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基于特征选择和机器学习的森林蓄积量估算
1
作者 赵娅冰 彭道黎 +2 位作者 郭发苗 王荫 黄静娴 《北京林业大学学报》 北大核心 2025年第4期155-167,共13页
【目的】基于多源遥感数据,评估不同特征选择方法和机器学习算法组合构建的森林蓄积量估算模型的准确性,挖掘其协同互补潜力,以期有效提高森林蓄积量的估算精度。【方法】以河北省第九次国家森林资源连续清查数据为基础,结合GF-1、Senti... 【目的】基于多源遥感数据,评估不同特征选择方法和机器学习算法组合构建的森林蓄积量估算模型的准确性,挖掘其协同互补潜力,以期有效提高森林蓄积量的估算精度。【方法】以河北省第九次国家森林资源连续清查数据为基础,结合GF-1、Sentinel-2、Sentinel-1和ASTER GDEM 4种遥感数据,采用随机森林变量选择(VSURF)、递归特征消除(RFE)和Boruta 3种特征选择方法,以及支持向量回归(SVR)、K-最近邻(KNN)、随机森林(RF)、分类提升(CatBoost)和极端梯度提升(XGBoost)5种机器学习算法,构建蓄积量模型,并筛选出最优模型。此外,通过方差分析量化数据集、特征选择和机器学习算法这3个因素对森林蓄积量估算的影响。【结果】(1)方差分析结果表明,数据集、特征选择和机器学习算法均对蓄积量估算性能有显著影响。(2)多源遥感数据的结合能有效提高森林蓄积量的估算性能。与其他数据集相比,联合GF-1、Sentinel-2、Sentinel-1和ASTER GDEM数据构建的模型表现出更高的估算精度。从整体来看,Boruta特征选择方法优于VSURF和RFE。CatBoost在建模中的表现优于其他算法(SVR、KNN、RF和XGBoost)。(3)基于GF-1、Sentinel-2、Sentinel-1和ASTER GDEM的组合,使用Boruta特征选择方法和CatBoost机器学习算法构建的估算模型实现了最高的准确性(R^(2)=0.6385,RMSE=13.3053 m^(3)/hm^(2))。【结论】基于多源遥感数据估算保定市森林蓄积量时,结合特征选择和机器学习算法可显著优化模型的估算效果,得到更精准的蓄积量估算结果。研究结果不仅改进了当前应用多源遥感数据估算森林蓄积量的方法,还为大范围森林蓄积量监测提供了新的思路和参考依据。 展开更多
关键词 森林蓄积量 多源遥感数据 特征选择 机器学习算法 集成学习
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基于PSPNet深度学习网络景观要素语义分割的春季森林景观质量评价 被引量：2
2
作者 刘帅健 邓华锋 《西北林学院学报》 CSCD 北大核心 2024年第3期231-238,共8页
基于BIB-LCJ审美评判测量法对25个春季森林景观样本进行美景度评定,结合PSPNet深度学习网络对春季森林景观图像进行语义分割,建立美景度与景观要素的多元线性回归模型。结果表明:1)PSPNet对于天空与植被的识别精度分别为87.9%与86.7%,... 基于BIB-LCJ审美评判测量法对25个春季森林景观样本进行美景度评定,结合PSPNet深度学习网络对春季森林景观图像进行语义分割,建立美景度与景观要素的多元线性回归模型。结果表明:1)PSPNet对于天空与植被的识别精度分别为87.9%与86.7%,属于可用范围。2)与美景度相关的7个春季森林景观要素中,“植物层次”“花朵色彩丰富度”和“色彩统一程度”可提升春季景观美景度,而“枯枝可见率”“灌草层比例”“土壤裸露程度”和“视觉干扰物比例”对美景度则有负面影响。研究结果为春季森林景观的营建和质量提升提供了指导。此外,基于计算机视觉的深度学习PSPNet模型提供的语义分割技术,有效解决了景观图像组成量化这一客观的景观要素分解方法的应用技术瓶颈。 展开更多
关键词 语义分割 美景度 景观要素分解 森林景观质量评价 深度学习
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基于Ripley L函数的云冷杉针阔混交林优势树种幼树的空间格局分析
