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李照奎a, 程文a, 龚雪伟b*, 于清松a, 王恒方c, 庞忠义d, 彭彦辉d, 孙学凯b, 李名勇b, 郝广友b*
Zhao-Kui Lia, Wen Chenga, Xue-Wei Gongb*, Qing-Song Yua, Heng-Fang Wangc, Zhong-Yi Pangd, Yan-Hui Pengd, Xue-Kai Sunb, Ming-Yong Lib, Guang-You Haob*
摘要: 气候变化驱动的干旱加剧日益威胁着森林生态系统,凸显了对森林水分胁迫进行精确监测的迫切需求。叶片水势(Ψleaf)是一个关键的综合生理指标,但传统的测量方法具有破坏性,不适用于大规模或高频次的观测。高光谱遥感为此提供了一种极具前景的替代方案,但在林冠尺度上开展可靠的Ψleaf估算仍受到标注数据有限和环境条件异质性强的限制。本研究构建了一个整合监督对比学习与深度迁移学习的跨尺度框架,旨在基于高光谱数据,将稳健的叶片尺度预训练模型迁移应用于杨树人工林(欧美杨‘I-214’;Populus × euramericana ‘I-214’)冠层尺度的Ψleaf预测。本研究在受控的实验室条件下通过自然干燥法获取了叶片尺度(n=229)的高光谱图像,并利用无人机平台获取了多期冠层尺度(n=200)的高光谱图像,同时采集了相匹配的Ψleaf实测数据。在两个尺度上,光谱反射率均随着Ψleaf的降低而一致升高,证实了跨尺度建模的可行性。在叶片尺度上,物理一致性光谱数据增强方法结合对比学习,显著提升了小样本条件下敏感特征的提取能力与模型预测稳定性(R2=0.8030)。尽管面临冠层结构与环境的复杂性,以及野外标注数据范围有限等挑战,基于渐进式微调(progressive fine-tuning)的迁移学习方法成功将叶片水平预训练模型高效尺度上推至冠层水平预测,对林冠Ψleaf达到了R2=0.7605和RMSE=0.1056 MPa的预测精度。与单木树冠分割相结合,进一步支撑了林冠Ψleaf的空间显式制图及样地尺度的森林水分胁迫的动态解析。研究结果表明,将对比表征学习与跨尺度迁移学习相结合,为在数据获取受限的林地环境中开展植物生理监测、以及构建可扩展且气候智慧型的森林表型分析体系提供了一条切实可行的途径。