遥感信息融合和分类器集成的地类高精度识别

针对光学和雷达遥感协同应用于城市地物类型高精度识别难这一问题,提出了一种信息融合与自适应提升(adaptive boosting,adaboost)和引导集成(bootstrap aggregation,bagging)分类器集成模型的遥感影像地物识别方法。该方法充分利用光学和雷达遥感数据提供的不同信息,达到提高遥感图像在地物识别方面应用的潜力。首先选择GS(Gram-Schmidt)、主成分变换(principal components transform,PCT)、HSV(hue,saturation,value)和改进的多孔小波算法(a trous algorithm for wavelet,ATWT)融合算法对信息源进行融合,然后采用bagging和adaboost集成算法对支持向量机(a library for Support Vector Machines,LibSVM)、功能树(function tree,FT)、快速有效的裂具算法(ripper alogrithm for fast,effective rule induction,JRIP)、序列最小优化算法(sequential minimal optimization,SMO)分类器进行集训练学习提高地类识别精度。研究以意大利北部帕维亚地区的ERS SAR与Landsat TM影像对为信息源,通过融合定量指标评价和典型地物识别应用验证,结果表明提出的多分类器模型能够充分利用光学和雷达遥感信息,稳健有效地进行地物类别提取,地物识别精度比单独使用光学和雷达数据提高15到17个百分点。

神东矿区AVHRR/NDVI的时空、开采强度和气候效应

研究采矿扰动区长时序、多维度NDVI变化趋势,有助于认识非自然生态区植被演替规律,对高强度开采条件下西北脆弱生态区地表植被自然修复和人工修复工作具有指导意义.研究通过设立直接影响区、间接影响区和自然生态校验区,利用长时序GIMMSAVHRR/NDVI(1981~2006)植被指数数据集,结合同期温度、降水和煤炭产量信息,从时间、空间、气候和开采强度方面开展对比分析,并以长时序MODISNPP/NDVI(2000~2010)数据进行结果验证.时序分析表明,全球变化背景下,神东矿区植被生长季二度延长;空间分析表明,神东矿区NDVI增量低于缓冲区,缓冲区NDVI增量低于自然生态区;开采强度分析表明,随着神东矿区开采强度增强,NDVI增速放缓,增长速率低于自然生态区;气候变化分析表明,神东矿区NDVI受温度升高、降水减少共同作用,与温度相关性较高,与降水相关性较低;同期MODISNPP/NDVI验证结果表现出与AVHRR/NDVI一致的规律性.

中国大陆1951—2012年400mm等降水量线的迁移及诱因

研究400 mm等雨量线的时空变化在应对全球气候变化对区域生态环境和社会经济的影响具有科学价值。对中国大陆1951—2012年752个站点的逐年降水观测值,用反距离空间加权法插值获得中国大陆62 a年均降水分布图,采用加权平均方法获取62 a 400 mm等降水量线。研究表明,中国大陆1951—2012年的年均降水量总体呈下降趋势,年下降速率为6.77 mm/a;1951—2012年期间,中国400 mm等降水量线整体加权平均位置为东经105°56',北纬37°51',总体东移6°42',总体北移2°26';400 mm等降水量线具有明显分段特征,其中东段是在1975年后才出现的,此后37 a 400 mm等降水量线向东推移了近1 850 km。

鄂尔多斯植被的NDVI3g动态及气候响应

[目的]研究鄂尔多斯地区生态格局以及在全球变化下的自然演变规律,揭示中国西部矿区人工扰动生态环境的时空变化。[方法]利用1982—2012年GIMMS NDVI 3g数据集和年均气温、降水量等气象数据,分别进行最大值合成、反距离加权法插值、线性回归与变化率分析、相关性分析等处理,揭示植被覆盖的时空变化趋势下蕴含的植物生理学机理,及其对气温和降水变化趋势的响应特征。[结果]鄂尔多斯地区植被返青期(start of season,SOS)始于4月下旬,枯黄期(end of season,EOS)结束于11月上旬,植被生长期(duration of season,DOS)NDVI初始阈值为0.12,平均生长期为198d;31a间鄂尔多斯地区植被绿度变化率(slope)为0.0023,植被变化趋势逐像元回归分析表明研究区80.8%的植被有轻微改善;31a间鄂尔多斯地区NDVI变化与年均气温和降水量的相关性分别为0.054和0.400。[结论]31a间鄂尔多斯地区植被返青期有提前趋势,枯黄期有滞后趋势,生长期有延长趋势;研究区大部分区域植被均有轻微改善;年均气温与降水量均呈现升高趋势,NDVI变化受温度和降水的共同作用,且NDVI最大值增高与年均降水量增加相关性较高,与年均气温升高相关性较低。

