基于多特征组合优选与随机森林算法的石漠化信息提取——以云南省昭通市为例

石漠化是我国西南地区最主要的地质生态灾害之一,其引发的土地资源丧失、生态系统退化、干旱缺水等问题严重威胁着地区的生态安全、粮食安全和不发生规模性返贫。因此精确提取石漠化信息对区域经济社会持续发展至关重要。针对当前石漠化信息提取中存在的时相单一、时效性差、区域尺度提取结果精度低等问题,以云南省昭通市为例,提出一种多特征组合优选的分类方法。在优选样本和特征的基础上,利用Sentinel-2影像和DEM数据提取光谱、指数、植被覆盖度、基岩裸露率、纹理、地形等多特征,构建5种分类方案,并采用随机森林分类算法完成提取。结果表明:2020年昭通市石漠化土地面积为2820 km2,占全市土地利用/覆被面积的11.11%,分类结果与实地调查区域一致性较好;利用Jeffries-Matusita distance(JM距离)得到的特征优选方案总体精度为88.0%,Kappa系数为0.85,石漠化土地生产者精度和用户精度分别达到91.2%和83.8%。本研究提出的方法能够较为准确地获取区域尺度石漠化空间分布信息,可为相关部门开展石漠化防治与监测工作提供参考。

草地覆盖度测算方法研究进展

草地覆盖度作为一个重要的生态学参数被用在许多气候模型和生态模型中,测算是否精准,很大程度上决定了相关科学研究的精度。归纳了草地覆盖度测算的多种方法,整合了众多学者对草地覆盖度测算方法分类的认识差异,重点针对广泛使用的遥感技术,按照遥感的基本原理对诸多遥感估算法重新归类,理清了遥感估算草地覆盖度的基本思路。同时,分析了各种草地覆盖度测算方法的机理、优缺点和适用范围,为草地覆盖度研究方法选择提供理论依据,最后指出了草地覆盖度测算的发展趋势和研究重点。

西北农牧交错区草地类型遥感划分方法

草地是西北农牧交错区最大的生态屏障。为使各类型草地在生态环境建设中发挥最大的效应,以甘肃省为典型研究区,综合运用遥感技术,研究了西北农牧交错区草地类型的划分方法。利用草地生长期(4-9月)内11个时相的中分辨率成像光谱仪(MODIS)增强型植被指数(EVI)数据构建时间序列数据集,根据同期的野外采样点,提取各类型草地生长期内的典型时间谱特征曲线。在西北农牧交错区,要结合数字高程(DEM)信息和以黄河分界的东西两区域为主要自然因子,将研究区分成若干自然子区域。在各子区,分别根据各像素时间谱特征曲线与典型时间谱特征曲线的相似度,构建决策树完成分类。以1︰500000草地资源类型图资料为真值样本,验证表明,分类结果精度总体一致性为71.41%,Kappa系数为0.66,各类型面积所占比例非常接近样本值。MODISEVI时间序列影像弥补了其空间分辨率低的不足,草地类型生长季时间谱特征曲线增强了各草地类型之间的差异性,使得MODIS数据适合于草地二级类型的划分。加之MIODIS数据免费获取,且适合用于大区域遥感监测,使得低成本高精度且宏观的遥感草地类型划分成为可能。

各类型草地生长过程及自然因子特征遥感研究-以甘肃省为例

以具有丰富草地类型的甘肃省为研究区,研究了中国6种主要类型草地各自植被生长过程特征并量化分析了影响各类型草地分布的自然因子特征。其中,6种草地类型是基于TM和MODIS两种遥感数据,综合运用自动分类及决策树分类方法划分而得,按照分布面积从大到小依次为典型草地、草甸草地、荒漠草地、高寒草甸、高寒草原、灌丛草地。引入了区域平均EVI值作为遥感因子,构建6种类型草地生长过程曲线,揭示各类型草地生长过程及相对生物量之间的差别,给出遥感划分草地类型的最佳时相。运用空间叠加分析手段,揭示了各种类型草地分布区的自然因子特征。分析发现水热的配比及海拔是影响草地类型的主导因子,坡度的影响相对较弱。

