合成孔径雷达森林树高和地上生物量估测研究进展

微波遥感具有一定的穿透性,能够与森林内部的散射体发生相互作用,从而获得指示森林垂直方向的参数,被认为在森林垂直结构参数估测方面具有很大的潜力。PolSAR、InSAR、PolInSAR、多基线InSAR以及多基线PolInSAR技术的发展进一步拓展了微波遥感在林业中的应用,为森林垂直结构参数估测提供了可行的解决方案。首先总结了森林垂直结构剖面的层析提取方法;然后重点阐述了林下地形、森林树高以及森林地上生物量的微波遥感估测方法;最后就森林垂直结构参数估测研究中存在的问题及其发展趋势进行了分析。
     

基于光学多光谱与SAR遥感特征快速优化的大区域森林地上生物量估测

针对基于多模式遥感手段的大区域森林地上生物量（AGB）定量反演效率低的问题,充分集成主、被动遥感对森林AGB多维观测特征,提高区域定量反演结果;针对两期反演结果分析,揭示区域森林AGB空间变化格局,为科学评估区域生态环境保护（如天然林保护）、提升国家生态环境遥感连续动态监测与预警能力提供支撑。以内蒙古大兴安岭林区为研究区,以2009年为主的光学LandsatTM5（TM）与ALOS-1 PALSAR,以及2014年为主的高分一号（GF-1）与ALOS-2 PALSAR两期主、被动遥感数据提取特征因子,利用快速迭代特征选择的k-NN方法（k-Nearest Neighbor with Fast Iterative Features Selection,KNN-FIFS）,实现主、被动遥感特征组合快速优化及最优估测模型构建;基于第七次、第八次森林资源连续清查样地数据,对两期研究区森林（乔木）AGB进行定量反演与留一法（LOO）验证;根据两期反演结果叠加对比,在样地和区域尺度上定量分析研究区2009~2014年间森林AGB变化。在样地尺度上,基于森林资源清查样地结果与LOO法验证结果表明,2009年的AGB反演结果R²=0.56,RMSE=25.95 t/hm²;2014年R²=0.64;RMSE=24.55 t/hm²。2009年反演均值较样地计算结果均值偏高（预测：81.59 t/hm²,实测：78.64 t/hm²）;而2014年反演均值较样地计算结果偏低（预测：79.63 t/hm²;实测：82.48 t/hm²）。从区域尺度来看,2009年平均森林AGB为88.33 t/hm²;2014年的为94.61 t/hm²;平均AGB增长量为6.28 t/hm²;与前期研究利用扩展生物量因子法计算的结果接近（2008年和2013年分别为87.14 t/hm²、92.20 t/hm²）。采用基于快速迭代的KNN-FIFS方法,可大幅度提升高维度多模式遥感特征优选效率;充分融合主、被动遥感的多维观测特征,提高森林AGB反演精度及饱和点。在像素尺度上（30 m）利用LOO法对KNN-FIFS反演结果进行了验证,具有更强鲁棒性,避免了由于训练、检验样本抽选造成的随机误差。2009~2014年期间,内蒙古大兴安岭林区植被覆盖度整体呈现了明显的增长趋势;森林AGB也相应增加。自天然林保护工程实施以来,尽管森林火灾造成了局部较为严重的森林退化（覆盖度、AGB）,但整体森林资源状况得到有效改善。     

