Canopy closure estimation in a temperate forest using airborne LiDAR and LANDSAT ETM+ data

Aims　Forest canopy closure is one of the essential factors in forest survey, and plays an important role in forest ecosystem management. It is of great significance to study how to apply LiDAR (light detection and ranging) data efficiently in remote sensing estimation of forest canopy closure. LiDAR can be used to obtain data fast and accurately and therefore be used as training and validation data to estimate forest canopy closure in large spatial scale. It can compensate for the insufficiency (e.g. labor-intensive, time-consuming) of conventional ground survey, and provide foundations to forest inventory.Methods　In this study, we estimated canopy closure of a temperate forest in Genhe forest of Da Hinggan Ling area, Nei Mongol, China, using LiDAR and LANDSAT ETM+ data. Firstly, we calculated the canopy closure from ALS (Airborne Laser Scanning) high density point cloud data. Then, the estimated canopy closure from ALS data was used as training and validation data to modeling and inversion from eight vegetation indices computed from LANDSAT ETM+ data. Three approaches, multi-variable stepwise regression (MSR), random forest (RF) and Cubist, were developed and tested to estimate canopy closure from these vegetation indices, respectively.Important findings The validation results showed that the Cubist model yielded the highest accuracy compared to the other two models (determination coefficient (R²) = 0.722, root mean square error (RMSE) = 0.126, relative root mean square error (rRMSE) = 0.209, estimation accuracy (EA) = 79.883%). The combination of LiDAR data and LANDSAT ETM+ showed great potential to accurately estimate the canopy closure of the temperate forest. However, the model prediction capability needs to be further improved in order to be applied in larger spatial scale. More independent variables from other remotely sensed datasets, e.g. topographic data, texture information from high-resolution imagery, should be added into the model. These variables can help to reduce the influence of optical image, vegetation indices, terrain and shadow and so on. Moreover, the accuracy of the LiDAR-derived canopy closure needs to be further validated in future studies.     

大兴安岭北坡火烧迹地森林景观恢复及其影响因子——以郁闭度指标为例

1987年发生在大兴安岭北坡的特大火灾造成了森林资源的巨大损失,森林景观恢复一直是人们关注的热点.本研究选取与森林生产力密切相关的郁闭度因子作为研究对象,以ArcView、ArcGIS等地理信息系统软件为研究平台,采用1987年和2000年两期森林资源二类调查数据,对郁闭度、火烧强度、抚育类型和地形因子等进行分级,利用Kendall等级相关分析、相似性分析等方法,探讨了森林郁闭度格局的恢复状况以及火烧强度、更新类型、地形因子对郁闭度恢复的影响.结果表明,2000年郁闭度等级构成与1987年火前相比发生了明显变化,无林地以及高郁闭度等级比重明显下降,较低郁闭度等级比重显著上升;火烧强度对火后恢复的影响最为关键,火烧强度与郁闭度等级呈负相关;更新措施短期内对郁闭度恢复影响不显著,但可以缩短森林演替的周期,对未来针叶林群落生产力恢复具有重要的促进作用;地形因子中坡度对郁闭度恢复影响最为明显,其次为坡位,坡向影响最弱.     

大兴安岭北坡火烧迹地森林景观恢复及其影响因子——以郁闭度指标为例

197年发生在大兴安岭北坡的特大火灾造成了森林资源的巨大损失,森林景观恢复一直是人们关注的热点.本研究选取与森林生产力密切相关的郁闭度因子作为研究对象,以ArcView、ArcGIS等地理信息系统软件为研究平台,采用1987年和2000年两期森林资源二类调查数据,对郁闭度、火烧强度、抚育类型和地形因子等进行分级,利用Kendall等级相关分析、相似性分析等方法,探讨了森林郁闭度格局的恢复状况以及火烧强度、更新类型、地形因子对郁闭度恢复的影响.结果表明,2000年郁闭度等级构成与1987年火前相比发生了明显变化,无林地以及高郁闭度等级比重明显下降,较低郁闭度等级比重显著上升;火烧强度对火后恢复的影响最为关键,火烧强度与郁闭度等级呈负相关;更新措施短期内对郁闭度恢复影响不显著,但可以缩短森林演替的周期,对未来针叶林群落生产力恢复具有重要的促进作用;地形因子中坡度对郁闭度恢复影响最为明显,其次为坡位,坡向影响最弱.     

