轻木细胞壁超微结构与力学性能关系研究

李柬龙; 陈胜; 李海潮; 张逊; 许杜鑫; 史梦华; 许凤

doi:10.12171/j.1000-1522.20210410

轻木细胞壁超微结构与力学性能关系研究

李柬龙^1,,
陈胜¹,
李海潮¹,
张逊¹,
许杜鑫¹,
史梦华²,
许凤^1, ,

1.
林木生物质化学北京市重点实验室，北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083
2.
泰格林纸股份有限公司国家级技术中心，湖南岳阳 414002

基金项目: 国家自然科学基金项目（2217080512），高等学校学科创新引智计划项目（B21022），中央高校基本科研业务费专项（PTYX202141）。

详细信息

作者简介:
李柬龙。主要研究方向：林木生物质超微结构解译。Email：leonljl@bjfu.edu.cn　地址：100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

责任作者:
许凤，教授，博士生导师。主要研究方向：生物质能源与材料。Email：xfx315@bjfu.edu.cn　地址：同上

中图分类号: TS71.1
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出版历程
- 收稿日期: 2021-10-17
- 修回日期: 2022-01-06
- 录用日期: 2022-01-06
- 网络出版日期: 2022-01-11
- 发布日期: 2022-02-24

Relationship between cell wall ultrastructure and mechanical properties of balsa wood

1.
Beijing Key Laboratory of Lignocellulosic Chemistry, School of Materials and Technology,Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
2.
National Engineering Research Center, Tiger Forest & Paper Group Co., Ltd, Yueyang 414002, Hunan, China

摘要

摘要:
目的研究轻木化学组成、纤维细胞壁分层结构和纤维素聚集态结构，探究其对力学性能的影响，为厘清轻木细胞壁超微结构与力学性能之间关系，提高其利用附加值奠定理论基础。
方法将轻木与我国常见阔叶木树种杨木进行对比研究，采用水解法分析两者的化学组成；用透射电子显微镜、共聚焦拉曼显微镜等表征纤维细胞壁分层结构、微区化学和纤维素聚集态结构特征。
结果轻木与杨木乙酰基质量分数分别为9.52%和5.61%。轻木纤维细胞壁S3层厚度占细胞壁总厚度的5.49%，比杨木的（3.86%）高。轻木纤维细胞次生壁中微纤丝角最大为30°，比杨木的（40°）小。轻木胞间层、S2层中微纤丝取向排列比杨木相应壁层更加规整。
结论与杨木相比，轻木木聚糖的乙酰化程度、细胞壁分层结构、纤维素聚集态结构均有明显差异。轻木木聚糖的乙酰化程度更高，纤维细胞壁S3层厚度占细胞壁总厚度的比例更高，S2 层中微纤丝角更小，胞间层和S2层中微纤丝排列更加规整。以上发现从化学结构和超微结构方面解释了轻木高强轻质的主要原因，为解译木材细胞壁化学组成和超微结构与力学性能关系以及轻木的高值化利用提供了重要的理论参考。
- 轻木 /
- 木聚糖 /
- 乙酰化 /
- 超微结构 /
- 微纤丝 /
- 力学性能
Abstract:
Objective This study aims to investigate the chemical composition, cell wall ultrastructureand supramolecular structure of cellulose in balsa wood fibers, as well as reveal their influence on mechanical properties of balsa wood and demonstrate the relationship between ultrastructure and mechanical properties, to provide a theoretical basis for the high value applications of balsa wood.
Method Balsa wood and poplar wood were comparatively studied. Their chemical composition was analyzed by acid hydrolysis, and the cell wall structure was observed by transmission electron microscopy. Meanwhile, confocal Raman microscope was used to characterize the cell wall topochemistry and the supramolecular structure of cellulose.
Result The acetyl contents in balsa wood and poplar wood were 9.52% and 5.61%, respectively. The thickness of S3 layer of balsa wood fiber cell wall accounted for 5.49% of the total thickness of cell wall, which was higher than that of poplar wood (3.86%). The maximum microfibril angle in S2 layer of balsa wood fiber was 30°, smaller than that of poplar wood (40°). The orientation of cellulose microfibers in the cell lamella and S2 layer of balsa wood was more regular than that in the corresponding layers of poplar wood.
Conclusion The degree of xylan acetylation, cell wall ultrastructure and cellulose supramolecular structure of balsa wood were significantly different from that of poplar wood: the balsa wood exhibited the higher degree of xylan acetylation, the higher proportion of S3 layer in cell wall, the smaller microfibrils angle in S2 layer, and more orderly orientation of cellulose microfibrils in both cell lamella and S2 layer. This study not only explains the main reasons for the excellent mechanical properties of balsa wood with low density, but also provides significant theoretical reference for the cell wall topochemistry, the relationship between ultrastructure and mechanical properties and high value utilization of balsa wood.
- balsa wood /
- xylan /
- acetylation /
- ultrastructure /
- cellulose microfibril /
- mechanical property

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森林具有重要的固碳功能，森林碳储量是陆地碳储量的重要组成部分。森林地上生物量（aboveground biomass，AGB）是森林碳储量研究的基础，准确估计森林AGB可为我国碳达峰、碳中和目标实现提供有力的科学支撑^[1]。森林地上生物量主要包括干材生物量、树枝生物量、树皮生物量和树叶生物量^[2]。森林地上生物量分量的精确估计可以使人类更精确地理解和分析植被生态系统的生长过程，为正确解释生态系统碳循环及森林经营管理提供科学依据；同时还可为森林AGB遥感技术估测饱和点低的瓶颈问题提供解决思路。

