黃河源永曲河流域高寒草甸地上生物量模擬與時(shí)空分布特征研究

摘要：本研究基于谷歌引擎通過(guò)四種常用模型及多種輸入組合（地理空間變量（Geospatial variables，GV），植物功能類(lèi)型（Plant functional types，VT），地面測(cè)量（Ground measurements，GM），氣象變量（Meteorological variables，MV））對(duì)黃河源區(qū)高寒草甸地上生物量（Aboveground biomass，AGB）進(jìn)行了模擬，并分析了AGB的時(shí)空分布與地形因子的關(guān)系。結(jié)果表明，僅使用GV構(gòu)建的模型表現(xiàn)較差（0.122lt;R²lt;0.486），MV和VT分別與GV結(jié)合使用時(shí)能提高模擬精度0.104～0.203（R²），GM與GV結(jié)合使用時(shí)，模型精度達(dá)到了最高（0.678lt;R²lt;0.705）。在沒(méi)有GM參與的情況下，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep neural network，DNN）模型結(jié)合GV-VT-MV變量組合獲得了最好模擬精度為0.686（R²）?；旌鲜褂枚喾N植被類(lèi)型的數(shù)據(jù)可以提高模擬精度。本研究發(fā)現(xiàn)海拔是影響黃河源流域單位內(nèi)高寒草甸AGB時(shí)空分布的重要決定因素，并且對(duì)AGB年變化量影響最強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：青藏高原高寒草甸；機(jī)器學(xué)習(xí)；谷歌引擎；地上生物量模擬；地上生物量空間分布

中圖分類(lèi)號(hào)：Q141 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0435（2023）07-1964-13

Aboveground Biomass Simulation and Its Temporal-Spatial Variation of Yongqu River Basin in the Alpine Meadow in the Yellow River Source Zone

LI Xi-lai1， GAO Jay²， SHI Yan^2*

（1.College of Agriculture and Animal Husbandry， Qinghai University， Xining， Qinghai Province 810016， China; 2.School of Environment， the University of Auckland， Auckland 1010， New Zealand）

Abstract：It is critical to model and map alpine meadow aboveground biomass （AGB） accurately for pastoral sustainable management on the Qinghai-Tibet Plateau. This study evaluated the performance of the four models and various input features combinations for grassland AGB modelling and mapping based on Google Earth Engine in the Yellow River source zone. The former includes the traditional multiple linear regression （MLR），support vector machine （SVM），artificial neural network （ANN），and deep neural network （DNN），the latter the ground measurements （GM），geospatial variables （GV），meteorological variables （MV），plant functional types （VT）. The results showed that the solely use of GV had poor performance in AGB simulation （0.122lt;R²lt;0.486）. The involvement of MV and VT into GV improved the accuracy （R²） by 0.104～0.203. The combination of GM-GV improved the accuracy to the highest level （0.678lt;R²lt;0.705），but models with GM has limitation to map AGB. However，without GM，DNN achieved the highest accuracy of 0.686 （R²） using the feature combination of GV-VT-MV. It was found out that the use of multiple vegetation dataset improved the AGB estimation accuracy. Further analysis between the temporal-spatial AGB distribution and topographic factors showed that elevation is the most important determinant of AGB distribution，and it also has the strongest influence on the variation of annual AGB. The method proposed in this study was able to model and map alpine meadow AGB and its variation，it could be used in the management of the alpine meadow grassland for sustainable development.

Key words：Qinghai Tibet Plateau alpine meadow;Machine learning;Google Earth Engine;Aboveground biomass simulation;Spatial distribution of aboveground biomass

青藏高原高寒草甸地上生物量（Aboveground biomass，AGB）是評(píng)估高原草地生態(tài)系統(tǒng)健康和生產(chǎn)功能的重要指標(biāo)，AGB的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)^[1-3]。AGB通常通過(guò)地面采樣或基于衛(wèi)星遙感的建模來(lái)實(shí)現(xiàn)，前者具有破壞性，需要對(duì)野外的植被覆蓋率和高度進(jìn)行主觀評(píng)估，這種方法既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，在較大空間范圍內(nèi)使用是不切實(shí)際的^[4]。相比之下，遙感是非破壞性的，依賴(lài)于間接測(cè)量，通過(guò)植被指數(shù)（Vegetation index，VI）估計(jì)植被生產(chǎn)力和生物量。高分辨率多波段的影像可以對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)^[5-6]。廣泛使用的歸一化植被指數(shù)（Normalized difference vegetation index，NDVI）是草地AGB的有效可靠指標(biāo)^[7-11]。此外，NDVI可以與其他環(huán)境變量，例如地理位置、海拔、地形和氣象等相結(jié)合，以提高對(duì)AGB的模擬精度^[12-15]，這些方法減少了基于單一VI的模型的預(yù)測(cè)誤差，提高了它們的穩(wěn)定性和通用性。

