全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
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摇 摇 第 猿猿卷 第 圆园期摇 摇 圆园员猿年 员园月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
中小尺度下西北太平洋柔鱼资源丰度的空间变异 杨铭霞袁陈新军袁冯永玖袁等 渊远源圆苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
水分和温度对若尔盖湿地和草甸土壤碳矿化的影响 王摇 丹袁吕瑜良袁徐摇 丽袁等 渊远源猿远冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
荒漠啮齿动物群落对开垦干扰的响应及其种群生态对策 袁摇 帅袁付和平袁武晓东袁等 渊远源源源冤噎噎噎噎噎噎噎
转 月贼基因棉花对烟粉虱天敌昆虫龟纹瓢虫的影响 周福才袁顾爱祥袁杨益众袁等 渊远源缘缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
微地形改造的生态环境效应研究进展 卫摇 伟袁余摇 韵袁贾福岩袁等 渊远源远圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
个体与基础生态
丹顶鹤春迁期觅食栖息地多尺度选择要要要以双台河口保护区为例 吴庆明袁邹红菲袁金洪阳袁等 渊远源苑园冤噎噎噎
新疆石河子南山地区表土花粉研究 张摇 卉袁张摇 芸袁杨振京袁等 渊远源苑愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
鄱阳湖湿地两种优势植物叶片 悦尧晕尧孕 动态特征 郑艳明袁尧摇 波袁吴摇 琴袁等 渊远源愿愿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于高分辨率遥感影像的森林地上生物量估算 黄金龙袁居为民袁郑摇 光袁等 渊远源怨苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
异质性光照下匍匐茎草本狗牙根克隆整合的耗益 陶应时袁洪胜春袁廖咏梅袁等 渊远缘园怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
湘潭锰矿废弃地栾树人工林微量元素生物循环 罗赵慧袁田大伦袁田红灯袁等 渊远缘员苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
接种彩色豆马勃对模拟酸沉降下马尾松幼苗生物量的影响 陈摇 展袁王摇 琳袁尚摇 鹤 渊远缘圆远冤噎噎噎噎噎噎噎
生物炭对不同土壤化学性质尧小麦和糜子产量的影响 陈心想袁何绪生袁耿增超袁等 渊远缘猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
延河流域植物功能性状变异来源分析 张摇 莉袁温仲明袁苗连朋 渊远缘源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
榆紫叶甲赤眼蜂基础生物学特性及其实验种群生命表 王秀梅袁臧连生袁林宝庆袁等 渊远缘缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎
几种生态因子对拟目乌贼胚胎发育的影响 彭瑞冰袁蒋霞敏袁 于曙光袁等 渊远缘远园冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
种群尧群落和生态系统
海南铜鼓岭灌木林稀疏规律 周摇 威袁龙摇 成袁杨小波袁等 渊远缘远怨冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
青海三江源区果洛藏族自治州草地退化成因分析 赵志平袁吴晓莆袁李摇 果袁等 渊远缘苑苑冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
模拟氮沉降对华西雨屏区苦竹林凋落物基质质量的影响 肖银龙袁涂利华袁胡庭兴袁等 渊远缘愿苑冤噎噎噎噎噎噎噎
基于光合色素的钦州湾平水期浮游植物群落结构研究 蓝文陆袁黎明民袁李天深 渊远缘怨缘冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于功能性状的常绿阔叶植物防火性能评价 李修鹏袁杨晓东袁余树全袁等 渊远远园源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
北京西山地区大山雀与其它鸟类种群种间联结分析 董大颖袁范宗骥袁李扎西姐袁等 渊远远员源冤噎噎噎噎噎噎噎噎
被动式电子标签用于花鼠种群动态研究的可行性 杨摇 慧袁马建章袁戎摇 可 渊远远猿源冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
景观尧区域和全球生态
华北冬小麦降水亏缺变化特征及气候影响因素分析 刘摇 勤袁梅旭荣袁严昌荣袁等 渊远远源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎
基于 云粤匀孕鄄栽韵孕杂陨杂法的我国省域低碳发展水平评价 胡林林袁贾俊松袁毛端谦袁等 渊远远缘圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎
河漫滩湿地生态阈值要要要以二卡自然保护区为例 胡春明袁刘摇 平袁张利田袁等 渊远远远圆冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
应用 蕴藻 月蚤泽泽燥灶灶葬蚤泽 法研究黄土丘陵区植被类型对土壤团聚体稳定性的影响
刘摇 雷袁安韶山袁黄华伟 渊远远苑园冤
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不同人为干扰下纳帕海湖滨湿地植被及土壤退化特征 唐明艳袁杨永兴 渊远远愿员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
资源与产业生态
近 员园年北京极端高温天气条件下的地表温度变化及其对城市化的响应
李晓萌袁孙永华袁孟摇 丹袁等 渊远远怨源冤
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三峡库区小江库湾鱼类食物网的稳定 悦尧晕同位素分析 李摇 斌袁徐丹丹袁王志坚袁等 渊远苑园源冤噎噎噎噎噎噎噎
研究简报
北京奥林匹克森林公园绿地碳交换动态及其环境控制因子 陈文婧袁李春义袁何桂梅袁等 渊远苑员圆冤噎噎噎噎噎噎
植被恢复对洪雅县近 员缘年景观格局的影响 王摇 鹏袁李贤伟袁赵安玖袁等 渊远苑圆员冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
高盐下条斑紫菜光合特性和 杂鄄腺苷甲硫氨酸合成酶基因表达的变化 周向红袁易乐飞袁徐军田袁等 渊远苑猿园冤噎
学术信息与动态
生态系统服务研究进展要要要圆园员猿年第 员员届国际生态学大会渊 陨晕栽耘悦韵蕴 悦燥灶早则藻泽泽冤会议述评
房学宁袁赵文武 渊远苑猿远冤
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生态系统服务评估要要要圆园员猿年第 远届生态系统服务伙伴国际学术年会述评 巩摇 杰袁 岳天祥 渊远苑源员冤噎噎噎
