基于SVM的绿洲荒漠交错带土壤水分与地下水埋深反演

为深入研究浅层地下水、植被和土壤的相互作用,以新疆渭干河-库车河绿洲为研究区,通过Sentinel-1A数据和Landsat数据以及土壤含水率、地下水埋深数据,结合植被以及土壤条件,通过支持向量机模型(Support vector machine,SVM)定量反演研究区土壤水分以及地下水埋深信息。结果表明:0～10 cm的土壤含水率与地下水埋深之间的相关性最高。通过地形校正C模型(Topographic correction model),得到温度植被干旱指数(Temperature vegetation drought index,TVDI)精度有所提高。建立不同参数的SVM模型反演地下水埋深可行,对于单因子建模,TVDI_(MSAVI)构建的模型精度最高,建模集R^2=0. 74,均方根误差(Root mean square error,RMSE)为4. 66%,验证集R^2=0. 70,RMSE为4. 65%。相比只考虑单因子(后向散射系数(σ_(soil)~0)或TVDI),σ_(soil)~0和TVDI_(MSAVI)组合共同作用于模型精度最好,建模集R^2=0. 86,RMSE为4. 16%,验证集R^2=0. 92,RMSE为2. 73%。利用最优模型参数结果反演土壤水分区域和地下水埋深区域,其结果精度较好。地下水埋深反演结果平均相对误差为8. 23%,优于研究区以往研究18. 06%的结果。

新疆自然植被对非对称性昼夜增温的时滞响应

为探究新疆地区植被活动与昼夜增温之间的复杂关系,本文利用2000~2015年归一化植被指数(NDVI)及气象数据,定量研究了新疆北疆、南疆及伊犁地区生长季日间最高气温(Tmax)、夜间最低气温(Tmin)变化趋势及植被对非对称性累积昼夜增温的时滞响应,通过二阶偏相关分析了Tmax、Tmin对新疆地区植被的影响.结果表明:北疆、南疆及伊犁地区昼夜增温均呈非对称性,昼夜增温空间异质性显著,北疆地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的1.67倍,南疆地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的1.59倍,伊犁地区Tmin增温速率为Tmax增温速率的2.67倍,伊犁地区昼夜温差缩小趋势显著.植被对非对称性昼夜累积增温时滞性呈现明显的空间差异,Tmax、Tmin对新疆地区植被平均滞后时间为(0.97±0.93)个月和(0.91±0.95)个月.南疆、北疆及伊犁地区针叶林、阔叶林及草甸草原植被受日间增温的影响,荒漠草原、典型草原受夜间增温影响显著,夜间增温影响范围更广.

1960―2013年艾比湖绿洲湿地潜在蒸散量及地表湿润度变化特征分析

基于阿拉山口、精河、博乐、温泉4个气象站点1960-2013年地面观测气象数据,采用Penman-Monteith公式、Mann-Kendall检验、小波分析、主成分相关分析等方法分析艾比湖绿洲湿地年及季节潜在蒸散量及地表湿润度的特征变化及定量化成因,以期为艾比湖绿洲湿地区域的水资源科学配置提供科学依据。结果表明:(1)1960-2013年,艾比湖绿洲湿地年平均潜在蒸散量为1 063.52mm,夏季值最大为552.3mm,冬季最小为25.3mm,年平均潜在蒸散量以12.68mm·(10a)^-1的速率递减,各季节潜在蒸散变化趋势与年变化一致,夏季表现最明显;(2)Mann-Kendall检验表明,年均和春、夏、秋潜在蒸散量显著性突变时间分别是1991年、1994年、1994年和1993年,冬季不存在突变,显著性突变均发生在21世纪90年代,地表湿润度年突变时间为1985年;(3)艾比湖绿洲湿地潜在蒸散量及地表湿润度存在明显的周期变化,主震荡周期分别为29a和21a,以多、少交替发生,具有全域性;(4)风速是年及季节潜在蒸散量的主导因素,地表湿润度变化的主导因素是降水量和相对湿度。

