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面向山地森林区域的植被高度预测数据集

余翠琳 钟梓炫 庞弘毅 丁煜晟 赖涛 黄海风 王青松

余翠琳, 钟梓炫, 庞弘毅, 丁煜晟, 赖涛, 黄海风, 王青松. 面向山地森林区域的植被高度预测数据集[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250941
引用本文: 余翠琳, 钟梓炫, 庞弘毅, 丁煜晟, 赖涛, 黄海风, 王青松. 面向山地森林区域的植被高度预测数据集[J]. 电子与信息学报. doi: 10.11999/JEIT250941
YU Cuilin, ZHONG Zixuan, PANG Hongyi, DING Yusheng, LAI Tao, Huang Haifeng, WANG Qingsong. Vegetation Height Prediction Dataset Oriented to Mountainous Forest Areas[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250941
Citation: YU Cuilin, ZHONG Zixuan, PANG Hongyi, DING Yusheng, LAI Tao, Huang Haifeng, WANG Qingsong. Vegetation Height Prediction Dataset Oriented to Mountainous Forest Areas[J]. Journal of Electronics & Information Technology. doi: 10.11999/JEIT250941

面向山地森林区域的植被高度预测数据集

doi: 10.11999/JEIT250941 cstr: 32379.14.JEIT250941
基金项目: 国家自然科学基金(62273365),“小米青年学者”项目
详细信息
    作者简介:

    余翠琳:女,博士,博士后,研究方向为机器学习交叉应用、多源信息融合和遥感数据处理

    钟梓炫:男,硕士生,研究方向为遥感数据处理

    庞弘毅:男,本科生,研究方向为遥感数据处理

    丁煜晟:男,硕士生,研究方向为多源遥感数据融合和处理

    赖涛:男,博士,副教授,研究方向为SAR成像雷达系统设计与信息处理

    黄海风:男,博士,教授,研究方向为空间电子和智能感知领域关键技术

    王青松:男,博士,教授,研究方向为遥感图像精化处理、智能视觉导航、协同探测感知与信息融合

    通讯作者:

    王青松 wangqs5@mail.sysu.edu.cn

  • 中图分类号: TN957.52; TP7

Vegetation Height Prediction Dataset Oriented to Mountainous Forest Areas

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62273365), Xiaomi Young Talents Program
  • 摘要: 植被高度是刻画森林垂直结构、碳储量和生态系统功能的重要参数,在生态学、气候变化和生物地理等领域具有广泛应用。随着人工智能尤其是大模型技术的发展,森林生态研究对大规模、标准化训练数据的需求愈加迫切。然而,目前公开数据仍缺乏覆盖广区域、统一规范的林冠高度预测数据集,限制了先进智能方法的应用。为此,该文构建了面向山地森林区域的植被高度预测数据集(VHP-Dataset),融合多光谱遥感影像、数字高程模型(DEM)、植被覆盖度和覆盖类型等多源数据,以全球生态系统动力学调查(GEDI)冠层高度为目标变量,形成18维输入特征。该文介绍了数据集的构建流程,并通过空间分布、模型验证和特征重要性分析等实验进行评估。结果表明,VHP-Dataset能够有效支持监督学习建模,在多地貌、多区域的植被高度预测中展现出良好的科学性与适用性,为森林结构反演提供了标准化训练样本支撑。
  • 图  1  不同研究区域在全球地理位置分布及植被类型展示

    图  2  数据集整体构建流程

    图  3  不同研究区域筛选后GEDI数据空间分布情况

    图  4  VHP-Dataset中除经度和纬度外特征的可视化

    图  5  不同研究区域植被预测高度分布情况

    图  6  不同研究区植被覆盖率与实测植被高度统计关系

    图  7  不同分层植被覆盖率的预测误差箱型图

    图  8  不同坡度范围预测误差箱型图

    图  9  不同高程范围预测误差箱型图

    图  10  VHP-Dataset特征重要性得分柱状图

    表  1  研究数据基本属性

    产品名称覆盖范围坐标系数据类型用途
    GEDI L2A51.6°N$ \sim $51.6°SWGS84激光雷达光斑观测产品提供冠层高度、地面高程及垂直结构参数,作为目标变量。
    Landsat 8全球WGS84多光谱与热红外遥感影像提取光谱反射波段和归一化指数,用于表征植被生长状态。
    AW3D3084°N$ \sim $84°SWGS84DEM产品提供高程和坡度等地形特征,支持复杂地形条件下建模。
    CGLS-LC100全球WGS84全球土地覆盖产品提供地表覆盖类型,辅助冠层高度差异化建模。
    GFCC30TC全球WGS84森林覆盖度数据提供0%$ \sim $100%植被覆盖百分比,刻画森林密度和连续性。
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    表  2  GEDI L2A有效光斑筛选条件