回顾过去袁引领未来要要要要圆园员猿年第 缘届国际生态恢复学会大会渊杂耘砸 圆园员猿冤简介
彭少麟袁陈宝明袁周摇 婷 渊远苑源源冤
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期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢猿圆园鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿猿鄢圆园员猿鄄员园
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 荒漠旱獭要要要旱獭属啮齿目尧松鼠科尧旱獭属袁是松鼠科中体型最大的一种遥 旱獭多栖息于平原尧山地和荒漠草原地
带袁集群穴居袁挖掘能力甚强袁洞道深而复杂袁多挖在岩石坡和沟谷灌丛下袁从洞中推出的大量沙石堆在洞口附近袁形
成旱獭丘遥 荒漠啮齿动物是荒漠生态系统的重要成分袁农业开垦对功能相对脆弱的荒漠生态系统的干扰极大袁往往
导致栖息地破碎化袁对动植物种产生强烈影响袁啮齿动物受到开垦干扰后对环境的响应及其群落的生态对策袁是荒
漠生态系统生物多样性及其功能维持稳定的重要基础遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 33 卷第 20 期
2013年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.33,No.20
Oct.,2013
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家“863冶高技术研究发展计划项目(2012AA12A306)
收稿日期:2012鄄12鄄21; 摇 摇 修订日期:2013鄄06鄄26
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: juweimin@ nju.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201212211841
黄金龙,居为民,郑光,康婷婷.基于高分辨率遥感影像的森林地上生物量估算.生态学报,2013,33(20):6497鄄6508.
Huang J L, Ju W M, Zheng G, Kang T T.Estimation of forest aboveground biomass using high spatial resolution remote sensing imagery.Acta Ecologica
Sinica,2013,33(20):6497鄄6508.
基于高分辨率遥感影像的森林地上生物量估算
黄金龙,居为民*,郑摇 光,康婷婷
(南京大学国际地球系统科学研究所, 南京摇 210046)
摘要:以南京市紫金山林区为研究区,利用 e鄄Cognition面向对象分类方法,基于光谱和空间信息融合后的 IKONOS 影像提取单
木树冠阳性冠幅(PoCA)信息,并结合野外实测的样方生物量数据,分别建立了针叶林和阔叶林地上生物量 (AGB)的遥感估算
模型,并利用实测森林生物量数据对模型进行了验证。 结果表明,基于遥感影像提取的 PoCA 与实测 AGB 存在较好的非线性
相关关系,所建针叶林 AGB估算模型的可靠性优于阔叶林模型。 对建模样本而言,估算的针叶林和阔叶林 AGB与观测数据比
较的 R2分别为 0.62 (P<0.01,n= 9) 和 0.56(P<0.01,n= 16)。 验证表明,所建 AGB估算模型的可靠性较好,估算的针叶林和阔
叶林 AGB与观测数据比较的 R2分别为 0.55(P<0.01,n= 6) 和 0.52(P<0.01,n= 10),但当 AGB较低时,模型结果偏高,AGB较
低时,模型结果偏低。 研究说明通过高分辨率遥感数据的融合、提取树冠信息进行生物量估算是可行性的。
关键词:高分辨率遥感;地上生物量;面向对象;阳性冠幅
Estimation of forest aboveground biomass using high spatial resolution remote
sensing imagery
HUANG Jinlong, JU Weimin*, ZHENG Guang, KANG Tingting
International Institute for Earth System Science, Nanjing University, Nanjing 210046, China
Abstract: Forests are important terrestrial ecosystems and play an important role in maintaining ecological environment.
Globally, they are acting as a carbon sink and a crucial player in alleviating global climate change. Forest AGB
(Aboveground Biomass) is an important indicator of forest functioning and a key component of the carbon cycle in forest
ecosystems. The accurate estimation of AGB is of importance for study the budget of global terrestrial ecosystems. However,
it is challengeable to map AGB at regional and global scales. In recent years, various studies have been conducted to
retrieve AGB using remote sensing data at regional scales due to the more effectiveness and lower cost of remote sensing
compared with the traditional inventory method. This study took Zijin Mountain, located in the urban area of Nanjing city,
as the study area to explore the applicability of high resolution remote sensing data in retrieving AGB. This study area is
dominantly covered by various species of trees. The spectral and spatial information in an IKONOS image were first fused
using the Brovey transformation method to generate images of green, red, near infrared bands at a spatial resolution of 1m.
