基于遥感的海域环境变化监测分析

以杭州湾海域和连云港周边海域为研究对象,基于Landsat-5、Landsat-9的多光谱和热红外数据,对研究区的海域岸线和温度场信息进行提取,分析海域岸线变迁和温度分布变化特征。结果显示,研究区的海域岸线变化均较显著;海域温度在核电站运行前较为均匀,无明显温度分异,核电站运行后,因温排水排放,核电站周边海域温度出现明显分异;Landsat-9热红外数据温度反演结果可靠,可用于监测温排水对海域环境的影响。

基于蜣螂算法优化的投影寻踪生态环境评价方法构建

矿山开采会破坏和占用大量土地资源,对生态环境造成持久的负面影响,因此评价矿区生态环境质量变化迫在眉睫。为了准确监测矿区生态环境质量,以陕煤集团张家峁矿区2000—2023年24期逐年的Landsat影像为基础数据,通过计算绿度(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、湿度(Humidity Index,WET)、热度(Land Surface Temperature,LST)、干度(Normalized Differential Build-up and bare Soil Index,NDBSI)4项生态指标,并采用基于果蝇优化算法的投影寻踪(Fruit Fly Optimization Algorithm-Projection Pursuit Clustering,FOA–PPC)、基于粒子群优化算法的投影寻踪(Particle Swarm Optimization-Projection Pursuit Clustering,PSO–PPC)、基于灰狼优化算法的投影寻踪(Grey Wolf Optimizer-Projection Pursuit Clustering,GWO–PPC)和基于蜣螂优化算法的投影寻踪(Dung Beetle Optimizer-Projection Pursuit Clustering,DBO–PPC)4种群智能优化算法构建矿区生态环境质量评价方法,并利用平均相关度进行精度验证。结果表明:①DBO–PPC模型的平均相关度和类内聚集度均高于PSO–PPC模型、FOA–PPC模型和GWO–PPC模型,且与EI指数更接近,表明DBO–PPC能更好的评估研究区生态环境;②基于DBO–PPC模型的张家峁矿区2000—2023年生态环境质量均值为0.4,生态环境质量以差和较差等级为主,面积占比约55.94%,空间上呈西部差东部好,常家沟水库的生态环境在研究期内表现为优等级,矿区东北部和中部区域的生态环境较好,植被覆盖较多;③矿区发生沉陷面积占比为81.28%,沉陷最大值达−0.15 m;采区发生沉陷现象面积占比明显高于矿区,占采区面积的89.56%,生态环境质量以−0.0004的速率下降,表明采矿活动使得研究区的地表发生了沉陷,进而影响到生态环境。综上所述DBO–PPC模型在监测评价矿区生态环境质量方面具有较强的合理性,从而为矿区生态环境可持续发展提供技术手段。

“哨兵-2”卫星影像及C2RCC算法在太湖冬春季水色分析中的应用

利用太湖2019—2022年冬春季“哨兵-2”卫星10 m分辨率的MSI影像和SNAP软件C2RCC(Case 2 Regional CoastColour)模块,以适合浑浊、富营养程度较高、光学复杂的“二类水体”的C2X-nets为模式,开展太湖叶绿素a、总悬浮物浓度、透明度等水色参数反演。结果表明:冬春季太湖各湖区叶绿素a浓度处于较低水平,但4月中旬起有明显抬升;太湖西部沿岸区、南部沿岸区和湖心区总悬浮物浓度较高,表明这些湖区易受风浪影响,造成沉积物再悬浮;太湖东部沿岸区、北部湖湾及东太湖遥感反演的水体清澈度较高,可能与这些湖区冬春季沉水植物菹草的分布有关,菹草生长对水质有较好的净化效果。总体来看,基于C2X-nets模式的C2RCC反演算法从较高分辨率卫星遥感影像中提取的水色信息,能有效反映太湖冬春季水色指标的空间分布特征,可为湖体生态状况及动态变化的长期监测评估提供有价值的参考。

