复杂地形区次生林林龄与乔木层地上生物量遥感估算研究

发布时间：2020-08-08 17:55

【摘要】：森林生物量既可以反映生态系统的固碳能力,也可以评估森林碳收支的平衡性,是制定可持续发展战略的必要前提。遥感技术具有快速、准确地获取全球或区域尺度的森林生态参量的能力,光学遥感影像和雷达数据都广泛应用于森林乔木层地上生物量的反演。但是,合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)数据受地形影响严重且后向散射强度存在饱和点;激光雷达(Light Detection and Ranging,Li DAR)数据不连续且量大,不适合大范围长时间序列生态问题研究的应用。因此当前大范围的森林乔木层地上生物量遥感估算与变化规律研究还应该重点考虑光学卫星影像。在地表起伏大、坡度陡、切割强烈以及土地覆被类型复杂多样的亚热带复杂地形区,使用光学遥感图像进行生态参量估算,面临的问题包括影像获取难度大、地物反射率受地形影响严重以及高植被覆盖度导致的光学信息饱和三方面的问题。针对这三方面问题,论文从系统分析不同光照条件下地形校正方法的效果入手,通过地形校正、去云填充和光谱拟合等处理,尝试在光学影像难获取地区构建Landsat时间序列数据集。根据长时间序列存档数据推算森林年龄,以林龄与森林结构的相关关系为理论基础,构建林龄+森林冠层光谱信息的生物量估算模型,从森林垂直结构和生长状态两方面解释其乔木层地上生物量,从而弥补高植被覆盖度导致的地物光谱信号饱和的问题。主要结论如下:(1)根据多光照条件下地形校正效果的多指标综合评价得出:图像拍摄时太阳高度大于46°时,Statistical-Empirical(SE)方法表现出很好的地形校正效果;低于46°时,SCS+C方法的校正效果相对较好。在地形和地理条件与本研究区类似的区域内,地形校正效果可按图像获取时对应的太阳高度分为60°、60°-45°和45°3个层次。太阳高度角低于45°条件下获取的图像不适宜在定量研究中使用。(2)通过一致性分析、去云填充和光谱拟合,利用Landsat-5TM和Landsat-8OLI两个传感器获取的图像,可以在亚热带复杂地形区构建1987-2018年Landsat时序数据集。利用时间序列数据集提取DRI指数为扰动信息识别指标,运用Mann-kandell趋势分析方法可以识别完全扰动后恢复、完全扰动后不恢复、部分扰动后恢复、持续恢复和未扰动5种森林扰动类型。(3)在扰动类型识别的基础上,结合1974年Landsat MSS数据和1960年代地形图,根据扰动前后植被覆盖度平均值、扰动结束时植被覆盖度和扰动结束后植被恢复速率制定森林年龄计算规则。估算的森林年龄总体精度R2=0.72,RMSE=7.8年。各森林类型都表现出中龄林和近熟林的森林年龄估算精度较高,幼龄林和成熟林估算精度较低。(4)将归一化植被指数(NDVI)、归一化湿度指数(NDMI)、差值比值指数(DRI)、穗帽变换湿度分量(TCW)、穗帽变换角(TCA)、归一化燃烧指数(NBR)、增强型植被指数(EVI)、林龄与生物量进行相关及逐步多元回归分析,选择DRI和林龄两个指标构建的多森林类型乔木层地上生物量估算模型。模型的决定系数R2=0.814,RMSE=24.34t/ha。按森林类型构建,针叶林模型的决定系数R2=0.773,RMSE=17.767t/ha,阔叶林模型的决定系数为0.765,RMSE=30.2t/ha;针阔混交林生物量估算模型的精度最高,决定系数为0.885,RMSE=26.168t/ha。(5)论文提出的光谱信息+林龄的森林乔木层地上生物量估算模型的精度高于仅使用光谱信息指标构建的模型,略小于激光雷达与多光谱数据协同构建的模型。但综合考虑数据的可获取性、处理过程及购买费用等问题,利用Landsat系列存档数据进行生物量遥感估算的方法在亚热带复杂地形区具有一定的实用性和推广性。(6)研究区森林乔木层地上生物量的水平空间分布特征呈现为以梵净山保护区为中心向四周递减;梵净山自然保护区内,生物量随地形梯度增加而增加,当海拔高于1800m或坡度大于35°时,生物量随海拔升高和坡度增大而减小。地质岩性上的分布差异体现为非碳酸盐岩基底上的生物量大于碳酸盐岩。生物量在垂直空间和岩性基底上的分布特征与土地利用和植被类型的空间分布特征相耦合。
【学位授予单位】：贵州师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S771.8;S718.5
【图文】：

