中国遥感干旱指数时空特征及其对气候和地表覆盖变化的响应

干旱严重影响植被生长,威胁粮食安全,基于遥感计算的植被状态指数(Vegetation Condition Index, VCI)、温度状态指数(Temperature Condition Index, TCI)和植被健康指数(Vegetation Health Index, VHI)是常用的干旱指数,被广泛应用于干旱监测。为了探究近年来我国干旱特征及其对气候和地表覆盖变化的响应,分析了2003—2016年期间VCI、TCI和VHI的时空变化特征;采用最小二乘(OLS)和偏相关分析方法分析了这些指数对气候和地表覆盖变化的响应。基于上述干旱指数计算的干旱频率表明,中温带中部和南温带等地区干旱发生频率高,干旱指数变化趋势表明在2003—2016年期间中国大部分地区干旱缓解,但在中温带、南温带和高原气候区等局部地区干旱加剧;总体而言,干旱指数随着年平均温度的上升和年降水量的降低而减小,VHI与温度和降水量的相关性在不同气候区的一致性优于VCI和TCI;裸土的减少和植被的增加导致干旱指数增大,树木转变为低矮植被干旱指数降低。

广西喀斯特地区植被覆盖度和净初级生产力对SPEI干旱指数的响应差异

干旱是影响广西喀斯特地区植被的最主要气象灾害,选择合理的遥感植被参数能更客观地反映干旱对植被的影响。本研究选择植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)和净初级生产力(net primary productivity,NPP)分析喀斯特地区不同地形条件下和不同林种FVC和NPP对标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evaportranspiration index,SPEI)的响应差异,为喀斯特地区植被干旱影响定量化评估提供科学依据。结果表明:(1)喀斯特地区FVC和NPP对SPEI响应具有明显季节性差异,FVC和NPP对SPEI的响应一致性在春季最高,夏季次之,秋季差异最大。(2)不同林种FVC和NPP在年尺度上对SPEI响应差异小,但季节尺度响应差异大。年尺度上,FVC和NPP对SPEI响应敏感性大小分别为经济林>桉树类>松树类>阔叶林>杉木类>灌木林>竹林、经济林>松树类>桉树类>阔叶林>杉木类>灌木林>竹林,FVC和NPP对SPEI响应均以经济林最敏感,竹林最不敏感。季节尺度上,仅少部分林种具有相似性,夏季桉树类、秋季阔叶林的FVC和NPP对SPEI响应敏感性均最低,冬季桉树类的FVC和NPP对SPEI响应敏感性均最高。(3)不同地形条件下植被对SPEI响应也具有差异,但较不同林种小。年尺度上,FVC和NPP对SPEI响应敏感性分别为平原>山地>高山、平原>高山>山地,两者对SPEI响应的敏感性在平原地区均最高。季节尺度上,不同地形条件下FVC和NPP仅在夏季和冬季对SPEI响应敏感性大小有差异,夏季FVC对SPEI响应为平原>山地,冬季FVC对SPEI响应为平原>高山,NPP则相反。

基于植被覆盖度-地表温度的深层土壤湿度遥感反演

利用MODIS影像数据,在地表温度和植被覆盖度(Ts/Fr)特征空间基础上反演了江苏省仪征地区2004年5月、9月和11月40 cm土壤湿度。反演结果显示,5月土壤湿度值最大,9月次之,11月最小。5月土壤湿度高值区主要位于南部靠近长江沿岸地区和北部谷底平原地区,低值区主要位于中部缓岗丘陵地区。利用实测资料进行模型检验表明,本研究反演出的土壤湿度精度较高,遥感反演的40 cm土壤湿度的平均相对误差达7.6%。

