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基于遥感的北京市森林地上碳储量监测

西北林学院学报 2024年 1-10页

作者：贺晨瑞庞丽峰谭炳香黄逸飞孙学霞国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室中国林业科学研究院资源信息研究所

城市是CO2排放的主要区域,推动城市碳减排与低碳发展对于早日实现“双碳”战略具有重要帮助。城市森林碳储量是反映城市CO2吸收能力和评估生态系统质量的重要指标。以北京市森林为对象,以Landsat 8 OLI遥感影像、数字高程和森林资源二... 详细信息

城市是CO2排放的主要区域,推动城市碳减排与低碳发展对于早日实现“双碳”战略具有重要帮助。城市森林碳储量是反映城市CO2吸收能力和评估生态系统质量的重要指标。以北京市森林为对象,以Landsat 8 OLI遥感影像、数字高程和森林资源二类调查数据为数据源,采用逐步回归分析、递归消除算法和Boruta算法进行特征选择,然后采用多元线性回归模型、BP神经网络、随机森林算法以及极端梯度提升算法模型(XGBoost)进行北京市森林AGC模型构建,最后选择效果最好的模型对北京市整体森林AGC进行反演估测。结果表明:1)基于Boruta算法选择特征集进行4种AGC模型构建时,其R2是最好的,优于SRA与RFE选择方法;2)XGBoost算法构建的森林AGC模型的精度最高,其根据Boruta算法选择特征集得到的训练集与测试集R2、RMSE、RRMSE分别为0.95与0.69、3.16与5.18、17.70%与21.49%;3)2014年北京市总体森林AGC为8 931 820.34 t,与实际值差距较小;在空间分布上均呈西北部高、中部及东南部低的现象;密云区、怀柔区及延庆区森林AGC较多,而朝阳区、丰台区及石景山区较少。总体上说,基于Boruta的特征选择与现代集成的XGBoost森林AGC模型有着较好的估测效果。该研究为超大城市森林AGC精准监测提供了技术支撑。

关键词：城市森林碳储量 XGBoost模型 Boruta算法北京市

天然林资源保护工程区植被覆盖度遥感估算及变化分析

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北京林业大学学报 2023年第5期45卷 1-13页

作者：余涛庞勇蒙诗栎荚文李海奎孙斌中国林业科学研究院资源信息研究所国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室北京100091

【目的】天然林资源保护工程(简称“天保工程”)实施20多年来有效保护和恢复了工程区的森林资源。工程实施成效除了森林覆盖面积增加,更多的表现为森林资源质量持续提升。为了更好地评估天保工程建设成效,利用植被覆盖度作为定量评价指... 详细信息

【目的】天然林资源保护工程(简称“天保工程”)实施20多年来有效保护和恢复了工程区的森林资源。工程实施成效除了森林覆盖面积增加,更多的表现为森林资源质量持续提升。为了更好地评估天保工程建设成效,利用植被覆盖度作为定量评价指标,分析天保一期(2000-2010年)、天保二期(2011-2020年)工程实施期间的森林质量变化。【方法】综合年度植被指数合成策略、优化纯植被像元和纯裸土像元值域的动态确定方法,构建改进的像元二分模型,生产天保工程区时间序列的植被覆盖度产品。基于森林资源一类清查郁闭度数据、森林生态系统定位研究网络郁闭度数据、机载高光谱植被覆盖度数据,验证该植被覆盖度产品的精度。在此基础上,分析天保工程林区植被覆盖度的时空变化趋势。【结果】天保一期植被覆盖度均值为0.68,天保二期植被覆盖度均值为0.71,增加了4.41%;工程区植被覆盖度呈现增加趋势的面积占林区总面积的78.22%,而呈减小趋势的面积仅占林区总面积的9.56%。【结论】在中国天保工程森林地区,基于MODIS植被指数产品和改进的像元二分模型生产的植被覆盖度产品的精度高于MODIS产品的精度。自天保工程实施以来,林区植被覆盖度总体上呈现出明显的增加趋势,说明天保工程实施效果显著,森林资源质量持续提升。

