基于森林冠层高度和异速生长方程的中国红树林地上生物量估算

红树林是一种高效率的滨海蓝碳生态系统,准确估算红树林地上生物量对研究碳循环和气候变化十分重要,获取中国红树林地上生物量将具有现实意义和应用价值。遥感技术便捷高效、观测范围广,能够服务于大尺度的生态系统监测。文章使用基于GEDI星载激光雷达反演的森林冠层高度数据和基于异速生长原理构建的红树林“树高-生物量”异速生长方程,估算2019年中国红树林地上生物量,进而分析其数量、空间分布特征及主要影响因素。结果显示,2019年中国红树林地上生物量总量和均值分别约为1974827 t和73.0 t/hm^(2);红树林分布的各省份(地区)的地上生物量均值在53.3~92.1 t/hm^(2),其中海南省的红树林地上生物量均值最高,达到92.1 t/hm^(2);中国红树林地上生物量的累积和分布受纬度和人为因素的影响。研究结果能够为后续红树林生态系统碳储量的核算提供数据基础和技术参考,也将有助于中国沿海红树林生态恢复和保护措施的制定,以及控制碳排政策的出台实施。

基于改进藤壶优化算法的森林冠层图像分割

为解决森林冠层图像因结构复杂,提取时受光照不均的影响而导致分割精度低的问题,采用一种基于自适应调整策略的混沌藤壶交配优化算法(Chaotic Adaptive Barnacle Mating Optimization,CABMO)的森林冠层图像分割方法。首先采用Logistic混沌映射初始化藤壶种群以提高算法的探索能力;然后设计非线性递增阴茎系数使探索和开发之间更平衡;最后将Kapur熵作为适应度函数,利用CABMO算法选取适应度函数的最优值,降低复杂度的同时,加强阈值的搜索效率。为验证CABMO算法在森林冠层图像分割上的有效性,以适应度值、峰值信噪比值(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)、特征相似性指数测试值(feature similarity index mersure,FSIM)和计算时间作为性能指标来评估分割效果。研究结果表明,在适应度值、PSNR值和FSIM值上CABMO算法分别以100%、99%、97.9%的占比优于对比算法,在计算时间上100%优于基本藤壶交配优化算法(Barnacle Mating Optimization,BMO)。结果表明,CABMO算法在提高森林冠层图像分割精度的同时也获得了更高质量的分割图像。

激光雷达的立体体元模型在森林冠层间隙率提取中的应用

针对光学森林冠层间隙率提取方法受天气影响较大的不足,本文基于激光雷达点云数据,提出一种立体体元模型方法进行森林冠层提取,并采用点云投影、半球成像两种常用方法与其进行对比。结果表明:不同体元大小提取的间隙率结果在变化趋势基本一致,当体元大小越大时,提取的间隙率结果越小;当与点云投影、DHP两种方法进行对比时,随着体元增大,本文方法提取结果与两种方法提取结果相关性也逐渐增高,当天顶角为0°~80°、10°~65°时,相关系数在0.91以上,表明本文方法可用于森林冠层间隙率提取。

基于激光雷达卫星(GEDI)的广东省森林冠层高度和生物量估算

森林冠层高度和生物量估算对估算森林碳收支方面起到重要作用。本文以广东省森林为研究对象,以全球生态系统动态调查(GEDI)激光雷达卫星为数据源,分别采用回归树和克里金插值算法,对广东省的森林冠层高度和生物量进行反演。研究结果表明,广东省的树木高度普遍在10~20 m,占比超过50%。树高高值出现在粤北的韶关、肇庆等市,树高普遍在15~20 m;而湛江市的平均树高最低,普遍不足10 m。广东省森林生物量最大值为335.85 t/hm^(2),最小值为5.25 t/hm^(2),平均值为98.27 t/hm^(2)。森林生物量高值区域主要分布在粤东山区和粤西山区,而广东省平原和城市化地区森林生物量则较低。本文结果为估算广东省森林生态系统碳吸收提供科学依据。

