DOI：10．3969/j．issn．2096-6830．2024．09．01
(1．生态环境部 卫星环境应用中心，北京 100094；2．中国科学院 空天信息创新研究院，北京 100094)
摘要：空基遥感(高塔平台或高处建筑物搭载多种监测仪器)具有时空分辨率高、不受天气状况影响的优势，可作为连接地面观测网络与卫星遥感影像的“桥梁”，解决二者时间、空间不匹配的问题。本研究探讨了空基高光谱遥感在植被监测方面的可行性和优势，并以通辽空基遥感观测站监测结果为基础，给出空基遥感基本植被参数反演结果实例，说明空基遥感在植被监测方面的可行性，并对空基遥感的方向和挑战进行了分析。空基遥感在小范围精细化动态监测和植被异常快速发现方面具有优势，但是由于固定站点观测的观测距离有限，空基站点选择方面需要根据观测目的和研究区域情况综合考虑。同时，通过空基高时空分辨率和卫星的全区域监测相结合，可实现优势互补，有效弥补当前单一卫星遥感监测时效性不足、精度不够等短板。
关键词：生态系统；空基遥感；高光谱遥感；植被监测
中图分类号：X83；TP751
文献标识码：A
文章编号：2096-6830(2024)09-0001-07
Overview of vegetation monitoring using aerial platforms remote sensing．GAO Ji-xi1，SHEN Wen-ming1，ZHANG Yu-huan1*，LI Jing2，DONG Ya-dong2，XIAO Tong1，SHI Yuan-li1，SHEN Zhen1，CHEN Xu-hui1
(1．Satellite Application Center for Ecology and Environment，Ministry of Ecology and Environment of the People's Republic of China，Beijing 100094，China；2．Aerospace Information Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China)． Environmental Ecology， 2024，6(9)，1～7．
Abstract：Aerial platforms remote sensing (high tower platforms or high buildings equipped with a variety of monitoring instruments) has the advantages of high spatial and temporal resolution and is not affected by weather conditions，it can be used as a “bridge” connecting ground observation network and satellite remote sensing image to solve the problem of time and space mismatch between them．This study discussed the feasibility and advantages of aerial platforms remote sensing in vegetation monitoring，the examples of tower-based remote sensing monitoring are given based on the data of Tongliao observation station，the feasibility of aerial platforms remote sensing in vegetation monitoring was explained，and the direction and challenge of existing aerial platforms remote sensing were analyzed．Aerial platforms remote sensing has advantages in fine-grained dynamic monitoring and rapid detection of vegetation anomalies in small-range．However，due to its limited observation distance in a fixed station，the site selection needs to consider comprehensively according to the observation targets and research areas．