AGB估計(jì)模型通常使用統(tǒng)計(jì)回歸或機(jī)器學(xué)習(xí)模型構(gòu)建，這些模型通過(guò)諸如地理位置、草覆蓋率和高度等預(yù)測(cè)變量的地面測(cè)量來(lái)進(jìn)行生物量的模擬^[16]。這種傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)回歸模型在青藏高原三江源地區(qū)高寒草地AGB建模中使用VIs和地形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的模擬精度約為0.70（R²）^[17]。有植被株高參與的線性回歸模型實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似的模擬精度為0.73～0.76（R²）^[18]。機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性，例如單隱藏層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial neural network，ANN）和支持向量機(jī)（Support vector machine，SVM），由于它們能夠應(yīng)用非線性關(guān)系來(lái)處理雜亂的數(shù)據(jù)^[19-22]。基于合成NDVI時(shí)間序列的SVM模型，在模擬內(nèi)蒙古錫林浩特高山草地生物量時(shí)取得了略高的精度，為 0.77 （R²）^[23]。一個(gè)包含經(jīng)度、緯度和NDVI的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ANN）在三江源地區(qū)高寒草地AGB估計(jì)中的模擬精度為0.62（R²）^[24]。用NDVI和地形數(shù)據(jù)（海拔、坡向和坡度）估算內(nèi)蒙古錫林郭勒河流域典型草地干旱A(chǔ)GB時(shí)，ANN模型（R²為0.59）比多元線性回歸模型（R²為0.81）獲得了更準(zhǔn)確的結(jié)果^[25]。

最近深度學(xué)習(xí)模型，例如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep neural network，DNN），是具有多個(gè)隱藏層的傳統(tǒng)ANN模型的擴(kuò)展，在預(yù)測(cè)建模中應(yīng)用廣泛^[26-27]。在許多情況下，使用深度學(xué)習(xí)模型生成的輸出優(yōu)于其他機(jī)器學(xué)習(xí)模型，因?yàn)樗鼈兏軌蜃R(shí)別因變量和自變量之間的復(fù)雜非線性關(guān)系^[28-29]。例如，具有多個(gè)隱藏層的DNN模型估計(jì)了大豆生物量，其估計(jì)精度超過(guò)了0.72（R²）^[30]。具有四個(gè)隱藏層的DNN模型在小麥生物量估計(jì)中表現(xiàn)良好，模擬精度值接近0.80（R²）^[31]。然而，DNN算法在估計(jì)天然草地AGB模擬精度的研究較少。與沒(méi)有地面測(cè)量數(shù)據(jù)的模型相比，具有地面測(cè)量數(shù)據(jù)（例如植被高度和覆蓋度）的模型與草地AGB的關(guān)系更強(qiáng)^[32-35]。但在青藏高原進(jìn)行大面積的地面采集植被高度和蓋度是不切合實(shí)際的，這些指標(biāo)不具有空間屬性，使用地面測(cè)量數(shù)據(jù)作為模型輸入數(shù)據(jù)的模型不能直接生成可靠的AGB分布圖。此外，關(guān)于植物功能類(lèi)型的信息尚未用于草地AGB估計(jì)模型，一些研究使用草本數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型來(lái)預(yù)測(cè)所有植被類(lèi)型的AGB^[36-38]。除草本外，青藏高原的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)還包括大面積的灌木叢，約占20%^[39]。因此，有必要考慮植被類(lèi)型草本和灌木數(shù)據(jù)納入到AGB估計(jì)的模型中。

