2001-2020年内蒙古净生态系统生产力格局多时间尺度分析

掌握净生态系统生产力(NEP)时空格局对提高干旱/半干旱地区生态系统功能有重要意义。已有的NEP时空格局研究大多以年尺度开展分析,而NEP在多时间尺度上的特征差异尚不明晰。基于多源遥感、气象和地面实测数据,采用CASA模型、土壤呼吸地质统计模型(GSMSR)和土壤呼吸-土壤异养呼吸(Rs-Rh)关系模型耦合模拟内蒙古2001-2020年NEP,分析其年、季、月多时间尺度时空特征,并探讨8种不同植被NEP的多时间尺度特征差异。结果表明,1)内蒙古年尺度NEP的空间分布格局稳定,从东北向西南递减,这一格局与春夏秋3季及植被生长期的3-10月一致,而冬季植被进入休眠期使得空间差异显著减小。2)内蒙古多时间尺度NEP年际变化趋势有所不同:年尺度上,内蒙古总NEP呈波动上升趋势,年际变化率为C 3.75 Tg·a^(-1);季尺度上,夏季增长趋势最大,占全年增长的41.6%,春秋两季对NEP的增长也起到至关重要的作用,分别占比34.9%和23.3%,冬季对NEP增长贡献非常有限;月尺度上,NEP年内变化与植被生长物候周期较为接近,1月和12月年际NEP为减少趋势,其余月份年际NEP均为上升趋势,其中9月增长趋势最大,占全年增长的19.3%。3)不同植被类型NEP年际趋势存在差异,5种植被类型年NEP呈增长趋势,3种呈下降趋势;草地在季尺度年际变化中均保持增长,在夏季最高,而灌木林在季尺度年际变化中均为降低趋势,夏季降幅最大;月尺度年际变化中灌木林均为降低趋势,1月降幅最大。该研究能够为明晰区域碳循环及改善生态系统功能提供科学依据。

碳酸盐及其组分测定方法在行业特定体系中的研究进展

准确测定、预测工业生产、生命科学以及环境监测等行业特定体系中的碳酸盐及其组分对开发有价资源、阻垢防垢、延长生产周期、表征动/植物生理特征以及探究自然界碳循环等均具有重要意义。现有碳酸盐及其组分常规测定方法主要针对有条件限制的一般碳酸盐体系,由于未考虑不同行业特定体系的差异,往往会导致常规测定方法精度较低,难以达到不同行业应用要求。为了分析碳酸盐及其组分测定方法在行业特定体系中的发展潜力,该研究综述现有公开发表的文献,引入NO_(3)^(-)改进的阿廖金分类法,对行业特定体系类别进行界定;依据碳酸盐存在形式与碱度、pH值变化关系计算游离碳酸、CO_(3)^(2-)和HCO_(3)^(-)的原理,分行业梳理了特定体系中碳酸盐及其组分测定方法、适用范围及其与行业特定体系类别之间的关系并展望了发展方向。结果表明:当前不同行业特定体系的碳酸盐及其组分测定方法可划分为四大模式,包括:系统自动化并实现现场检测模式、化学滴定与仪器分析联用模式、新型离子选择电极研发模式以及引入新方法模式,不同行业特定体系可依据后续应用需求选择适合的模式。未来仍需开展如下工作:1)加快实现行业特定体系中碳酸盐及其组分测定方法的标准化;2)补充完善各类行业特定体系中总碱度的表达式,弥补测定方法在各类行业发展中的不均衡;3)优化并创新化学滴定与仪器分析联用模式,结合自动化趋势,形成准确测定并拓宽方法适用范围的关键技术,实现各类行业特定体系间的联动;4)进一步探求新方法在准确测定的应用。研究可为开发新的行业特定体系中碳酸盐及其组分准确测定方法技术提供参考。