Then, positive crown area (PoCA) of individual trees was delineated using the reflectance of green, red, near infrared
bands and normalized difference index retrieved from the fused images and the object鄄oriented classification method
implemented in the e鄄Cognition platform. The classification rules were determined using the See 5 software. Meanwhile,
field campaigns were conducted to record the number of trees, the height and diameter at breast height (DBH) of individual
trees, tree species, geological coordinates, and topography at 41 representative plots (16 plots for coniferous forests and 25
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plots for broadleaf forests) with an area of 25 m伊 25m. For each plot, AGB was calculated using models developed in
previous studies and field measured height and DBH of individual trees. These field samples were randomly selected for
developing models (25 samples) and validating the developed modes (16 samples) . The retrieved PoCA data were used in
conjunction with plot鄄level AGB measured to develop empirical models for estimating AGB. The developed models were
further validated using measured AGB. The results show that PoCA retrieved from remote sensing data shows distinguishable
spatial patterns and is tightly correlated with AGB. The developed empirical model is more applicable for coniferous forests
than for broadleaf forests in retrieving AGB. As to the samples used to develop the models, the R2 values of estimated AGB
against field measurements are 0.62 (P<0.01,n= 9) for coniferous forests and 0.56 (P<0.01,n= 16) for broadleaf forests,
respectively. The validation indicates that the developed models are reliable. The R2 values of estimated AGB against
measurements are 0.55 (P<0.01,n= 6) for coniferous forests and 0.52 (P<0.01,n= 10) for broadleaf forests, respectively.
However, the models tend to overestimate AGB under the condition of low AGB and to underestimate AGB when AGB is
high. This study indicates that it is practically feasible to estimate forest AGB using the tree canopy area information
retrieved from fused high resolution remote sensing image.
Key Words: High spatial resolution remote sensing; AGB; object鄄oriented; positive crown area
森林是重要的陆地生态系统,在陆地生物圈层和大气圈层之间的碳循环交换过程中起着重要作用[1]。
森林生物量约占全球陆地植被生物量的 90%[2],不仅是森林固碳能力的重要标志,也是评估森林碳收支的重
要参数[3]。 森林生物量按来源的部位不同可分为根、干、枝和叶生物量。 其中, 干、枝、叶生物量合称为森林
地上生物量[4]。 地上生物量是森林生态系统碳汇潜力评估的重要基础,如何快速、准确地获取森林地上生物
量信息,成为近年来森林生态系统与全球气候变化研究的关键[5]。
传统的森林地上生物量估算方法以野外实测数据为基础,这种方法精度较高,但通常只能获得观测点上
的数据,且劳动强度大、成本高,不利于研究生物量的空间分布和动态变化。 遥感技术具有宏观、大面积、动
态、快速、可重复等特点,所收集的光谱信息和森林地上生物量具有一定的相关性,已经成为区域森林生物量
