《Nature-Based Solutions》：Oblique Field Spectral Measurements for Enhanced Vegetation Cover Mapping and Sand Vegetation Discrimination in Semi-Arid Gobi Landscapes
编辑推荐：
本研究针对戈壁半干旱地区稀疏植被在传统天底观测卫星影像中易被低估的难题，创新性地采用多角度倾斜视场光谱测量技术。研究人员利用液晶可调滤光片(LCTF)相机在460-780 nm波段获取了从0°到87°的全方位双向反射率因子(BRF)数据。结果表明，倾斜观测视角能显著增强植被光谱信号，在60°视角下NDVI值可比天底观测提升高达64.7%。这一发现为利用高视角卫星数据改进干旱区植被监测提供了新思路，对推动基于自然的可持续发展解决方案具有重要意义。
在广袤的戈壁沙漠，看似荒芜的土地上其实生长着具有重要生态价值的稀疏植被。这些植被在维持沙漠生物多样性和生态系统平衡中扮演着关键角色，然而传统的卫星遥感技术却难以准确捕捉它们的踪迹。问题在于，常规的天底观测（nadir observation）主要捕获的是明亮沙地的光谱特征，而低生物量的植被信号往往被淹没在强烈的土壤反射中。这种监测盲区严重制约了我们对沙漠生态系统变化的准确评估，影响了可持续土地管理和生物多样性保护工作的有效性。
为了解决这一难题，由蒙古国立大学Begzsuren Tumendemberel领导的研究团队在《Nature-Based Solutions》上发表了一项创新性研究。他们提出了一种全新的思路：通过改变观测角度来增强植被信号的检测能力。研究人员推测，倾斜的观测视角可能更有利于捕捉直立生长的植被冠层，从而改善植被与沙地的区分度。
为了验证这一假设，研究团队在2023年和2024年开展了两次野外测量活动，地点选在蒙古国戈壁苏木贝尔省的两个典型半干旱戈壁景观区。这些地区虽然植被稀疏，但拥有独特的草原生态系统，支持着多种受威胁的动植物物种。
研究团队采用的核心技术是多波段液晶可调滤光片(LCTF)相机系统，这一设备能够捕捉33-65个光谱波段的数据，覆盖从460到780 nm的可见光到近红外区域。相机的独特之处在于其能够通过电动平台精确控制观测角度，在0°到87°的视角范围内系统性地采集数据。配合方位角从0°到360°的全面覆盖，这套系统首次实现了对戈壁稀疏植被的完整多角度双向反射率因子(BRF)测量。
关键技术方法包括：1）使用LCTF多光谱成像系统在戈壁沙漠进行野外测量，获取460-780 nm波段的光谱数据；2）通过电动平台控制观测几何，覆盖0°-87°视角和0°-360°方位角；3）采用9×9像素窗口进行空间平均，计算双向反射率因子；4）分析多种植被指数（NDVI、EVI、GNDVI等）的角度依赖性；5）与PlanetScope卫星数据进行验证比较。
3.1. 不同视角下的光谱反射率变异性
研究人员发现观测角度对光谱特征有着决定性影响。在天底视角（0°-16°）下，光谱曲线呈现典型的沙地特征，从蓝光到近红外单调递增，植被信号几乎不可辨识。随着视角增大到24°-48°，植被相关特征开始显现：红光波段反射率因叶绿素吸收而下降，红边和近红外反射率则逐渐上升。当视角达到56°-80°时，植被信号完全占据主导，近红外反射率显著增强，形成了清晰的植被光谱特征。这一转变在不同时间（上午10:25、中午12:10和下午1:25）的测量中均保持一致，证明角度效应而非光照条件是主要影响因素。
3.2. 植被指数与视角的关系
研究人员系统评估了9种植被指数的角度依赖性。所有基于红-近红外对比的指数（NDVI、EVI、GNDVI、SAVI和DVI）都随视角增大而显著上升。最具代表性的是，在60°视角下，NDVI比天底观测增加了64.7%，EVI增加了59.3%。通过二次多项式拟合分析，所有植被指数都表现出显著的曲线关系，调整后的R2值在0.82-0.97之间。与PlanetScope卫星数据的对比验证显示高度一致性（R2=0.967），证实了野外测量的可靠性。
3.3. 戈壁沙漠植被的BRF测量
通过构建完整的BRF极坐标图，研究人员直观展示了植被反射的各向异性。在480 nm（蓝光）、560 nm（绿光）和680 nm（红光）波段，反射率随视角变化较小；而在710 nm（红边）和760 nm（近红外）波段，反射率随视角增大显著增强。植被指数（NDVI、GNDVI、EVI）的BRF图谱进一步证实，倾斜观测能有效增强植被信号，例如EVI从0°时的0.054增加到80°-87°时的0.428。
研究结论表明，观测几何是控制戈壁稀疏植被可探测性的关键因素。倾斜视角通过改变土壤-植被混合比例，显著增强了植被的光谱信号。这一发现挑战了传统遥感中偏重天底观测的范式，提出了利用高视角卫星数据改进干旱区植被监测的新途径。
讨论部分强调了这一研究的创新性：首次在野外条件下系统量化了戈壁植被的多角度反射特性，证明了视角几何对植被探测能力的根本性影响。与以往主要关注农作物或森林的研究不同，这项工作专门针对自然沙漠-草原植被，填补了该领域的研究空白。
这项研究的重要意义在于，它不仅为改进干旱区植被监测提供了技术支撑，还提出了一个颠覆性的观点：卫星影像边缘通常被丢弃的高视角数据可能包含有价值的植被信息。这一认识有望推动遥感数据处理流程的革新，提高稀疏植被监测的准确性和效率，为基于自然的沙漠化防治和生态保护提供更可靠的科学依据。
研究的局限性包括观测时间仅限于两个物候期，空间范围仅覆盖两个站点。未来工作需要扩展至更多季节和生态系统类型，并探索如何将这一发现应用于现有的多角度卫星传感器数据中。尽管如此，这项研究无疑为干旱生态系统遥感监测开辟了新的方向，对全球干旱区的可持续管理具有重要实践价值。
