森林地上生物量遥感反演研究进展

doi:10.13466/j.cnki.lczyyj.2023.06.018

摘要/Abstract

摘要：

森林地上生物量是反映森林生态系统状况的关键性指标之一,对全球气候变化、以及我国实现碳达峰和碳中和目标具有重要意义。遥感技术快速发展并日益成熟,已成为大区域尺度森林地上生物量反演的主要技术手段。通过系统梳理国内外相关文献资料,从数据源和反演模型两方面对森林地上生物量遥感反演研究进展进行讨论:从数据源角度,阐述分析光学遥感数据、合成孔径雷达数据、激光雷达数据等3种数据源提供的有效信息、优势及局限;从反演模型角度,结合实际应用案例讨论分析多元回归模型、机器学习算法、机理模型等3种模型的特点及适用范围。在总结现阶段利用遥感手段反演森林地上生物量存在问题的基础上,分析探讨未来森林地上生物量遥感反演的方向和热点。

关键词: 森林地上生物量, 遥感数据, 多元回归模型, 机器学习, 机理模型

Abstract:

Forest aboveground biomass is one of the key indicators to reflect the status of forest ecosystem,which is of great significance to global climate change and China's carbon peak and carbon neutrality.With the rapid development and increasing maturity of remote sensing technology,it has become the main technical means for retrieving above-ground forest biomass in large areas.In this paper,the research progress of remote sensing inversion of forest aboveground biomass was discussed from two aspects through systematic review of relevant literatures at home and abroad.From the perspective of data source,it can be summarized as inversion methods of optical remote sensing data,synthetic aperture radar data and LiDARdata,and the effective information,advantages and limitations provided by each data source are expounded and analyzed.From the perspective of inversion model,it can be summarized as multiple regression model,machine learning algorithm and mechanism model,and the characteristics of different models are discussed and analyzed combined with practical application cases.Finally,this paper summarized the existing problems in the inversion of forest above-ground biomass by remote sensing,and prospected the direction and hotspots of forest above-ground biomass inversion by remote sensing in the future.

Key words: forest aboveground biomass, remote sensing data, multiple regression model, machine learning, mechanism model

中图分类号:

TP79
S771.8

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图/表 5

表1

表2

表3

表4

表5

参考文献 94

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数据源	优势	局限	参考文献
光学遥感数据	有大量可用的免费数据集,能提供丰富的光谱变量,对森林冠层水平结构敏感	对林下枝、杆等信息获取困难。易受天气、云等情况影响,容易发生饱和现象	[4]、[5]
SAR 数据	不易受云雾等天气情况影响,能穿透森林冠层获取到地表信息	对植被高度和林冠结构的信息获取存在不确定性,数据处理相对复杂	[6]、[7]
LiDAR 数据	能够获取高精度的植被三维结构信息,同样不易受天气状况的影响	地基和机载LiDAR通常覆盖范围小,成本高,星载LiDAR具有采样不连续的特点	[8]

分辨率类型	传感器	分辨率	特点	参考文献
低分辨率	NOAA/AVHRR	1.1 km	适合反演大尺度区域的森林地上生物量,存在混合像元、与样地匹配不适等问题,无法识别地物更加精细的特征	[9]
低分辨率	Terra/MODIS	0.25~1 km	适合反演大尺度区域的森林地上生物量,存在混合像元、与样地匹配不适等问题,无法识别地物更加精细的特征	[9]
中分辨率	Sentinel-2	10~60 m	可以在较小的区域提供详细的地表信息,数据获取成本相对较低,易受大气和云层干扰	[10]、[11]
中分辨率	LandsatMSS/TM/ETM+/OLI	30 m	可以在较小的区域提供详细的地表信息,数据获取成本相对较低,易受大气和云层干扰	[10]、[11]
高分辨率	SPOT-7	1.5 m	能够提供详细的森林特征信息,但数据获取的成本较高,且需要大量的存储环境	[12]
高分辨率	WorldView	0.3 m	能够提供详细的森林特征信息,但数据获取的成本较高,且需要大量的存储环境	[12]

成像卫星	最高分辨率/m	来源	波段	极化方式
Sentinel-1	5	欧洲航天局	C	单/双/全极化
TerraSAR-X	1	德国	X	单/双/全极化
ALOS-2	3	日本	L	单/双/全极化
BIOMASS	50	欧洲航天局	P	全极化

卫星	运行时间	光斑直径/m	主要覆盖范围	特点	参考文献
ICESat-1/GLAS	2003—2009年	70	86°N—86°S	背景噪声较大,空间分辨率较低,具有高精度的高程数据	[39]
ICESat-2/ATLAS	2018—至今	17	88°N—88°S	透过密集树冠的能力较弱,支持时间序列分析	[40]
GEDI	2018—至今	25	51.6°N—51.6°S	具有较高的树冠穿透率	[8????????????????????????????????]、[41]

模型类别	模型名称	优点	缺点	参考文献
多元回归模型		允许同时考虑多个自变量对因变量的影响	需要建立在一些假设的基础上建立,容易受到多重共线性的影响,泛化能力较差	[48]、[49]
机器学习算法	K-最近邻	在执行时不需要预先进行模型训练,容易理解与实现	需要选择合适的 K 值,受距离度量影响	[50]、[51]
	随机森林	稳健灵活,具有高效处理海量数据的能力,能对特征重要性进行评估	不适用于高维稀疏数据,模型可解释性差	[52]、[53]
	人工神经网络	自适应性强,适用于解决大数据背景下的复杂问题	在大型数据集的处理上训练时间过长	[54]、[55]
	支持向量机	更加注重于研究小样本条件下的统计规律	不擅长解决大规模的多类别问题	[56]、[57]
机理模型		具有强大的可解释性,能够在不同的条件下进行泛化	参数获取困难导致模型难以建立,且无论如何精细和复杂,永远不可能包括系统的所有机制	[58]、[59]