机载成像光谱数据中植物功能多样性评估：数据处理与采集几何对功能丰富度估算的影响

本研究针对机载成像光谱数据在估算植物功能丰富度(FRic)时受大气、地形和BRDF效应影响的问题，通过对比三种不同几何构型的飞行数据，揭示了未校正数据会高估FRic达15%，阴影比例与FRic呈强相关(r2≈0.7)，为遥感生物多样性监测提供了数据优化方案。

　　

在生物多样性急剧丧失的全球背景下，功能多样性作为生态系统稳定的关键指标，其遥感监测技术面临重大挑战。传统地面调查方法难以实现大尺度评估，而机载/星载成像光谱技术虽具潜力，却受大气散射、地形辐照差异和植被各向异性反射(BRDF)效应的多重干扰。尤其当使用植被指数反演功能性状时，这些效应会通过改变反射率值，导致相邻航带间出现明显差异。更棘手的是，森林冠层的几何光学特性会因太阳-传感器几何关系产生动态阴影，进一步加剧功能丰富度(FRic)估算的不确定性。

瑞士苏黎世大学等机构的研究团队选择瑞士Laegern山温带混交林为实验区，利用APEX成像光谱仪获取三种不同观测几何（顺光、逆光及侧光）的航带数据，通过对比表观反射率(APP)、大气地形校正(ATM)及全校正(BCR)数据集的FRic差异，首次量化了数据处理与采集几何对功能多样性评估的影响。研究发现未校正数据会系统性高估FRic中位数达15%，而阴影比例与FRic呈现显著相关性(r²≈0.7)。该成果发表于《Remote Sensing of Environment》，为即将发射的CHIME、EnMAP等星载高光谱任务提供了重要的方法学参考。

关键技术方法包括：1) 使用APEX成像光谱仪获取2米分辨率数据；2) 采用ATCOR软件进行三级处理（APP/ATM/BCR）；3) 基于CCI、CIre和NDWI三种植被指数构建功能性状空间；4) 60米半径移动窗口计算凸包体积表征FRic；5) 图像阴影算法量化阴影比例。

【数据处理效应】
大气地形校正使FRic中位数降低5.7%-14.2%，而后续BRDF校正又使其回升1.1%-2.8%。空间上，地形校正后西北坡FRic降低而东南坡升高，BRDF校正则在极端离天底角区域影响最大。

【观测几何影响】
逆光航带(FLnA)因阴影多导致FRic比基准航带(FLnC)高17.1%，而顺光航带(FLnB)阴影少致FRic低4.4%。相关分析显示阴影每增加1%，FRic约升高0.6%。

【阴影与林分结构】
针叶林区阴影比例可达阔叶林区的3倍，形成两个典型集群：C1集群（阔叶主导）呈低阴影-中FRic特征，C2集群（针叶主导）呈高阴影-高FRic特征，与瑞士国家森林调查的混交度分布高度吻合。

结论与意义：
该研究证实数据处理流程和采集几何会引入10%-20%的FRic评估偏差，建议优先采用太阳主平面航带设计，并实施包含BRDF校正的全流程处理。对于无法规避的侧光观测，背向太阳的航带比迎向太阳航带更有利于减小阴影干扰。研究创新性地揭示了阴影通过扩大凸包体积而虚增功能多样性的机制，为建立标准化遥感生物多样性评估协议提供了实证基础。未来需进一步验证不同功能多样性指标（如FDiv、FEve）的敏感性，并将该方法拓展至Sentinel-2等星载数据，以支持《昆明-蒙特利尔全球生物多样性框架》的监测需求。