基于CBERS影像的速生林信息提取方法研究

提出了一种运用遥感技术提取速生林信息的方法,实现了大区域速生林分布情况的检测。该方法基于CBERS影像多年际时间曲线趋势,根据速生林生长周期中被砍伐并翻地的特殊阶段表现在遥感影像上的不同电磁波谱特征,对其进行检测,从而实现速生林地的提取。在广东省雷州市试验的结果表明,速生林信息提取的总体精度为88%,CBERS CCD图像可以用于大区域的速生林信息提取。

中国近30a耕地变化时空特征及其主要原因分析

随着中国经济的快速发展和人口的不断增加,在各项建设占用大量耕地和生态退耕与环境保护措施的双重影响下,中国的耕地面积在持续减少。对中国耕地随时间变化规律的认识以及其空间分布变化趋势的把握已成为重要的研究内容,这对于研究区域粮食安全和区域可持续发展也有重要的指导意义。该文在中国长时间序列土地利用动态时空数据库的支持下,对中国1987年到2010年的耕地变化过程进行了全面分析,揭示了中国近30 a来耕地变化的时空特征,分析了其变化的主要原因。研究表明,自1987年以来,中国原有耕地不断减少,北方地区为主的新垦耕地持续增加。以2000年为转折点,1987年到2000年耕地总面积略有增加,2000年到2010年耕地总面积逐步减少,近30 a间,耕地总量相对稳定。比较而言,2000年以前的耕地增加速度明显高于2000年以后的耕地减少速度。到2010年全国耕地总面积呈南减北增、减少速率最快的区域集中于长江三角洲、珠江三角洲地区,而增加速率最快的区域集中在新疆、黑龙江以及内蒙古部分地区。建设用地对耕地的占用持续强烈并有加强趋势,生态建设占用耕地是生态脆弱地区耕地面积减少的主要原因,对耕地的占用比例仅次于建设用地。对草地、林地的开垦是全国新增耕地的主要来源,对未利用土地的占用有增强趋势,近年来,包括盐碱地;沼泽地,甚至是沙地、戈壁等未利用土地被改造成耕地,同时也会带来区域水资源和环境等方面的一系列问题,尤应慎重。

2000年中国风沙灾害的时空格局与危险性评价

采用２０００年３—６月中国省级报刊发布的风沙灾害信息８００多条，建立了含有２６００个案例的数据库，据此重建了２０００年全国１４场风沙灾害的时空格局．在此基础上，采用风沙灾害致灾灾次Ｚｃ和承灾体指数ＣＨ，构建了风沙灾害危险度Ｗｘ，编制了风沙灾害危险度评价图．研究表明：风沙灾害Ｚｃ高值区与ＣＨ高值区在区域上错位，前者在内蒙古中西部，后者在华北平原．风沙灾害危险性Ｗｘ高值区分布的北界为国界；西南界为阿拉善左旗－甘肃定西县－浙江北部的杭州市；东北界为内蒙古中部锡林洁特市，多伦县－河北东北丰宁县－秦皇岛市所围的区域．这个区域应作为我国风沙灾害防治的重点区域．其中Ｗｘ为３．５以上的带状区域，即内蒙古乌兰察布高原－河套平原－鄂尔多斯高原北部、山西北部、京津及河北应为防沙治沙的核心区域．

基于框架数据控制的全国土地覆盖遥感制图研究

土地覆盖研究是全球变化的一个重要内容。本文针对中国土地覆盖实际情况,从遥感制图角度和陆地生态系统观点出发,建立了一种基于陆地生态系统特点的土地覆盖遥感分类体系。充分利用目视解译的精确性和自动分类的快速性,在高精度目视解译数据提供的基本覆盖类型及其位置、边界的控制下,以250m分辨率的2005年MOD IS植被指数产品为遥感分类信息源,获取主要类型的详细分类信息,并结合人机交互判读分析与相关资料等的综合运用,实现2005年全国土地覆盖遥感制图。对比实地调查结果的精度分析表明:土地覆盖制图的类型分类准确,基本上反映了各地区的土地覆盖特点和分布趋势,图斑格局与影像地理特征基本吻合,全国土地覆盖制图总体准确率为91%,各类型准确率也达89%以上。