伊犁河流域土地利用/覆被变化对生态系统服务价值的影响——基于强度分析模型

人类活动引起的土地利用/覆被变化(Land Use/Cover Change, LUCC)和景观格局的改变会对生态系统服务价值(Ecosystem Service Value, ESV)产生影响,但大多数对LUCC的分析方法都缺乏对各土地利用类型内部转换过程的深入信息挖掘。因此,利用强度分析模型在由浅入深的三个层次(时间间隔、地物类型、转换)上系统地,定量地分析新疆伊犁河流域1980—2015年土地利用变化强度时空分布的动态特征,同时对流域景观格局的演变和生态系统服务价值进行评估研究,探讨ESV对土地利用变化强度的响应特征。结果表明:(1)伊犁河流域土地利用强度呈现先增强后减弱的变化趋势(2)在1980—2015年期间,流域内景观格局斑块聚集性减弱、破碎化加剧、景观多样性增加、各地类景观均衡化发展,生态系统服务总价值增加了0.49亿元,其中水域和林地占流域总生态系统服务价值的47.94%。(3)伊犁河流域优势景观斑块面积的增加、形状多样化、各斑块聚集化发展会促使流域生态系统服务价值的增加,土地利用变化强度与ESV存在明显的正相关关系。通过系统地分析多个层次下的土地利用景观变化,以及生态系统服务价值对其的响应关系,可以对流域的生态发展科学决策提供数据基础和工作参考。

基于DPM-SPOT的2000—2015年中亚荒漠化变化分析

中亚地区与中国西部同属一个完整的内陆地理生态系统,生态环境极其相似,基于丝绸之路经济带的区域间大发展,对中亚地区荒漠化的研究,将更好的服务于我国向中亚开放发展的战略。依据2000—2015年SPOT VEGETATION为数据源,引入像元二分模型法(DPM),得到2000—2015年间中亚地区的植被覆盖度数据,通过计算转换,最终获取4期中亚地区土地荒漠化程度分布图与荒漠化等级数据,并对其进行分析。结果表明:中亚地区荒漠化总体呈"7"字形分布,基本沿东北西南方向对称;中亚地区整体荒漠化情况不容乐观,荒漠化面积比例约占到中亚地区面积的80%;荒漠化有扩张趋势,2000—2010年,约以每年20 km的速度向北部扩张,但从2010—2015年以后增速明显放缓。总体来看,中亚西南部荒漠化程度依然在加剧。研究表明,基于遥感数据对中亚荒漠化问题的研究,可以有效弥补地面数据不足这一劣势,为以后大尺度的遥感制图提供数据支撑。

2001—2015年天山北坡植被覆盖对干旱的响应——基于土地利用/土地覆盖分析

天山北坡生态系统脆弱,易受干旱影响,全球变暖和不合理的人类活动加剧了干旱的影响,评估植被覆盖对干旱的响应,为改善生态环境和减轻干旱影响提供科学参考。基于MODIS-NDVI遥感数据以及气象数据,计算了2001—2015年天山北坡多尺度标准化降水蒸散发指数(SPEI)和植被覆盖度,总结出植被覆盖度与多尺度SPEI时空动态变化规律,从土地利用/土地覆盖(LUCC)的角度分析了植被覆盖度对气候干旱的响应。结果表明:(1)天山北坡绝大部分区域呈湿润状态,中部(石河子、呼图壁)、西北部(克拉玛依市)呈轻度干旱。3个月、6个月、12个月时间尺度SPEI均表现出干旱化增强的年际变化趋势;(2)天山北坡植被覆盖度整体上属中低覆盖,总体呈南高北低,天山山区、城市绿洲内部高的分布特点。2001—2015年天山北坡植被覆盖度变化总体呈下降趋势;(3)年尺度天山北坡植被覆盖度与SPEI整体呈正相关关系。不同土地利用/土地覆盖的植被覆盖度与12个月时间尺度SPEI(SPEI 12)的相关性不同,大小依次为:草地>未利用地>城乡用地>林地>水域>耕地;(4)季节尺度夏季和春季干旱对植被覆盖度的影响最明显,不同季节干旱对不同土地利用/土地覆盖植被覆盖度影响程度不同。

