【摘要】：隨著全球變暖,森林經(jīng)營活動等人為干擾對碳庫的影響日趨成為關(guān)注的焦點,作為最主要的人為干擾因素之一,采伐是人類獲取木材資源的主要手段,必將對森林碳庫產(chǎn)生重要影響。為了正確評估采伐干擾對森林植被碳動態(tài)的影響變化規(guī)律,了解森林生態(tài)系統(tǒng)在碳循環(huán)中的作用,對森林的碳動態(tài)進行更為細致的研究具有重要意義。森林生物量估算是進行陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳動態(tài)分析的基礎(chǔ),業(yè)已成為生態(tài)學和全球變化研究的重要內(nèi)容之一。遙感技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展彌補了傳統(tǒng)森林生物量估測方法的不足,而多源遙感數(shù)據(jù)的應用,對快速、準確的實現(xiàn)大區(qū)域森林生物量的估測,提高森林生物量的估測精度提供了可能。本研究以小興安嶺帶嶺林業(yè)實驗局為研究區(qū),融合多源遙感信息及技術(shù)進行理論和方法研究,以期達到能夠?qū)崟r有效地對大區(qū)域森林生物量做出精確估測、建立采伐干擾對森林碳儲量干擾度的評價指標體系、獲得不同采伐干擾方式對森林植被碳動態(tài)的影響變化規(guī)律及預測,為森林資源監(jiān)測及經(jīng)營措施的制定提供方法和技術(shù)支持。主要研究結(jié)果如下:(1)基于元胞自動機(Cellular Automata,CA)模型算法,以元胞為基本單位,以像元均值為對象,使用最小距離法求取元胞自動機的進化規(guī)則,對森林類型進行了識別分類,總體精度達到88.71%,Kappa系數(shù)為0.829;同時采用相同的樣本數(shù),使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的總體分類精度為86.67%,Kappa系數(shù)為0.798。兩種方法的分類精度均較高,達到了識別森林類型信息的目的,但元胞自動機的總體分類精度略高。使用元胞自動機模型獲得了研究區(qū)3期時間序列的森林類型分布圖。(2)通過計算 NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)數(shù)據(jù)的頻率累積值,針對森林類型信息,分別以累積頻率為5%和95%處的NDVI值作為NDVIcrown,和NDVInon-crown的最佳閾值,利用像元二分模型對森林郁閉進行了估算,預估精度達到89.01%,R2為0.859,RMSE為0.039,模型精度較好;應用此模型反演了研究區(qū)3期時間序列的森林郁閉度,其平均值分別是0.691、0.668和0.457;通過劃分森林郁閉度變化等級,對研究區(qū)1989年至2010年期間,森林郁閉度變化情況進行了分析,1989年至2000年的期間,雖然森林資源有所減少,但總趨勢是處于生長階段。2000年至2010年的10之間,森林資源仍處于嚴重減少階段。1989年至2010年的21年間,研究區(qū)的森林覆蓋破壞情況大于森林覆被的增長。(3)在Xing等提出的改進的森林冠層高度估算方法的基礎(chǔ)上,分別建立了針葉林、闊葉林和針闊混交林的GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)最大森林冠層高度估測模型。各模型的精度均較高,針闊混交林的R2值最高,達到0.898,RMSE為1.12m;針葉林次之R2為0.859,RMSE為1.63m;闊葉林最低R2為0.761,RMSE為2.01m。(4)在GLAS最大森林冠層高度獲取的基礎(chǔ)上,聯(lián)合TM多光譜數(shù)據(jù)及其轉(zhuǎn)換生成的植被指數(shù)、森林郁閉度、波段反射率,并考慮地形因素對林分高度的影響,使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,構(gòu)建了適應于區(qū)域擴展的各森林類型冠層高度遙感反演模型。