通常機(jī)器學(xué)習(xí)模型沒(méi)有公式可以導(dǎo)出，限制了模型的空間模擬能力。最近，使用谷歌引擎（Google Earth Engine，GEE）輔助和Tensorflow（https：//www.tensorflow.org/）平臺(tái)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型生成植被AGB的空間分布圖，使得優(yōu)秀的模型能夠用于較大空間范圍的生物量模擬以用于指導(dǎo)草地的管理^[40-41]。鑒于這些考慮，本研究旨在：（1）建立高寒草地AGB模擬和制圖的建?？蚣?；（2）評(píng)估各種輸入特征變量和4種模型（多元線性回歸（Multiple linear regression，MLR）、SVM，ANN和DNN模型）的效用；（3）評(píng)估植被類(lèi)型（草本和灌木）對(duì)草地生產(chǎn)力模擬的影響；（4）探索草地AGB空間分布與環(huán)境因子之間的關(guān)系，尋找黃河源流域單元高寒草甸地上生物量關(guān)鍵影響因子。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)為青海省河南蒙古族自治縣的永曲河流域（圖1），該流域?qū)儆邳S河的支流，地形復(fù)雜，平均海拔3 600 m。大陸性氣候具有明顯的干濕季節(jié)。年平均溫度在-1.3℃到-1.6℃之間。年平均降水量在597.1～615.5 mm之間，其中70%～75%集中在生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)（5月～9月）。研究區(qū)的土壤類(lèi)型為高山草甸土。植被類(lèi)型有兩種——草本和灌木，它們具有不同的結(jié)構(gòu)、分配和生物量^[42]。前者以嵩草（Kobresia spp.）、垂穗披堿草（Elymus nutans）為主，后者以金露梅（Potentilla fruticose）、山生柳（Salix oritrepha）為主，多分布在陰坡上^{[ 43]}。

1.2 數(shù)據(jù)及來(lái)源

野外數(shù)據(jù)采集時(shí)間如表1所示。研究區(qū)共選擇了187個(gè)采樣點(diǎn)（圖1），其中草本樣點(diǎn)129個(gè)，灌木樣點(diǎn)58個(gè)，在2019年～2022年期間每年8月底在187個(gè)采樣點(diǎn)重復(fù)采集植被樣本。在每個(gè)樣點(diǎn)首先地面上標(biāo)記一個(gè)10 m×10 m的樣方，之后隨機(jī)放置兩個(gè)1 m×1 m的測(cè)產(chǎn)樣方，從測(cè)產(chǎn)樣方中隨機(jī)選擇四分之一進(jìn)行地上生物量采樣，帶回實(shí)驗(yàn)室后在60℃下烘干48小時(shí)稱(chēng)重，作為模型構(gòu)建的地面真實(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)記錄采樣點(diǎn)緯度、經(jīng)度、海拔、土壤濕度、植被高度和覆蓋率等信息，其中蓋度測(cè)量采用廣泛使用目測(cè)估計(jì)法^[44-45]，地理坐標(biāo)位置和高程由GPS（Global positioning system）定位儀（型號(hào)：彩途K82B）記錄，土壤濕度、溫度和電導(dǎo)率由便攜儀土壤三參數(shù)速測(cè)儀TDR 350測(cè)量所得。

數(shù)字高程（Digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)來(lái)自ALOS PALSAR數(shù)據(jù)（https：//asf.alaska.edu/），分辨率為30 m。衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)來(lái)自哨兵2號(hào)Sentinel-2（https：//scihub.copernicus.eu/），分辨率為10 m，影像時(shí)間與地面采樣時(shí)間密切同步（表1）。被云層覆蓋的樣點(diǎn)不用于構(gòu)建模型（表1）。從SPOT 7衛(wèi)星獲得的高清衛(wèi)星影像（分辨率1.5 m）用于植物功能類(lèi)型分類(lèi)（影像日期：2020年8月28日）。在ArcMap中使用支持向量機(jī)將植被類(lèi)型分為灌木和草本2種，總體準(zhǔn)確率高于95.0%，Kappa值超過(guò)0.88。氣象數(shù)據(jù)來(lái)自河南縣中部氣象站，在每個(gè)觀察期之前，將每日記錄匯總為30天平均溫度（T）和降水量（P）。