3
作者 许芳泽 孙海龙 +3 位作者 史景宁 贺丹妮 王福增 向玮 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第10期1-10,共10页
【目的】林下幼树的生长和分布通常决定着森林未来林分的结构组成和生长动态,探究优势树种幼树的空间分布格局及种间关联性,以期为森林生态系统的恢复和森林演替动态的预测提供科学依据。【方法】以吉林省汪清县金沟岭林场1 hm2云冷杉... 【目的】林下幼树的生长和分布通常决定着森林未来林分的结构组成和生长动态,探究优势树种幼树的空间分布格局及种间关联性,以期为森林生态系统的恢复和森林演替动态的预测提供科学依据。【方法】以吉林省汪清县金沟岭林场1 hm2云冷杉针阔混交林样地内的5个优势树种(臭冷杉、鱼鳞云杉、红松、紫椴和五角槭)幼树为研究对象,分别使用一元Ripley L和二元Ripley L函数对5种幼树的种间空间关联性以及幼树与中树、成树间的种内空间关联性进行分析。【结果】(1)样地内共调查到幼树471株,数量上表现为臭冷杉(357)>鱼鳞云杉(47)>紫椴(23)>五角槭(12)>红松(14),臭冷杉占据绝对优势。(2)臭冷杉、鱼鳞云杉和紫椴幼树的空间格局在0~50 m范围内,随尺度增加表现为聚集–均匀–随机的分布模式;五角槭以聚集分布为主,仅在23~28 m尺度上呈随机分布;红松在14~21 m、31~36 m及39~50 m尺度上呈聚集分布,在其余尺度上均呈随机状态分布。(3)幼树种间关系在中小尺度(0~36 m)上以显著的空间正相关为主,在大尺度(36~50 m)以不相关为主,仅臭冷杉幼树在42~50 m上与其余树种呈显著空间负相关,表明5种幼树间保持着良好的共存的关系。(4)种内空间关联性在0~50 m尺度上以正相关为主,仅臭冷杉幼树与成树在42~50 m较大尺度上存在显著空间负相关,表明种内促进作用明显。【结论】在水平结构上,影响该林分幼树空间分布格局及其关联性的主要因素是种子的扩散限制及环境异质性,幼树在小尺度上以聚集分布为主;在垂直结构上,主林层对幼树具有明显的“庇护效应”,5种幼树种内、种间均存在着良好的互利共生的关系。因此,在天然云冷杉针阔混交次生林的恢复中,建议根据林分经营需要,在0~36 m的小尺度上进行以上幼树的聚集性补植补种,聚集程度为臭冷杉>云杉>红松,以提高幼树的存活率,促进其天然更新。 展开更多
关键词 混交林 幼树 Ripley L函数 空间分布格局 空间关联性
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耦合时序特征的林分类型遥感识别 被引量：1
4
作者 高雨珊 彭道黎 +4 位作者 张楠 杨鹏辉 杨灿灿 陈铭捷 陈健 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期68-81,共14页
【目的】结合多源遥感数据进行特征提取,获取最优分类策略并探究时间序列特征在林分类型识别中的重要性,为遥感林分类型识别提供技术途径。【方法】结合Sentinel-2光谱特征和时间序列特征、Sentinel-1雷达后向散射特征和SRTM DEM地形特... 【目的】结合多源遥感数据进行特征提取,获取最优分类策略并探究时间序列特征在林分类型识别中的重要性,为遥感林分类型识别提供技术途径。【方法】结合Sentinel-2光谱特征和时间序列特征、Sentinel-1雷达后向散射特征和SRTM DEM地形特征在Google Earth Engine中进行各特征变量的提取,构建不同特征组合使用随机森林分类器进行分类并对不同分类结果进行制图输出和精度评价。【结果】(1)使用Sentinel-2时间序列光谱特征、Sentinel-1雷达后向散射特征和SRTM DEM地形特征的方案分类效果最好,总体精度为84.62%,Kappa系数为0.82;(2)在构建的5个不同特征组合方案中,多特征组合的方案分类效果优于单一特征;(3)地形特征、后向散射特征和时间序列特征对于分类结果非常重要,尤其是时间序列特征的加入能大大提升林分类型识别精度。光谱特征中短红外波段B11和B12最重要,时间序列特征中4月份和10月份为最重要的时间节点。【结论】基于多源遥感数据提取的多特征分类方案能够有效进行研究区林分类型识别,地形特征、后向散射特征和Sentinel-2时间序列特征可以作为光谱特征的有效辅助特征变量提高分类精度,使林分类型识别更为准确,尤其是时间序列特征在提高林分类型识别精度上有突出作用。 展开更多