2001-2020年内蒙古植被碳源/碳汇时空动态及对气候因子的响应

掌握植被动态及其对气候变化的响应,对于提升全球变化背景下陆地生态系统的固碳能力至关重要。内蒙古作为中国北方的重要生态屏障,是气候和生态系统最为多样化的省份之一。虽然已有研究表明植被碳源/碳汇与气候变化密切相关,但这种响应在生态脆弱且包含多种生态过渡带与植被类型的内蒙古,是否存在及如何响应尚不清楚。以净生态系统生产力(NEP)为固碳评估指标,基于遥感植被指数数据、土地覆被数据和气象观测数据,采用净初级生产力和土壤呼吸模型估算了2001-2020年内蒙古植被碳源/碳汇,并通过实测数据验证,重点研究了不同植被类型NEP的时空变化及其对降水、温度和太阳辐射等3种典型气候因子的响应。结果表明,(1)内蒙古植被碳源/碳汇有明显的时空异质性,植被NEP由东北向西南逐渐降低,平均NEP为C 61.2 g·m^(-2);不同植被类型的NEP有显著差异,森林、草地和耕地的年均NEP分别为C 270g·m^(-2)、54.7 g·m^(-2)、140 g·m^(-2)。(2)2001-2020年,内蒙古陆地生态系统碳汇呈上升趋势,但存在一定波动,其中森林和草地NEP呈上升趋势,而耕地NEP呈下降趋势。不同植被类型按照其NEP均值由大到小排序依次为森林、耕地、草地。(3)不同植被类型NEP对气候因子的响应存在显著差异,耕地NEP主要受太阳辐射的影响,草地NEP受降水和太阳辐射的共同控制,森林NEP受3种气候因子的共同影响。该研究对于评估内蒙古陆地生态系统碳平衡,以及对评价生态系统的固碳能力和研究其碳循环机制具有重要的意义。

基于非线性降维时序遥感影像的作物分类

当前基于时序遥感数据的作物分类方法大都需要较多专家知识及人工干预,难以自动化,也难以移植到其他地区。将光谱降维技术用于时序遥感影像分析可以很好地解决这一问题。其中,非线性降维方法已经成功应用于高光谱数据,并且获得了比线性降维方法更好的结果。但是,直接将非线性降维方法用于时序遥感影像无法充分利用其时相维度的信息。该文改进了一种非线性降维算法——Laplacian Eigenmaps(LE)用于时序遥感影像的作物分类,该方法更加关注相同时相下不同作物生长季的物候特征差异,而不再仅依赖于整个生长季的物候曲线轮廓。改进的LE算法被应用于美国伊利诺伊州覆盖作物全生长季的Landsat 8时间序列影像。降维后保留的波段结合随机森林分类器基于美国农业部Cropland Data Layer(CDL)提供的训练数据完成了一系列的分类试验,并与传统插值未降维的方法进行对比。试验结果表明,改进的LE降维方法完成了更高的整体及各个类别的分类精度,其中整体分类精度达到85.37%,该方法作为一种自动化的方法,不需要人工干预,可直接移植到其他研究区,并且只需要较少的训练样本就可以完成一个较高的分类精度,为日后不同尺度的作物识别和提取研究提供了有效的方法。

基于遥感影像的黄河内蒙古段冰-水分类研究

及时获取凌汛期河冰和水体的空间分布特征,对于预测冰凌灾害、提高防凌信息化管理水平有重要意义。遥感技术是当前获取河冰和水体空间分布的最主要手段之一。但是,黄河水体有大量悬浮泥沙,这给基于遥感技术的高精度冰-水分类带来了挑战。以黄河内蒙古段为例,基于Landsat 8 OLI遥感影像数据,在利用归一化积雪指数(NDSI)及河道矢量数据排除无关地物的基础上,对比了近红外波段反射率值、归一化差异水体指数(NDWI)、归一化积雪指数(NDSI)、改进的归一化积雪指数(MNDSI)以及归一化差异未封冻水体指数(NDUWI)在黄河内蒙古段典型河道河冰、水体分类中的表现,计算各指标总体分类精度及Kappa系数并进行阈值稳定性分析。结果表明:在利用NDSI和高清历史影像排除河道外无关地物后,NDUWI在各子段影像中的总体分类精度和Kappa系数均达到90.00%及0.90以上,其河冰、水体最优区分阈值大体分布于阈值中值附近。研究结果可为凌汛期黄河冰凌监测方法的选取以及冰上爆破位置的拟定提供依据。