多源多特征集成的南水北调工程丹江库区湿地时空格局演变

丹江口水库是中国南水北调工程的关键水源区。随着城镇化发展以及大坝二次建设,库区湿地生态系统变化显著,亟需湿地生态科学监测。以丹江库区为例,依托Google Earth Engine(GEE)平台,首先采用已有土地覆盖数据集生成湿地样本集,其次整合Landsat影像、DEM等数据构建多源特征集合,并基于Jeffries-Matusita(JM)距离进行特征优选,使用随机森林(RF)算法实现了1985~2023年丹江库区湿地制图。结果表明:①本文提出的样本采集流程可有效提高样本质量,为长时序分类样本采集提供参考;②湿地分类特征优选后特征数由37个减为27个,分类总体精度变化不大,优选后的特征应用于丹江库区湿地分类的平均总体精度(OA)以及平均数量和分配分歧指数(QADI)分别为89.53%和0.0802,说明特征优选有效减少信息冗余,提高影像分类效率;③1985~2023年,丹江库区湿地面积呈波动增加趋势,从1985年的17839.85 ha扩大到2023年的28872.48 ha,面积增长38.12%。总体来说,丹江库区湿地生态系统呈现出逐步恢复和优化的良好态势。

三峡库区水土流失遥感监测及治理研究

三峡库区是长江流域生态环境系统的重要环节,库区生态环境问题备受关注。水土流失是影响三峡库区生态安全、制约库区发挥生态屏障功能的关键环境问题之一。2020—2022年,水利部水土保持监测中心的三峡库区水土流失遥感监测站组织实施了基于遥感技术的三峡库区水土流失动态监测,结合野外考察和数值模拟等手段,对库区土壤侵蚀因子与侵蚀模数进行计算,并对水土流失防治效益进行评价。结果显示:(1)林地和耕地是水土流失发生的主要区域;(2)在相同的土地利用模式下,地形较陡的区域更易发生强度较大的水蚀;(3)2020—2022年,库区水土流失面积呈减少趋势,减少速率约为264 km^(2)/年,水土保持措施面积则以865 km^(2)/年的速率增加,取得较好治理效果。在进一步工作中,可针对性地在坡度较大的水蚀区进行合理的水保措施布设,以进一步提高库区水土流失治理成效。本研究可为三峡库区水土流失治理和水保措施规划以及长江流域生态系统建设提供科学依据。

遥感统计推断理论与应用初探

提出一种新的介于遥感分类(定性分析)与遥感反演(定量分析)之间的遥感定性-定量分析方法,即遥感统计推断。遥感统计推断在理论上基于统计光学和概率分布变换,主要研究在一定区域范围内的地物参数的概率分布特征(如土壤的湿度、温度,水体盐度、叶绿素浓度等)如何改变和影响传感器所观测到的光学参数(如地表反射率、水体的遥感反射率等)的概率分布特征(称之为光谱概率分布),以及如何基于传感器观测到的光谱概率分布去反向推断地物参数在此区域内的统计分布特征,从而为刻画地物参数提供相应的定性与定量信息。相比于传统的遥感分类和反演,遥感统计推断的优点在于:(1)能够快速地获取地物参数的全局统计特征,如均值、方差、极值等等,而不需要反演分析每一个像素光谱,这一优点对于当前很多基于大数据、高分辨率的遥感应用尤为重要,因为有些应用部门的管理人员最感兴趣的往往是管理对象(如湖泊、水库、农田)的整体特征,他们并不需要知道在每一个像素处的地物参数的大小;(2)地物的光谱概率分布可以直接用于地物的分类研究,提供了一种有别于基于像素光谱签名特征的传统遥感分类的新分类方法,这种方法提供的是研究区域的整体分类(如一个湖泊的分类)而不是每个像素的分类(如水质的分类);(3)遥感统计推断可以为遥感反演建模提供辅助信息,基于这些信息调整反演模型的函数和/或参数,使得反演模型结果的统计特征与遥感统计推断的结果相匹配。该文简要介绍了遥感统计推断的一些基本概念、原理以及其相较于遥感分类和反演的优势、推断的适用对象和面向推断的遥感数据处理方法,分析了国内主要湖泊水体的光谱概率分布特征,并基于杭州西湖实地采测数据,提出了一种基于自展法(bootstrap-based)的用于推断关键统计分布参数(例如西湖悬浮颗粒浓度的平均值)的简易遥感统计推断方法。

