基于GF-1数据的二阶段遥感特征优选与森林地上生物量反演模型

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作者 杨菲菲 张王菲 +3 位作者 赵磊 赵含 姬永杰 王梦金 《林业科学》 北大核心 2025年第4期9-19,共11页

【目的】提出二阶段遥感特征选择方法与多机器学习模型结合的思路,探索适用于国产高分一号(GF-1)数据估测森林地上生物量(AGB)的有效模式,为高分系列卫星数据在林业监测中的应用提供参考。【方法】首先,从GF-1数据中提取波段光谱特征、... 【目的】提出二阶段遥感特征选择方法与多机器学习模型结合的思路,探索适用于国产高分一号(GF-1)数据估测森林地上生物量(AGB)的有效模式,为高分系列卫星数据在林业监测中的应用提供参考。【方法】首先,从GF-1数据中提取波段光谱特征、纹理特征、植被指数等44个特征变量;然后,基于二阶段特征优选策略优选特征,第一阶段采用过滤式法(Relief)、嵌入式法(Lasso、RF)进行初步筛选,第二阶段通过包装式法(RFE)进一步优化特征子集,提升模型估测能力;最后,利用以往森林AGB估测研究中表现较好的K最近邻(KNN)、支持向量回归(SVR)、随机森林(RF)、梯度提升回归树(GBRT)和极限梯度提升树(XGBoost)机器学习模型进行森林AGB估测,并评估不同特征选择方法与模型之间的匹配度及其对森林AGB估测精度的影响,探寻最优的基于GF-1数据估测森林AGB的策略。【结果】1)Relief-RFE方法在XGBoost模型森林AGB反演中取得较优效果(R²=0.811,RMSE=8.45 t·hm^(−2),rRMSE=23.39%)。2)绿光波段纹理特征(mea_b2)能够捕捉到森林地表覆盖物的空间分布信息,如森林的冠层密度、树木分布等空间结构变化信息;蓝光波段光谱特征(b1)对叶绿素和叶色素浓度变化反应敏感,可表征植被健康状况和生长阶段信息,在多种方法的二阶段特征选择中上述2种特征均被选为核心特征用于森林AGB估测。3)特征优选可显著提升模型性能,XGBoost模型的提升效果明显大于KNN、SVR、RF和GBRT模型。【结论】通过对比不同特征选择方法与机器学习模型结合估测森林AGB的效果,验证了二阶段特征优选策略在基于GF-1数据估测森林AGB中的有效性,尤其是将该策略与XGBoost模型结合,能够构建出高精度、高稳健性的森林AGB估测策略。 展开更多

关键词 GF-1数据 森林地上生物量 混合特征选择 机器学习 二阶段优化策略

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森林地上生物量估测方法研究综述 被引量：37

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作者 张志 田昕 +1 位作者 陈尔学 何祺胜 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第5期144-150,共7页

根据所采用数据源的不同,介绍了当前国内外森林地上生物量测算中所用的主要方法,即基于森林资源清查的方法和基于遥感估测的方法。根据国内外前期研究成果,概括了这两种方法的特点及其存在的一些不足,初步探讨了结合多源数据联合估测森... 根据所采用数据源的不同,介绍了当前国内外森林地上生物量测算中所用的主要方法,即基于森林资源清查的方法和基于遥感估测的方法。根据国内外前期研究成果,概括了这两种方法的特点及其存在的一些不足,初步探讨了结合多源数据联合估测森林地上生物量的方法。结合当前森林地上生物量研究中存在的问题,讨论了估测方法的尺度、模型与参数化以及精度与验证的问题,最后提出了今后森林地上生物量研究中应重点开展的工作。 展开更多

关键词 森林地上生物量 森林资源清查 遥感 估测方法

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基于地统计学的森林地上生物量估计 被引量：23

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作者 贺鹏 张会儒 +2 位作者 雷相东 徐广 高祥 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第5期101-109,共9页

基于吉林省汪清林业局金苍林场二类调查的局级固定样地数据,利用地统计学的普通克里格法和协同克里格法对研究区域内森林地上生物量进行估计(协同克里格法以地上生物量为主变量,以胸高断面积为协变量),并对2种插值方法进行比较。结果表... 基于吉林省汪清林业局金苍林场二类调查的局级固定样地数据,利用地统计学的普通克里格法和协同克里格法对研究区域内森林地上生物量进行估计(协同克里格法以地上生物量为主变量,以胸高断面积为协变量),并对2种插值方法进行比较。结果表明:在研究区域内普通克里格法预测精度较低;而协同克里格法能够显著提高预测精度,所产生的均方根误差(RMSE)减少49.0%,平均标准误差(ASE)减少39.4%,预测值和实测值的相关系数提高68.4%。通过插值得到整个林场生物量的空间分布格局图,生物量的分布存在明显的空间异质性。林场平均生物量密度为111.9t·hm-2,总生物量达3.578Tg;并从不同森林类型和龄组对生物量的空间格局进行分析。研究结果可为区域尺度内基于固定样地和地统计学的生物量估计提供方法和参照。 展开更多

关键词 森林地上生物量 胸高断面积 普通克里格 协同克里格 空间分布格局图

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甘肃黑河流域上游森林地上生物量的多光谱遥感估测 被引量：17

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作者 郭云 李增元 +2 位作者 陈尔学 田昕 凌飞龙 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第1期140-149,共10页