基于分辨率融合的多尺度遥感影像分类技术研究

影响遥感图像分类效果的主要因素之一是影像的空间分辨率。本文将Quickbird多光谱影像与高分辨率全色影像相融合,在保留了光谱信息的同时提高了影像分辨率。然后对融合后的影像进行多尺度分割,并运用地物的光谱统计特征、形状、纹理、类间关系等因素进行相关信息的提取。采用面向对象的模糊分类方法对试验区影像进行分类,最后对结果进行了精度评价。试验表明这种方法具有较高的精度。

地面三维激光扫描仪在施工测量中的应用研究

三维激光扫描仪是测绘学科近期发展的一项高新技术。本文对地面三维激光扫描仪在施工测量中的应用,从原理开始到四个不同的应用场景分别进行了论述。并介绍了地面三维激光扫描仪的优缺点及展望了未来应用的发展趋势。可以看到,三维激光扫描仪为测绘的外业工作带来了巨大的变革。

农业院校遥感类课程教学改革模式探讨

随着遥感技术的快速发展,地球大数据时代已经到来,这给传统遥感类课程的本科教学带来了挑战。如何将前沿遥感技术更好地带入到课程教学与实践中是亟待解决的问题。文章以内蒙古农业大学遥感原理与应用本科课程为例,从教学内容、教学资源与材料及考核评价方式三个方面探讨了当前课程教学中存在的主要问题,并提出了有针对性的教学改革措施,包括加强课程理论性、实践性与前沿性的统一;构建面向地球大数据发展需求的教学体系;设置多元化考核机制。在地球大数据背景下,本研究成果能够为遥感类课程建设与改革提供有效参考,从而促进遥感类本科课程的发展。

不同光谱植被指数反演冬小麦叶氮含量的敏感性研究

【目的】氮素是作物生长发育过程中最重要的营养元素之一,研究叶氮含量反演的有效光谱指标设置,为应用高光谱植被指数反演作物叶氮含量,以及作物的实时监测与精确诊断提供重要依据。【方法】以冬小麦为例,选取涵盖冬小麦全生育期不同覆盖程度225组冠层光谱与叶氮含量数据,通过遥感方法建立模型,模拟了不同光谱指标,即中心波长、信噪比和波段宽度对定量模型的影响,通过模型精度评价指标决定系数(coefficient of determination,R^2)、根均方差(root mean square error,RMSE)、平均绝对误差(mean absolute error,MAE)、平均相对误差(mean relative error,MRE)和显著性检验水平(P<0.01)确定最优模型及最佳指标,分析光谱指标对叶氮含量定量模型反演的敏感性和有效性。【结果】反演冬小麦叶氮含量的最佳植被指数为MTCI_B,与实测叶氮含量的相关性最好(R^2=0.7674,RMSE=0.5511%,MAE=0.4625%,MRE=11.11个百分点,且P<0.01),对应的最佳指标为中心波长420 nm、508 nm和405 nm,波段宽度1 nm,信噪比大于70 DB;高覆盖状况反演的最优指数为RVIinf_r(R^2=0.6739,RMSE=0.2964%,MAE=0.2851%,MRE=6.44个百分点,且P<0.01),最优中心波长为826 nm和760 nm;低覆盖状况反演的最优指数为MTCI(R^2=0.8252,RMSE=0.4032%,MAE=0.4408%,MRE=12.22个百分点,且P<0.01),最优中心波长为750 nm、693 nm和680 nm;应用最适于高低覆盖的植被指数RVIinf_r和MTCI构建的联合反演模型(R^2=0.9286,RMSE=0.3416%,MAE=0.2988%,MRE=7.16个百分点,且P<0.01),明显优于最佳单一指数MTCI_B;模拟Hyperion和HJ1A-HSI传感器数据,联合反演模型精度(R^2为0.92—0.93,RMSE在0.37%—0.39%,MAE为0.285%左右,MRE约为7.00个百分点)明显优于单一植被指数反演精度(R^2为0.79—0.81,RMSE为0.63%—0.66%,MAE为0.455%左右,MRE约为10.90个百分点)。【结论】利用高光谱植被指数可有效实现作物叶氮含量反演,作物叶氮含量定量反演对不同光谱指标—中心波长、信噪比和波段宽度,具有较强敏感性。应用多指数联合反演模型,可显著提高反演精度,并且联合反演模型在不同高光谱传感器下有一定普适性。

