森林立地指数的地统计学空间分析

森林生态系统立地质量的评估是森林生态系统经营管理和造林营林的重要理论基础与规划方法,也是研究森林生态系统生产力的重要内容。森林立地指数是一种已被普遍接受的评价森林立地质量的方法,然而由于技术所限,传统的森林立地指数调查方法因其耗时长、花费大,很难大面积的对森林立地指数进行估测和空间分析,地统计学结合地理信息系统技术为研究森林立地及空间格局提供了一条新的途径。以杉木人工林为研究对象,地统计学及地理信息系统技术为手段,根据江西省景德镇枫树山林场杉木立地指数空间分布特点,选取合适的变异函数理论模型,对其森林立地指数进行了估测和空间分析,并在精度验证的基础上对结果进行了评价。研究结果表明,江西省枫树山林场杉木人工林立地指数有中等程度的空间相关。通过模型模拟结果和实测结果对比,K-贝塞耳函数(K-Bessel)模型有较好的拟合效果和较高的精度,说明地统计学在森林立地指数的估测和空间分析中有一定的应用价值。     

表征亚热带常绿林光合作用季节变化特征的多种植被指数

利用遥感方法可以在区域尺度反演地表植被的光合生理状况和生产力变化,但亚热带常绿林冠层结构季节变化较小,传统的光谱植被指数对植被光合作用难以准确捕捉。利用2014—2015年中国科学院广东省鼎湖山森林生态试验站多角度自动光谱观测系统的光谱反射数据,分别反演传统冠层结构型植被指数(NDVI)、光合生理生化型植被指数(CCI)和叶绿素荧光型植被指数(NDFI_(685)和NDFI_(760)),并利用不同类型植被指数的组合,构建多元线性回归模型。结果表明:亚热带常绿针阔混交林三种类型植被指数均与GPP的动态变化有显著的相关性,其中,NDVI是表征GPP较优的植被指数(R~2=0.60,P0.01),其次为CCI(R~2=0.55,P0.01),而NDFI能够作为辅助指数,有效提高NDVI(R~2=0.68,P0.001)和CCI(R~2=0.67,P0.001)表征GPP的程度。多个植被指数参与构建的多元回归模型能够有效提高亚热带地区常绿林GPP季节动态变化的拟合精度,提升遥感精确评估亚热带森林生产力的能力。     

基于SWCI-NDVI特征空间的县域耕地地力遥感反演

利用遥感反演县域耕地地力状况,快速、准确、高效地实现耕地定级,是区域耕地资源利用与管理的客观需求。本研究以东平县为研究区,利用Landsat-TM卫星影像和耕地地力评价资料,构建以地表含水量指数(SWCI)、归一化植被指数(NDVI)为特征参量的水分植被地力指数(MVFI),进而优选得到最佳反演模型,并在县域空间上进行推广应用和精度验证。结果表明: MVFI与耕地地力综合指数(IFI)的相关系数为-0.753,能综合反映小麦长势、土壤墒情和地力水平,具有明确的生物物理意义;最佳反演模型为二次模型,反演精度较高;模型适用于县域耕地地力的反演,反演结果与地力评价结果的空间分布规律和均匀程度相似,高、中、低等级耕地的面积差均低于2.9%。本研究提出的基于特征空间理论的耕地地力遥感反演方法,可有效提高县域耕地地力的评价效率和预测精度。     