基于MODIS植被指数的西北农业灌溉区生物量估算

利用新疆艾比湖农业灌溉地区MODIS EVI遥感影像数据和同期野外调查获得的75个样方生物量数据,对比分析了EVI与地表生物量多个回归方程的相关系数,进而建立了EVI与农作物生物量的多元回归模型。地表农作物生物量与EVI拟合方程相关系数大小依次为:幂函数>指数方程>三次多项式方程>一元线性拟合方程,同时采用13个独立样方采样数据进行误差分析,证明幂函数模型拟合精度最高。因此采用幂函数模型对研究区农作物生物量进行估算,结果表明,在人工灌溉地区,作物生长茂盛,生物量分布于1～10 kg/m2区间;而在非浇灌地区,地表植被稀疏,多为耐旱耐盐碱植物,地表生物量多在1 kg/m2以下。西北农业灌溉地区地表生物量与土壤水分密切相关,人工灌溉是影响地表农作物生物量变化的主要因素。

围填海遥感监测方法研究

遥感技术为围填海的实时监测提供了有效手段。本文依据"908"专项的海域使用分类体系,以及相关围填海类型在HJ-1CCD卫星影像上的可分性,建立了围填海遥感分类系统;根据港口用海、城镇用海、围垦用海、盐田用海、围海养殖等各种围填海工程在HJ-1 CCD标准假彩色影像上的色调、纹理、空间组合等特征,建立了相应围填海类型的解译标志;提出围填海遥感信息提取的详细技术流程,并对2000-2012年河北省曹妃甸新区和滦河口的围填海作了遥感提取。

基于GF-6 WFV影像和CSLE模型的山区耕地侵蚀定量评价及特征分析

坡耕地是高原山区水土流失最主要的策源地,其严重的土壤侵蚀已经威胁到山区粮食安全和农业可持续发展。该研究以云南省土壤侵蚀较为严重的文山州为例,在第三次全国国土调查数据、水利普查抽样单元和GF-6WFV等多源遥感数据基础上,结合随机森林算法快速自动提取梯田,利用CSLE模型对山区耕地土壤侵蚀进行精细定量评估,并以空间自相关分析揭示土壤侵蚀空间分布特征。结果表明:1)文山州耕地空间异质性显著,以广南、西畴、马关一线为界,呈自西向东递减格局;坡耕地占耕地总面积的79.27%,3929.57 km^(2)耕地采取水土保持工程措施,占49.79%。2)全区耕地平均侵蚀模数为5180.72 t/(km^(2)·a),其中69.99%的耕地遭受轻度及以上侵蚀;耕地总侵蚀量达4081.50万t,其中未采取保护措施耕地的侵蚀贡献率为79.40%,土壤侵蚀对坡度和高程的响应存在差异,具有明显垂直地带性特征,1000~1800m高程带侵蚀情况严峻,3073.65万t侵蚀量源于20°以上陡坡,占侵蚀总量的75.30%。3)侵蚀空间聚集特征鲜明,文山州南部和东部为侵蚀高值中心,低值中心见于中西部和北部。利用区域侵蚀因子自动提取产品和空间自相关分析能够快速完成侵蚀精细定量评估,可为区域水土保持资源精准分配和生态环境建设提供参考。

土地利用强度研究进展、瓶颈问题与前景展望

本文综述了近50年来土地利用强度概念、驱动机制、方法和关键问题的发展演变,将其划分为3个研究分支:1)基于人口密度计算人类活动强度的研究;2)以传统的投入和产出强度方法为代表的研究,以及由此发展而来的复种指数、τ因子方法和技术效率方法等;3)以基于物质和能量的社会经济流通机制的土地利用强度概念模型和HANPP(human appropriation of net primary production)指标为代表的研究。针对土地利用强度研究,呈以下趋势:人口密度作为衡量土地利用强度的指标逐渐被以物质和能量社会经济流通机制为基础的土地利用强度概念模型所取代;土地利用强度评估方法也由指标构建研究倾向于解决不同自然环境下指标评估比较的关键技术与瓶颈问题,即人为与自然影响的区分;遥感数据和方法在人为活动定量识别研究中展现出巨大应用潜力和价值,可以作为土地利用强度评估方法瓶颈的突破点;农、林和草牧业等土地利用类型的强度变化机制研究极不均衡。因此,构建均衡发展的土地利用强度评估机制和指标技术体系成为未来土地利用强度研究的必然趋势。

