森林是陆地生态系统的重要组成部分,是陆地生态系统中最大的碳库,在吸收大气中的二氧化碳等温室气体、降低温室气体浓度、减缓全球气候变化中发挥着至关重要的作用。森林生物量作为森林生态系统最基本的数量特征,是衡量森林固碳能力、森林生态系统生产力和结构功能的重要指标,是判断森林生态系统碳源和碳汇的重要标志,也是表征森林生态系统功能与生态价值、评估森林碳平衡的重要参数。因此,在气候变化背景下开展区域和全球森林生物量估测研究,不仅可以为陆地生态系统碳循环和全球气候变化的研究提供理论依据,还可以为森林可持续经营提供策略方针,对合理利用森林资源和改善森林生态环境具有重要意义。准确、快速地估测大范围森林生态系统的地上生物量是全球变化研究的热点,尽管基于遥感估测森林地上生物量已经得到了广泛应用,但是提高森林地上生物量遥感估测的准确性仍然是一个挑战。本研究以湖南省湘江流域为研究区,利用1999年、2004年、2009年和2014年的Landsat遥感影像和国家森林资源连续清查样地数据,选择线性回归、随机森林和极端梯度提升三种模型,并根据样地森林类型估测森林地上生物量以及分析森林地上生物量时空变化特征及其驱动因素。研究主要分为三个步骤:第一步,分析建模过程中模型参数优化和变量选择对模型性能的影响,以此得到最优模型并估测研究区森林地上生物量;第二步,分析森林地上生物量估测模型残差的空间自相关性,以此进行生物量残差空间插值并修正原始模型估测结果;第三步,分析森林地上生物量的时空变化特征,并分析引起森林地上生物量变化的驱动因素的空间分异特征。研究结果表明:（1）极端梯度提升模型有大量的参数,模型的性能因这些参数选择不同的值而有很大差异;如果没有选择合适的参数值,极端梯度提升模型更容易过拟合。随机森林模型只有两个参数需要优化,调优过程相对简单,当模型选择较大的决策树数量时更能真实反映模型的性能。线性回归模型采用逐步回归法进行变量选择,随机森林和极度梯度提升模型采用基于变量重要性的方法来选择预测变量,选择合适的变量能够有效提高模型性能,而变量选择对极端梯度提升模型比随机森林模型更为重要;在所选的变量中第3、4和6波段及其纹理变量对各个模型具有重要作用。随机森林模型和极端梯度提升模型对变量重要性赋值方式不同,随机森林模型大多将变量重要性分散在多个变量中,而极端梯度提升模型则倾向于将变量重要性集中在单个变量上。阔叶林、针叶林和混交林三种森林类型的线性回归模型、随机森林模型和极端梯度提升模型中,均是阔叶林的模型精度最高,其次是针叶林,混交林精度最低,按照森林类型建模能够明显提高生物量估测精度;对于同一森林类型,极端梯度提升模型性能优于随机森林模型,而随机森林模型优于线性回归模型。（2）半方差分析是使用克里金法插值之前所必要的步骤,用来分析数据的空间相关性;半方差分析结果显示森林地上生物量残差在空间分布上有较强的空间自相关性,而且全局莫兰指数结果同样表明森林地上生物量残差表现出统计上的显著性聚集,因此可以采用克里金插值法进行空间插值。经过生物量残差空间插值图修正后的森林地上生物量图可以获得相对较低和较高的AGB值,从而降低了低估和高估,使森林地上生物量估测精度得到了明显提高;对校正前后三种森林类型的估测结果进行配对样本t检验,结果显示均在置信区间95%水平上具有显著性差异。（3）研究区1999年、2004年、2009年和2014年森林地上生物量随着年份的增长而增长,森林地上生物量均值分别为54.623Mg/ha、66.242Mg/ha、68.079Mg/ha和77.579Mg/ha。利用转移矩阵、景观指数、重心分布和热点分析等方法分析森林地上生物量的时空变化特征,结果表明研究区森林地上生物量总体上是增加的,森林质量整体上在改善。利用全局普通最小二乘法线性回归进行驱动因子选择,最终选择海拔（ELEV.）、归一化植被指数（NDVI）、年平均气温（TEMP.）、年降雨量（PREC.）、人口数量（POP.）和国内生产总值（GDP）等6个因子;然后利用这些因子构建地理加权回归模型。根据地理加权回归模型中各个驱动因子的回归系数,可以发现这四个年份中植被自然生长（归一化植被指数,NDVI）是引起森林地上生物量变化的最主要正向因素,而气温对植被生长具有重要影响,是引起森林地上生物量变化的另一个主要因素。在驱动因子的作用方面,海拔（ELEV.）和归一化植被指数（NDVI）因子对森林地上生物量变化具有正向影响,且具有逐渐增强趋势;年降雨量（PREC.）对森林地上生物量的变化具有正向作用,但有逐渐减弱趋势;年平均气温（TEMP.）和人口数量（POP.）对森林地上生物量的变化具有负向作用,而且具有逐步增强的趋势;国内生产总值（GDP）对森林地上生物量的影响作用由负向作用转为正向作用,而且具有逐步增强趋势。此外,东南部和南部海拔较高的山区是各个驱动因子作用最强烈的地区,而在中北部低海拔的平原地区作用相对较弱。