顾及背景反射率变化的森林地上生物量遥感估算

发布时间：2020-08-17 09:47

【摘要】：森林乔木层地上生物量(Aboveground Biomass,AGB)是定量模拟森林生态系统固碳能力的前提和基础,准确估算其时空分布有助于定量评估森林生态系统碳收支、深入理解和分析森林生态系统对气候变化和人类活动的响应规律。遥感技术快速、动态和大面积覆盖的优势,使其被广泛应用于大尺度森林叶面积指数(LeafAreaIndex.LAI)的定量反演和变化监测中。基于遥感数据反演得到的区域尺度森林冠层LAI和森林乔木层AGB与叶生物量之间的定量关系,可进行森林AGB的遥感估算。然而,森林在垂直方向上具有复杂的分层结构:由乔木、灌木、草本和苔藓等多部分组成,其中乔木层又称为森林冠层,灌木、草本和苔鲜等部分又称为林下植被层或森林背景。利用光学遥感数据提取的森林冠层LAI和乔木层AGB精度会受到林下植被等背景的影响。本研究以大兴安岭典型寒温带森林为研究对象,利用四尺度几何光学模型和中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradioemeter,MODIS)的双向反射分布函数(Bidirectional Reflectivity Distribution Function,BRDF)产品提取出具有时空变化的森林背景反射率;进而基于四尺度模型和MODIS反射率数据分别反演出顾及和未顾及背景变化影响的两套LAI;在此基础上,定量估算顾及和未顾及背景影响两种条件下的森林冠层叶生物量和乔木层AGB;最后,利用森林一类清查数据推算出的乔木层AGB对基于遥感数据估算出的两套乔木层AGB进行对比验证,并定量评估了森林背景反射率对遥感估算的乔木层LAIe和AGB的影响。论文的主要研究内容和结论如下:(1)以MODIS BRDF数据为数据源,利用半经验核驱动BRDF模型分别模拟观测天顶角为星下点和40°方向的反射率数据,结合四尺度模型模拟出的每个像元中四分量(光照冠层、光照背景、阴影冠层和阴影背景)比例,即可求出森林背景反射率。通过分析红光波段和近红外波段森林冠层总反射率与背景反射率的关系,证明了在森林结构参数反演中考虑背景反射率影响的重要性。(2)利用MODIS反射率数据和四尺度几何光学模型进行有效叶面积指数(Effective Leaf Area Index,LAIe)反演,生成两套LAIe数据以验证顾及背景反射率变化对LAIe反演影响的重要性。生成第一套LAIe数据时,利用第一步生成的具有时空变化的森林背景反射率对利用冠层反射率计算的植被指数进行订正后,再输入到LAIe反演算法;生成第二套LAIe数据时,将利用冠层反射率计算的植被指数直接输入到LAIe反演算法。最后以塔河县和根河市为例,利用TM数据生成的高分辨率LAIe对两套LAIe结果进行验证,结果表明:顾及背景反射率变化影响后反演出的LAIe效果更好,在塔河县R2从0.36(n = 25,p0.05)提高到 0.49(n = 25,p0.01),在根河市 R2 从 0.02(n = 28,p0.5)提高到 0.12(n = 28,p0.5)。(3)利用LAIe、聚集度指数(Clumping Index,CI)和比叶面积指数(Specific Leaf Area,SLA)生成叶生物量,基于实测数据建立的叶生物量与乔木层AGB关系方程进行AGB估算,并利用基于森林清查数据推算的AGB对其进行验证。结果表明:基于遥感数据并顾及背景变化影响估算与基于森林清查数据估算出的各县(市)乔木层AGB总量R2从0.52(n= 10,P0.05)提高到0.86(n= 10,p0.01)。本文基于MODIS数据和四尺度几何光学模型,提出了一套顾及背景反射率变化的森林地上生物量遥感估算方法,并分析了背景反射率对乔木层AGB遥感估算影响的时空变化特征,揭示了森林背景在森林结构参数定量反演时的重要性。为进一步提高碳储量估算精度、阐明我国东北寒温带森林生态系统碳收支状况提供参考。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S771.8;S718.556
【图文】：