关键词：天然林资源保护工程林业遥感植被覆盖度像元二分模型 MODIS

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国家森林资源清查遥感应用主要技术进展

南京林业大学学报（自然科学版） 2023年第1期47卷 1-12页

作者：丁相元陈尔学李增元赵磊刘清旺徐昆鹏中国林业科学研究院资源信息研究所国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室北京100091

国家森林资源(连续)清查[national (continuous) forest inventory, NFI/NCFI,文中统称NFI]是森林资源监测体系的重要组成部分,可为制定国家林业发展战略和调整林业方针政策提供及时有效的科学依据。遥感在推动NFI技术进步方面发挥了重... 详细信息

国家森林资源(连续)清查[national (continuous) forest inventory, NFI/NCFI,文中统称NFI]是森林资源监测体系的重要组成部分,可为制定国家林业发展战略和调整林业方针政策提供及时有效的科学依据。遥感在推动NFI技术进步方面发挥了重要作用,已成为支撑NFI运行不可或缺的技术手段。在将遥感数据作为辅助数据用于提高NFI总体参数估测精度和效率方面,国内外学者已开展了大量估计模型和方法研究,可概括为4类:设计推断法(design-based inference method)、模型辅助法(design-based and model-assisted method)、模型法(model-dependent method)和混合法(design and model hybrid method)。笔者针对这4类估测方法,总结了国内外研究现状,分析了国内相关研究存在的问题,并就未来重点研发方向和内容提出了建议。在设计推断法方面,国内外技术水平没有太大差距;国外开展了大量模型辅助法研究并已应用于NFI业务,但国内相关研究较少,且业务应用仅体现在面积成数估计,今后应加强该方法的应用示范和推广工作。关于模型法在NFI中的应用国外对多源数据协同应用中的不确定性度量方法进行了深入研究;国内对模型法的研究也很多,但对科学评价模型的拟合效果、度量模型估测结果的不确定性等缺乏系统研究,应作为后续研究重点;国外已针对NFI应用开发了3类混合法,国内对第1类混合法研究较少,对第2类混合法的研究还仅局限于用双重回归抽样法估计地类面积,而对第3类汇合法尚未采用“数据同化”思路开展相关应用研究。建议未来加强这3类混合法在国内NFI中的深入研究和应用示范。

关键词：国家森林资源清查遥感应用统计推断设计推断法模型辅助法模型法混合法

几种林场总体森林蓄积量密度均值估计方法的比较评价

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北京林业大学学报 2023年第2期45卷 11-23页

作者：丁相元陈尔学赵磊刘清旺范亚雄赵俊鹏徐昆鹏中国林业科学研究院资源信息研究所国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室北京100091

【目的】以林场或县森林资源总体为调查对象,及时、准确地调查监测总体平均每公顷蓄积量,对上级(如市、省)部门开展森林资源宏观管理、生态保护价值评价、森林碳储量计量、领导干部任期绩效考核等工作都有重要支撑作用。将卫星、无人机... 详细信息