遥感技术由于其覆盖范围广、重访周期短等优势成为目前区域和全球尺度森林AGB估测的支撑技术^[3]。随着遥感技术的发展，我国发射的资源、高分系列等卫星为我国的林业资源调查提供了有力的数据支撑。特别是高分系列卫星，基本满足了林业用户对高分辨率光学、合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）数据和高光谱数据等不同遥感数据源的需求；在林业资源调查中，高分系列卫星数据的获取和使用，使得相关研究逐步摆脱了对国外Worldview、QuickBird、Radarsat-2等卫星数据的依赖。目前，高分一号（GF-1）光学数据和高分三号（GF-3）SAR数据在森林AGB反演中发挥着重要作用^[4-5]。

多源遥感数据联合进行森林AGB反演被认为是提高森林AGB反演精度的有效方式，特别是采用光学和全极化SAR（PolSAR）数据的联合反演在近年来开展的研究较多^[6-8]。GF-1光学数据于2019年11月免费向全球开放，近年来利用其光谱信息、纹理信息等进行森林AGB反演的研究开展较多，但同其他光学遥感数据类似，GF-1数据同样易受云雨天气的影响，且难以获取森林垂直方向信息。SAR数据由于波长较长，对森林有一定的穿透能力，可以有效获取森林垂直结构信息，且不受云雨天气的影响，可实现全天时、全天候对森林的监测；同时SAR的极化信息对森林散射体形状和散射方向敏感，可以观测到更多的森林特征，已有研究表明，光学和SAR数据联合能有效提高森林AGB反演精度^[9-10]。然而联合GF-1和GF-3两种不同遥感数据源并加入极化信息进行森林AGB反演，特别是用于地上生物量分量反演的研究目前还开展较少。

利用遥感反演森林AGB的方法有参数方法和非参数方法。参数方法通常是结合参数采用统计回归模型来推导遥感变量和野外测量数据之间的关系；而非参数方法是利用已知的样本建立非线性模型，通常指机器学习的方法^[11]。传统的参数方法具有简单和可解释性，但是不能表征森林AGB与遥感特征参数之间的复杂的非线性关系。非参数方法能更好地表示森林AGB与遥感特征参数之间的非线性关系，提高反演精度。此外，优选出与森林AGB相关性强的遥感影像特征对提高森林AGB反演精度也非常重要。在已有森林AGB反演方法研究中，韩宗涛等^[12]提出的基于遥感特征优选的KNN-FIFS非参数方法在森林AGB反演中适用性强，反演精度较高。该方法以马氏距离KNN（K-nearest neighbor）算法为基础，引入快速迭代的参数优选方法进行最优特征选择和组合，然后反演森林AGB。李云等^[8]采用Landsat-8 OLI、GF-1和ALOS PALSAR-1验证了该方法在根河研究区森林AGB反演中的有效性，KNN-FIFS方法对3种数据源的适应性都比较好；巨一琳等^[13]同样验证了该方法在采用Landsat-8 OLI和LiDAR数据作为数据源进行森林AGB反演中的有效性。在多种数据源中该方法均可高效稳定地选择与森林AGB相关性强的遥感特征并提高AGB反演精度。然而，该方法在森林地上生物量分量反演中、在采用高分系列卫星数据联合进行森林AGB反演中的潜力还未进行深入的探索。

综上，本文以云南省昆明市宜良县小哨林区云南松林为研究对象，结合样地调查数据，分别以GF-1光学数据、GF-3 PolSAR数据、联合GF-1和GF-3数据作为3种数据源，采用KNN-FIFS方法进行参数优选并反演森林地上生物量及其分量，探索高分系列光学、PolSAR数据及两者联合在森林AGB及其分量反演中的可行性。研究可推动我国高分系列遥感数据在林业行业中的深入应用。

1. 研究区概况、数据获取及预处理

1.1 研究区概况

研究区位于云南省昆明市宜良县花园林场小哨林区（24°30′36″ ~ 25°17′02″N，102°58′22″ ~ 103°28′75″E），样地点分布见图1。小哨林区位于宜良县中部，属北亚热带季风气候，全年温差较小，年平均气温约16.3 ℃。雨季多在夏秋两季，年平均降雨量为912.2 mm。地势北高南低，山地与盆地相间，山脉多为东北至西南走向，其平均海拔在1 300 ~ 2 500 m之间，坡度范围在0° ~ 30°之间。宜良县的森林覆盖率约为46%，主要的森林类型是常绿阔叶林和针叶林，主要树种有云南松（Pinus yunnanensis）、桉树（Eucalyptus robusta）等。

图 1 研究区地理位置及样地分布

Figure 1. Location of the study area and distribution of sample plots

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1.2 研究区数据获取及预处理

1.2.1 样地调查数据

样地调查于2019年8月在小哨林区展开。样地调查时采用断面积系数为1.0的角规控制检尺方法，胸径的起测径阶为5 cm，共调查云南松纯林样地40个。样地调查获取了样地观测点的GPS坐标、计数木的胸径、树高和树干中心至角规观测点的水平距离等。样地调查的AGB获取采用以下步骤：首先利用公式（1）和采集到的数据计算各样点每公顷蓄积量，然后利用转换公式（2）计算出单位面积AGB^[14]，最后根据云南松的分项AGB模型（公式3）计算出干材、树皮、树枝和树叶生物量^[15]。

$V{\text{ = }}F\sum\limits_{j = 1}^z {{{{\text{HF}}}_j}}$

(1)

${W}_{云南松}\text{=0}\text{.859 6}{V}^{\text{0}\text{.856 4}}$

(2)

$\left\{\begin{array}{l}{M}_{1}=\dfrac{1}{1 + {g}_{1} + {g}_{2} + {g}_{3}}\times {W}_{云南松}\\ {M}_{2}=\dfrac{{g}_{1}}{1 + {g}_{1} + {g}_{2} + {g}_{3}}\times {W}_{云南松}\\ {M}_{3}=\dfrac{{g}_{2}}{1 + {g}_{1} + {g}_{2} + {g}_{3}}\times {W}_{云南松}\\ {M}_{4}=\dfrac{{g}_{3}}{1 + {g}_{1} + {g}_{2} + {g}_{3}}\times {W}_{云南松}\end{array}\right.$

(3)