However，Multi-platform data can be combined with each other，and aerial platforms remote sensing high spatial-temporal resolution combined with large-area monitoring of satellites can complement each other's advantages，and effectively make up for the shortcomings of current satellite monitoring such as insufficient timeliness and insufficient precision．
Key words：Ecosystem；aerial platforms remote sensing；hyperspectral remote sensing；vegetation monitoring
收稿日期：2024-02-28
基金项目：国家重点研发计划(2022YFF1300203)资助。
作者简介：高吉喜(1964-)，男，内蒙古呼和浩特人，博士，研究员，研究领域为自然生态、污染生态、城市生态、生物多样性保护、GIS、RS、区域可持续发展等。
通讯作者：张玉环，E-mail：yuhuan＿rs@163．com。
近年来，随着遥感技术的快速发展，生态环境部门不断加强卫星遥感技术的应用力度。为满足新时代生态文明建设和生态环境保护需求，完善和发展生态环境遥感监测技术，提升重要生态空间“高精度、全方位、短周期”的遥感监测能力，各种遥感监测手段逐步发展。空基遥感是指以具有一定高度(通常为20～100 m)的通信塔、电力塔、路灯主杆为基础平台，利用在平台上布设的相机或其他传感器进行近地面遥感观测[1，2］。在空基平台上搭载高光谱或者多光谱相机，兼具航空遥感高的空间分辨率和卫星遥感自动监测的能力。相比传统的遥感手段，具有时空分辨率高、不受天气状况影响的优势，可作为连接地面观测网络与卫星图像的“桥梁”，解决二者时间、空间不匹配的问题，在跨时空尺度的实验方面起到了重要作用[3-5］。
人类自1972年发射第一颗对地观测卫星起，就开始研究并建立光谱响应与植被覆盖之间的近似关系，从而实现对地表植被状况的简单、有效和经验的度量[6-8］。卫星遥感具备大范围观测植被的能力[9-11］，在全球物质与能量循环过程、调节全球碳平衡、减缓大气中温室气体浓度上升以及维护全球气候稳定等方面可发挥重要作用[12，13］。但是受限于卫星观测的时空分辨率[14，15］，卫星遥感在小范围高时空分辨率精细化监测方面存在不足。物候相机可在观测范围内对植被群落物候进行监测，具有面向小尺度观测、过程自动化的特点，已经成为弥补人工观测与遥感分析不足的有力手段[16］。但是目前物候相机仅限于获取相机小视野范围的植被物候信息[17，18］，由于相机本身无法进行精确定量的特性，使得物候相机在植被定量遥感方面应用有限[19，20］。空基遥感正好可作为传统观测的一个有效弥补方式。有研究者在塔基平台上，采用高分辨率、高灵敏度、高信噪比的光谱仪为主要传感器，观测植被的冠层下行辐照度和上行辐亮度，并实时计算植被日光诱导叶绿素荧光(Solar-Induced Fluorescence，SIF)及反射率，构建全天候塔基SIF观测系统，进一步研究陆表植被对气候变化响应[21，22］。国内外学者建立了系列塔基平台的光谱自动观测系统[5，23，24］，并架设在通量站平台上开展了多种植被类型的冠层光谱长期连续观测[25］，用于研究光谱信号与通量数据间的联系，相关研究也证实了塔基平台遥感可以有效提高野外观测时空分辨率[26-28］，并为卫星遥感的地面真实性验证提供数据[29，30］。在气象领域，空基作为一种重要的手段，根据搭载的仪器(气象站、气象雷达、大气采样仪器等)的不同，在大气成分获取、气象参数获取以及云、气溶胶、天气系统方面发挥了重大作用[31-33］。在城市用地管理、自然资源保护方面，塔基平台所搭载的监控相机可以有效提升国土空间规划、基本农田保护等执法监管效率[34］。 草原是中国最大的陆地生态系统和重要的自然资源，在促进经济发展和实现农牧民增收等方面发挥着重要作用[35］。内蒙古草原是我国温带草原分布面积最大的区域，不仅是我国传统的畜牧业基地，同时也是我国北方地区重要的绿色生态屏障[36］。长期的人类活动干扰以及气候变化导致了内蒙古草原的严重退化[37］，因此本研究中空基遥感试验站点选择在了内蒙古通辽市。站点周边地形平坦，可视范围良好，植被类型丰富，空基遥感相机可视范围内有林地、草地、农田等植被，可以多方位测试空基遥感监测的有效性。