利用郁闭度与H J-1多光谱数据估算马尾松林叶面积指数

以福建中部的三明市、沙县和将乐县以及福建西部的长汀县为研究区,利用郁闭度(CD)与H J-1多光谱数据(B1、B2、B3和B4)并结合实地踏查数据,对马尾松(Pinus massoniana Lamb.)林叶面积指数(LAI)进行估算.结果显示:利用多光谱波段及归一化差值植被指数(NDVI),得到三明市、沙县和将乐县马尾松林郁闭度估算模型为CD=-0.008B1+0.031B2 +0.016B3-0.037B4 +0.012NDVI-O.815,平均检验精度为87.76％;长汀县马尾松林的郁闭度估算模型为CD=-0.024B1 +0.130B3-0.083B4 +0.026NDVI-2.355,平均检验精度为86.78％.采用线性、对数、二次、幂和指数模型构建了2个研究区马尾松林的LAI-CD模型,经检验分析,均以指数模型综合预测效果最佳;综合分析后获得研究区马尾松林LAI-CD模型LAI=0.193e3.259CD,检验精度达0.898.研究结果说明:利用国产HJ-1多光谱数据可较精确地估算马尾松林郁闭度,所构建的LAI-CD数学模型预测效果较好,具有较强的适用性.     

林分因子对云顶山不同人工林林下植物多样性的影响

该研究采用典型抽样法,以成都云顶山5种人工林——柏木 枫杨林(BF)、银杏 楠木林(YN)、光皮梾木 香樟林(GZ)、枫杨 桤木林(FQ)、柏木林(CB)为研究对象,分析不同人工林的林下植物组成与多样性特征,并确定影响林下植物多样性的主导林分因子,为当地人工林经营管理提供理论依据。结果表明：(1)研究区共记录林下植物168种,隶属于62科130属;5种人工林灌木层与草本层的科属种数均以GZ最多。(2)5种不同人工林灌木层与草本层的优势种数分别为7、4、7、6、4种和5、4、9、9、10种,数量都较少。(3)5种人工林的Shannon Wiener多样性指数(H)、Simpson优势度指数(H′)、物种丰富度指数(D)、Pielou均匀度指数(J_sw) 均基本表现为草本层>灌木层,BF、GZ灌木层的D略高;灌木层的H、H′、D值均以GZ最大,但不同人工林的J_sw差异不显著;草本层的H、H′、D、J_sw均基本呈现CB>FQ>GZ>BF>YN趋势,GZ的D值略高于FQ。(4)6个林分因子对灌木层4个物种多样性指数的影响均无显著差异;林分平均树高、平均枝下高、平均胸径、平均冠幅和林分密度是影响草本层H、D的主要因子,但各林分因子对草本层H′、J_sw的影响差异不显著。研究认为,林分结构对林下草本层物种多样性的影响更大,平均树高、平均枝下高、平均胸径、平均冠幅、林分密度对草本层多样性有显著影响。     

环境因素对薇甘菊开花结实影响初探

2001—2002年度在广东东莞市选取不同的自然小生境,研究土壤肥力、土壤水分和生境郁闭度对薇甘菊(Mikania micrantha H．B．K)开花结实的影响,结果表明：土壤肥力较高,花数较多,花期较长,结实率较高,种子千粒重较大;但土壤肥力过高,虽然种子千粒重大,花期长,但花数少,结实率低。在开阔的生境中,薇甘菊花数多,花期长;在林荫处花期短,花数少,但种子千粒重反而有所升高;植株在郁闭度为10％-20％的生境中结实率最高,高于20％或低于10％结实率均有所降低,过强或过弱的光照均不利于结实。土壤湿度虽然对种子千粒重无明显影响,但对薇甘菊花数、花期和结实率的影响显著,土壤湿度大,花数多,结实率高,花期长。在自然生境中,三种因素的影响既相对独立又相互制约。     

不同郁闭度对野外回归的梓叶槭幼树形态和生理特征的影响

濒危植物野外回归是扩大极小种群野生植物种群的有效途径。适宜的回归生境是物种生长的必要条件, 研究植物的生理生态特征对不同野外回归生境的适应性, 是科学评价濒危物种种群回归生境适宜性的关键指标。本文以野外回归的极小种群野生植物梓叶槭(Acer catalpifolium)为研究对象, 探讨了无遮荫、林缘、林隙以及林下(郁闭度由小到大) 4种不同光照条件对梓叶槭幼树的形态特征、光合特征、类黄酮指数及叶绿素含量等的影响。结果表明: (1)随着郁闭度的增大, 梓叶槭幼树的基径、冠幅以及新生枝条数量产生差异, 均呈现先增大后减小的趋势; (2)在林缘生境中, 梓叶槭幼树的单叶面积及单叶质量均最大, 比叶面积随着郁闭度的增大而增大; (3)随着郁闭度的增大, 梓叶槭叶片胞间CO₂浓度、蒸腾速率及气孔导度均呈现先减小后增大的趋势, 叶绿素含量呈现上升趋势, 类黄酮指数则呈现先增大后减小的趋势。综上可知, 林缘适宜的光照条件更适合梓叶槭野外回归。这一结果可为梓叶槭以及其他极小种群野生植物的回归生境适宜性的探索研究提供借鉴。     

