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基于Landsat时间序列影像和AHTC算法的高山松地上生物量估测

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[目的]为了提高高山松地上生物量估测的精度,开发一种滤波算法,减少Landsat时间序列数据的噪声。[方法]基于 1987、1992、1997、2002、2007、2012、2017 年国家森林资源连续清查固定样地的数据以及 1987-2017 年的Landsat时间序列影像,利用谷歌地球引擎(Google earth engine,GEE)以及Python,通过LandTrendr滤波、Savitzky-Golay滤波、Horn卷积以及基于空间卷积理论开发的自适应霍恩地形卷积(Adaptive horn topography convolution,AHTC)算法对Landsat时间序列数据进行滤波,应用随机森林回归算法(Random forest regression,RFR)构建香格里拉市高山松地上生物量估测模型,并选择最优估测模型对1987、1992、1997、2002、2007、2012、2017 年高山松地上生物量进行反演制图。[结果]1)从图像的直接评价指标均方根误差(Root mean square error,RMSE)以及峰值信噪比(Peak signal-to-noise ratio,PSNR)来看,经过AHTC算法滤波后的图像质量最好;2)在使用RFR方法的情况下,滤波后的数据均表现出比原始数据更高的估测精度;3)经过AHTC算法滤波后的时间序列数据对高山松地上生物量的估测效果最优,其决定系数R2 为 0。885、均方根误差RMSE为 34。63 t/hm2、预测精度P为 60。75%、相对均方根误差rRMSE为 43。59%;4)采用AHTC和RFR方法反演结果分别为 1 236 万t(1987 年)、1 155 万t(1992 年)、1 455 万t(1997 年)、1 330 万t(2002 年)、1 314 万t(2007 年)、1 345 万t(2012 年)、1 654 万t(2017 年)。[结论]使用AHTC滤波方法在一定程度消除了时间序列影像自身所携带的大量噪声和不确定性,有效地提高了时间序列影像的质量,同时也为提高高山松地上生物量遥感估测精度提供了一种新思路。
Above-ground biomass estimation of Pinus densata based on Landsat time series images and AHTC algorithm
[Objective]To improve the accuracy of above-ground biomass estimation of Pinus Densata,a filter algorithm was developed to reduce the noise image of Landsat time series data.[Method]Based on the data of national forest resources consecutive inventory fixed samples in 1987,1992,1997,2002,2007,2012 and 2017,and the Landsat time series images from 1987 to 2017,using Google Earth Engine(GEE)and Python,the LandTrendr filter,Savitzky-Golay filter,horn convolution and adaptive horn topography convolution(AHTC)algorithm based on spatial convolution theory were used to filter Landsat time series data.Random forest regression(RFR)was used to construct the above-ground biomass estimation model of P.densata in Shangri-la city,and select the optimal estimation model to invert and map the aboveground biomass of P.densata in 1987,1992,1997,2002,2007,2012 and 2017.[Result]1)According to the root mean square error(RMSE)and peak signal-to-noise ratio(PSNR)of the direct evaluation index of the image,the image quality after filtering by AHTC algorithm was the best;2)In the case of using the RFR method,the filtered data showed higher estimation accuracy than the original data;3)The time series data filtered by AHTC algorithm had the best effect on estimating the above-ground biomass of P.densata,with the decision factor R2 of 0.885,root mean square error RMSE of 34.63 t/hm2,prediction accuracy P of 60.75%,and relative root mean square error rRMSE of 43.59%;4)The inversion results using AHTC and RFR methods are:12 million 360 thousand tons(1987),11 million 550 thousand tons(1992),14 million 550 thousand tons(1997),13 million 330 thousand tons(2002),13 million 140 thousand tons(2007),13 million 450 thousand tons(2012),16 million 540 thousand tons(2017).[Conclusion]The use of AHTC filtering method can eliminate a lot of noise and uncertainty carried by the time series image itself to a certain extent,effectively improving the quality of time series images,and also providing a new approach to improve the accuracy of remote sensing estimation of above-ground biomass of P.densata.

filteringLandsat time seriesPinus densatabiomassAHTC

滕晨凯、张加龙、陈朝情、鲍瑞、黄凯

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西南林业大学 林学院,云南 昆明 650224

国家林业和草原局西南调查规划院,云南 昆明 650031

滤波 Landsat时间序列 高山松 生物量 AHTC

国家自然科学基金项目国家自然科学基金项目云南省高层次人才培养支持计划"青年拔尖人才"专项

3226039031860207YNWR-QNBJ-2020-164

2024

中南林业科技大学学报
中南林业科技大学

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CSTPCD北大核心
影响因子:1.442
ISSN:1673-923X
年,卷(期):2024.44(2)
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