高分辨率树木覆盖度遥感估算研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈继龙 |
| 答辩日期 | 2024-12 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 刘荣高 ; 刘洋 |
| 关键词 | 树木覆盖度 森林 森林外树木 高分辨率遥感 时间序列 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 森林和森林外的树木在理解陆地生态系统碳水循环、调节气候和维持生物多样性等方面发挥着重要作用。遥感数据空间覆盖范围广、时间周期长，极大地促进了森林内外树木及其变化监测。相对于森林/非森林和土地覆盖分类制图方法，树木覆盖度估算通过提供像元内树冠面积占比信息，能够更精细地刻画森林疏密程度和森林外稀疏破碎树木的空间分布。现有树木覆盖度遥感估算研究多采用单个或多个时相光学影像的光谱反射率和植被指数作为输入，难以准确区分遥感观测像元中树木和其它地物类型混淆的光谱响应。明亮的地表背景可能掩盖像元中树木信号，导致树木覆盖度的低估；而草地、作物等植被和树木在生长旺季相似的光谱特征可能带来树木覆盖度的高估。此外，树木覆盖度估算研究重点关注森林及其动态变化，对森林外稀疏破碎树木的评估相对空白，这限制了对森林外树木的核算。 针对以上问题，本论文使用十米级时间序列遥感数据，利用树木和其它地物类型的季节差异提取高区分性的特征，结合机器学习回归模型构建高分辨率树木覆盖度遥感估算算法。在此基础上，将该方法应用于森林外城市和农田区域稀疏破碎树木覆盖提取，绘制了中国34个城市和三北工程农田区域的树木覆盖度空间分布图，并与多个土地覆盖和树木覆盖度遥感产品进行对比分析。结果如下： （1）高分辨率树木覆盖度遥感估算算法构建。基于时间序列Sentinel-2和Sentinel-1观测重建地物季节曲线，并利用树木与其它地物类型在光谱和后向散射季节曲线形状方面的差异提取高区分度的特征。使用全球1米树冠高度产品采集了39000个树木覆盖百分比样本。基于随机森林回归模型构建十米级分辨率树木覆盖度估算算法，并利用亚米级分辨率谷歌地球影像创建的16054个验证样本进行验证。结果表明，本方法能够提取亚像元树木覆盖面积占比，刻画不同森林类型的空间分布及其疏密程度。与现有树木覆盖度和土地覆盖产品相比，减少了混合像元中城市不透水面、草地、作物等地物对树冠覆盖信号的影响，能够精细刻画森林外城市和农田区域稀疏破碎的树木覆盖信息。使用亚米级分辨率谷歌地球影像生成的树木覆盖百分比验证样本进行验证，R2、均方根误差和平均绝对误差分别为0.84、14.69%和10.55%。 （2）中国主要城市树木覆盖度遥感制图与分析。结合构建的树木覆盖度估算算法和Sentinel-2和Sentinel-1影像生产了中国34个城市10米分辨率树木覆盖度产品。与全球10米土地覆盖产品比较表明，ESRI Land Cover和Dynamic World树木覆盖总面积存在明显的低估，ESA WorldCover在16个城市存在低估，7个城市存在高估。本研究结果表明，中国34个城市树木覆盖总面积为8619.91平方千米，平均覆盖度为12.25%。北京、上海、广州和杭州是树木覆盖面积最大的4个城市，广州、香港、海口、杭州和台北的树木覆盖度最高，达到20%以上。城市树木主要分布在华东和华北地区，占树木覆盖总面积的57.59%。华南区域的树木覆盖度最高（20.69%），华东、华中和西南次之（10%-20%），华北（7.48%）、东北（6.44%）和西北（5.76%）地区最少。 （3）三北农田防护林树木覆盖度遥感制图与分析。基于Landsat 5/7/8卫星遥感观测，利用构建的树木覆盖度估算算法绘制了2000、2010和2020年三期30米分辨率三北农田防护林空间分布。和其它6个树木覆盖度和土地覆盖产品对比，本研究方法能够检测到大量林网分布并有效区分树木和其它地物，较好地刻画三北农田防护林时空变化信息。GlobeLand30、GLC_FCS和CLCD土地覆盖产品以及CATCD、GFC和GFCC树木覆盖度产品的树木覆盖度介于2%-12%之间，无法准确刻画农田防护林空间分布。本研究结果表明，2020年三北农田防护林总面积为21.85万平方千米，树木覆盖度为9.90%。东北地区树木覆盖面积最多（8.29万平方千米），其次为华北（2.98万平方千米）和西北地区（2.08万平方千米）。2000-2020年，三北地区农田防护林呈现出显著增长的趋势，2010-2020年增加面积（10815平方千米）约为2000-2010年的两倍。20年间，在发生变化的像元中，约89%的树木覆盖度增加，约11%的树木覆盖度减少。 本研究基于时间序列遥感数据构建的高分辨率树木覆盖度估算算法能够提取十米级像元中树木占比，表征森林的疏密程度以及森林外稀疏破碎的树木覆盖信息。该方法以及生成的中国34个主要城市和三北工程农田区域树木覆盖度数据可为森林和森林外树木资源监测和管理及其生态系统服务功能评估提供方法和数据支撑。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 136 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217321]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈继龙. 高分辨率树木覆盖度遥感估算研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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