基于BRDF校正的上海近海水体叶绿素a浓度反演

为了探究上海近海区水体生态状况,采用水色遥感技术,对叶绿素a浓度进行反演,考虑BRDF对反演的影响,基于Landsat-8遥感数据和水质实测数据,结合Lee模型和QAA算法对上海近海水体进行BRDF校正。结果表明:悬浮泥沙浓度是影响水体BRDF的主要原因之一;日光在非垂直入射时,角度对水体BRDF影响较小;BRDF校正后模型R2平均值达到0.9,提高了22.2%,RMSE平均值降低至0.74;BRDF校正前上海近海区叶绿素a浓度平均被高估2 mg/m^(3)。通过BRDF校正提高了叶绿素a反演精度,为近海水体水色反演研究提供新思路。

苏南运河植被覆盖度测算研究

研究采用植被指数(NDVI)法,运用ArcGIS对苏南运河区域2022年5—9月MOD13遥感影像数据进行处理,测算和分析苏南运河植被覆盖度。同时运用无人机航拍结合Photoshop像素计算分析方法,对部分河段的植被覆盖度进行验证。研究成果可为苏南运河健康评估、幸福河湖建设成效评估、生态修复、岸线开发利用等提供一定的参考,对于其他河道的植被覆盖度测算也具有参考性。

基于不同因子筛选方法的LightGBM-SHAP滑坡易发性研究

以重庆市黔江区为例,选取23个评价因子构建滑坡致灾因子数据库,利用地理探测器与皮尔逊-主成分分析2种因子筛选方法选择因子最优组合;基于Bayesian-LightGBM-SHAP混合模型进行滑坡易发性评价,并对模型精度进行验证,分析影响黔江区滑坡发生的主导因子.初始模型的AUC值为0.801,Pearson Correlation Coefficient-BayesianLightGBM模型AUC值为0.824,GeoDetector-Bayesian-LightGBM模型AUC为0.835;由因子重要性可知,多年平均降雨量、高程、POI核密度与距河流距离是滑坡发生的最主要因子,而输沙指数、水流动力指数与坡位对滑坡的发生影响较弱.因子筛选法-Bayesian-LightGBM相结合的混合模型能够提高模型的准确性,为构建合理因子数据库提供参考框架;通过与因子重要性的结合分析,验证了地理探测器能够准确探测各因子对滑坡发生的贡献值,突出各滑坡地理因子组合之间的相关性,从而探究各因子与滑坡之间的关系.

近30年天山北坡改进型遥感生态指数时空变化及其驱动因素

天山北坡是西北地区重要的生态功能区和重要经济带,受气候变化和人类活动的影响,脆弱的生态环境面临着巨大挑战,但目前对该地区生态环境质量时空变化、特征及驱动力的认识较少。为此,本文利用改进型遥感生态指数(ERSEI)、空间自相关分析、多元线性回归分析和地理加权分析方法揭示天山北坡1990、2000、2010和2020年4个时期生态环境质量时空变化、特征及其驱动因素。结果表明:(1)1990-2020年天山北坡ERSEI先大幅下降后逐渐恢复并持续上升,生态环境质量逐渐改善并趋于稳定,总体呈“东优西劣”的空间格局;(2)天山北坡生态环境对气候变化较为敏感,温度是ERSEI变化的最重要驱动因子;(3)不同驱动因素对ERSEI的影响存在显著的空间异质性,自然因素对局部ERSEI空间分异起主导作用,人为因素则对年际ERSEI变化产生重要影响。这表明气候变化和人类活动显著影响ERSEI变化,未来应科学规划各类经济活动,减缓气候变化效应,提升天山北坡生态安全和环境可持续性。

遥感技术在水生态环境管理的应用探究

现阶段的水生态环境管理中广泛应用遥感技术,以红外遥感技术、无人机遥感技术、微波遥感技术、高光谱遥感技术为主。为持续提高水生态环境管理水平,应该注重遥感技术的推广应用,重点监测与分析悬浮物质、水质、水温、藻类水华、水体深度这些关键信息,确保各种遥感技术得到科学有效的应用,助力水生态环境管理水平的提高。为此,概述了遥感技术,介绍了水生态环境管理中常用的遥感技术,并从水体浑浊度检测、水体热污染检测等方面探究了遥感技术在水生态环境管理的应用。