森林类型图,示意图,大兴安岭

研究区位于中国东北大兴安岭林区（包括内蒙古大兴安岭和黑龙江大兴安逡逑岭）（１１９°－１２７°邋Ｅ，邋４８°－５５°邋Ｎ）（图２．１）。大兴安岭是全国面积最大的天然林区，逡逑也是中国重要的林业基地之一。它北起黑龙江畔，南至西林木河上游谷地，南北逡逑长１２００ｋｍ，东西宽２００－３００邋ｋｍ，海拔１１００－邋１４００ｍ。大兴安岭东南坡较陡，逡逑西北坡向内蒙古高原和缓倾斜。东南坡夏季受海洋季风影响雨水较多，西北坡却逡逑较干旱，因此，大兴安岭是我国森林和草原的分界线。该地区受寒温带大陆季风逡逑气候等因素的影响，年均气温－５邋°Ｃ，年降雨量４００－５００ｍｍ，其中８０－９０％的逡逑降雨量集中在每年的７－８月份，年雪覆盖天数２００天左右，生长季约为８０邋－邋１００逡逑天。研究区主要树种包括兴安落叶松（Ｚａｒｆｘ逦）、白桦（５他／ｆｌ逡逑ｐｌａｔｙｐｈｙｌｌａ邋Ｓｕｋ）、尊子松邋ＱＰｉｎｕｓ邋ｓｙｌｖｅｓｔｒｉｓ邋Ｌ．邋ｖａｒ．邋ｍｏｎｇｈｏｌｉｃａ邋Ｌｉｔｖ．）和杨域邋ｉＰｏｐｕｌｕｓ逡逑Ｌ）。林下植被以越梧、杜■鸟逡逑Ｐｌａｎｃｈ．）、杜香（Ｌｅｄｕｍ邋ｐａｌｕｓｔｒｅ邋Ｌ．）为主。逡逑

影像计,根河,塔河,统计关系

在生成高分辨率ＬＡＩ分布图时，是通过建立由Ｌａｎｄｓａｔ影像求出的修正的归逡逑一化植被指数（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ邋Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ邋Ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ邋Ｉｎｄｅｘ，邋ＭＮＤＶＩ）与实测邋ＬＡＩｅ邋之逡逑间的经验统计关系实现的（图２．３）。该指数根据公式２．６求出，能够有效地减逡逑少林下植被等背景信息对近红外波段的影响（Ｎｅｍａｎｉ等．，１９９３）。逡逑ＭＮＤＶＩ邋＝邋＾邋￣邋Ｐｅｅｄ邋？邋１－－＾ＳＷＩＲ邋￣ＰｓｗｉＲｍｉｎ逦（２．６）逡逑Ｚ＾ＮＩＲ邋＋邋Ｐ？ＥＤ邋Ｖ邋ＰｓＷＩＲｍａｘ邋—邋ＡｗｉＲｍｉｎ邋＞逡逑式中：是近红外波段反射率，对应ＴＭ／ＥＴＭ＋数据的第４波段；Ｐｕｄ是红光逡逑波段反射率，对应ＴＭ／ＥＴＭ＋数据的第３波段；ｐｓｗｌＲ是短波红外反射率，对应逡逑ＴＭ／ＥＴＭ＋数据的第７波段；ｐＳＷＩＲｍｉｌ＾邋ｐＳＷＩＲｍａｘ分别代表短波红外反射率在本研宄逡逑区内完全密闭的冠层和无植被两种情况下的值。通过短波红外波段对原来的逡逑ＮＤＶＩ进行校正后得到的新植被指数ＭＮＤＶＩ可以有效地减小植被冠层结构参数逡逑反演过程中对背景信息的敏感性。逡逑１７逡逑

背景反射,森林,反射率,草地

大豸硕士学位论文逦第３章森林叶面积指数反演逡逑第３章森林叶面积指数反演逡逑３．１背景反射率提取结果逡逑该研究区缺乏系统的森林背景反射率实地观测数据，鉴于林下植被与周围草逡逑地具有相似的气候条件和组成结构，利用邻近草地的ＭＯＤＩＳ反射率间接验证背逡逑景反射率提取结果的季节变化趋势（Ｐｉｓｅｋ和Ｃｈｅｎ．邋２００９）。其中，两者反射率值都逡逑

【参考文献】