【目的】以林场或县森林资源总体为调查对象,及时、准确地调查监测总体平均每公顷蓄积量,对上级(如市、省)部门开展森林资源宏观管理、生态保护价值评价、森林碳储量计量、领导干部任期绩效考核等工作都有重要支撑作用。将卫星、无人机等多源遥感数据作为辅助数据,采用较少抽样调查样地数据,实现总体参数有效估测的新方法,已成为国内外重要的研究方向,但目前,国内尚无多种现有估计方法的比较评价研究。为了促进新一代遥感技术在森林资源调查业务中的应用,提高我国森林资源天空地一体化调查监测技术水平,亟需对现有林场或县总体参数估测方法进行比较评价研究。【方法】以内蒙古旺业甸实验林场主要人工林树种为总体,基于2019年在林场获取的无人机激光雷达(LiDAR)抽样数据、Sentinel-2A多光谱数据(全覆盖)和少量样地数据,针对样地(p)、样地-卫星(ps)、样地-抽样无人机LiDAR(pl)以及样地-抽样无人机LiDAR-卫星(pls)4种模式,利用适合这4种模式的概率抽样法(DB)、模型辅助法(MA)、模型法(MD)和混合法(HY)4类共5种估测方法(DBp、MDps、MAps、HYpl以及MDpls)对总体森林蓄积量密度均值(MSVD)进行估计与对比分析。【结果】(1)DBp、MDps、MAps、HYpl、MDpls5种方法估测的MSVD分别为212.54、202.09、202.38、210.07以及208.96 m3/hm2,精度分别为90.44%、91.54%、91.69%、96.35%和96.45%,方差依次减小。(2)其他4种方法相对于MDpls方法的估计效率(RE)均大于1(REDBp,MDpls=5.39,REMDps,MDpls=3.82,REMAps,MDpls=3.69,REHYpl,MDpls=1.07);HYpl相对于MDpls的RE略大于1,但几倍于其他3种方法(REDBp,HYpl=5.02,REMAps,HYpl=3.43,REMDps,HYpl=3.56)。(3)包含LiDAR数据的HYpl与MDpls方法相对于包含Sentinel-2A数据的MDps与MAps方法均为正效率(REMAps,HYpl=3.43,REMDps,HYpl=3.56,REMDps,MDpls=3.82,REMAps,MDpls=3.69);MDps与MAps方法之间的RE接近1,但MAps的效率微高于MDps(REMDps,MAps=1.04)。【结论】和只利用样地数据的估计方法相比,将遥感数据作为辅助变量建立估测模型,无论是采用对蓄积量不够敏感的林场全覆盖Sentinel-2A多光谱遥感数据,还是采用对蓄积量很敏感的抽样式获取的LiDAR数据,都可有效提高林场总体MSVD的估测精度。涉及遥感数据应用的4种方法,估计精度最高的为MDpls,其次为HYpl,这2种方法都包含了LiDAR遥感抽样观测数据的应用,都是适应于林场总体MSVD估计的年度监测方法。可实现天空地3种观测数据协同应用的MDpls估测精度和相对效率最高,可作为林场森林蓄积量年度监测的首选方法。

关键词：森林资源调查林场/县多源数据总体蓄积量密度均值

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林分结构多样性研究进展

林业科学 2020年第9期56卷 143-152页

作者：赵中华惠刚盈中国林业科学研究院林业研究所/国家林业和草原局林木培育重点实验室北京100091

林分结构是森林经营与分析中的重要因子,提高林分结构多样性和复杂性是实现森林生态系统生物多样性维持和增加的基础。林分结构多样性表达方法是生态学和林学学科研究的重点议题,本研究从林分结构组成多样性、林木大小分化多样性和林木... 详细信息

林分结构是森林经营与分析中的重要因子,提高林分结构多样性和复杂性是实现森林生态系统生物多样性维持和增加的基础。林分结构多样性表达方法是生态学和林学学科研究的重点议题,本研究从林分结构组成多样性、林木大小分化多样性和林木空间分布多样性3方面综述林分结构多样性研究进展。林分结构组成多样性常以林分组成属性为基本统计单位,以植物群落学中的α物种多样性指数为基础来表达;基于相邻木关系的林分组成结构多样性则通过描述林分中树种的隔离程度来体现。林木大小分化多样性以林木个体胸径、树高和冠幅等因子作为比较指标,大小变异系数、Gini系数、胸径分布偏度、大小分化度等常用来描述林木大小分化程度。林木空间分布多样性的实质是林木在水平空间上的位置分布格局多样性;点格局分析方法能够很好描述林木位置随尺度变化的差异,但对数据要求较高,需要精确的林木定位数据;标记二阶特征可以体现林分中树种和大小随尺度变化的分布情况,对生态学过程和假说具有一定分析和解释能力,但无法表达林分树种组成的丰富程度和林木大小的变异程度,也需要精确的林木定位数据。林分结构复杂性优先于林分结构多样性,二者既有联系又有区别,林分结构多样性常作为林分结构复杂性的替代指标。林分结构是一个多维度概念,现有林分结构多样性表达方法缺乏体现林分结构多维性的指标,探索林分结构多样性和复杂性表达方法仍是一项富有挑战的工作。未来林分结构多样性或复杂性指标的构建需要考虑林分结构多维性,同时要考虑多种属性的权重问题;另外,还要与具体的森林经营活动相结合,能够指导林分结构调整,最终实现增加林分结构多样性、维持和增加森林生态系统多样性的目的。