基于光学多光谱与SAR遥感特征快速优化的大区域森林地上生物量估测

针对基于多模式遥感手段的大区域森林地上生物量（AGB）定量反演效率低的问题，充分集成主、被动遥感对森林AGB多维观测特征，提高区域定量反演结果；针对两期反演结果分析，揭示区域森林AGB空间变化格局，为科学评估区域生态环境保护（如天然林保护）、提升国家生态环境遥感连续动态监测与预警能力提供支撑。以内蒙古大兴安岭林区为研究区，以2009年为主的光学LandsatTM5（TM）与ALOS-1 PALSAR，以及2014年为主的高分一号（GF-1）与ALOS-2 PALSAR两期主、被动遥感数据提取特征因子，利用快速迭代特征选择的k-NN方法（k-Nearest Neighbor with Fast Iterative Features Selection，KNN-FIFS），实现主、被动遥感特征组合快速优化及最优估测模型构建；基于第七次、第八次森林资源连续清查样地数据，对两期研究区森林（乔木）AGB进行定量反演与留一法（LOO）验证；根据两期反演结果叠加对比，在样地和区域尺度上定量分析研究区2009~2014年间森林AGB变化。在样地尺度上，基于森林资源清查样地结果与LOO法验证结果表明,2009年的AGB反演结果R²=0.56，RMSE=25.95 t/hm²；2014年R²=0.64；RMSE=24.55 t/hm²。2009年反演均值较样地计算结果均值偏高（预测：81.59 t/hm²，实测：78.64 t/hm²）；而2014年反演均值较样地计算结果偏低（预测：79.63 t/hm²；实测：82.48 t/hm²）。从区域尺度来看，2009年平均森林AGB为88.33 t/hm²；2014年的为94.61 t/hm²；平均AGB增长量为6.28 t/hm²；与前期研究利用扩展生物量因子法计算的结果接近（2008年和2013年分别为87.14 t/hm²、92.20 t/hm²）。采用基于快速迭代的KNN-FIFS方法，可大幅度提升高维度多模式遥感特征优选效率；充分融合主、被动遥感的多维观测特征，提高森林AGB反演精度及饱和点。在像素尺度上（30 m）利用LOO法对KNN-FIFS反演结果进行了验证，具有更强鲁棒性，避免了由于训练、检验样本抽选造成的随机误差。2009~2014年期间，内蒙古大兴安岭林区植被覆盖度整体呈现了明显的增长趋势；森林AGB也相应增加。自天然林保护工程实施以来，尽管森林火灾造成了局部较为严重的森林退化（覆盖度、AGB），但整体森林资源状况得到有效改善。     

基于光学与SAR因子的森林生物量多元回归估算

基于福建省Landsat-8 OLI影像，利用混合像元分解模型从实测样地数据中筛选出“纯净”的植被像元，并将筛选出的样地分为针叶林、阔叶林和混交林3种植被类型，依次提取3种不同植被类型“纯净”植被像元的树高、林龄、坡度属性信息以及对应的光学NDVI、RVI植被因子和合成孔径雷达（SAR）HH、HV极化后向散射因子，分别构成不同植被类型的“含光学特征多元因子”（NDVI、RVI、树高、林龄、坡度）和“含SAR特征多元因子”（HH、HV、树高、林龄、坡度），开展对比研究。采用含光学特征的多元因子回归模型先估测不同植被类型的森林叶生物量，然后根据叶生物量与地上生物量的关系间接估测森林地上生物量。同时，采用含SAR特征的多元因子回归模型直接估测森林的地上生物量。最后，对比分析这两组多元回归模型的估测精度。结果表明：不同植被类型的含光学特征多元回归模型的验证精度（针叶林：R²为0.483，RMSE为29.522 t/hm²；阔叶林：R²为0.470，RMSE为21.632 t/hm²；混交林：R²为0.351，RSME为25.253 t/hm²）比含SAR特征多元回归模型的验证精度（针叶林：R²为0.319，RMSE为28.352 t/hm²；阔叶林：R²为0.353，RMSE为18.991t/hm²；混交林：R²为0.281，RMSE为26.637 t/hm²）略高，说明在福建省森林生物量估算中采用含光学特征的多元回归模型（先估测叶生物量进而间接估测地上生物量）比利用含SAR特征的多元回归模型（直接估测地上生物量）更具优势。     