1988-2018年黄河内蒙古段河道边界演变特征及影响因素

[目的]获取河道边界演变特征,为黄河内蒙古段的堤岸防护建设提供重要的理论依据。[方法]基于1988—2018年期间7期Landsat卫星影像,利用修正的归一化水指数(MNDWI),对黄河内蒙古段7期的河道边界信息进行提取,并计算不同时期河道摆动面积、最大摆动面积、摆动方向等指标,分析近30 a河道的时空变化特征。[结果]黄河内蒙古段在上游巴彦高勒—三湖河口和三湖河口—包头弯道区域曲率较大的河段摆动较严重,整体呈现向右岸迁移的趋势。河道摆动的时空差异受河床物质组成、水动力条件、水利工程、水土保持工程等人类活动因素的综合影响。[结论]黄河内蒙古段的堤岸防护建设重点应集中在巴彦高勒—三湖河口全段以及三湖河口—包头弯道曲率较大的河段。

黄河万家寨河段河冰冰厚遥感提取及年内变化特征分析

冰凌观测是防凌的前提,是冰凌研究的基础,因此全面准确的冰凌观测可为科学防凌提供可靠的依据。为此,以黄河万家寨库区河段为例,通过冰厚反演算法对其冰厚数据进行遥感反演,利用Lebedev模型对反演结果进行验证,并对结果进行年内变化特征分析。结果表明,卫星遥感反演结果与实测及模型验证结果接近,相关系数为0.8;冰厚演变总体呈成冰、流凌、初封、稳封、融冰、开河的生消演变过程。反演冰厚结果可为黄河内蒙段防凌减灾等实际工作提供参考依据。

随机森林遥感图像分类实验教学软件开发研究

随着教育与科技的发展,我国众多高校的课程体系都开设了“遥感图像解译”或“遥感原理与应用”等课程。遥感图像的监督分类,是遥感类课程不可或缺的教学内容。然而,在目前相关课程的实验教学中,存在教学内容陈旧、更新频率较低等问题。为了充实高校遥感类课程的实验教学,本文介绍了一套基于随机森林的遥感图像分类实验教学软件,包括软件开发与相关实验的设计。鉴于随机森林算法在遥感领域得到了广泛应用,本实验教学软件旨在使学生掌握更新的遥感数据处理技能,提升其在相关行业中的竞争力。

