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红树林湿地地上生物量遥感估算研究进展

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南方农业学报JOURNAL OF SOUTHERN AGRICULTURE 2013,44(4):693—696 ISSN 2095—1 191;CODEN NNXAAB DOI:10.3969/j:issn.2095-1 191.2013.4.693 红树林湿地地上生物量遥感估算研究进展 武高洁,郭志华,郭菊兰,朱耀军 (中国林业科学研究院湿地研究所,北京100091) 摘要:根据所采用遥感数据源不同,分别从基于光学遥感影像、微波数据及激光雷达数据等方面综述了红树林湿 地地上生物量估测方法研究进展,提出了提高数据精度及采用融合多源遥感数据协同反演红树林湿地地上生物量是 今后红树林湿地地上生物量遥感估测研究的热点。 关键词:红树林;地上生物量;遥感;估算;研究进展 中图分类号:¥718.55;TP79 文献标志码:A 文章编号:2095—1 191(2013)04—0693—04 Estimation of mangrove wetland aboveground biomass based on remote sensing data:A review WU Gao-jie,GUO Zhi-hua,GUO Ju-lan,ZHU Yao-jliB (Institute ofWetlandResearch,ChineseAcademyofForestry,Beijing 100091,China) Abstract:According to the differences in the adopted remote sensing data source,the recent research of estimating mangrove aboveground biomass was reviewed,on the basis of optical remote sensing image,microwave remote sensing data and LiDAR data.It WSS put forward that improving data accuracy and integrating multi-sensor data to estimate the mangrove aboveground biomass would be hot points in remote sensing estimation of mangrove wetland aboveground biomass in future. Key words:mangrove;aboveground biomass;remote sensing;estimation;research progress 0 引言 红树林是滨海湿地的重要资源类型,生长于热 带、亚热带海岸的潮间带,是一种特殊的湿地沼泽类 传统的红树林生物量统计以实测数据为基础,需 要进行大量的实地调查,工作量大,周期长,并对实物造 成一定的破坏,此外,红树林分布于海岸的潮间带,采 用常规方法进行野外调查十分困难(Giri et a1.,201 1), 且存在工作耗费高、受人为因素影响大、对湿地破坏 性强、调查精度低等缺点。目前,遥感技术已成为国内 外红树林湿地生态研究的重要技术手段。遥感技术在 红树林湿地研究中的主要应用为:红树林类外区分 (分布边界确定)、红树林类内区分、红树林湿地动态 变化监测,且在国内外都取得了很多成果(李天宏等, 2002;张怀清等,2008;Lee and Yeh,2009;Zhou et a1., 型,其具有独特的生态学特性,在维护海岸生态平衡、 防风减灾、护堤保岸、提供大量的动植物资源等方 面发挥着重要作用(Giesen et a1.,2007;Alongi,2008; Kauffman et a1.,201 1)。红树林生态系统又是地球上 生产力最强的生态系统之一(Borge et a1.,2003; Dittmar et a1.,2006),对于海岸区及全球碳平衡有重 要影响。Alongi(2007)研究表明,红树林是地球碳循环 的一个至关重要的部分,尽管它们只覆盖了地球表面 0.1%的面积,却固定了相当于大气中5%的碳(Duarte et a1.,2004)。而生物量是碳储量和碳汇能力评估的 重要基础,如何快速、准确地获取红树林湿地生物量 2010;Giri et a1.,2011)。本文从目前主要的遥感数据 源出发,综述遥感技术估算红树林地上生物量的研究 现状,并分析其发展趋势,以期为相关研究提供参考。 信息成为近年来研究的关键问题。 收稿日期:2012—11-02 基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目(CAFINT2012K06) 作者简介:武高洁(1984-),博士研究生,研究方向为湿地资源管理,E-mail:lkywgj@126.corn ・694・ 南方农业学报 1基于光学遥感数据的红树林湿地 差异,即使同一种植物,也会由于其生长状态的不同 而发生变化,因此可以利用植被的这一光谱特征来监 测其生长状况。当前红树林生物量遥感估算主要利用 Landsat MSS、TM、ETM、MODIS、QuickBird等数据, 各传感器特点见表1。 