城市带状绿地结构类型与温湿效应的关系

利用小尺度定量测定的方法,选择北京典型的城市带状绿地--西四环旁侧4种不同内部结构以及5种不同郁闭度带状绿地(绿地宽度42 m)作为研究对象,研究带状绿地结构类型与温湿效应的关系.结果表明:与对照相比,草坪的降温增湿效应不显著,灌-草、乔-草和乔-灌-草绿地的降温增湿效果显著.当郁闭度为10%～31%时,绿地具有一定的降温增湿效应,但效应不显著;当郁闭度超过44%时,绿地降温增湿效应显著;当郁闭度超过67%时,绿地降温增湿效应显著且趋于稳定.     

黄龙山林区不同郁闭度对辽东栎种群结构的影响

辽东栎是黄龙山林区主要的建群种,通过典型取样选择16块样地,对其年龄结构、静态生命表、存活曲线、高度级结构、冠幅结构的绘制,研究其在不同郁闭度(0.6、0.7、0.8、0.9)不同坡向(阴坡、阳坡)生境中变化规律。结果表明:辽东栎幼苗数量在郁闭度0.6、0.7、0.8、0.9样地中,分别占全部个体数量的57%、64%、36%、47%,从年龄结构、静态生命表、存活曲线均表明辽东栎幼苗在4个不同郁闭度中比例都是最大的,大树比例次之,幼树小树比例最少,幼树小树是辽东栎更新瓶颈阶段,辽东栎种群存活曲线均属于R.PearlⅢ型,在郁闭度0.7波动最小;从辽东栎种群的年龄结构、静态生命表、存活曲线、高度级结构、冠幅结构等指标综合表现中可以看出辽东栎种群在郁闭度0.7生境优于郁闭度0.6、0.8、0.9生境;辽东栎在阳坡的幼苗、幼树、小树、比例高于阴坡,而大树比例低于阴坡;除高度级a外,阳坡多集中在c、d、e高度级,阴坡高度级多集中在d、e、f;在阳坡冠幅级10以下均有分布,在阴坡冠幅多集中在冠幅级7以下;无论在阳坡还是阴坡,郁闭度0.7更适合辽东栎更新生长,可以作为西北地区抚育间伐的理想条件。     

马尾松人工林郁闭度对大型土壤动物功能群的影响

将土壤动物分为捕食性、腐食性、杂食性、食木性和菌食性5个功能群,研究马尾松人工林各功能群大型土壤动物随郁闭度(0.5、0.6、0.7、0.8、0.9)的变化.结果表明: 1)各郁闭度马尾松人工林大型土壤动物以腐食性个体比例最高,类群上以杂食性和食木性为主.2)马尾松人工林大型捕食性土壤动物个体数、类群数和食木性类群数在0.5～0.6郁闭度下无显著变化,在0.6～0.9郁闭度下显著降低.3)随郁闭度增大,枯落物层捕食性土壤动物个体和类群数显著减少,5～10 cm层腐食性土壤动物个体数呈不规则的波动变化.食木性土壤动物个体数随土层加深而增多,且在枯落层其类群数及5～10 cm层个体和类群数随郁闭度增大而显著减少.4)不同郁闭度下,除食木性土壤动物功能群Pielou均匀度无显著差异外,食木性和腐食性土壤动物各多样性指标均差异显著;捕食性土壤动物仅Simpson优势度指数在0.5～0.8郁闭度下无显著变化,在0.8～0.9郁闭度下显著降低.5)典范对应分析(CCA)显示,不同郁闭度马尾松人工林大型土壤动物功能群主要受土壤容重和含水量的影响.含水量对腐食性土壤动物个体数影响较大,食木性、捕食性土壤动物受土壤容重影响,捕食性土壤动物Simpson优势度指数受土壤pH和全磷影响.大型土壤动物功能群结构在0.7郁闭度下相对稳定,有利于马尾松人工林地力维持和生态功能的发挥.