【目的】以黑河流域上游祁连山森林保护区为研究区,利用133个森林样地调查数据、Landsat-5 TM影像和ASTER GDEM产品为数据源,探讨地形对该流域森林地上生物量(above-ground biomass,AGB)估测的影响,以及选择合适的遥感估测方法反演该流... 【目的】以黑河流域上游祁连山森林保护区为研究区,利用133个森林样地调查数据、Landsat-5 TM影像和ASTER GDEM产品为数据源,探讨地形对该流域森林地上生物量(above-ground biomass,AGB)估测的影响,以及选择合适的遥感估测方法反演该流域的森林AGB。【方法】首先利用青海云杉特殊的生境范围和绿色植被对比值植被指数(ratio vegetation index,RVI)的灵敏程度,及不同地物对纹理特征的不同响应,制定相应的决策树分类器,将研究区的土地覆盖类型分为两大类:森林(青海云杉)-非森林,并利用133个森林样地调查数据和Google Earth高分辨率影像的12 722个采样点对分类结果进行验证(总体分类精度达到90.39%,Kappa系数为0.81);然后运用多元线性逐步回归估测法,以及结合随机森林算法(random forest,RF)优化后的k最近邻分类法(k-nearest neighbors,k-NN)进行森林AGB的遥感估测,对比SCS+C地形校正前后青海云杉森林AGB的估测结果,同时比较2种不同估测方法的反演效果;最后利用得到的最优估测方法反演整个研究区的森林AGB,生成黑河流域上游祁连山森林保护区的森林AGB的等级分布图。【结果】SCS+C地形校正前多元线性逐步回归的估测精度为R2=0.31,RMSE=34.41 t·hm-2,地形校正后多元线性逐步回归的估测精度为R2=0.46,RMSE=30.51 t·hm-2;而基于SCS+C地形校正后的k-NN的交叉验证精度不仅明显高于地形校正前的精度,且显著优于多元线性逐步回归的估测结果,达到R2=0.54,RMSE=26.62 t·hm-2;另外基于最优的k-NN估测模型(窗口为7×7,采用马氏距离,k=3)反演的该流域青海云杉在2009年总的森林地上生物量为8.4×107t,平均森林地上生物量为96.20 t·hm-2。【结论】在地形复杂地区,运用SCS+C模型对地形进行适当校正,能够有效地消除太阳入射角变化引起的地表反射亮度的差异,使影像能够更准确地反映地表信息,提高森林AGB的遥感估测精度;在样本有限的情况下,相对于以大数定律作为理论基础的多元线性逐步回归估测法,k-NN能够避免发生过学习现象和样本不平衡问题,更适于该研究区青海云杉的森林AGB的估测。 展开更多

关键词 Landsat-5 TM SCS+C地形校正 多元线性逐步回归 K-NN 森林地上生物量 遥感估算

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基于机载P-波段全极化SAR数据的复杂地形森林地上生物量估测方法 被引量：11

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作者 冯琦 陈尔学 +2 位作者 李增元 李兰 赵磊 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第3期10-22,共13页

【目的】利用国产合成孔径雷达(SAR)系统(CASMSAR)获取的机载P-波段全极化SAR(PolSAR)数据,分析SAR对森林地上生物量(AGB)的响应与地形的关系,建立融合地形因子的高精度多项式模型,以提高森林AGB的估测精度。【方法】首先以基于机载激... 【目的】利用国产合成孔径雷达(SAR)系统(CASMSAR)获取的机载P-波段全极化SAR(PolSAR)数据,分析SAR对森林地上生物量(AGB)的响应与地形的关系,建立融合地形因子的高精度多项式模型,以提高森林AGB的估测精度。【方法】首先以基于机载激光雷达(Li DAR)数据得到的研究区坡度分布图与结合实测样地AGB数据得到的森林AGB分布图作为参考数据进行系统抽样,分析森林AGB与P-波段PolSAR后向散射强度的关系以及不同坡度下二者的相关性变化;然后利用Li DAR得到的高精度数字高程模型(DEM)结合机载P-波段的轨道数据计算当地入射角,进而建立以后向散射强度、当地入射角以及雷达视角为输入特征的多项式统计模型,同时将以上系统抽样得到的样本一部分作为模型训练样本,一部分作为精度检验样本。为避免样本尺度引起的偶然性,检验了20 m×20 m至100 m×100 m不同样地尺度下的估测精度。【结果】以90 m×90 m样本为例,当坡度为0°~5°时,引入当地入射角(第2组特征)的估测精度与未引入当地入射角(第1组特征)的估测精度分别为:决定系数(R^2)为0.634和0.634,均方根误差(RMSE)为12.07和12.08 t·hm^(-2),总精度(Acc.)为78.91%和78.89%;当坡度为5°~10°时,第2组特征与第1组特征的估测精度分别为:R2为0.524和0.523,RMSE为13.52和13.97 t·hm^(-2),Acc.为80.57%和80.52%;当坡度大于10°时,第2组特征与第1组特征的估测精度分别为:R^2为0.628和0.519,RMSE为13.16和15.70 t·hm^(-2),Acc.为81.05%和78.55%。随着样地尺度增大,2组特征的估测精度均增大,且第2组特征的估测精度大于第1组。【结论】当坡度小于10°时,地形对森林的后向散射强度几乎无影响;当坡度大于10°时,地形的影响显著,在不同尺度下,引入当地入射角的估测模型均可以有效提高估测精度,充分说明模型的有效性和稳定性。此外,随着尺度增大,无论采用的模型是否考虑了地形影响,其估测精度都逐渐提高并趋于稳定,揭示出对复杂地形下森林AGB估测模型效果的评价必须考虑尺度的影响,且参考样地要足够大,否则难以得到客观的结论。 展开更多