近54年艾比湖绿洲太阳辐射变化特征

太阳辐射是最基本、最重要的能量来源,分析其变化对区域气候特色和农业发展有着重要的作用。本文利用1961—2013年艾比湖绿洲地区4个气象站点气象资料,采用最小二乘分析法、距平分析法、Mann-Kendall趋势分析法和小波分析等方法,分析了艾比湖绿州地区太阳辐射的年际变化趋势。研究结果表明:(1)该地区年辐射量总体呈现下降趋势,相对变化幅度为1.28,波动相较平稳。年内辐射量主要集中在5—8月,占全年的52%,呈正态分布状态,年内各月都呈下降趋势,其中7月的下降速率最大。(2)艾比湖绿洲的总辐射量主要集中在春夏两季,且4个季节的变化趋势基本相同,均出现了从"变亮"到"变暗"的交替过程。通过检验阈值在99%的水平下显示,辐射量在1986年出现突变。全年总辐射量的变动与四季变化趋势基本相同。(3)对于21a、10a和7a周期变化都存在着相对"亮期"和相对"暗期",但振荡周期不同。

艾比湖绿洲实际蒸散量变化特征及与景观格局的关系

基于Budyko曲线方程计算新疆艾比湖绿洲1960—2013年实际蒸散量的年际和季节变化特征,选取研究区四期遥感影像进行土地利用/覆被分类,使用Fragstas 4.2软件计算景观格局指数,并分析实际蒸散量与景观格局指数之间的关系。结果表明:艾比湖绿洲实际蒸散量多年平均值为162.97mm,并呈上升趋势,变化速率为7.76mm·(10a)^(-1);夏季和秋季的实际蒸散量为上升趋势,春季则呈下降趋势;年实际蒸散量在1987年发生突变性增加,夏季和秋季实际蒸散量的突变年份分别为1992年和1975年,春季不存在突变点,这与降水量的突变状况一致,说明降水量的变化对实际蒸散量的变化有很大影响。四期土地利用/覆被图中荒漠占主导地位,耕地和城镇用地增长较为明显,分别增长了409.69%和704.56%。斑块类型级别上,不同地类的景观格局指数差异明显;景观级别上,各景观格局指数均为波动增加趋势。斑块类型级别上,仅有水域斑块数量NP和斑块密度PD与实际蒸散量呈显著负相关;景观级别上,实际蒸散量与最大斑块指数LPI、蔓延度指数CONTAG及景观连通性指数COHESION呈负相关,与斑块数量NP、斑块密度PD等指数呈正相关。实际蒸散量与聚集度指数AI的相关性最高,达到0.953(P<0.05);与NP和PD的相关性最低,仅为0.148。因此,AI指数在艾比湖绿洲可以较好地表征实际蒸散量的变化。

艾比湖流域草地生态系统环境健康遥感诊断

为了能更好地了解艾比湖流域草地生态系统的健康状况,本研究以MODIS与Landsat数据为本底,引入信息熵分析艾比湖流域2001-2017年草地生态系统健康变化趋势,选用压力-状态-响应(pressure-state-response,PSR)模型评价2017年草地的健康现状,结合流域草地生态系统生态环境健康变化趋势和现状,完成草地生态系统环境健康诊断。结果表明:1)2001-2017年艾比湖流域草地生态系统环境健康变化趋势为变好、基本不变、变差的区域分别占总草地面积的29.5%,59.4%和11.1%,呈现“稳中向好”的特点。2)2017年草地生态系统生态环境健康指数的范围为0.1097~0.3892,整体健康水平不高,需要加强对草地资源的保护管理。3)根据艾比湖流域草地生态系统综合治理建议图,治理区占总草地面积的39.1%,主要分布在山前草地和荒漠草地;保护区占总草地面积的34.2%,分布在部分山前草地;预防区占总草地面积的26.7%,主要在城镇较为集中的区域。