    筛选条件 说明
    sensitivity>0.9 Sensitivity为信号灵敏度,为获取质量较高的光斑数据,通常在陆地区域采用不小于0.9的灵敏度阈值,
    因此剔除了灵敏度低于0.9的光斑。
    quality_flag=1 quality_flag为质量标记值,当质量标记值为“1”时,表明该波形在能量、灵敏度、振幅以及实时地表跟踪
    质量等方面达到了设定标准,可视为有效信号数据。
    degrade_flag=0 degrade_flag为退化状态,当状态退化标志为“1”时,说明指向或定位精度下降。为确保数据质量,
    剔除了标志值为1的光斑,仅保留标志为0的有效光斑数据。
    beam>4 beam表示光束,GEDI L2A数据共包含8个波束通道,其中第1至第4波束为覆盖波束,第5$ \sim $8波束为全功率波束。
    相较之下,覆盖波束在穿透高密度森林冠层时存在一定局限,仅能在树冠覆盖率不超过95%的林地条件下实现有效穿透。
    因此,为提升数据穿透能力与精度,通常优先采用全功率波束进行分析。
    Solar_elevation<0 Solar_elevation是太阳高度角,表示太阳位于地平线以下,代表获取夜间的GEDI数据。
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    表  3  数据集特征与目标变量

    数据源类型特征目标变量
    GEDI L2A空间信息经度和纬度RH95
    冠层高度
    Landsat 8光谱波段Band 2,Band 3,Band 4,Band 5,Band 6,Band 7
    归一化指数NDVI, NDWI, NDII, NDGI, NBR
    AW3D30地形结构高程,坡度,和坡向
    CGLS-LC100植被类型植被覆盖类型
    GFCC30TC植被指数植被覆盖指数
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    表  4  Landsat-8光谱波段基本信息

    波段名称波长(μm)分辨率(m)作用
    Band 2蓝光波段0.450$ \sim $0.51530用于水体识别和大气校正。
    Band 3绿光波段0.525$ \sim $0.60030用于植被监测和土地覆盖分类等。
    Band 4红光波段0.630$ \sim $0.68030用于植被反射和农作物健康监测等。
    Band 5近红外波段0.845$ \sim $0.88530用于对植被高度敏感,用于植被指数计算。
    Band 6短波红外11.560$ \sim $1.66030用于土壤湿度、云识别和地质调查。
    Band 7短波红外22.100$ \sim $2.30030用于地表特征分类、植被区分和热异常检测。
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    表  5  VHP-Dataset在五种代表性方法下的评估结果

    研究区域 方法 评估指标
    RMSE(m) MAE(m) SD(m) R2
    美国GP森林 Transformer 8.114 6.249 8.065 0.594
    ANN 8.399 6.566 8.384 0.572
    RF 9.036 7.215 8.984 0.508
    BLS 8.512 6.683 8.512 0.557
    ExtraTree 8.116 6.263 3.335 0.597
    美国GWJ-M森林 Transformer 6.443 4.971 6.398 0.409
    ANN 6.761 5.238 6.695 0.350
    RF 6.815 5.325 6.735 0.341
    BLS 6.616 5.139 6.616 0.375
    ExtraTree 6.351 4.883 5.311 0.417
    新西兰ENP森林 Transformer 5.866 4.347 4.041 0.308
    ANN 5.430 4.403 5.332 0.321
    RF 4.852 3.850 4.534 0.460
    BLS 4.852 3.760 4.852 0.441
    ExtraTree 4.755 3.731 2.931 0.482
    德国TF森林 Transformer 7.872 5.709 4.743 0.478
    ANN 7.002 5.424 6.888 0.537
    RF 6.595 5.114 5.942 0.584
    BLS 6.460 4.864 6.460 0.601
    ExtraTree 6.217 4.606 5.166 0.638
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-09-22
  • 修回日期:  2025-10-11
  • 录用日期:  2025-11-03
  • 网络出版日期:  2025-11-12

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