水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型

对水稻氮素含量与原始光谱反射率、一阶微分光谱以及高光谱特征参数间的相关性进行了分析,并构建和验证了以遥感参数为自变量的水稻氮素营养诊断模型.结果表明:氮素含量在水稻各器官中总的变化趋势为茎<鞘<穗<叶;各器官在可见光波段的光谱反射能力为叶<穗<鞘<茎,在近红外波段则与此相反.以波长796.7nm处的光谱反射率和738.4nm处的一阶微分光谱反射率为自变量的线性模型和指数模型的决定系数(R2)分别为0.7996和0.8606,二者均能较好地诊断水稻氮素营养,但最适合诊断水稻氮素含量的拟合模型是以植被指数的归一化变量(SDr-SDb)/(SDr+SDb)为自变量构建的水稻氮素营养高光谱遥感诊断模型[y=365.871+639.323(SDr-SDb)/(SDr+SDb),R2=0.8755,RMSE=0.2372,相对误差=11.36%],该模型可定量诊断水稻氮素营养.

联合MODIS与MISR遥感数据估算叶面积指数

多光谱传感器MODIS与多角度传感器MISR同时搭载在美国EOS观测计划的Terra卫星上,不同的观测方式使得两个传感器的数据组合后形成互补的多光谱多角度观测数据集,为地表参数的遥感估算提供了更多的对地观测信息。该文通过研究组合MODIS与MISR两种观测数据估算陆地表面植被覆盖区域叶面积指数的方法,发展了在物理模型反演的框架内引入基于伴随模型和信赖域优化的反演模式,改进了叶面积指数的遥感估算效果,提高了模型反演的运算速度。对试验区反演结果的验证说明融合两种数据源可以提高叶面积指数的估算精度。基于伴随模型和信赖域优化的地表参数反演方法,为应用于大范围遥感图像数据的模型反演提供了一种有效的途径。

耦合辐射传输模型的植被含水量遥感改进监测

基于耦合的叶片与冠层辐射传输模型,研究并使用了改进的植被指数提取植被含水量,以实现植被水分含量的遥感监测.使用PROSAIL模拟的高光谱数据,首先对NDVI、WI、NDWI、MSI、CSI及NDII等已有的植被指数提取含水量进行可行性分析比较.结果显示NDVI不能估算出植被含水量,CSI估算能力也不理想,其余四个指数WI,NDWI,NDII,MSI估算植被含水量时相关系数平方在0.76左右;之后对NDWI提取植被含水量进行了敏感因子分析,结果表明NDWI与MCARI具有较好的线性关系,从而得出改进的植被含水量估算方法.该方法可以较好地去除LAI的干扰,估算的相关系数平方提高为0.97,增加了27%,估算残差由初始的0.0156降低为0.00535,减少了65%.

遥感反演时间序列叶面积指数的集合卡尔曼平滑算法

基于MODIS LAI产品数据集(MOD15A2)构建经验性的LAI动态模型,以LAI作为连接参数,将LAI动态模型与植被辐射传输模型MCRM2相耦合,提出了将耦合模型与时间序列MODIS反射率观测数据集(MOD09A1)同化进行LAI反演的方案。将集合卡尔曼平滑(EnKS)方法引入到LAI同化反演中,为更好地评价该算法的适用性,还与集合卡尔曼滤波(EnKF)的LAI反演结果、MODIS LAI产品进行了比较分析。研究结果表明,采用EnKS方法的反演结果较为理想,与EnKF方法和MODIS LAI相比,EnKS方法反演的LAI时间廓线更平滑,更具连续性,符合实际的植被生长规律。基于EnKS方法的LAI反演方案,为提取时间连续的LAI廓线提供了一种有效的途径。

