高光谱与拟合多光谱植被指数反演武夷山亚高山草甸LAI的对比研究

植被叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是重要的生态学参数,被广泛用于指示植被密度、生物量、碳、氮物质循环以及气候变化对生态系统的影响,也作为生态过程模型的重要输入参数。地面实测高光谱遥感数据能以更高的空间分辨率及更高的光谱分辨率监测植物的光谱特征,为精准反演LAI提供了基础。本项研究以武夷山国家公园黄岗山顶的亚高山草甸为研究对象,通过建立多种高光谱植被指数和拟合多光谱植被指数反演叶面积指数的统计模型,并比较高光谱与多光谱对叶面积指数反演的效果,阐明用于反演高覆盖率亚高山草甸的最适高光谱和拟合多光谱植被指数。结果表明:高光谱新植被指数(NVI)对于反演LAI有最好的效果,R^(2)=0.85,P<0.01;依据高光谱NVI拟合而成的多光谱NVI反演结果次之,R^(2)=0.82,P<0.01。几种常用比值植被指数NDVI、MSR、RVI和GNDVI在高光谱和拟合多光谱反演结果中相差不大,表现较好,R^(2)都在0.65以上。通过对比高光谱和拟合Sentinel-2A和Landsat-8两种多光谱卫星波段的反演结果发现,光谱响应函数中具有更窄波段范围的近红外、红、绿、蓝波段构成的植被指数可以得到更好的反演结果,而固定波段的高光谱植被指数未必在每种植被指数中都具有最好的反演效果。同时,发现当某种植被指数反演LAI的线性回归方程的斜率越大,说明这种植被指数越有可能随LAI的增大而出现饱和现象,相反的,斜率越小则说明该种植被指数没有出现饱和现象。此外,在研究区内使用高光谱和拟合多光谱波段植被指数法反演LAI,NDVI都获得了较好的效果,存在很好的线性关系,之前的很多研究和判断都认为NDVI不适用于反演高覆盖植被的LAI,这个发现是具有意义的,表明高覆盖植被的叶面积指数在一定范围内是能够被NDVI(应用最广泛的植被指数)较好的反演,进一步扩展了NDVI反演LAI的适用性和可能性。

基于Landsat影像研究全球气候变化对武夷山国家公园垂直带谱上各植被群落的影响

全球气候变暖对全球植被的影响巨大,主要表现在植被群落往高海拔和高纬度的迁移。研究垂直分带上的植被群落的迁移有助于理解植被群落对气候变化的响应机制。而垂直植被带谱上的植被分类是研究垂直分带上植物群落迁移的基础,特别是常绿阔叶林的垂直植被带谱上的植被分类在研究上是一个难点。因此,本研究基于Landsat影像,通过主成分分析的方法,提取出影响分类的主要波段,融合不同季节的波段数据及DEM数据,并根据结果进行监督分类的方法,对1986—2018年武夷山垂直带谱上的各个植被群落进行准确的分类和监测,并结合期间的气候变化探讨影响植被变化的主要原因。主要的研究成果显示:利用经过主成分分析的数据来分类山体植被类型的方法具有一定的可行性,可以较好的分类出草甸,竹林,针叶林,针阔混交林和常绿阔叶林,总体分类精度为93.3%,Kappa系数为0.91;1986—2018年期间,武夷山地区气候变暖明显,针阔混交林和常绿阔叶林的面积受气候变暖的影响呈增加趋势,针叶林及草甸面积呈减少趋势,植被的迁移和面积变化受气温的影响较大,尤其是针阔混交林对气候变化响应最为明显;针阔混交林的分布海拔上限有所上升,草甸和针叶林的分布海拔无明显变化。利用主成分分析结合不同植被类型的物候特征和海拔分布特征能很好地识别亚热带常绿阔叶林的垂直带谱,为气候变化对武夷山国家公园的影响提供技术和理论依据。

垂直带谱上植被群落对气候变化响应的研究进展

气候变化对垂直带谱的影响是长久以来的热点问题之一。但是目前大部分研究集中在利用遥感影像分析不同植被覆盖度和生物量上,对植被带谱上植被群落沿海拔上的迁移的研究相对较少。植被覆盖度和生物量变化(短期效应),和垂直带谱上植被群落的迁移(长期效应)均能反应植被对气候变化的响应。因此,我们以垂直带谱上植被群落的迁移为主线,分别综述了气候变暖对植被覆盖度和生物量的影响,垂直带谱上不同植被类型随气候变化在海拔梯度上的迁移,以及气候变化对垂直带谱上不同植被群落海拔梯度上分布带宽的影响。

