论文部分内容阅读
陆地植被在地球碳循环、水循环以及调节地球反照率和相应的地表温度过程中扮演着非常重要的角色。森林作为陆地植被的主体，通过与大气环境中二氧化碳的交换，在全球碳循环和气候变化中起着至关重要的作用。正确估算森林生物量是理解和分析全球碳循环的基础，也是全球气候变化的重要研究内容。随着遥感技术的发展和森林生物量研究的深入，利用遥感数据在大尺度区域上估算森林生物量已经变成现实。然而，绝大多数研究通常采用经验模型的方法，导致模型通用性较差，大尺度区域森林生物量估算结果精度不高。本研究为了提高大尺度区域上森林生物量反演精度，提出了一种通用的基于尺度生长理论的森林生物量反演方法和技术流程，利用气象数据、遥感数据以及森林调查实测数据对中国森林生物量进行了反演研究。
本论文首先开展了利用星载激光雷达数据(GLAS数据)提取森林树高信息的方法研究。在此部分内容中，详细介绍了GLAS数据的处理流程;分析研究了地形对GLAS数据提取森林树高精度的影响，并在此基础上提出了两种基于地形校正的GLAS数据森林树高提取方法和一种改进的GLAS数据森林树高提取方法;通过机载激光雷达数据和森林实测树高数据对本研究提出的三种GLAS数据森林树高提取方法和前人提出的两种常用方法进行了比较验证，最终确定了最优的GLAS数据森林树高提取方法;基于本研究得到的最优GLAS数据森林树高提取方法，对中国森林树高进行提取，得到了中国区域的最优GLAS树高。
介于GLAS数据的离散性，通过GLAS数据提取得到的森林树高并不能覆盖整个森林区域。本论文开展了尺度生长和资源限制模型的最大树高反演算法研究。此部分内容详细介绍了森林结构参数的尺度生长关系和植被生长的资源限制理论;研究了尺度生长和资源限制模型的详细推导过程;将叶面积指数数据引入到模型中，通过参数的筛选对模型进行了重建，从而构建了森林最大树高的反演方程;基于此森林最大树高反演方程，利用气象数据、地理数据和叶面积指数数据反演得到了中国森林的潜在最大树高，即现有气候条件下森林可以生长到的潜在最大树高。
事实上，潜在的森林最大树高对于森林生物量反演并没有太多意义，与森林生物量直接相关的是森林实际树高。为了获取森林实际树高，本研究提出了优化的尺度生长和资源限制模型反演森林最大树高算法，利用最优GLAS树高提取方法估算得到的中国森林实际最大树高对尺度生长和资源限制模型进行优化，调整森林最大树高反演方程的系数;分别在气象站点区域尺度上和国家尺度上对模型进行了优化和验证;在国家区域上，本研究提出了气候区划分的创新思路，根据气温和降水将中国森林划分为若干个气候区，在每一个气候区中对模型进行优化，最终利用优化了的尺度生长和资源限制模型反演得到了中国森林的实际最大树高，并通过最优GLAS实际树高、Lefsky树高以及Simard树高验证了反演结果的正确性。从中国森林的实际最大树高反演可以看出:中国森林的实际最大树高大多集中在20米-50米范围内;其中，西南林区和东南林区实际最大树高相对较高，大多在30米以上，部分区域可达70米以上;东北林区实际最大树高相对较低，大多集中在20米-40米，少部分区域可达70米以上。
为了对中国森林的生物量进行较高精度的反演，本研究在现有森林实测数据的基础上，利用森林资源调查样地数据中的森林树高和胸径信息，在每一个划分的气候区中基于尺度生长理论建立了森林树高和胸径之间的尺度关系方程，将利用优化的尺度生长和资源限制模型反演得到的中国森林的实际最大树高转换成实际最大胸径;利用森林生物量样地数据中的森林生物量和胸径信息，在划分的气候区中基于尺度生长理论建立了森林生物量和胸径之间的尺度关系方程，通过由实际最大树高转换成的实际最大胸径最终反演获得了中国的森林生物量。反演结果表明:中国的森林生物量密度大多集中在300t/ha以下;部分区域森林生物量密度相对较高，如西南林区和东北林区少数区域森林生物量密度甚至可达3000t/ha，这与中国森林的实际最大树高的反演结果较为一致。
本论文的创新点主要有以下几点:
(1)提出了基于地形校正的GLAS树高信息提取方法。本研究通过分析地形坡度对GLAS数据提取森林树高精度的影响，提出了两种基于地形校正的GLAS森林树高提取方法和一种改进的GLAS森林树高提取方法;通过LVIS数据和森林实测树高数据对本研究提出的三种GLAS数据森林树高提取方法和前人提出的两种常用方法进行了比较验证，最终确定了一种最优的GLAS森林树高提取方法;然后利用最优的GLAS森林树高提取方法实现了中国森林实际最大树高的提取，使得中国森林树高的估算精度得到提高。
(2)发展了尺度生长和资源限制模型。本研究在基于尺度生长和资源限制的最大树高反演模型构建过程中引入了叶面积指数，减少了模型的未知参数数量，和不稳定性，提高了森林树高的预测精度。
(3)反演得到了中国森林的潜在最大树高分布状况。本研究利用温度、降水、风速、太阳辐射强度、相对湿度、地理高程数据以及叶面积指数，通过基于尺度生长和资源限制模型建立的最大树高反演方程预反演到了中国森林的潜在最大树高分布状况。
(4)提出了优化的尺度生长和资源限制模型反演森林实际最大树高算法。在区域尺度上，利用最优GLAS树高对模型进行了优化，调整了最大树高反演方程的系数;在中国尺度上，提出了根据温度、降水以及森林类型划分气候区，将中国区划分成5805个气候区，在每一个划分的气候区内利用最优GLAS树高对基于尺度生长和资源限制模型的最大树高反演方程系数进行了调整，最终反演得到了连续的中国森林实际最大树高。
(5)提出了分气候区建立树高、胸径以及生物量三者之间尺度关系方程。考虑到森林生物量反演过程中由于树种的不同没有统一的森林生物量反演方程，本研究在划分的气候区内，根据生物量实测数据中胸径和生物量信息基于尺度生长理论建立了二者之间的尺度关系方程;同时，本研究在划分的气候区内根据森林调查样地数据的平均胸径和平均树高信息在尺度生长理论的基础上建立了二者之间的尺度关系方程;最终通过由优化的尺度生长和资源限制模型反演得到的中国森林实际最大树高估算了中国森林生物量。