基于地形信息的Landsat与Radarsat-2遥感数据协同分类研究

针对不同成像机理的光学与雷达遥感数据协同应用于地表信息提取瓶颈问题,提出了一种基于地形信息的光学与雷达数据协同分类方法。首先利用InSAR测量技术从Radarsat-2数据中提取DEM地形信息,然后构建基于地形信息的Landsat光学数据和Radarsat-2雷达数据的不同特征集输入模型,最后通过随机样本选取构建随机森林(Random Forest,RF)、支持向量机(Support Vector Machine,SVM)和决策树(Decision Tree,DT)分类算法模型提取地表信息。结果表明:①针对不同特征协同策略,在随机选取10%训练样本时,Radarsat-2干涉提取DEM与Landsat数据集提取精度优于ASTER GDEM与光学影像协同策略;②针对不同地表信息提取算法模型,通过50次随机选取训练样本构建模型评价分类精度,验证RF算法的鲁棒性和提取精度都要优于DT算法和SVM算法。研究充分利用光学和雷达遥感的优势信息,为光学和雷达遥感协同地表信息提取提供新的思路。

基于GlobeLand 30数据和CA__Markov模型的郑州市2000-2020年地表覆盖变化特征及预测分析

[目的]针对不同分类算法对地物识别结果的差异性导致地表覆盖变化分析难以为城市变化提供参考信息和决策依据问题。[方法]研究以GlobeLand 30标准产品为数据源,结合CA_Markov模型,对郑州地区2000—2020年土地利用变化速度、幅度、程度,以及熵值演变方向等时空变化特征进行分析与模拟预测。[结果](1)2000—2010年,郑州地区人造地表显著增加,湿地、耕地、草地有一定程度的减少,其中人造地表和湿地的变化速度相对较快;(2)2000—2010年,郑州地区土地利用程度变化量为8.04,土地利用信息熵和均衡度都有所提升,优势度相应降低;(3)预测2020年郑州地区地表覆盖状态同2010年相比,人造地表和草地分别增加68.88%和49.99%,水体、湿地增加幅度均在30%以上,耕地、林地有一定程度的减少。[结论]2000—2020年,郑州地区土地利用总体分布格局具有显著性差异,土地利用的复杂性增加,环境问题日益凸显。

最近30a中国内陆温度场的差异性分析

为研究近30 a中国内陆温度场的差异性,利用1981—2012年覆盖全国的662个国家基准气候站和基本气象站地面年平均气温的气象数据,在质量控制、温度带划分的基础上,进行了反距离加权插值分析、等值线序列分析、地形分析、变异函数分析,获得1981—2012年中国内陆温度变化在时间尺度和空间尺度上的演化规律。研究表明:(1)近32 a中国内陆年平均气温呈上升趋势,温度变化速率为(0.042±0.006)℃/a;(2)近32 a中国5大温度带范围均有不同程度的摄动,热/亚热带分界线近32 a向北推移了0.034°N,亚热/暖温带分界线西段有向西南迁移的趋势,东段在南北方向摆动剧烈,暖温/中温带分界线有向西北迁移的趋势,中温/寒温带分界线有向东北、西北发生迁移的趋势;(3)中国内陆近32 a平均温度变异强度北方大于南方,在时间序列上变异系数呈"强-弱-强"变化趋势,北方、西北和青藏高原局部地区为强变异区;(4)中国内陆温度与高程呈负相关关系,去除其他因素,中国内陆温度-高程变化速率约为-0.003℃/m,其变化规律较符合指数函数特征;(5)未来中国内陆温度仍呈增温趋势,小幅回落仅是局地的周期性调整。