基于遥感影像分析1989—2019年黄河内蒙古段河冰时空变化

获取河冰时空分布信息对黄河流域防凌减灾工作及沿岸地区可持续发展具有重要意义。收集黄河内蒙古段1989—2019年冬季河冰遥感影像数据;提出了归一化未封冻水体指数(NDUWI)用以剥离被归一化雪指数(NDSI)误分为河冰的水体像元,确定了该指数划分河冰、水体像元的阈值,并利用NDUWI结合NDSI的方法提取河冰信息进而分析河冰时空分布及变化特征,探讨了海勃湾水库调度及河床演变对河冰分布的影响。结果表明:黄河内蒙古段河冰主要分布在研究区中游(巴彦高勒—三湖河口)。1989年以来,研究区内河冰经历“平稳期”(1989—1997年)、“扩张期”(1998—2000年)、“萎缩期”(2001—2019年)3个阶段,其中2000年出现河冰面积峰值,并于2019年减小至最小。各子段中,海勃湾至巴彦高勒(R1段)2015年前河冰分布稳定,2015年起受海勃湾水库建成影响,河冰面积大幅萎缩;巴彦高勒至头道拐(R2~R4段)河冰面积变化特征大体与全段变化相同。空间上,2015年后R1段以纵向萎缩为主,巴彦高勒至三湖河口(R2段)左岸河冰萎缩,右岸河冰堆积仍有偎堤风险;三湖河口至包头(R3)段全段河冰漫滩现象严重,2016年起得以缓解;包头至头道拐(R4)段以局部漫滩为主,2016年开始以主槽封冻为主。上游海勃湾水库建成后的常规运用可有效减小下游黄河内蒙古段的河冰漫滩现象。研究成果可为黄河内蒙古段水库防凌调度及堤防安全隐患排查提供参考。

基于形态学的两种高光谱目标探测改进算法

基于高光谱图像的目标探测主要利用高光谱图像具有连续光谱信息的优势,通过目标与背景的光谱信息差异进行探测,空间形态信息则很少使用。然而在一些光谱分析算法的基础上充分考虑图像像元之间的空间关系能够克服这些算法存在的不足。本文针对约束能量最小化(CEM)算法采用全图信息估计背景信息、正交子空间投影(OSP)算法难以准确构造背景子空间的不足,引入目标的空间尺寸信息,然后通过形态学开运算滤掉可能存在的目标以此构造一个精确的背景,进而在统计精确背景信息的基础上使用OSP、CEM两种算法进行目标探测。最后本文采用三维受试者操作特性(3D ROC)曲线进行探测精度的评价,克服了传统2D ROC曲线评价探测精度的不足。实验结果表明,基于形态学的CEM和OSP算法有效地降低了虚警率,提升了探测效率。

基于星载雷达特征参数的黄河冰厚反演及冰储量估算

冰厚是冰凌成因分析及预报的重要基础信息,可为防凌减灾提供重要依据。以黄河内蒙古段包头至头道拐水文站为例,利用Sentinel-1雷达影像结合Sentinel-2光学影像对研究区河冰厚度进行估算,首先对Sentinel-2光学影像进行处理,提取凌汛期前黄河主河道边界;然后对Sentinel-1雷达影像进行处理,提取2个强度信息和4个极化分解参数,分析6个雷达特征参数与河冰厚度的相关性;选择相关性最高的参数,采用统计回归方法建立冰厚反演线性回归模型,模型的调整R2为0.657,验证RMSE为9.82 cm,MRE为13.46%,MAE为8.26 cm;对凌汛期黄河冰厚进行反演,分析冰厚时空变化特征,并估算冰储量,同时讨论了河冰的散射机制。研究证明了主动微波遥感数据在黄河冰厚反演中的可行性,可为黄河内蒙古段防凌减灾提供科学参考。