估算的主要方法[6]。
随着遥感技术的快速发展,多源遥感数据已经被用于各种尺度上的森林生物量估算。 光学遥感数据最早
被用于森林生物量的估算,Hame等[7]利用 AVHRR 数据提取 NDVI 植被指数,结合实地调查的生物量数据,
在欧洲以针叶林为主的北方森林地区分别建立针叶林和落叶林生物量估算模型,进行区域生物量的估算。
Zheng等[8]结合 Landsat7 ETM+数据和野外实测生物量数据估算了美国威斯康辛州确夸美光国家森林的地上
生物量,并生成了生物量分布图。 黄国胜等[9]以 MODIS数据为源数据驱动 Dong 模型,估测了我国东北地区
的森林生物量。 已有的利用光学遥感数据进行生物量估算的研究大部分采用的是中低空间分辨率的光学遥
感数据,比如 AVHRR、MODIS和 Landsat TM / ETM等数据[3,5],存在混合像元和野外实测样方面积与遥感影像
像元大小难以匹配等突出问题,结果易存在不确定性。 近年来,国内外学者开始借助微波雷达和激光雷达等
遥感数据进行地上生物量的估算工作[10鄄13]。
商用高空间分辨率卫星数据的出现,为人们利用遥感技术研究树冠结构提供了新的数据源[14]。 与低空
间分辨率遥感影像相比,高空间分辨率遥感影像包含了大量的纹理、形状、位置等空间几何信息,具有细节更
加清晰、信息更加丰富等特点。 在高空间分辨率遥感影像上,森林中每棵树木的树冠都清晰可辨,纹理和细节
信息非常明显,这对于高效而精准地提取森林参数十分有利[15]。 利用高空间分辨率卫星数据提取森林参数,
国外已经进行了很多年的研究,取得了很多重要成果,而国内目前仍处于起步阶段[16]。 Hay 等[17]针对高分
辨率遥感影像提出了一种面向对象的多尺度分割方法,并通过实验表明该方法用于高分影像的树冠及林分信
息的提取能够取得较好的效果。 Read等[18]认为可利用高空间分辨率数据提取树冠大小进行生物量估算,他
们利用 IKONOS影像得到的树冠面积与胸径存在明显的相关性(R2 = 0.84)。 大量研究都已证明胸径或生物
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量与树冠大小有密切的关系[19鄄20]。 因此,用单木树冠自动提取方法得到的树冠直径或面积结合各种模型推
算树木胸径和森林生物量是一个便捷可行的选择[21]。 目前国内在这方面的研究主要是利用高分辨率卫星数
据提取森林参数[22鄄23],而应用高空间分辨率数据进行森林地上生物量估算的研究还有待加强和深入。
在利用高分辨率遥感数据提取树冠大小进行生物量估算时会遇到这样的挑战, 森林中树冠相互重叠的
现象,利用现有的高分辨率遥感数据提取的不是树冠的真实冠幅,而是没有被遮挡的阳性冠幅(PoCA)。 近年
来,国内已有不少学者对 PoCA的定义和应用进行了探讨[24鄄26]。 阳性冠是指四周与林木接触点最高处枝条基
部以上的树冠部分,阳性冠的冠幅大小即称作 PoCA。 通俗地说,阳性冠幅就是林分中单株林木垂直投影且不
与其它林木重叠的那一部分冠幅[25]。 Ren 等[27]认为,阳性冠幅部分光合效率最高,是树木体内光合有机产
物的主要来源,而下部的枝条净光合效率低,对树木机体生长贡献很小。 因此,PoCA的大小真实体现了单株
林木的营养空间,用其研究林分密度是最合适的[26],从而可以应用于生物量的估算。
本文旨在发展一种利用高空间分辨率光学遥感数据估算森林地上生物量的方法,即利用高空间分辨率遥
感影像,提取单木的 PoCA,结合野外实测生物量数据,建立研究区内森林 AGB 的遥感估算模型,并对模型可
靠性进行验证,以期为利用高分辨遥感数据估算森林生物量提供参考。
1摇 研究资料与研究方法
本研究的基本思路是在对 IKONOS高分辨率遥感影像进行预处理的基础上,利用面向对象的分类软件 e鄄
Cognition对影像进行多尺度分割以及面向对象分析,提取出单木树冠的轮廓信息,然后结合野外实测生物量
数据建立样地水平的阳性冠幅与地上生物量的回归模型,进行森林生物量的估算,技术流程图见图 1。 由于
IKONOS遥感影像太阳天顶角(8毅)较小,可以将该景影像近似认为垂直投影成像,因此所提取的树冠可认为
是阳性冠幅。
图 1摇 研究技术流程图
Fig.1摇 Flow chart of this study
1.1摇 研究区概况
本研究于南京市紫金山林区进行,紫金山位于江苏省南京市东部,地理位置为 118毅48忆24义—118毅53忆04义E,
32毅01忆57义—32毅16忆15义N(图 2),属亚热带向暖温带过渡地带,四季分明,光能资源充足,年平均气温为15.7 益,
年降水量平均为 1106 mm,全年无霜期达 237 d。 总面积 3008.8 hm2,其中森林面积有 2107.6 hm2,森林郁闭度
为 0.75—0.80,最高峰海拔 448.9 m,是宁镇山脉的最高峰。 降水量丰富,年平均降雨 117 d,降雨量 1021 mm
左右,6月下旬到 7月中旬的梅雨季节,有较长的阴沉多雨天气,夏季和秋季有西太平洋台风带来的大量雨
水。 夏季主导风向为东南、东风,冬季主导风向为东北、东风。 土壤为黄棕壤和黄褐土类。 目前紫金山植被的
主要为人工林和天然恢复的次生林,各类植物资源比较丰富,乔木、灌木、藤本、草本共 113 科 600 种以上,各
类树种所占比例为:40%的栎类、枫香树,21%的马尾松、黑松、火炬松、湿地松,32%的其他阔叶树,4%的刺槐,
9946摇 20期 摇 摇 摇 黄金龙摇 等:基于高分辨率遥感影像的森林地上生物量估算 摇
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图 2摇 研究区示意图
Fig.2摇 Location of the study area
1郾 5%的毛竹,其他树种 1.5%。
1.2摇 野外观测数据采集与处理
为了获得实测生物量数据,于 2011年 11 月在研究
区进行了地面样地调查。 按不同立地条件、林型选取有
代表性的标准样地,最终设置了 25 m伊25 m 的标准样