式中：V为蓄积量，F为断面积系数，Z为计数木总和，HF_j为第j株计树木的径阶形高， ${W}_{云南松}$ 为云南松的森林AGB， ${M}_{1}、{M}_{2}、{M}_{3}、{M}_{4}$ 分别为干材、树皮、树枝、树叶的生物量， ${g}_{1}、{g}_{2}、{g}_{3}$ 分别为树皮、树枝、树叶相对于干材生物量为1的比例函数。其中g₁ = 1.500 18DBH^{−0.270 08}H^{−0.578 57}，g₂ = 1.936 10DBH^{0.614 25}H^{−1.363 41}，g₃ = 2.372 94DBH^{0.438 06}H^{−1.657 00}；DBH和H分别为各个角规样地的平均胸径和平均森林高度。

通过计算得出40个角规样地点地上生物量分量的分布情况（图2），其中平均每个样地点树干生物量约占总AGB的57%，树皮约占10%，树枝和树叶约占33%。

图 2 样地森林地上生物量及其组成

Figure 2. Forest AGB and AGB components in sample plot sites

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1.2.2 GF-1光学数据及预处理

GF-1卫星于2013年4月26日发射，是我国的第一颗高分辨率对地观测卫星。本研究从中国资源卫星应用中心获取了成像时间为2019年4月27日L1A级的GF-1数据，具体参数见表1。GF-1数据预处理包括大气校正、辐射定标和正射校正等，均在ENVI5.3软件中完成。

表 1 GF-1卫星传感器参数

Table 1. GF-1 satellite sensor parameters

波段号 Band No.	波段 Band	频谱范围 Spectral range/μm	分辨率 Spatial resolution/m
Pan1	Pan	0.45 ~ 0.90	2
Band1	Blue	0.45 ~ 0.52	8
Band2	Green	0.52 ~ 0.59	8
Band3	Red	0.63 ~ 0.69	8
Band4	NIR	0.77 ~ 0.89	8

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1.2.3 GF-3 PolSAR数据及预处理

（1）GF-3 PolSAR数据获取

我国于2016年8月10日发射了C波段多极化GF-3 SAR卫星^[16]，本研究获取了一景单视复数（single look complex，SLC）GF-3 SAR数据，数据详细信息见表2。

表 2 GF-3 PolSAR数据详细参数

Table 2. Detailed information of the acquired GF-3 PolSAR data

成像时间 Acquisition time	极化方式 Polarization way	入射角 Incidence angle/(°)	波长 Wave length/m	距离向分辨率 Range resolution/m	方位向分辨率 Azimuth resolution/m	经纬度 Latitude & Longitude
2018−05−18	HH、HV、VH、VV	39.104	0.055 5	2.248	5.12	103°01′48″E、 24°40′12″N
注：HH.发射和接收的都为水平极化的电磁波；HV.发射的电磁波为水平极化，接收的电磁波为垂直极化；VH.发射的电磁波为垂直极化，接收的电磁波为水平极化；VV.发射和接收的都为垂直极化的电磁波。Notes: HH, both the transmitted and received electromagnetic waves are horizontally polarized; HV, the transmitted electromagnetic wave is horizontally polarized and the received electromagnetic wave is vertically polarized. VH, the transmitted electromagnetic wave is vertically polarized and the received electromagnetic wave is horizontally polarized. VV, transmitted and received electromagnetic waves that are vertically polarized.

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（2）GF-3 PolSAR数据预处理

GF-3 PolSAR数据预处理包括辐射定标、多视、地形校正、Lee滤波、极化特征提取和地理编码。GF-3数据的辐射定标公式为式4，定标过程通过IDL代码实现。预处理中多视视数在距离向和方位向均为3；滤波方法为Lee滤波，滤波窗口为5 × 5。地理编码以30 m分辨率的DEM数据为基础，地理编码后所有的数据分辨率均为30 m。

$\sigma ^0 = 10\lg \left( {{P^I}{{\left( {{U / {{{32\;767}}}}} \right)}^2}} \right) - S$

(4)

式中： ${P^I} = {I^2} + {Q^2}$ ，I和Q分别为各极化通道的实部和虚部；U是影像定标前像元的最大值；S是GF-3产品的定标常数，其值根据产品类别变化，根据GF-3用户手册，本文中取值为−19 dB, 其定标的公式可查阅GF-3用户手册。

2. 研究方法

研究分别提取了GF-1和GF-3 PolSAR数据的特征参数，然后基于GF-1、GF-3 PolSAR数据以及两种数据联合（GF-1 + GF-3）的3种数据源，使用参数优选的KNN-FIFS方法对森林AGB及其分量进行了反演，并对反演结果进行了分析和制图。

2.1 GF-1光学数据特征提取

研究基于GF-1数据提取了多波段的纹理信息、植被指数和全色波段的纹理信息。首先根据4个波段的光谱信息提取了8个对森林AGB具有重要意义的植被指数（计算公式见表3），然后根据灰度共生矩阵提取了纹理特征^[1]，本研究中选取7 × 7的窗口来提取8种纹理特征，具体包括均值（mean）、方差（variance）、均匀性（homogeneity）、对比度（contrast）、相异性（dissimilarity）、熵（entropy）、二阶矩（second moment）和相关性（correlation）。本文中GF-1的遥感特征采用ENVI5.3软件提取。

