森林生物量遥感估测及人为干扰对森林碳储量影响研究

发布时间：2020-08-13 21:10

【摘要】：随着全球变暖,森林经营活动等人为干扰对碳库的影响日趋成为关注的焦点,作为最主要的人为干扰因素之一,采伐是人类获取木材资源的主要手段,必将对森林碳库产生重要影响。为了正确评估采伐干扰对森林植被碳动态的影响变化规律,了解森林生态系统在碳循环中的作用,对森林的碳动态进行更为细致的研究具有重要意义。森林生物量估算是进行陆地生态系统碳循环和碳动态分析的基础,业已成为生态学和全球变化研究的重要内容之一。遥感技术的出现和发展弥补了传统森林生物量估测方法的不足,而多源遥感数据的应用,对快速、准确的实现大区域森林生物量的估测,提高森林生物量的估测精度提供了可能。本研究以小兴安岭带岭林业实验局为研究区,融合多源遥感信息及技术进行理论和方法研究,以期达到能够实时有效地对大区域森林生物量做出精确估测、建立采伐干扰对森林碳储量干扰度的评价指标体系、获得不同采伐干扰方式对森林植被碳动态的影响变化规律及预测,为森林资源监测及经营措施的制定提供方法和技术支持。主要研究结果如下:(1)基于元胞自动机(Cellular Automata,CA)模型算法,以元胞为基本单位,以像元均值为对象,使用最小距离法求取元胞自动机的进化规则,对森林类型进行了识别分类,总体精度达到88.71%,Kappa系数为0.829;同时采用相同的样本数,使用BP神经网络模型的总体分类精度为86.67%,Kappa系数为0.798。两种方法的分类精度均较高,达到了识别森林类型信息的目的,但元胞自动机的总体分类精度略高。使用元胞自动机模型获得了研究区3期时间序列的森林类型分布图。(2)通过计算 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)数据的频率累积值,针对森林类型信息,分别以累积频率为5%和95%处的NDVI值作为NDVIcrown,和NDVInon-crown的最佳阈值,利用像元二分模型对森林郁闭进行了估算,预估精度达到89.01%,R2为0.859,RMSE为0.039,模型精度较好;应用此模型反演了研究区3期时间序列的森林郁闭度,其平均值分别是0.691、0.668和0.457;通过划分森林郁闭度变化等级,对研究区1989年至2010年期间,森林郁闭度变化情况进行了分析,1989年至2000年的期间,虽然森林资源有所减少,但总趋势是处于生长阶段。2000年至2010年的10之间,森林资源仍处于严重减少阶段。1989年至2010年的21年间,研究区的森林覆盖破坏情况大于森林覆被的增长。(3)在Xing等提出的改进的森林冠层高度估算方法的基础上,分别建立了针叶林、阔叶林和针阔混交林的GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)最大森林冠层高度估测模型。各模型的精度均较高,针阔混交林的R2值最高,达到0.898,RMSE为1.12m;针叶林次之R2为0.859,RMSE为1.63m;阔叶林最低R2为0.761,RMSE为2.01m。(4)在GLAS最大森林冠层高度获取的基础上,联合TM多光谱数据及其转换生成的植被指数、森林郁闭度、波段反射率,并考虑地形因素对林分高度的影响,使用BP神经网络算法,构建了适应于区域扩展的各森林类型冠层高度遥感反演模型。针叶林模型精度最高,R2达到0.907,RMSE为1.52m;针阔混交林次之,R2为0.883,RMSE为1.79m;阔叶林相对较低,R2为0.849,RMSE为1.96m。虽有个别点存在高估或低估的现象,但总体一致性较好。通过对森林冠层高度数据进行统计分析,得出1989年至2000年期间,研究区内森林冠层高度的生长量略大于减少量,即在这期间森林冠层高度处于正增长;2000年至2010年这10年间,研究区的森林树高处于负增长;总体上1989年至2010年期间,研究区森林冠层高度的增长量要略微小于减少量,即在这21年里研究区的森林树高处于负增长。(5)以森林郁闭度和GLAS最大森林冠层高度2个因子为自变量,以实测森林生物量为因变量,采用线性回归理论针对3种森林类型分别建立了单变量和双变量森林生物量估测模型,对比分析了各模型的精度。研究表明,利用GLAS最大森林冠层高度和森林郁闭度建立的双变量估测模型,其显著性及精度均优于单变量模型,说明融合光谱信息和垂直结构信息,能够提高森林生物量模型的估测精度。针叶林双变量生物量模型的预估精度为91.66%,R2为0.841;阔叶林的预估精度为85.75%,R2为0.878;针阔混交林的预估精度为85.47%,R2为0.884,模型的拟合优度良好。利用各森林类型双变量生物量估测模型对研究区的森林地上生物量进行了区域扩展,获得了时间序列的森林地上生物量分布图,并分析了森林生物量的动态变化。通过分析得出1989年至2000年期间,森林地上生物量处于减少趋势。2000年至2010年的10年间,森林地上生物量处于增加的趋势。总体上,1989年至2010年期间,研究区内的森林生物量处于负增长。(6)以森林郁闭度信息为基础,定量分析了研究区内森林植被碳动态的变化情况。1989年至2000年期间,采伐干扰作业的影响降低了森林碳储量的含量:2000年至2010年期间,以过熟林为主的采伐干扰减少了研究区内的森林碳储量,但这10年间抚育更新作业也弥补了碳储量的减少部分;总体上,1989年至2010年间,不同采伐干扰方式对研究区内森林碳储量的影响均是减少的趋势。同时,建立了森林采伐对森林碳储量干扰度的评价指标体系,具体指标为树种组成、森林郁闭度和林分平均树高;结合GLAS光斑点处的森林碳储量和森林郁闭度数据信息,建立了不同采伐干扰方式对森林碳储量的影响变化规律预测模型,针叶林拟合精度为0.879、阔叶林拟合精度0.836、针阔混交林拟合精度0.891。各森林类型的碳储量与采伐干扰均存在明显的线性关系,林分碳储量变化量均会随着森林郁闭度变化比率的增大而减少,针叶林的郁闭度变化比重超过0.351时、阔叶林超过0.381时、混交林超过0.322时,3种林分均开始释放碳,成为地上碳增量。阔叶林抵抗采伐干扰的能力最强,针叶林次之,针阔混交林抵抗采伐干扰的能力最弱,为了增加森林的固碳能力,采伐量需控制在以上阈值内。对于3种森林类型而言,森林碳储量的变化量△A均会随着森林郁闭度的变化比率x增大而减少,即△A随森林郁闭度的减小而减小,随着采伐量的增大而减小。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S718.5;S771.8
【图文】：