基于光学和雷达遥感影像融合的地类识别研究

针对光学和雷达协同处理信息挖掘的需求,为提高主被动遥感数据协同处理应用于土地利用/覆盖地类识别的能力,提出了一种改进的光学和雷达遥感数据融合识别方法。以意大利PAVIA地区的ERS SAR和Landsat TM影像、江苏徐州矿区的ALOS PALSAR和AVNIR-2影像对,ALOS PALSAR和SPOT影像对为信息源,利用改进的小波变换与色彩域变换算法进行处理,融合结果与传统的Brovey、GS、PCT、HSV、Wavelet融合算法作定量比较,并采用支持向量机(SVM)算法以相同的训练区分别对融合前后的影像,及不同融合结果进行典型地物类型识别。通过融合影像定量指标评价和识别应用验证,结果表明改进的融合算法很好地保留了融合前影像的光谱和纹理信息,且使用融合后影像识别的精度不仅明显优于单独利用光学或雷达影像,而且比采用的传统融合算法的识别结果也有较大提高。

41年罗山自然保护区人地关系的演进与孤立生境的形成

罗山自然保护区孑遗生境具有过渡性、稀有性和脆弱性,其生态走向关乎濒危物种的延续与北方干旱荒漠带宁夏段的生态平衡。利用Landsat MSS/TM/ETM+/OLI(1977—2017年)数据、SRTM DEM和罗山周边气象站点(1977—2017年)年均气温和降水数据,对流域内典型人文要素(人口、耕地、居民建设用地面积)和自然生态要素(NDVI)进行了定量化表达及相关性分析。研究发现:流域视角下罗山保护区一些人文、生态、景观地理学指标发生了变化,41年来(1977—2017年)真形(依比例)居民建设用地面积增加了3.09倍;生态移民使局部地区人口增长了34.30倍;土地利用方式发生了根本变化,旱作耕地大部分退耕还林,小部分转移为水浇地;近5a(2013—2017年)罗山自然保护区NDVI最大值、NDVI总和虽有轻微上升趋势,但仍低于历史较好时期。结果表明:(1)公路、铁路、围栏的建设将狭小的生态保护区分割包围,使景观格局严重破碎化,使动植物栖息环境高度隔离化。(2)红寺堡移民区快速城市化和高强度的农业开发,使流域人 地关系愈加紧张,加重了区域生态风险。

多基线数字近景摄影测量在建筑工程中的应用

多基线数字近景摄影测量与传统近景摄影测量相比,具有短基线、大重叠度的特点,短基线使得相邻光束交会角较小,易于提高影像匹配精度;大重叠度使得首尾交会角较大,从而可提高空间点定位精度。该方法有效地解决了影像匹配、交会角和点定位精度三者之间存在的矛盾。首先,利用非量测数码相机进行多基线平行摄影,借助Lensphoto软件实现建筑物立面点坐标的量测,并将其与高精度莱卡全站仪测量结果进行精度对比,最后分析控制点个数与点位精度之间的关系。实验表明,多基线近景摄影测量在建筑工程测量中可以取得较高的点位精度,控制点个数的增加会提高点位精度,但存在一定极限。

徂徕山—莲花山地区环境生态指数时空变化与驱动因素分析

内陆岛屿型封闭生境的人-地关系紧张,是区域环境变化和人类活动的敏感指示器。基于Landsat MSS/TM/OLI数据(1982—2016年)、气象站点(1982—2012年)年均降水、气温数据和ASTER GDEM数据,对山东省徂徕山—莲花山地区的气候变化要素(年均降水和气温)、人类活动要素(耕地和建筑用地面积)以及遥感指数归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和归一化建筑指数(normalized difference building index,NDBI)进行时序分析和相关性分析。结果表明:近35 a间,林地和灌丛向草地和稀疏草地转变,草地和稀疏草地向裸地转变的趋势明显;形成了耕地、建筑用地包围林地,林地中有耕地和建筑用地的景观格局;核心区NDVI增速为0.0069/10 a,NDBI降速为-0.014/10 a;核心区周围NDVI降速为-0.018/10 a,NDBI增速为0.0035/10 a;耕地转出大,主要转化为建筑用地和林地;林地面积变化与耕地和建筑用地面积呈显著负相关。总体上,徂徕山—莲花山地区生态结构和景观格局均发生了不利变化。