关键词 机载SAR P-波段 POLSAR 森林地上生物量 地形

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森林地上生物量的多基线InSAR层析估测方法 被引量：13

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作者 李兰 陈尔学 +3 位作者 李增元 任冲 赵磊 谷鑫志 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第11期85-93,共9页

【目的】发展一种森林地上生物量(AGB)的多基线干涉合成孔径雷达(InSAR)层析估测方法,解决热带雨林森林AGB遥感估测常规方法的信号"饱和"问题,为区域及全球森林生物量估测和碳储量研究提供关键技术支撑。【方法】以法属圭亚... 【目的】发展一种森林地上生物量(AGB)的多基线干涉合成孔径雷达(InSAR)层析估测方法,解决热带雨林森林AGB遥感估测常规方法的信号"饱和"问题,为区域及全球森林生物量估测和碳储量研究提供关键技术支撑。【方法】以法属圭亚那巴拉库(Paracou)热带雨林为研究对象,以Tropi SAR 2009 P-波段多基线机载SAR数据和85块样地调查数据为主要数据源。首先,根据HH极化层析相对反射率的三维分布信息提取林下地表高度,对HV极化多基线InSAR数据进行地形相位去除;然后,对HV极化多基线InSAR数据进行三维成像,并对其进行地理编码,得到地理坐标空间层析相对反射率的三维分布信息;最后,利用样地调查数据,分析不同高度处层析相对反射率与森林AGB的相关性,进而建立以层析相对反射率为输入特征的森林AGB估测模型,同时采用留一交叉验证法(LOOCV)对其估测模型进行精度评价。【结果】20 m以下各高度处层析相对反射率与森林AGB呈不同程度的负相关关系,以5 m高度处层析相对反射率与森林AGB的负相关性最强(相关系数达到-0.58);20 m以上各高度处层析相对反射率与森林AGB呈不同程度的正相关关系,以25 m高度处层析相对反射率与森林AGB的正相关性最强(相关系数达到0.63)。采用5 m高度处层析相对反射率构建模型的估测精度为88.44%,均方根误差为49.85 t·hm-2(相对均方根误差为13.56%);采用25 m高度处层析相对反射率构建模型的估测精度为88.82%,均方根误差为47.30 t·hm-2(相对均方根误差为12.87%);同时采用5 m和25 m高度处层析相对反射率联合构建模型的估测结果最优,估测精度为89.17%,均方根误差为46.45 t·hm-2(相对均方根误差为12.63%)。【结论】通过多基线InSAR层析技术得到的层析相对反射率信息有效解决了热带雨林森林AGB遥感估测常规方法的信号"饱和"问题。采用5 m和25 m高度处层析相对反射率可反演得到高精度的森林AGB,表明多基线InSAR层析技术得到的特定高度处层析相对反射率对热带雨林森林AGB具有良好的指示作用;同时利用5 m和25 m高度处层析相对反射率进行联合估测可进一步提高森林AGB的估测精度,说明充分利用不同层次的森林垂直结构信息可进一步提高复杂森林空间结构条件下的森林AGB估测精度。 展开更多

关键词 多基线INSAR 层析技术 森林垂直结构 森林地上生物量 热带雨林

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森林地上生物量的极化干涉SAR相干层析估测方法 被引量：4

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作者 李文梅 陈尔学 +1 位作者 李增元 赵磊 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第2期70-77,共8页

应用机载单基线极化干涉SAR(Pol-InSAR)数据,基于极化相干层析(PCT)技术提出了一种反演森林地上生物量的新方法。首先采用单基线PCT提取每个像元的森林相对反射率垂直分布,然后按林分统计得到森林平均相对反射率垂直分布;再次对森林平... 应用机载单基线极化干涉SAR(Pol-InSAR)数据,基于极化相干层析(PCT)技术提出了一种反演森林地上生物量的新方法。首先采用单基线PCT提取每个像元的森林相对反射率垂直分布,然后按林分统计得到森林平均相对反射率垂直分布;再次对森林平均相对反射率垂直分布进行高斯函数拟合,提取林分层析测量高;最后以通过样地调查统计得到的20个林分的地上生物量为参考数据,采用交叉验证方法建立和评价基于层析测量树高的地上生物量估测模型,并与基于经典三阶段反演的林分优势木平均树高估测地上生物量的方法进行对比。结果表明:基于层析测量高的反演模型决定系数(R2)为0.822,均方根误差(RMSE)为53.14 t·hm-2,比基于经典三阶段反演算法的林分地上生物量估测方法具有更高的估测精度。该反演方法简单易行,能够有效提高森林地上生物量估测精度,在该研究区未出现信号饱和现象。 展开更多

关键词 极化相干层析 森林地上生物量 林分层析测量高 polarization COHERENCE TOMOGRAPHY (PCT)

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机载高分辨率遥感影像的傅氏纹理因子估测温带森林地上生物量 被引量：13

8

作者 庞勇 蒙诗栎 李增元 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第3期94-104,共11页