1.3 模型構(gòu)建

在這項(xiàng)研究中，分別測(cè)試了四個(gè)模型（MLR，SVM，ANN和DNN）。盡管這些模型的結(jié)構(gòu)不同，但建模過(guò)程保持不變，如圖2所示。模型構(gòu)建過(guò)程中使用的GEE和Tensorflow均在Google Colab （https：//colab.research.google.com/） 中建立和運(yùn)行，全部過(guò)程在谷歌云空間進(jìn)行分析，包括圖像處理器（Graphics processing unit，GPU）的使用，以及影像的獲取，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和結(jié)果的輸出^[46]。只有給每個(gè)樣點(diǎn)添加實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集的過(guò)程是在ArcMap中完成，首先創(chuàng)建一個(gè)包含所有采樣位置的點(diǎn)要素的矢量文件，并添加實(shí)測(cè)的生物量標(biāo)簽。這些數(shù)據(jù)與其他輸入變量（坐標(biāo)位置、海拔、坡度、坡向以及氣象數(shù)據(jù)等）一起，作為額外波段添加到Sentinel-2影像中。對(duì)合成后的影像進(jìn)行歸一化處理（除了實(shí)測(cè)生物量數(shù)據(jù)），各波段的像素值都在0和1之間，以提高機(jī)器學(xué)習(xí)模型的性能^[47]，然后將它們存儲(chǔ)到谷歌存儲(chǔ)桶（https：//cloud.google.com），以供后期的模型訓(xùn)練、測(cè)試以及預(yù)測(cè)使用。通常，圖像會(huì)被分割成多個(gè)帶有序列化的記錄文件（格式為為T(mén)FReord），這有利于處理大尺寸圖像以進(jìn)行模型訓(xùn)練和預(yù)測(cè)。

在這些數(shù)據(jù)輸入模型之前，必須通過(guò)解析功能將它們轉(zhuǎn)換為用于序列化數(shù)據(jù)輸入的協(xié)議消息類(lèi)型（適用于GEE特征的地理數(shù)據(jù)），即從TFRecord到tf.data.Dataset。解析后的數(shù)據(jù)集可用于模型訓(xùn)練、測(cè)試和預(yù)測(cè)。模型采用留一組法交叉驗(yàn)證，每年的數(shù)據(jù)作為一個(gè)子數(shù)據(jù)集，共四個(gè)子數(shù)據(jù)集，該方法對(duì)模型精度評(píng)估有效^[48]。決定系數(shù)（R²）和均方根誤差（Root mean square error，RMSE） 用于評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。并對(duì)各個(gè)輸入組合和模型的表現(xiàn)進(jìn)行差異顯著性分析。最佳模型用于生成AGB空間分布圖。在此過(guò)程中，多個(gè)圖像塊會(huì)被按序運(yùn)行，模型將對(duì)每個(gè)像素賦予一個(gè)預(yù)測(cè)的AGB。值得一提的是此預(yù)測(cè)結(jié)果只是列表文件（圖像塊），但它們是具有序列化屬性的文件并保存在谷歌存儲(chǔ)桶中。因此，只需按照它們?cè)嫉捻樞驅(qū)⑺鼈兤唇蛹纯?。最后，將預(yù)TFRecord文件上傳到GEE云資產(chǎn)中轉(zhuǎn)化為T(mén)IFF格式的文件。本研究中的模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)分析均使用Python計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)完成。

1.4 模型驅(qū)動(dòng)因子和參數(shù)設(shè)定

預(yù)測(cè)變量分為4組（表2）。地理空間變量（Geospatial variables，GV）包括緯度、經(jīng)度、高程、坡向、坡度和NDVI（坡向轉(zhuǎn)換為：北向=cos（坡向））。植被類(lèi)型（Plant functional types，VT）包括草和灌木；地面測(cè)量值（Ground measurements，GM） 包括草本株高、灌木株高、植被覆蓋度和土壤濕度；氣象變量（Meteorological variables，MV）包括月氣溫和降水量。VT是類(lèi)別變量，它將被轉(zhuǎn)換為獨(dú)熱碼，作為模型輸入變量^[49]。這些變量與AGB之間的相關(guān)性，通過(guò)斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)r（Spearman’s rank correlation coefficient）來(lái)測(cè)試^[50]。如果變量對(duì)于AGB的相關(guān)性較低，該變量將不再用作模型的輸入數(shù)據(jù)。