基于Sentinel-1时间序列的河冰表面物候提取研究--以黄河内蒙古段为例

利用遥感技术识别河冰物候信息,能有效地评估河冰生长趋势,提高冰情信息化管理水平。以黄河内蒙古段为例,基于Sentinel-1时间序列遥感影像,综合曲线斜率法与动态阈值法提取了近5年(2015—2020年)黄河内蒙古段海勃湾库尾、三盛公闸下河段、三湖河口河段、头道拐河段以及万家寨库尾5个子段河冰物候(初冰日、完全冻结日、开始消融日、完全消融日)并分析其变化特征。结果表明:5个子河段初冰日和完全消融日的最优提取阈值分别为0.1、0.2、0.1、0.05以及0.05倍的Logistic曲线上下限差,识别偏差在3日以内;完全冻结日和开始消融日出现在Logistic曲线斜率最大(最小)值处,识别偏差在5日以内;5段近5年初冰日呈偏晚趋势,变化速率分别为1.4 d·a^(-1)、1.0 d·a^(-1)、0.8 d·a^(-1)、0.2 d·a^(-1)及0.4 d·a^(-1);海勃湾库尾和头道拐河段从初冰日至完全冻结日的横向冻结速率正以0.2 d·a^(-1)和1.4 d·a^(-1)逐年增加,而巴彦高勒河段和万家寨库尾区以1.4 d·a^(-1)和1.0 d·a^(-1)逐年减少,三盛公闸下河段基本保持不变。研究成果可为冰凌洪水预测及河岸堤防修建提供科学依据。

近15年内蒙古生态承载力时空分析

随着人类社会向更高层次发展,资源环境的承载能力面临更大的挑战,把握好资源环境利用与经济发展之间的平衡尤为重要。内蒙古自治区作为我国北方重要生态安全屏障,立足各盟市资源环境承载能力,探索生态优先、绿色发展之路受到广泛关注。采用生态足迹模型测算了内蒙古自治区12个盟市在2005、2010、2015、2020年的人均生态足迹和人均生态承载力并分析了其时空变化特征。结果显示:内蒙古自治区各盟市间生态足迹、生态承载力和生态盈余空间差异较明显,生态承载力均低于生态足迹(除2005年锡林郭勒盟外),出现不同程度的赤字;各盟市在2010年后生态承载力均有小幅上升趋势,人均生态足迹的增长速度也有所放缓,但生态超载依然存在。为此,从保护生态生产性土地、增强人口素质和优化产业结构等方面提出了对策建议,为自治区践行绿色可持续发展提供理论参考。

基于索贝尔算子的高分辨率遥感影像分割技术研究

目前,基于面向对象的影像分析方法已经广泛应用,这种方法的基础是对影像进行分割得到同质对象,那么,分割结果的好坏就直接影响到后续分类的精度,所以,有必要对分割进行研究。本文提出了一种基于索贝尔算子的影像分割方法,并采用高分辨率的SPOT5影像进行实验,实验证明这种方法能有效提高影像分割的准确性。

基于点特征的多源遥感影像高精度自动配准方法

提出了一种基于点特征的多源遥感影像高精度自动配准方法。该方法采用了由粗到精的配准策略。首先利用SIFT算子和一次多项式实现影像的粗配准,粗配准后的影像和参考影像将处于同一尺度(像素采样间隔)和参考坐标系下。其次在粗配准后的影像上提取分布均匀的特征点,根据前一步得到的影像间的坐标关系,在参考影像上确定一个较小的搜索范围,使用相关系数匹配出同名点,同时用Baarda数据探测法剔除粗差。最后根据同名点构建三角网对影像进行精配准。实验结果表明:该方法能够实现多源遥感影像的高精度配准。

西北部少数民族地区城市扩展特征分析--以呼和浩特市为例

针对西北部少数民族地区城市扩展定量信息缺乏的问题,该文选取1997-2017年Landsat遥感影像为数据源,以呼和浩特市为例,开展遥感监测。以城市扩展速度、扩展强度、扩展变化度和面积变化度作为指标,剖析呼和浩特市城市扩展的时空特征,耦合自然、人口、经济和政策等多方面因素,探讨西北部少数民族地区城市扩展的主要驱动力。结果表明:①近20年来,呼和浩特市城市扩展先后经历了一个中速扩展阶段、两个快速扩展阶段和一个高速扩展阶段,扩展速度稳步加快;②呼和浩特市城市扩展以东西方向为主轴线,城市扩展整体呈现核心-轴线延伸扩展模式;③自然条件限制和人口快速增长是西北部少数民族地区城市扩展的主要驱动因素,而经济和政策规划对扩展导向的影响正在逐步增强。