【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】城市樹木通過提供多種生態(tài)服務，構(gòu)成一種重要的基于自然的解決方案，在提升人居環(huán)境品質(zhì)與促進城市可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在這些生態(tài)系統(tǒng)服務中，碳匯功能直接關(guān)聯(lián)城市應對氣候變化與實現(xiàn)“雙碳”目標的能力，對其進行科學、可靠的量化評估具有重要現(xiàn)實意義。城市樹木碳儲量的估算高度依賴對樹木結(jié)構(gòu)特征的刻畫，其中樹冠高度作為反映森林垂直結(jié)構(gòu)、支撐地上生物量與碳儲量反演的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)變量，長期以來主要依賴機載LiDAR數(shù)據(jù)獲取。然而，機載LiDAR在成本、數(shù)據(jù)獲取頻率和覆蓋范圍等方面的限制，使其難以支撐大尺度、常態(tài)化的城市應用。近年來，多種大尺度、開源樹冠高度模型(Canopy Height Models，CHMs)相繼發(fā)布，為城市樹木高度信息獲取提供了新的可能，但其在復雜城市環(huán)境中能否穩(wěn)定提升城市樹木碳儲量反演等應用模型的預測性能，仍缺乏系統(tǒng)而定量的評估。
針對這一問題，中國科學院城市環(huán)境研究所城市生態(tài)風險模擬與預警團隊唐立娜研究員聯(lián)合中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院、美國普渡大學等單位，以典型城市環(huán)境為研究對象，系統(tǒng)評估了四種具有代表性的大尺度樹冠高度產(chǎn)品(Potapov、Lang、Tolan 和 Malambo)在城市樹木碳密度反演中的應用效用。研究在10 m、20 m和30 m不同空間尺度下，構(gòu)建了融合Sentinel-1/2多源遙感特征的隨機森林反演模型，并以高精度機載LiDAR派生的樹冠高度數(shù)據(jù)作為基準進行對比分析。結(jié)果表明，機載LiDAR數(shù)據(jù)在各尺度下均顯著提升了模型精度，而引入大尺度樹冠高度產(chǎn)品后，模型性能與不使用樹冠高度產(chǎn)品的基線模型基本一致，未表現(xiàn)出穩(wěn)定的預測增益。盡管在較粗尺度下，這些產(chǎn)品在模型中的相對重要性有所提高，但并未轉(zhuǎn)化為實際精度提升，反映出其在城市復雜景觀下存在結(jié)構(gòu)信息冗余和高度飽和等局限。總體而言，當前大尺度樹冠高度模型更適用于城市垂直結(jié)構(gòu)的近似刻畫，尚難作為高精度城市碳儲量反演模型的關(guān)鍵增強變量，高精度機載LiDAR數(shù)據(jù)在城市尺度碳核算中仍不可替代。
該研究成果以Gains and gaps of large-scale canopy height products for urban tree carbon stock inversion: A multi-scale assessment為題，發(fā)表于城市森林研究領(lǐng)域權(quán)威期刊Urban Forestry & Urban Greening。中國科學院城市環(huán)境研究所2021級博士研究生董鶴松為第一作者，唐立娜研究員為通訊作者，美國普渡大學邵國凡教授對本研究提供了全面指導，中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院王浩然博士也參與了文章的討論與修改工作。研究工作獲得國家自然科學基金項目(32471632)的支持。
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圖1 不同樹冠高度數(shù)據(jù)對城市樹木碳密度反演模型精度的影響
注：該圖對比了在不同空間尺度下，引入不同樹冠高度數(shù)據(jù)后城市樹木碳密度反演模型的預測效果。結(jié)果顯示，只有高精度機載LiDAR數(shù)據(jù)能夠顯著提升模型精度，而多種大尺度、開源樹冠高度產(chǎn)品與不使用樹冠高度數(shù)據(jù)的基線模型表現(xiàn)接近，未帶來穩(wěn)定的預測改進。這表明，在復雜城市環(huán)境中，大尺度樹冠高度產(chǎn)品難以為碳儲量估算提供實質(zhì)性的新增信息。
圖2 不同樹冠高度數(shù)據(jù)在模型中的響應特征對比
注：該圖展示了不同樹冠高度數(shù)據(jù)在模型中與城市樹木碳密度之間的響應關(guān)系。高精度 LiDAR 數(shù)據(jù)與碳密度呈現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的正相關(guān)關(guān)系，整體符合樹木生長的異速規(guī)律；而大尺度樹冠高度產(chǎn)品在多數(shù)高度區(qū)間內(nèi)響應較弱，僅在高值區(qū)間出現(xiàn)突變式貢獻，反映出其在高大樹木區(qū)域存在高度壓縮和信息飽和問題。這種不穩(wěn)定的響應特征限制了其在城市碳儲量反演中的應用效果。
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