表 3 植被指数

Table 3. Vegetation indexes

植被指数 Vegetation index	计算公式 Calculation formula
归一化植被指数 Normalized difference vegetation index (NDVI)	${\rm{NDVI}} = \dfrac{{{\rho _{\rm{NIR}}} - {\rho _{\rm{red}}}}}{{{\rho _{\rm{NIR}}} + {\rho _{\rm{red}}}}}$
简单植被指数 Simple ratio index (SR)	${\rm{SR} } = {\rho _{\rm{red} } }/{\rho _{{\text{NIR} } } }$
可见光大气阻抗植被指数 Visible atmospherically resistant index (VARI)	${\rm{VARI}} = \dfrac{{{\rho _{\rm{{green}}}} - {\rho _{\rm{red}}}}}{{{\rho _{{\text{green}}}} + {\rho _{\rm{red}}} - {\rho _{{\rm{blue}}}}}}$
差值植被指数 Difference vegetation index (DVI)	${\rm{DVI} } = {\rho _{{\rm{NIR}}} } - {\rho _{\rm{red} } }$
垂直植被指数 Perpendicular vegetation index (PVI)	${\rm{PVI} } = 0.939 \times {\rho _{{\text{NIR} } } } - 0.344 \times {\rho _{\rm{red} } } + 0.09$
土壤调节植被指数 Soil-adjusted vegetation index (SAVI)	${\rm{SAVI} } = \dfrac{ {1.5 \times \left( { {\rho _{\rm{NIR} } } - {\rho _{{\rm{red}} } }} \right)} }{ { {\rho _{\rm{NIR} } } + {\rho _{\rm{red} } } + 0.5} }$
增强植被指数 Enhanced vegetation index (EVI)	${\rm{EVI} } = \dfrac{ {2.5 \times \left( { {\rho _{ {\text{NIR} } } } - {\rho _{ {\text{red} } } }} \right)} }{ {1 + {\rho _{\rm{NIR} } } + 6 \times {\rho _{\rm{red} } } - 7.5 \times {\rho _{{\rm{blue}}} } } }$
修正土壤调节植被指数 Modified soil-adjusted vegetation index (MSAVI)	${\rm{MSAVI}} = \dfrac{{2{\rho _{\rm{NIR}}} + 1 - \sqrt {{{\left( {2{\rho _{{\text{NIR}}}} + 1} \right)}^2} - 8\left( {{\rho _{{\text{NIR}}}} - {\rho _{\rm{red}}}} \right)} }}{2}$
注：表中的 $\;{\rho }_{\rm{NIR}}、{\rho }_{\rm{red}}、{\rho }_{\text{green}}、{\rho }_{{\rm{blue}}}$ 分别为GF-3影像的近红外、红光、绿光和蓝光波段。Notes: $\;{\rho }_{\rm{NIR}},\;{\rho }_{\rm{red}},\;{\rho }_{\text{green}},\;{\rho }_{{\rm{blue}}}\;$ are the near-infrared, red, green and blue bands of GF-3 images.

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2.2 GF-3 PolSAR数据特征提取

基于GF-3 PolSAR数据提取了后向散射系数、常用的极化分解参数、极化总功率（SPAN）及其纹理特征等。这些参数中，各极化的后向散射系数能较好地反映植被结构^[17]，极化相干矩阵（T）的部分元素能表示散射目标的复杂变化；而Freeman二分量分解方法中的体散射分量、地面散射分量基于森林场景提出^[18]，能够更好地表征森林场景散射特征；Yamaguchi四分量分解中的体散射分量、地面散射分量、二次散射分量和螺旋体散射分量拓展了Freeman三分量分解方法，在体散射模型中加入自适应参数，使得体散射分量、二次散射分量和表面散射分量能更逼真地表征真实森林场景^[19]；SPAN特征能综合体现森林场景中各种散射机制且受极化方位角变化影响较小^[20]，因此本文中我们提取了SPAN的0°、45°、90°和135° 4个角度对应的6种纹理特征，具体包括均值（mean）、对比度（contrast）、熵（entropy）、相异性（dissimilarity）、均匀性（homogeneity）和同质性（uniformity）。

2.3 KNN-FIFS方法森林AGB反演

采用参数优选的KNN-FIFS方法进行森林地上生物量及其分量的反演。KNN-FIFS方法是采用快速迭代算法找出与森林AGB反演中最相关的遥感特征组合，进而采用KNN模型进行反演，然后获得精度最优的AGB反演图。具体实现中，通过迭代算法获得最优的遥感特征组合；待估测像元的AGB由距离其最近的K个样地的AGB加权求得^[9]，距离计算方法采用可克服变量量纲影响的马氏距离；当距离确定时，森林AGB反演结果受K值影响，本研究中参考已有研究^[8]将K值的范围设为1 ~ 11。

2.4 反演精度评价方法

本文采用留一交叉验证法（leave-one-out cross-validation，LOOCV）对模型反演结果进行精度评价。该方法中，依次不重复地从40个总样本集中抽取1个样本作为验证，其余39块样地建立模型并进行森林AGB的反演，依次重复，直到40块样地都作为一次验证样本，最后取评价指标的均值^[18]进行反演结果精度评价。精度评价指标包括：决定系数（coefficient of determination，R²）、均方根误差（root mean square error，RMSE）和相对均方根误差（relative root mean square error，RMSEr），其中，R²的取值范围是0 ~ 1，越接近于1表示反演结果的精度越高；RMSE和RMSEr表示预测与实测之间的差异，取值越小表示反演精度越高。

${R^2}{\text{ = }}\frac{{\displaystyle \sum\nolimits_{i = 1}^n {{{({y_i} - {\overline y )})}^2}} }}{{\displaystyle \sum\nolimits_{i = 1}^n {{{({Y_i} - \overline y )}^2}} }}$

(5)

${\text{RMSE}} = \sqrt {\frac{{\displaystyle \sum\nolimits_{i = 1}^n {{{({Y_i} - {y_i})}^2}} }}{n}}$

(6)

${\text{RMSEr}} = \frac{{{\text{RMSE}}}}{{\hat y}} \times 100\%$

(7)

式中： ${Y_i}$ 为第i个样地森林AGB实测值， ${y_i}$ 为第i个样地森林AGB反演值，n为样地总数， $\overline y$ 为实测森林AGB的平均值， $\hat y$ 为反演森林AGB的平均值。