高光谱与拟合多光谱植被指数反演武夷山亚高山草甸LAI的对比研究

植被叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)是重要的生态学参数, 被广泛用于指示植被密度、生物量、碳、氮物质循环以及气候变化对生态系统的影响, 也作为生态过程模型的重要输入参数。地面实测高光谱遥感数据能以更高的空间分辨率及更高的光谱分辨率监测植物的光谱特征, 为精准反演LAI提供了基础。本项研究以武夷山国家公园黄岗山顶的亚高山草甸为研究对象, 通过建立多种高光谱植被指数和拟合多光谱植被指数反演叶面积指数的统计模型, 并比较高光谱与多光谱对叶面积指数反演的效果, 阐明用于反演高覆盖率亚高山草甸的最适高光谱和拟合多光谱植被指数。结果表明: 高光谱新植被指数(NVI)对于反演LAI有最好的效果, R2 = 0.85, P < 0.01; 依据高光谱NVI拟合而成的多光谱NVI反演结果次之, R2 = 0.82, P < 0.01。几种常用比值植被指数NDVI、MSR、RVI和GNDVI在高光谱和拟合多光谱反演结果中相差不大, 表现较好, R2都在0.65以上。通过对比高光谱和拟合Sentinel-2A和Landsat-8两种多光谱卫星波段的反演结果发现, 光谱响应函数中具有更窄波段范围的近红外、红、绿、蓝波段构成的植被指数可以得到更好的反演结果, 而固定波段的高光谱植被指数未必在每种植被指数中都具有最好的反演效果。同时, 发现当某种植被指数反演LAI的线性回归方程的斜率越大, 说明这种植被指数越有可能随LAI的增大而出现饱和现象, 相反的, 斜率越小则说明该种植被指数没有出现饱和现象。此外, 在研究区内使用高光谱和拟合多光谱波段植被指数法反演LAI, NDVI都获得了较好的效果, 存在很好的线性关系, 之前的很多研究和判断都认为NDVI不适用于反演高覆盖植被的LAI, 这个发现是具有意义的, 表明高覆盖植被的叶面积指数在一定范围内是能够被NDVI(应用最广泛的植被指数)较好的反演, 进一步扩展了NDVI反演LAI的适用性和可能性。     

三江平原湿地植被叶面积指数遥感估算模型

利用中巴资源卫星CBERS-02影像提取的归一化植被指数(NDVI)和同期野外实测的叶面积指数(LAI)数据,分析了三江平原洪河自然保护区草甸、沼泽植被、灌丛和岛状林4种湿地植被及样本总体的NDVI与LAI之间的相关关系,建立了NDVI与不同湿地植被类型叶面积指数间的线性和非线性回归模型,并制作完成洪河自然保护区LAI空间分布图.结果表明,整个研究区样本总体的LAI估算效果不太理想,其NDVI与LAI的相关性仅为0.523;将研究区分为草甸、沼泽、灌丛和岛状林4种湿地植被类型,NDVI与各植被型LAI的相关性和估算效果均有很大程度的提高,所建立的LAI遥感反演模型以三次曲线回归方程拟合精度最高,R2分别达到0.723、0.588、0.837、0.720.以上结果表明,结合地面实测数据并基于遥感植被分类的基础上,CBERS-02遥感影像可用于较大区域内湿地植被生理参数的反演研究.     

植物叶绿素含量的遥感模型及用陆地卫星数据所作的二维分布图

为了确定全球和区域尺度的植物叶绿素含量的多少和分布,遥感方法是一种很好的途径。有些遥感科学家直接利用归一化植被指数(NDVI)等植被指数推算叶绿素含量。实践表明,这种做法的缺点有:1.植被指数NDVI中的近红外波段反射率与叶绿素含量基本无关,这样NDVI中的主信息并没有表达叶绿素含量,其信噪比显著降低;2.存在明显的信息不确定性,同一个植被指数NDVI可能有两种状态:较高叶面积指数伴有较低叶绿素含量或者是较低叶面积指数伴有较高叶绿素含量。通过实践,作者推导出可用LANDSAT和NOAA影像图灰度值推算植被叶绿素含量遥感模型。并在中国科学院禹城遥感实验场实际应用中得到验证:用其模型推算植被叶绿素含量的精度比NDVI有较明显提高,不确定性有明显的降低。     

林地叶面积指数遥感估算方法适用分析

叶面积指数是与森林冠层能量和CO2交换密切相关的一个重要植被结构参数,为了探讨估算林地叶面积指数LAI的遥感适用方法和提高精度的途径,利用TRAC仪器测定北京城区森林样地的LAI,从Landsat TM遥感图像计算NDVI、SR、RSR、SAVI植被指数,分别建立估算LAI的单植被指数统计模型、多植被指数组合的改进BP神经网络,获取最有效描述LAI与植被指数非线性关系的方法并应用到TM图像估算北京城区LAI。结果表明,单植被指数非线性统计模型估算LAI的精度高于线性统计模型;多植被指数组合神经网络中,以NDVI、RSR、SAVI组合估算LAI的精度最高,估算值与观测值线性回归方程的R2最高,为0.827,而RMSE最低,为0.189,神经网络解决了多植被指数组合统计模型非线性回归方程的系数较多、较难确定的问题,可较为有效的应用于遥感图像林地LAI的估算。     