关键词 Sentinel-2 Sentinel-1 随机森林 Google Earth Engine(GEE) 时间序列特征
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天然混交林林分发育阶段划分方法的比较
5
作者 徐德鹏 许芳泽 +2 位作者 孙海龙 陈美晴 向玮 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第7期139-152,共14页
【目的】以长白山云冷杉针叶混交林为例,比较林分不同发育阶段划分的方法,确定最适宜长白山云冷杉针叶混交林发育阶段划分的方法,以便有针对性地制定不同发育阶段的森林经营策略,为天然林发育阶段的科学划分提供方法依据。【方法】以吉... 【目的】以长白山云冷杉针叶混交林为例,比较林分不同发育阶段划分的方法,确定最适宜长白山云冷杉针叶混交林发育阶段划分的方法,以便有针对性地制定不同发育阶段的森林经营策略,为天然林发育阶段的科学划分提供方法依据。【方法】以吉林省汪清林业局金沟岭林场天然云冷杉针叶混交林为研究对象,共收集2589个样地样本,采用种间联结−最优分割法(A)、林相特征判别法(B)、TWINSPAN双向指示物种分析法(C)、MRT多元回归树法(D)和基于TWINSPAN的判别分析法(E)5种方法,对云冷杉针叶混交林发育阶段进行划分。通过多重比较检验,验证不同发育阶段间是否存在显著差异,并使用吻合系数来评估不同方法划分结果间的一致性。最后,从树种组成和林分特征(包括样地的平均胸径、平均树高、公顷蓄积量、公顷株数、公顷生物量、公顷断面积、针阔比、物种多样性和径级大小多样性9个指标)方面,对5种方法的划分结果进行比较分析。【结果】多重比较的结果显示,用于描述林分特征的9个指标在不同发育阶段间基本存在显著差异,这表示结果较为可靠。方法D和方法E的吻合系数较高,表示这两种方法的划分结果较为一致;而方法B与其他方法的吻合性均较低。从林分的发育趋势来看,5种方法的划分结果大致相同。随着林分的逐渐发育,林分特征指标普遍增大,多样性指标降低,树种组成趋于简单。主要区别体现在公顷株数和树种组成指标,并且在不同方法的划分结果中,各个阶段之间指标的差异程度和每个阶段的样本量也有所不同。方法E的划分结果更符合林分的生长发育规律。具体来说,第1阶段云冷杉针叶混交林形成期,林分迅速生长;第2阶段林木间竞争加强期,个体显著分化;第3阶段林分发展为近自然林状态,即达到森林经营的目标状态。【结论】基于TWINSPAN的判别分析法能更好地划分林分的发育阶段,并将长白山云冷杉针叶混交林的发育过程划分为建群阶段—竞争阶段—近自然林阶段,为森林的科学经营提供了重要理论依据。 展开更多
关键词 发育阶段划分 云冷杉针叶混交林 最优分割法 判别分析 TWINSPAN MRT
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1995-2018年黄河流域土地利用变化及驱动力分析 被引量：50
6
作者 黄钰清 李骁尧 +1 位作者 于强 黄华国 《西北林学院学报》 CSCD 北大核心 2022年第6期113-121,共9页
黄河流域土地利用变化会对其生态环境产生影响,分析土地利用变化情况及其驱动力,有利于制定黄河流域土地管理方案及生态环境治理修复措施。基于1995-2018年土地利用数据,使用土地利用动态度模型和土地利用转移矩阵的方法,分析黄河流域... 黄河流域土地利用变化会对其生态环境产生影响,分析土地利用变化情况及其驱动力,有利于制定黄河流域土地管理方案及生态环境治理修复措施。基于1995-2018年土地利用数据,使用土地利用动态度模型和土地利用转移矩阵的方法,分析黄河流域土地利用的时空变化特征,利用地理探测器探究黄河流域变化的驱动力。