3. 结果与分析

3.1 3种影像特征集反演结果及分析

文中对GF-1数据进行特征提取，获得波段光谱值、纹理和植被指数共52个特征；基于GF-3 PolSAR数据进行特征提取，获得后向散射系数、极化分解参数和SPAN的纹理特征共48个特征。利用40个样地实测AGB，分别基于GF-1数据、GF-3 PolSAR数据以及两种数据联合的3种影像特征集，采用KNN-FIFS的方法进行特征优选并进行森林AGB及其分量反演。以样地实测数据为验证数据，采用留一法交叉验证，得到3种数据源对森林AGB的反演精度。

3.1.1 GF-1光学数据

基于GF-1数据的反演结果中，纹理特征较其他特征对森林AGB及其分量的变化敏感。其中红光和蓝光波段的纹理特征在用于反演的遥感特征中占比较大，具体结果见表4。GF-1数据提取的遥感特征经优选后在森林AGB及其分量反演结果中精度均较高，估测值与实测值的相关性均达到显著水平（P < 0.05）且反演误差均在30%左右。其中，最优的结果为树枝和树叶，RMSEr值均为30.01%；最差的结果为干材的反演结果，其误差最大，RMSEr = 32.76%。图3为基于GF-1数据的估测值与实测值的散点图。尽管森林AGB和各分量的反演结果均较接近1∶1线，但在总AGB反演结果中，有一些样点的实测值在60 ~ 80 t/hm²时，估测值则保持在60 t/hm²不变化，有较明显的饱和现象，而在各分量生物量反演结果与实测值对比的散点图中，该现象并不明显，这可能是由于研究区各分量生物量平均值较低，并未达到GF-1数据反演的饱和点。采用GF-1特征的反演结果中，干材生物量反演时优选的参数均为纹理信息，且多为对比度信息，其原因可能是纹理特征考虑了像元之间的相关性，能更进一步挖掘AGB与遥感特征之间的相关性。冠层生物量反演时优选的参数中，所占比重较大的纹理信息为绿光波段和蓝光波段，其原因可能是森林冠层对绿光和蓝光波段敏感，反射率较高引起的。

表 4 GF-1的重要参数及反演精度

Table 4. Important parameters of GF-1 and inversion accuracy

生物量 Biomass	最近邻样本数量取值 Number of nearest neighbor samples (K)	窗口 Window	决定系数 Coefficient of determination (R²)	均方根误差/（t·hm⁻²） Root mean square error (RMSE)/(t·ha⁻¹)	相对均方根误差 Relative root mean square error (RMSEr)/%	重要参数 Major parameter
森林地上生物量 Forest AGB	1	5	0.634	11.310	30.61	Me_b2、Con_pan、Var_b3、 Con_b1、Con_3
干材生物量 Stem biomass	1	5	0.609	6.971	32.76	Me_b2、Con_pan、Var_b3、 Con_b1、Con_3
树皮生物量 Bark biomass	4	1	0.595	1.119	30.37	Me_b1、Var_b1、Cor_b3
树枝生物量 Branch biomass	1	5	0.646	2.663	30.01	Me_b2、Var_pan、Var_b1、 Con_b2
树叶生物量 Leaf biomass	4	1	0.598	0.976	30.01	Me_b1、Var_b1、Cor_b3
注：Con_pan、Var_pan为GF-1全色波段纹理的对比度和方差；Me_b1、Con_b1、Var_b1为GF-1蓝光波段的均值、对比度、方差；Me_b2为GF-1绿光波段的均值；Var_b3、Con_3、Cor_b3为红光波段的方差、对比度、相关性。Notes: Con_pan, Var_pan are the contrast and variance of GF-1 panchromatic band texture; Me_b1, Con_b1, Var_b1 are the mean, contrast, and variance of GF-1 blue band; Me_b2 is the mean of GF-1 green band; Var_b3, Con_3, Cor_b3 are the variance, contrast, and correlation of red band, respectively.

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图 3 利用GF-1数据反演森林AGB与实测值对比散点图

实线为1∶1验证线。The solid line is 1∶1 verification line.

Figure 3. Scatter plots between forest AGB inversion results using GF-1 data and field collected sample values

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3.1.2 GF-3 PolSAR数据

基于GF-3 PolSAR数据的反演结果，部分T矩阵元素、SPAN各个角度的纹理特征多被选为总AGB及其分量反演的较优特征，具体信息见表5。GF-3数据提取的遥感特征经优选后在森林AGB及其分量反演结果中RMSEr值在29% ~ 39%之间。其中树枝生物量反演结果精度最高，RMSEr的值为29.13%，树枝次之，值为35.89%；而干材的反演结果精度最低，RMSEr值为38.53%。值得注意的是Yamaguchi四分量分解的参数均未入选。图4为基于GF-3特征的估测值与实测值的散点图。森林总AGB的反演结果出现了较明显的饱和现象，但各分量生物量的反演结果中，样点则较均匀地分布在1∶1线两侧，无明显的饱和现象。值得注意的是采用GF-3特征和KNN-FIFS方法进行森林总AGB及其分量的反演中，窗口值均偏大，这表明：与GF-1提取的特征相比，GF-3特征对森林AGB变化的敏感性相对较低。尽管如此，对比总AGB及其分量基于GF-3特征反演结果的精度，与C波段森林散射机制基本一致，即C波段SAR特征对森林冠层散射变化敏感，而对于生物量主体的干材、总生物量会出现饱和现象。

图 4 利用GF-3数据反演森林AGB与实测值对比散点图

实线为1∶1验证线。The solid line is 1∶1 verification line.