1961—2015年新疆天山日照时数时空变化特征及其影响因素分析

采用新疆天山地区55个气象站1961—2015年逐月气象数据,用Mann-Kendall突变检验、基于ArcGIS的混合插值及偏相关分析对天山日照时数年、季节特征及影响因素进行分析。结果表明:①天山日照时数年及季节均呈减少趋势,天山各区域变化差异显著,山区及天山北坡变化趋势明显于南坡。②天山北坡、天山南坡及天山山区年日照时数突变时间为1985年、1980年和1988年,云量和降水是导致突变发生的主导因素。③新疆天山年日照时数由西向东逐渐增加,平原多、山区少,春季呈'东北部多、西南部少',夏季为'东北部多、西南部少',平原盆地高于山区,秋季呈现'北少南多,东多西少',冬季由南向北逐渐减少。④云量、降水是导致天山地区日照减少的主要因素,少云区日照时数较多,多云区日照时数较少,天山云量减幅或增幅区域,日照时数突变量变化明显。

基于红外相机陷阱技术的阿尔泰山东部北山羊(Capra ibex)的活动节律

2014年5-11月,在我国新疆阿尔泰山东部边界山区放置远红外相机32台,共拍摄到北山羊独立照片3308张。采用日活动差异指数α、昼行性指数β和活动强度指数γ对北山羊的在不同季节活动节律进行分析,结果表明:(1)不同月份北山羊的日活动差异指数α和昼行性指数β均存在极显著差异,且β=0.83>13/24,表明在研究区域北山羊属于典型的昼行性动物。(2)春季于7:30-9:30和19:30-21:30、夏季于8:00-10:00和19:00-21:00、秋季于9:00-11:00和18:00-20:00北山羊每日有两个明显的活动高峰。独立多样本检验各季节活动峰型γ值差异显著,说明不同季节北山羊的活动节律存在变化。

基于DEM修订的新疆区域气温空间插值精度优化研究

为研究新疆地区气温的空间变异性,以新疆66个国家气象台站1981—2010年月平均气温和30 m空间分辨率DEM数据为基础,采用传统插值法、基于DEM多元线性回归插值和基于DEM修正的空间插值方法对新疆区域气温数据进行栅格化,并分析年平均气温与海拔的相关关系。通过采用反距离权重法(IDW),普通克里格法(Kriging),样条函数法(Spline)和趋势面分析法(Trend)4种空间插值方法对气象要素进行直接插值、气温多元回归模型残差结果插值、基于DEM修正插值对比分析。通过针对插值方法进行基于MAE和RMSIE的交叉验证,结果表明传统插值方法、基于多元线性回归和基于DEM修正4种空间插值精度均为IDW>Kriging>Spline>Trend。反距离权重(IDW)空间插值方法最优,基于DEM修正IDW插值、基于多元线性回归IDW插值与传统IDW插值精度分别是0.039、0.477、1.038,插值结果客观的表达了新疆区域气温随空间梯度的变化趋势。

基于Radarsat-2卫星微波遥感的后向散射系数研究

以修正的Dobson介电常数模型作为基础模型,分析并验证了土壤体积含水量和含盐量与介电常数的关系。在此基础上,提取不同极化方式下的雷达影像后向散射系数,分析后向散射系数与介电常数之间的关系。结果表明:体积含水量和含盐量是土壤介电常数的主要影响因素;体积含水量是介电常数实部的决定性因素,直接决定土壤介电常数实部的大小;介电常数虚部受多种因素的影响,含盐量为主要因素;体积含水量和含盐量相互作用,共同影响后向散射系数;在交叉极化模式下,介电常数是影响雷达影像后向散射系数的主要因素。基于土壤的介电常数来监测土壤中的含盐量和体积含水量具有一定的潜力,通过雷达影像反演土壤中的含盐量是完全可能的。

