TVDI与土壤湿度关系的多时间尺度分析与旱情监测

[目的]揭示不同时间尺度的TVDI与土壤湿度的关联关系,确定反映土壤湿度的最佳时间尺度,以更为准确地获取土壤湿度信息,精准监测旱情。[方法]以3种不同时间尺度(8 d,16 d和月)的遥感地表温度、反射率数据以及山东省31个地面观测站土壤湿度数据为基础,分析不同时间尺度下植被指数-温度空间特征,建立不同时段不同时间尺度温度植被干旱指数(TVDI)的热边和冷边函数,研究TVDI与土壤湿度之间的关联性随时间尺度的变化规律,确定了区域土壤墒情监测的时间尺度,反演了区域土壤湿度,监测旱情。[结果]植被指数-温度二维空间形状呈三角形,但随时间发生改变;二维空间中植被指数与最大、最小温度之间有明显的线性关系,湿边并非理想的与坐标轴平行的直线;TVDI与土壤湿度线性相关,但两者之间的紧密程度随时间尺度而变,8 d尺度的TVDI与土壤湿度有更高的相关系数;山东省冬小麦旱情与降水高度一致。[结论]短时间尺度的TVDI更适于区域的旱情监测,尽管人工灌溉有效降低了对降水的需求,但降水的多寡仍是影响区域小麦旱情的主要因素。

花青素对植物反射特性的影响及遥感估算:叶片尺度

花青素是植物三大色素之一,与植物的生长发育、生长状态以及生长环境状况密切相关,花青素动态变化对生态环境的监测和预警具有重要意义。对叶片光学特性与色素关系的深入理解是估算色素浓度的前提,然而花青素对叶片光学属性的影响并未能得到系统地分析,极大地限制了植物花青素的反演和监测。该研究从机理出发,采用包含花青素参数的新一代植物叶片辐射传输模型PROSPECT-D,结合改进的Sobol’算法,获取输入参数协同变化条件下叶片的光学表现,计算模型参数的全局敏感性指数,全面分析花青素对叶片光学属性的影响,探索花青素的光学敏感波谱区间,在此基础上,以地面实测的叶片波谱和色素数据为样本,发展并探讨叶片尺度花青素的遥感反演方法。结果表明,Sobol’全局敏感性分析结果受样本量变化的影响,总敏感性指数在样本数为3 000时达到稳定;花青素主要影响400~689 nm波谱范围的叶片反射特性,叶片对光子的反射能力随花青素含量的增加而降低;叶绿素、类胡萝卜素与花青素对叶片的反射存在协同作用,在467~589 nm波谱区间,花青素对叶片反射的贡献高于其他参数,花青素总敏感性指数在509 nm处最高(86.64%);基于叶绿素、类胡萝卜素对叶片反射能力的贡献程度,花青素的波谱敏感区间可分为三个部分:467~505 nm(花青素、叶绿素、类胡萝卜素共同影响区)、 506~541 nm(花青素、类胡萝卜素影响区)、 542~589 nm(花青素、叶绿素影响区);叶片花青素含量与敏感区间的高光谱窄波段、波谱指数之间存在显著的线性关系。在所有的窄波段中,样本花青素含量与560 nm的叶片反射率的相关性最好,相关系数为0.948,但由于花青素与叶绿素、类胡萝卜素光谱吸收波段重叠,考虑其他色素干扰的波谱指数ARI、 mARI(Sentinel-2波段参考)与花青素表现出了好的相关性(相关系数分别为0.953 2, 0.953 6),但由于波段设置的差异,不同卫星的波谱指数表现并不一致。该研究可为未来更大范围的花青素遥感估算奠定重要的理论基础。