MLR模型是使用Scikit-learn （sklearn.linear_model.LinearRegression） 中的線性回歸算法基于普通最小二乘法構(gòu)建的。SVM模型是基于支持向量分類(lèi)方法構(gòu)建的^[51]。ANN和DNN是基于Keras的Sequential模型構(gòu)建的（https：//www.tensorflow.org）。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中選擇的損失函數(shù)、激活函數(shù)和梯度下降優(yōu)化器分別是均方誤差（Mean squared error，MSE）、sigmoid函數(shù)和均方根傳播（Root mean square propagation，RMSprop）^[52-53]。表3為機(jī)器學(xué)習(xí)模型中使用的關(guān)鍵參數(shù)，盡管有許多篩選最佳參數(shù)的方法，但是都沒(méi)有普遍適用性^[54-55]。因此本研究中對(duì)每一個(gè)參數(shù)的調(diào)整都會(huì)建立一個(gè)模型做一次模擬測(cè)試，通過(guò)循環(huán)測(cè)試經(jīng)過(guò)精心對(duì)比每一個(gè)模型的精度來(lái)獲取最佳參數(shù)組合，所有其他參數(shù)均取默認(rèn)值。

1.5 地上生物量的空間分布特點(diǎn)

最優(yōu)的模型將用來(lái)生成地上生物量的空間分布圖。去除有云遮擋的區(qū)域并使用克里金空間插值法（ArcMap）來(lái)填充獲得完整的分布圖。使用斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)評(píng)估地上生物量的空間分布和地形因子之間的關(guān)系。通過(guò)隨機(jī)森林模型評(píng)估環(huán)境變量對(duì)地上生物量年變化的重要性，該方法在特征變量重要性選擇方面具有出色的性能^[56]。由于研究區(qū)較大面積和原始的衛(wèi)星影像像素較高，為避免過(guò)大的計(jì)算量，相關(guān)的影像，包括地上生物量的分布圖，年變化圖和各地形因子的柵格圖，在ArcMap中進(jìn)行100 m×100 m重采樣（原始柵格為10 m×10 m），并提取個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的像素值，再進(jìn)行變量與地上生物量之間的相關(guān)性和重要性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 獨(dú)立變量的重要性評(píng)估

各個(gè)環(huán)境變量與地上生物量的相關(guān)性差異很大（圖3）。通過(guò)斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)分別分析四年的數(shù)據(jù)（2019年～2022年），可以看出地面測(cè)量的變量均具有較高的正相關(guān)性，例如植被高度以及植被蓋度（0.37～0.51），土壤濕度的相關(guān)性稍微低一些，僅有0.15～0.25。非地面測(cè)量的變量中，經(jīng)度、緯度和北向的斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)非常低（-0.13lt;rlt;0.16），這三個(gè)變量將不再用作模型的輸入數(shù)據(jù)。海拔和坡度的相關(guān)性有所提高，分別為0.24～0.28和0.14～0.23。NDVI取得了較高的斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)（0.33～0.40），但仍然低于地面測(cè)量變量。特別需要注意的是，作為“類(lèi)別”參數(shù)的植被類(lèi)型與AGB之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，其中草本與地上生物量負(fù)相關(guān)系數(shù)為-0.6～-0.62，灌木與地上生物量正相關(guān)系數(shù)為0.62～0.66。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明了植被類(lèi)型數(shù)據(jù)對(duì)判定AGB的大小有重要作用。將所有數(shù)據(jù)混合后（2019—2022年）發(fā)現(xiàn)，溫度、降雨與地上生物量也具有較好的正相關(guān)性，其斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)分別為0.36和0.32。

2.2 變量組合和模型的可信度評(píng)估

四種模型類(lèi)型和變量組合的表現(xiàn)各不相同（圖4）。從平均水平來(lái)看，MLR是性能最差的算法，其準(zhǔn)確度始終是最低的，R²平均值為 0.369。SVM表現(xiàn)稍好為0.608，ANN和DNN的準(zhǔn)確性最好，分別為 0.619和0.627。

相比其他變量組合，包含地面測(cè)量數(shù)據(jù)的GV-GM變量組合使得四種模型類(lèi)型都取得了最佳精度，其R²為0.678～0.709。對(duì)于其他不包含地面測(cè)量數(shù)據(jù)的變量組合來(lái)說(shuō)，GV表現(xiàn)最差（0.122lt;R²lt;0.486），但是與VT和MV組合后能獲得較好的表現(xiàn)，可以將三個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型（SVM，ANN和DNN）的精度提高0.104～0.203。其中GV-VT變量組合使得SVM模型模擬精度達(dá)到0.642，GV-VT-MV變量組合將ANN的精度分別提高到了0.675，把DNN模型的精度提到了最高值0.686。差異顯著性和RMSE的評(píng)估結(jié)果仍然適用于上述模型的評(píng)價(jià)。