云南省生态环境质量与生态修复区识别

[目的]分析云南省生态环境时空变化,识别生态修复优先序,为该省低碳的可持续发展提供科学依据。[方法]基于遥感生态指数(RSEI)研究生态环境质量时空变化及空间相关性,与区域生态系统碳储量及生态保护红线结合识别云南省生态修复优先序。[结果]①22 a间云南省RSEI均值呈S形变化趋势,分别以2005年和2011年作为上升和下降的拐点。②2000—2022年空间上生态环境质量均表现为“西高东低”的态势,西部地区生态环境质量较好,而中部城市群及东部喀斯特地区生态环境质量较差。③2000—2005年受退耕还林政策的影响生态环境质量变好。2005—2011年则因旱灾和建设用地的剧烈扩张导致生态环境质量大幅下降。2011—2016年是旱灾后恢复时段,除中部城市化快速发展地区外,其他地区生态环境质量在逐渐恢复。2016—2022年受国家政策的影响,生态环境质量进一步变好。④云南省生态环境质量在空间上表现出明显的空间全局与局部自相关。⑤2000—2022年云南省碳储量呈先增加后减少的趋势,22 a间总碳储量减少2.38×10^(7)t,在空间上总体表现为“南北高,中间低”的地带性分布特征。⑥云南省生态修复极优先区主要分布在北部及东部地区,约占总面积的18.08%,生态修复优先区及中等优先区则分布较为广泛,约占总面积的70.17%。生态修复一般优先区主要位于普洱市等地,约占总面积的11.76%。[结论]云南省2000—2022年生态环境质量在时空上均呈现一定规律,在此基础上进行生态修复区划分,因地制宜地治理生态环境,推进云南省生态及低碳的可持续发展。

基于Sentinel-2数据的苏州消夏湾生态安全缓冲区植被生长状况遥感监测评估

利用2021—2022年Sentinel-2卫星搭载的多光谱成像仪(MSI)遥感数据,通过SNAP遥感软件提供的植被生物物理参数处理模块(Biophysical Processor),反演了苏州消夏湾生态安全缓冲区的5种植被生物物理参数,包括植被吸收光合有效辐射比例(FAPAR)、植被覆盖度(FVC)、叶面积指数(LAI)、冠层叶绿素含量(CCC)和冠层含水量(CWC),开展植被生态环境监测评估研究。结果表明,该生态安全缓冲区2021年建成并投入运行后,植被覆盖度和生物量有所增加,区域植被冠层结构有所改善,植被生物物理参数从一定的角度反映了消夏湾生态安全缓冲区发挥了生态涵养成效。该研究方法能在大尺度上快捷、高效地反演植被生物物理参数,可为通过植被遥感动态监测评估生态安全缓冲区的生态功能提供有益的借鉴。

天山北坡经济带植被覆盖度动态变化研究

为探明天山北坡经济带植被覆盖度时空变化及其原因,本研究基于MODIS13Q1NDVI数据、气象数据、地形数据、人文数据,基于Google Earth Engine(GEE)平台,利用Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall显著性检验和稳定性分析方法,探究2000-2020年天山北坡经济带植被覆盖度(FVC)时空变化特征及其影响因子.结果表明:天山北坡经济带的FVC表现为两条平行的高覆盖度带.其中中部地区具有较高的植被覆盖度,而边缘地区的植被覆盖度相对较低.2000~2020年间,天山北坡经济带的FVC在时空上呈轻度变化,约占总变化的70%.植被改善区域主要呈现带状分布,集中在研究区的中部,而植被减少区域主要分布在研究区的南缘.整体上,天山北坡的植被覆盖度呈现出西北至东南的相间分布趋势,并且有逐渐上升的趋势.与东部地区相比,西部地区的植被改善更为明显.2000~2020年间,天山北坡经济带的FVC整体上表现出较高的稳定性和较小的波动,其变异程度介于弱变异和中等变异之间.但是,在克拉玛依市北部、乌鲁木齐市西南部以及研究区南缘的零星地区,FVC存在较强的变异.通过地理探测器模型对天山北坡经济带FVC影响因素的研究表明,人类活动(人口密度、夜间灯光和土地利用类型)是FVC空间分异的主要解释因素.从驱动因素来看,人口密度P值为0.283,对FVC影响最大,夜间灯光P值为0.125,土地利用类型P值为0.179.