坡度图,坡度,位置,梵净山自然保护区

1987 年被确定为国家级自然保护区，以亚热带森林生态系统、黔金丝猴和珙桐等珍稀动植物为主要保护对象；2018 年 7 月 2 日被列入世界自然遗产名录本研究以梵净山自然保护区边界外扩 10－30km 的矩形范围为研究区。2.1.1 自然环境研究区位于贵州省东北部的江口、松桃、印江三县交界处，108°25′53″－109°0′8″E，27°27′54″－28°41′7″N，研究区总面积 4198.92km2，见图 2－1。研究区属于东亚季风气候区，具有明显的山地湿润气候特征。年均温 5.0－17.0℃，年降水量 1100－2600mm。岩性以非碳酸盐岩为主，占研究区总面积的 56%。研究区地势崎岖陡峭，海拔在 241-2565m 之间，最高点位于梵净山自然保护区内的凤凰山；地貌类型以中山、低山和丘陵等为主。研究区平均坡度为 18.7°其中坡度在 5°以上的面积占研究区总面积的 91.7%，图 2－1。

土地利用图,土地利用图,疏林地,面积

第二章研究区概况和实测数据获取与处理2.1.2 研究区的土地利用特征研究区主要的土地利用类型包括有林地、疏林地、灌木林地、草地、河流、水库坑塘、水田、旱地以及裸地 9 种类型，图 2－2。表 2－1 显示，2016 年研究区有林地面积为 1427.59km2，占研究区总面积的 34%，比 1960 年增加 87.1km2。1960－2016 年有林地未发生转变的面积占 2016 年总面积的 65.5%，有林地转为其他用地类型的面积为405.9km2，其他用地类型转为有林地的面积为 493.03km2。2016年研究区疏林地面积占研究区总面积的18.5%，比1960年增加75.3 km2，从 1960－2016 年土地利用转移矩阵看，疏林地未发生转变的面积占其 2016 年总面积的 49.2%，疏林地转为其他用地类型的面积为 319.7km2，其他用地类型转为疏林地的面积为 395km2。

分布图,野外调查,样点,分布图

2.2 野外实测数据与实验方法2.2.1 野外样地设置及调查方法在贵州省山地资源与环境遥感应用重点实验室相关项目的支持下，项目组于2017 年 8 月和 10 月共开展了两次野外样地调查，历时 15 天。调查过程中获得江口县林业局的大力支持，提供了江口县 2016 年森林资源规划设计调查的 11个样点数据，其中包括针叶林 57 个、阔叶林 44 个和针阔混交林 15 个。根据研究需要，项目组在其中选取 30 个样点进行实地核查，目的一是对江口县森林资源规划设计调查数据进行精度验证，二是对森林资源规划设计调查中没有涉及的指标进行实地测量。选取的 30 个样点包括阔叶林 9 个、针叶林 1个、针阔混交林 10 个。样地调查内容主要包括 GPS 经纬度，海拔，群落类型坡度，坡向，干扰状况，树种，胸径，树高，林龄等。野外实测及森林资源规划设计调查样点的空间分布如图 2－3 所示，详细测量方法如下：

【参考文献】