关键词：林分结构多样性组成大小分化空间分布

NaCl处理对小果白刺叶片主要渗透调节物质和激素水平的影响

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东北林业大学学报 2019年第5期47卷 30-35页

作者：李焕勇杨秀艳唐晓倩张华新中国林业科学研究院北京100091 国家林业和草原局盐碱地研究中心

以1年生小果白刺幼苗为试验材料,采用水培处理法,研究不同处理时间(1 d和14 d)及不同浓度的NaCl(0、100、200、300、400 mmol·L^(-1))对小果白刺叶片中可溶性糖、氨基酸类等主要渗透调节物质及ABA(脱落酸)、IAA(生长素)、GA(赤霉素)、... 详细信息

以1年生小果白刺幼苗为试验材料,采用水培处理法,研究不同处理时间(1 d和14 d)及不同浓度的NaCl(0、100、200、300、400 mmol·L^(-1))对小果白刺叶片中可溶性糖、氨基酸类等主要渗透调节物质及ABA(脱落酸)、IAA(生长素)、GA(赤霉素)、ZR(玉米素核苷)等植物内源激素变化的影响,探讨小果白刺对NaCl处理的生理代谢机制。结果表明:小果白刺叶片中可溶性糖质量分数在NaCl处理1 d时,随着NaCl的浓度的升高逐渐减少;在NaCl处理14 d时,随着NaCl摩尔浓度的升高可溶性糖质量分数逐渐增加。小果白刺叶片中脯氨酸质量分数和总氨基酸质量摩尔浓度在NaCl处理1 d时具有相似的变化趋势;NaCl处理14 d时,脯氨酸质量分数随NaCl浓度的升高而增加,而总氨基酸质量摩尔浓度只有在D处理(400 mmol·L^(-1)NaCl)时高于对照。ABA质量分数随着NaCl浓度的升高及处理时间的延长而增加。IAA和ZR质量分数在NaCl处理下,具有相似变化趋势,随NaCl处理时间的延长而减少,随NaCl浓度的升高而表现为先增加后减少,在A处理(100 mmol·L^(-1)NaCl)时,IAA和ZR质量分数最高。GA质量分数随NaCl处理浓度的升高而不断增加,在低浓度处理时增量较小,而高浓度处理增量较大;经长时间NaCl处理后,GA质量分数维持在相对较高水平。因此,小果白刺对盐渍环境的生理代谢响应机制是通过ABA质量分数的增加及IAA质量分数的减少等调控生理代谢和生长,改变正常代谢途径,进而促进可溶性糖及脯氨酸等主要渗透调节物质的积累进行渗透调节。

关键词：小果白刺 NaCl 渗透调节物质内源激素

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湖南省马尾松天然次生林最优均衡曲线

北京林业大学学报 2023年第1期45卷 21-29页

作者：杜雪白彦锋杜志孟京辉北京林业大学林学院国家林业和草原局森林经营工程技术研究中心北京100083 中国林业科学研究院林业研究所北京100091 国家林业和草原局中南调查规划设计院湖南长沙410014

【目的】本研究以湖南省马尾松天然次生林为研究对象,在现有生长模型的支持下,对备选均衡曲线进行筛选,最终甄别出最优均衡曲线,作为马尾松天然次生林经营的量化导向目标。【方法】本研究首先在综合分析马尾松天然次生林结构的基础上,... 详细信息