地 41个(26 个阔叶林样地、15 个针叶林样地)。 研究
区内阔叶主要为麻栎和枫香,针叶主要为马尾松和黑
松,所选样地基本包括了所有优势树种。 对每个样地分
别进行立地环境调查和每木检尺调查,记录胸径大于
6 cm的每棵树的胸径,在每个样地中选取 3棵标准木观
测树高和真实冠幅,同时记录每个样地的坡度、坡向、海
拔和和中心位置等信息。
利用同时观测的树高和胸径数据,建立由胸径估算
树高的模型,得到样地中每棵树的高度,再利用生物量
方程计算单木生物量,使用的优势树种的生物量方程见
表 1。
1.3摇 遥感数据的获取与预处理
本研究采用的是 2009 年 6 月 18 日获取的南京市
IKONOS遥感影像,数据包括一个空间分辨率为 1 m 的
全色波段和四个空间分辨率为 4 m 的多光谱波段(蓝
色:0.45—0.52 滋m;绿色:0.51—0.60 滋m;红色:0.63—
0郾 70 滋m; 近红外: 0. 76—0. 85 滋m; 全色: 0. 45—
0.90 滋m)。 影像数据质量很好,太阳天顶角为 8毅,没有云覆盖。
表 1摇 各优势树种生物量估算方程
Table 1摇 Allometric biomass equations of dominant species
树种
Tree species
树干生物量
Stem biomass
树枝生物量
Branch biomass
树叶生物量
Leaf biomass
来源
Source
马尾松
pinus thunbergii
WS = 0.0166 伊 (D2H) 0.9586 WB = 0.0005 伊 (D2H) 1.2225 WL = 0.00017 伊 (D2H) 1.3029 [28]
黑松
pinus thunbergii
WS = 0.0957 伊 (D2H) 2.2926 WB = 0.0006 伊 (D2H) 1.2958 WL = 0.0276 伊 D1.7541 [29]
杉木
Cunninghamia lanceolata
WS = 0.12428 伊 (D2H) 0.68 WB = 0.24338 伊 D0.9467 WL = 0.85369 伊 D0.5399 [30]
麻栎
Quercus acutissima
WS = 0.0006571 伊 D1.8473H2.41 WB = 0.0001163 伊 D2.9497H1.3223 WL = 0.0032 伊 D1.5148 伊 H0.8821 [31]
枫香
Liquidambar formosana
WS = 1.5988 伊 e0.2772D WB = 0.0825 伊 (D2H) 0.6492 WL = 1.0836 伊 (D2H) 0.2166 [32]
刺槐
Robinia pseudoacacia
WS = 0.02583 伊 (D2H) 0.95406 WB = 0.00464 伊 D3.21307 WL = 0.0234 伊 D1.92768 [33]
栾树
Koelreuteria paniculata
WS = 0.04215 伊 D2.56359 WB = 0.00379 伊 D3.13611 WL = 0.00024 伊 D3.18456 [34]
摇 摇 * 样地的总森林地上生物量计算为样地中所有胸径大于 6 cm的单木生物量之和
对原始影像进行了几何和辐射校正,首先利用野外采集的研究区内 17个控制点对影像进行几何精校正,
校正误差控制在半个像元以内,采用二阶双线性内插法进行重采样,再完成全色波段和多光谱波段的相对配
准。 再采用 ENVI 4.7软件对 IKONOS数据进行辐射定标,消除传感器本身产生的误差;接着利用 FLAASH模
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块进行 IKONOS数据的大气校正,从而消除大气的影响,得到地表反射率数据。
为了更好地利用 IKONOS数据的高空间分辨率和光谱信息,对该影像数据进行了融合处理。 目前有多种
方法可以应用于 IKONOS影像的融合[35鄄37],本研究分别采用了 PC 变换法、Brovey 变换法和 Gram鄄schmidt 变
换法对 IKONOS全色和多光谱影像进行了融合处理,得到空间分辨率为 1m 的融合影像。 通过目视比较和分
析融合前后 NDVI值的变化,发现采用 Brovey变换法得到的融合影像效果最好(图 3)。 因此,采用该方法融
合生成的数据进行后续处理和计算。
图 3摇 原始影像(左)和用 Brovey方法融合后的影像(右)(2、4、3 波段合成)
Fig.3摇 Comparison of the original image ( left) and the image after fusion using the Brovey method ( right) (Composition of bands 2, 4,
and 3)
图 4摇 部分影像的分割结果(2、4、3波段合成)
Fig.4摇 Part of the segmented image composed of bands 2, 4 and 3
1.4摇 单木树冠轮廓提取
目前常用的单木树冠提取方法有局部最大值法、模
版匹配法、种子区域生长法、分水岭分割法、谷地跟踪法
和多尺度分割法[21]。 其中,多尺度分割法是一种从单
像素对象开始的自下而上的区域合并技术,随后根据光
谱同质性将小的对象与邻近像元合并为大的对象。 分
割尺度和同质性因子是影像分割的两个重要参数,其中
影像分割尺度是一个表征多边形对象异质性最小的阈
值,与空间分辨率是两个不同的概念,前者决定了生成
的最小多边形的大小,分割尺度值越大,生成的影像对
象多边形面积越大而数目越少。 均质性因子包括颜色
(光谱)和形状两个属性因子, 其中形状因子又包括光
滑度和紧致度两个因子。 大多数情况下,光谱因子是生
成对象最重要的因子,而形状因子则可以避免影像对象
过于破碎, 进行多尺度分割时,形状参数与颜色参数是