基于MODIS黄河三角洲湿地NPP与NDVI相关性的时空变化特征

应用EOS/MODIS卫星遥感资料,分析2001-2006年黄河三角洲地区植被净初级生产NPP及NDVI时空变化特征,在到海岸线不同距离的区域内,讨论了年植被净初级生产力( aNPP)与年均归一化植被指数(ANDVI)的相关性,并建立一元回归分析模型.可以看出,黄河三角洲湿地生态系统分布自海向陆具有明显的空间异质性,滩涂湿地分布于沿海地区,生产力高,该地区aNPP值高且与ANDVI呈显著正相关;其他区域由于是盐碱荒地或农业生态系统,因土壤盐分含量高而系统生产力低,或农耕地受人类干扰严重,一年总的生产力下降,而导致这些区域ANDVI与aNPP呈负相关.利用NDVI进行黄河三角洲生产力监测的可行区域,在距离海岸线小于6_km的范围内,所研究的6a回归模型均通过α=0.01的显著水平的F检验,模型的R2值为0.86-0.97.同时在生产力无法估测的区域,可以使用NDVI有效管理黄河三角洲生态系统,提高其生产力水平.     

森林冠层叶面积指数遥感反演——以小兴安岭五营林区为例

以中国东北小兴安岭五营林区为研究区,基于MODIS BRDF遥感模型参数产品数据,首先利用4-Scale模型建立查找表计算像元尺度上各组分比例,估算研究区森林乔木冠层反射率,然后利用冠层反射率数据,获取研究区3种常用森林冠层植被指数,最后基于植被指数与实测叶面积指数构建研究区冠层叶面积指数反演模型,并选取最优模型实现研究区森林冠层叶面积指数反演。结果表明:研究区冠层LAI遥感反演模型中,基于比值植被指数SR(simple ratio,SR)构建的二次多项式反演模型精度最高,且反演精度比未考虑背景反射影响的SR反演模型精度有较大幅度提高,模型决定系数由0.38提高至0.54;反演获取的研究区冠层LAI在2.38~12.67,平均值6.52,LAI值在阔叶林区域相对较高。     

亚热带地区马尾松林碳储量的遥感估算——以长汀河田盆地为例

全球气候的变化已使得人类日益关注森林生态系统的碳储量变化.以福建省长汀县河田盆地为例,开展马尾松林碳储量估算模型的研究.通过2010年的野外样地调查获得了马尾松林的实测数据,并将其与同年的ALOS遥感影像对应样地的植被光谱信息进行比较.通过研究5种遥感植被指数与马尾松林碳储量之间的相关关系,从中选取了基于归一化植被指数(NDVI)的研究区最佳马尾松林碳储量反演模型.精度分析表明,该模型平均相对误差为-1.95％,均方根误差为3.01 t/hm2,因此可以有效地用于反演研究区的马尾松林碳储量.利用该模型反演出河田盆地2010年马尾松林的总碳储量为114.58×104 t,碳密度为34.92 t./hm2.     

Estimation of forest-ecosystem site index using remote-sensed data

The estimation of site index and site quality forms the fundamental theory and basic tools in forest-ecosystem management and silviculture practice. The study on the spatial pattern and temporal dynamics of site index and site quality of forest ecosystem still lacks technological advancement. It is a novel approach for estimating forest productivity in large areas using satellite remote-sensed data. The site-index spatial distribution pattern of spruce (Picea asperata) forest in Songpan-Zhengjiangguan watershed, northwestern Sichuan Province, China, was described using the remote-sensing vegetation index application and the established inverse models. The application potential of the methodology in broad regions and forests using the accuracy assessment was evaluated. The results show that the site index of the spruce forest is in linear correlation with the remote-sensed vegetation indices (normalized difference vegetation index (NDVI) and soil adjust NDVI (TNDVI)), as well as with these inverse models with high accuracy. This study demonstrated that this approach can be used in similar estimation of different forest ecosystems.     