本研究通过空基遥感监测的固有特点，探讨了空基遥感在植被监测方面的可行性和优势，通过与其他遥感手段对比，对现有空基遥感的方向和挑战进行了分析，给出了空基遥感植被参数反演的实例。证明了空基高光谱相机具备高时空分辨率植被参数的区域监测能力，通过空基遥感监测得到可靠的植被参数结果，并对空基遥感未来发展中的难点进行了分析。
1 空基遥感生态系统监测创新与特点
空基遥感常由高塔平台或高处建筑物搭载多种监测载荷组成，可以根据区域生态系统类型(森林、草地、湿地、荒漠等)与人类干扰活动监管重点(矿产开发、树木采伐、车辆进入等)定制部署，一般包括超远距离红外监视系统、高清透雾相机、高光谱成像相机、激光雷达等[1］。具有以下特点。
1.1 可不考虑云雨等天气影响连续动态观测
常规卫星遥感高时间分辨率和高空间分辨率不可兼得，多星联合观测16 m分辨率数据获取频次可以达到2 d 1次，1 d 1次观测的数据空间分辨率一般是在千米级别；同时卫星遥感观测受天气影响，云雨天气无法获取有效地表数据，尤其在南方多雨地区，很难通过卫星获取高时间频次的数据。
空基遥感的传感器一般搭载于高塔平台或高处建筑物，高度一般不高于100 m，不受云遮挡影响，任何天气情况下均可获取有效数据(图1)。可全天候实时获取监测信息，有效填补航空航天遥感与地面观测网络之间的尺度空缺，以及逐步在各个领域应用[2］。
1.2 可进行生态系统精细化监测
空基遥感时空分辨率高，可根据区域生态系统类型(森林、草地、湿地、荒漠等)与监管重点定制部署，根据监测需要一般可部署高光谱成像相机、激光雷达、可见光-红外相机/摄像机等设备。空基遥感兼具了物候相机高时空分辨率和卫星遥感定量化监测的能力，除常规卫星遥感可获取的基本植被参数外，也可通过激光雷达自动获取树高、胸径、冠层大小等结构参数，与其他遥感手段相比，在观测方式上实现了突破，具有一定优势。
在卫星遥感全区域常规监测的基础上，可以在重点区域、敏感地带增设空基遥感监测站，将生态监测精度从千米级提升至亚米级，时间频次从月和旬提升到日和小时级，构建全天候、多角度、时空连续生态系统立体观测和生态状况精细化评价能力，提升生态质量监测和评价的精细化、科学化水平。
2 空基遥感植被监测效果
内蒙古草原是我国最大的天然牧场，由于前期盲目开垦、采伐、过牧等原因破坏了植被，导致草原退化，出现了大面积沙漠。目前，内蒙古草原在防治草原退化方面，取得了一定的成绩，但从总的趋势来看，草原退化还在继续发展。本研究选择内蒙古通辽市一处现有铁塔(122.688 330° E，43.280 916° N，60 m)作为实验站点，此铁塔周边地形平坦，地表类型以草地和林地为主，同时有农田和水体，类型丰富，用于探讨空基遥感的可用性。
在此铁塔上部署了高光谱相机1台，开展空基高光谱传感器植被状况监测实验，获取了2022年7月21—28日实验观测数据。对空基遥感监测有效范围、时间观测频次、空间分辨率以及在植被参数定量监测方面的能力进行研究，并取得了初步成果。站点位置和空基平台如图2所示。
2.1 空基遥感植被参数反演结果
空基高光谱相机近地面倾斜观测方式，使得观测影像由中心点向外观测天顶角逐渐增大，具有非常显著的双向反射(BRDF)特征，高空平台植被参数反演算法的难点及重点是角度效应校正[38，39］。
首先构建了基于地表BRDF特征的高光谱影像反射率校正算法。基于MODIS同期BRDF产品获取研究区域的BRDF模型，利用最小二乘法反演获取最优模型参数，进而对空基高光谱相机观测的地表反射率数据进行角度校正，将其校正到天顶方向(即观测天顶角为0)，获取垂直观测下的地表反射率信息。在地表反射率基础上，基于成熟的植被参数反演算法进行植被参数反演[37-41］。采用考虑叶片光学特性差异的基于辐射传输模型的查找表法反演叶面积指数，采用孔隙率理论和像元二分法算法体系反演植被覆盖度，采用红边指数CSI的经验关系法反演叶片叶绿素含量的监测[40-44］。初步获取的植被参数结果如图3所示。
2.2 空基遥感植被监测分析
2.2.1 空基遥感有效观测范围
理论上空基遥感可以观测到无限远的距离，实际上空基遥感的观测范围受传感器高度、地形起伏、天气状况、对空间分辨率的要求等多因素的影响，一般观测区域半径可达0～5 km。空基遥感空间分辨率随着观测距离的增大急剧降低，观测角度也逐渐增大，再加上地形遮挡的影响，空基遥感的实际观测范围不是固定不变的。以通辽实验用的高光谱相机为例，相机观测到2 km处空间分辨率下降到 26 m，观测天顶角下降到88.26°。通辽市科尔沁左翼后旗达林艾勒站点高光谱传感器观测范围如图4所示。
2.2.2 空基遥感高时间分辨率监测
本研究中空基高光谱观测时间为2022年7月21—28日。此时间段内，空基高光谱相机每天均能获取有效观测结果(图5)。对比高分一号(GF1)和高分六号(GF6)卫星监测，GF1和GF6联合观测，重访周期为2 d，其中7月20、22、25、28日共有4景数据，7月20日和25日有厚云遮挡，未获取研究区域内有效数据，只有2022年7月22日和28日有2景有效数据。