Figure 4. Scatter plots between forest AGB inversion results using GF-3 data and field collected sample values

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表 5 GF-3的重要参数及反演精度

Table 5. Important parameters and inversion accuracies based on GF-3

生物量 Biomass	K	窗口 Window	R²	RMSE/(t·hm⁻²) RMSE/(t·ha⁻¹)	RMSEr/%	重要参数 Major parameter
森林地上生物量 Forest AGB	1	7	0.500	14.110	37.17	T23_im、VHDB、T13_re
干材生物量 Stem biomass	2	7	0.464	8.522	38.53	T23_im、T13_re、Fre_Vol
树皮生物量 Bark biomass	7	7	0.372	1.495	37.99	T23_im、Sp_con135
树枝生物量 Branch biomass	1	7	0.515	3.243	35.89	T23_im、VHDB、T13_re
树叶生物量 Leaf biomass	2	11	0.630	0.993	29.13	Sp_ent135、T23_re、Sp_ent0、T12_re、HHUTM、Sp_con0
注：Sp_con135和Sp_con0、Sp_ent135和Sp_ent0分别为GF-3的SPAN特征纹理的135°和0°的对比度、135°和0°的熵；VHDB为GF-3交叉极化的后向散射系数分贝化结果；HHUTM为GF-3同极化的后向散射系数；T23_im、T13_re、T23_re为相干矩阵（T）中的元素；Fre_Vol为Freeman2分解的体散射分量。Notes: Sp_con135, Sp_con0, Sp_ent135, Sp_ent0 are the 135° and 0° contrast, 135° and 0° entropy of the SPAN feature texture of GF-3; VHDB is the decibelized result of backscattering coefficient of GF-3 cross-polarization. HHUTM is the backscattering coefficient of GF-3 co-polarization; T23_im, T13_re, T23_re are the elements in the coherence matrix (T); Fre_Vol is the body scattering component of the Freeman2 decomposition.

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3.1.3 联合GF-1光学数据和GF-3 PolSAR数据

基于GF-1和GF-3特征联合进行森林AGB及其分量反演的结果中，光学信息和PolSAR信息都得到了充分利用。其中总AGB、树枝生物量、树枝生物量反演中入选的GF-3特征较多；干材生物量反演中，GF-1和GF-3特征各占一半；而树枝生物量反演中入选的GF-1特征则明显占优，详细结果见表6。联合GF-1和GF-3特征反演结果中，R²值在0.71 ~ 0.78之间，RMSEr的值在22% ~ 27%之间，树枝生物量反演结果精度最优，森林总AGB反演结果精度最差。值得注意的是：入选的SAR特征包括纹理特征和后向散射系数，且后向散射系数均为HV或VH，说明在C波段，冠层引起的去极化特征对森林AGB及其分量变化表征能力较好。入选的光学特征则多为纹理特征，也说明了纹理特征在表征森林AGB及分量生物量变化上极具潜力。此外，联合两种特征采用KNN-FIFS进行AGB反演时，窗口多为3，模拟结果更接近实际情况。基于GF-1和GF-3联合特征的估测值与实测值的散点图（图5）中，样点分布更接近1∶1线，且即使在总AGB反演结果的散点图中也未见明显的饱和现象。

表 6 联合GF-1 + GF-3的重要参数及反演精度

Table 6. Important parameters and inversion accuracies based on the combination of GF-1 + GF-3

生物量 Biomass	K	窗口 Window	R²	RMSE/(t·hm⁻²) RMSE/(t·ha⁻¹)	RMSEr/%	重要参数 Major parameter
森林地上生物量 Forest AGB	2	3	0.714	10.270	26.61	B2、Sp_dis90、HVUTM、VHUTM、Sp_hom45、Me_b2、 Sp_con90
干材生物量 Stem biomass	2	1	0.713	6.285	26.53	Dis_b3、Sp_con90、Me_b2、Sp_con45、Hom_b3、 Sp_ent135、Var_b1、VH
树皮生物量 Bark biomass	2	3	0.757	0.931	22.54	B3、Sp_dis90、HVUTM、VHUTM、Sp_hom45、Var_b1、 Sp_hom90、Me_b3
树枝生物量 Branch biomass	2	3	0.711	2.419	26.58	B3、Sp_dis90、HVUTM、VHUTM、Sp_hom45、Me_b2、 Sp_con90
树叶生物量 Leaf biomass	3	11	0.770	0.820	24.58	Dis_b3、Sec_b2、Me_b3、T12_re、Var_b2、Var_b1
注：在GF-1光学数据中，B2、B3为绿光和红光的光谱信息；Me_b2、Sec_b2为绿光波段的均值和二阶矩；Dis_b3、Hom_b3、Me_b3为红光波段的相异性、均匀性、均值。在GF-3PolSAR数据中，HVUTM、VHUTM为交叉极化的后向散射系数；Sp_dis90、Sp_hom45和Sp_hom90、Sp_con90和Sp_con45分别为SPAN特征的90°的相异性、45°和90°的均匀性、90°和45°的对比度。Notes: in GF-1 optical data, B2 and B3 are spectral information of green and red light; Me_ b2, Sec_ B2 are the mean and second-order moment of the green band; Dis_ b3, Hom_ b3, Me_ B3 are the difference, uniformity and mean value of red light band. In gf-3polsar data, HVUTM and VHUTM are backscattering coefficients of cross polarization; Sp_ dis90, Sp_ hom45, Sp_ hom90, Sp_ con90, Sp_ Con45 are the 90° non similarity, 45° and 90° uniformity, 90° and 45° contrast of span characteristics.

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图 5 利用GF-1、GF-3数据联合反演森林AGB与实测值对比散点图

实线为1∶1验证线。The solid line is 1∶1 verification line.