分布图,起伏量,地势,海拔

逦、ｗ？？ｆ逡逑图２－１研究区位置示意图逦图２－２研究区内林场分布图逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ逦Ｆｉｇ．２－２邋Ｆｏｒｅｓｔｒｙ邋ｓｔａｔｉｏｎ邋ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ逡逑２．１．２地形地貌逡逑该区北大南小，地势南北高，中间低，境内山脉纵横起伏，构成较复杂的山岳台逡逑地，坡度变化范围为０？５７°，地面高程在ｍ－１２０２ｍ之间，平均海拔６００ｍ。多数山峰海逡逑拔在千米以下，在海拔较高地带多有裸露跳石塘，低海拔地带的山脊部位多有裸露巨石逡逑和悬崖峭壁。带岭北部山地河深、沟窄、地势平缓。有一座海拔１０９０ｍ的芦吹山，山逡逑地起伏量１２０－１７３．２ｍ，邋５。以下的平坡为１０．８％，缓坡为８８．４％，陡险坡为０．８％。南部山逡逑地沟宽河浅，地势高低相差悬殊，海拔ｌ000ｍ以上的有大箐山、老荒山等四座高山，逡逑山地起伏量１４３．８ｍ－１８２．２ｍ，５°以下的平坡占１７．２％，缓坡占７４．６％，陡险坡占８．２％。逡逑虽有多处高坡地段

分布图,林场,分布图,起伏量

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影像,影像

数据能够满足本研究的森林资源监测要求。除季节要求外，在下载遥感影像数据时，还逡逑要考虑云层覆盖最少的要求，综合上述要求，选取了研究区１９８９年６月１日、２０００年逡逑９月３日和２０１０年９月１５日的ＴＭ影像数据产品（如图２－３所示）。３期ＴＭ影像云层逡逑覆盖量均为0％，植被特征明显，有利于植被信息的提取。逡逑酬１—ａ逡逑：：：：逡逑图２－３邋ＴＭ影像逡逑Ｆｉｇ．２－３邋ＴＭ邋ｉｍａｇｅｓ逡逑２．２．２邋ＩＣＥＳＡＴ－ＧＬＡＳ激光雷达数据逡逑２．２．２．１邋ＩＣＥＳＡＴ－ＧＬＡＳ邋介绍逡逑美国国家航空航天局邋ＮＡＳＡ邋（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ邋ａｎｄ邋Ｓｐａｃｅ邋Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）的戈达逡逑德太空飞行中心ＧＳＦＣ邋（Ｇｏｄｄａｒｄ邋Ｓｐａｃｅ邋Ｆｌｉｇｈｔ邋Ｃｅｎｔｅｒ）研制的激光测高卫星ＩＣＥＳａｔ，于逡逑于２００３年１月１２日由加利福利亚的Ｖａｎｄｅｎｂｅｒｇ空军基地发射，是目前世界上唯一的极逡逑地轨道星载大光斑激光雷达。它在ＮＡＳＡ地球观测系统ＥＯＳ邋（Ｅａｒｔｈ邋Ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ邋Ｓｙｓｔｅｍ）逡逑中担负着测量冰盖物质质量平衡，云和气溶胶的高度，以及土地地形和植被特征参数的逡逑任务，旨在测量两极冰原和海冰的变化。该卫星沿近圆形、近极地该卫星沿近圆形、近逡逑极地轨道的飞行高度大约为６００ｋｍ，轨道倾角为９４°星下轨迹覆盖范围Ｎ８６°－Ｓ８６°，因逡逑此卫星观测数据可覆盖地球表面大部分地区。从２００３年到２００９年，ＩＣＥＳａｔ－１提供了多逡逑年的高程数据

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