山东南四湖菹草时空分布及其对水环境的影响

为了解南四湖菹草种群的变化特征及其对水环境的影响规律,利用遥感影像技术监测南四湖2017—2022年菹草时空分布格局,从透明度(SD)、溶解氧(DO)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、叶绿素a(Chla)6个指标分析菹草在不同生长史阶段对水环境的影响。结果表明:2017—2020年南四湖菹草面积一直处于增长趋势,从2017年的208.65km^(2)快速增长到2020年的311.81km^(2),增长率达49.44%;2021年菹草面积有所减少,2022年较2021年有所增加。菹草在整个生长周期内对水环境产生双重影响,菹草生长过程中吸收水体中的N、P等营养盐,增加水体DO,有利于改善水体理化性质;但菹草死亡腐败后,分解产生较多有机质,使得COD浓度升高,同时消耗水中DO、Chla含量逐渐增加,导致水体透明度下降,引起水质恶化。为保障水质安全,应加大菹草综合治理和资源化利用研究,合理控制菹草的生长规模。

露天煤矿排土场长时序植被碳汇分级方法构建及分析

植被碳汇是露天煤矿生态环境评价的重要指标,精确反演植被碳汇并进行准确分级对探索矿区生态修复至关重要。为此,提出一种基于粒子群优化算法的露天煤矿植被碳汇分级方法。基于Landsat遥感影像和气象数据,采用光能利用率模型,反演出内蒙古胜利一号露天煤矿区2005-2020年间排土场的植被碳汇时空分布;通过构建目标函数并迭代计算,获取了该区植被理想光能利用率、最佳气温和降水条件,量化并建立了植被碳汇分级标准;对不同时期各个排土场的植被碳汇结果进行分级,并对分级面积和占比的时空变化进行分析。结果表明:(1)2005-2020年间研究区植被固碳能力呈上升趋势,年均增长值和增长率分别为1.43gC/(m^(2)·a)和6.97%。(2)各排土场生态修复后,植被碳汇值大幅提高,极高和高植被碳汇区面积不断扩大。(3)排土场生态修复效果存在差异,南北排土场表现最佳,沿帮次之,内排土场相对较差。到2020年南、北排土场极高植被碳汇区面积分别达0.94和0.92km2,占比为92%和94%;沿帮排土场极高和高植被碳汇区面积达3.64km2,占比66%;内排土场极高植被碳汇区面积增长至1.22km2,占比达31%;2020年南、北和沿帮排土场已不存在极低植被碳汇区。研究成果不仅为露天煤矿生态环境评估提供了重要的数据支持,也为矿区生态修复策略制定提供了科学依据。

川西北高原区植被覆盖变化及驱动力

[目的]了解川西北高原区植被覆盖变化规律及驱动力,为区域植被保护与恢复建设提供理论参考。[方法]以MODIS NDVI为基础数据,结合Sen氏趋势、Manna-Kendall检验及Hurst模型完成该地区近20年空间分布特征、趋势变化和未来可持续状态分析,以地理探测器对其驱动力进行探索。[结果](1)该地区植被覆盖整体表现为东部相对较好;(2)全时段内,全域80.56%的地区植被覆盖变化趋势为无显著改变,显著改善地区全域面积占比为17.80%;(3)Hurst指数表明,未来全域植被覆盖整体将处于无显著改变的发展状态;(4)高程、年均气温和土壤类型的单因子解释力均在30%以上,它们是驱动植被覆盖分布格局差异形成的主要因素,各因子交互协同作用均为增强效果,各因子适宜植被生长的区间或类型也存在明显差异;(5)自然因素主导了区域植被覆盖空间分布总体格局的形成,而土地利用类型则是驱使其动态变化的关键因素。近20年内,川西高原区植被覆盖变化规律显著,自然因素主导了区域植被覆盖的空间分布格局。[结论]近20年研究区植被覆盖变化规律明显,自然因子虽然主导了植被覆盖的空间布局,但是对其格局变化产生驱动作用的因素主要为人类活动。