針葉林模型精度最高,R2達到0.907,RMSE為1.52m;針闊混交林次之,R2為0.883,RMSE為1.79m;闊葉林相對較低,R2為0.849,RMSE為1.96m。雖有個別點存在高估或低估的現(xiàn)象,但總體一致性較好。通過對森林冠層高度數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,得出1989年至2000年期間,研究區(qū)內(nèi)森林冠層高度的生長量略大于減少量,即在這期間森林冠層高度處于正增長;2000年至2010年這10年間,研究區(qū)的森林樹高處于負增長;總體上1989年至2010年期間,研究區(qū)森林冠層高度的增長量要略微小于減少量,即在這21年里研究區(qū)的森林樹高處于負增長。(5)以森林郁閉度和GLAS最大森林冠層高度2個因子為自變量,以實測森林生物量為因變量,采用線性回歸理論針對3種森林類型分別建立了單變量和雙變量森林生物量估測模型,對比分析了各模型的精度。研究表明,利用GLAS最大森林冠層高度和森林郁閉度建立的雙變量估測模型,其顯著性及精度均優(yōu)于單變量模型,說明融合光譜信息和垂直結(jié)構(gòu)信息,能夠提高森林生物量模型的估測精度。針葉林雙變量生物量模型的預估精度為91.66%,R2為0.841;闊葉林的預估精度為85.75%,R2為0.878;針闊混交林的預估精度為85.47%,R2為0.884,模型的擬合優(yōu)度良好。利用各森林類型雙變量生物量估測模型對研究區(qū)的森林地上生物量進行了區(qū)域擴展,獲得了時間序列的森林地上生物量分布圖,并分析了森林生物量的動態(tài)變化。通過分析得出1989年至2000年期間,森林地上生物量處于減少趨勢。2000年至2010年的10年間,森林地上生物量處于增加的趨勢。總體上,1989年至2010年期間,研究區(qū)內(nèi)的森林生物量處于負增長。(6)以森林郁閉度信息為基礎(chǔ),定量分析了研究區(qū)內(nèi)森林植被碳動態(tài)的變化情況。1989年至2000年期間,采伐干擾作業(yè)的影響降低了森林碳儲量的含量:2000年至2010年期間,以過熟林為主的采伐干擾減少了研究區(qū)內(nèi)的森林碳儲量,但這10年間撫育更新作業(yè)也彌補了碳儲量的減少部分;總體上,1989年至2010年間,不同采伐干擾方式對研究區(qū)內(nèi)森林碳儲量的影響均是減少的趨勢。同時,建立了森林采伐對森林碳儲量干擾度的評價指標體系,具體指標為樹種組成、森林郁閉度和林分平均樹高;結(jié)合GLAS光斑點處的森林碳儲量和森林郁閉度數(shù)據(jù)信息,建立了不同采伐干擾方式對森林碳儲量的影響變化規(guī)律預測模型,針葉林擬合精度為0.879、闊葉林擬合精度0.836、針闊混交林擬合精度0.891。各森林類型的碳儲量與采伐干擾均存在明顯的線性關(guān)系,林分碳儲量變化量均會隨著森林郁閉度變化比率的增大而減少,針葉林的郁閉度變化比重超過0.351時、闊葉林超過0.381時、混交林超過0.322時,3種林分均開始釋放碳,成為地上碳增量。闊葉林抵抗采伐干擾的能力最強,針葉林次之,針闊混交林抵抗采伐干擾的能力最弱,為了增加森林的固碳能力,采伐量需控制在以上閾值內(nèi)。對于3種森林類型而言,森林碳儲量的變化量△A均會隨著森林郁閉度的變化比率x增大而減少,即△A隨森林郁閉度的減小而減小,隨著采伐量的增大而減小。
【學位授予單位】：東北林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S718.5;S771.8
【圖文】：

邐、ｗ？？ｆ逡逑圖２－１研究區(qū)位置示意圖邐圖２－２研究區(qū)內(nèi)林場分布圖逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ邐Ｆｉｇ．２－２邋Ｆｏｒｅｓｔｒｙ邋ｓｔａｔｉｏｎ邋ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ逡逑２．１．２地形地貌逡逑該區(qū)北大南小，地勢南北高，中間低，境內(nèi)山脈縱橫起伏，構(gòu)成較復雜的山岳臺逡逑地，坡度變化范圍為０？５７°，地面高程在ｍ－１２０２ｍ之間，平均海拔６００ｍ。多數(shù)山峰海逡逑拔在千米以下，在海拔較高地帶多有裸露跳石塘，低海拔地帶的山脊部位多有裸露巨石逡逑和懸崖峭壁。帶嶺北部山地河深、溝窄、地勢平緩。有一座海拔１０９０ｍ的蘆吹山，山逡逑地起伏量１２０－１７３．２ｍ，邋５。以下的平坡為１０．８％，緩坡為８８．４％，陡險坡為０．８％。南部山逡逑地溝寬河淺，地勢高低相差懸殊，海拔ｌ000ｍ以上的有大箐山、老荒山等四座高山，逡逑山地起伏量１４３．８ｍ－１８２．２ｍ，５°以下的平坡占１７．２％，緩坡占７４．６％，陡險坡占８．２％。逡逑雖有多處高坡地段