基于作物生长模型和遥感数据同化的区域玉米产量估算

为了将遥感观测到的玉米生长期间作物冠层方向反射波谱的时间序列变化信息用于区域玉米产量估算,该文将时间序列中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)数据和高空间分辨率LandsatTM遥感观测数据相结合,以叶面积指数(LAI)作为耦合作物生长模型(crop environment resource synthesis-Maize,CERES-Maize)和植被冠层反射率模型(scattering by arbitrarily inclined leaves,SAIL)的关键参数,提出了将耦合模型与时间序列遥感观测数据同化进行区域玉米产量估算的方案。该文选择吉林省榆树市为研究区,采用MODIS和LandsatTM2种尺度数据集,利用SCE-UA(shuffled complex evolution method developed at the University of Arizona)算法分别进行玉米产量同化估产研究,得到玉米单产空间分布的估计结果,结合遥感估算的种植面积求算榆树市玉米总产量。结果表明,与玉米统计总产量相比,2007、2008和2009年遥感数据同化估算的总产量误差分别为9.15%、14.99%和8.97%;与仅利用CERES-Maize模型模拟得到的产量误差相比,3a间遥感估算总产量的误差分别减小了7.49%、1.21%和5.23%,且采用MODIS和TM遥感数据估算的玉米产量表现了其空间差异性。利用榆树市3a间玉米产量的明显差异,分析了时序遥感数据对作物长势和产量变化信息的表达能力,同年份内时序归一化差值植被指数越大,对应的玉米产量越高;年际间遥感观测反射率的差异通过数据同化方法能够反映年际间玉米产量差的变化。该文提出的玉米估产方案为将来进一步结合多源遥感数据、植被冠层反射率模型与作物生长模型进行区域玉米估产研究提供了参考。

喀斯特地区植被净第一性生产力遥感动态监测及评价--以贵州省中部地区为例

在光能利用率原理基础上,对CASA模型中的水分胁迫因子进行改进,将土壤水分含量作为一个直接变量引入模型,建立起针对于黔中部喀斯特地区的植被NPP估算模型;并与土壤水分层均衡模型进行有效耦合,得到模型所需的土壤水分含量,在此基础上,依托遥感和GIS手段,将模型扩展到区域尺度上,模拟出黔中部喀斯特地区2005年10月～2006年5月月尺度上的植被净第一性生产力动态变化特征,并以实测值进行了验证。结果表明:①该模型在数据获取上比较容易,仅利用地面气象数据和遥感数据就可以对陆地植被NPP进行估算,使其实际的可操作性得到加强;将土壤水分含量作为一个直接变量引入模型,从而可以从模型本身,对土壤水分与植被NPP的直接响应关系进行深入探讨,得到生态脆弱区植被生长的土壤水分敏感点,为区域植被建设和生态恢复提供一定的依据;②不同植被类型下植被NPP变化特征有着重要的差异。林地的植被NPP最高,平均值为19.89gC/m2,其次为灌丛,为19.01gC/m2,草地和农用地分别为16.71gC/m2和16.54gC/m2;林地、草地、灌丛和农用地等不同植被类型季节变化表现出同样的特征:春季>秋季>冬季,其中林地植被NPP平均值冬季14.62gC/m2,春季增加到26.26gC/m2,秋季又有所减少,为18.79gC/m2,其它植被类型也表现出同样的季相变化特征,与当地气温和地表太阳辐射的季节变化基本相同。

基于高光谱的大麦籽粒蛋白质含量遥感预测

利用高光谱信息检测作物籽粒蛋白质含量具有无损、快速的特点,而当前国内外开展大麦籽粒蛋白质含量高光谱遥感预测的研究并不多见。以内蒙古自治区海拉尔农垦大麦为研究对象,利用地面高光谱数据寻找大麦植株氮素含量的特征波段,分析了多种典型光谱植被指数与大麦植株氮素含量的相关关系;然后根据氮素运转规律,利用植株氮含量与大麦籽粒蛋白质含量之间的相关关系,构建了基于高光谱数据的大麦籽粒蛋白质含量遥感预测模型。结果表明:(1)550～590nm与670～710nm是大麦植株氮含量的敏感波段区域;(2)植被指数(green-red vegetation index,GRVI)与大麦植株含氮量的相关性最好,R2达到0.665 1。(3)大麦籽粒蛋白质含量与植株氮含量相关性高,建立了基于GRVI的大麦籽粒蛋白质含量的预测模型,R2达到0.658 1。最后,对构建的预测模型进行了验证,其精度达到了一定要求。该研究表明运用高光谱信息来预测大麦籽粒蛋白质含量是可行的,这将为大面积"按质论价"的大麦订单收购提供科学支撑。

贝叶斯最大熵及其在地球科学领域的应用进展

贝叶斯最大熵方法(bayesian maximum entropy,简称BME)是现代时空地统计学的重要组成部分。该方法采用统计学中的贝叶斯理论和信息论中熵的概念来认识和处理时空变量,可以将所研究时空要素的软数据和硬数据系统合理地综合到对该要素的空间估计和分析制图过程中。本文首先结构化梳理贝叶斯最大熵方法的原理,对理论较深奥、公式较复杂的贝叶斯最大熵方法及该方法的特点加以概括,同时归纳与总结贝叶斯最大熵方法在地球科学领域内多个方向的应用研究进展,最后对该方法及其应用作总结与展望。经国内外学者多年的研究和实践,贝叶斯最大熵方法已被证明在地球科学领域有着更广阔的应用前景。