Estimation of forest-ecosystem site index using remote-sensed data

The estimation of site index and site quality forms the fundamental theory and basic tools in forest-ecosystem management and silviculture practice. The study on the spatial pattern and temporal dynamics of site index and site quality of forest ecosystem still lacks technological advancement. It is a novel approach for estimating forest productivity in large areas using satellite remote-sensed data. The site-index spatial distribution pattern of spruce (Picea asperata) forest in Songpan-Zhengjiangguan watershed, northwestern Sichuan Province, China, was described using the remote-sensing vegetation index application and the established inverse models. The application potential of the methodology in broad regions and forests using the accuracy assessment was evaluated. The results show that the site index of the spruce forest is in linear correlation with the remote-sensed vegetation indices (normalized difference vegetation index (NDVI) and soil adjust NDVI (TNDVI)), as well as with these inverse models with high accuracy. This study demonstrated that this approach can be used in similar estimation of different forest ecosystems.     

森林生态系统生物物理参数遥感反演研究进展

论述了利用遥感技术反演推算森林生态系统主要生物物理参数：叶面积指数、吸收光合有效辐射、净第一性生产力和生物量的技术、方法和模型及各个参量之间的相互关系研究进展,阐述了各研究方法、模型的特点、优势及局限性。特别论述了净第一性生产力的森林冠层光合作用理论模型基础、微波遥感估算森林生物量的应用优势和理论模型,展示了遥感技术在森林生态学研究中广阔的应用前景,同时也指出现有研究中各生物物理参数的定量遥感估算还有待进一步深入研究。     

基于影像纹理特征的川西南山地常绿阔叶林有效叶面积指数的空间分析

遥感是获取叶面积指数（LAI）信息的最有吸引力的选择之一,但目前基于遥感数据的叶面积指数估测精度有限.本文以川西南山地常绿阔叶林为研究对象,基于地面调查的83个20 m×20 m样地和SPOT5数据,运用灰度共生矩阵法提取影像单波段、简单波段比图和主成分图的纹理信息,以不同图像处理方式的纹理参数作为辅助变量进行地统计分析估算有效LAI（LAIe）.结果表明： LAIe与不同方式处理图像的纹理参数存在不同程度的相关性,其中,与B₁波段、B₁/B₄和PC₁的均质性呈极显著相关关系.与以归一化植被指数（NDVI）为辅助变量相比,以纹理参数B₁波段、B₁/B₄和PC₁的均质性作为辅助变量估测LAIe的精度均有所提高,分别提高5.3%、11.0%、14.5%,还能在一定程度上降低统计误差.以NDVI、PC₁均质性作为辅助变量的LAIe空间地统计估测模型最优（R²＝0.840,RMSE=0.212）.本研究结果为合理地选择除植被指数外的其他辅助变量估测区域LAI的空间分布提供了一种新的思路和方法.     

Assessing species density and abundance of tropical trees from remotely sensed data and geostatistics

Question: What relationships exist between remotely sensed measurements and field observations of species density and abundance of tree species? Can these relationships and spatial interpolation approaches be used to improve the accuracy of prediction of species density and abundance of tree species? Location: Quintana Roo, Yucatan peninsula, Mexico. Methods: Spatial prediction of species density and abundance of species for three functional groups was performed using regression kriging, which considers the linear relationship between dependent and explanatory variables, as well as the spatial dependence of the observations. These relationships were explored using regression analysis with species density and abundance of species of three functional groups as dependent variables, and reflectance values of spectral bands, computed NDVI (normalized difference vegetation index), standard deviation of NDVI and texture measurements of Landsat 7 Thematic Mapper (TM) imagery as explanatory variables. Akaike information criterion was employed to select a set of candidate models and calculate model‐averaged parameters. Variogram analysis was used to analyze the spatial structure of the residuals of the linear regressions. Results: Species density of trees was related to reflectance values of TM4, NDVI and spatial heterogeneity of land cover types, while the abundance of species in functional groups showed different patterns of association with remotely sensed data. Models that accounted for spatial autocorrelation improved the accuracy of estimates in all cases. Conclusions: Our approach can substantially increase the accuracy of the spatial estimates of species richness and abundance of tropical tree species and can help guide and evaluate tropical forest management and conservation.     

