2023 年春季学生聚焦

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2023 年春季学生聚焦

艾琳·埃克尔斯 2023 年 4 月 11 日，星期二

探索森林生态系统动态：春季学生聚焦获奖者佩奇·威廉姆斯

遥感技术彻底改变了我们研究和理解地球复杂且相互关联的系统的能力。在这一领域取得进展的一位研究者是 2023 年春季学生聚焦获奖者佩奇·威廉姆斯，她是弗吉尼亚理工大学森林资源与环境保护系的一名博士研究生。

除了博士研究，威廉姆斯自 2020 年以来一直在 NASA 戈达德太空飞行中心的森林生态系统结构与功能科学团队工作。该团队致力于开发一个地球观测系统，以同时量化森林的结构与功能，评估全球森林生产力的变化。威廉姆斯的研究及其与 NASA 的合作突显了遥感在理解森林生态系统和气候变化方面的关键作用。威廉姆斯表示："我在弗吉尼亚理工大学本科遥感课程和研究生高光谱课程中学习了如何使用 ENVI® 软件。从那时起，ENVI 的易用性和可靠性使我能够取得重要的科学成果。"

生态系统结构和功能有助于洞察碳循环的动态，这决定了系统中碳的储存库和通量。森林的生态系统结构可以定义为冠层高度、树冠形状、叶面积和朝向等，而森林的功能可以通过光合作用和呼吸作用的速率来描述，这些速率反映了系统的二氧化碳通量。

为了研究地球相互关联系统的动态，威廉姆斯将无人机、飞机和卫星捕获的遥感数据与通量塔的实地观测数据相结合。通过融合来自激光雷达的高分辨率森林结构观测和来自高光谱的功能观测，她致力于增进我们对生态系统动态及其对气候变化响应机制的理解。威廉姆斯说："ENVI 整合多种不同数据集的能力，为我的论文研究生成、分析和可视化结果提供了一个不可或缺的功能。"

威廉姆斯使用 ENVI 处理和分析收集到的高光谱和激光雷达数据，以改进森林生产力的量化。这种结合为环境分析提供了丰富的数据集，生成了高分辨率的森林 3D 图像。威廉姆斯表示："作为一名地理空间科学家，我熟悉使用 ArcGIS Pro，但由于其与高光谱数据不兼容，ENVI 一直是我进行高光谱图像处理的关键工具。"

ENVI 的功能使她能够可视化与植物光合作用相关的植被指数的昼夜和垂直分布，从而揭示冠层光环境的结构调节作用。威廉姆斯还使用 ENVI 计算与植物光合作用相关的植被指数，使用全色波段模拟对不同光照水平进行分类，并结合数字表面模型来可视化全色反射率和光化学反射指数的垂直分布。

威廉姆斯拥有环境信息学学士学位（辅修 GIS）和弗吉尼亚理工大学的森林遥感硕士学位。她目前正在弗吉尼亚理工大学遥感跨学科研究生教育项目中攻读森林学博士学位。她持有 Part 107 远程飞行员执照，并拥有地理空间信息技术和遥感证书。威廉姆斯还曾作为 GIS 和遥感团队成员，参与了巴拿马、印度和非洲布基纳法索的多个国际跨学科研究项目。

威廉姆斯对森林自然美景的热爱，加上她在 GIS 和遥感方面的学术兴趣，推动了她为生态建模和可持续自然资源管理做出贡献。她计划于 2023 年 12 月或 2024 年 5 月毕业，并正在考虑学术机构的教授职位，或在 NASA 戈达德太空飞行中心从事博士后研究。

威廉姆斯的工作体现了整合遥感技术以理解地球复杂生态系统的重要性。她与 NASA 戈达德太空飞行中心的合作，以及她致力于增进我们对森林生态系统和气候变化认识的承诺，突显了遥感在应对全球环境挑战中的关键作用。

*这项研究已在 2020 年（https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020AGUFMB081.0010W/abstract）和 2021 年（https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021AGUFM.B25I1586W/abstract）美国地球物理联合会秋季会议以及 2021 年 SilviLaser 会议（https://doi.org/10.34726/wim.2026）上发表。相关手稿目前正在准备审稿中，预计将于年底前发表。

**所有图片均经佩奇·威廉姆斯及其合著者许可发布。

图 1. 位于北卡罗来纳州 Parker Tract 的研究区域样地，显示了以 US-NC2 通量塔为中心（样地 1）的 20 年生火炬松林分内 420 m x 420 m 的边界框。样地 2 显示了一个更成熟的火炬松林分，样地 3 的落叶阔叶混交林覆盖在（a）2014 年 10 月的高分辨率 NAIP 影像（a）之上。（b）中的影像是 G-LiHT 2013 年 10 月 26 日中午飞行获取的 2 米激光雷达冠层高度模型（蓝色到红色表示冠层高度增加）。

图 2. 在 ENVI 中进行冠层高光谱处理获得的样地 1 图像输出结果，以两天内的时间顺序显示，分辨率为 2 米。图像比例尺为 1:2,000。第一行：模拟全色波段，数值范围缩放至 0-600。第二行：PRI 图像，数值范围缩放至 -0.1 - 0.1。第三行：光照分类，阳光照射区为黄色，混合区为绿色，阴影区为紫色。

图 3. 在 ENVI 中进行冠层高光谱处理获得的样地 2 图像输出结果，以两天内的时间顺序显示，分辨率为 2 米。图像比例尺为 1:2,000。第一行：模拟全色波段，数值范围缩放至 0-600。第二行：PRI 图像，数值范围缩放至 -0.1 - 0.1。第三行：光照分类，阳光照射区为黄色，混合区为绿色，阴影区为紫色。

图 4. 在 ENVI 中进行冠层高光谱处理获得的样地 3 图像输出结果，以两天内的时间顺序显示，分辨率为 2 米。图像比例尺为 1:2,000。第一行：模拟全色波段，数值范围缩放至 0-600。第二行：PRI 图像，数值范围缩放至 -0.1 - 0.1。第三行：光照分类，阳光照射区为黄色，混合区为绿色，阴影区为紫色。

图 5. 来自 ENVI 的样地 1 散点图，展示了 10 月 26 日南北向飞行的 2 米 DSM 高程与全色反射率百分比（第一列）、阴影区 PRI（第二列）、混合区 PRI（第三列）和阳光照射区 PRI（第四列）之间的关系，分别对应早晨（第一行）、中午（第二行）和傍晚（第三行）的飞行。

图 6. 这些是样地 1（US-NC2）的 3D 结构结果，展示了冠层高度模型（第一列，蓝色到红色表示高度增加）、光照分类（中间列，阳光照射区为黄色，混合区为绿色，阴影区为紫色）和 PRI（最后一列，低值为红色到高值为蓝色），分别对应早晨（第一行）、中午（第二行）和傍晚（第三行）的 NS 向飞行。每行显示了飞行时间（EST）、太阳天顶角和太阳方位角。