北京西北部典型城市化地区不同土地利用类型土壤碳特征分析

城市化地区土壤碳库，既受到人类活动的强烈影响，同时又深刻地影响着城市化地区的碳循环过程．本文在采集北京市西北部典型城市化地区不同土地利用类型土壤样本的基础上，分析了不同土地利用类型下的土壤碳特征．分析结果表明：样本土壤总碳质量分数叫在0．918％～2．546％之间变动，城市林地、人工草地、山区林地样方的土壤总碳训较高，裸地最低，不同类型土壤差异并不十分显著．土壤有机碳w的变幅为0．196％～1．728％，不同类型土壤差异较为明显，最高为城市林地，其次为山区林地，最低为裸地；垂直方向上，自上而下土壤有机碳硼有明显减少的趋势，但裸地和园地的这种特征表现不明显．土壤有机碳密度的变幅为9．617-52．915（t·hm^-2），不同土地利用类型的土壤差异较明显，最高为林地，此次是园地，最低为裸地；同类型样方土壤有机碳密度，大致有城市内部高于城市边缘的趋势．土壤无机碳训的变化幅度为0．087％～1．275％，城市内部或城市用地样方，高于城市外围或农业用地样方．而土壤碳氮质量比的变幅在10．905％～98．953％之间，不同土地利用类型的土壤有着较为明显的差异，裸地表现出异常的高值，其次是人工草地，而耕地、园地、城市林地和山区林地都表现较低的碳氮比特征．总体而言，城市化地区不同类型的土壤，既表现出了自然状态土壤的一些特性，又有明显人为干扰的痕迹．

2001年-2009年中国及周边国家土地利用/覆盖变化分析

土地利用/覆盖变化能一定程度上反映国土开发变化特征,如何将传统的土地利用/覆盖变化研究与面向周边的国家区域发展战略相结合,成为土地利用/覆盖变化研究的新问题。基于研究区2001年、2009年两期M0DIS土地利用/土地覆盖数据,对土地利用/覆盖变化的格局、过程、驱动力进行了分析,进而提出了未来双边合作的方向。结果表明:2001年-2009年期间,除了水域和林地面积减少以外,草地、耕地、建设用地、未利用地面积都是增加的;除全球环境变化等自然因素外,国家政策、人口增长、经济发展等人类因素是土地利用/覆盖变化的主要驱动力。未来我国应注重与俄罗斯、印度、哈萨克斯坦等周边国家在森工、农牧业、边贸往来等领域的开发合作,维护边疆稳定,实现双边共赢发展。

便携式生态水文实验与监测系统(Eco-monitors)的集成与应用

生态水文实验与监测装置的研制对生态水文过程模拟、参数获取与结果验证具有重要意义。在合理创新基础上,构建了便携式生态水文实验与监测系统(Eco-monitors)。Eco-monitors由植被覆盖度动态获取系统(VC-DAS)、便携式光合作用测量系统、便携式人工模拟降雨装置、土壤水运动监测装置及径流/土壤水采样装置等功能模块组成。Eco-monitors及其各功能模块的集成与设计重点突出便携性特点,既包括现有产品如便携式光合作用测量系统、土壤水运动监测装置及径流/土壤水采样装置;也包括自主创新部分如植被覆盖度动态获取系统(VC-DAS)采用摄像头方案代替传统的数码相机,便携式人工模拟降雨装置采用人工压力泵,克服了蓄电池或电力传动装置供电要求高且难以携带的限制。Eco-monitors在多项研究项目中得到了成功应用。

规模化养殖畜禽粪便量估算及环境影响研究

利用规模化养殖的空间信息,结合面积比例法,获取畜禽养殖统计数据.在此基础上,进行了畜禽粪便量和纯养分估算及对土壤环境影响研究,辅以土壤耕层和亚耕层中有效磷含量及变化来阐释畜禽粪便对土壤环境污染的影响.以北京市大兴区为例,对该区规模养殖畜禽粪便量进行估算,评估了其对环境的影响,验证了该方法的准确性、合理性.结果表明,大兴区2005年耕地畜禽粪便磷养分负荷为93.72kg/hm2,其中规模化养殖耕地畜禽粪便磷养分负荷为57.56kg/hm2.耕层及亚耕层的有效磷含量远高于背景值,且变异系数分别为72.66%和79.12%,富集系数(耕层/亚耕层)为2.31,变异系数和富集系数进一步说明了规模化养殖畜禽粪便对土壤环境污染影响程度.