【目的】从反映森林冠层大小的树冠纹理结构出发,利用高空间分辨率遥感影像中树冠纹理的周期性信息,提取基于傅里叶变换纹理序列的纹理指数(FOTO,Fourier-based textural ordination)估测森林地上生物量,探究FOTO纹理因子在温带森林生... 【目的】从反映森林冠层大小的树冠纹理结构出发,利用高空间分辨率遥感影像中树冠纹理的周期性信息,提取基于傅里叶变换纹理序列的纹理指数(FOTO,Fourier-based textural ordination)估测森林地上生物量,探究FOTO纹理因子在温带森林生物量估测上的潜力,为提取新型纹理参数估算森林生物量提供新的参考途径。【方法】以2009年9月获取的小兴安岭地区凉水国家自然保护区(47°11'N,128°53'E)高分辨率机载航空影像(空间分辨率0.5 m)为例,通过提取CCD影像的FOTO纹理参数,采用多元逐步回归方法对森林地上生物量进行参数反演,并对CCD 3个波段影像提取的9个FOTO纹理因子以及波段平均影像提取的3个FOTO纹理因子2种方法的生物量估测结果进行比较。同时,在研究中尝试采用5种不同尺寸(60 m×60 m,80 m×80 m,100 m×100 m,120 m×120 m和150 m×150 m)的窗口,产生不同尺寸的FOTO因子与生物量进行回归建模。最后,将FOTO纹理因子作为自变量与激光雷达反演的参考生物量进行拟合,利用多元逐步回归方法建立生物量模型,并采用十折交叉验证评估预测模型的泛化能力。【结果】FOTO纹理因子与森林生物量的相关性较高,CCD影像3个波段的9个FOTO纹理因子与生物量的R^2均高于0.67,窗口60 m×60 m,80 m×80 m,100 m×100 m,120 m×120 m和150 m×150 m的估测精度分别为67.3%,73.4%,74.4%,78.3%和80.9%。CCD影像波段平均影像的3个FOTO纹理因子与生物量的R^2均高于0.57,5种窗口尺寸的估测精度分别为58.2%,62.1%,64.3%,67.4%和70.9%。根据最优预测模型获得分辨率100 m的凉水试验区全覆盖生物量结果图,精度为74.41%,RMSE为50.55 t·hm^(-2)。【结论】基于FOTO算法提取的纹理因子与森林地上生物量密切相关且无明显饱和现象,对我国北方温带混交林区的生物量反演有极大潜力。FOTO纹理因子与森林地上生物量的多元线性逐步回归模型R^2达0.81,RMSE为46.78 t·hm^(-2)。 展开更多

关键词 温带森林 高分辨率遥感影像 森林地上生物量 FOTO算法 纹理因子

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森林地上生物量遥感估算方法 被引量：16

9

作者 田晓敏 张晓丽 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2021年第8期137-148,共12页

生物量是林业和生态应用研究的重要信息,森林生态系统地上生物量估算的遥感技术引起了国内外学者的广泛关注。总结与探讨不同数据源与估算方法能够为森林地上生物量的估算提供指导。本文首先总结并探讨单传感器遥感数据,包括光学遥感、... 生物量是林业和生态应用研究的重要信息,森林生态系统地上生物量估算的遥感技术引起了国内外学者的广泛关注。总结与探讨不同数据源与估算方法能够为森林地上生物量的估算提供指导。本文首先总结并探讨单传感器遥感数据,包括光学遥感、合成孔径雷达与激光雷达数据在森林地上生物量估算中的应用,以及协同使用多源遥感数据估算森林地上生物量的优势;然后论述森林地上生物量估算的传统模型估算法与机器学习估算方法(决策树法、K最近邻法、人工神经网络、支持向量机、最大熵)。多源遥感数据集成能够结合不同数据的优势,能够为森林地上生物量估算提供丰富的特征信息,结合机器学习估算方法,是提高森林地上生物量估算的准确性的发展趋势。 展开更多

关键词 森林地上生物量 光学遥感 合成孔径雷达 激光雷达 多源遥感

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基于机载P波段全极化SAR数据的森林地上生物量估测 被引量：4

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作者 姬永杰 杨丛瑞 +3 位作者 张王菲 曾鹏 张甫香 屈亚妮 《浙江农林大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期971-980,共10页

【目的】森林生物量的空间精准量化对了解陆地碳储量、碳收支、碳平衡,以及揭示森林碳储量与全球气候变化的影响过程具有重要意义。P波段波长较长,在森林中具有更高的穿透能力,研究机载P波段SAR数据提高森林地上生物量(AGB)估测精度的... 【目的】森林生物量的空间精准量化对了解陆地碳储量、碳收支、碳平衡,以及揭示森林碳储量与全球气候变化的影响过程具有重要意义。P波段波长较长,在森林中具有更高的穿透能力,研究机载P波段SAR数据提高森林地上生物量(AGB)估测精度的可行性。【方法】以机载P波段全极化合成孔径雷达(SAR)数据和高精度激光雷达(LiDAR)数据估测的森林AGB抽样点为基础,提取20个极化SAR特征,并分别与森林AGB变化作敏感性响应情况分析。采用多元线性回归模型(MLR)、K近邻方法 (KNN)、支持向量回归(SVR)和随机森林(RF)4种估测方法,探究机载P波段SAR数据的森林AGB估测精度。【结果】在较低森林AGB(均值约45 t·hm^(-2))的森林覆盖区中,P波段的同极化后向散射系数、Freeman-Durden和Yamaguchi分解中的表面和二次散射分量对森林AGB变化敏感;此外H-A-ALPHA极化分解的散射角(alpha)、拓展极化参数极化辨别率参数(PDR)也对森林AGB变化敏感。4种方法估测的森林AGB相对误差均约30%,其中MLR估测结果精度最低,估测精度为63.55%,均方根误差(RMSE)为19.16 t·hm^(-2);RF估测结果精度最高,估测精度为72.97%,RMSE为15.98 t·hm^(-2);KNN和SVR估计结果差别不明显,RMSE分别为17.04和17.09 t·hm^(-2)。【结论】P波段SAR数据对估测森林AGB具有一定潜力,3种非参数方法的估测结果明显优于MLR参数方法。此外,P波段的森林AGB估测精度受到待估森林AGB水平高低的影响明显,在森林AGB水平较高的分组中估测精度较高。在森林AGB均值为45 t·hm^(-2),最大值为120 t·hm^(-2)的森林覆盖区,以50 t·hm^(-2)将森林AGB样点分为2组时,高森林AGB组的估测精度高出低AGB组约6%。 展开更多