基于光学与SAR因子的森林生物量多元回归估算

基于福建省Landsat-8 OLI影像,利用混合像元分解模型从实测样地数据中筛选出“纯净”的植被像元,并将筛选出的样地分为针叶林、阔叶林和混交林3种植被类型,依次提取3种不同植被类型“纯净”植被像元的树高、林龄、坡度属性信息以及对应的光学NDVI、RVI植被因子和合成孔径雷达（SAR）HH、HV极化后向散射因子,分别构成不同植被类型的“含光学特征多元因子”（NDVI、RVI、树高、林龄、坡度）和“含SAR特征多元因子”（HH、HV、树高、林龄、坡度）,开展对比研究。采用含光学特征的多元因子回归模型先估测不同植被类型的森林叶生物量,然后根据叶生物量与地上生物量的关系间接估测森林地上生物量。同时,采用含SAR特征的多元因子回归模型直接估测森林的地上生物量。最后,对比分析这两组多元回归模型的估测精度。结果表明：不同植被类型的含光学特征多元回归模型的验证精度（针叶林：R²为0.483,RMSE为29.522 t/hm²;阔叶林：R²为0.470,RMSE为21.632 t/hm²;混交林：R²为0.351,RSME为25.253 t/hm²）比含SAR特征多元回归模型的验证精度（针叶林：R²为0.319,RMSE为28.352 t/hm²;阔叶林：R²为0.353,RMSE为18.991t/hm²;混交林：R²为0.281,RMSE为26.637 t/hm²）略高,说明在福建省森林生物量估算中采用含光学特征的多元回归模型（先估测叶生物量进而间接估测地上生物量）比利用含SAR特征的多元回归模型（直接估测地上生物量）更具优势。     

基于GF-1遥感数据的若尔盖高寒沼泽湿地地上生物量与土壤有机碳密度估算

随着我国遥感技术迅速的发展,国产系列卫星数据越来越多的应用到各个行业中.在湿地遥感监测方面,湿地生物量和碳储量的遥感估算研究是研究人员非常关注的研究问题,我国自主研制的高分(GF)系列卫星为湿地生态系统的资源监测提供新的途径和方法.提出了基于GF-1卫星的若尔盖高寒沼泽湿地地上生物量与土壤有机碳密度估算方法,通过选取G...     

三峡库区森林生物量和碳储量的遥感估测研究

提出了一种利用遥感数据、气象数据、地形数据以及森林调查数据反演森林生物量和碳储量的新方法,以尺度生长理论为基础,利用环境和地形因子、森林资源调查样地数据等资料,估算了三峡库区森林树高、树高与胸径之间的尺度关系、以及森林胸径分布图,并在此基础上,利用生物量样地数据建立了胸径和生物量之间的尺度关系方程,反演得到2008年研究区的生物量为1.34×108t和碳储量为6.37×108t.     

基于特征优选的GF-3全极化数据积雪识别

以新疆阿尔泰山南麓克兰河流域典型区为研究区,利用GF-3全极化数据进行积雪探测,提出了一种基于特征优选的积雪识别方法。首先通过极化分解获取了GF-3数据的22个极化特征,并利用随机森林方法计算各特征的重要性,构建特征优选规则生成最优特征集,然后基于最优特征集对积雪进行识别。分析特征的重要性发现,同极化后向散射系数对积雪识别的贡献比交叉极化的贡献大,面散射和体散射对积雪识别的贡献比二面角散射贡献大。将该方法与最大似然法、支持向量机、BP神经网络3种分类器的对比发现,使用最优特征集并且利用随机森林方法的积雪识别精度最高（F指数为0.86,总体精度为0.79）。结果表明：基于特征优选进行积雪识别,不仅使得积雪识别效率得到提高,而且保持精度不变甚至有所增加,证明了该方法在积雪识别中的有效性。     

洪河湿地植被地上生物量遥感反演研究

在对洪河湿地植被地上生物量实地采样调查的基础上,利用准同步的TM数据建立了洪河湿地地上生物量遥感反演模型。主要研究了洪河湿地植被地上生物量的空间分布情况,并结合研究区的DEM分析生物量空间分布特征和高程的相关关系。并分析了不同生物量范围内,生物量与高程之间相关性存在差异的原因。研究表明:多元回归模型与其他模型相比拟合精度最高,决定系数为0.813,是洪河湿地地上生物量估算的精度最优模型;经估算得到2007年洪河湿地地上生物量主要集中分布于600~1 200 g/m²之间,总生物量为2.4856×10⁸g,平均生物量为934.7105 g/m²。通过生物量与DEM的相关分析得到,在生物量值为0~600 g/m²的低生物量分布区域,生物量与高程之间存在较好的相关性,相关系数为0.79839;在生物量为600~1 200 g/m²和1 200 g/m²以上范围内,生物量与高程值之间相关性较弱。     