Figure 5. Scatter plots between forest AGB inversion results using combination of GF-1, GF-3 data and field collected sample values

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3.1.4 3种数据特征集结果对比分析

相比单一数据源，联合GF-1和GF-3特征可以有效提高反演精度。相比GF-1数据，其精度平均提高了约5%，最高提高约9%；相比GF-3数据，其提高则更为显著；在总AGB及其分量反演结果中，其精度提高在4% ~ 12%之间，均值约为10%。在总AGB、干材生物量、树枝生物量和树枝生物量的反演结果中，联合两种数据特征的反演结果优于GF-1的结果，而GF-1的反演结果优于GF-3的反演结果。而在树枝生物量的反演结果中，基于GF-3的反演结果则优于GF-1的反演结果。

图6对比了基于3种特征在总AGB及其分量反演结果中的R²值、RMSE值和RMSEr值。3种不同的特征集在KNN-FIFS模型中，无论是总体森林AGB，还是各分量生物量，联合GF-1和GF-3的数据源反演精度的R²均高于单一数据源，RMSE和RMSEr也低于单一的数据源。对于总体的森林AGB、树皮、干材和树枝生物量的反演，联合数据特征反演效果最佳，GF-1光学数据特征次之，GF-3 PolSAR最低。对于树叶生物量，联合数据源精度最高，GF-3 PolSAR数据的精度次之，GF-1光学数据的精度最低。该现象表明尽管GF-3波长较短，但仍能深入冠层部分，较好地识别树叶的垂直结构，所以树叶部分SAR数据反演结果精度较高。此外，从图6也可看出：部分分量生物量的反演结果优于森林AGB的反演结果。在GF-1的反演结果中，树枝生物量的反演精度优于森林总AGB的反演精度；在GF-3的反演结果中，树枝和树枝生物量的反演精度均优于森林总AGB的反演精度；而联合反演中，树皮和树枝生物量的反演精度均优于森林总AGB的反演精度。对比图3、4、5中AGB反演结果与实测值对比的散点图可知：各分量反演结果饱和现象均不明显，但单独基于GF-1和GF-3进行森林总AGB反演时，反演结果散点图却出现了较明显的饱和现象。

图 6 精度评价对比

Figure 6. Accuracy evaluation and comparison

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3.2 森林AGB及其分量反演

联合GF-1和GF-3 PolSAR特征，并采用KNN-FIFS算法反演森林AGB均取得较好的估测结果。各分量生物量的估测范围分别为：干材生物量在6.54 ~ 42.52 t/hm²之间，树枝生物量在1.03 ~ 7.48 t/hm²之间，树枝生物量在2.52 ~ 17.48 t/hm²之间，树枝生物量在1.07 ~ 6.32 t/hm²之间，图7展示了各分量森林AGB空间分布图制图结果。

图 7 研究区各分量生物量分布图

Figure 7. Biomass distribution of each component in the study area

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在所选的研究区内，森林AGB的估测值范围为10.82 ~ 74.75 t/hm²。森林AGB小于20 t/hm²的范围约19.16%；20 ~ 40 t/hm²的所占比重较大，约49.40%；40 ~ 60 t/hm²的所占比约24.34%；其AGB大于60 t/hm²的区域约占7.10%（图8）。该研究结果与研究区小班调查结果分布制图基本一致。

图 8 研究区森林AGB分布

Figure 8. Forest AGB distribution map in the study area

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4. 讨论和结论

4.1 讨　论

本文以GF-1、GF-3 PolSAR数据作为数据源，采用KNN-FIFS算法反演了宜良县花园林场小哨林区云南松纯林森林总AGB及其分量。研究结果表明KNN-FIFS算法在森林总AGB及其分量反演中有一定的鲁棒性；除本文研究结果外，KNN-FIFS算法在其他不同数据源的森林AGB反演中均获得较好的反演精度。韩宗涛等^[12]采用该算法，联合Landsat-8 OLI光学影像和P-波段机载数据进行大兴安岭根河地区的森林AGB反演，其R² = 0.770，RMSE = 22.740 t/hm²，该研究结果精度与本文反演结果精度基本一致。本文利用GF-1光学影像反演结果R² = 0.634，RMSE = 11.310 t/hm²，略高于巨一琳等^[13]等利用KNN-FIFS方法采用Landsat-8 OLI数据进行根河地区森林AGB反演的精度，其R² = 0.600，RMSE = 29.630 t/hm²。Olivier等^[21]采用多频SAR数据和多元线性模型进行森林总AGB及其分量反演时，反演结果的相对误差在35% ~ 54%之间，相对误差略高于本文，但加入LiDAR数据后，精度有明显的提升。结合本文研究和已有研究结果，说明KNN-FIFS方法在森林AGB及其分量反演中均具有鲁棒性。

联合GF-1和GF-3特征可有效提高森林总AGB及其分量反演的精度。单独采用GF-1和GF-3的特征进行森林总AGB反演会有明显饱和现象，但是在分量生物量反演中饱和现象并不明显。李春梅等^[7]采用Landsat-8 OLI和P-波段PolSAR数据为数据源，利用KNN算法对根河生态站的森林AGB进行了反演，研究结果同样表明联合数据反演结果的精度高于单一数据源的反演精度。本文中联合GF-1和GF-3进行森林地上生物量分量的反演结果均较好，R²值均大于0.700。联合数据可以提高森林AGB反演的原因应该是其同时甄选了光学和SAR数据中对森林特征敏感的遥感特征，实现了多种数据源在表征森林结构变化中的优势，进而提高了森林总AGB及其分量的反演精度。

对比本文研究结果与以往研究，光谱信息和纹理信息在森林AGB反演建模中的作用有赖于森林结构的复杂性^[22]，在本文中GF-1多光谱的大多数纹理特征都与各分量的生物量存在着相关关系。王昆^[23]使用QuickBird高分辨率数据采用多光谱波段和AGB进行相关性分析也表明，多光谱波段的部分纹理特征和AGB相关性都比较高，其相关性最高可达0.686。其原因可能是纹理特征采用灰度共生矩阵提取，灰度共生矩阵考虑了像元之间的空间关系，进而可以更真实地表现森林场景结构变化特征^[24]。