关键词 P波段 森林地上生物量 合成孔径雷达(SAR) 极化

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联合GF-1和GF-3影像的森林地上生物量反演 被引量：4

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作者 史建敏 张王菲 +2 位作者 曾鹏 赵丽仙 王梦金 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第11期70-81,共12页

【目的】探索高分(GF)光学、合成孔径雷达(SAR)数据及其联合数据在森林地上生物量(AGB)及其组成部分反演中的可行性。【方法】以云南省昆明市宜良县小哨林区的云南松为研究对象,结合实地调查数据,以GF-1光学数据和GF-3SAR数据作为数据源... 【目的】探索高分(GF)光学、合成孔径雷达(SAR)数据及其联合数据在森林地上生物量(AGB)及其组成部分反演中的可行性。【方法】以云南省昆明市宜良县小哨林区的云南松为研究对象,结合实地调查数据,以GF-1光学数据和GF-3SAR数据作为数据源,提取光学数据常用的植被指数和纹理特征,SAR数据的各极化后向散射系数、纹理特征以及极化分解等参数,利用KNN-FIFS方法分别进行森林AGB及其分量的反演;然后采用留一交叉验证法对反演结果进行精度评价,并在此基础上绘制森林AGB及其分量空间分布图。【结果】联合GF-1和GF-3数据反演森林AGB及其分量的精度最高,R^(2)均超过了0.710,RMSEr的值在22%^(2)7%之间,其中树叶的反演精度最优,模型的R^(2)为0.714,RMSE为10.270 t/hm^(2),RMSEr为24.58%;除树叶生物量外,森林AGB和其他分量仅采用GF-1提取的特征进行反演时,精度均优于采用GF-3特征的反演结果。【结论】联合GF-1光学数据和GF-3全极化SAR可以实现一定程度的互补,提高森林AGB及其分量的反演精度,此外KNN-FIFS方法在低生物量水平的云南松纯林的AGB及其分量的反演中具有一定的鲁棒性,且KNN-FIFS优选的重要参数多为SAR和光学的纹理特征。 展开更多

关键词 GF系列卫星 森林地上生物量 森林地上生物量分量 KNN-FIFS

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基于机器学习和多源数据的湘西北森林地上生物量估测 被引量：14

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作者 丁家祺 黄文丽 +1 位作者 刘迎春 胡杨 《林业科学》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期36-48,共13页

【目的】针对传统森林资源清查方法成本高、时效性低和结果统一性差等问题,基于多源遥感数据,采用机器学习算法选择特征变量并建立估测模型,制作森林地上生物量(AGB)面分布产品,为森林资源信息化调查提供技术手段。【方法】以湖南省西... 【目的】针对传统森林资源清查方法成本高、时效性低和结果统一性差等问题,基于多源遥感数据,采用机器学习算法选择特征变量并建立估测模型,制作森林地上生物量(AGB)面分布产品,为森林资源信息化调查提供技术手段。【方法】以湖南省西北部为研究区,利用生物量异速生长方程将森林资源样地调查数据转换为AGB,筛选到393个样地AGB参考值。以Landsat-8数据为光学遥感数据源,提取各波段光谱信息、植被指数、纹理特征以及缨帽变换各分量;以ALOS PALSAR-2、Sentinel-1数据为雷达遥感数据源,提取各极化方式后向散射强度和归一化极化差分指数。结合高程、坡度、坡向地形因子,获得122个备选特征变量。采用逐步回归方法和随机森林(RF)算法筛选建模变量,分别建立多元线性回归(MLR)、RF和支持向量回归(SVR)模型。以均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(rRMSE)和决定系数(R^(2))为模型评价指标,运用十折交叉验证法评价模型效果,选择最佳模型完成生物量制图,并选取5种中国或全球尺度生物量制图产品进行比较分析。【结果】在训练集上,RF模型表现最好(RMSE=12.8 mg·hm^(-2),rRMSE=21.1%,R^(2)=0.93),其次为SVR模型(RMSE=26.1 mg·hm^(-2),rRMSE=43.3%,R^(2)=0.55),MLR模型表现最差(RMSE=30.9 mg·hm^(-2),rRMSE=50.5%,R^(2)=0.39);在测试集上,采用RF算法建立的模型表现(RMSE=30.1 mg·hm^(-2),rRMSE=51.3%,R^(2)=0.42)同样优于MLR(RMSE=32.6 mg·hm^(-2),rRMSE=54.1%,R^(2)=0.30)和SVR(RMSE=32.8 mg·hm^(-2),rRMSE=55.3%,R^(2)=0.25)。3种模型均显示出一定程度的低值高估和高值低估现象。RF模型选择出13个建模变量,包括PALSAR-2后向散射信息、高程以及Landsat-8光谱信息、植被指数、缨帽变换湿度与绿度分量差值。应用RF模型完成区域生物量制图,与其他产品对比,能够基本反映研究区内生物量分布情况,并显示出丰富的生物量分布细节信息,生物量范围为0~119 mg·hm^(-2),平均生物量为37.5 mg·hm^(-2),标准差为35.9 mg·hm^(-2)。【结论】结合多源遥感数据与机器学习算法,能够准确、快速地测算大范围生物量,具有较大应用潜力。相比SVR和MLR模型,RF模型在AGB估测上的表现更优,RF算法能够从多源变量中有效筛选出适用于AGB机器学习建模的变量。 展开更多