植被叶片光谱及红边特征与叶片生化组分关系的分析

以LOPEX’93数据集为基础,利用最新的叶片光学模型——PROSPECT5模型模拟了不同生化组分(叶肉结构参数、等效水厚、叶绿素、类胡萝卜素和干物质)含量叶片的反射率、透射率和吸收率光谱,并在此基础上提取植被红边特征,系统分析光谱和叶片生化组分的关系,建立光谱特征与叶片生化组分的关系模型,为生化组分反演提供一定的理论基础。结果表明,在可见光部分,叶片的光谱主要取决于叶肉结构参数和色素(叶绿素和类胡萝卜素);在红外波段,叶片的光谱主要受水分、叶肉结构参数和干物质含量的影响。不同的波段范围内,光谱对生化组分的敏感度不同。叶片的红边特征不受水分和类胡萝卜素的影响,但红边位置随叶绿素的增加向长波方向移动(红移)。红边斜率随内部结构参数的增加而增加,两者之间的关系可用二次方程描述,这为叶肉结构参数的求解提供了一个方向。

基于MODIS NDVI数据的复种指数监测——以环渤海地区为例

复种指数反映了耕地的实际利用强度,提高农田复种指数是区域粮食增产的重要途径之一,因此,监测和分析复种指数在时间和空间上的变化对粮食安全评估、农业发展规划科学决策有重要意义。NDVI的时间序列蕴涵着植被生长的年循环节律,耕地NDVI时间序列曲线的峰值个数和耕地的种植收割次数相对应,因此耕地的复种指数可通过分析NDVI时间序列曲线来获取。本研究以环渤海地区2000—2009年MODISNDVI时间序列数据为数据源,采用邻域比较法提取耕地NDVI年时间序列曲线的峰值频数,进而计算环渤海地区2000—2009年的复种指数,并对复种指数的时空变化及变化原因进行初步分析。结果显示,在环渤海地区,一年两熟的耕种模式主要分布在长城以南,长城以北基本上为一年1熟;环渤海地区各省份中,山东省具有最高的复种指数,辽宁省的复种指数最低;平原地区的复种指数远高于其他地形条件下的复种指数;区域复种指数存在明显的年际变化,主要是受耕地收益和农作物轮作的影响;混合像元的存在会影响复种指数提取结果。

洞庭湖区生态服务价值变化区域差异研究

为了定量分析和比较区域生态服务功能及其价值变化,运用中国生态系统服务价值当量因子表和洞庭湖流域单位面积农田生态系统提供的食物生产服务的经济价值,以及分析20世纪70年代末、80年代末和90年代末的TM遥感影像所得到的土地利用情况,对洞庭湖区17个县市不同年代的生态服务价值及其20年间的变化进行了估算和比较。采用变异系数来测度区域之间的差异,并初步分析了各县市生态服务价值变化差异的原因。结果表明:洞庭湖区土地利用变化明显,生态服务价值总量达到了934亿元,但区域变异系数较大,各县市之间差异明显;湖区各县市20年生态服务价值变化差异较大,变异系数为108.27%。其中变化最大的是华容县,超过了2.0亿元,最小的是津市,仅为0.12亿元。

MODIS NDVI时间序列数据的去云算法比较

受多重因素的影响,MODIS NDVI数据产品中存在着大量的噪声,需要进行去噪重建。针对目前几种常用的NDVI时间序列数据去云方法,如HANTS法、SPLINE插值法以及Savizky-Golay法,以山东省MODIS NDVI时间序列数据(一年的)作为检验数据,从不同角度比较几种算法的去云能力和使用范围。结果表明:SPLINE插值法的去噪效果取决于云掩模数据的质量,但有时会产生异常值;HANTS算法和Savizky-Golay算法会改变几乎所有像元的值,得到一个比较平滑的时间序列曲线,但这两种算法的输入参数没有统一标准,需多次试验才能确定最优参数。

