2023年2月14日，南通大学脆弱生态环境研究所宜树华研究员团队在国际顶级期刊 Earth System Science Data(ESSD) 杂志上发表了一套空间分辨率为250 m的青藏高原高寒草地地上生物量(aboveground biomass, AGB)数据集（2000-2019）。ESSD是当前地学和生态学领域最具影响力的数据期刊之一，最新影响因子为11.8，属于地球科学一区Top期刊。该数据集的特色在于使用了3.7万多张无人机数据，有效降低了传统地面样方采样数据与MODIS卫星像元数据之间的空间尺度差异，切实提高草地AGB的估算精度。
高寒草地生态系统占青藏高原面积的53%，是我国重要的生态保护屏障。但该草地生态系统属于生态脆弱区，极易受全球气候变化的影响。因此，需要对草地生态系统进行及时监测，而草地AGB是最常用的指标。尽管目前已有诸多学者对青藏高原草地地上生物量进行了估算，但受限于有限的地面验证资料、及地面样本数据和与卫星像元之间的空间尺度差异这两大困扰，估算结果存在较大的差异。
针对上述问题，团队提出了一种以无人机为桥梁的新算法,基于地面观测数据、海量无人机数据和MODIS遥感数据，估算青藏高原2000 - 2019年期间的草地地上生物量。本方法的创新点如下:
(1) 在地面数据采集方面，考虑了传统地面样本、无人机照片和MODIS像元之间的空间尺度匹配。在2015-2019年期间，共收集了906对样方尺度的地面实测数据和无人机照片，以及2602组与MODIS像元相匹配的无人机数据(共收集超过3.7万张无人机照片)。因此，用于构建本数据集的地面验证样本充足且与MODIS像元匹配。
(2) 在模型构建方面，采用随机森林机器学习算法和逐步升尺度策略，将传统的样方尺度（0.5 ´ 0.5 m）成功升尺度至MODIS像素尺度(250 ´ 250 m)。分别构建了基于无人机的照片的样方尺度草地AGB估算模型，以及MODIS像元的草地AGB估算模型。其中，样方尺度无人机AGB估算次数多达75´106。与以往研究相比，本研究实现了模型估算的自变量与因变量的尺度匹配，有效降低了空间尺度不匹配对草地地上生物估算精度的影响。
研究结果表明:在MODIS像元尺度上，无人机估算的AGB值与MODIS植被指数之间的相关性高于样方尺度实测AGB值与MODIS植被指数之间的相关性; 此外，多年验证结果表明，本团队所构建的MODIS像元尺度的草地AGB模型在时间和空间尺度上均具有良好的鲁棒性。模型平均R2为0.83,RMSE为34.13 g m−2。本数据集为进一步全面了解青藏高原在全球气候变化中的作用奠定了数据基础。诚然，本研究中仍有不足，特别是针对高草地地上生物量（>250 g m−2）的估算精度仍有待进一步提高。在后续的研究中，将进一步采用大疆禅思L1激光雷达反演出草地高度，以期进一步提升草地AGB估算的精度。此外，本团队还将继续以中国草地生态系统为研究对象，生产出一套高质量的草地地上生物量、植被盖度、物种分布等数据，以期为中国草地生态系统的研究提供可靠的基础数据。
论文第一作者为南通大学地理科学学院张慧芳博士，通讯作者为南通大学宜树华研究员。南通大学地理科学学院孙义和张建国副教授、孟宝平、李猛、吕燕燕等博士，中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室秦彧副研究员、桂林理工大学测绘与地理信息学院陈建军副教授，和中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室牛书丽研究员参与该项目的研究。
该研究得到国家自然科学青年基金（41801023）、国家重点科技研发项目 (2017YFA0604801)、和国家自然科学基金面上项目(42071056）等项目资助。
图1：无人机采样空间分布图
图2：青藏高原草地地上生物量估算总体技术路线图
论文链接：https://doi.org/10.5194/essd-15-821-2023
数据链接：https://doi.org/10.11888/Terre.tpdc.272587