基于单通道算法的HJ-1B与Landsat 5 TM地表温度反演一致性研究

针对传感器参数与Landsat 5 TM较为相近的环境减灾卫星HJ-1B的热红外数据是否能达到与TM6反演地表温度同样的效果的问题,作者获取了2009年4月15日覆盖北京地区相同范围的HJ-1B影像和Landsat 5 TM影像,采用Ji m啨nez-Mu oz和Sobrino的普适性单通道算法,通过遥感数据获取反演参数,对研究区的地表温度进行反演,并对两类数据反演结果的一致性进行了分析和评价。通过对反演结果的统计分析和分级填图表明,基于普适性单通道算法的HJ-1B与TM的热红外波段反演的地表温度在数值上和空间分布趋势上一致性较高。因此,具有较高时间分辨率和较大幅宽等优势的HJ-1B IRS数据在地表温度反演方面具有更大的潜力和应用范围。

基于遥感的区域尺度森林地上生物量估算研究

森林是陆地生态系统最大的碳库,精确估算森林生物量是陆地碳循环研究的关键。首先从机载LiDAR数据中提取高度和密度统计量,采用逐步回归模型进行典型样区生物量估算;然后利用机载LiDAR数据估算的生物量作为样本数据,与多光谱遥感数据Landsat8OLI的波段反射率及植被指数建立回归模型,实现区域尺度森林地上生物量估算。实验结果显示,机载LiDAR数据估算的鼎湖山样区生物量与地面实测生物量的相关性R2达0.81,生物量RMSE为40.85t/ha,说明机载LiDAR点云数据的高度和密度统计量与生物量存在较高的相关性。以机载LiDAR数据估算的生物量为样本数据,结合多光谱遥感数据Landsat8OLI估算粤西北地区的森林地上生物量,精度验证结果为:R2为0.58,RMSE为36.9t/ha;针叶林、阔叶林和针阔叶混交林等3种不同森林类型生物量的估算结果为:R2分别为0.51(n=251)、0.58(n=235)和0.56(n=241),生物量RMSE分别为24.1t/ha、31.3t/ha和29.9t/ha,估算精度相差不大。总体上看,利用遥感数据可以开展区域尺度的森林地上生物量估算,为森林固碳监测提供有力的参考数据。

基于事件数据的雅鲁藏布江-布拉马普特拉河国际河流安全分析

雅鲁藏布江-布拉马普特拉河是我国重要的国际河流,近年的水电开发活动,使其日益成为国内外国际河流研究关注的热点。本文基于国际关系研究中常用的事件分析方法,在构建事件数据库的基础上,从事件类型、涉及国别、事件频率、影响程度四方面进行分析,结果表明:水资源分配问题是雅江流域主要问题;中国在雅江国际河流问题上与下游国家的联系主要以与印度或孟加拉国的双边联系为主;随着时间的推移,雅江冲突与合作事件的频率都表现出增加的趋势;雅江围绕国际河流的国际关系局势大致可分为4个阶段:60年代的平稳阶段、70年代的紧张阶段、80年代的沉寂阶段、90年代后的持续关注阶段。

基于包络线消除法的油菜氮素营养高光谱评价

该文将广泛应用于岩矿高光谱分析中的包络线消除法借用至鲜叶片的光谱分析及作物氮素营养状况评价。利用油菜主要生育期的不同氮处理下鲜叶片反射光谱及全氮含量数据,对鲜叶片可见光波段反射光谱进行包络线消除处理,以及吸收特征与叶片全氮含量的统计分析。结果表明:在可见光区域,叶片反射率随着施氮量的增加而减小,包络线消除处理扩大了原始反射光谱中由氮素胁迫引起的吸收特征微小变化。在油菜的苗期、现蕾期至开花始期三个生育期中,550～750 nm波段的红光吸收峰总面积、吸收峰左面积和吸收峰右面积均随着施氮量的增加而增大,面积归一化最大吸收深度均随着施氮量的增加而减小。相关分析表明,苗期叶片全氮含量与吸收特征参量相关性最为密切。进一步基于各光谱吸收特征参数建立了油菜氮素营养的评价模型,这些评价模型除现蕾期外,其他均达到了1%的极显著性水平。研究表明,利用包络线消除法为定性和定量评价油菜氮素营养是可行的,苗期是利用光谱吸收特征来定量评价油菜氮素营养的最佳生育期。