MODIS产品反演与WRF模式默认植被覆盖度对比研究

WRF模式气候态植被覆盖度GVF数据集的制作源于卫星遥感资料,由于制作时间较早代表性逐渐变差,最新的MODIS遥感产品可用于WRF模式下垫面数据集的更新。本文利用2013年MODIS卫星遥感产品反演的植被覆盖度更新WRF模式默认的气候态数据集,进一步利用WRF模式计算与GVF相关的地表参数,并与WRF模式默认数据进行对比。结果表明:利用MODIS更新后的GVF在2013年不同季节均较WRF模式默认的气候态GVF偏高,尤其是中国南方和东北地区表现的"更绿";MODIS制作GVF的原数据空间分辨率为1 km,较WRF模式默认数据集的分辨率更高,适合高分辨率中尺度模式下垫面数据集的更新,更新后的GVF数据更细致,尤其是夏季城市下垫面GVF较周围偏低非常明显;通过分析GVF变化引起的叶面积指数、地表反照率和地表发射率的变化可知,农作物植被类型叶面积指数的变化最显著。东北地区森林覆盖虽较广,但由于森林的叶面积指数年季变化相对较小,叶面积指数增量并没有农作物的明显。地表反照率和地表发射率也与WRF模式默认值有一定的差异。通过对比可见,更新后的GVF对WRF模式下垫面描述有一定的影响,需进一步开展季节尺度的模拟试验,对比植被覆盖度的变化对WRF模式模拟的影响。

基于Landsat ETM+影像的干旱半干旱地区地表温度反演研究与分析

利用武威地区2008年5月30日的Landsat ETM+第六波段数据,经过大气和比辐射率校正后,运用单窗算法反演武威地区地表温度,得出该地区夏季地面温度场的分布规律。结果表明,冰川表面温度最低,针叶林及绿洲次之,沙漠最高,地表温度以绿洲为中心从里到外呈带状分布。并运用归一化植被指数(NDVI)计算该地区植被覆盖度(Fg),进一步研究植被盖度及归一化植被指数与地表温度的相互关系,结果表明几种典型地物随NDVI值的减小,温度呈递增关系,植被盖度与地表温度成线性负相关。

多时相影像福州市不透水面对城市地表温度的空间分布研究

随着城市化进程的加快,城市热力场也随之发生变化,从而影响着城市区域环境、社会经济以及社会环境。由于NDVI具有季相变化的不稳定性,本研究采用两个时相TM/ETM+影像分析福州市及其周边地区不透水面对热力场的时空分布变化状况。为了获取精确的城市不透水面信息,本实验采用NDVI二元法结合2000年同区域的IKONOS影像提取不透水面信息。通过定量分析不透水面百分比、NDVI与地表温度的关系,得出不透水面百分比与城市地表温度呈线性相关,其相关系数在0.7左右;尤其30%以上的不透水面对地表热环境的空间分布影响最为突出,因此,相对于不稳定的NDVI而言,不透水面信息能更好地反映城市热环境的空间分布状况。

基于遥感技术的老龙口水库地表温度反演与影响因素分析研究

地表温度是衡量地球环境的重要因素,是全球能量平衡的重要参数。为研究地表水源地的地表温度时空变化特征及其影响因素,选取2013年、2015年、2017年及2020年Landsat-8卫星遥感影像作为数据源,运用辐射传输方程法及单窗算法对珲春老龙口水库地表水源地地表温度进行反演,得到该算法的地表温度反演图。通过实测值,对反演结果进行评价并比较了两种算法的精度,且通过稳健统计法对老龙口水库温度进行了等级划分,研究地表温度时空变化特征,同时分析地表温度与影响因子之间的关系。结果表明:(1)相对于单窗算法,辐射传输方程法精度较好,反演温度与实测温度之间的平均误差在2℃以内。(2)研究区主要为次低温区和中温区,2013-2020年中温区范围增加幅度较大,城市建设用地平均地表温度最高,高山及水体平均地表温度最低。(3)高程及归一化植被指数NDVI均与地表温度呈负相关,海拔升高温度降低,增加植被覆盖度可对地表起到降温作用。