四種模型類(lèi)型的第一和第二最佳變量組合的散點(diǎn)圖如圖5所示（散點(diǎn)圖為交叉驗(yàn)證結(jié)果的一個(gè)）。通過(guò)比較預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)AGB的1∶1線可以發(fā)現(xiàn)，較高的AGB始終被低估（低于1∶1線），而較低的AGB被高估（高于1∶1線）。

2.3 植被類(lèi)型對(duì)模擬精度的影響

根據(jù)圖5中的模型類(lèi)型和輸入數(shù)據(jù)組合，本文進(jìn)一步評(píng)估了單一植被類(lèi)型的AGB模擬精度，如表4所示。無(wú)論是哪種類(lèi)型的模型，灌木AGB的模擬精度都比草本AGB更高。對(duì)于GV-GM變量組合，MLR模型模擬灌木和草本AGB的精度最低，分別為0.565和0.528。ANN （R²=0.679）對(duì)灌木AGB的估計(jì)效果最好，其次是DNN（R²=0.648）。相比之下，SVM （R²=0.610）對(duì)草本AGB的估計(jì)最好，其次是ANN （R²=0.588）。因此，在具有GM數(shù)據(jù)的情況下，建議分別將ANN和SVM模型用于灌木和草本的AGB模擬。在沒(méi)有地面測(cè)量數(shù)據(jù)GM參與的情況下，AGB的模擬精度有所降低。同樣無(wú)論是哪種類(lèi)型的模型，灌木AGB的模擬精度都比草本AGB更高。其中，DNN模型估計(jì)的灌木和草本AGB的精度（R²）最高，分別為 0.656 和 0.338。ANN和SVM模擬精度次之，MLR最差。此外，如果根據(jù)RMSE進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果仍然成立。

表4中所有模型的散點(diǎn)圖如圖6所示（散點(diǎn)圖為交叉驗(yàn)證結(jié)果的一個(gè)）。通過(guò)比較預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)AGB的1∶1線可以發(fā)現(xiàn)，較高的AGB始終被低估（低于1∶1線），而較低的AGB被高估（高于1∶1線）。特別值得注意的是，對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)混合使用植被類(lèi)型數(shù)據(jù)的模型精度要比單獨(dú)使用一種植被類(lèi)型數(shù)據(jù)的模型精度要高。

2.4 地上生物量空間分布格局

以GV-VT-MV變量組合作為輸入數(shù)據(jù)代入DNN模型中得出地上生物量的空間分布圖（圖7），圖7中研究區(qū)左側(cè)的數(shù)字是平均的地上生物量，從2019至2022四年之間呈起伏變化，分別為5.61，6.03，5.38和5.51 t·ha^-1 （表5）。本研究還對(duì)地上生物量的空間分布和地形因子之間的關(guān)系進(jìn)行了斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)的評(píng)估。由表5中可知，海拔與地上生物量具有極顯著的正相關(guān)性關(guān)系，其斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)為0.66～0.78。坡度與地上生物量的斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)為0.24～0.30。坡向（北向）與地上生物量的相關(guān)性較低。

本研究從時(shí)間變化上分析了各個(gè)環(huán)境變量對(duì)地上生物量年變化量的重要程度。如表6所示，海拔具有最高的重要性（0.306），其次為北向（0.235）和坡度（0.168）。其余變量的重要性較為低，其中氣溫和降雨的重要性為最低，其值小于0.05。

3 討論

3.1 環(huán)境變量與地上生物量的相關(guān)性

輸入變量的類(lèi)型會(huì)影響模型模擬草地AGB的準(zhǔn)確性。一般來(lái)說(shuō)，在機(jī)器學(xué)習(xí)模型中包含更多變量會(huì)提高準(zhǔn)確性，尤其對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。然而，輸入變量也可能導(dǎo)致過(guò)度擬合^[57]，因此，輸入變量的初步篩選尤為重要。

