生物量是林业和生态应用研究的重要信息,森林生态系统地上生物量估算的遥感技术引起了国内外学者的广泛关注。总结与探讨不同数据源与估算方法能够为森林地上生物量的估算提供指导。本文首先总结并探讨单传感器遥感数据,包括光学遥感、合成孔径雷达与激光雷达数据在森林地上生物量估算中的应用,以及协同使用多源遥感数据估算森林地上生物量的优势;然后论述森林地上生物量估算的传统模型估算法与机器学习估算方法(决策树法、K最近邻法、人工神经网络、支持向量机、最大熵)。多源遥感数据集成能够结合不同数据的优势,能够为森林地上生物量估算提供丰富的特征信息,结合机器学习估算方法,是提高森林地上生物量估算的准确性的发展趋势。

【目的】针对多源遥感数据及其派生特征因子数据维度高、信息冗余、易造成估测模型过拟合等问题,从高维度遥感特征因子中高效优化特征组合,优化区域森林地上生物量(AGB)的k最近邻(k-NN)估测模型。【方法】提出基于快速迭代特征选择的k最近邻法(KNN-FIFS),以森林资源样地调查数据计算的森林AGB为参考,以留一法交叉验证(LOO)相应的k-NN模型反演的森林AGB均方根误差(RMSE)最小为原则,依次迭代选取遥感特征,优化区域森林AGB的k-NN估测模型。以大兴安岭根河森林保护区为研究区,结合Landsat-8 OLI各波段光谱信息、植被指数、纹理、地形因子、机载合成孔径雷达(SAR)P-波段HV极化后向散射强度信息(PHV)以及森林资源样地调查数据,利用KNN-FIFS方法估测研究区森林AGB,并与多元线性逐步回归法(SMLR)进行对比分析。【结果】利用KNN-FIFS方法,得到当k为3,特征组合为PHV、短波红外波段一均一性(H6)、短波红外波段一二阶矩(S6)、短波红外波段二二阶矩(S7)、海蓝波段相关性(Cr1)、近红外波段相关性(Cr5)、海蓝波段相异性(D1)、增强型植被指数(EVI)时,研究区森林AGB估测结果最优,其精度(R~2=0.77,RMSE=22.74 t·hm~(-2))显著优于SMLR估测精度(R~2=0.53,RMSE=32.37 t·hm~(-2))。【结论】KNN-FIFS方法相比SMLR更适用于森林AGB多源遥感估测;KNN-FIFS方法可以从高维度遥感特征因子中高效选取相关特征进行森林AGB估测。

【目的】采用KNN方法进行碳储量估测,并对估测后的数据进行各种校正处理,绘制森林地上碳储量的空间分布图,为我国森林碳储量和固碳潜力的研究提供基础数据和科学依据。【方法】以黑龙江省大兴安岭为研究区(50°05'—53°33'N,121°11'—127°01'E),基于2010年森林资源连续清查固定样地和同年Landsat5 TM影像数据,利用k-邻近法(KNN)在像素级水平上对森林地上碳储量进行估算。采用多准则方法分东、南、北和中4个区域对样地坐标和其对应的影像光谱值进行坐标重配准,并根据实测样地数据对坐标重配置前后不同林分类型地上碳储量估测精度进行评价;针对KNN方法像素级估测结果存在明显的高...

【目的】以黑河流域上游祁连山森林保护区为研究区,利用133个森林样地调查数据、Landsat-5 TM影像和ASTER GDEM产品为数据源,探讨地形对该流域森林地上生物量(above-ground biomass,AGB)估测的影响,以及选择合适的遥感估测方法反演该流域的森林AGB。【方法】首先利用青海云杉特殊的生境范围和绿色植被对比值植被指数(ratio vegetation index,RVI)的灵敏程度,及不同地物对纹理特征的不同响应,制定相应的决策树分类器,将研究区的土地覆盖类型分为两大类:森林(青海云杉)-非森林,并利用133个森林样地调查数据和Google Earth高分辨率影像...

【目的】从反映森林冠层大小的树冠纹理结构出发,利用高空间分辨率遥感影像中树冠纹理的周期性信息,提取基于傅里叶变换纹理序列的纹理指数(FOTO,Fourier-based textural ordination)估测森林地上生物量,探究FOTO纹理因子在温带森林生物量估测上的潜力,为提取新型纹理参数估算森林生物量提供新的参考途径。【方法】以2009年9月获取的小兴安岭地区凉水国家自然保护区(47°11'N,128°53'E)高分辨率机载航空影像(空间分辨率0.5 m)为例,通过提取CCD影像的FOTO纹理参

结合野外调查数据和Landsat5TM影像,分析6种地形校正方法(Teillet-回归,Cosine,C,SCS,SCS+C和Minnaert)对雷竹林地上生物量遥感估算的影响。结果表明:1)除Cosine和SCS方法存在校正过度现象,其余4种地形校正方法均具有良好的校正效果;2)6种地形校正方法均可提高TM4,TM5与地上生物量的相关性,且RVI,NDVI和SAVI这3种植被指数与生物量之间的相关性也得到改善;3)与原始影像相比,6种地形校正后的遥感数据都能不同程度地提高雷竹林生物量估算精度,以Teillet-回归校正后所建雷竹林地上部分生物量估算模型精度最高,相关系数从0.441提高到0....