环渤海滨海湿地时空格局变化遥感监测与分析

基于多期Landsat TM等遥感数据,采用目视解译和实地样点采集相互支撑的方法,完成了环渤海地区2000年、2005年及2008年湿地提取和分类;运用单一类型变化率模型、区域动态度模型和动态转移矩阵,揭示了环渤海湿地的时空格局、变化特点和驱动机制。研究显示环渤海地区的8类湿地中,属于人工湿地类型的盐场和水库坑塘面积比例大且近8年增长速度也最快,年均分别增加205.52 km^2和146.10 km^2,滩地和海涂减少最明显;环渤海地区的三大流域中,黄河流域湿地变化最显著,其动态度接近海河流域及辽河流域的2倍,且仍在上升,海河流域动态度已经呈现出降低趋势;人类活动驱动下的湿地变化比自然驱动更明显,近海域、海涂及滩地开发,用于建设水库坑塘、建筑用地、盐场等,是环渤海湿地变化的重要形式。

2000-2012年中国北方海岸线时空变化分析

利用遥感和GIS技术获取了中国北方"三省一市"2000年、2005年、2008年、2010年、2011年与2012年共6期大陆海岸线的时空分布情况;采用网格法计算了各个时期海岸线的分形维数;分析了海岸线时空变化特征、海岸线长度变化与分形维数变化之间的关系,以及海岸线动态变化的原因。2000-2012年,研究区海岸线长度持续增加,总共增加了637.95km,年均增加53.16km。从区域上看,以天津市与河北省所在的渤海湾区域海岸线变化最强烈;从时间过程上看,2008年后海岸线长度进入快速增长时期,其中2010-2011年是海岸线长度变化最剧烈的时期,变化强度为2.49%。2000-2012年研究区海岸线的分形维数不断增大,其中渤海湾区域海岸线分形维数变化最剧烈;历史海岸线的长度与分形维数之间存在较好的线性关系,相关系数为0.9962;通过对大量海岸线动态引起的整体海岸线长度变化与分形维数变化的统计分析研究表明,在大多数情况下,局部海岸线长度增大(或缩减)会导致整体海岸线分形维数增大(或减小),并且呈正比例变化。从2000-2012年各时段海岸线动态对应的各类沿海工程的面积汇总情况来看,港口建设、渔业设施建设以及盐场建设分别占前三位,人类工程建设是中国北方海岸线变化最主要原因;与人类活动影响相比,自然变化如河口淤积与侵蚀对海岸线影响比较小。

土地资源遥感应用研究进展

遥感数据与土地资源在时空特性方面具有高度的一致性,土地资源研究长期是遥感应用的主要领域之一。过去数十年来,国内外开展了大量的土地资源与环境遥感应用研究,遥感技术为土地资源研究提供了丰富的信息源和实现手段,拓展了土地资源的研究内容,强化了土地资源的研究程度。随着遥感技术的发展和应用研究的深入,针对日益多样化的实际需求,创新研究方法,加强与传统学科的有机结合,在提取系列化专题信息基础上,开展不同时空尺度的综合性分析与评估,切实满足全球变化研究和实现区域可持续发展的需要,仍然是土地资源遥感应用研究应该关注的主要发展方向。

渤海海岸带地区土地利用时空演变及景观格局响应

综合利用RS、GIS和景观生态学方法,以渤海海岸带地区1995、2000、2005和2008年土地利用分布图为基础,分析了渤海海岸带地区近13年间的土地利用时空演变及其景观响应,得到以下结论:(1)渤海海岸带地区土地利用年动态变化率在2000年—2005年间最大,为0.40%;2005年—2008年段次之;1995年—2000年间最小;(2)下辽河平原、海河平原以及黄河三角洲地区为土地利用动态发生的主要区域;(3)监测期内,城乡、工矿、居民用地的面积扩展明显,且主要来源于其周边的优质耕地,但在耕地流向城乡、工矿、居民用地的同时,有较大面积的林地和草地转向耕地,因此监测期内耕地的总面积变化不大,海域向陆地土地利用类型的转化(即填海造陆)是该区域一种特殊的土地利用动态类型,并随着时间推移速度越来越快;(4)整个区域在监测期内表现出多种土地利用类型(未利用地、水域等)的小型斑块被整合,而优势土地利用类型(主要是耕地和城乡、工矿、居民用地)的大型斑块则积极向外扩展的发展态势,整个景观表现出多样性和均匀度减小而优势度增加的趋势。