植被覆盖度的提取方法研究综述

常用的植被覆盖度估算方法有地表实测和遥感监测两种,分析其特点及适用范围,得出如下结论:地表实测法由于人力、物力等诸多因素的制约,不适合在较大范围内作为唯一的测量方法推广,但可以对遥感监测精度评价和验证提供基础数据。回归模型法小范围内有较高精度,但对实测数据的依赖性较强。植被指数法与像元分解法,由于不受实测数据的制约,目前使用比较广泛,但在实际应用中,仍应根据地表情况,与其他方法综合使用,以便提高植被覆盖度提取精度。

基于Landsat的六盘水市地表温度反演分析

将六盘水市作为研究区,对该城市的地表温度进行探究分析。以2015年该城市的Landsat8卫星影像作为主要数据源,采用ENVI、ArcGIS等软件对六盘水市的影像数据进行归一化处理,可以得到六盘水市城市地表温度等级分布图、植被覆盖度等级分布图、归一化建筑指数等级图、归一化水体指数和地表比辐射率等级分布图。并对得到的结果进行对比分析可以得到如下结果:地表温度与植被覆盖度呈负相关;归一化建筑指数、地表比辐射率与地表温度呈正相关;归一化水体指数对地表温度的影响随着气温的升高呈负相关,反之亦然。

六盘山生态旅游区旅游步道对人类践踏干扰的响应研究

从生态系统响应和游客主观认知的双重视角，对六盘山旅游区旅游步道对人类旅游践踏干扰的响应进行了研究。结果表明：①自然状态下旅游践踏干扰主要集中在旅游步道边缘1—3m范围内，但不同生态系统差异较大。在调查的3个景区中，小南川景区乔灌草生态统主要集中在旅游步道1m左右；凉殿峡景区高山草甸生态系统集中在1—2m之间；野荷谷景区华北落叶松林下生态系统则达到3m左右；②采用地表覆盖物响应指数（Index of Land Cover Impact，IL-CI）和游客可接受改变限度（Limits of Acceptable Change，LAC）来衡量受干扰旅游步道响应程度，在1m范围内各调查样区ILCI均达到4级或5级严重冲击程度；1—2m间以凉殿峡景区ILCI值较高（39％），介于1—2级之间，而小南川与野荷谷景区儿口值属1级轻微影响；3m及以外三者影响基本较小。游客对游道沿线土壤裸露度可接受改变限度为55．7％，3个调查样区1m范围内植被覆盖减少率（CR）均超过此水平；③调查样区旅游步道响应强弱与游道坡度、边坡坡度以及游道宽度具有一定相关性；④地表覆盖物响应指数因与其它各响应变量间显著相关，可作为评估旅游干扰系统响应的一项简易而有效的指标。研究结果也表明，目前旅游践踏干扰已对游道沿线环境以及游客游憩体验产生了一定的负面影响。因此，改变目前景区开发无序状态，加强旅游步道规划设计和游客行为规范，建立长期环境监测系统，将对制定防治游憩冲击策略，促进六盘山生态旅游区可持续发展具有重要指导价值。

塔里木河下游近20年植被演化特征对生态输水的响应

在塔里木河下游实施生态输水后,生态环境得到了初步改善。为评估生态输水后植被对输水水量以及地下水水位的响应,本研究以塔里木河下游的植被为研究对象,采用近20年长时间序列的植被净初级生产力(NPP)、归一化植被指数(NDVI)、蒸散量(ET)以及物种多样性Simpson指数,分析生态输水工程实施以后对下游植被生长状况的影响,运用相关分析揭示了生态输水水量与NPP、NDVI、ET以及物种多样性的相关关系。结果表明:(1)生态输水的水量与NPP和NDVI之间有显著的正相关关系,生态输水主要通过影响NPP和NDVI促进植被恢复。(2)干旱区人为因素干扰下,生态输水成为抬升地下水水位的有效措施。地下水抬升幅度整体大于1.38 m,且随着输水量的增多,抬升幅度增强。(3)生态输水使得下游植被面积、NPP以及ET全面提升,植被物种多样性逐步趋于稳定状态。植被面积显著扩大;2011年后,植被生产能力趋于增强;植被物种多样性Simpson指数总体上升,物种结构趋于稳定;表明塔里木河下游的植被生长状况得到改善。因此,生态输水后天然植被的覆盖度上升,植被生长状况好转。研究结果可以为塔里木河下游的植被恢复提供科学参考。

