遥感在森林地上生物量估算中的应用3何红艳　郭志华33　肖文发(中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所,北京100091)摘　要　生物量是地表C 循环研究的重要组成部分,生物量研究有助于深入认识区域乃至全球的C 平衡。

森林作为地球最重要的陆地生态系统,区域乃至全球尺度的森林地上生物量估算一直是生态学研究的难点之一。

在大的空间尺度上,遥感技术是估算森林地上生物量的有效手段。

T M 、AVHRR 、S AR 等数据以及多源数据的融合在森林生物量估算方面广泛应用,并取得了显著效果。

运用遥感技术进行森林生物量估算时,所采用的数据源不同,分析方法也不相同,主要分析方法有:相关分析、多元回归分析、神经网络和数学模型模拟等。

随着测定不同空间、时间和波谱分辨率的各种传感器的广泛使用,以及生物量遥感估算模型的进一步发展和完善,大尺度森林生物量的遥感估算研究必将向前迈进一大步。

　生物量;遥感;神经网络;数学模型中图分类号　S718.55　文献标识码　A 文章编号　1000-4890(2007)08-1317-06Appli ca ti on of re m ote sen si n g i n forest aboveground b i oma ss esti m a ti on.HE Hong 2yan,G UO Zhi 2hua,X I A O W en 2fa (Institute of Forest Ecology,Environm ent and P rotection,Ch inese A cade m y of Forestry,B eijing 100091,China ).Chinese Journa l of Ecology ,2007,26(8):1317-1322.Abstract:B i omass is an i m portant variable in many ecol ogical and envir on mental models,and its large scale esti m ati on would be hel pful t o understand the gl obal C balance .Forest p lays an i m 2portant r ole in the gl obal carbon budget because it deter m ines the dyna m ics of terrestrial carbon cycle,but the measure ment of its abovegr ound bi omass involves extensive field surveys .On large regi onal scale,using satellite data is an effective way t o esti m ate forest bi omass .Up t o now,T M ,AVHRR ,radar data and the fusi on of multi p le satellite data have been widely used in f orest bi o 2mass esti m ati on .During esti m ating with satellite data,different mathe matic methods may be re 2quired if the data s ources are different .The main methods for the esti m ati on are correlati on analy 2sis,regressi on analysis,neural net w ork,and other mathe matic models .Ne w instru ments with different res oluti on in s patial,te mporal and s pectru m are devised f or the relatively reliable deter 2m inati on of f orest abovegr ound bi omass .W ith the devel opment and i m p r ove ment of the theories and models for bi omass esti m ati on by using re mote sensing data,great p r ogress will be achieved in the research of forest bi omass on large scales .Key words:bi omass;re mote sensing;neural net w ork;mathe matical model .3国家自然科学基金重大研究计划项目(90211006)、国家重点基础研究发展规划项目(2002CB412508)、国家自然科学基金重大项目(30590383)、国家科技十一五攻关计划项目(2006037002027)和国家林业局重点试验室开放基金资助项目。

33通讯作者E 2mail:guozh@caf .ac .cn 收稿日期:2006209230 接受日期:20072052051　引　言作为生态和环境应用研究的重要变量之一,生物量的长期定位研究有助于加深对全球碳平衡的认识和理解(Field et al .,1995;Fang et al .,2001;方精云等,2002)。

作为地球上最重要的陆地生态系统,森林在全球碳循环中居重要地位,对陆地生物圈和其它地表过程有着重要影响。

因此,大尺度森林地上生物量的有效估算是生态学研究的重要内容之一。

利用遥感进行森林生物量估算是基于植物的反射光谱特征实现的。

这是因为:不同植物及同种植物在不同的生长发育阶段,其反射光谱曲线形态和特征不同;并且,病虫害、灌溉和施肥等条件的不同也会引起植物反射光谱曲线的变化(彭少麟等,生态学杂志Chinese Journal of Ecol ogy 2007,26(8):1317-1322 1999)。