关键词 森林地上生物量 多元线性回归 随机森林 支持向量回归

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基于非参数方法的黑河地区森林地上生物量估算及时空格局 被引量：2

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作者 马骁 王华 +2 位作者 何瑞 高厚兴 徐梦 《林业科技情报》 2020年第4期10-16,共7页

以黑龙江省黑河地区2005年和2010年两期森林资源连续清查固定样地数据和Landsat TM5遥感影像为数据源,首先以2005年和2010年影像为研究对象,分别提取纹理、地形和气象因子共73个特征变量,依据均方差增量百分数%IncMSE(Increase Mean Squ... 以黑龙江省黑河地区2005年和2010年两期森林资源连续清查固定样地数据和Landsat TM5遥感影像为数据源,首先以2005年和2010年影像为研究对象,分别提取纹理、地形和气象因子共73个特征变量,依据均方差增量百分数%IncMSE(Increase Mean Squared Error%)指标筛选出前六个重要性变量;之后,分别以RF模型和传统的多元逐步回归模型估算森林AGB,并进行对比与分析;最后,对精度较高的模型分别估算两期黑河地区森林AGB并进行时空动态分析。研究结果表明:引入纹理因子RF模型可以一定程度提高模型精度,两期Radj^2分别为0.40和0.39,RMSE分别为27.41(t/hm2)和32.01(t/hm2),优于传统的多元逐步回归模型;黑河地区森林AGB整体呈现增长趋势,森林AGB大于80(t/hm2)的高生物量区域有较明显的增加,主要集中在东部和部分北部山地及中海拔区域。 展开更多

关键词 随机森林 森林地上生物量 时空分析 变化矩阵

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金沙江流域中段森林地上生物量光学遥感估测及饱和点分析 被引量：1

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作者 刘关琴 施凯泽 +1 位作者 万玉洁 胥辉 《林业调查规划》 2022年第2期1-9,共9页

以云南省金沙江流域中段为研究对象,基于森林资源二类调查数据和同时期的Landsat 8 OLI遥感数据,采用半变异函数的球状模型计算5类优势树种或树种组的光学遥感估测的光饱和值,采用多元逐步线性回归模型和KNN模型对不同优势树种或树种组... 以云南省金沙江流域中段为研究对象,基于森林资源二类调查数据和同时期的Landsat 8 OLI遥感数据,采用半变异函数的球状模型计算5类优势树种或树种组的光学遥感估测的光饱和值,采用多元逐步线性回归模型和KNN模型对不同优势树种或树种组的森林地上生物量进行估测。结果表明,不同优势树种或树种组的森林地上生物量光学遥感估测的光饱和值为:其他针叶林(160.201 t/hm^(2))>高山松林(127.938 t/hm^(2))>常绿栎类(101.220 t/hm^(2))>云南松林(98.870 t/hm^(2))>其他阔叶林(88.432 t/hm^(2));KNN模型的拟合精度明显优于多元逐步线性回归模型。 展开更多

关键词 森林地上生物量 光学遥感估测 生物量光饱和值 逐步线性回归 KNN 金沙江流域中段

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云南怒江流域森林地上生物量光学遥感估测及饱和点分析 被引量：6

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作者 李猛 陆彦羽 +2 位作者 卢腾飞 胥辉 欧光龙 《西南林业大学学报（自然科学）》 CAS 北大核心 2022年第3期116-127,共12页

以云南省怒江流域为研究对象,基于2016年森林资源二类调查数据和同时期的Landsat 8OLI遥感数据,提取小班遥感变量的均值统计值,选择蓄积量–生物量转换模型计算研究区9类优势树种或树种组的小班单位面积森林地上生物量,采用半变异函数... 以云南省怒江流域为研究对象,基于2016年森林资源二类调查数据和同时期的Landsat 8OLI遥感数据,提取小班遥感变量的均值统计值,选择蓄积量–生物量转换模型计算研究区9类优势树种或树种组的小班单位面积森林地上生物量,采用半变异函数的球状模型计算9类优势树种或树种组的光学遥感估测的光饱和值,应用逐步回归模型估测和BP神经网络模型对不同优势树种或树种组的森林地上森林生物量进行估测。结果表明:不同优势树种或树种组森林的森林地上生物量光学遥感估测的光饱和值分别为桦木林139 t/hm^(2)、桤木林181 t/hm^(2)、桉树林70 t/hm^(2)、云南松林182 t/hm^(2)、云冷杉林197 t/hm^(2)、乔木经济林161 t/hm^(2)、其他针叶林182 t/hm^(2)、其他阔叶林147 t/hm^(2)、常绿栎类林141 t/hm^(2);BP神经网络模型的拟合精度以及检验指标均明显优于多元逐步线性回归模型,其中各树种或树种组的BP神经网络模型的R^(2)比多元逐步线性回归模型的R^(2)高出0.1~0.2;逐步回归模型中其他阔叶林的R^(2)最高,达到0.744;BP神经网络模型中其他阔叶林的R^(2)最高,达0.815,且乔木经济林、常绿栎类林和桤木林的R^(2)均在0.6以上;分段残差分析表明2个模型均存在低值高估和高值低估的情况,尤其在生物量小于150 t/hm^(2)时,BP神经网络模型的估测精度较逐步线性回归有明显提高。 展开更多