不同季节卡拉麦里山盘羊生境选择分析

采用样线法分析不同季节新疆卡拉麦里山盘羊戈壁亚种的生境选择。结果表明：春季,卡拉麦里山盘羊生境主要集中在海拔1 100 m以上、坡度30°～60°、与隐蔽物距离小于0.1 km、与水源地距离小于4.0 km、与居民点距离大于2.0 km以及中高隐蔽级（0.5～1.0）的区域。夏季,盘羊生境主要位于中上坡、与隐蔽物小于0.1 km、远离道路和居民点（大于2.0 km）、植被盖度小于0.1、隐蔽级高（0.9～1.0）的山坡。冬季,卡拉麦里山盘羊多选择距隐蔽物距离小于0.1 km、距离水源大于2.0 km、距离居民点大于2.0 km、食物丰富的山坡。不同季节卡拉麦里山盘羊生境变量特征值大于1的主成分累积贡献率分别达到了71.972%（春季）、71.782%（夏季）和73.613%（冬季）,反映了不同季节生境因子特征。春季,盘羊生境因子主要受人为和自然因素的影响,其中海拔和人为干扰因子（与最近道路距离）是最重要的影响因子;夏季,盘羊生境的选择主要受海拔、植物种数和水源的影响;冬季,盘羊生境的选择主要受食物和人类活动的影响。

新疆卡拉麦里山有蹄类自然保护区狼在夏季和秋季的食性

2012年6—11月,在新疆卡拉麦里山有蹄类自然保护区(卡山保护区)采用痕迹截线等方法,共收集狼粪便278份,采用粪便分析法研究了狼的夏秋季食性。结果表明:夏季和秋季,该区域的主要有蹄类蒙古野驴和鹅喉羚在狼食谱中的相对频率仅为1.94%和3.10%,而野放普氏野马相对频率达到了1.42%。2010年春季的严重雪灾,导致野生有蹄类种群数量锐减,这是狼捕食较少蒙古野驴和鹅喉羚的主要原因,同时也说明狼已经对普氏野马在卡山保护区的野化进程中起到了一定的作用。狼的主要食物为植物、沙鼠和昆虫,其相对频率分别为30.19%,19.35%和13.55%,且夏秋季的食物组成差异不显著(Pearsonχ2检验,P=0.192,>0.05;似然比χ2检验,P=0.131,>0.05),狼的食物生态位宽度比较窄(Bsta=0.28)。狼的食性研究有助于明晰狼与有蹄类,特别是放归普氏野马之间的关系,为普氏野马野放保护管理和监测提供了基础数据,为保护区内狼的数量调控提供本底资料。

1961—2014年新疆北部地区气温时空变化特征

利用新疆北部地区（下称北疆）41个气象站1961—2014年月平均气温资料,运用线性倾向率、滑动平均、基于Arc GIS的混合插值法、累积距平分析、Mann-Kendall突变检验,基于Matlab的Morlet小波分析等方法对北疆地区年及季节气温变化进行分析。结果表明：（1）北疆地区年及季节平均气温出现多次冷暖波动,均呈显著增温趋势。其中,年及春、夏、秋季从20纪90年代以后增温显著,冬季20世纪80年代以后增温显著。（2）北疆地区年平均气温倾向率为0.35℃·（10a）^（-1）,增温幅度较大区域主要在准噶尔盆地、塔城地区及富蕴。（3）北疆地区年及四季平均气温均发生突变。其中,年、春、夏、秋季平均气温突变主要发生在20世纪90年代,冬季气温突变主要发生在70年代末。（4）北疆地区年平均气温在近54 a存在27 a主周期和14 a次周期,气温冷暖交替,周期表现具有全域性。

