结合UAV-LiDAR和卫星遥感数据的红树林退化多尺度监测研究
批准号：
32101525
项目类别：
青年科学基金项目（C类）
资助金额：
30.0 万元
负责人：
王德智
依托单位：
学科分类：
森林土壤学
结题年份：
2024
批准年份：
2021
项目状态：
已结题
项目参与者：
王德智
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
红树林是生长在海岸潮间带上的特殊生物群落，生态价值显著。21世纪以来全球红树林面积损失速率下降但质量退化加重，中国红树林状况亦然。本项目拟以海南岛红树林为研究对象，基于景观生态学相关理论、地图制图学原理，结合多期无人机激光雷达(UAV-LiDAR)和时间序列卫星遥感数据，围绕红树林结构、功能和生境三个维度来研究多尺度(区域、保护区、局部)红树林退化监测及其表征问题，包括红树林退化过程-格局-尺度关系解析、红树林退化多尺度监测指标体系构建、融合主被动遥感和二三维信息的监测指标反演、评估不同情景下（单途径单指标、单途径多指标、多途径综合指标等）的红树林退化表征效力。通过研究，将有助于丰富现有红树林退化监测与评估理论，创新红树林退化监测框架和方法论体系，为红树林保护与修复提供基础性理论和技术方法支撑。
英文摘要
Mangroves are special types of woody plants growing exclusively in the intertidal zones of the tropical and subtropical coasts, which have significant values. Due to conservation and rehabilitation, the current global mangrove loss rates are almost an order of magnitude lower than those reported for the twentieth century. However, the degradation of remaining mangrove areas is becoming a major concern. The same is true of mangroves in China. Degradation is more challenging to measure and map than areal extend. This study aims to construct a new framework and develop a novel methodological system to monitor and map mangrove degradation in multiscale (regional, protected area, and local scales) from three aspects, namely, mangrove structure, function, and habitat based on the theories of landscape ecology and cartography using the combined multi-temporal UAV-LiDAR and time-series of satellite remote sensing data. Hainan Island is employed as the study area. The relationship between mangrove degradation process-pattern-scale will be analyzed, and a multi-scale indicator system for mangrove degradation monitoring will be constructed. This study will integrate active and passive remote sensing data and combine 2D and 3D information to derive indicators and assess the effectiveness of mangrove degradation characterization under different scenarios (single path and single indicator, single path and multiple indicators, multiple path comprehensive indicators). This study can enrich the theory of mangrove degradation monitoring and assessment, establish a monitoring framework and a novel methodological system, and provide basic theoretical and technical support for mangrove protection and restoration.
红树林是生长在海岸潮间带上的特殊生物群落，生态价值显著。21世纪以来全球红树林面积损失速率下降但质量退化加重，中国红树林状况亦然。本项目以海南岛红树林为研究对象，基于景观生态学、红树林生境和演替相关理论，结合无人机激光雷达(UAV-LiDAR)和时间序列卫星遥感数据，从红树林结构、功能和生境三个维度来研究红树林退化监测及其表征问题，研发了系列新方法反演退化表征指标，最终构建了红树林退化多尺度综合监测与评估方法。主要结果有：（1）基于常用的遥感影像WorldView-2、Sentinel-2和Zhuhai-1，采用了一种全新的全局生物多样性方法来监测红树林多样性。根据光谱变异假说，把γ多样性拆分为α和β多样性，并通过实地样方数据进行验证，最终得到准确的红树林α和β多样性空间分布图。研究发现，α和β多样性分别占海南清澜港省级红树林保护区的30%和70%，即区域红树林群落间差异显著强于群落内部差异。（2）对于大尺度红树林地表生物量估算，整合UAV-LiDAR和影像数据目前仍然是一个挑战，本研究提出了一种新的两阶段反演模型，用于大规模红树林地表生物量估算。在此基础上，又提出了一种可解释的地表生物量反演模型。UAV-LiDAR和Landsat 8数据结合LightGBM算法和线性光谱解混在海南岛红树林中取得了最高的估测精度（R2 = 0.69），与基准“点-线-面”模型相比，R²提高了0.07，同时降低了LiDAR处理要求，提高了模型可解释性。（3）提出了一种新方法，使用多模态数据定量监测红树林退化。首先，根据森林退化的定义，选择三个指标来表示红树林生态系统的水平结构、垂直结构和功能，即冠层覆盖度、冠层高度和地表生物量。然后通过两阶段反演模型得出退化指标。为了确定不同位置和生长环境下红树林退化程度，提出了一种考虑空间和环境异质性的确定红树林退化参考框架的方法。结果表明，海南岛红树林总体退化率为34.09%，其中冠层高度减少39.31%，冠盖度减少34.05%，地表生物量减少28.92%。保护区退化程度（33.47%）低于非保护区（37.16%）。
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