结果表明,1)1995-2018年,草地是研究区的主体,其面积关系为中覆盖度草地>低覆盖度草地>高覆盖度草地。总体上,草地、旱地、灌木林地的面积均呈现上涨趋势,其他土地类型的变化较小。2)有林地的单一动态度最高,达22.1%,其他建筑用地的单一动态度最低,为-3.82%。黄河流域整体综合动态度为0.41%,其中,2015-2018年综合动态度最高,为10.02%。3)在选取的10个地类中,转移矩阵转入和转出面积最大的是中覆盖度草地。4)土地利用变化的驱动力主要由气象、经济和政策3大因素构成,对整个黄河流域而言,气温变化对土地利用变化的解释力最强;而上中下游的主要驱动力存在差异,政策因素对上下游解释力较强,气象因素和经济因素对中游解释力较强。1995-2018年,草地是研究区主要的土地类型,面积占比最大且变化最频繁,应多关注草地的利用。研究通过分析气象因素、经济因素和政策因素对黄河流域不同地区的影响,为黄河流域高质量发展规划提供理论基础。 展开更多
关键词 黄河流域 土地利用 动态度 转移矩阵 地理探测器
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云冷杉针阔混交林单木枝下高和冠幅模型构建 被引量：12
7
作者 李应涛 刘时良 +2 位作者 孙海龙 王卫霞 向玮 《森林与环境学报》 CSCD 北大核心 2022年第3期289-296,共8页
以吉林省汪清县金沟岭林场云冷杉针阔混交林为研究对象,基于研究区内均匀分布的98块样地的2487株单木数据,按7:3的比例随机抽样分别用于建模和检验。对林内云杉、冷杉、红松、中生阔叶树种组和慢生阔叶树种组这5个树种(组)的单木枝下高... 以吉林省汪清县金沟岭林场云冷杉针阔混交林为研究对象,基于研究区内均匀分布的98块样地的2487株单木数据,按7:3的比例随机抽样分别用于建模和检验。对林内云杉、冷杉、红松、中生阔叶树种组和慢生阔叶树种组这5个树种(组)的单木枝下高和冠幅模型分别采用最小二乘法估计、极大似然估计和似不相关回归估计3种参数估计方法进行建模,筛选效果最佳的为最终模型,并分析模拟了树木大小、竞争、林分和立地等因子对枝下高和冠幅的影响。同时考虑树种耐荫性和空间分布结构差异,讨论不同树种枝下高和冠幅模型中影响因子差异。结果表明:采用似不相关回归估计建立的枝下高和冠幅的联立方程组模型得到的预测效果最佳,模型检验的修正决定系数(R^(2)_(a))最大,均方根误差(E_(RMS))最小,且平均绝对误差(E_(MA))相较于最小二乘法估计和极大似然估计降低了57%~58%。胸径、树高和单木竞争指数在所有枝下高模型中均极显著(P<0.001);树冠竞争因子是影响红松枝下高的重要因子(P<0.001);林分密度在除了云杉的其余树种枝下高模型中均显著相关(P<0.01);立地因子中仅坡向与冷杉枝下高显著相关(P<0.01)。冠幅模型中,胸径、枝下高和树冠竞争因子在所有树种中均显著相关(P<0.001);此外冷杉和阔叶树种的冠幅则与林分密度显著负相关(P<0.001),而云杉冠幅则与林分断面积和显著负相关(P<0.001)。在云冷杉针阔混交林中,树种耐荫性和单木相对大小影响其树冠的衰退速率,而林地立地质量影响单木冠幅的大小。 展开更多
关键词 云冷杉针阔混交林 枝下高 冠幅 竞争指标 似不相关回归估计
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不同间伐强度对华北落叶松人工林土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量的影响 被引量：10
8
作者 曹芹 邱新彩 +2 位作者 刘欣 彭道黎 程顺 《中南林业科技大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第4期83-92,共10页