应用遥感时序数据研究植被变化与气候因子的关系——以环渤海地区为例

在全球气候变化背景下研究陆地植被的时空变化规律,探讨气候因素的驱动作用,对于预测未来气候变化对生态系统的可能影响、制定合适的生态环境保护策略具有重要意义。利用2000—2009年MODIS归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)时间序列数据和地面气象站点的气温、降水量数据,从遥感角度分析环渤海地区植被的时空变化,并研究变化与气温、降水的相关关系,探讨区域植被年内和年际变化的驱动因素。结果表明,2000—2009年环渤海地区植被覆盖总体呈增加的趋势,但存在一定的空间异质性,局部有减少的倾向;区域植被的生长受温度和降水的双重驱动,对降水和温度的响应存在明显的滞后,滞后期大约为1个合成期;年际的变化主要受降水和人类活动的影响,降水增加可使区域NDVI提高;不同的人类活动会导致NDVI向相反的方向发展。

洞庭湖区湿地景观变化分析

洞庭湖湿地是我国最重要湿地系统之一,具有多方面功能和价值,主要由河流、湖泊、水田、沼泽、滩地、库塘等几种类型组成。本文利用1980年、1990年、2000年3个时段的Landsat MSS和TM影像及GIS技术对洞庭湖区湿地景观变化进行研究。结果表明,洞庭湖区湿地总面积呈减少趋势,人工湿地面积有所增加,自然湿地面积减少,其中湖泊面积减少最多。这是人类和自然共同作用的结果,其中人类对湿地的改造是导致变化的主要原因,但洞庭湖的泥沙淤积是湖泊面积减少的根本原因。湿地景观的改变导致该区生态环境质量下降,生态功能退化。

基于SPEI的黄河流域多时间尺度干湿变化分析

黄河流域是我国重要的经济地带和生态屏障,水资源匮乏,研究流域的干湿变化对于水资源的合理管理和利用、促进流域的可持续发展具有十分重要的现实意义。运用1966—2015年3个时间尺度(年、半年、季节尺度)的SPEI数据,基于EOF,Mann-Kendall方法研究了全球变暖背景下黄河流域的干湿变化特征,并进行归因探讨。结果表明:在过去的50年中,黄河流域的SPEI有显著的年际波动,但大部分区域的SPEI未有显著的增加或降低的趋势,区域之间的干湿变化具有非同步特征;黄河流域气温与SPEI相关性弱,SPEI与降水有更好的同步性;黄河流域夏、秋季节的干旱较冬、春季节严重,中部黄土高原区的干旱事件频率高于黄河流域西部高原和东部平原区。研究表明黄河流域干湿状况存在区域差异,降水是决定SPEI大小的关键因子,异常气候事件—厄尔尼诺在一定程度上会影响流域的干湿状况。

落叶阔叶林冠层光合有效辐射分量的遥感模拟与分析

冠层绿色叶片(光合组分)的光合有效辐射分量(绿色FPAR)真实地反映了植被与外界进行物质和能量交换的能力,获取冠层光合组分吸收的太阳光合有效辐射,对生态系统生产力的遥感估算精度的提高具有重要的意义。研究以落叶阔叶林为例,基于SAIL模型模拟森林冠层光合组分和非光合组分吸收的光合有效辐射,研究冠层FPAR变化规律以及与植被指数的相关关系。结果表明,冠层结构的改变会影响冠层对PAR的吸收能力,冠层绿色FPAR的大小与植被面积指数及光合组分面积比相关;在高覆盖度植被区,冠层绿色FPAR占冠层总FPAR的80%以上,非光合组分的贡献较小,但在低植被覆盖区,当光合组分和非光合组分面积相同时,绿色FPAR不及冠层总FPAR的50%;相比于NDVI,北方落叶阔叶林冠层EVI与绿色FPAR存在更为显著的线性相关关系(R^2>0.99)。

湖北省农作物播种面积灰色预测

首先介绍了灰色系统理论及灰色预测建模原理,以湖北省连续9年的农作物播种面积数据为基础,建立GM(1,1)灰色预测模型,对湖北省未来8年的农作物播种面积进行了预测,并对预测结果进行检验,预测结果精度较高,可以用来对湖北省未来几年的农作物播种面积进行预测。结果表明,湖北省农作物播种面积呈现逐步下降趋势,土地利用规划部门应实行严格的耕地保护制度,切实保障农民的利益,提高农民耕种的积极性。

