北极-北方生态系统脆弱性评估：基于AVIRIS-NG/3高光谱成像的跨年度观测与气候响应机制解析

为应对北极加速变暖引发的生态系统剧变，NASA ABoVE项目团队利用AVIRIS-NG/3成像光谱仪（380-2510nm，5m分辨率）对阿拉斯加及加拿大西北部120,000km2区域开展跨7年航测，获取了苔原-泰加林过渡带等关键生态梯度的高精度光谱数据。该数据集通过ISOFIT大气校正生成L2A反射率产品，支持植被功能性状反演、甲烷热点识别等研究，为SBG和CHIME卫星任务提供基准验证，成果发表于《Scientific Data》。

　　

北极和北方地区正经历着全球最显著的气候变化，北极放大效应（Arctic amplification）导致该区域变暖速率达全球平均的4倍。这种剧变引发永久冻土（permafrost）退化、苔原"北方化"（borealization）等连锁反应，但生态系统响应机制仍存在巨大认知空白。传统地面观测难以覆盖广袤的北极-北方过渡带，而卫星遥感又受限于空间分辨率与大气干扰。在此背景下，NASA的北极-北方脆弱性实验（ABoVE）应运而生，试图通过多平台观测揭示这些关键生态系统的命运。

由加州理工学院喷气推进实验室（JPL）Charles E. Miller领衔的研究团队，在2017-2023年间部署了新一代机载可见光/红外成像光谱仪（AVIRIS-NG和AVIRIS-3），对阿拉斯加和加拿大西北部约120,000km²区域实施系统性航测。这项迄今最大规模的北极高光谱观测，以5m×5m的空间分辨率捕捉了苔原-泰加林生态过渡带（tundra-taiga ecotone）、湿地复合体等关键区域的精细光谱特征。研究团队创新性地采用飞行中实时校准技术，使AVIRIS-NG的平场校正标准差降至2.6×10^-4，而新型AVIRIS-3的信噪比（SNR）在600nm处突破3000，较前代提升50%。通过开源ISOFIT算法进行贝叶斯大气反演，生成具有不确定度量化的L2A地表反射率产品，其数据质量足以支持植物功能性状的像素级反演。

主要技术方法
研究整合了King Air B-200机载平台的AVIRIS-NG（2017-2022）和AVIRIS-3（2023）观测，覆盖380-2510nm光谱范围。采用飞行中暗电流校准与伪不变地物场更新平场校正，结合NIST标准灯进行辐射定标。使用sRTMnet机器学习模型加速的MODTRAN辐射传输模拟，通过最优估计理论同时反演地表反射率与大气参数（水汽WV、气溶胶AOD等）。数据与L波段合成孔径雷达（PolInSAR）、激光雷达（LVIS）等多源遥感数据配准，并联合74个地面站点同期采集的植被样本验证。

研究结果

1. 数据覆盖与特征
   跨年度航测获得1700条飞行带数据，包括10,000km²连续制图区（如麦肯齐三角洲）和生态梯度样带。AVIRIS-3的7.4nm光谱采样与3m@5000m航高的空间性能，使其在2200nm处信噪比较AVIRIS-NG提升20%。

2. 生态应用验证
   数据成功应用于北方森林野火燃料制图（通过纤维素吸收特征识别针叶林占比）、湿地甲烷热点检测（基于2240nm吸收深度），并与厘米级无人机光谱数据交叉验证，植被功能性状反演精度达28种参数。

3. 多传感器协同
   与AirSWOT水位数据融合揭示了beaver工程对水文过程的影响，联合L波段SAR实现了湿地淹没状态分类，验证了星载传感器（如PRISMA）在高纬度地区的检索算法。

结论与意义
该研究建立了首个覆盖北极-北方过渡带的多年度高光谱基准数据集，其时空连续性填补了EMIT等星载传感器在北纬52°以上的观测空白。通过创新性的飞行中校准与物理模型反演方法，实现了亚像元尺度（25m²）的生态系统过程解析，为理解冻土碳释放、植被群落迁移等关键过程提供了新视角。数据集已通过ORNL DAAC开放共享，支持SBG（2027发射）和CHIME任务的算法开发，标志着高光谱遥感正式进入"北极生态预警"时代。正如作者指出，这些观测将帮助预测"北方化"进程中的临界点（tipping points），为气候模型提供亟需的生态系统反馈参数。