基于机理模型的不同空间分辨率影像提取湖面面积的误差研究

本文提出了一种湖面面积误差机理模型。首先,以椭圆形(或圆形)、三角形、六边形的面状地物为例,推算不同空间分辨率遥感影像提取面积间的关系,据此推测不同空间分辨率影像提取的湖面面积之间存在着较为固定的函数关系,且函数的系数与湖面的几何形状有关。然后,构建了不同空间分辨率影像的湖面面积间的误差模型,并用多组不同影像提取了艾比湖、阿雅克库木湖面积数据验证其有效性和适应性。结果表明:误差机理模型成功模拟了低空间分辨率影像提取的湖面面积与高空间分辨率影像提取的湖面面积之间的误差关系,可在一定程度上估计误差的具体数值并予以校正。因此,该模型具有校正低分辨率影像提取的湖面面积的能力,为在大区域范围准确地提取湖面面积创造条件。

近30年山东省沿海养殖用地遥感监测分析

山东省是我国的近海养殖大省,近30年来,养殖用地的数量和空间分布发生了较大的变化。本文选择山东省沿海养殖用地为研究对象,以TM/ETM+、CBERS、HJ-1等多源遥感影像数据为基础,运用人机交互解译的方法,提取了1980年代末、2000、2005和2010年共4个时期的养殖用地信息,并运用单一土地利用动态度、重心迁移、景观破碎度等模型,研究近30年山东沿海养殖用地的时空演变格局。结果表明:(1)山东沿海地区养殖区面积呈增加趋势,养殖用地的单一土地利用动态度在1980年代末至2000年最大,为16.95%,2000至2005年下降到5.63%,2005至2010年最小,为5.19%。(2)养殖用地变化表现出空间异质性,东营市养殖面积增长速度最快,共净增加608.22 km2,其次为滨州市和威海市,青岛市和潍坊市呈现为先增加后减小的趋势。(3)近30年养殖区的破碎度增加了4.5倍,养殖区的分布重心向西北方向迁移。(4)增加的养殖用地主要源于城乡工矿居民用地、水域和耕地,而减少的养殖用地主要转化为城乡工矿居民用地和水域。

基于遗传和蚁群组合算法优化的遥感图像分割

将遗传算法和蚁群算法组合对模糊聚类进行优化,巧妙地对图像的像素特征和空间特征进行提取,利用这些特征作为聚类依据,将图像的多个特征结合到智能计算中,充分利用了遗传算法和蚁群算法各自的优势和特点,既提高了图像分割的准确性,又加快了分割过程的速度。实验结果表明,遗传算法和蚁群组合算法优化的模糊聚类是一种性能良好的遥感图像分割方法。

1990年—2020年粤港澳大湾区红树林动态变化遥感监测

粤港澳大湾区规划建设成为国际竞争力一流湾区和世界级城市群,资源集约利用、生态环境优美是国际湾区全面建成的重要方面之一。粤港澳大湾区拥有丰富的滨海红树林湿地,在消浪减风、保护生物多样性、净化海水及固碳等方面发挥重要生态作用。湾区红树林经历过人类开发活动的破坏,也受到了湿地保护政策指引下的良好恢复,但由于调查手段不一及监测时效性限制,目前仍缺乏标准一致的数据以科学客观地阐明粤港澳大湾区红树林湿地的历史变化与最新现状。本文利用现状监测和动态更新相结合的方法,构建了1990年—2020年期间共计4个时段标准一致、前后可比的红树林分布与变化数据库;利用高性能云计算GEE平台(Google Earth Engine),提出了一种红树林现状快速更新方法。研究表明:(1)利用GEE平台可快速提取红树林初步分类结果作为动态更新的参考底图,大大提高了目视解译动态更新方法的速度,为红树林高效管理提供及时的数据支持。(2)粤港澳大湾区过去30年的红树林面积净增长10.21 km2,红树林总体得到了较好的恢复和保护,但是在1990年—2000年期间,红树林是净减少的时期,净减少4.60 km2,主要是被新增养殖坑塘、人工用地占用;2000年以来,粤港澳大湾区红树林面积持续增加,红树林公园和自然保护区的建设对红树林存量面积起到了积极作用。(3)虽然红树林自然分布多见于潮间带,但是粤港澳大湾区2010年之后通过建设红树林公园恢复的红树林,有向内陆方向延伸建设的态势。