【目的】探究间伐强度对土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量特征的影响。【方法】以河北省塞罕坝机械林场华北落叶松人工林为研究对象,设置不同间伐强度(对照、轻度间伐、中度间伐和重度间伐)标准地,采集0~10、10~20和20~30 cm土壤样... 【目的】探究间伐强度对土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量特征的影响。【方法】以河北省塞罕坝机械林场华北落叶松人工林为研究对象,设置不同间伐强度(对照、轻度间伐、中度间伐和重度间伐)标准地,采集0~10、10~20和20~30 cm土壤样品,测定土壤养分含量、微生物生物量含量和胞外酶活性,分析土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量比。【结果】1)随间伐强度增大,土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量先增后降,在中度间伐中观测到最大值;间伐降低了土壤C∶N、C∶P和N∶P。2)间伐提高了土壤微生物生物量碳、氮和磷(MBC,MBN和MBP)含量,尤其是中度间伐;间伐提高了土壤MBC∶MBN而降低了MBN∶MBP,土壤MBC∶MBP在不同间伐强度间无显著差异(P>0.05)。3)土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)活性在不同间伐强度间未表现出显著差异(P>0.05),土壤β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶+亮氨酸氨肽酶(NAG+LAP)活性、酸性磷酸酶(AP)活性和(NAG+LAP)∶AP在中度间伐和重度间伐中显著高于对照和轻度间伐(P<0.05),中度间伐和重度间伐的BG∶(NAG+LAP)显著低于对照和轻度间伐(P<0.05),中度间伐的土壤BG∶AP显著低于对照(P<0.05)。【结论】间伐能够促进养分循环,尤其是中度间伐。研究结果可为不同间伐强度人工林中养分循环、资源限制和生态过程研究提供理论支撑,为该区域华北落叶松人工林的合理经营提供理论依据。 展开更多
关键词 间伐强度 华北落叶松 土壤养分-微生物生物量-胞外酶化学计量 相对资源限制
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基于贝叶斯法的新疆天山云杉树高-胸径模型研究 被引量：9
9
作者 邓祥鹏 许芳泽 +1 位作者 赵善超 向玮 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期11-20,共10页
【目的】贝叶斯统计法能够利用先验信息与样本信息去进行统计推断,可有效提升模型参数的可靠程度和稳定性。【方法】本研究以天山云杉林为研究对象,使用3块100 m×100 m天山云杉调查样地数据,利用经典统计方法(极大似然法)、贝叶斯... 【目的】贝叶斯统计法能够利用先验信息与样本信息去进行统计推断,可有效提升模型参数的可靠程度和稳定性。【方法】本研究以天山云杉林为研究对象,使用3块100 m×100 m天山云杉调查样地数据,利用经典统计方法(极大似然法)、贝叶斯法构建天山云杉树高−胸径模型。利用随机抽样法抽取80%样地数据进行建模,20%样地数据进行检验,对比分析基于经典方法的非线性模型和非线性混合效应模型以及基于贝叶斯法的贝叶斯模型和层次贝叶斯模型的表现和参数分布。【结果】通过对比非线性模型和贝叶斯模型,贝叶斯模型的a、b、c 3个参数置信区间比非线性模型的分别要窄53.86%、46.87%、65.17%。而层次贝叶斯模型和非线性混合效应模型相比,层次贝叶斯模型的固定效应参数置信区间比非线性混合效应模型的要窄37.21%、62.62%、49.31%,但随机效应参数标准差的置信区间更为分散。基于贝叶斯法的模型,其参数标准差均低于基于经典方法的模型。4种树高−胸径模型的拟合结果显示:层次贝叶斯模型的拟合效果优于其他3种模型,其决定系数(R2)为0.961。拟合精度显示:层次贝叶斯模型的预测精度略高于非线性混合效应模型。【结论】两种混合模型虽然在拟合结果上没有明显区别,但与非线性混合效应模型相比,层次贝叶斯模型在参数估计的稳定性上更好,其预测更具可靠性。 展开更多
关键词 树高−胸径关系 贝叶斯法 层次贝叶斯模型 天山云杉
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