空基观测每天可以获取多次有效监测结果，不受云雨等天气状况影响，相比卫星数天一次的观测结果，能更好地描述植被参数时间序列变化情况，反演结果更能体现植被的物候特征。尤其是在春季和秋季植被状态变化较快的阶段，空基高时空频次的连续观测，能更好地描述符合植被物候规律的植被参数变化曲线。
2.2.3 空基遥感高空间分辨率监测
根据空基平台高度的不同，空基遥感观测范围及空间分辨率也会不同，理论上来说，平台越高，有效观测范围就越大。本研究中所用的高光谱相机为线扫方式，线阵像元个数为960，高光谱相机视场角为21.5°，塔高60 m。星下点(塔下)空间分辨率可以达到0.02 m。图6是2022年7月22日空基高光谱相机NDVI产品，空基产品分辨率0.02～26 m(距离塔0～2 km范围内)。在空间分辨率更高的空基NDVI产品中，可见许多小的图斑，可对植被区域内小范围的建筑物、水体、裸地等非植被情况加以辨别。空基高分辨率遥感在精细化监测方面更有优势。
3 结论
本研究分析了空基遥感植被监测的特点和优势，通过内蒙古通辽市空基站点的监测结果，获取了空基遥感植被参数反演结果。初步结果表明，空基高光谱监测结果具备高时空分辨率植被参数的区域监测能力，通过此手段可得到可靠的高时空分辨率植被参数结果。空基遥感有望在以下几个方面发挥作用。
(1)精细化动态监测。空基遥感监测空间分辨率可达到分米级，时间频次可达到半小时乃至分钟级，具有监测数据时空分辨率高、异常预警和应急响应快等优势，可有效弥补天基卫星监测时效性不足、精度不够等短板，相对于卫星遥感大范围监测来说，空基遥感在小区域、精细化监测方面较有优势。
(2)植被异常监测。空基观测可实现生态系统的结构及生化参数的多参数综合协同观测。卫星观测基本上是近似垂直的观测，观测到的是植被的冠层；空基观测时倾斜角度可以观测到植被的垂直结构，这种观测方式给生态系统垂直结构参数的反演提供了可能；另外，空基高光谱可以获取植被光谱曲线来判定植被是否异常，以及高频次的观测均可在植被异常预警方面有所突破，通过空基遥感及时发现小范围植被异常状况，结合卫星调查可指示大范围的生态状况变化。
(3)生物多样性监测。空基遥感可根据区域野生动物种类、分布特点及监测需求，灵活选择部署安装热成像双光谱摄像机、鸟类声纹仪等多种观测设备，实现野生动物实时智能抓拍、跟踪及数据回传等智能监测，适合进行重要生态空间野生动物种类、生活习性、活动轨迹及栖息环境等的精细监测。
(4)生态系统碳汇监测。传统的碳汇监测往往需要森林调查员跋山涉水，深入山林中实地进行树高和树木胸径测量，作业环境常受到各种各样的限制。空基遥感可根据需要选择搭载激光雷达、高光谱相机等设备，自动进行植被高度、植被指数等多种植被参数的动态监测，方便可行。监测结果用于提升我国碳汇计量的效率和精度，为我国“双碳”目标提供重要的技术支撑，跟进碳汇数据“准、全、细、精”的需求。
(5)多平台数据融合优势互补。不同监测手段具有不同的特点，在生态遥感监测数据分析中，单一遥感数据源往往存在提取精度不高、反映问题片面等情况，空基遥感小范围监测可作为卫星数据大区域监测的一个有力补充，通过特定的算法，将小区域的监测扩展到大范围，将不同来源、不同尺度的监测数据进行融合，最大限度地发挥各自优势，获得更高精度和更多指标信息，从而提高植被监测的精度和可靠性。
4 展望
空基遥感在大幅提高时空分辨率的同时，由于是固定的平台监测，所以观测范围有限，并且大角度倾斜观测、旋转观测都给定量遥感带来了不小的挑战，对算法和应用提出了新的要求。考虑到当前空基遥感平台一般是基于现有的信号塔平台，搭载监测仪器，平台高度有限，地形起伏、高大树木之间存在遮挡情况，空基站点的选择相当重要。选择空基站点时应尽量选择地势平坦地区，或者地势略有起伏地区的高处。空基遥感目前还存在一些问题，今后可在以下方面进行技术创新。
(1)空基传感器大倾角观测，以及像元分辨率随观测距离的变化，给空基遥感几何校正带来了巨大挑战。针对塔基近地面、大倾角观测的特点，需结合塔基高光谱传感器观测的自身特性，获取塔基观测范围内高分辨率地形参数(DEM、DTM)，并进行几何校正模型研究，对高光谱传感器获取的影像进行精确的几何校正。
(2)空基传感器观测范围没有明确的界限，但是考虑到观测距离与空间分辨率呈负相关，观测距离几千米时的像元分辨率下降到几十米，观测有效范围有限，可以采用可变焦或移动相机、增加平台高度等手段，提升空基遥感观测有效范围。
(3)空基遥感是新兴遥感手段，加大相关算法的研发力度，建立空基遥感监测的相关标准和规范，有助于空基站点直接数据质量的统一，促进空基遥感技术的广泛应用和推广。
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