1.      碳與碳循環(huán)

碳是自然界中很常見的一種元素，它以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。碳單質(zhì)很早就被人認(rèn)識(shí)和利用，碳的一系列化合物——有機(jī)物是生命的根本。

(一)            自然界中的碳

地球上最大的兩個(gè)碳庫(kù)是巖石圈和化石燃料，含碳量約占地球上碳總量的99.9%。這兩個(gè)庫(kù)中的碳活動(dòng)緩慢，起著貯存庫(kù)的作用。此外，還有三個(gè)碳庫(kù)：大氣圈庫(kù)、水圈庫(kù)和生物庫(kù)。這三個(gè)庫(kù)中的碳在生物和無(wú)機(jī)環(huán)境之間迅速交換，容量小而活躍，起著交換庫(kù)的作用。　　

碳在巖石圈中主要以碳酸鹽的形式存在；在大氣中，二氧化碳是含碳的主要?dú)怏w，也是碳參與物質(zhì)循環(huán)的主要形式；在水圈中以多種形式存在；在生物庫(kù)中，森林是碳的主要吸收者，它固定的碳相當(dāng)于其他植被類型的兩倍。森林又是生物庫(kù)中碳的主要貯存者，貯存量大約為4.82×1011 t，相當(dāng)于目前大氣含碳量的三分之二。 　

(二)            碳循環(huán)

大氣中的二氧化碳（CO2）被陸地和海洋中的植物吸收，然后通過(guò)生物或地質(zhì)過(guò)程以及人類活動(dòng)，又以二氧化碳的形式返回大氣中。這是自然界碳循環(huán)的基本過(guò)程。植物通過(guò)光合作用從大氣中吸收碳的速率，與通過(guò)動(dòng)植物的呼吸和微生物的分解作用將碳釋放到大氣中的速率大體相等，大氣中二氧化碳的含量在受到人類活動(dòng)干擾以前是相當(dāng)穩(wěn)定的。

(三)            人類活動(dòng)與碳循環(huán)

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，尤其是化石燃料的普遍利用，人類碳源的強(qiáng)度不斷增大，人類碳源主要包括化石燃料使用、水泥生產(chǎn)等的碳排放以及土地利用（如水稻種植）、礦產(chǎn)開采、地下水開采等過(guò)程中的碳的釋放，其中化石燃料燃燒發(fā)揮了最大的作用。土地利用變化所產(chǎn)生的碳的排放增加的情況于此相當(dāng)。

從人類認(rèn)識(shí)到溫室氣體（尤其是二氧化碳）濃度的升高會(huì)使全球氣溫變暖，從而帶來(lái)一系列嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題時(shí)，就展開了對(duì)碳循環(huán)的研究。

當(dāng)然，人類活動(dòng)在增加大氣二氧化碳的同時(shí)，完全可以通過(guò)積極的行動(dòng)增加大氣二氧化碳的吸收，如植樹造林。

2.      碳循環(huán)研究

全球碳循環(huán)是碳在大氣、海洋及陸地生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)主要儲(chǔ)存庫(kù)之間的流動(dòng)，是生物圈發(fā)展的重要標(biāo)志。碳循環(huán)的研究工作包括陸地生物量的估算、土地利用變化對(duì)陸地碳的影響、陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量估算、碳循環(huán)模擬研究等。傳統(tǒng)的陸地碳循環(huán)模型是建立在地面觀測(cè)和測(cè)定的基礎(chǔ)上，許多模型只經(jīng)過(guò)了極有限的點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)。遙感技術(shù)提供了大尺度范圍觀測(cè)能力，為解決區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)模型的檢驗(yàn)提供了一種有效的手段。

遙感具有周期短、時(shí)空分辨率高、覆蓋范圍大、獲取數(shù)據(jù)便捷等特點(diǎn)，已經(jīng)成為全球變化研究中不可缺少的技術(shù)手段。遙感技術(shù)在獲取陸表參數(shù)，特別是大尺度陸表參數(shù)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且可從遙感影像上直接獲取到重要的生態(tài)學(xué)特征和生物生長(zhǎng)參數(shù)，除了植被面積、凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEP）等宏觀參數(shù)外，還可獲取葉面積指數(shù)（LAI）、冠層化學(xué)組分、冠層溫度、氣孔導(dǎo)度、光合有效輻射（PAR）、植被吸收光合有效輻射（APAR）、冠層結(jié)構(gòu)、土壤含水量、地表溫度等參數(shù)。通過(guò)遙感反演獲取這些物理參數(shù)，直接作為陸地生態(tài)系統(tǒng)模型的驅(qū)動(dòng)變量或參量，結(jié)合遙感影像上獲取的土地覆蓋或植被現(xiàn)狀動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行碳循環(huán)的研究。

3.      SAR在碳評(píng)估中的應(yīng)用

SAR是主動(dòng)式微波遙感，不受時(shí)間和天氣的限制，可穿透類似云和暴風(fēng)的大氣干擾層。與光學(xué)傳感器的垂直拍攝相比，SAR是側(cè)視傳感器，意味著地形和目標(biāo)地物對(duì)雷達(dá)信號(hào)有獨(dú)特的響應(yīng)，SAR數(shù)據(jù)和光學(xué)數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充。