基于无人机与卫星遥感的草原地上生物量反演研究

草原生物量是评价草原生态系统功能的重要参数。为了快速、准确、有效地估算草原地上生物量,以呼伦贝尔草原为研究区,基于无人机多光谱影像和卫星遥感(Sentinel-2)影像,选择GNDVI、LCI、NDRE、NDVI、OSAVI、EVI等6个植被指数,结合实测地上生物量数据,建立植被指数回归模型,并采用留一法交叉验证进行精度评价。结果表明：基于无人机多光谱影像的LCI-生物量回归模型(RRMSE为18%,测量值与预测值R²为0.70)和NDRE-生物量模型(RRMSE为18%,测量值与预测值R²达到0.71)精度高于其他植被指数回归模型;基于无人机多光谱影像的生物量—植被指数模型(RRMSE均低于22%)模拟精度均优于基于Sentinel-2影像的生物量—植被指数模型(RRMSE均高于25%),可以更精确地反演草原地上生物量,研究结果可为草原生物量精准反演提供科学方法和依据。     

全极化SAR数据信息提取研究

全极化SAR(Synthetic Aperture Radar)测量的是每一像元的全散射矩阵,可合成包括线性极化、圆极化及椭圆极化在内的多种极化图像。因此与常规的单极化和多极化SAR相比,在雷达目标探测、识别、纹理特征的提取等方面全极化SAR具有很多优点。基于新疆和田地区的SIR-C L波段全极化雷达数据,介绍了极化合成的基本原理和数据处理流程,分析了几种典型地物全极化信号的特点,并在此基础上用监督分类法进行了全极化SAR数据的信息提取。结果表明:全极化SAR数据比单极化和多极化SAR数据具有更高的分类精度,并有效地的提取出地表信息,为利用SAR数据反演地表参数打下了基础。     

基于GF-1PMS数据的森林覆盖变化检测

我国南方人工林场经营强度大,森林覆盖变化频繁,因此,准确、快速地获取森林覆盖变化信息,对研究生态环境变化和经营管理具有重要意义.目前应用较多的森林覆盖变化检测方法主要有直接比较分析法和先分类后比较法,为了探究直接比较分析法和先分类后比较法两种变化检测方法在经营强度大且地形复杂的我国南方人工林场森林覆盖变化检测中的适用性...     

基于SPOT5遥感影像丰宁县植被地上生物量估测研究

利用SPOT5遥感影像数据和同期获得的野外调查样地数据,基于按植被类型分类估测的方法,研究了河北省丰宁满族自治县植被地上生物量的遥感估测技术。研究结果显示,SPOT5影像的4个波段反射率和中红外植被指数(VI3)结合建立的多元回归模型,可用于森林生物量的遥感估测,估测的R2值达0.540,说明中红外波段信息提高森林生物量的估测精度有一定作用;通过分析样地生物量与多种植被指数的相关性发现,基于比值植被指数(RVI)的指数回归模型是灌丛生物量估测的最佳模型,估测的R2值达0.711,基于归一化植被指数(NDVI)的简单线性回归模型为估测草地生物量的最佳模型,R2值达0.790。利用2008年的全覆盖SPOT5影像,获得了丰宁县2008年植被地上生物量分布图,除农田植被外,全县地上生物总量为3.706×107 t,单位面积生物量平均为51.223t/hm2,其中,森林植被总生物量为3.578×107 t,灌丛植被总生物量为1.048×106 t,草地植被总生物量为2.277×105 t。     

基于Landsat 8 OLI的特征变量优化提取及森林生物量反演

基于江苏省常熟市虞山地区Landsat 8OLI影像和55块调查样地数据,利用多元逐步回归法建立森林生物量模型,并讨论了预测结果及其精确性。选择包括各波段灰度值、不同波段灰度值之间的线性和非线性组合(包括18种植被指数)、纹理信息以及主成分分析、最小噪声分离变换等在内的53个特征变量。通过分析53个特征变量与森林地上、地下生物量的Pearson相关性,进行特征变量的优化提取。结果表明:所有样地无区分分析时,地上和地下生物量的模型精度均达到0.4以上,基于3种森林类型(针叶林、阔叶林和混交林)进行地上和地下生物量建模时精度有明显提高,达到0.67以上,地上生物量和地下生物量的估测结果均为混交林优于阔叶林,阔叶林优于针叶林。     