基于稀疏网络的可见光/近红外反射光谱土壤有机质含量估算

采集艾比湖湿地89个典型样点和土壤实测光谱数据,对所测土壤光谱进行一阶微分变换预处理,采用连续投影算法(SPA)、主成分分析(PCA)和稀疏自编码(SAE)对光谱数据进行特征提取,结合偏最小二乘回归与BP(Back Propagation)神经网络构建SOM估算模型。实验结果表明,SAE方法能够有效对光谱进行压缩;相比于PLSR模型,BP模型能够较好地处理光谱中复杂的非线性信息;SAE-BP方法在估算SOM中取得的精度最高。网络模型的建模方式能够显著提高VIS-NIR光谱反演土壤有机质模型的稳定性和精度,当面对光谱中复杂的非线性问题时,具有很强的解析力和较好的模型稳健性,为使用VIS-NIR数据估算SOM提供一种新思路。

卡拉麦里山雌雄盘羊行为差异及一致性研究

2012年3月至2013年3月,采用瞬时扫描取样法和目标取样法,在卡拉麦里山有蹄类自然保护区对盘羊蒙古亚种（Ovis ammon darwini）的行为节律进行了研究。结果表明：不同季节雌雄盘羊有着相似的行为模式,但某些行为存在显著的季节性差异,其中,各季节采食行为都占有较高比例（约50%）,雌雄盘羊在采食行为时间分配上存在极显著的差异（P〈0.01）;不同季节卧息行为也占有相对较高的比例,但春季和秋季雌雄盘羊的行为时间分配存在极显著的差异（P〈0.01）。在昼间,雌雄盘羊均花费较多的时间采食和卧息;且雄性盘羊卧息使用的时间明显高于雌性。单性盘羊群体的行为一致性高于混合群体,雌、雄单性群体的行为一致性指数与混合群体相反。盘羊单性群体与混合群体的行为一致性之间存在显著的差异（雌性群体与混合群体：χ~2=14.976,df=1,P〈0.01;雄性群体与混合群体：χ~2=10.472,df=1,P〈0.01）。盘羊蒙古亚种雌雄性行为之间的差异性验证了性别分离的活动预算假说。

基于PSCF与CWT模型的乌鲁木齐市大气颗粒物源区分析

利用MeteoInfoMap软件和GDAS全球同化气象数据,对乌鲁木齐市2014—2019年四季72 h气团后向轨迹进行聚类分析.同时,结合小时PM_(2.5)和PM_(10)浓度数据,运用潜在源贡献因子分析法(PSCF)和浓度权重轨迹分析法(CWT)分析了乌鲁木齐市颗粒物不同季节潜在源区及其对研究区颗粒物浓度的贡献.结果表明:(1)影响乌鲁木齐市大气质量的气团轨迹可分为长、短两支,短支气流主要来自研究区及周边城市,对研究区颗粒物浓度贡献大;(2)长支气流输送距离较远,主要来自哈萨克斯坦、俄罗斯等国家,对研究区颗粒物浓度贡献小;(3)影响乌鲁木齐市PM_(2.5)浓度的主要潜在源区是吐鲁番地区、巴音郭楞蒙古自治州、伊宁市和阿克苏地区;(4)潜在源区分布呈现显著季节变化特征,冬季潜在源区分布广、贡献度高,而夏季源区分布狭窄、贡献度低,春季和秋季源区分布与贡献特征介于两者之间.

新疆艾比湖绿洲干燥指数变化特征

基于艾比湖绿洲4个气象站1960-2013年逐月的气候资料,计算了干燥指数。结果表明:(1)艾比湖绿洲近54 a干燥指数的均值为6.97,属于干旱地区,干燥指数呈显著下降趋势,并且持续性较强,下降幅度约为0.49·(10a)^-1(P<0.05);夏季的干燥指数最大,为9.04,冬季最小,仅为2.20。(2)艾比湖绿洲全年干燥指数在1985年发生突变性减小,夏季和冬季发生突变性减小的年份为1991年和1983年,而春季和秋季不存在突变点。(3)艾比湖绿洲干燥指数的演变过程存在着7~8 a和20~21 a的周期变化,其变化的第一主周期为9 a,第二、三周期分别为21 a和5 a。(4)干燥指数对于风速的变化最为敏感,并且相对贡献率最高,而日照时数的变化最不敏感。