利用多源遥感数据绘制森林地上生物量地图
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文章简介
大气中增加的CO2大部分来于自化石燃料的燃烧，而诸如毁林等土地利用变化也向大气中释放了大量的CO2。森林不仅能够为人类提供基本的生态系统服务，同时也可以通过光合作用吸收大气中的CO2并将其转化为有机物。此外，地球陆地表面的大部分地上生物量都储存在森林中。因此，森林生物量在全球碳循环中发挥着关键作用。然而，对森林地上生物量 (Forest Above Ground Biomass, FAGB) 的准确估计还是较为困难的。
基于此，来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校地理系的Dekker Ehlers博士及其团队在Remote Sensing 期刊发表了文章，该研究旨在开发一种新的算法，利用与森林中树种的高度、胸径 (Diameter at Breast Height, DBH) ，以及与树种有关多个传感器的遥感数据来绘制 FAGB 地图，从而克服现有 FAGB 制图算法的局限性，进而提高 FAGB 制图的精度。
研究过程与结果
本研究区域位于美国北卡罗莱纳州东部，研究区域的面积约为23,000 km2，其卫星遥感图像如图1所示。该地区属于南部沿海平原，拥有重要的森林资源，其中大部分的森林植被类型为针叶林，并且以火炬松为森林主要的组成树种。
图1. 位于北卡罗来纳州东部的研究区域 (红线范围)。
本研究中，作者所使用的森林调查数据来自于美国林务局森林调查和分析中心 (Forest Service Forest Inventory and Analysis, FIA)。作者将样地内所有树木 (DBH大于5英寸) 的地上生物量之和作为该样地的FAGB，同时将研究区域内2013~2015年采集的样地数据作为模型开发和评估的主要参考依据。作者通过多时相 Landsat 图像以及LiDAR数据，分别获取了研究区域森林的物种组成信息、冠层高度信息、两种空间分辨率下树冠大小的图像纹理和图像纹理比 (与胸径有关) 等信息。除此之外，作者还使用了雷达数据，并为模型提供了冠层体积信息 (表1)。基于以上所有数据，作者通过随机森林 (Random Forest, RF) 构建了生物量模型，以期克服现有FAGB制图算法的局限性，并提高FAGB制图的精确性。具体的模型构建与开发流程图如图2所示。
图2. 生物量模型开发流程图。
根据赤池信息量准则 (Akaike Information Criterion, AIC) 值的大小，随机森林算法共筛选出了18个变量。各变量的重要性排序如图3所示。其中，前5个最为重要的变量都来自激光雷达提供的冠层高度度量，包括ZQ95、ZQ85、ZQ75、ZQ50和SD_ZQ85。此外，来自激光雷达传感器的 ZQ25和SD_ZQ50也纳入了生物量估算模型，尽管这些变量的重要性相对较低。随机森林算法的结果表明，前4个最重要的变量是ZQ95、ZQ85、ZQ75和ZQ50冠层高度，其次是SD_ZQ85 (图3)。此外，Landsat 8影像中的变量按重要性排序依次为：G_summer、SI_winter、EVI_winter、NDVI_summer 和 B_summer (图3)。最佳模型的R2为0.625，RMSE为18.8 mg/ha (47.6%)。当使用选定的模型绘制生物量地图并使用所有FIA地块的生物量进行验证时，R2增加到0.64，RMSE 为10.8 mg/ha (图4)。预测生物量和FIA生物量沿1:1线分布良好，但低生物量样地的FAGB较估计值略高，而高生物量样地的FAGB较估计值略低 (图4)。
图3. 随机森林模型变量重要性排序。
图4. 森林地上生物量预测与 FIA 测量散点图。
通过使用所选定的随机森林 (RF) 模型，作者最终绘制了森林地上生物量地图 (图5)。研究结果表明，该地区主要是农业用地，并没有大面积的高生物量土地。此外，最高的生物量土地主要分布在河岸带，其原因主要是这些地区严格禁止森林树木的砍伐，且河岸带地区具有丰富的养分和水分条件，这也有利于森林树木的生长。
图5. 基于最佳模型估计位于北卡罗莱纳州东部的研究区域的森林地上生物量空间分布图。
研究总结
本研究提出了一个利用遥感数据绘制森林地上生物量的概念模型。新的概念模型假设需要遥感数据来提供物种组成、树冠高度和胸径等信息。作者通过融合来自Landsat的光学中等分辨率数据、来自USDA NAIP的高分辨率图像、机载激光雷达和来自Sentinel-1的雷达图像来测试本研究中所构建和开发的概念模型，并绘制了森林地上生物量地图。此外，作者还发现本研究所构建的模型是比较稳健的，因为模型的性能对训练集样本大小的微小变化表现的并不敏感。同时，作者也提出需要通过进一步测试在生物量范围更广、物种组成更丰富的地区，开展更多的研究，来进一步验证和不断测试关于地上生物量制图的概念模型。
文章链接：https://www.mdpi.com/2072-4292/14/5/1115