森林冠层空气动力学参数的确定

使用长白山阔叶红松林的风、温、湿梯度资料和超声风温仪测量的湍流资料，计算了长白山森林空气动力学粗糙度Ｚ０，零平面位移ｄ、冠层上动量曳力系数ＣＤ及水热曳力系数ＣＨ，并对ｄ和Ｚ０的计算方法做了误差分析。树高２６ｍ的长白山原始森林空气动力学粗糙度Ｚ０＝１．６ｍ，零平面位移ｄ＝１９．５ｍ。基于质量守恒原理来计算高植被下垫面的动力学粗糙度、零平面位移是目前较为精确和实用的方法。要想得到较精确的ｄ和Ｚ０，必须提高湍流通量ｕ′ｗ′和风廓线的测量精度，并确定合适的测量高度使得ｕ′ｗ′的测量和一点风速的测量在惯性副层内。在不稳定条件下，森林上空动量曳力系数ＣＤ，水热曳力系数ＣＨ与稳定度有较好的关系，近中性的平均代表值约为ＣＤ＝６．６×１０－３，ＣＨ＝６．４×１０－３。引入零平面位移ｄ后。

森林冠层上湍流尺度、耗散率和湍流结构参数

利用新型三维超声风速 温度仪 ,在中国东北长白山原始森林冠层以上观测的湍流资料 ,计算并分析了森林冠层上的湍涡特征长度尺度、湍流动量和热量耗散率、湍流动量和热量结构参数的特征。结果表明 :湍流动量湍涡特征长度尺度与稳定度参数Z L成正相关 ;湍流热量特征长度尺度与稳定度参数Z L在不稳定层结时 ,成正相关 ,在稳定层结时近似成负相关 ;在不稳定和稳定层结大气中 ,利用湍流谱方法和利用风速垂直分量方差、温度脉动方差和Richardson数计算的湍流动量、热量耗散率和湍流动量、热量结构参数有较好的一致性 ;无量纲湍流结构参数C2vz2 3 σ-2w和C2Tz2 3 σ-2T 是Richardson数的函数 ;湍流热力结构参数C2T 与感热通量w′T′具有较好的线性关系。

基于EO-1 Hyperion的中国典型森林冠层高光谱特征分析

由于冠层结构和功能性状的差异,不同森林表现出不同的光谱特征.分析不同森林冠层的光谱特征差异可以为精确森林分类和冠层参数反演提供依据.因此,理解我国典型森林类型的高光谱特征将有助于提高我国森林分类以及森林理化参数反演的精度.研究以中国生态网络中的长白山、神农架、千烟洲和鼎湖山4个典型森林站点为研究对象,利用EO-1 Hyperion星载高光谱数据提取4种森林像元尺度上的反射光谱曲线,并进行一阶微分变换,同时计算多种遥感光谱指数,定量分析其光谱特征差异.结果表明:(1)神农架阔叶混交森林光谱反射率在整个光谱范围内显著高于其他3种森林类型.千烟洲针叶混交森林在整个光谱范围内表现出较低的反射特征.长白山和鼎湖山森林的反射率居中.(2)4种森林的红边斜率存在显著差异.神农架森林的红边斜率最高,暗示了其冠层叶绿素含量高,健康状况最好.千烟洲的红边位置相比其他3种森林有所红移,红边位于720 nm左右.(3)遥感指数方面,神农架阔叶林具有较高的归一化氮指数(NDNI),千烟洲马尾松湿地松为主的针叶林具有较低的NDNI,反映出树种间真实的叶片氮浓度差异.另外,由于森林覆盖度较高,增强型植被指数(EVI)比归一化植被指数(NDVI)更能够指示森林类型之间绿度和覆盖度的变化.研究对于我国森林参数的遥感反演和森林类型高精度分类具有一定的参考意义.

森林冠层水文研究进展

林冠截留降水是森林植被对降雨到达地面的阻截,也是对大气降雨的再分配,是水文循环过程中的重要环节。本文分析当前森林冠层水文过程研究,即林冠截留、透流和茎流及影响因素(降水量、降水强度、林冠结构特征、林分密度、林冠干燥度);林冠截留模型的国内外研究现状(经验、半经验、半理论和理论模型)的分析。