2013―2021年南京热环境时空演化及扩张驱动机制研究

基于Landsat 8 OLI-TIRS遥感影像,利用辐射方程算法反演得到南京市地表温度数据。从数量和速度方面揭示南京市2013―2021年间热环境景观的时空变化特征,并进一步利用核密度分析和空间质心迁移轨迹揭示热环境景观的空间演变特征。此外,借助PLUS模型探究了2013―2021年热环境景观的驱动机制。结果表明:(1)2013―2021年间中温区景观在研究区占主导地位,其中2017―2021年热环境景观变化最强烈,其综合热环境动态度为23.94%。(2)低温区的核密度高值主要位于水域和林地,北部集聚特征较为明显;次低温区的核密度分布特征表现为北部和南部较密集且破碎化明显;中温区的核密度分布呈“中间少四周多”的格局;次高温区景观呈多核心增长的趋势;高温区景观集聚特征最为显著,主要分布于长江两岸及各市区的中心地区。(3)低温区质心迁移速度最快,整体上向东北方向移动了21.30 km;次低温区质心迁移速度由慢到快,先向西北移动9.52 km,后向东南移动17.88 km;高温区、次高温区、中温区质心整体向西南方向偏移,移动距离分别为19.99、4.77、4.04 km。(4)从不同热环境景观扩张的驱动因子来看,低温区、次低温区和中温区扩张的驱动力主要是受高程的影响,次高温区和高温区扩张的驱动力主要是距住宅距离和距工厂距离。本研究对于加强南京地表热环境的监测和促进城市生态环境可持续发展具有重要的参考意义。

多情景下张家口市土地利用变化及碳储量分析

土地利用改变促进生态系统碳储量变化,进而对全球气候产生影响,研究土地利用变化对碳储量的影响,对区域生态系统和实现经济可持续发展具有重要意义。该研究以张家口市为例,基于2000年、2010年和2020年土地利用数据,结合PLUS模型和InVEST模型分析土地利用变化与碳储量的关系并对未来不同情景下的碳储量进行评估。结果表明:(1)张家口市土地利用类型以耕地和草地为主,占该地区总面积约71%。20年间,耕地和草地面积呈下降趋势,林地、建设用地面积呈现增长态势,其主要转换方向为耕地转为建设用地。(2)2030年,自然发展情景下,耕地、林地、水域均有所下降,草地、建设用地和未利用地有所增长;生态保护情景下,林地和草地相较自然发展有所增加,其余地类均有不同程度的减少;耕地保护情景下,耕地面积相较于自然发展情景增加约1.11 km^(2)。(3)过去20年间,该区域碳储量先上升后下降,但总体碳储量依然呈现下降趋势,年均下降0.19×10^(6)t;2030年自然发展情景下,碳储量为766.43×10^(6)t;耕地保护情景下,碳储量为767.28×10^(6)t;生态保护情景下,碳储量为768.5×10^(6)t。耕地保护碳储量介于自然发展和生态保护之间,因此张家口市在未来发展中应实行耕地优先发展前提下采取一定生态保护措施,以减缓碳储量下降速率。

基于数字岸线分析系统(DSAS)的湖泊岸线时空演变特征分析——以升金湖为例

为了揭示2000—2020年升金湖岸线时空演变特征,运用数字岸线分析系统(DSAS),以5个年份的Landsat遥感影像为数据源,对湖泊岸线的时空演变进行定量分析。结果表明:2000—2020年期间,升金湖岸线的变化主要集中在杨峨头、佘干、大州、七星墩、唐田以及马料湖附近,影响湖岸线变化的主要因素包括降水和水产养殖、乱砍滥伐、过度灌溉等人类活动。2000—2015年湖岸线变化趋势复杂,扩张和收缩并存,这个阶段影响湖泊岸线变化的主要因素是水产养殖、乱砍滥伐、过度灌溉等人类活动。在升金湖环境得到改善之后,2015—2020年降水成为影响湖泊岸线变化的主导因素,由于降水量的增多,大部分岸线缓慢增长,佘干附近的湖岸线增长明显。升金湖上湖草滩退化严重,淤泥堆积,且受人类活动干扰较多,导致佘干附近湖泊岸线波动频繁,变化剧烈。下湖神头山和唐田附近受乱砍滥伐的影响较大,岸线变迁较为频繁。马料湖附近水田较多,过度灌溉导致马料湖附近湖岸线小范围收缩。研究结果可为湖泊生态环境保护和监测提供理论基础。