相对的,这两个参数值之和为 1,形状参数设置的值越大,颜色(光谱)在分割时的权重相应就小。 本研究采用
eCognition软件的多尺度分割功能, 对遥感影像进行图像分割处理。 为找到最佳的分割尺度参数,分别将分
割尺度设置为 1、2、3、4、5、8和 10进行试验,通过对分割结果分析对比发现,分割尺度设置为 2 时,分割效果
最好。 在分割过程中,还需要设置颜色因子,形状因子,光滑度参数和紧致度参数。 在本研究中选择 Shape 因
1056摇 20期 摇 摇 摇 黄金龙摇 等:基于高分辨率遥感影像的森林地上生物量估算 摇
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子为 0.5,Compactness为 0.7,则 Color因子为 0.5,Smoothness为 0.3。 部分影像的分割结果如图 4所示。
1.5摇 面向对象分类
面向对象的遥感影像分类方法是针对高分辨率影像应用而兴起的一种新的遥感分类技术,分类时不仅依
靠地物的光谱特性,而且根据像元的形状、纹理等几何特征和结构信息,把具有相同特征的像元组成一个对
象,然后根据每一个对象的特征进行分类。 因此,可以有效地克服基于像元层次分类的不足。 影像分割完成
后,影像的基本单元由单个像元上升到许多同质像元组成的多边形对象,每个多边形对象可计算出所包含像
元的平均光谱信息以及多边形的形状信息、纹理信息、位置信息和多边形间的拓扑关系等属性。 分类规则的
建立可以充分地利用对象所提供的各种信息进行组合,以提取具体的地物。
摇 图 5摇 利用 see5软件训练得到的分类规则(括号中的数值为训练
样本数)
Fig.5摇 Classification rule constructed by using the See5 program
(Values in brackets represent the number of training samples)
在分类时,特征参数值的选取比较困难,通常需要
基于先验知识,反复尝试,操作繁琐且分类效果难以理
想[38]。 本研究中使用了智能数据分析软件 See5[39],它
是一个通过分析和快速训练样本,并以决策树和规律集
的形式来生成分类器的程序。 使用 eCognition 在研究
区内均匀地选择各类地物的样本进行训练,经过 See5
的聚类分析后,得到了各种地物类别的分类特征集(图
5),从而在 eCognition 中建立分类规则进行分类(文中
分别选取了亮度、绿光波段光谱值、红光波段光谱值、近
红外波段光谱值和 NDVI 等的均值作为多边形对象的
特征信息)。 为了保证分类规则的精度,在使用 See5 软
件训练样本时要保证所选样本误差尽可能的小
(臆3%)。
为了消除非植被的影响,首先选取了一个分割尺度
(分割尺度为 4,Shape为 0.5,Compactness 为 0.7,则 Color 为 0.5,Smoothness 为 0.3)进行植被的提取,得到植
被分布图,然后选择一个最佳尺度 (分割尺度为 2,Shape为 0.5,Compactness为 0.7,则 Color为 0.5,Smoothness
为 0.3)对植被区进行分割,得到树冠阳性冠幅对象,再对阳性冠幅对象进行面向对象分类。 由于在研究区内
绝大部分植被是森林,因此将地物最终分为非植被、针叶林和阔叶林。 分类完成后将分类结果导出成 shp 文
件,在 ArcGIS软件中转成 img格式文件,导入到 ERDAS软件中进行分类精度评价。 得到满意分类精度后,计
算样地水平的阳性冠幅面积。
1.6摇 地上生物量估算模型的建立与验证
回归模型常常被用来建立生物量与各种实测树木生物物理参数(胸径、树高、冠幅等)之间的相关关系,
回归方程是地上生物量估算中常用的统计方法[40]。 研究中将样地观测数据按 60%和 40%比例随机选取,分
为用于模型建立和验证。 在建立模型时,以样地的总 PoCA为自变量、AGB 为因变量,建立线性和非线性(指
数和对数等)模型,以模拟的 AGB与观测数据比较的 R2为指标选择模型。
2摇 结果与分析
2.1摇 分类精度评价及 PoCA提取结果
对非植被、针叶林和阔叶林的分类精度评价在 ERDAS软件中进行,利用其精度评价模块,在研究区遥感
影像上随机选取 256个样点,生成误差矩阵。 由分类精度评价结果(表 2)看出,除了针叶林的生产者精度偏
低外,其他所有分类精度都达到 80%以上,总体精度为 83.20%,Kappa系数为 0.7370,分类精度较高。
图 6是提取的部分研究区的 PoCA分布图,可以发现针叶林和阔叶林的单木 PoCA都存在明显的空间变
化,具有较大 PoCA的单木分布相对分散,而具有较小 PoCA的单木分布相对集中。 表 3给出了每个样地的实
测生物量和阳性冠幅面积。 在 41个样方中,AGB的变化范围为 4.57—29.21 kg / m2,其中针叶林样方的 AGB
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平均值为 12. 51 kg / m2,阔叶林样方的 AGB 平均值为 16. 61 kg / m2。 提取的 PoCA 的变化范围为 0. 64—
41.6 m2,其中针叶林样方的 PoCA平均值为 11.32 m2, 阔叶林样方的 PoCA平均值为 12.78 m2。
表 2摇 面向对象分类精度评价
Table 2摇 Accuracy evaluation of Object鄄oriented classification
参考数据 Reference data 用户精度 / %User忆s accuracy
分类数据 类别 非植被 针叶 阔叶 样本数
Classified data 非植被 60 9 6 75 80.0
针叶林 0 49 8 57 85.96
阔叶林 6 14 104 124 83.87
样本数 66 72 118 256 —
生产者精度 / %
Producer忆s accuracy 90.91 68.06 88.14 — 总体精度:83.20
图 6摇 部分研究区阳性冠幅提取结果图
