复杂山区草地地上生物量估算的卫星嵌入特征：以中国三江并流地区为例

《Remote Sensing》：Satellite Embedding Features for Grassland Aboveground Biomass Estimation in Complex Mountainous Terrain: A Case Study of the Three Parallel Rivers Region, China

　　

摘要

草地的地上生物量是评估草地生产力、生态系统功能以及碳储存情况的重要生物物理指标。然而，在地形复杂的多山地区，由于地形破碎、环境梯度大以及草地斑块差异性显著，要准确估算区域内的地上生物量仍面临诸多挑战。本研究探讨了卫星嵌入特征在中国云南省三江并流地区用于估算草地地上生物量的适用性。研究基于2022年生长季期间调查的135个样地，提取了64维的年度卫星嵌入特征，并构建了基于Sentinel-1、Sentinel-2以及DEM数据的传统特征系统作为对比。研究共使用了四种特征系统，即Traditional-9、Traditional-40、Emb-9-PCA和Emb-64，并结合RF、SVR、GPR、XGBoost、LightGBM和Elastic Net六种回归模型进行评估。通过随机五折交叉验证比较不同特征系统及模型组合的表现，同时运用空间交叉验证来评估模型在空间独立条件下的稳定性。研究结果表明，卫星嵌入特征的表现优于传统遥感特征。在随机五折交叉验证中，基于Emb-64的XGBoost模型表现最佳，其R²值为0.7949 ± 0.0405，RMSE为0.1388 ± 0.0191吨/公顷，MAE为0.1141 ± 0.0203吨/公顷。在空间交叉验证中，XGBoost模型的平均表现依然最优，R²值为0.7660 ± 0.1003，RMSE为0.1417 ± 0.0111吨/公顷，MAE为0.1165 ± 0.0124吨/公顷。SHAP和Spearman相关性分析进一步表明，某些重要的嵌入维度与地上生物量以及选定的传统环境变量存在关联。区域绘图显示，预测得到的草地地上生物量范围在0.17至1.26吨/公顷之间，平均值为0.79吨/公顷，且存在显著的正空间自相关性。基于Bootstrap的不确定性分析表明，不确定性较高的区域主要为地形破碎的山地、草地边缘以及过渡带。这些研究结果说明，卫星嵌入特征为在复杂多山景观中估算草地地上生物量提供了一种具有前景的高维表征方法，不过其生态学可解释性和迁移性仍有待进一步研究。