiǎn)化了測(cè)量過(guò)程（TGRS, 2023）。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了觀(guān)測(cè)角度對(duì)生化參數(shù)估算精度的影響，并研發(fā)了角度抗性光譜指數(shù)及相應(yīng)的通用波長(zhǎng)選擇方法，能夠從多角度測(cè)量數(shù)據(jù)中快速、穩(wěn)健地估算葉片的生化含量，并在高空間分辨率的高光譜影像上準(zhǔn)確地繪制生化含量分布圖，為植物生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)和評(píng)估提供了全新的途徑（AFM, 2024）。
圖2. 不同PROSPECT模型反演生化參數(shù)的精度在2π空間內(nèi)的分布圖
圖3. PROSPECULAR模型和PROSPECT系列模型的光譜模擬和生化參數(shù)反演原理示意圖
圖4. Schefflera arboricola物種的高空間分辨率高光譜影像以及利用角度抗性光譜指數(shù)估算的葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量分布圖
上述研究結(jié)果利用的是植被的多角度反射強(qiáng)度信息，團(tuán)隊(duì)還探索了多角度偏振遙感在植被生化參數(shù)估算研究中的重要作用。偏振反射部分與葉片表面產(chǎn)生的鏡面反射直接相關(guān)，可用于解釋鏡面反射；而非偏振反射部分則直接反映葉片內(nèi)部的反射信息，有助于提升生化參數(shù)估算與反演的準(zhǔn)確性。團(tuán)隊(duì)定量分析了偏振信息對(duì)植被生理特征參數(shù)估算的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)基于非偏振反射可有效提升葉片生化參數(shù)的估算精度，特別是在角度響應(yīng)明顯的前向散射方向上（TGRS, 2022）。這突出了多角度偏振遙感在植被生化特征參數(shù)監(jiān)測(cè)方面的潛力，并為推動(dòng)機(jī)載或星載偏振探測(cè)器的研究提供了可靠的理論支持，從而準(zhǔn)確解釋與植被相關(guān)的區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)與全球氣候變化問(wèn)題。
圖5. 剝離偏振反射信息獲取非偏振反射信息以估算植被生化特征參數(shù)示意圖
近三年來(lái)，團(tuán)隊(duì)先后在《Remote Sensing of Environment》、《Agricultural Forest and Meteorology》和《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》等遙感領(lǐng)域國(guó)際知名期刊上發(fā)表系列有代表性的文章。相關(guān)研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高?；A(chǔ)研究基金和中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目的支持。
相關(guān)論文清單：
1. Li X., Sun Zhongqiu *, Lu S.*, Omasa K. PROSPECULAR: A model for simulating multi-angular spectral properties of leaves by coupling PROSPECT with a specular function. Remote Sensing of Environment, 2023,297,113754.
2. Ran D.,Sun Zhongqiu *,Lu S.*,Omasa K. Optimizing angular resistant spectral indices to estimate leaf biochemical parameters from multi-angular spectral reflection. Agricultural and Forest Meteorology, 2024, 348,109916.
3. Yao C.,Sun Zhongqiu *,Lu S.*. Evaluation of Prospect Inversion Approaches Using Multiangular Spectral Reflectance Factor of Leaves. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 2024, 62, 4402716.
4. Sun Zhongqiu, Lu S.*, Omasa K. A New Method to Estimate the Leaf Chlorophyll Content From Multiangular Measurements: Anisotropy Index. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 2023, 61, 4401914:1-14.
5. Yao C., Sun Zhongqiu*, Lu S*. Reducing BRDF Effects on the Estimation of Leaf Biochemical Parameters Using the Nonpolarized Reflectance Factor in the Hemispheric Space. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2022,60,4410717: 1-17.