因此,可以利用植物的这一特征,借助遥感技术,并结合地面调查,进行区域和全球尺度上的森林生物量估算研究。

多种遥感数据被广泛用于森林生物量估算,这些遥感数据主要包括Landsat T M、NOAA/AVHRR、S AR等。

2　森林生物量估算中的遥感数据源211　T M数据由美国陆地卫星五号(LANDS AT5)携带的主题成像传感器(The matic Mapper,T M)有7个波段,利用这7个波段的不同组合可以提取不同的植被指数,然后利用植被指数估算区域生物量(Ha me et al.,1997;M ichalek et al.,2000;Foody et al.,2001; Houghi on et al.,2001;T omppo et al.,2002;Foody et al.,2003;R ichards&B rack,2004)。

利用T M数据估算区域生物量时,往往在研究区域内实测生物量或与生物量有密切关系的数据如材积(Ha me et al.,1997;郭志华等,2002)和叶面积指数(leaf area index,LA I)(Phua&Sati o,2003)等,利用T M数据的7个波段及各波段的组合如归一化植被指数(nor malized difference vegetati on index,ND2 V I)(Houghi on et al.,2001;Dong et al.,2003)等与生物量或者材积等的关系进行多元回归分析建模。

郭志华等(2002)利用T M数据的7个波段及其各种组合与材积的关系,估算了粤西地区的森林生物量。

Foody等(2003)在对热带雨林(婆罗洲)的生物量制图时,基于T M数据和回归分析模型,有效提高了生物量估算精度。

Phua和Sati o(2003)利用T M数据的6个波段(未使用第6波段)及植被指数信息,并结合其它因子,进行多元回归建模和生物量估算。

212　NOAA/AVHRR数据AVHRR是NOAA系列卫星的主要探测仪器,包含有一个5通道的光谱扫描辐射仪。

利用AVHRR数据进行生物量估算时,主要是通过AVHRR数据计算NDV I指数。

利用AVHRR数据提取NDV I植被指数,然后通过NDV I估算区域的生物量,是一种比较常用的方法(Ha me et al.,1997;Houghi on et a l.,2001;San2 nier&Tayl or,2002;Dong et a l.,2003;A l2Bakri& Tayl or,2003;Moreau et al.,2003)。

Dong等(2003)利用遥感估算16个国家(加拿大、芬兰、挪威、德国等)167个省份的北部森林和温带森林的生物量时,利用AVHRR数据提取NDV I植被指数,根据针叶林和阔叶林的不同,建立了估算生物量的不同模型,有效估算了这些区域的地上部分生物量。

AVHRR数据也用于森林的分类(M ichalek et a l.,2000),但其分类精度不如T M数据(Houghi on et a l.,2001)。

213　雷达数据雷达遥感又叫微波遥感,可分为主动和被动2种方式,被动方式与可见光和红外遥感类似,是由微波扫描辐射计接收地表目标的微波辐射。

目前多数星载雷达采用主动方式,即由遥感平台发射电磁波,然后接收辐射和散射回波信号,主要探测地物的后向散射系数和介电常数。

微波遥感不依赖于太阳辐射的变化,能够全天候观测,可以随时随地获取植被信息,特别适用于云层覆盖的地区。

而且,微波具有一定的穿透力和对某些地物明显的区分能力,利用雷达数据进行生物量估算相当普遍(Hoek man& Qui ones,2000;I m hoff&Johns on,2000;Houghi on et al.,2001;Sant os et al.,2003)。

Lefsky等(2002)利用雷达遥感数据,估算了北方针叶林、温带针叶林和温带落叶林3类森林生态系统的地上部分生物量。

21311　合成孔径雷达　合成孔径雷达(S AR)利用波长01001～1μm的微波来探测地物,这种雷达数据在森林生物量估算中的应用越来越广(Hoek2 man&Qui ones,2000;I m hoff&Johns on,2000;Sant os et al.,2003)。