高光谱遥感数据的改正暗目标大气校正方法研究

高光谱遥感数据常用的大气校正方法均侧重于去除水汽及其他吸收气体的影响,主要研究了从高光谱影像同时去除气溶胶与水汽影响的方法.由于高光谱遥感数据波段众多,常规暗目标方法一直难以适用于高光谱遥感数据的大气校正.通过选取小麦作为新的暗目标对象,着重讨论了使用多波段线性回归与插值的方法对常规暗目标方法进行改正使之充分利用高光谱的众多波段特性,从而把改进的暗目标方法扩展应用于高光谱遥感数据的大气校正.为了同时去除大气中水汽的影响,大气校正全过程采用了循环迭代的算法.以山东济宁地区EO-1卫星搭载的Hyperion高光谱数据为应用实例,通过使用MODTRAN建立的查找表直接从影像估算出气溶胶与水汽含量,实现了对该数据的大气校正.大气校正的结果表明,改正暗目标大气校正算法可以有效地对高光谱遥感数据进行大气校正.

高光谱传感器光谱性能参数反演与反射率恢复

在轨高光谱传感器光谱性能参数的准确定标是数据定量应用的基本前提。文章在前人基础上,综合优化算法,实现了在不需要实测地表反射率的情况下,同时反演高光谱传感器中心波长与半值波宽(fullwidth at half maximum,FWHM)。基于模拟数据的研究结果显示,该方法在光谱性能参数偏移5 nm时,中心波长反演误差小于0.1 nm,FWHM误差小于0.7 nm。将该方法应用于Hyperion数据,结果显示,Hype-rion在VNIR谱段存在明显的smile效应,在整个CCD阵列范围内,其中心波长的偏移量在-2~2 nm之间,FWHM偏移在-0.2~0.5 nm之间;在SWIR谱段smile效应不明显,其中心波长偏移3 nm左右,FWHM偏移在-2^-3 nm之间。最后在光谱重定标基础上,对Hyperion进行了大气校正,反演了不受大气及定标参数影响的地表反射率。经光谱重定标,在大气吸收波段周围由光谱定标参数变化导致的反射率突变得到了抑制。

1980年以来黄河内蒙古段十大孔兑流域土地利用变化时空特征

研究黄河内蒙古段十大孔兑(以下简称十大孔兑)流域土地利用变化,对于区域生态环境建设和水土保持效果评价有重要意义。根据1980年、1998年、2010年3期遥感影像解译的土地利用数据,采用土地利用动态变化和土地利用转移矩阵,系统分析了十大孔兑流域1980年以来的土地利用变化时空特征。结果表明:研究区以耕地、草地和未利用地为主要土地利用类型,1980年以来草地面积逐渐增加,未利用地面积逐渐减少,1998年-2010年较1980年-1998年的土地利用变化幅度和变化速度提高。1980年-1998年和1998年-2010年,土地利用转移方向主要是未利用地向低、中覆盖草地转化,低覆盖草地向中、高覆盖草地转化,中覆盖草地向高覆盖草地转化,该转化主要分布在流域的上中游,以流域东部和西部最明显。1980年-1998年间低覆盖草地向中、高覆盖草地转化比例较高,1998年-2010年间未利用地向低、中覆盖草地转化比例较高。分析认为,1980年以来十大孔兑流域城镇化水平提高,林草水保措施力度增强、成效显著,区域生态环境改善,特别是国家实施"退耕还林(草)"生态修复政策后,生态环境改善效果更为突出。

长白山森林植被NPP主要影响因子的敏感性分析

对影响森林植被净第一性生产力的主要因子进行敏感性分析是准确估计NPP的需要。本文以长白山自然保护区为例,利用敏感性矩阵,对北部生态系统生产力模拟模型的三个主要输入因子——叶面积指数、温度和降水量,分别分析了各单一因子对森林植被NPP的敏感性,并建立敏感性分析矩阵。分析结果表明,在长白山自然保护区,森林植被的NPP与叶面积指数呈正相关,与温度呈负相关,与降水量无明显相关关系。同时,还统计了不同森林植被类型的NPP对输入参数的敏感性,得出了针叶林对环境的适应性最强、生长最稳定的结论。