星载LiDAR与HJ-1A/HSI高光谱数据联合估测区域森林冠层高度

【目的】将ICESat-GLAS波形数据与HJ-1A/HSI高光谱数据联合,借助HSI高光谱数据提供的连续高分辨率光谱信息,实现区域森林冠层高度的估测,降低由于GLAS光斑呈离散条带状分布无法覆盖整个研究区造成的估测误差。【方法】首先,从平滑后的ICESat-GLAS波形数据中提取波形参数(波形长度W和地形坡度参数TS),基于W和TS建立GLAS森林冠层高度估测模型,并利用此模型计算研究区所有GLAS光斑内的森林冠层高度;然后,采用最小噪声分离法(MNF)对HJ-1A/HSI高光谱数据进行降维,提取前3个MNF分量(MNF1,MNF2,MNF3);最后,基于支持向量回归机(SVR)算法,利用GLAS估测的森林冠层高度和3个MNF分量建立区域森林冠层高度SVR估测模型,并估测研究区内无GLAS光斑覆盖区域的森林冠层高度,生成森林冠层高度分布图。【结果】从ICESat-GLAS波形数据中提取的地形坡度参数TS与野外实测地形坡度具有显著线性关系(R2=0.78);基于W和TS建立的GLAS森林冠层高度估测模型的R^2=0.78,RMSE=2.51 m,模型验证的R^2=0.85,RMSE=1.67 m;基于支持向量回归机算法建立的SVR模型建模的R2=0.70,RMSE=3.62 m,模型验证的R2=0.67,RMSE=4.42 m。采用野外数据对最终得到的森林冠层高度分布图的估测误差进行分析,结果估测误差最大值为7.10 m,最小值为0.07 m,平均值为1.78 m,估测误差的标准差为1.49 m,Q1为0.75 m,Q3为2.31 m。【结论】从ICESat-GLAS波形数据中提取的地形坡度参数TS能够很好地反映地形坡度的变化,本研究建立的线性关系模型可克服对数关系模型在平坦地区解释困难的问题。基于支持向量回归机算法,将ICESat-GLAS波形数据与HJ-1A/HSI高光谱数据联合,可克服ICESat-GLAS由于光斑呈离散条带状分布无法实现区域森林冠层高度估测的不足,实现对区域森林冠层高度的高精度估测。

酸沉降——森林冠层反应模型

建立了酸沉降—冠层反应模型,并计算冠层穿落水的化学特征。用广西马尾松和火力楠人工林一周年观测数据对模型进行初步检验.结果表明,模型与观测结果基本吻合,实测和模拟的穿落水量及各项离子的相对误差都在±7％之内,马尾松冠层过程强烈地受大气干沉降控制,穿落水加权pH值比同期降雨低0.61单位,火力楠受干沉降影响小,穿落水pH比降雨高0.28.参与冠层反应的各离子的主要来源不尽相同.

酸沉降影响下水相硫和氮在森林冠层的动态过程

为了阐明大气酸沉降对森林冠层水相硫和氮迁移的影响,在2001～2002两年期间对韶山森林的大气降水、穿冠水和地表穿透水进行了监测.结果表明,韶山大气降水、穿冠水和地表穿透水的离子是极不平衡的.森林冠层的降水从大气降水到穿冠水再到地表穿透水,其pH值呈增加趋势,认为韶山森林植被对酸雨的缓冲作用及对酸性物质的中和作用是非常明显的.大气降水中SO42^-和NO3^-的平均最大浓度出现在春季,尤其是春季大气降水NO3^-浓度达到夏季的3.27倍,这主要是由降水量的季节变化所引起,春季少雨期时浓度升高,夏季多雨期时浓度降低,即稀释效应.韶山地区降水的SO42^-/NO3^-在2.66～15.53,因此韶山大气降水中硫酸是主要成分.韶山是旅游景点,每年有超过100万人次的游客至此,汽车尾气的排放导致了大气降水中NO3^-浓度的加重.森林冠层空间3个层次中pH值与SO4^2-、NO^3-以及Ca^2＋的回归分析和数学模拟结果表明,SO4^2-与pH值的相互关系最显著,表明H＋与SO4^2-的来源一致,主要来源于工业污染.

森林冠层结构与功能及其时空变化研究进展

林冠是森林与外界环境相互作用最直接和最活跃的界面层 ,同时 ,它本身又承载了森林生物多样性的主体部分。森林冠层研究的方法和技术在近些年取得了长足发展 ,从而促进了有关林冠结构与功能的研究。这些研究深化了人们对于林冠结构与光能截获以及群落干物质积累之间关系的认识 ,同时 ,对于森林冠层的物质循环和能量传输以及冠层内各营养级之间相互关系动态也有了更为深入的理解。考察森林冠层的结构与功能及其时空变化是深入理解整个森林生态系统的格局、过程及其运作机制的重要基础。