基于SAILH模型的植被冠层NDVI二向性分析

NDVI是植被遥感中最为常用的一种植被指数,建立NDVI与其他冠层参数模型必须考虑其方向性问题。本文基于SAILH模型讨论了连续植被冠层NDVI的二向性特征,并分析了叶面积指数、叶倾角分布、热点参数以及太阳天顶角和相对方位角对NDVI的影响。研究表明冠层NDVI在主平面观测方向存在一个明显的负热点,前向散射方向的NDVI大于后向散射方向;冠层NDVI的二向性分布随外界参数的改变而发生变化,但每个参数对NDVI二向性的影响程度不同,并且通常后向散射方向受各参数的影响要小于前向散射方向。

洞庭湖区20年生态损益估算

利用Landsat TM遥感影像获取土地利用变化数据的基础上,参考Costanza 等人对全球生态系统服务价值的测算方法,估算了洞庭湖区生态系统服务价值及变化.结果表明,水域、建设用地面积增加,湿地、林地、耕地面积减少,草地面积变化不大;1980年洞庭湖区生态系统服务总价值为83.159×108美元,2000年的总价值为82.371×108美元,由于土地利用面积变化,导致了1980～2000年生态系统服务价值减少了7 880×104美元,而这主要是由湿地大面积减少引起的.

落叶阔叶林冠层非光合组分对冠层FPAR的影响分析——一种分层模拟的方法

估算并消除冠层非光合组分(non-photosynthetic vegetation,NPV)吸收的光合有效辐射,对准确估算生态系统总初级生产力(gross primary productivity,GPP)具有重要意义。以落叶阔叶林为例,通过设置不同情景,应用任意倾斜叶片散射(scattering by arbitrary inclined leaves,SAIL)模型进行冠层光合有效辐射吸收分量(fraction of absorbed photosynthetically active radiation,FPAR)的分层模拟,分析冠层NPV的FPAR的变动及其对冠层FPAR的贡献,并初步探讨落叶阔叶林NPV的FPAR的估算方法。结果表明,冠层NPV的FPAR的大小与冠层结构相关,在高覆盖度植被区NPV对冠层FPAR的贡献通常较小,但在低植被覆盖区的贡献会较高;NPV降低了冠层在近红外波段的反射;增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)与NPV的FPAR存在显著的线性负相关关系,可用来描述NPV的变化。

基于多源、多时相遥感影像的黄、东海绿潮影响区检测

利用不同空间分辨率、多时相卫星遥感数据,对2007—2010年间黄海、东海发生的绿潮(大型绿藻———浒苔)进行了监测与评估。江苏北部浅滩沿岸水体浑浊,浒苔在该海域中光谱混合现象严重,高空间分辨率的遥感影像有利于其检测;在水体极浑浊的射阳河口检测到的浒苔离岸最近距离为1 km左右。反演结果表明,浒苔在5月初会沿苏北沿岸流向南漂移、影响东海海域;随着东亚夏季季风的加强,浒苔主要漂向南黄海并影响山东半岛邻近海域;在有利的风和海流作用下,亦可横跨黄海、影响朝鲜半岛南部邻近海域。

基于改进型温度植被干旱指数的旱情监测研究

在温度植被旱情指数的基础上,利用MODIS数据提取改进型调整植被指数(MSAVI)和地表温度(Ts),构建MSAVI-Ts特征空间,并定义该旱情指标为改进型温度植被旱情指数(MTVDI),介绍了该监测模型构建的方法。综合利用MODIS多波段数据对湖北省2005年10月10日的旱情监测结果表明,MTVDI能较好的反映区域相对旱情的空间差异;对MTVDI随MSAVI和Ts变化的敏感性评价结果表明,以地表温度为基础的旱情指标相对比以植被指数为基础的旱情指标更合理。