关键词 森林地上生物量 光饱和点 BP神经网络 逐步线性回归 怒江流域

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基于ICESat-2/ATLAS和特征参数的森林地上生物量反演

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作者 李宏菲 聂胜 +3 位作者 习晓环 王宏涛 张合兵 王成 《激光杂志》 CAS 北大核心 2023年第7期62-67,共6页

大区域森林生物量估算是植被遥感应用研究的重要内容。利用ICESat-2/ATLAS数据中ATL08产品的高度信息,结合Sentinel-2影像提取的森林覆盖度构建新型特征参数(h_(cover)_#),对原始光子参数,以及加入h_(cover)_#后两种数据,分别利用随机... 大区域森林生物量估算是植被遥感应用研究的重要内容。利用ICESat-2/ATLAS数据中ATL08产品的高度信息,结合Sentinel-2影像提取的森林覆盖度构建新型特征参数(h_(cover)_#),对原始光子参数,以及加入h_(cover)_#后两种数据,分别利用随机森林方法分析索诺玛县森林区域白天和夜晚强弱光束反演生物量的能力。结果表明:(1)相对于仅利用原始光子数据,加入新型特征参数后,四种场景的生物量估算精度均有不同程度的提高,其中,R^(2)分别提升了0.08、0.16、0.07、0.09,RMSE分别降低了7.56 Mg/ha、13.02 Mg/ha、6.45 Mg/ha、8.25 Mg/ha,rRMSE分别降低了5.13%、10.16%、4.23%、5.76%;(2)在夜晚强光束场景下,联合原始光子参数与新型特征参数构建的生物量模型预测精度最优,R^(2)=0.64,RMSE=73.50 Mg/ha,rRMSE=48.16%。 展开更多

关键词 森林地上生物量 ICESat-2/ATLAS 强光束光子点 Sentinel-2影像 随机森林 新型特征参数

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基于Sentinel数据的临海市森林地上生物量估测

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作者 曹依林 吴达胜 方陆明 《浙江林业科技》 2022年第5期40-49,共10页

为探究多源数据融合以及机器学习方法在森林地上生物量(Above-ground Biomass,AGB)的估测潜力,分析影响不同林分AGB的主要因素,以浙江省台州市临海市为研究区,提取Sentinel-2光学遥感影像的光谱信息、植被指数、纹理特征因子和Sentinel-... 为探究多源数据融合以及机器学习方法在森林地上生物量(Above-ground Biomass,AGB)的估测潜力,分析影响不同林分AGB的主要因素,以浙江省台州市临海市为研究区,提取Sentinel-2光学遥感影像的光谱信息、植被指数、纹理特征因子和Sentinel-1 SAR的后向散射系数,融合森林资源二类调查数据和数字高程模型数据,基于递归特征消除的特征选择方法筛选主要特征,基于随机森林(Random Forest,RF)、自适应提升(AdaBoost)法和类别提升(CatBoost)法三种方法建立不同林分AGB估测模型,以决定系数(R-squared,R^(2))、均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)来评估模型性能。结果表明,从特征组合来看,集成光学遥感、雷达遥感、地形因子及二类调查数据能够更全面地利用多源数据的信息,有效提高森林AGB的估测精度;递归特征消除法降低了模型的复杂度,消除了自变量之间的共线性,能在保持甚至提高模型估测精度的前提下,加快模型训练速度;从6种林分的AGB的估测结果来看,6种林分的AGB的主要影响因素与个数不尽相同,这也缘于不同树种有不同生物学和生态学特点,当然有3个因子是共同的,即年龄、郁闭度和海拔;3种算法中,CatBoost优于RF,RF优于AdaBoost,CatBoost方法的性能指标为:阔叶混交林R^(2)=0.78,RMSE=7.26 t·hm^(-2);针阔混交林R^(2)=0.72,RMSE=11.94 t·hm^(-2);针叶混交林R^(2)=0.60,RMSE=12.65 t·hm^(-2);其他硬阔林R^(2)=0.82,RMSE=9.22 t·hm^(-2);马尾松林R^(2)=0.74,RMSE=10.12 t·hm^(-2);杉木林R^(2)=0.75,RMSE=8.93 t·hm^(-2);基于RFE的CatBoost的方法模型总体平均估测精度(P)超过80%。以上结果表明,Sentinel光学影像与SAR融合可以为森林AGB估测提供更多有效的特征因子;递归特征消除法结合CatBoost方法用于区域尺度上森林AGB的估测,精度更高,且能有效降低模型复杂度,加快训练速度;不同林分的AGB的主要影响因素与个数不尽相同,但年龄、郁闭度、海拔3个因素是它们的共同影响因素。 展开更多

关键词 森林地上生物量 Sentinel-1 Sentinel-2 随机森林 自适应提升法 类别提升法 递归特征消除法

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不同波长极化SAR数据水云模型森林生物量反演对比分析 被引量：6

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作者 姬永杰 徐昆鹏 +2 位作者 张王菲 史建敏 张甫香 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期24-33,共10页