地上生物量估算模型与方法 在可见光及红外波段,植物的反射光谱曲线具有 显著特征,但是不同类型植物之间反射光谱存在一定 表1 红树林地上生物量遥感估算使用的主要光学传感器 Tab.1 Description ofthe main optical sensors for estimating mangrove AGB 目前,TM影像是生物量遥感估算中应用最多、技 术最成熟的一种,其通过叶面积指数、归一化植被指 数和影像的纹理特征、光谱特征等建立红树林地上生 物量估算模型。Ishil和Tateda(2004)等通过间接测量 设备LAI.2000及遥感技术对泰国南部Trat省中部的红 树林人工种植区进行了调研,建立了基于归一化植被 指数(Normal difference vegetation index,NDVI)的叶 面积指数(Leaf area index,LAI)估算模型,并成功绘 制了该区域生物量和碳储量的分布;曹庆先等(2010) 上的生物量估计的有效性;肖海燕等(2007)利用 Hymap数据计算的高光谱植被指数与红树林样方生 物量建立回归模型。 当前,光学遥感影像在获取水平结构参数方面有 一定优势,但是由于其穿透性较差,应用于垂直结构 参数反演还有一定距离,且在获取生物量信息时易饱 和、敏感性差,在热带和亚热带多云地区很难获得覆 盖整个红树林植被生长期的遥感数据,这是影响运用 光学遥感影像进行红树林地上生物量估算的一个重 要问题。 利用TM影像纹理特征和光谱特征等作为自变量,结合 红树林样地调查数据,应用多元逐步回归分析方法,建 立了基于遥感影像的红树林地上生物量估算模型。 2基于微波雷达(Radar)的红树林湿地 近年来,随着对地观测高分辨率传感器的研发和 发射,将能够获取更详细资源信息的高分辨率高光谱 遥感技术用于环境资源的监测研究成为热点,高分辨 地上生物量反演模型与方法 在生物量研究中,可见光及红外波段仅与叶水平 生物量产生作用,而微波具有穿透树冠的能力,不仅 能与树叶发生作用,还能与树干、树枝发生作用,获取 率高光谱遥感为地上红树林生物量的测定提供精确 的手段(Proisy et a1.,2007;Heumann,2011)。Proisy等 (2007)基于傅立叶基础结构分类和地面调查,利用 IKONOS卫星数据绘制了法属圭亚那地区的红树林湿 地地上生物量分面图;Kovacs等(2007)基于叶面积指 红树林内部结构信息,且雷达遥感具有全天候、全天 时等特点,可以随时随地获取植被信息,特别适用于 云层覆盖地区,在红树林生物量估算中具有一定优 势。当前应用于红树林生物量估算的主要雷达数据源 及其数据特征见表2。 数和地面数据,分析了IKONOSTJ星数据对于树种水平 表2应用于红树林生物量遥感估算的主要雷达数据 Tab.2 Description ofthe main radar data for estimating mangrove AGB 武高洁等:红树林湿地地上生物量遥感估算研究进展 ・695・ Proisy等(2003)使用合成孔径雷达数据研究了澳 大利亚和法属圭亚那地区的红树林植被生物量;黎夏 等(2006)根据雷达后向散射系数建立了红树林湿地 植被生物量估算模型,并运用遗传算法确定其中非线 性模型的最优参数,对珠江三角洲珠海的淇澳岛无 瓣海桑和互花米草进行了对比研究。另外,利用融合 合成孔径雷达(SAR)数据与激光雷达数据对森林 结构参数及生物量进行空间反演是未来对地观测卫 星(EOS)的一个重要任务(Held et a1.,2003;Cornejo et a1.,2007;Sun et a1.,2011)。 3基于激光雷达数据(LiDAR)的红树 林湿地地上生物量估测 LiDAR对植被具有一定的穿透力,可以测定地表 和林冠的高度、平均树冠面积、树木密度等信息,同时 可以直接测量植被的垂直特征及提供植被结构的三 维特征,在估算红树林地上生物量方面表现出巨大优 势。通过LiDAR数据估算红树林地上生物量主要是通 过获取红树林结构(包含树高、林分密度等)来进行估 算。Simard等(2006)使用激光雷达数据估计了美国大 沼泽国家公园红树林湿地的树高和生物量数据;还使 用激光雷达数据获取红树林的树冠和树高信息,结合 异速生长方程得到哥伦比亚CGSM地区红树林地上生 物量(Simard et a1.,2008)。 目前,应用激光雷达系统进行红树林结构参数及 生物量反演研究取得了较大进展,但仍存一些问题亟 待解决。虽然已有研究涉及郁闭度、地上生物量估算, 但其可信度与稳定性仍有待进一步研究。目前,都是 通过能量、高度与地面实测数据的相关性建立统计模 型,关于利用大光斑激光雷达估测红树林生物量的机 理仍有待进一步突破。我国对于LiDAR ̄据应用于红 树林地上生物量估算研究仍处于起步阶段.。 4展望 每种遥感数据在空间、光谱和辐射分辨率方面均 存在一定的局限性,影响了遥感技术估算红树林湿地 地上生物量的精度。同时,调查样地的位置精度、遥感 影像几何纠正精度、遥感数据辐射纠正精度、遥感数 据和样地调查时间的同步性、样地生物量的范围以及 地面植被、土壤反射等因素也会影响遥感技术估算红 树林地上生物量的能力,导致不同遥感数据估算红树 林地上生物量的精度不稳定。将生态因子、环境因子 和遥感数据结合在一起,构建多源遥感数据的红树林 地上生物量估算模型,可以抑制这些因素的影响。如 何将不同传感器、不同时间、不同空间分辨率、不同光 谱分辨率的遥感数据有机结合,选择最优信息估算红 树林地上生物量,是目前多源遥感数据同化需要进一 步研究的问题。由于野外采样数据需要一个过程,不 可能与遥感数据同步,导致野外采样数据和遥感图像 成像时间有一定的间隔,存在一定的信息不匹配,也 是遥感数据同化研究的热点。 参考文献: 曹庆先,徐大平,鞠洪波.2010.基于TM影像纹理与光谱特 征的红树林生物量估算[J1_林业资源管理,(6):102—108. 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