基于遥感和陆表信息集成的广东省土地覆盖分类方法研究

土地覆盖信息是估算地-气间的生物物理过程和能量交换的关键参数,也是区域和全球尺度气候和生态系统过程模型所需要的重要参量。如何高效地利用遥感数据提取土地覆盖信息是当前研究迫切需要解决的问题。面向对象的分类方法不但充分利用了遥感数据的光谱信息,同时也利用了影像的纹理结构信息和更多的地物分布信息关系,在遥感分类中具有较大的潜力。研究基于2010年多时相的环境卫星数据、TM数据以及DEM数据,并结合地表采集的4000多个样点数据,采用面向对象的分类方法对广东省土地覆盖进行分类。经采样验证,广东省土地覆盖平均精度为85%,分类结果精度远高于常规的分类算法,说明结合陆表信息的面向对象分类方法比常规的分类算法更具有优势,可以实现高精度的土地覆盖分类。

深圳市30年土地利用时空变化及驱动力分析

利用1980~2010年时间序列遥感影像,利用土地变化的变化率、变化贡献率和转移矩阵,从时间和空间上分析了土地利用/土地覆盖的变化特征,并结合单因子相关分析和主成分分析等方法,探讨深圳市土地利用变化的驱动因子。结果显示,30年来深圳市的土地利用发生了巨大变化：城乡用地扩张剧烈,增加了55 077.24 hm2,增长率为265.19%;耕地、林地、水域面积迅速减少,耕地减少33 949.17 hm2,减少率为73.93%。研究时段内,人类活动增强以及影响范围扩大是引起深圳市城乡用地急速增长和耕地下降的主因,且土地利用变化受社会经济驱动力的影响逐步增强。

黄河三角洲湿地生态系统服务价值评估

黄河三角洲湿地是我国暖温带最广阔、最完整、最年轻的湿地生态系统,同时又具有原生性、增长性、脆弱性等显著地域特征,具有极高的科研价值和生态价值。本研究评估结果表明,黄河三角洲湿地生态系统服务价值,总计为543.69亿元。价值量由高到低依次是支持服务(216.85亿元)、文化服务(177.88亿元)、调节服务(121.30亿元)、供给服务(27.66亿元),分别占总价值量的39.88%、32.72%、22.31%和5.09%。黄河三角洲湿地生态系统的五大单项服务价值为生物多样性、旅游休闲、水质净化、气候调节和土壤保持价值,价值量分别为197.30亿、163.88亿、90.25亿、20.86亿和19.55亿元,占到总服务价值的90.47%。各种因素影响下黄河三角洲湿地生态系统变化较快,及时对其服务价值进行综合评估,不仅能够了解该区域的湿地现状,还能为湿地保护提供有力的基础支撑,为实现黄河三角洲生态保护和高质量发展提供参考依据。

近35年南四湖水域面积动态变化及驱动力分析

水域面积变化是湿地生态系统对气候和社会经济发展影响的明显反映。综合改进归一化差异水体指数(modified normalized difference water index,MNDWI)和阈值法,探讨了1984—2018年南四湖水域面积变化趋势,并利用偏相关分析探究水域面积变化的主要驱动因子。结果表明:南四湖水域面积有明显的阶段特征,总体看,近35年南四湖水域面积呈增加趋势,但以2002特大干旱年为界点,1984—2002年及2003—2018年两个时间段的水域面积减少趋势均比较明显;近35年一直被水覆盖区域仅占9.97%,低于10年的区域占25.26%。与其他湖泊不同,南四湖水域面积与气象因子的相关性较弱,仅在枯水年表现出与气温的显著负相关(r=-0.746,P<0.01),而与研究区明显增加的降水量相关性不显著,水域面积主要受养殖业发展和生态调水政策的影响。