基于GIMMS AVHRR NDVI数据的神东矿区26年植被指数回归分析

根据长时间序列中国植被指数数据集(GIMMS AVHRR NDVI),分析了内蒙古神东矿区及周围20 km缓冲区1981-2006年归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)的变化趋势,对神东矿区及缓冲区的NDVI均值进行了一元线性回归分析,并分析了神东矿区与缓冲区的NDVI均值的相关性。研究表明:神东矿区及缓冲区NDVI均值整体呈上升趋势,斜率分别为0.0047与0.0040,植被状况分别为中度改善与轻微改善;神东矿区及缓冲区NDVI值两组变量在0.01水平上显著相关,相关系数为0.971;神东矿区39个像元中轻微改善与中度改善各占35.90%与64.10%,矿区的植被状况呈向好趋势。

1982—2013年潞安矿区NDVI3g变化趋势及气候响应

为了揭示全球变化背景下矿业开发活动对矿区生态环境的影响,采用长时序GIMMS AVHRR NDVI3g(1982—2013年)全球植被指数数据集和气候信息(年均降水量和气温数据),运用IDL编程实现数据合成运算、线性回归和趋势拟合,从时间、空间、气候三方面对矿区、缓冲区(10 km、20 km)、校验区的NDVI平均值和总值进行比较研究,并推算出生长期变化趋势.时序分析表明,32 a来矿区NDVI总量随开采年限延长呈先增后减/波动中下降的趋势,下降速率为0.18/(10 a).矿区植被返青期滞后3 d,枯黄期提前30 d,生长期缩短33 d,缩减速率为10.3 d/(10 a).空间分析表明,除潞安矿区外其他三区生长季均有所延长,研究区平均NDVI年增长率依次为矿区(1.09%)<10 km缓冲区(2.16%)<20 km缓冲区(8.86%)<校验区(9.87%),矿区NDVI总量自1995年后开始减少,非开采区NDVI总量呈增加趋势.气候变化分析表明,校验区NDVI对温度敏感性高于降水量,矿区NDVI对降水量敏感性高于温度,其中温度对两区植被生长有明显滞后性.研究显示,矿业开发活动抑制了矿区及周边区域NDVI的增长,NDVI年增长率远低于校验区,受温度升高、降水量减少共同作用,自然生态下校验区NDVI呈增加趋势,生长季延长;而受开采扰动影响下的矿区植被活动呈减弱趋势,生长期也有所缩短.

中国农牧交错带30年响应气候变异趋势分析

农牧交错带是典型的生态脆弱区和环境变化敏感区,有气象-环境放大镜作用,及时准确地了解农牧交错带的气候时空变异状况,对环境响应全球气候变化具有重要的生态学意义。利用中国大陆752个站点1982—2012年的逐年降水、气温数据资料,运用反距离空间加权法、掩膜提取、变异系数运算等对中国北方和川滇农牧交错带降水、气温进行分区对比分析。结果表明:(1)除北方农牧交错带丘陵草原区(Ⅳ区)降水量增加外,其他4区均呈减少趋势,气候变化对北方农牧交错带草甸草原区(Ⅰ区)影响最大(降水量变异系数VCp=18%),川滇农牧交错带山地草原区(Ⅴ区)受其波动性最小(VCp=7%)。(2)1982—2012年间,研究区总体增温速率为0.45℃/10年,总体变异系数达29%;30年平均变异系数空间上存在差异性,表现为草甸草原区(Ⅰ区)(温度变异系数VCt=14%)>丘陵草原区(Ⅳ区)(VCt=12%)>荒漠草原区(Ⅲ区)(VCt=9%)>灌丛草原区(Ⅱ区)(VCt=7%)>山地草原区(Ⅴ区)(VCt=6%)。(3)30年来400 mm等雨量线有向东、向北发展趋势,空间动态变化范围(102°~111°E、35°~40°N)与北方农牧交错带区域(105°45'~124°42'E、36°01'~49°36'N)重合度达89%,且重合度有升高之势。