基于蒙特卡罗方法的森林冠层BRDF模拟

蒙特卡罗(MonteCarlo)是一种随机统计方法,被广泛用于模拟可见光森林冠层BRDF(双向反射率分布函数)。基于蒙特卡罗方法构建了光子与植被冠层之间的随机过程,给出了蒙特卡罗模拟森林冠层的BRDF的具体实现方法。在此基础上,讨论了蒙特卡罗模拟中的关键技术:光子自由路径的计算;光子散射方向的确定;BRDF热点效应纠正;光子能量收集算法。实践表明,蒙特卡罗方法能准确模拟出森林冠层BRDF,并能作为其他森林冠层BRDF模型的有效检验工具。

森林冠层和森林边界层大涡模拟

在采用各向异性湍流动能闭合方案和 3阶Runge Kutta时间积分方案的大涡模式中 ,引入由森林冠层粗糙元造成的动量拖曳项、热量输入项和TKE耗散项 ,以模拟森林冠层和森林边界层的气象场 .通过中性和不稳定层结条件下不同叶面积指数算例的模拟分析及与已有观测结果的比较表明 ,本文所建大涡模式对森林冠层和森林边界层有较好的模拟效果 .进一步研究表明 :不稳定层结条件下较稠密的森林冠层中特有的Kinking&Pairing湍涡结构与森林边界层中湍流的大涡运动相互作用 。

基于ICESat-GLAS全波形数据的坡地森林冠层高度估测

地形坡度对星载LiDAR的回波波形会产生很大的影响,并会进一步影响森林结构参数的正确估测。比较两类参数量化地形坡度的能力:辅助地形DEM数据的地形指数和波形自身参数后缘长度,以在反演坡地森林冠层高度时仅从回波波形本身出发,而不需要借助于其他辅助数据。采用估测坡地森林冠层高度的两组对比模型来比较:第1组对比模型是Xing模型和基于未改进的后缘长度的线性模型;第2组对比模型是Xing模型和基于改进的后缘长度的线性模型。结果表明,在两组对比模型中,基于波形自身特征参数的模型结果均优于基于辅助地形DEM数据的地形指数的Xing模型,说明在量化地形坡度时,波形的自身特征参数的量化能力要高于辅助地形DEM数据的量化能力。

森林冠层边界层湍流传输的观测和数值模拟

文中分析和模拟了森林冠层上下动量、热量和水汽传输的特征。结果表明：冠层对动量的吸收十分明显，非局地扩散通量在冠层上下的动量传输中起着很大的作用；白天在冠层下层结稳定，但冠层下观测的感热通量向上传输；夜晚冠层下层结不稳定，但冠层下观测的感热通量向下传输，白天和晚上都出现了热量的反梯度传输现象，从而证明在热量输送中，非局地扩散通量不可忽视。同时对冠层上下的水汽交换特征的分析表明：非局地扩散通量是冠层内水汽向冠层上传输的主要机制。

雪地上的森林冠层混合反照率模型

反照率通常定义为出射与入射的能量之比 ,是地表能量平衡中的关键因子。气候变化对反照率也很敏感。典型的气候变化预测是通过GCM与地表模型的结合进行的。目前在地表模型 (如BATS模型 )中 ,是通过空气动力学粗糙度Z0 与降雪深度d两个参数来估计雪地上树冠的反照率的。在他们的工作基础上 ,重点考虑对于不同的太阳天顶角 ,直入—扇出反照率的方向性及其与叶面积指数 (LAI)的关系。同时 ,为了保持BATS模型所需反照率模型的基本特征 ,主要在几何光学—辐射传输混合模型 (GORT)的基础上做了一些近似来达到此目的。最后 ,以针叶林为例 ,用MODIS的反照率数据和BOREAS地面观测数据做了初步的模型验证。

森林冠层影响降雪截留过程的研究进展

森林冠层对降雪的截留和冠层截留雪的蒸发/升华、散落释放、融化滴落等过程显著影响了北方森林区域的水文循环,开展森林冠层对降雪截留过程影响的研究对于季节性积雪森林区域的气候变化、森林经营、森林火灾以及植被演替具有重要的科学意义。对当前的森林冠层影响降雪截留过程的观测方法和理论机制进行了深入探讨和总结,并针对现有研究中缺乏林分尺度和水平过程的研究等问题,提出了引入遥感技术等先进的研究方法以及开展多尺度、多过程和多因素的交叉研究是今后研究中的重点方向。

森林冠层节肢动物取样研究进展

冠层节肢动物的研究是近来生物多样性研究的国际前沿,文章主要介绍了森林冠层节肢动物的取样方法,如烟雾杀虫剂击倒法、取样树叶和小枝、非引诱式捕获器、诱捕器及其它取样法,并指出了各类取样法的优缺点。