2000—2019年武夷山亚高山草甸对气候因子的响应及其时滞效应

亚高山草甸对气候变化十分敏感,但目前缺少气候因子对亚热带地区亚高山草甸影响的相关研究,且光学遥感数据对该地区草地信息的提取仍存在一定的挑战。本研究基于MOD13Q1植被指数产品中的归一化植被指数(NDVI)数据集,并结合气象数据,分析2000—2019年间武夷山国家公园黄岗山顶的亚高山草甸的生长变化及其对气候因子的响应和时滞效应。结果表明:2000—2019年,夏季NDVI呈不显著增加趋势,整个生长季、春季和秋季NDVI均呈极显著增加趋势。NDVI的增加主要受温度增加(0.026℃·a^(-1))的影响,其中春、秋季温度的增加对草地生长的影响显著高于夏季和整个生长季。生长季NDVI对降水的变化十分敏感,说明即使在降水充沛的亚热带地区,亚高山草甸的生长仍然受到降水的较大影响。不同生长时段温度和降水对草甸NDVI的滞后影响程度不同,温度对亚高山草甸生长的滞后影响为0~1个月,降水对草甸生长的滞后性影响为2~3个月。

融合物候特征对城市土地覆被进行分类及覆被变化分析——以金坛区为例

土地覆被与全球生态环境变化有重要联系,遥感分类技术作为提取大尺度地物信息的主要手段,在土地覆被变化监测中具有重要作用。但是由于监测研究对影像时间序列的要求及像元呈现出的混合光谱的特征,现存城市土地覆被分类方法的分类精度仍待提高。为了精确评估城市土地覆被变化带来的生态效应,寻找到一种简单可行同时又具有较高分类精度的遥感分类方法显得极为重要。基于Landsat 8卫星遥感影像,建立具有代表性的城市土地覆被分类体系,结合地物物候特征改进传统的监督分类方法,并将该方法应用于金坛区土地覆被分类工作中,统计分析2016~2018年金坛区各土地覆被类型的面积变化趋势。结果表明融合地物物候特征的监督分类方法相较于传统监督分类方法可有效改善各覆被类型的提取精度;且在江苏省生物多样性保护政策的实施下,2016~2018年金坛区各土地覆被类型面积变化较为明显。整体来看,该方法在传统监督分类方法的基础上结合地物的物候特征进行土地覆被信息的提取,在保证分类方法简单易行的同时,可以有效提高分类精度,为土地覆被变化生态分析提供了有效参考。

基于Sentinel-2影像的武夷山国家公园海拔梯度上不同植被类型的水源涵养能力

全球水资源问题日趋严重,森林水源涵养功能对可持续发展的作用进一步突出。然而,不同时间尺度上各植被类型水源涵养能力变化的规律仍未完全厘清。本研究以武夷山国家公园沿海拔梯度的不同植被类型(常绿阔叶林、草甸、针叶林和矮林、针阔混交林)为对象,以2017—2020年Sentinel-2影像为数据源,构建水源涵养能力指标模型,将不同植被类型的垂直结构指数与归一化植被指数(NDVI)结合,以其与坡度(Slope)的比值为指标,分析研究区4种植被类型的水源涵养能力,并探讨其季节性变化规律、空间分布特征等。结果表明:基于Sentinel-2影像水源涵养能力指标模型对不同季节各植被水源涵养能力监测具有可行性;4种植被类型不同季节的水源涵养能力强弱均为秋季>夏季>春季>冬季;水源涵养能力的空间分布与垂直带谱上植被分布大体一致,不同季节武夷山国家公园4种植被类型涵养水源能力大小为常绿阔叶林>针阔混交林>针叶林和矮林>草甸。

全球变暖背景下高山林线交错带的动态综述

高山林线交错带是亚高山森林与苔原之间、亚高山森林与无树草原之间的过渡带状区域,是生物多样性热点区域,具有营养物质输入源和低海拔生态系统的碳固存等不可替代的生态功能,提供着各种生态系统服务。与高山林线交错带相关的三种树线是树种线、林线和木材线。由于高山林线交错带占据了树种耐受温度极限的极端区域,对气候变化非常敏感,经常被用作植被对全球变暖响应的指标。随着全球气候变暖的加剧和不同气候区海拔梯度的变化,高山林线交错带中的树高和生物量也会发生显著变化。同时分布在全球不同气候带上的林线变化也表现出不同的规律,其中的原因包括温度升高程度的不一致、优势种和植物群落的不同、人为干扰程度的不同等。另外,关于林线推进的驱动因素也无一致的研究结果,不同气候区之间的研究结果可能会相互矛盾。然而,目前在气候变化下的高山林线发展领域,缺乏全面的综述。因此,本文从以下四个方面对此前的研究进行了总结,并探讨了高山林线动态变化的理论基础和挑战:(1)高山林线动态变化的生态功能和生态问题;(2)监测高山林线动态变化的研究方法;(3)全球不同气候区的林线迁移;(4)林线向上迁移的驱动因素。