复杂地形条件下联合光学数据和激光雷达数据森林生物量协同反演研究

Forest biomass as one of key property of forest ecosystem is the source of energy and nutrition for whole ecosystem.Global or regional forest biomass estimation has become a critical issue of research on forest carbon stocks, forest disturbance and dynamics of forest ecosystems. Forest growth model(Zelig) simulation of forest stands were used to parameterize a three-dimensional vegetaion lidar waveform model and a radiative transfer model (RTM) in this research. Due to its measurement principle,light detection and ranging (lidar) is particularly suited to assess the horizontal and vertical canopy structure of forests, while the spectral measurements of imaging spectrometry are specifically rich on information for biophysical canopy properties Three methods for forest biomass inversion will explored based on the above analysis. (1) The model will develop by the canopy height and biomass retrieved from vegetaion lidar waveform model with RTM BRDF using statistical regression method. (2) The lidar data will used to retrieve tree height and fractional cover from the simulated waveform dataset. Then, biomass is inversed in the simulated BRDF dataset by restricting the LUT based on prior information of the canopy and fractional cover. (3) Non-parametric approaches of extrapolating the samples of forest bioamss data to a gridded map will research by the ICESat/GLAS data.Based on these research,the applicability of different methods are explored in order to improve inversion accuracy.The research results will available for further exploration on the relationship between forest dynamic change and global climate change.

森林生物量是整个森林生态系统运行的能量基础和营养物质来源，区域和全球森林生物量估算已成为森林碳储量、森林扰动以及森林生态系统动态变化研究的关键问题。本研究以森林生长模型、基于三维场景的激光雷达回波模型和可模拟复杂三维场景辐射传输过程的辐射传输模型为基础，借助激光雷达对垂直结构的敏感性和光学遥感丰富的光谱信息，探索基于光学遥感数据和激光雷达数据的三种森林生物量反演方法研究。（1）通过激光雷达回波模拟模型提取冠层高度和生物量信息，采用统计回归分析生物量与光学模型BRDF的关系建立生物量反演模型。（2）建立激光雷达波形数据库，通过实际波形数据反演树高和覆盖度，以此作为附加约束条件，从光学BRDF模拟数据库中反演生物量。（3）从实际波形数据出发，研究生物量由点及面外推的非参数化方法。通过本项目研究探索森林生物量反演方法的适用性，提高反演精度，为进一步探讨森林动态变化与全球气候变化提供帮助。

森林生态系统是陆地生态系统中重要的组成部分，是研究碳循环和全球变化的基础。森林储存了全球陆地生态系统70%-80%的总生物量。因此，准确实时的获取森林生物量的空间分布和动态变化对于陆地碳源碳汇研究具有重要的意义。特别是对于生态脆弱地区和发展中国家，区域或全球的人类活动对碳储量和生态平衡的影响也需要森林生物量及其变化作为研究基础。. 本课题基于星载激光雷达GLAS数据和光学遥感数据（TM和MODIS），根据森林生长模型模拟不同森林类型的森林生长阶段，分别通过激光雷达回波模拟模型和辐射传输模型模拟不同生长条件下的回波波形和森林冠层BRDF，利用激光雷达的波形参数和光学数据的光谱信息进行生物量由点及面的外推研究。研究内容包括：（1）考虑复杂地形因素的三维场景的激光雷达回波模拟模型研究；（2）基于大光斑激光雷达数据的冠层高度和生物量反演；（3）基于森林生态学知识的面向对象的森林植被空间分布格局研究；（4）联合森林生长模型、激光雷达回波模拟模型和辐射传输模型的森林生物量协同反演研究；（5）森林生物量采样点由点及面的非参数化模型研究。. 根据上述思路和方法，获取了我国森林地上生物量500米像元分辨率的空间分布结果，与林业部第七次森林资源调查数据对比（不包括台湾地区、香港特别行政区、澳门特别行政区的对比结果），估算的生物量总量与林业调查数据基本相等，15个省的相对误差在20%，10个省的相对误差在20%-50%，其它6个省的相对误差在50%-100%。这是我国第一个500米像元尺度森林地上生物量结果，500米分辨率也是成果发布当时的最高分辨率。国外同行也完成了热带和亚热带地区的生物量估算研究，但研究范围均未完整覆盖中国地区，而且其研究方法中未采用中国区域的野外调查数据。.