本研究發(fā)現(xiàn)，海拔和坡度與AGB的相關(guān)性并不高（r=0.14～0.28，圖3）。然而在有關(guān)青藏高原草地AGB模擬的研究中，緯度、經(jīng)度和坡向表現(xiàn)較好^[17]，在本研究中表現(xiàn)不佳的原因可能是流域單位面積小，地形地貌的差異小。在更大的空間范圍內(nèi)，緯度、經(jīng)度和坡向與AGB的相關(guān)性可能會(huì)變得更強(qiáng)。NDVI、溫度和降水與草地AGB密切相關(guān)，這與報(bào)道的研究結(jié)果相似^[58-60]。草本和灌木具有非常不同的AGB密度，由于結(jié)構(gòu)和物種組成不同，灌木的地上生物量是草本的幾倍之多，其在光譜上的差異也較大^[61-63]。在本研究中，植被類(lèi)型表現(xiàn)出了極強(qiáng)的相關(guān)性。由于草本和灌木都具有各自的AGB區(qū)間，因此，植被類(lèi)型變量可以較為準(zhǔn)確的判定其AGB的區(qū)間。

3.2 地上生物量模擬精度分析

植被類(lèi)型（VT）是一個(gè)類(lèi)別變量，很少用于草地AGB回歸模型，但是它在植被生物量估計(jì)的線性或非線性回歸模型中具有重要作用^[64-65]。每個(gè)植被類(lèi)型都有較為穩(wěn)定的AGB區(qū)間，所以植被類(lèi)型數(shù)據(jù)可以為模型提供有力的支持，建議考慮使用更多植被類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)更準(zhǔn)確地估算草地AGB。

VT和MV均可以使得機(jī)器學(xué)習(xí)模型的模擬精度有所提高，而且VT在SVM模型中的表現(xiàn)優(yōu)于MV，但是在ANN或者DNN模型中的表現(xiàn)則弱于MV（圖4）。這是因?yàn)镾VM模型的算法是基于分類(lèi)的一種回歸分析算法，而草本和灌木在結(jié)構(gòu)和物種組成上有明顯的不同，在光譜反映上也存在較大差異^{[63，66-67]}。

在本項(xiàng)研究中，植被分類(lèi)為灌木和草本，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅２煌Y(jié)構(gòu)和物種組成，其光譜行為也存在較大差異^{[62，68-69]}。通過(guò)評(píng)估了單一植被類(lèi)型的AGB模擬精度，研究發(fā)現(xiàn)灌木AGB的模擬精度都比草本AGB更高（圖6）。這是由于灌木的生物量較大，且密度和蓋度有較高的均一性^[70]。

通過(guò)對(duì)比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，混合使用植被類(lèi)型數(shù)據(jù)的模型精度要比單獨(dú)使用一種植被類(lèi)型數(shù)據(jù)的模型精度要高。造成這種結(jié)果的原因有兩點(diǎn)，首先混合數(shù)據(jù)擴(kuò)大了樣本數(shù)量和生物量的數(shù)值范圍，這能提高機(jī)器學(xué)習(xí)模型的精度^[73-74]。其次，灌木和草本的模型都低估了高觀測(cè)水平的AGB，但高估了低觀測(cè)值的AGB（圖6），然而數(shù)據(jù)的合并能幫助模型降低這些估計(jì)誤差，從而提高了準(zhǔn)確性。因此，建議混合使用多種植被類(lèi)型的數(shù)據(jù)以更準(zhǔn)確地估算高寒草地AGB。

模型的算法是準(zhǔn)確模擬的關(guān)鍵因素，DNN算法優(yōu)于其他算法^[75-76]。本研究中，在沒(méi)有地面測(cè)量變量的情況下DNN依靠衛(wèi)星影像、地形和氣象數(shù)據(jù)取得最好表現(xiàn)，其次是ANN和SVM。它們的排名順序與之前的研究一致^[70-72]。與多元線性回歸模型相比，機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠在不考慮地面測(cè)量參數(shù)（如植被高度和覆蓋率）的情況下潛在地提高估算的準(zhǔn)確性^{[75，80-81]}。這在青藏高原等地面采樣成本高昂且體力消耗大的地區(qū)尤為重要。盡管DNN模型可以整合多個(gè)因素并處理大型輸入數(shù)據(jù)集^[30，82-83]，但高度復(fù)雜的DNN模型容易過(guò)度擬合。過(guò)度擬合問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致模型的準(zhǔn)確性隨著數(shù)據(jù)的增多而下降。權(quán)重衰減和提前停止（weight decay and early stopping）用于在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間中斷訓(xùn)練，以盡量減少本研究中的過(guò)度擬合問(wèn)題^[57]。

