摘要
草地生态系统作为自然生态系统的重要类型之一，在全球碳循环与维系生态平衡中起着重要的作用。为了实现草地资源的可持续利用，草地地上生物量(aboveground biomass,AGB)不仅是一个重要指标，也是区域碳循环的重要组成部分。高效动态获取草地地上生物量可以评估草地生态系统碳储量、草地生态效益等，并对合理保护、修复和使用草地资源提供重要的研究价值和现实意义。 遥感技术因其宏观、高效、低成本等显著优势，成为区域尺度草地AGB估测的有效手段。在如今的大数据时代，仅用单一遥感数据源来反演草地地上生物量，在反演精度等方面存在不确定性，采用多源遥感数据为提高草地地上生物量的估算精度提供了新的途径。本文联合Sentinel-1数据和Sentinel-2数据，以地面野外观测数据为基础，开展正镶白旗地区草原地上生物量估测研究。以在正镶白旗采集到的65个实测草地地上生物量数据为基础，提取Sentinel-1的后向散射系数极化因子、Sentinel-2的植被指数因子以及生物物理参数因子，运用随机森林实现因子重要性排序，筛选出最优的变量组合因子，基于多元线性回归模型、支持向量机回归模型、梯度提升回归树模型、随机森林回归模型，分别构建正镶白旗草地地上生物量的遥感估测模型，选取研究区最优草地地上生物量估测模型，进而获取正镶白旗2020年-2022年每年8月的草地地上生物量信息，并分析其时空分布特征。使用地理探测器定量化地探讨自然因素(高程、坡度、坡向、温度、剖面曲率、平面曲率、地面起伏度、降水、土壤有机碳含量、土壤酸碱度、根系土壤含水量)和人为因素(人口密度、道路距离、灯光数据、土地利用)对正镶白旗草地地上生物量变化的影响。基于估算的草地地上生物量空间分布结果，进行2020年至2022年每年8月的碳密度分布制图，为内蒙古正镶白旗地区草地资源的保护和科学合理利用提供技术支撑。 本文主要研究内容及成果如下: (1)基于Sentinel-1及Sentinel-2数据构建SAR极化指数因子(VH、VV、VH+VV、VH-VV、(VH-VV)/(VH+VV))、传统植被指数因子(NDVI、DVI、EVI、RVI、SAVI)及生物物理参数(LAI、FVC、FAPAR、CWC)，研究各指数因子与草地地上生物量相关性，采用随机森林根据因子重要性排序优化选取出7个指数因子(VH、VH+VV、(VH-VV)/(VH+VV)、NDVI、RVI、CWC、FVC)，用于后续建立草地地上生物量估算模型。 (2)研究采用联合Sentinel-1和Sentinel-2数据优化选取的变量组合因子，基于多元线性回归模型、支持向量机回归模型、梯度提升回归树模型、随机森林回归模型，分别构建正镶白旗草地地上生物量的遥感估测模型，各模型的决定系数R2分别为0.594、0.552、0.662、0.703，研究表明随机森林所构建的草地地上生物量模型最优。进一步采用随机森林模型获取正镶白旗区域2020年-2022年8月草地地上生物量的空间分布信息，基于空间自相关分析、标准差椭圆模型来研究草地地上生物量时空变化特征。研究结果表明，基于随机森林回归模型估测出的草地地上生物量的空间分布数据与实测数据之间有着相似的区间差异性，草地地上生物量的空间分布具有异质性，生物量整体上呈现着东南部区域生物量值高，东北部区域和北部区域生物量值偏低的空间分布格局，2020年至2022年三年间草地地上生物量聚集区分布基本一致，标准差椭圆表现出逐年递增的趋势，进一步说明正镶白旗草地地上生物量分布具有缓慢地逐年扩张的趋势。 (3)采用地理探测器定量化地研究自然因素和人为因素对正镶白旗区域草地地上生物量变化的影响，结果显示，降水量、根系土壤含水量、土壤有机含碳量、土壤酸碱度是正镶白旗区域尺度下影响草地地上生物量变化的主要影响因素。并且，自然因素对草地地上生物量的影响要大于人为因素的影响。 (4)基于估算得到的草地地上生物量进行碳密度空间分布制图，获取正镶白旗2020-2022年每年8月的碳密度估算值。结果表明，2020-2022年的每年8月估算的草地植被碳密度总值整体分别介于 27.11 gC/m2 ～55.97 gC/m2、18.47 gC/m2 ～31.41 gC/m2、47.62 gC/m2 ～53.71 gC/m2之间，正镶白旗东南部区域的碳密度值较高，北部区域碳密度值相对较低，草地碳密度估算的结果与草地地上生物量的空间分布趋势相一致。
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