陕西彬长矿区NDVI3g(1982-2013)变化趋势及气候响应

过去30 a,全球归一化差值植被指数(NDVI)呈增加趋势,植被返青期(SOS)提前,枯黄期(EOS)滞后,生长期(LOS)延长。作为人类经济活动最密集的工矿区,其生态环境问题是环境与发展的焦点问题之一,在全球变化的背景下,研究矿区及周边地区NDVI趋势,能很好地反映区域尺度上非自然生态区植被变化及对全球变化的响应。基于GIMMS AVHRR NDVI3g长时间序列遥感影像,利用IDL编程、线性回归、趋势拟合提取研究区1982—2013年植被覆盖的物候信息,分析矿区、缓冲区(10 km,20 km)及生态校验区月度、季度、年际变化情况,推算出植被SOS,EOS与LOS长度变化趋势,并结合气象观测记录分析气候驱动因子(降水、气温)与NDVI变化相关性。时序相关性分析表明:32 a彬长矿区年均NDVI总量随时间序列缓慢升高,32 a增长百分比达13. 31%;生态校验区NDVI总量随时间序列升高趋势明显,32 a增长百分比达19. 45%;受人类活动影响,矿区NDVI阶段增长百分比明显低于生态校验区。空间相关性分析表明:彬长矿区NDVI原始基底值高于校验区,植被SOS提前6±3 d,EOS滞后5±3 d,LOS延长11±3 d;生态校验区植被SOS提前3±3d,EOS滞后3±3 d,LOS延长6±3 d;矿区植被LOS延长天数高于生态校验区5 d。气候相关性分析表明:彬长矿区处于半湿润气候区,植被对气温变化的响应高于降水,植被生长对降水有2～3 a的滞后性,NDVI的增加与该区气温升高、降水减少的共同作用有关。研究认为,采矿活动使得矿区及其周边地区植被活动放缓,年均NDVI增长率明显低于生态校验区;在全球变化作用下,植被LOS延长的基础上,人类活动使得矿区植被LOS被再度延长。

宁夏罗山地区2004-2015年NPP时空变化及气候响应

[目的]揭示罗山保护区植被净初级生产力(NPP)变化规律及气候相关性,为宁夏回族自治区及其周边生态环境保护提供科学依据。[方法]利用MOD17A3H NPP(2004—2015年)数据、SRTM DEM和罗山周边气象站点(2004—2015年)年均气温和降水数据,运用相关性分析、趋势分析、线性回归分析等方法,分析气候、人口、生态及移民政策等对研究区植被净初级生产力的影响,对区内NPP时空变化特征进行定量化分析。[结果](1)研究区内植被净初级生产力的变化与降水的相关性较高;在核心区,降水与NPP的相关系数R=0.609,置信度p=0.036;在非核心区,相关系数R=0.648,置信度p=0.023;(2)研究区NPP呈波动增长趋势,速率为0.076Pg/a(以C计),高于全国NPP增长速率(0.008Pg/a);(3)2010—2015年大罗山森林覆盖面积有所增长,NPP介于350～500g/(m2·a)的森林面积是2004—2009年的4倍,小罗山方向基带植被由荒漠向荒漠草原转化;(4)研究区以NPP划分的生态格局主要以荒漠为主(64.9%),荒漠草原次之(29.6%),森林占比极低(0.38%)。[结论]干旱区植被NPP高度依赖降水,罗山地区生态结构有所改善,但森林生态系统仍极端脆弱。

1962-2016年达里诺尔流域水、草退化及气候响应

基于Keyhole-1(1962年)、Landsat TM/ETM+/OLI数据(1985-2016年)、SRTM/ASTER DEM和湖区周边气象站点(1961-2012年)年均气温和降水数据,对达里诺尔三个主要湖泊的水域面积、人类活动典型环境要素(居民地、耕地和草场面积)以及主要流域植被覆盖度进行定量化表达及相关性分析。研究表明:达里诺尔流域一些生态、人文、地理指标发生了变化,55年来(1962-2016年)三个主要湖泊水域面积缩小了24.65%,居民地面积增加了15.32倍,耕地面积增加了7.86倍;32年来(1985-2016年)全流域平均植被指数降低了约38.46%,饲草(放牧及冬储用)面积占流域可利用面积52.80%;主要湖泊水域面积变化与全球气候要素变化不显著相关,与人类活动典型环境要素(居民地、耕地和草场面积变化)显著相关,人类活动正成为湖泊湿地退化的主导因素。