A multiscale analysis of ecosystem services supply in the NW Iberian Peninsula from a functional perspective

In recent years, the assessment of ecosystem services (ES) supply has been based on the use of Land Use/Land Cover (LULC) data as proxies for spatial representation of ecosystems. Nevertheless, some shortcomings of this method, such as uncertainties derived from generalization of the ecosystem types and assumptions of invariance across spatial scales, indicate the need for new approaches. Such approaches could be aimed at improving knowledge of the relationships between ecosystem services and landscape structure and the spatial characteristics of ES patterns. In this study, we propose an integrative approach that involves the generation and analysis of continuous maps representing the supply of five ES potentially related to the amount of biomass. Five remote sensing images of the Northwestern Iberian Peninsula, obtained with Landsat-5 TM, were used to generate a proxy for net primary production by combining the normalized difference vegetation index (NDVI) of each image to calculate a ΣNDVI index that could act as a potential indicator of some ecosystem services. This information was combined with three variables – terrain slope, population density and occurrence of protected areas – to produce spatial models for the five ES and eventually a series of five supply maps. Food, materials and energy provision services showed a clustered pattern, with high supply values in flat zones and areas with high population densities. In contrast, mass flow and climate regulation services were more widely distributed throughout the study area. The five ecosystem service patterns were analyzed at different scales by two methods: lacunarity and four term local quadrat variance (4TLQV) analysis. These methods revealed differences in the spatial pattern: lacunarity analysis was useful for detection of scale thresholds at the local level, whereas 4TLQV was more sensitive to scale thresholds at larger spatial levels. Thus, the variance analysis yielded higher values for larger windows sizes, particularly for provisioning services. The results demonstrated the suitability of the proposed approach for the spatially explicit modeling of ecosystem services, avoiding the uncertainty of other assessments such as those based on LULC data, and for the exploratory analysis of ES supply from a spatial point of view.     

内蒙古镶黄旗草地蝗虫潜在发生可能性评价

以内蒙古草地蝗虫产卵期、越冬期和孵化期的关键气象影响因子作为草地蝗虫气象适宜度指数构建的主要因子,对内蒙古镶黄旗2010年草地蝗虫潜在发生的气象适宜性进行评价;根据当年7月上中旬在镶黄旗的实地调查资料,选取海拔、坡向、土壤类型、土壤含砂量、植被类型、植被盖度、土地覆被类型7个相对稳定的生境因子,用模糊评判方法和3S（GIS、RS、GPS）技术对该旗草地蝗虫潜在发生的生境适宜性进行评价;最后通过构建气象-生境适宜性综合评价模型,得到该旗2010年草地蝗虫潜在发生可能性（POG）等级,并用2010年实测数据和2001-2010年历史数据对模型模拟的蝗虫发生位置和蝗灾发生面积进行验证.结果表明：用本文所建气象-生境适宜性综合评价模型对镶黄旗POG等级的评价结果是可靠的.该旗草地蝗虫潜在发生的气象适宜性等级非常一致,绝大多数为适宜等级;蝗虫潜在发生源地的空间异质性主要与生境因子有关,在海拔1300～1400 m的平地/东坡/南坡、植被盖度30%～50%的温带丛生禾草草原、土壤含砂量60%～80%的典型栗钙土的生境条件下,草地蝗虫潜在发生的可能性最高.     

不列颠·哥伦比亚省北部小杆松及白云杉立地指数与生态立地质量的关系

为在ＰｒｉｎｃｅＲｕｐｅｒｔ林区的“亚北方”部分建立生态立地质量与森林生产力的联系,对从９３个小杆松林分和７７个白云杉林分获得的数据进行了分析．所研究的林分处于两个气候状况、８个土壤水分状况以及５个土壤养分状况．这些气候、土壤水分和养分状况被视为等级变量用于林地分类和回归分析．小杆松和白云杉的立地指数随土壤水分和养分状况变化而变化,但不依赖于气候变化．与土壤水分相关的变化格局对两个种来说很相似,但与土壤养分相关的变化格局则全然不同．在所建立的５类回归模型中,土壤小区模型对于两个种都显示出立地指数与土壤水分和养分状况具有很强的相互关系（Ｒ２＞０．８０,ＳＥＥ≤１．６ｍ）．可以认为土壤水分和养分的等级度量在大范围内可作为小杆松和白云杉立地指数的预测预报因子．