Landsat8热红外波段地表比辐射率估算方法改进

地表比辐射率是地表温度反演的关键输入参数,为了解决现有Landsat8热红外波段地表比辐射率估算方法较复杂的问题,基于ASTER光谱库数据和植被指数混合模型,提出一个适用于Landsat8热红外波段地表比辐射率的估算方法。采用MODIS地表比辐射率产品、地表温度产品与地面气象站点气温数据验证表明:估算得到的地表比辐射率同MODIS地表比辐射率产品平均相对误差小于0.005,相关系数0.8以上。运用估算的地表比辐射率数据反演得到的地表温度同气温数据的绝对误差小于1℃。由此得出结论,该方法可以较好的估算出Landsat8热红外波段地表比辐射率,可以支持生产高精度地表温度产品。

长江三峡库区典型生态环境要素时空演化遥感分析

长江三峡工程建成后,广泛而深远地影响了周围生态环境。本文基于长时序Landsat TM/ETM/OLI影像,对三峡库区近25年来(1998—2017)的植被指数、植被覆盖度、地表温度、不透水层覆盖度指数进行遥感提取反演,制作专题地图,对其时空演化、分布规律和影响机制进行分析。

天祝高寒草原区NDVI，DEM与地表覆盖的空间关系

在GIS支持下,以时间分辨率为草原区植被一个完整生长周期,以空间分辨率15 m×15 m的TM/ETM遥感影像的NDVI指标为数据源,采用目前较为流行的主成分变换法(PCA),结合土地利用类型图和数字高程模型(DEM),参考相关的地理基础图件,对天祝高寒草原区地表覆盖进行分级分类。运用叠置分析法研究了不同海拔高度和不同地表覆盖下NDVI变化情况;同时分析了NDVI与DEM、地表覆盖三者之间的空间关系。此次研究对环境较为特殊的高寒草原区植被分布及变化监测有重要的意义。

桂林市典型园林绿地与水体的降温效应研究

随着城市化的快速发展,城市热岛现象也越来越突出。作为城市生态系统中两种重要的地物类型,园林绿地和水体对城市热岛均有明显的降温效应,因此对其进行定量研究具有重要意义。以桂林市建成区为研究对象,利用TM影像数据提取了区域的地表温度（LST）、植被覆盖度（FV）以及改进的归一化差异水体指数（MNDWI）等生物物理信息,同时借助空间统计和缓冲区分析方法,对区域典型园林绿地和水体地表温度的空间特征及其相关性进行了定量研究。结果表明：桂林市5城区的地表温度以低温区和中温区为主。高温区与极高温区也占有较大比例,两者占市区总面积27.8%,较全市平均地表温度高约2~4℃,整体上呈现显著的热岛效应。城市中园林绿地和水体的平均地表温度分别为26.76和24.86℃。相关性分析揭示,城市园林绿地和水体面积与其内部地表温度呈现极显著负相关关系（sig=0.001）,园林绿地的FV、水体MNDWI则呈显著负相关关系（sig=0.015和sig=0.038）,说明地表温度随着上述参数的增大而降低。除典型水体面积与地表温度的拟合曲线为对数函数之外,其他参数的最佳拟合效果均为线性。缓冲区分析说明,不论是城市园林绿地还是水体,都会对外围一定区域的热环境产生影响。伴随城市园林绿地与水体样区缓冲带距离的增大,外围区域的地表温度呈上升趋势,但这种趋势随距离变化在不断减弱,其有效影响范围在距样区边界120~240 m处。通过对比研究发现,城市中较大面积的公园绿地或水体其降温效应要比面积较小者显著,而水体对于周围热场的影响和敏感度要强于园林绿地。