森林对维护区域生态环境及全球碳平衡、缓解全球气候变化发挥着不可替代的作用,对森林地上生物量进行精确估测能够大大减小陆地生态系统碳储量的不确定性。本文结合机载激光雷达、星载激光雷达和成像光学遥感等数据进行大湄公河次区域的森林地上生物量估测,生成连续的森林地上生物量图。结果表明:①基于星机地协同观测数据可以有效地估测森林地上生物量,模型总体平均误差为34t/hm~2,相关系数为0.7;②估测结果与FAO FRA 2010报告以及其它报告公布的结果相比,一致性较好,平均差异为13.3%;③根据本文的遥感反演结果,大湄公河次区域森林生物量总量为62.72亿t,其中常绿阔叶林占71%,落叶阔叶林占10%...

根据所采用数据源的不同,介绍了当前国内外森林地上生物量测算中所用的主要方法,即基于森林资源清查的方法和基于遥感估测的方法。根据国内外前期研究成果,概括了这两种方法的特点及其存在的一些不足,初步探讨了结合多源数据联合估测森林地上生物量的方法。结合当前森林地上生物量研究中存在的问题,讨论了估测方法的尺度、模型与参数化以及精度与验证的问题,最后提出了今后森林地上生物量研究中应重点开展的工作。

【目的】发展一种森林地上生物量(AGB)的多基线干涉合成孔径雷达(InSAR)层析估测方法,解决热带雨林森林AGB遥感估测常规方法的信号"饱和"问题,为区域及全球森林生物量估测和碳储量研究提供关键技术支撑。【方法】以法属圭亚那巴拉库(Paracou)热带雨林为研究对象,以Tropi SAR 2009 P-波段多基线机载SAR数据和85块样地调查数据为主要数据源。首先,根据HH极化层析相对反射率的三维分布信息提取林下地表高度,对HV极化多基线InSAR数据进行地形相位去除;然后,对HV极化多基线InSAR数

应用机载单基线极化干涉SAR(Pol-InSAR)数据,基于极化相干层析(PCT)技术提出了一种反演森林地上生物量的新方法。首先采用单基线PCT提取每个像元的森林相对反射率垂直分布,然后按林分统计得到森林平均相对反射率垂直分布;再次对森林平均相对反射率垂直分布进行高斯函数拟合,提取林分层析测量高;最后以通过样地调查统计得到的20个林分的地上生物量为参考数据,采用交叉验证方法建立和评价基于层析测量树高的地上生物量估测模型,并与基于经典三阶段反演的林分优势木平均树高估测地上生物量的方法进行对比。结果表明:基于层析测量高的反演模型决定系数(R2)为0.822,均方根误差(RMSE)为53.14 t·...

基于吉林省汪清林业局金苍林场二类调查的局级固定样地数据,利用地统计学的普通克里格法和协同克里格法对研究区域内森林地上生物量进行估计(协同克里格法以地上生物量为主变量,以胸高断面积为协变量),并对2种插值方法进行比较。结果表明:在研究区域内普通克里格法预测精度较低;而协同克里格法能够显著提高预测精度,所产生的均方根误差(RMSE)减少49.0%,平均标准误差(ASE)减少39.4%,预测值和实测值的相关系数提高68.4%。通过插值得到整个林场生物量的空间分布格局图,生物量的分布存在明显的空间异质性。林场平均生物量密度为111.9t·hm-2,总生物量达3.578Tg;并从不同森林类型和龄组对生物...