(一)            背景

過(guò)去的幾十年，世界上很多國(guó)家開始共同著手全球環(huán)境問題，主要目標(biāo)之一是減少溫室氣體，從根本上解決全球變暖問題，其中一個(gè)方法是限制森林砍伐和森林退化。

為監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)和土地利用變化而成立的森林碳循環(huán)對(duì)地觀測(cè)小組（GEO FCT），目標(biāo)是證明用遙感技術(shù)進(jìn)行森林監(jiān)測(cè)的可行性，收集信息為將來(lái)國(guó)家森林的投入和碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)。

Anthea Mitchell博士，澳大利亞新南威爾士洲大學(xué)空間信息合作研究中心的訪問學(xué)者，是GEO FCT派出的幾位全球調(diào)查人員之一，工作是研究數(shù)據(jù)和影像處理的標(biāo)準(zhǔn)方法，以及生成森林信息產(chǎn)品用于碳的估計(jì)。最終，Mitchell研究出了通用的影像分析方法，可廣泛地用于測(cè)量、監(jiān)測(cè)和森林變化報(bào)告。

(二)            SAR解決方案

Mitchell博士監(jiān)測(cè)森林變化的方法是用光學(xué)和SAR影像估算森林變化量。

SAR能獲取與光學(xué)完全不同的數(shù)據(jù)，為研究人員展現(xiàn)了感興趣地理區(qū)域的獨(dú)特信息，Mitchell博士認(rèn)為，SAR提供了地表獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)和含水量信息，這對(duì)不同森林類型的識(shí)別和制圖以及生物量的估計(jì)是非常有用的。

為了有效的應(yīng)用SAR數(shù)據(jù)，Mitchell博士需要一個(gè)解決方案不僅能有效的處理和分析SAR數(shù)據(jù)，而且要與光學(xué)影像結(jié)合。在做了大量比較和選擇之后，選擇了ENVI的高級(jí)雷達(dá)圖像處理工具SARscape，該軟件具有獨(dú)特的SAR數(shù)據(jù)讀取、處理、分析，輸出的能力，SARscape將抽象的雷達(dá)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成有意義的信息，同時(shí)，由于SARscape集成在ENVI圖像處理分析軟件中，用戶可以使用多種類型的影像，提取影像所包含的重要信息。

為了從SAR數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和處理。Mitchell博士所用的SAR數(shù)據(jù)源很多，這就要求軟件要能正確的讀取各種類型的數(shù)據(jù)，SARscape具有易于使用的工具，能輸入和讀取各種數(shù)據(jù)源的SAR數(shù)據(jù)。

讀取SAR數(shù)據(jù)之后，在SARscape中，Mitchell博士對(duì)圖像做了很多自動(dòng)化處理來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的可視化和分析，包括多視、配準(zhǔn)、去除斑點(diǎn)噪聲、地理編碼、輻射定標(biāo)以及圖像的鑲嵌。由于雷達(dá)圖像含有很多的噪聲，濾波能將噪聲最小化。為了對(duì)比不同時(shí)相或傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)影像做了自動(dòng)配準(zhǔn)、幾何校正和輻射校正。

圖：塔斯馬尼亞州的ALOS PALSAR數(shù)據(jù)，在SARscape中正射校正、輻射定標(biāo)和鑲嵌后的結(jié)果

數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，在ENVI下分析SAR數(shù)據(jù)。因?yàn)?/span>SARscape集成在ENVI下，研究人員可以不用切換軟件平臺(tái)就可以進(jìn)行SAR數(shù)據(jù)的分析。Mitchell博士用ENVI的變化監(jiān)測(cè)工具來(lái)檢測(cè)兩景影像的變化區(qū)域，ENVI下流程化的變化監(jiān)測(cè)工具可自動(dòng)識(shí)別變化類型和變化范圍。用變化監(jiān)測(cè)工具，獲得亮度增加和減少的區(qū)域，這些區(qū)域表明森林的砍伐或再生情況，因?yàn)榱炼鹊脑黾油怯捎谕寥阑蚬趯訚穸鹊脑黾右鸬模罱K結(jié)果可用光學(xué)影像進(jìn)行驗(yàn)證。

(三)            SAR取得成功

Mitchell博士已經(jīng)取得了很多成果，在SARscape和ENVI中處理和分析SAR和光學(xué)影像，能對(duì)森林和非森林和土地覆蓋制圖和變化制圖，反映森林砍伐和隨時(shí)間的再生情況。Mitchell博士已經(jīng)研究出了處理和分析不同數(shù)據(jù)源雷達(dá)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方法，利用數(shù)據(jù)來(lái)生成森林信息產(chǎn)品，用于碳的估算。總之，SAR數(shù)據(jù)為Mitchell博士提供了關(guān)鍵的信息。

圖：用ALOS PALSAR數(shù)據(jù)估算森林范圍和土地覆蓋/土地利用變化（亮度減少表明森林被砍伐，亮度增加表明森林的再生或土壤/冠層濕度的變化）