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自然资源遥感  2024, Vol. 36 Issue (1): 210-216    DOI: 10.6046/zrzyyg.2022478
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基于ICESat-2和Sentinel-2A数据的森林蓄积量反演
刘美艳1,2(), 聂胜2(), 王成2, 习晓环2, 程峰1, 冯宝坤1
1.云南师范大学地理学部,昆明 650500
2.中国科学院空天信息创新研究院数字地球重点实验室,北京 100094
Forest stock volume inversion based on ICESat-2 and Sentinel-2A data
LIU Meiyan1,2(), NIE Sheng2(), WANG Cheng2, XI Xiaohuan2, CHENG Feng1, FENG Baokun1
1. Faculty of Geography, Yunnan Normal University, Kunming 650500, China
2. Key Laboratory of Digital Earth Sciences, Aerospace Information Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China
全文: PDF(6259 KB)   HTML  
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摘要 

森林蓄积量是林业调查的重要指标,在衡量森林健康状况和评价森林固碳能力等方面发挥重要作用,协同主被动遥感是当前反演大区域森林蓄积量的主要手段。以云南香格里拉森林为研究区,分别提取ICESat-2/ATLAS和Sentinel-2A影像的特征变量,并通过相关性分析和共线性诊断方法筛选特征变量,构建Sentinel-2A变量集和ICESat-2/ATLAS变量集,以及二者联合的变量集,然后结合样地实测数据与3个特征变量集,采用逐步线性回归和随机森林方法分别建立线性和非线性回归模型,反演森林蓄积量,并对结果进行精度验证及对比分析。研究结果表明: 对3个变量集,随机森林方法精度均优于逐步线性回归; ICESat-2/ATLAS变量集在2种回归方法下的反演精度均高于Sentinel-2A变量集; 联合Sentinel-2A和ICESat-2/ATLAS变量集,随机森林方法的反演精度最高,其R2,RMSErRMSE分别为0.703 4,84.78 m3/hm2和36.46%。整体来说,与Sentinel-2A数据相比,基于ICESat-2/ATLAS数据及其与多源数据联合的反演模型均可以提高森林蓄积量反演精度和模型稳定性。

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刘美艳
聂胜
王成
习晓环
程峰
冯宝坤
关键词 森林蓄积量特征变量随机森林多元回归ICESat-2/ATLASSentinel-2A    
Abstract

Forest stock volume (FSV), a critical indicator in forestry surveys, plays a significant role in evaluating the health and carbon sequestration capacity of forests. Cooperative inversion using active and passive remote sensing data is an essential method for FSV inversion of large areas. Focusing on forests in Shangri-La, Yunnan Province, this study extracted feature variables from ICESat-2/ATLAS and Sentinel-2A images and then screened them through correlation analysis and collinearity diagnostics. Using the selected feature variables, this study constructed a Sentinel-2A variable set, an ICESat-2/ATLAS variable set, and a combined variable set. Based on the measured data of sample sites and the three feature variable sets, this study built linear and nonlinear regression models for FSV inversion using stepwise linear regression and the random forest method, respectively. Finally, this study performed accuracy verification and comparative analysis of the results: ① For the three variable sets, the random forest method yielded higher accuracy than the stepwise linear regression; ② The ICESat-2/ATLAS variable set exhibited higher inversion accuracy than the Sentinel-2A variable set under both regression methods; ③ Combining Sentinel-2A and ICESat-2/ATLAS variable sets, the random forest method yielded the highest inversion accuracy, with its coefficient of determination (R2), root mean square error (RMSE), and relative root mean square error (rRMSE) of 0.7034, 84.78 m3/hm2, and 36.46%, respectively. Overall, compared to Sentinel-2A data, the inversion models based on ICESat-2/ATLAS data and multi-source remote sensing data can effectively improve the accuracy of FSV inversion and model stability.