【目的】本研究以湖南省马尾松天然次生林为研究对象,在现有生长模型的支持下,对备选均衡曲线进行筛选,最终甄别出最优均衡曲线,作为马尾松天然次生林经营的量化导向目标。【方法】本研究首先在综合分析马尾松天然次生林结构的基础上,依据湖南省马尾松天然林林分状况以及以往的研究结果,胸高断面积(B)的取值拟选择35、40和45m^(2)/hm^(2);连续两个径阶的林木株数比值(q值)选择1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7;最大保留径阶(D_(max))的取值选择40、45和50 cm,构建了54条潜在的基础均衡曲线簇。并在所构建的可变概率转移矩阵模型的支持下,对基础均衡曲线簇进行了模拟,筛选出最优均衡曲线。【结果】转移矩阵模型支持下的80年的模拟结果显示均衡曲线12(B为35 m^(2)/hm^(2),D_(max)为45 cm,q为1.7)在蓄积年生长量、蓄积量、采伐木平方平均直径以及树种组成稳定性方面表现出明显的优势,在达到均衡结构时,具有最大的蓄积量年增长量(iv),iv为1.18 m^(3)/(a·hm^(2)),同时该均衡曲线的其他评价指标也表现较为优秀,观测株数偏离均衡株数的方差值var为0.12<0.5,蓄积量V为268.13 m^(3)/hm^(2),采伐木平方平均直径dg为17.99 cm。此外,该均衡曲线在模拟期后20年(2077-2097年),树种组成基本保持稳定,未见明显波动,因此作为最优均衡曲线。【结论】现实林分经营模拟结果表明,如果按照最优均衡曲线进行森林结构的及时调整,森林的结构会逐步逼近均衡曲线,实现最终的均衡状态。同时,森林的树种组成也会发生相应的变化,经济价值高的硬阔树种以及栎类则会成为未来森林的主要组成部分,而马尾松的比例则逐步下降,到了后期马尾松会逐渐退化并被其他阔叶树替代。此外,大径阶树的株数增加,森林的价值逐步提升。

关键词：均衡曲线直径分布马尾松天然次生林

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杉木人工林土壤磷素形态及含量的林龄变化

林业科学 2022年第5期58卷 10-17页

作者：陈嘉琪赵光宇李仰龙董玉红厚凌宇焦如珍中国林业科学研究院林业研究所林木遗传育种国家重点实验室国家林业和草原局林木培育重点实验室北京100091

【目的】研究不同林龄杉木人工林土壤磷素形态及其含量变化特征,分析各磷素形态的相关性,以期为提高杉木人工林土壤磷素的有效性、促进杉木人工林的可持续发展提供依据。【方法】在江西分宜县山下林场选择7个林龄(3、6、12、18、25、32... 详细信息

【目的】研究不同林龄杉木人工林土壤磷素形态及其含量变化特征,分析各磷素形态的相关性,以期为提高杉木人工林土壤磷素的有效性、促进杉木人工林的可持续发展提供依据。【方法】在江西分宜县山下林场选择7个林龄(3、6、12、18、25、32和49年生)的杉木人工林,采用钼锑钪比色法测定土壤全磷和有效磷含量,采用分级法测定土壤铝结合态磷(Al-P)、高铁结合态磷(Fe-P)、闭蓄态磷(O-P)和钙结合态磷(Ca-P)含量,分析各磷素形态间的相关性,揭示不同林龄土壤磷素动态变化。【结果】不同林龄杉木人工林土壤无机磷含量占全磷含量的55.37%~74.22%,而无机磷组分含量表现为O-P>Fe-P>Ca-P>Al-P;土壤全磷、有效磷、Al-P、O-P含量随林龄的增加呈先减后增的趋势,在12年生或18年生时最小,Fe-P含量逐渐升高但差异不显著,Ca-P含量呈先增加后减小的趋势;不同林龄土壤无机磷含量动态变化表明,中林龄(11~20年)时期杉木处在快速生长阶段,大量吸收土壤养分;而从18年生到49年生,Ca-P含量显著下降,表明近成熟林(21~25年生)开始,杉木对Ca-P吸收速率增大;相关性分析表明土壤有效磷含量与Al-P含量、Fe-P含量和O-P含量正相关(P>0.05),O-P含量与Al-P含量和Fe-P含量正相关(P>0.05)。【结论】不同林龄杉木人工林土壤中不同形态磷素含量的变化呈现一定的规律性,且无机磷为全磷的主要组成部分,相关性分析表明不同磷素形态间存在相互作用。