【目的】水云模型(WCM)是一种采用SAR数据反演森林地上生物量(AGB)应用较为广泛的半经验模型,探索将不同波长、极化方式、极化信息等引入WCM,以期为提高森林AGB反演精度提供科学依据。【方法】本文以X、C、L、P波段多频极化SAR数据为数... 【目的】水云模型(WCM)是一种采用SAR数据反演森林地上生物量(AGB)应用较为广泛的半经验模型,探索将不同波长、极化方式、极化信息等引入WCM,以期为提高森林AGB反演精度提供科学依据。【方法】本文以X、C、L、P波段多频极化SAR数据为数据源,首先将各波长各极化后向散射系数用于WCM进行森林AGB反演,对比其反演精度;接着采用极化分解分量构建地体散射比参数,并将其引入WCM发展为极化水云模型(PolWCM),同时对比分析其在X、C、L、P波段森林AGB的反演结果。【结果】(1)在X、C、L、P 4个波段中,除X波段外,将HV极化后向散射系数代入WCM进行森林AGB反演,精度均高于基于其他极化通道后向散射系数的反演结果;且长波长(L和P)的反演精度高于短波长(X和C)的反演精度。在L波段,将HV极化后向散射系数代入WCM进行森林AGB反演,R2和RMSE分别为0.46和18.00 t/hm2;P波段HV极化反演结果的R2和RMSE分别为0.43和21.18 t/hm2。(2)将极化信息以地体散射比的形式引入WCM,PolWCM模型在X、C、L、P各个波段均可提高反演精度,反演结果的RMSE值分别为24.90、24.71、17.70和18.08 t/hm2。【结论】采用WCM进行森林AGB反演具有极化、波长依赖性,其中将L波段HV极化后向散射系数代入WCM进行森林AGB反演时精度最优;将极化信息以地体散射比的方式引入WCM,发展PolWCM,可以明显提高森林AGB的反演精度。 展开更多

关键词 X、C、L、P波段SAR数据 森林地上生物量 极化 地体散射比

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西双版纳栎林和思茅松林地上生物量遥感估测 被引量：6

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作者 刘彦枫 李紫荆 +2 位作者 吴勇 陆驰 欧光龙 《西部林业科学》 CAS 北大核心 2023年第1期147-155,共9页

构建森林地上生物量(AGB)不同随机森林分层模型并进行反演,以探索提升遥感生物量估测精度的方法。以西双版纳栎林、思茅松林为研究对象,基于2016年森林资源二类调查数据与同期Landsat 8 OLI遥感影像数据,分析栎林、思茅松林的AGB和遥感... 构建森林地上生物量(AGB)不同随机森林分层模型并进行反演,以探索提升遥感生物量估测精度的方法。以西双版纳栎林、思茅松林为研究对象,基于2016年森林资源二类调查数据与同期Landsat 8 OLI遥感影像数据,分析栎林、思茅松林的AGB和遥感变量间的相关性,根据分层理论分别构建坡向分层、龄组分层以及坡向龄组结合分层的随机森林模型,并对西双版纳栎林、思茅松林的AGB进行反演。结果显示:分层模型相较于无分层模型具有较高的估测精度,其中栎类林、思茅松林龄组分层模型相对于无分层模型分别在生物量段60~90 t/hm^(2)和90~120 t/hm^(2)表现更为优异,平均残差(ME)绝对值分别降低了4.025和0.781,平均相对残差(MRE)绝对值分别降低了5.387%和0.597%。因此,采用龄组分层可在一定程度上降低森林AGB遥感估测中低值高估和高值低估问题的影响。 展开更多

关键词 随机森林模型 森林地上生物量 遥感估测 栎类林 思茅松

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基于森林资源二类调查数据的森林生物量抽样设计对比研究 被引量：2

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作者 田志艳 延原原 张超 《林业调查规划》 2023年第2期9-15,共7页

探究和对比不同抽样方法对森林生物量抽样调查中样地数量、样地布设及估算精度等方面的影响,优选适宜的抽样方案,在保证精度的前提下节省外业调查的工作量和成本。基于云南省大理市2016年森林资源二类调查小班数据,以森林起源、龄组、... 探究和对比不同抽样方法对森林生物量抽样调查中样地数量、样地布设及估算精度等方面的影响,优选适宜的抽样方案,在保证精度的前提下节省外业调查的工作量和成本。基于云南省大理市2016年森林资源二类调查小班数据,以森林起源、龄组、优势树种作为分层变量,在可靠性为95%、抽样精度为90%和85%的条件下,计算分层抽样所需的样本单元数,并与系统抽样进行比较分析;以分层抽样方法进行大理市森林地上生物量的抽样设计,将抽样结果与系统抽样方法进行比较分析。结果表明,抽样精度为90%时,分层抽样所需的样本单元数分别比系统抽样少21.91%、12.92%和45.51%;抽样精度为85%时,分层抽样所需的样本单元数分别比系统抽样少21.51%、12.66%和45.57%;在相同的抽样精度条件下,抽样单元数呈现起源>优势树种>龄组的变化趋势。按抽样精度90%,系统抽样估测的大理市森林地上总生物量为1 914.83万t,按起源、优势树种和龄组,其总生物量估测值分别为1 608.22万t、1 679.03万t、1 536.08万t。在可靠性和抽样精度相同时,实际抽样精度排序为起源>优势树种>龄组,其中,利用优势树种估测的森林地上总生物量为1 679.03万t,最接近实际值,按优势树种估测的抽样效果较好,抽样精度为96.63%。由于分层抽样具有样本数量少、抽样精度高的明显优势,可为区域森林生物量抽样调查和估测提供方法参考。 展开更多

关键词 分层抽样 系统抽样 森林地上生物量 抽样精度 森林资源二类调查数据

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