基于MODIS数据估算海河流域植被生态用水方法探讨

基于中分辨率成像光谱仪 (MODIS)数据和地面气象数据 ,建立了区域植被生态用水模型 .通过地表温度和植被覆盖度的“现状”三角关系 ,应用该模型计算了地表温度 植被覆盖度指数 (ITVC) ,结合植被系数法计算了地表植被生态用水 ,并用该模型的计算结果分析了海河流域的生态用水 .结果显示 ,基于“现状”三角法和植被系数法计算的植被现状环境用水与地表大型蒸渗仪实测结果较一致 .海河流域植被生态用水具有明显的区域分布特征 ,西部山区和中东部黑龙港及运东平原和大清河淀东平原区植被生态用水量比较低 ,而在太行山山前平原。

基于DEM分割小流域的水热效应评估——以福建省长汀县为例

以DEM分割小流域作为评估单元,利用遥感数据提取长汀县的植被覆盖度（ FVC）、陆地表面温度（ LST）和湿度指数（ WI）等作为评估因子,对长汀县水土流失治理的水热环境效应进行定量评估。研究表明：1）21年间,全县植被覆盖度增加明显,提高了15．57%,而河田盆地增幅最大,提高了23．48%,年均提高约1．12%；2）在回归分析中, FVC均值每增加10%,可降低LST均值0．54~1．01℃,可增加WI均值109．06~129．22；3）1988年—2009年,河田盆地内外温差由2．71℃降低到了1．09℃, WI差由589．63降低到了334．57,水土流失治理效果逐年改观。

基于全红外光谱的火点识别与林火灾后评估

以2018年底美国加州史上死伤最惨重、也最具破坏性的“坎普”林火(Camp Fire)为研究对象,根据近红外、短波红外和热红外光谱段对林火灾害不同生命周期的敏感度,采用归一化燃烧指数NBR、热红外地表温度LST和归一化植被指数NDVI等模型进行灾时高温火点识别及溯源、灾后植被损失和植被恢复模式评估。结果表明,dNBR高于0.1的烧伤区域面积占比达66.53%,其中高强度烧伤区超19%;火灾造成平均植被覆盖度下降11.55%。经LST反演识别的7个典型高温火点受灾状况远高于其他区域,NDVI和FVC最高降幅为0.45和49.4%,分别是全区NDVI和FVC降幅的7.4倍和6.9倍,可见热红外LST反演技术在高温火点精确定位和受灾程度定量判定上的高效和准确程度。灾后植被恢复研究表明,林火对高植被覆盖区破坏较为严重。灾后1 a内植被恢复速度较慢。过火区总体植被恢复情况较差,部分区域出现土壤退化的现象。预计植被完全恢复还需要更长的时间。

地表通量对模型参数的不确定性和敏感性分析

基于2007年12月22日～2009年12月31日黑河流域阿柔冻融观测站的气象驱动数据,利用通用陆面模型(Common Land Model,CoLM)模拟的地表通量结果,研究地表通量对模型参数(叶面积指数、地表反照率和植被覆盖度)的不确定性与敏感性。结果表明,叶面积指数、地表反照率和植被覆盖度对地表感热和潜热通量不同组分的影响存在较大的差异。其中,植被层的感热和潜热通量对叶面积指数的敏感性程度较高,敏感系数均达到0.7以上;与潜热通量相比,感热通量对反照率更加敏感,土壤感热、植被感热和总感热通量对反照率的敏感系数分别达到-0.96、-0.97和-0.66,而土壤潜热和总潜热通量对地表反照率的敏感系数仅为0.1左右;植被潜热通量对植被覆盖度的敏感性程度很高,敏感系数范围为0.92～0.96,而土壤感热通量对植被覆盖度最不敏感,敏感系数只有0.18左右。