Fig.6摇 PoCA extraction results for part of the study area
2.2摇 基于 PoCA的地上生物量估算模型
通过回归分析发现,样地水平的 PoCA与 AGB之间呈较好的相关关系, 建立针叶林和阔叶林的 AGB 估
算模型分别为 AGB= 10.148PoCA1.051和 AGB= 3.0836PoCA1.245。 模型估算的针叶林和阔叶林 AGB 与观测数据
比较的R2分别为0.62(P<0.01,n = 9)和0.56(P<0.01,n = 16)。模型验证结果表明,所建AGB估算模型的可
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表 3摇 样方生物量和提取的阳性冠幅面积统计
Table 3摇 Statistical field measured AGB and extracted PoCA of every sample plot
样方号
Quadrat
number
优势树种
Dominant Species
株数
Tree number
平均树高 / m
Average
height
平均胸径
Average
DBH / cm
样方生物量
Quadrat AGB
/ (kg / m2)
样方总阳
性冠幅
Total quadrat
POCA / m2
01 马尾松 pinus thunbergii 46 21.67 31.0 9.97 524.42
02 喜树 Camptotheca acuminata 63 16.50 22.5 10.07 617.70
03 麻栎 Quercus acutissima 56 18.50 26.7 25.88 604.74
04 枫香 Liquidambar formosana 81 15.70 22.3 9.31 608.74
05 麻栎 Quercus acutissima 50 14.60 24.2 15.08 444.80
06 黑松 pinus thunbergii 57 12.50 24.4 8.34 354.56
07 刺槐 Robinia pseudoacacia 26 19.50 34.5 24.98 602.88
08 马尾松 pinus thunbergii 91 21.00 33.6 16.23 302.88
09 麻栎 Quercus acutissima 86 13.87 18.8 9.61 443.53
10 麻栎 Quercus acutissima 89 13.67 18.8 8.77 417.92
11 麻栎 Quercus acutissima 24 20.33 28.9 25.95 610.56
12 马尾松 pinus thunbergii 37 16.00 22.1 7.31 569.44
13 麻栎 Quercus acutissima 48 15.50 24.8 13.55 608.64
14 麻栎 Quercus acutissima 42 17.25 25.9 20.34 606.72
15 栾树 Koelreuteria paniculata 98 11.67 12.5 13.59 578.40
16 枫香 Liquidambar formosana 35 14.00 24.1 21.73 513.94
17 马尾松 pinus thunbergii 72 11.34 18.7 4.66 518.24
18 栾树 Koelreuteria paniculata 67 11.63 15.7 11.80 522.88
19 杉木 Cunninghamia lanceolata 46 14.00 20.6 13.22 464.48
20 麻栎 Quercus acutissima 31 10.50 23.0 29.21 598.42
21 麻栎 Quercus acutissima 94 8.67 19.2 10.44 525.74
22 麻栎 Quercus acutissima 83 11.40 16.9 8.23 528.08
23 马尾松 pinus thunbergii 50 13.20 25.1 7.07 278.40
24 马尾松 pinus thunbergii 59 8.20 20.2 4.57 338.56
25 麻栎 Quercus acutissima 98 9.13 14.4 7.50 401.92
26 马尾松 pinus thunbergii 78 13.63 25.3 13.69 413.72
27 马尾松 pinus thunbergii 55 9.90 24.3 12.60 420.28
28 枫香 Liquidambar formosana 56 10.17 23.1 17.01 547.20
29 杉木 Cunninghamia lanceolata 92 11.34 23.9 12.01 311.04
30 枫香 Liquidambar formosana 60 12.40 20.7 19.80 573.44
31 麻栎 Quercus acutissima 44 10.33 20.3 21.47 568.32
32 马尾松 pinus thunbergii 47 10.00 23.8 7.96 326.40
33 枫香 Liquidambar formosana 52 11.50 19.0 8.95 427.52
34 马尾松 pinus thunbergii 57 10.35 19.4 10.55 349.44
35 马尾松 pinus thunbergii 68 10.67 15.0 8.14 358.40
36 枫香 Liquidambar formosana 37 14.77 21.6 15.24 436.85
37 马尾松 pinus thunbergii 58 10.56 18.7 11.76 601.60
38 马尾松 pinus thunbergii 31 13.03 18.8 6.17 378.88
