东北林区森林生物量遥感估算及分析

摘要

全球气候变化已经是一个无可争议的事实,极端天气和自然灾害频发已经严重的影响了人类的生产和生活。哥本哈根会议虽然未能就减排等问题达成一项具有约束力的协议,但发展低碳经济促进节能减排已经成为各国的一个基本共识,同时也可以看出气候变化是个极其复杂的问题,远远超出环境的传统范畴,它涉及政治、经济、国际法律等诸多复杂问题。因此全球碳循环也就成为科学界广泛关注的研究课题。陆地生态系统中大约77％的植被碳储藏在森林生物量中,因此森林生物量是陆地生态系统碳循环过程中最主要的参数,它直接反应森林的碳储量。我国东北森林是世界上3大块温带森林之一,占全国森林面积和森林蓄量积的1/3以上,在我国和全球碳循环、林业和生态环境建设中起着举足轻重的作用。然而东北森林碳循环的研究尚不全面,在我国和全球碳循环评估、建模和预测中还急需来自该区域的研究成果。本研究立足于相关的两个科学问题,一是如何准确的获取大尺度的森林生物量,二是森林生物量的时空变化及其驱动定量分析。遥感和地理信息系统是解决问题的关键技术,针对上述问题展开了如下研究并得出相应的主要结论:
　　 1、遥感数据的处理,包括几何校正和辐射校正,研究大尺度问题时需要多期不同时相的遥感数据的辐射归一化,这是正确利用遥感信息的基础工作。
　　 2、将东北林区按植被地理分布划分为大兴安岭,小兴安岭和长白山,结合行政区划将长白山分为吉林长白山和黑龙江长白山,四个区域分别估算森林生物量。
　　 3、地面生物量模型的研建。这是遥感估算森林生物量的基础,本研究采用两种方法建立地面生物量模型,一是常规统计模型,应用于大兴安岭和长白山林区,包括大兴安岭7个主要树种,长白山林区18个主要树种。二是统一生物量模型,本次研究提出了“切比雪夫(chebyshev)正交多项式配合偏最小二乘建立地面统一生物量模型”,把生物量模型看作是连续函数空间中的一个元素,找到这个空间的一组基,则树种生物量统一模型可表示为这组基的线性组合。模型提出的过程,数学推导严密,参数用偏最小二乘方法解算,模型结果与已有的生物量模型结果比较并用地面实测数据进行验证,整个建模过程科学严谨,该模型具有很好的通用型,在地面生物量模型方面是一种新的方法。该模型应用于小兴安岭林区,建立了16个主要树种以胸径为自变量的统一生物量模型。统一生物量模型比常规统计模型平均精度高出5％以上。
　　 4、根据不同区域的乔、灌、草生物量模型计算森林资源清查样地的生物量,以此作为建立遥感模型的基础数据。
　　 5、采用逐步回归、BP神经网络和Erf-BP神经网络常规手段建立各个区域的森林生物量估算模型,结果表明逐步回归模型精度较低,为75％左右,难以达到精度要求;Erf-BP神经网络模型精度较高,达到80％以上,但受其自身算法特点的约束难以在大区域进行推广应用。
　　 6、偏最小二乘模型估算森林生物量是一种新的方法,使用该方法估算森林生物量与回归模型比较精度有较大提高,达到80％以上,特别是非线性偏最小二乘模型效果更好,但由于该方法算法复杂,程序运行时间长,非线性模型形式不确定,给大区域的遥感估算带来问题,因此该方法也仅停留在小区域实验上。
　　 7、联立方程组与度量误差模型估算森林生物量,这是新型统计方法在遥感提取地物参数方面新思路,研究结果表明,该方法比常规统计方法更具合理性。联立方程组与度量误差模型在林分生长模型中有较好的应用,但尚未应用于遥感提取专题信息。本研究将联立方程组与度量误差模型引入到森林生物量的遥感估算中,一方面探索了新的遥感估算模型,另一方面为多传感器的联合估算专题信息提供了新的方法。生物量与叶面积指数的联立结合了多角度遥感,采用物理模型与统计模型相结合的算法,针叶模型平均检验精度83.3％,RMSE=17.72,阔叶模型平均检验精度83.0％,RMSE=20.28;生物量与树高联立结合了激光雷达,平均检验精度81.0％,RMSE=15.19;生物量与后向散射系数联立结合了微波遥感,对主被动遥感联合进行森林生物量估算的方法进行尝试,平均检验精度83.9％,RMSE=20.36。这些方法均能够在一定程度上提高森林生物量的估算精度,最后考虑生物量估算的可实现性选择了郁闭度联立方程组模型作为本研究的最优模型,该模型平均检验精度83.1％,RMSE=20.01。
　　 8、森林生物量时空变化分析。在GIS空间分析和地统计分析的基础上,广泛收集了研究区域几十年的气象数据、经营活动数据和社会经济数据,采用典型相关分析、主成分分析和偏最小二乘相结合的算法,开发了区域森林生物量变化驱动因子分析的计算程序,定量地计算出每个因子对于生物量变化影响的重要性值。
　　 根据上述研究得出结论,逐步回归模型精度难以满足要求,神经网络模型和偏最小二乘模型精度较高但算法复杂,仅能用于小区域实验研究,联立方程组和度量误差模型精度较高,算法简单适合大区域遥感估算。对森林生物量的时空变化分析表明森林生物量变化在70-80年代经营措施是主要驱动因子,80-90年代从各个影响生物量变化的因子重要值看,3类因子都起到重要的影响作用,90年代末到现在经营措施类因子的重要性大幅度降低,自然因素和社会经济因素的影响升高,说明天然林保护工程初见成效。