用NASA的MISR跟踪森林生物量和扰动

我们的森林提供食物、燃料、纤维、乐趣、野生动物栖息地、碳储存和热量缓解——但它们在美国的许多地方受到威胁，包括干旱的西南部。这是一个有着令人惊叹的自然美景的地区：从点缀着豆科植物和木蔷薇灌木的高沙漠草原，穿过河岸林地和混交林，再到高山上高耸的针叶林。从美国其他地方搬到这个阳光明媚的地区的人们经常在这些森林里或附近购买或建造房屋，它们是当地人最喜欢的避暑胜地：随着气候变暖，相对凉爽的高地森林为日益炎热的夏季提供了一些喘息的机会。

然而，气候也在干燥。气候变暖和干燥，再加上几十年的灭火和从2000年代中期开始广泛爆发的树皮甲虫，使这些森林越来越容易发生野火，而这些火灾现在燃烧得更热，更具破坏性。在最近的历史中，随便挑一个月和一年，看看美国干旱监测，你会发现月度地图并不是一个反常现象：美国西部正在干涸。温暖的春天意味着山上的积雪在初夏之前一直保持着森林的湿润，现在在春天融化了。更干燥的环境意味着火灾现在燃烧得更热，往往是“森林破坏者”：森林现在被烧得很脆，而不是清除矮树丛，留下现有的树木。树木被杀死，土壤被烧焦，使树苗更难扎根。这对这些森林的未来来说不是好兆头。

我们为什么要关心这个？嗯，人、森林和气候之间的相互作用并不总是导致缓慢的变化：如果达到临界点，系统可能突然翻转到一个不同的稳定状态，一个对人类不太友好的状态；这个地区发生的事情会对更远的地方产生影响。例如，近年来，西部野火产生的烟雾已经开始影响我们地区的空气；请参阅2021年7月MSU新闻文章。因此，我们必须进行大规模监测：我们需要缩小范围，看到全局——这就是轨道卫星遥感所允许的。科学家和森林管理者也想知道森林中损失（或获得）了多少碳，但在森林被烧毁、死于树皮甲虫侵扰或疾病、或被采伐（统称为“干扰”）之后，无法测量损失。

你可能会认为我们可以使用b谷歌地球上看到的那种卫星图像来做到这一点，或者使用长期运行的Landsat系列多光谱传感器的图像。这两种成像仪都利用反射太阳光的几种波长，包括蓝色、绿色、红色和近红外，来提供月球表面的照片。然而，云层和不频繁的观测意味着，直到最近，谷歌地球图像还不能提供全面覆盖；而且这两种传感器提供的图像对树叶的状况非常敏感：在潮湿的年份，树叶会更绿，这使得很难可靠地估计森林碳储量的逐年变化。最近，我们开始使用雷达（无线电探测和测距）和激光雷达（光探测和测距）来绘制和监测森林碳储量。这些先进的主动传感技术非常适合这种应用；然而，到目前为止，他们的记录是不完整的，而且太短了。

还有另一种估算森林碳的方法：利用相对于太阳方向的不同角度反射的太阳光进行观测。因为像树木这样的三维物体会在不同的方向投射阴影和散射光线，它们的存在、大小和间距会影响卫星在不同的倾斜视角下的读数，所以我们可以利用这种差异来推断地表的性质。谷歌地球和陆地卫星传感器在这方面没有帮助：它们几乎是垂直向下观察，朝向地球的中心。然而，在2000年，美国宇航局发射了一颗名为Terra的卫星，它携带了五种仪器，包括多角度成像光谱辐射计（MISR）。MISR是由喷气推进实验室开发的，你可能会联想到火星探测器任务。MISR的缩写是一个典型的喷气推进实验室的重复：“吝啬的”卫星成像仪只有四个光谱带，而喷气推进实验室“贪婪的”AVIRIS（先进可见红外成像光谱仪）机载成像仪的224个光谱带（这显然是贪婪的！）这张图片显示了9台MISR多光谱相机在卫星前方（前方）、直下（最低点）和后方（后方）的观察情况。

MISR的设计目的是测量大气的特性，如气溶胶、云和风——在气团移动之前，它在大约7分钟内从9台相机收集测量数据——但它的观测结果也可以用来估计冰盖表面粗糙度和森林地面木质生物量(AGB；也就是说，树木地上部分的木材质量约为50%的碳)。测试表明，将来自MISR的三个相机的反射红光（植物喜欢用于光合作用的那种光）的测量结果按一定比例结合起来，可以提供一个与森林生物量密切相关的度量——多角度指数。如果我们尝试使用更传统的遥感方法，将单角度红色和近红外（NIR）测量结果结合成多光谱指数，如归一化植被指数（NDVI），或单独使用这些测量结果，则AGB与参考数据的估计值可能相当差，R2 < 0.4，而多角度指数为0.9（见图）。

那些讨厌的云怎么办？MISR可以处理云层，因为它可以获取约400公里宽的图像，在8天内提供任何位置的重复观测。这对于构建无云复合材料来说是足够频繁的。

使用多角度指数制作的AGB地图与卫星雷达（2000年）和激光雷达（2005年）提供的地图非常匹配（右），使我们能够创建自2000年以来的年度时间序列。MISR AGB估计也与高度可靠的NASA碳监测系统机载激光雷达对加利福尼亚环火地区的估计相一致。2015年与2000年相比，火灾和甲虫干扰造成的森林损失的分布也与公开资料中的历史数据相符。

当气候变暖和干旱对整个西南部的森林造成越来越大的压力时，这些地图可以量化火灾、甲虫、收成和疾病造成的AGB损失。右边的子集来自地图系列，显示了2015年与2000年相比，加州北部部分地区森林AGB密度的净变化（单位：Mg ha-1）。2000 - 2015年的方法和结果报告于遥感环境（影响因子：10.2）。该数据集也已扩展到2021年，并在橡树岭国家实验室分布式活动档案中心发布。

我们希望这些地图系列能帮助生态学家和森林学家提高我们对西南森林变化的理解；以及随着地区气候变暖和干燥，这些变化的进展如何影响未来几十年生活在该地区的人们。

引用本文：Chopping， M., Wang， Z., Schaaf， C., Bull， M. a ., Duchesne， R.R.(2022)，基于MISR多角度指数的美国西南部森林地上生物量，2000-2015，遥感环境，275,112964,ISSN 0034-4257, https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.112964。