关键词：杉木人工林林龄土壤全磷有效磷无机磷

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一种优化森林仿真的碰撞检测及响应算法研究

南京林业大学学报:自然科学版 2023年第5期47卷 19-27页

作者：王林龙张怀清杨廷栋张京雷可欣陈传松张华聪刘洋崔泽宇左袁青中国林业科学研究院资源信息研究所北京京100091 中国林业科学研究院林业科技信息研究所北京100091 国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室北京100091 中国林业科学研究院亚热带林业实验中心江西分宜336600

【目的】针对森林碰撞检测研究中存在碰撞检测对象冗余、碰撞响应模式单一性等问题,研究突破碰撞检测算法时间复杂度高、响应模式缺乏与环境因子交互的技术瓶颈,实现虚拟森林场景快速碰撞检测与真实响应。【方法】以亚热带林业实验中心... 详细信息

【目的】针对森林碰撞检测研究中存在碰撞检测对象冗余、碰撞响应模式单一性等问题,研究突破碰撞检测算法时间复杂度高、响应模式缺乏与环境因子交互的技术瓶颈,实现虚拟森林场景快速碰撞检测与真实响应。【方法】以亚热带林业实验中心山下林场的典型林分杉木(Cunninghamia lanceolata)人工纯林为研究对象,选择碰撞检测总消耗的时间t_(1)、包围盒交叉测试时间t_(2)、包围盒构建时间t_(3)、包围盒更新时间t_(4)作为评价指标,比较单一包围盒树(axis-alignedboundingbox,AABB)、混合包围盒树体(mixedboundingvolumetree,MBVT)算法及引入最近4株树搜索法的MBVT优化算法的碰撞检测效率,分析不同规模大小(20、50、100、200、400、600、800、1000)及林分株行距(1m×1m、2m×2m、3m×3m、4m×4m)双因子对碰撞检测效率的影响机制,最后模拟验证考虑光照因子碰撞响应策略的可行性。【结果】①相对MBVT算法,基于最近4株树搜索法的混合包围盒层次树MBVT优化算法耗时缩短了13.75ms,约为原MBVT算法耗时的29%,能有效减少层次包围盒(boundingvolume hierarchies,BVHs)交叉测试时间消耗t_(2)与BVHs构建消耗时间t_(3),而更新时间t_(4)无明显差异。相对单一包围盒层次树AABB,MBVT算法与基于最近4株树搜索法的MBVT优化算法,分别缩短了124.93、138.68ms,约为单一包围盒层次树法AABB总耗时的73%、81%。②种群规模大小与BVHs碰撞检测总消耗时间t_(1)、BVHs交叉测试时间t_(2)及构建时间t_(3)均表现为正相关性;株行距大小与碰撞检测总耗时间t_(1)与相交测试时间t_(2)呈负相关性,与BVHs构建时间t_(3)无明显关联性;随种群规模增大,株行距减小,总碰撞时间消耗t_(1)、BVHs交叉测试时间t_(2)呈增加趋势,而BVHs构建时间t_(3)几乎没有变化。③相比传统的碰撞响应模式,提出的顾及光照因子碰撞响应模式,考虑了植物的趋光性生长特征,模拟的杉木林虚拟场景更为真实。测试虚拟场景的帧率为8.6帧/s,准确度为100%,能很好地实现相邻树木之间碰撞检测及其响应。【结论】引入最近4株树搜索法的MBVT优化碰撞算法,优化混合包围盒层次树法MBVT的碰撞检测对象数量,减少了BVHs交叉测试和构建消耗时间,从而有效提高杉木林虚拟场景的碰撞检测效率;顾及树木生长趋光性的相邻树木碰撞响应算法,通过兰伯特光照模型Lambert Model计算碰撞点周围的光照强度,结合碰撞响应函数完成树木碰撞后可能发生的趋光生长情景模拟,有效解决了森林碰撞响应缺乏与环境因子交互的问题,提高了杉木林虚拟场景的真实感。

关键词：森林仿真碰撞检测碰撞响应混合包围体层次树杉木林