邐嫩、＾逡逑Ｍ、，＇Ｊ邐、ｗ？？ｆ逡逑圖２－１研究區(qū)位置示意圖邐圖２－２研究區(qū)內(nèi)林場分布圖逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ邐Ｆｉｇ．２－２邋Ｆｏｒｅｓｔｒｙ邋ｓｔａｔｉｏｎ邋ｌｏｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｔｕｄｙ邋ａｒｅａ逡逑２．１．２地形地貌逡逑該區(qū)北大南小，地勢南北高，中間低，境內(nèi)山脈縱橫起伏，構(gòu)成較復雜的山岳臺逡逑地，坡度變化范圍為０？５７°，地面高程在ｍ－１２０２ｍ之間，平均海拔６００ｍ。多數(shù)山峰海逡逑拔在千米以下，在海拔較高地帶多有裸露跳石塘，低海拔地帶的山脊部位多有裸露巨石逡逑和懸崖峭壁。帶嶺北部山地河深、溝窄、地勢平緩。有一座海拔１０９０ｍ的蘆吹山，山逡逑地起伏量１２０－１７３．２ｍ，邋５。以下的平坡為１０．８％，緩坡為８８．４％，陡險坡為０．８％。南部山逡逑地溝寬河淺，地勢高低相差懸殊，海拔ｌ000ｍ以上的有大箐山、老荒山等四座高山，逡逑山地起伏量１４３．８ｍ－１８２．２ｍ，５°以下的平坡占１７．２％，緩坡占７４．６％，陡險坡占８．２％。逡逑雖有多處高坡地段

數(shù)據(jù)能夠滿足本研究的森林資源監(jiān)測要求。除季節(jié)要求外，在下載遙感影像數(shù)據(jù)時，還逡逑要考慮云層覆蓋最少的要求，綜合上述要求，選取了研究區(qū)１９８９年６月１日、２０００年逡逑９月３日和２０１０年９月１５日的ＴＭ影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品（如圖２－３所示）。３期ＴＭ影像云層逡逑覆蓋量均為0％，植被特征明顯，有利于植被信息的提取。逡逑酬１—ａ逡逑：：：：逡逑圖２－３邋ＴＭ影像逡逑Ｆｉｇ．２－３邋ＴＭ邋ｉｍａｇｅｓ逡逑２．２．２邋ＩＣＥＳＡＴ－ＧＬＡＳ激光雷達數(shù)據(jù)逡逑２．２．２．１邋ＩＣＥＳＡＴ－ＧＬＡＳ邋介紹逡逑美國國家航空航天局邋ＮＡＳＡ邋（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ邋ａｎｄ邋Ｓｐａｃｅ邋Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ）的戈達逡逑德太空飛行中心ＧＳＦＣ邋（Ｇｏｄｄａｒｄ邋Ｓｐａｃｅ邋Ｆｌｉｇｈｔ邋Ｃｅｎｔｅｒ）研制的激光測高衛(wèi)星ＩＣＥＳａｔ，于逡逑于２００３年１月１２日由加利福利亞的Ｖａｎｄｅｎｂｅｒｇ空軍基地發(fā)射，是目前世界上唯一的極逡逑地軌道星載大光斑激光雷達。它在ＮＡＳＡ地球觀測系統(tǒng)ＥＯＳ邋（Ｅａｒｔｈ邋Ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ邋Ｓｙｓｔｅｍ）逡逑中擔負著測量冰蓋物質(zhì)質(zhì)量平衡，云和氣溶膠的高度，以及土地地形和植被特征參數(shù)的逡逑任務(wù)，旨在測量兩極冰原和海冰的變化。該衛(wèi)星沿近圓形、近極地該衛(wèi)星沿近圓形、近逡逑極地軌道的飛行高度大約為６００ｋｍ，軌道傾角為９４°星下軌跡覆蓋范圍Ｎ８６°－Ｓ８６°，因逡逑此衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)可覆蓋地球表面大部分地區(qū)。從２００３年到２００９年，ＩＣＥＳａｔ－１提供了多逡逑年的高程數(shù)據(jù)

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