39 枫香 Liquidambar formosana 72 12.00 16.9 12.05 617.60
40 枫香 Liquidambar formosana 41 12.15 36.0 22.37 615.68
41 枫香 Liquidambar formosana 42 11.24 18.7 12.65 618.24
摇 摇 AGB: Aboveground biomass
靠性较高,估算的针叶林和阔叶林 AGB 与观测数据比较的 R2分别为 0.55(P<0.01,n = 5)和 0.52(0郾 01, n =
10)。 但地上生物量较低时,模型结果偏高;而当地上生物量较高时,模型结果偏低。 所建针叶林 AGB 估算模
型优于阔叶林模型,这与树冠结构特征有关,针叶树冠形状较为规则,一般呈伞状,树木相互之间的重叠较少,
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利用遥感数据提取的树冠轮廓精度较高,提取得到的 PoCA基本近似于真实的树冠面积。 而阔叶树的树冠很
不规则,当林分郁闭度较高时树冠之间的重叠现象比较严重,导致自动提取的阔叶树 PoCA 与真实的树冠面
积差别较大,估算的 AGB误差较大(图 7)。
图 7摇 基于 PoCA的 AGB估算模型和模型验证结果
Fig.7摇 Empirical models for estimating AGB of conifer and broadleaf forests based on PoCA and validation of modeled AGB for conifer
and broadleaf forests
最终,根据建立的生物量估算模型,进行森林地上生物量制图,生成了研究区内森林地上生物量空间分布
图(图 8)。 从图 8可以看出,单木的 AGB 存在明显的空间变化特征,单木的 AGB 主要集中在 0—400 kg 之
内,其空间分布相对集中;AGB介于 400—700 kg之间的单木数量较少,空间分布相对分散;而 AGB 高于 700
kg的单木数目很少,空间分布很零散。
3摇 结论与讨论
本研究基于冠层冠幅可以估算 AGB,而阳性冠幅与冠层冠幅相关的事实,采用面向对象的图像分析方
法,从融合的 IKONOS影像中提取单木的阳性冠幅,用于估算生物量。 结果表明,在经过充分训练后面向对象
的分析方法应用于单木 PoCA的提取具有较高精度(总体精度为 83.20%,Kappa系数为 0.7370),在样地尺度,
PoCA与 AGB之间具有较好的相关性,基于 PoCA 建立的针叶林和阔叶林 AGB 估算模型的 R2分别达到了
0郾 62(P<0.01,n= 9)和 0.56(P<0.01,n= 16),模型验证也表明,所建模型具有较好的可靠性。 从而说明,通过
高分辨率遥感数据提取 PoCA进行森林地上生物量的是可行性的。 同时,针叶林 PoCA与 AGB之间的相关性
优于阔叶林,表明这一方法更适用于针叶林地上生物量的遥感估算。
但是,本研究尚存在一些不足,需要进一步深入研究。
由于树冠之间的重叠,使得进行图像分割时分割尺度的选择存在一定的困难,分割尺度设置过小时会发
生过度分割现象,而分割尺度设置过大时则会导致欠分割的问题。 本研究采取尺度分割试验的方法确定该参
数,具有一定的主观性。 随着激光雷达的不断发展,今后可以考虑加入激光雷达数据,结合其高度信息,提高
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图 8摇 部分研究区地上生物量分布图
Fig.8摇 AGB map for part of the study area
树冠分割精度。
图像分割是高分辨率遥感图像进行面向对象分析的前提和基础,图像分割结果的质量直接影响后续处理
的精度,但是,目前还缺乏统一可靠的图像分割精度评价标准。 因此,如何建立统一可靠的图像分割精度评价
标准将是今后需要进一步研究的问题。
由于 IKONOS数据的全色波段空间分辨率实际可达到 81 cm,理论上大于 81 cm的单木树冠都可以通过
相关的图像分析方法从影像上提取出来,由于卫星扫描姿态偏移以及太阳天顶角偏大等因素,图像上会存在
地物阴影,影响树冠提取精度。 本研究所采用的影像数据太阳天顶角较小,所以没有考虑阴影的影响。
在进行样地 AGB计算时,使用的是文献中发表的生物量计算方程,其建模使用数据的样地条件与本研究
的样地存在一定的差异,会导致 AGB的计算结果的一定误差,从而在一定程度上影响到 AGB 估算模型的精
度评价结果。 加之由于观测条件的限制,野外观测数据样本数相对偏少,对提取的 PoCA 无法进行有效验证
等缺陷。 所以,本文所建立模型的适用性还有待进一步的验证。
冠幅与 AGB 之间关系随树种和森林年龄变化, 由于植被冠层光谱的相似性,要从影像上对每一种树种
进行分类在现研究阶段还很困难,本研究中只分为针叶林和阔叶林两大类,分别进行建模,也没有考虑森林年
龄的作用。
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叶生态学报曳圆园员猿年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
叶生态学报曳主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果遥 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章曰研究简报曰生态学新理论尧新方法尧新技术介绍曰新书评价和
学术尧科研动态及开放实验室介绍等遥
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主摇 摇 编摇 王如松
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主摇 摇 办摇 中国生态学学会
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