4.2 结　论

本文利用GF-1和GF-3数据，采用KNN-FIFS方法进行森林AGB及其分量反演，研究得出以下结论：（1）联合GF-1和GF-3可以实现一定程度的互补，提高森林总AGB及其分量的反演精度，但入选的最优反演特征中极化分解特征偏少，多为光学和SAR的纹理特征；（2）在低生物量水平云南松纯林覆盖的研究区，进行森林总AGB及其分量反演时，GF-1特征略优于GF-3特征，但树枝生物量反演除外；（3）KNN-FIFS方法在森林总AGB及其分量反演中均具有一定的鲁棒性。值得注意的是，尽管KNN-FIFS方法在AGB反演中具有鲁棒性，但偶尔会出现过拟合现象，未来该算法仍需要进一步改进；此外，本研究仅将GF-3 PolSAR影像部分极化特征用于AGB的反演，后续需进一步考虑其他极化特征在森林总AGB及其分量生物量反演中的潜力。

图 1 5种阔叶木比强度（抗弯）和密度

Figure 1. Specific strength (bending) and density of 5 species of broadleaved wood

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图 2 轻木与杨木的纤维细胞壁分层结构透射电镜图

CML：复合胞间层 Compound middle lamella；SW：次生壁 Secondary wall；S1：次生壁外层 Out layer of secondary wall ；S2：次生壁中层 Middle layer of secondary wall；S3：次生壁内层 Inner layer of secondary wall.

Figure 2. TEM images of fiber cell wall layers of balsa wood and poplar wood

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图 3 轻木、杨木纤维细胞壁光学显微图像及木质素和纤维素分布拉曼成像

CC：细胞角隅 Cell corner

Figure 3. Optical microscopic images of fiber cell wall and Raman imaging of lignin and cellulose distribution in balsa wood and poplar wood

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图 4 轻木、杨木纤维细胞壁拉曼成像聚类分析结果与各壁层平均光谱

Figure 4. Raman imaging cluster analysis results of fiber cell wall of balsa wood and poplar wood and average spectrum of each wall layer

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图 5 轻木、杨木不同壁层1 095 cm⁻¹处平均拉曼信号强度随偏振光角度变化曲线

蓝、红、绿线为对应壁层中随机选取的3个位置的拉曼信号强度曲线。The blue, red and green lines represent the Raman signal intensity curves of three randomly selected positions in the corresponding cell wall layer.

Figure 5. Variation curves of average Raman signal intensity with polarized light angle at 1 095 cm⁻¹ in different wall layers of balsa wood and poplar wood

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表 1 轻木与杨木的化学组成

Table 1 Chemical composition of balsa wood and poplar wood

化学组成 Chemical composition	质量分数 Mass fraction/%
化学组成 Chemical composition	轻木 Balsa wood	杨木 Poplar wood
纤维素 Cellulose	37.36	39.86
半纤维素 Hemicellulose	15.38	15.86
甘露糖 Mannose	2.17	2.91
阿拉伯糖 Arabinose	0.32	0.35
半乳糖 Galactose	0.29	0.63
木糖 Xylose	14.64	14.05
酸不溶木素 Acid insoluble lignin	22.39	21.66
酸溶木素 Acid soluble lignin	5.76	4.97
乙酰基 Acetyl	9.52	5.61

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表 2 轻木与杨木纤维细胞壁各壁层平均厚度

Table 2 Average thickness of fiber cell wall layers of balsa wood and poplar wood

细胞壁层 Cell wall layer	轻木 Balsa wood		杨木 Poplar wood
细胞壁层 Cell wall layer	厚度 Thickness/μm	比例 Proportion/%	厚度 Thickness/μm	比例 Proportion/%
CML/2*	0.08	4.29	0.13	4.34
S1	0.09	4.89	0.19	6.38
S2	1.58	85.33	2.54	85.42
S3	0.10	5.49	0.11	3.86
总计 Total	1.85	100.00	2.98	100.00
注：表示单个细胞复合胞间层厚度由两个相邻细胞复合胞间层总厚度除以2求得。比例为各壁层厚度占细胞壁总厚度的比例。Notes：means that the thickness of composite intercellular layer (CML) of a single cell is obtained by dividing the total thickness of CML of two adjacent cells by 2. The proportion is the ratio of the thickness of each wall layer to the total thickness of cell wall.

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参考文献(25)

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1. 研究区概况、数据获取及预处理
1.1 研究区概况
1.2 研究区数据获取及预处理
1.2.1 样地调查数据
1.2.2 GF-1光学数据及预处理
1.2.3 GF-3 PolSAR数据及预处理
2. 研究方法
2.1 GF-1光学数据特征提取
2.2 GF-3 PolSAR数据特征提取
2.3 KNN-FIFS方法森林AGB反演
2.4 反演精度评价方法
3. 结果与分析
3.1 3种影像特征集反演结果及分析
3.1.1 GF-1光学数据
3.1.2 GF-3 PolSAR数据
3.1.3 联合GF-1光学数据和GF-3 PolSAR数据
3.1.4 3种数据特征集结果对比分析
3.2 森林AGB及其分量反演
4. 讨论和结论
4.1 讨　论
4.2 结　论

1. 研究区概况、数据获取及预处理
1.1 研究区概况
1.2 研究区数据获取及预处理
1.2.1 样地调查数据
1.2.2 GF-1光学数据及预处理
1.2.3 GF-3 PolSAR数据及预处理
2. 研究方法
2.1 GF-1光学数据特征提取
2.2 GF-3 PolSAR数据特征提取
2.3 KNN-FIFS方法森林AGB反演
2.4 反演精度评价方法
3. 结果与分析
3.1 3种影像特征集反演结果及分析
3.1.1 GF-1光学数据
3.1.2 GF-3 PolSAR数据
3.1.3 联合GF-1光学数据和GF-3 PolSAR数据
3.1.4 3种数据特征集结果对比分析
3.2 森林AGB及其分量反演
4. 讨论和结论
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4.2 结　论

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轻木细胞壁超微结构与力学性能关系研究

作者简介: 李柬龙。主要研究方向：林木生物质超微结构解译。Email：leonljl@bjfu.edu.cn 地址：100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

责任作者: 许凤，教授，博士生导师。主要研究方向：生物质能源与材料。Email：xfx315@bjfu.edu.cn 地址：同上

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