极化干涉SAR森林高度估计性能仿真研究

研究森林高度精确估计问题,针对森林高度估计性能无法用系统误差直接解析表示的问题,极化干涉合成孔径雷达(SAR)可以实现对森林高度的估计,将相干性作为中间参量引入仿真模型中.将系统误差用相干性的大小进行解析表征,接着以相干性的大小作为输入仿真极化干涉SAR数据,利用数据估计出森林高度,并分析森林高度的估计性能,可将系统误差与森林高度估计性能建立联系.在MATLAB平台上进行仿真实验,结果表明,方法可以有效地分析系统误差,对森林高度可以准确做出估计.     

不同树种组的热带森林植被生物量与遥感地学数据之间的相关性分析

以我国云南省西双版纳的热带森林为例,分别对栎类林、其它阔叶林、其它硬阔叶林的生物量与其对应的Landsat TM数据及其派生数据、气象数据和地形数据进行了相关性分析。首先,利用森林资源连续清查的林业固定样地数据,通过各树种组的各器官生物量估算模型计算出各样地的森林植被的生物量。然后,根据样地的坐标来建立样地GIS数据库。其次,将同期的遥感影像、气象数据和地形数据与GIS数据进行配准,并从遥感影像中产生出一系列的派生数据。最后,在此基础上,分别对栎类林、其它阔叶林、其它硬阔叶林的样地生物量与其遥感数据和派生数据、气象数据和地形数据进行相关性分析。研究表明,栎类林的生物量与TM1、TM2、TM3、TM4、TM5、TM7、缨帽变换的亮度、绿度、湿度、VI3、DVI、PC1和PVI在0.05的水平上显著,而与其它因子在这个水平上相关都不够显著。其它阔叶林的生物量与降雨量在0.05的水平上显著,而与其它因子在这个水平上相关都不够显著。其它硬阔叶林的生物量与降雨量在0.05的水平上显著,而与其它因子在这个水平上,其相关都不够显著。     

不同树种组的热带森林植被生物量与遥感地学数据之间的相关性分析

以我国云南省西双版纳的热带森林为例,分别对栎类林、其它阔叶林、其它硬阔叶林的生物量与其对应的Landsat TM数据及其派生数据、气象数据和地形数据进行了相关性分析。首先,利用森林资源连续清查的林业固定样地数据,通过各树种组的各器官生物量估算模型计算出各样地的森林植被的生物量。然后,根据样地的坐标来建立样地GIS数据库。其次,将同期的遥感影像、气象数据和地形数据与GIS数据进行配准,并从遥感影像中产生出一系列的派生数据。最后,在此基础上,分别对栎类林、其它阔叶林、其它硬阔叶林的样地生物量与其遥感数据和派生数据、气象数据和地形数据进行相关性分析。研究表明,栎类林的生物量与TM1、TM2、TM3、TM4、TM5、TM7、缨帽变换的亮度、绿度、湿度、VI3、DVI、PC1和PVI在0.05的水平上显著,而与其它因子在这个水平上相关都不够显著。其它阔叶林的生物量与降雨量在0.05的水平上显著,而与其它因子在这个水平上相关都不够显著。其它硬阔叶林的生物量与降雨量在0.05的水平上显著,而与其它因子在这个水平上,其相关都不够显著。     

基于特征值分解的全极化SAR遥感数据分类研究

应用极化目标特征值分解理论,研究了全极化合成孔径雷达图像的精细分类问题,在H-α-Wishart分类基础上引入平均散射功率,并根据不同地物的散射功率强度信息,给出了一种简单的阈值分割方法,最后利用鄱阳湖地区的Radarsat-2全极化数据进行了实验和分析,结果发现引入平均散射功率信息后的分类类别更多、精度更好。