【目的】以多源遥感数据为基础,在郁闭度较高的天然次生林中采用非参数模型及随机森林偏差校正模型估测森林地上生物量(Aboveground biomass, AGB),为大尺度估测森林生物量提供了依据。【方法】以东北林业大学帽儿山实验林场142块森林资源连续清查固定样地复测数据、机载激光雷达(Airborne laser scanning, ALS)和多光谱Landsat8 OLI影像为数据源,提取46个特征变量(其中ALS:24个;OLI:22个特征变量)后进行特征变量筛选,利用多元逐步回归(Multiple stepwise regression, MSR)、支持向量机(Support vector machine, SVM)、随机森林(Random forest, RF)和随机森林偏差校正(Bias-Corrected RF, BCRF)构建森林AGB估测模型,采用调整决定系数(Ra2dj),均方根误差(RMSE)和相对均方根误差(rRMSE)对估测结果进行精度评价。【结果】多源遥感数据要优于单一数据源,非参数模型(RF(Ra2dj=0.68,RMSE=49.71 t·hm-2, rRMSE=32.48%)和SVM(Ra2dj=0.64, RMSE=52.80 t·hm-2, rRMSE=35.28%))优于传统的MSR模型(Ra2dj=0.52,RMSE=57.29 t·hm-2, rRMSE=43.26%)的估测精度。选择最优的RF估测模型进行偏差校正,BCRF的rRMSE=21.84%,此时的生物量估测效果最佳(较RF模型的rRMSE下降10.64%)。当AGB在100～200 t·hm-2范围内,非参数算法(SVM、RF和BCRF)对AGB估测效果最佳(与MSR模型相比RMSE由48.87 t·hm-2减小到13.72～23.55 t·hm-2,rRMSE由28.15%下降至8.69%～16.13%);特别地,当AGB小于100 t·hm-2时,BCRF模型可以改善RF模型AGB估测的饱和现象,模型预测性能提升11.0%(RMSE与RF相比减小27.66 t·hm-2,rRMSE下降10.99%)。【结论】以多源遥感数据结合为基础,BCRF模型对AGB的估测精度更高,效果更稳定,且BCRF可以有效地削弱生物量估测中出现的小值偏大的现象。

【目的】采用遥感数据估算森林地上生物量仍存在一些不确定性问题，研究估算过程中的误差来源及其占比，对提高森林地上生物量的估测精度具有重要意义。【方法】从遥感影像提取因子，结合高山松Pinus densata外业调查数据，建立多元线性回归、梯度提升回归树、随机森林等3种地上生物量估测模型，对样地尺度与3种模型的不确定性进行分析和度量。【结果】(1)高山松单株生物量模型不确定性为16.43%，样地尺度的不确定性为7.07%；(2)多元线性回归模型残差不确定性为34.86%，参数不确定性为21.30%，与样地不确定性合成后总不确定性为41.45%；(3)非参数模型中，梯度提升回归树估测高山松地上生物量的总不确定性为23.12%，随机森林为19.42%。【结论】3种遥感估算模型中，非参数模型的不确定性明显低于参数模型。相较于样地尺度，遥感估算模型的不确定性对地上生物量估算精度的影响较大。图3表3参26

【目的】探究光学和雷达卫星遥感对亚热带森林生物量的反演潜力。【方法】利用不同季节时间序列的合成孔径雷达(Senitinel-1)和光学数据(Sentinel-2)，对太平湖生态保护区森林地上生物量进行反演。基于后向散射系数、光谱波段、植被指数和生物物理参数，采用回归随机森林算法探究Sentinel-1和Sentinel-2在地上生物量制图中的精度，探究对亚热带森林地上生物量制图的最佳影像采集时期，评估光学和雷达遥感特征参数对提高地上生物量估计精度的贡献。【结果】Sentinel-2对研究区森林地上生物量的估计精度[决定系数(R~2)=0.68，均方根误差(E_(RMS))=37.69 Mg·hm~(-2)]要优于Sentinel-1 (R~2=0.47,E_(RMS)=49.11 Mg·hm~(-2))，但两者联合产生了最佳结果 (R~2=0.78,E_(RMS)=31.56 Mg·hm~(-2))。生长季(6和9月)的光学数据和旱季(12月)获得的雷达数据结合有利于提高地上生物量估算精度。另外，Sentinel-2提取的叶面积指数(LAI)、光合有效辐射吸收比(fapar)和覆盖度(fcover)与Sentinel-1提取的VH极化和VH+VV指数对地上生物量估算具有重要的贡献度。【结论】通过联合不同季节的光学和雷达数据，明确了6、9、12月与LAI、fapar、VH极化、VH+VV指数是地上生物量反演的最佳时相和预测变量。图8表3参29

森林生物量是陆地生态系统碳循环过程中最主要的参数,森林生物量准确估算是进行森林碳循环和碳储量及变化分析的基础。以香格里拉这一特殊区域为研究区,以野外调查样方数据为基础,利用植被指数、降水、积温、太阳总辐射量、海拔等多个因子,组合成遥感综合因子层、地理综合因子层与水、光、热一同构成变量,建立了研究区丽江云杉Picea likiangensis-长苞冷杉Abies georgei林,川滇高山栎Quercus aquifolioides林,云南松Pi-nus yunnanensis林,高山松Pinus densata林等4个建群种森林生物量遥感估算模型,并进行了检验。据此模型开展其生物量估算研究,结...