时序双极化SAR开采沉陷区土壤水分估计

开采沉陷地质灾害诱发矿区生态环境恶化的关键因子是土壤水分变化。研究提出了一种利用Sentinel-1A双极化SAR和OLI地表反射率数据联合反演土壤含水量的方法,即基于归一化水体指数(NDWI)反演植被含水量;采用Water-Cloud Model(WCM)模型消除植被对Sentinel-1A后向散射系数产生的影响,将其转化为裸土区的后向散射系数;利用基于AIEM模型和Oh模型建立的经验模型反演研究区地表参数,并用OLI光学反演结果进行验证;最后比较了开采沉陷区内外土壤水分含量。研究表明:(1)与基于OLI的土壤水分监测指数(SMMI)的土壤水分含量反演结果相比,两种极化方式中VH极化反演的水分结果具有更好的一致性,且两种极化方式反演结果也表明荒漠化草原区比黄土丘陵沟壑区反演效果更好,说明地形对后向散射的影响不可忽略。(2)在2016年内72期数据中,VH极化反演结果对比区土壤水分含量大于沉陷区的有41期,所占比例为57%;VV极化反演结果对比区土壤水分含量大于沉陷区的有36期,所占比例为50%,且不同矿区内的沉陷区受到的影响不同。说明开采沉陷造成的地表粗糙度的增加会对地表土壤水分产生负面影响,但不同矿区之间又有差异。

联合DInSAR和PIM技术的沉陷特征模拟和时序分析

高强度煤炭开采(大采高、薄基岩、快速采煤)可形成巨大的地表形变场,过大的形变相位梯度导致干涉测量失败,单独采用合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)及其衍生技术都无法获得开采沉陷主值.为此,提出了联合多时相DInSAR时序分析及概率积分法(PIM),整合理论计算与卫星观测结果,实现开采沉陷特征的动态模拟和模型重构.以2012年1月—2013年6月共18期高分辨率雷达数据(RADARSAT-2,5m精细波束模式(MF5))为数据源,利用连续重访周期的DInSAR技术获得17期时间序列开采沉陷相位变化图,监测得到神东矿区布尔台矿22201-1/2工作面地表形变从产生、发展到衰退的演化规律;联合DInSAR获得的沉陷盆地边缘信息与PIM技术对矿区大变形下沉信息进行预计,两种数据整合形成混合数据集;采用Gauss函数对混合数据集进行拟合,重构矿区时序开采下沉特征曲线.研究表明:PIM技术可以弥补DInSAR技术在大形变提取上的不足,利用混合数据集建立的Gauss模型,对于有限开采(非充分采动)或充分采动的主断面下沉值具有极高的拟合度,其拟合度R2均大于0.976.

深度语义分割支撑下的尾矿库风险检测

尾矿库是矿山企业选矿的必要设施,同时对周围环境也是一个重大的危险源。为研究流域范围内尾矿库的溃坝路径以及对矿区地表造成的风险,以赤城县为例,利用GF-1高分辨率遥感影像,基于遥感RS(Remote Sensing)及地理信息系统GIS(Geographic Information System)手段对尾矿库的流域风险进行了监测分析。首先,通过分析尾矿库在遥感影像上的纹理、色调、形状以及大小等特征,制作了用于目标检测的尾矿库样本集,然后,在原始SSD目标检测网络基础上添加了反卷积模块和连接模块构建多尺度融合目标检测算法MSFSSD,在目标检测结果基础上使用PSPnet算法实现尾矿库结构分割,得到了尾矿库内部结构—坝体以及库区,运用RS与GIS技术对尾矿库的上游汇水面以及事故可能径流进行提取,进而基于Arc Hydro模型模拟尾矿库的溃坝路径。最后,通过构建溃坝路径的缓冲区,得到尾矿库发生溃坝所造成的地物影响范围及面积。研究结果表明:赤城县尾矿库的溃坝路径总体是从西向东,从北向南,受溃坝影响的地物总面积达到480 km^(2)。其中,林地176.52 km^(2),耕地175.52 km^(2),城市建设用地43.74 km^(2),农村建设用地2.47 km^(2),水体17.72 km^(2),草地和牧场分别为3.60 km^(2)、1.22 km^(2)。研究成果可用于分析尾矿库溃坝造成的地物损失以及影响范围面积等信息,提升尾矿库的风险管理水平及应急响应能力,为有关部门制定决策提供理论依据。