Key wordsforest stock volume    feature variable    random forest    multiple regression    ICESat-2/ATLAS    Sentinel-2A
收稿日期: 2022-12-05      出版日期: 2024-03-13
ZTFLH:  S758.57  
  TP79  
基金资助:广西自然科学基金创新研究团队项目“广西森林垂直结构LiDAR反演及生物量监测”(2019GXNSFGA245001);湖湘高层次人才聚集工程—创新团队项目(2019RS1060);中国科学院青年创新促进会项目(2019130)
通讯作者: 聂 胜(1990-),男,博士,副研究员,主要从事激光雷达及全球变化应用研究。Email: niesheng@aircas.ac.cn
作者简介: 刘美艳(1998-),女,硕士研究生,主要从事林业遥感研究。Email: meiyanliu@user.ynnu.edu.cn
引用本文:   
刘美艳, 聂胜, 王成, 习晓环, 程峰, 冯宝坤. 基于ICESat-2和Sentinel-2A数据的森林蓄积量反演[J]. 自然资源遥感, 2024, 36(1): 210-216.
LIU Meiyan, NIE Sheng, WANG Cheng, XI Xiaohuan, CHENG Feng, FENG Baokun. Forest stock volume inversion based on ICESat-2 and Sentinel-2A data. Remote Sensing for Natural Resources, 2024, 36(1): 210-216.
链接本文:  
https://www.gtzyyg.com/CN/10.6046/zrzyyg.2022478      或      https://www.gtzyyg.com/CN/Y2024/V36/I1/210
Fig.1  研究区卫星数据和蓄积量分布
蓄积量/
(m3·hm-2)
样地
数/个
最大值/
(m3·hm-2)
最小值/
(m3·hm-2)
均值/
(m3·hm-2)
[0,200) 134 193 3 96
[200,400) 43 369 201 286
≥400 28 666 400 475
Tab.1  森林蓄积量统计信息
名称 描述 参数符号
h_canopy 估计地形表面以上路段所有单独树冠相对高度的98%。通过将冠层光子高度与估计的地形表面进行差分,计算出相对冠层高度 h_canopy
h_mean_
canopy
单个相对冠层高度的平均值 h_mean
h_max_
canopy
单个冠层高度最大值 h _ max
h_min_
canopy
单个冠层高度最小值 h _ min
n_seg_ph 每个陆地段内光子数 h_seg
dem_h 地理定位点最佳可用数字高程模型,m h_dem
terrain_
slope
地形的沿轨道坡度 h_slope
h_te_best_fit 每100 m路段中点位置的最佳地形高程,m h_ terrain
canopy_h_metrics 基于内插地面上方相对树冠高度累积分布的高度度量,高度指标按以下百分位数计算: 10%,15%,20%,25%,30%,35%,40%,45%,50%,55%,60%,65%,70%,75%,80%,85%,90%,95%,共有18个 h_m (m=10,15,…,95)
Tab.2  ICESat-2/ATL08数据产品参数
名称 公式 名称 公式
归一化植被指数NDVI N D V I = N I R - R N I R + R 增强型植被指数EVI E V I = 2.5 ( N I R - R ) N I R + 6 R - 7 B + 1
比值植被指数RVI R V I = N I R R 可见光抗大气指数VARI V A R I = G - R G + R + B
差值植被指数DVI D V I = N I R - R 大气抗阻植被指数ARVI A R V I = N I R - 2 ( R - B ) N I R + 2 ( R - B )
红绿植被指数RGVI R G V I = R - G R + G 土壤修正植被指数SAVI S A V I = ( 1 + L ) ( N I R - R ) ( N I R - R + L )
L=0.1,0.25,0.5
Tab.3  植被指数
名称 描述 参数符号
数据范围 灰度值的范围 Rani
均值 灰度值的平均值 Meai
方差 灰度值的变化程度 Vari
信息熵 纹理的复杂程度 Enti
偏斜 灰度值的变化频率 Skei
二阶均值 灰度值的平均值 Meani
二阶方差 灰度值的变化程度 Variance i
同质性 图像纹理的协同性 Homi
对比度 图像清晰度和纹理的沟纹深浅 Coni
异质性 相邻像元之间灰度值的差异大小 Disi
二阶信息熵 图像纹理的复杂程度和非均匀程度 Entropy i
二阶矩 图像灰度分布的均匀程度和纹理粗细程度 Seci
相关性 GLCM像元的相似程度 Cori
Tab.4  纹理特征参数
变量集 逐步线性回归公式 R2
1 Y1=2.279-0.015Mean9+0.007RVI-
0.002 Hom11-0.023Con2-0.003Hom3-
0.004Sec2
0.406 9
2 Y2=0.111 702h_canopy +0.000 387h_dem-
2.978
0.590 1
3 Y3=0.092h_canopy -0.01Mean9+
0.042Variance11+0.005DVI-1.097
0.632 7
Tab.5  逐步线性回归模型
Fig.2  重要性评分
模型 变量集 R2 RMSE/
(m3·hm-2)
rRMSE/
%
Bias/
(m3·hm-2)
逐步线性回归 变量集1 0.406 9 146.39 62.96 -87.220
变量集2 0.590 1 118.44 50.94 -27.894
变量集3 0.632 7 110.33 47.45 20.923
RF 变量集1 0.525 0 108.05 46.47 -19.486
变量集2 0.694 8 86.50 37.20 -17.627
变量集3 0.703 4 84.78 36.46 -16.559
Tab.6  精度对比
Fig.3  线性逐步回归和RF模型预测拟合图
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