本文研發(fā)的AGB模型精度主要受青藏高原地形地貌的復(fù)雜性限制，由于采樣點(diǎn)的空間分布不均等因素的影響，進(jìn)而影響地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量。由于數(shù)據(jù)收集的困難，本研究?jī)H限于黃河源區(qū)一個(gè)典型流域單元內(nèi)。該流域空間異質(zhì)性可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的略微差異。如果將該模型升級(jí)至覆蓋整個(gè)青藏高原，那么在精確預(yù)測(cè)AGB時(shí)將面臨不確定性，這主要源于不同的放牧活動(dòng)、植被類(lèi)型、地形因素和氣候條件導(dǎo)致擬合問(wèn)題。因此，在未來(lái)的研究中，為了提高AGB建模精度，應(yīng)該重點(diǎn)考慮增加野外采樣點(diǎn)數(shù)量，并盡可能覆蓋各種地理位置。

此外，機(jī)器模型的構(gòu)建以及AGB分布圖的預(yù)測(cè)都是基于GEE提供的免費(fèi)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和云存儲(chǔ)，以及高性能云計(jì)算服務(wù)，GEE已逐漸成為地理空間和大數(shù)據(jù)分析的重要平臺(tái)。并且在大范圍長(zhǎng)時(shí)間序列的遙感應(yīng)用研究中GEE更具優(yōu)勢(shì)，可以極大縮短圖像處理的時(shí)間，提高工作效率。對(duì)今后研究青藏高原廣袤的高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有極大的幫助。

3.3 高寒草甸地上生物量的時(shí)空間分布特征

無(wú)法獲得機(jī)器學(xué)習(xí)模型的方程限制了預(yù)測(cè)整個(gè)研究區(qū)的AGB分布^[24，84]。然而，本研究中提出的模型框架可以成功地預(yù)測(cè)AGB的時(shí)間和空間分布圖（圖7）。在此基礎(chǔ)上，分析AGB時(shí)空變化是可行的，該結(jié)果可以用于青藏高原高寒草地的放牧管理策略。

從空間分布上可以看出（圖7），海拔與AGB有較好的正相關(guān)性，坡度次之。地形可以決定土壤水分和溫度，對(duì)局部尺度草地生態(tài)系統(tǒng)中的AGB分布有顯著影響^[78-79]。與本研究相似，海拔被認(rèn)為是對(duì)AGB分布最重要的地形因子^[87-88]，其次灌木本身具有較高的生物量，并且分布地勢(shì)較高的陰坡。從時(shí)間變化上來(lái)看，雖然氣象因子（氣溫和降雨）對(duì)AGB年變化量的重要性很小，但是地形因子海拔和坡向（北向）對(duì)AGB年變化量有很大影響。這是由于短時(shí)間的氣候變化未能影響草地生物量的顯著變化。地形因素可以影響水熱條件的分布，決定土壤濕度和溫度，影響草地生態(tài)系統(tǒng)中生物量的生長(zhǎng)和分布^[85-86]，不同的放牧策略也會(huì)影響AGB的年變化量^[89-90]。此外，不同植被類(lèi)型具有不同的利用率和可食性，需要進(jìn)一步考慮來(lái)制定以地上生物量為基礎(chǔ)的可持續(xù)發(fā)展的放牧管理策略，以及充分利用分布在復(fù)雜地形下的草地地上生物量。

4 結(jié)論

通過(guò)本文提出的模型建造流程，借助GEE強(qiáng)大的算法，評(píng)估各種輸入特征變量和模型的效用，并用最優(yōu)模型DNN繪制出AGB空間分布圖，準(zhǔn)確模擬了黃河源流域單元高寒草甸AGB的空間分布?；旌鲜褂枚喾N植被類(lèi)型的數(shù)據(jù)以更準(zhǔn)確地估算高寒草地AGB。通過(guò)分析AGB的時(shí)空分布與地形因子之間的關(guān)系得出結(jié)論：在空間分布上，黃河源流域單位的海拔是影響高寒草甸AGB的重要決定因素。這一模型框架和模擬結(jié)果，有利于管理和保護(hù)青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)。

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（責(zé)任編輯 閔芝智）