森林生物量遥感降尺度研究

森林生物量是评价全球碳氧平衡、气候变化的重要指标。目前已有基于星载激光雷达数据的全球森林生物量产品,但空间分辨率较低,不能很好地满足小区域森林调查和动态监测的需要。针对这一现状,以美国马里兰州两个森林分布状况不同的区域为研究区,基于CMS(Carbon Monitoring System)30 m分辨率和GEOCARBON 1 km分辨率森林地上生物量产品以及TM等数据源,通过升尺度模拟低分辨率生物量数据和直接使用低分辨率产品两种方式,分别尝试建立了多光谱地表参数和低分辨率森林地上生物量之间的统计关系,以此作为降尺度模型实现了森林地上生物量空间分辨率从1 km到30 m的转换,并对降尺度结果进行精度评价和误差分析。结果表明:模拟数据降尺度后的30m分辨率森林地上生物量空间分布和CMS森林地上生物量分布状况大致相同,RMSE=59.2-65.5 Mg/hm^2,相关系数约为0.7;其降尺度结果优于GEOCARBON产品直接降尺度结果RMSE=75.3-79.9 Mg/hm^2;相较于线性模型,非线性模型能更好地呈现森林地上生物量和地表参数间的关系;总体上,降尺度生物量呈现高值区低估,低值区高估的现象。

秦岭中部自然保护区植被生长状况遥感监测

秦岭地区是中国自然保护区较为集中的地区之一,也是中国重要的生态保护屏障,秦岭中部有多个国家级自然保护区,然而目前鲜有研究分析秦岭中部自然保护区的植被生长状况,且对于自然保护区的保护成效尚不明确,因此探究该区域长时序的植被生长状况有助于了解秦岭地区自然保护区的保护成效及植被生长情况。本文利用Landsat、MODIS、GLASS等遥感数据及相关产品分析了秦岭中部地区14个国家级自然保护区近二三十年归一化植被指数(NDVI)、叶面积指数(LAI)、净初级生产力(NPP)、植被覆盖度(FVC)的空间分布特征及趋势变化情况,并综合4个指标探究秦岭中部自然保护区的植被变化情况与保护成效,研究结果表明,1)在空间上,太白山自然保护区中南部与汉中朱鹮自然保护区南部的植被类型与其他区域存在差异;2)在趋势上,各自然保护区的植被生长状况呈现显著增加趋势或维持稳定状态;3)综合各指标发现,秦岭中部自然保护区的整体保护成效良好,但极个别地区仍需要重点关注。

基于GEE平台的每年夏冬两期土地覆盖分类方法研究

通过采用Landsat卫星遥感影像数据,利用GEE平台的大数据处理和分析能力,结合随机森林算法,开展了2000−2022年新疆地区的夏季和冬季土地覆盖变化的遥感监测.研究表明:通过输入光谱、光谱指数、地形、纹理、夜光等5个维度的18个特征,得到的新疆地区夏季和冬季土地覆盖分类结果的整体精度分别为95.6%和91.3%,Kappa系数分别为94.6%和88.4%.新疆地区夏季土地覆盖的主要变化发生在耕地、裸地、草地和人造地表之间的转化,而冬季的变化主要是雪地与其他土地类型之间的转变.本研究提供的夏冬两季产品有助于全面了解新疆地区土地覆盖变化的季节性动态变化特征,为农业生产、土地政策管理和资源管理提供数据支持.

基于Landsat影像的雄安新区2013−2021年土地利用变化检测和生态政策评估

利用2013−2021年共9期Landsat8影像,采用面向对象的监督分类方法,得到新区逐年土地利用与覆盖分类结果,进行LUCC分析及生态品质评价.结论:1)分类结果总体精度>86.8%,K为0.81~0.88,优于同期FROM-GLC及GLC_FCS全球分类产品;2)雄安新区设立至今耕地面积减少,不透水面和林地面积增长,蓝绿空间面积占比由12%增加至30%,雄安3县(雄县、容城县和安新县)建设严格遵循了新区《规划纲要》中植树造林、城市发展、湿地涵养3项不同的建设任务,各县主要土地利用覆盖变化分别为耕地向林地的转变、耕地与不透水面的相互转变以及耕地向水体和水生植被的转变;3)不透水面扩张与城市建设对生态品质的负面影响正逐步被森林覆盖率、蓝绿空间面积增加带来的正面影响所抵消.总体看,雄安新区土地利用/覆盖变化遵循新区规划要求,体现了经济社会发展和生态建设的成果.

长江流域湿地生态系统健康评价

长江流域水资源丰富,农业开发历史悠久,是我国重要的粮、棉、油和水产基地。伴随着农业开发与工业、城市快速发展,长江流域湿地保护面临一系列问题:围湖造田和城市化导致天然湿地面积减少,湿地功能减弱,水质污染严重,湿地生态环境退化,湿地资源过度和不合理利用,造成生物多样性下降。因此,在长江流域开展湿地生态健康状况研究很有必要。根据长江流域湿地生态系统的特点,基于压力-状态-响应(PSR)模型,建立包含压力、状态、响应3大类共14个指标的生态系统健康评价指标体系。以Globe Land30土地覆盖数据和社会经济统计等数据为基础,结合层次分析法对长江流域2000年和2010年湿地进行了综合评价。研究结果表明:1)从2000年到2010年长江流域湿地生态健康状况略微下降,2000年长江流域平均湿地生态健康指数是0.478,2010年的为0.475;2)2000年和2010年长江流域湿地生态健康指数中游的>下游的>上游的,湿地生态健康状况较差的区域主要分布在西北部和以重庆、武汉和上海为主的三大经济中心;3)从行政区平均健康水平来看,从2000年到2010年,江西省和福建省的湿地生态健康状况有所好转,而云南省、广西省、贵州省和重庆市受2010年干旱影响,湿地生态健康状况有所下降。

基于多时相Sentinel-1SAR地表土壤水分反演的Alpha近似模型改进

针对多时相SAR数据反演土壤水分的Alpha近似模型存在入射角变化影响模型适用性的问题,在小扰动模型SPM的理论基础上推导得出改进的Alpha模型,并使用时间序列Sentinel-1SAR数据结合地面观测网络在黑河和温尼伯两个实验区进行算法验证。对反演结果和实测数据进行相关分析,使用改进后模型反演得到的土壤水分与实测数据间的相关系数分别由0.473、0.601提高至0.851和0.821,在严格的α系数边界设定条件下,均方根误差(m^3·m^-3)分别由0.053、0.152减小至0.023和0.065;为进一步评价模型质量,引入水文领域中常用的模型评价指标纳什系数NSE,改进前后的NSE分别为-0.532、-1.243和0.713、0.588。结果表明,原始模型反演结果虽然和实测数据间呈现一定的相关性,但存在较大误差,而通过本文提出的改进模型可以很好地校正由于入射角变化带来的影响,得到较为可靠的结果,扩展了Alpha模型的应用。

湿地退化风险评估方法及其应用——以天津市为例

气候变化和人类活动的加剧,使地球上重要的生态系统——湿地被不断侵占与破坏,当前建立湿地退化的科学评估方法十分迫切且必要。基于区域生态风险理论,从胁迫度和退化度2个角度建立了包含22项指标的湿地退化多指标评估体系,并对天津市1990—2015年湿地退化风险进行评估。结果表明:由于胁迫度的波动变化和湿地自身退化度的上升,天津市1990—2015年湿地退化风险呈先下降后上升的趋势,2015年的退化风险较1990年增加了10.08%,且原本湿地退化风险较低的区域呈现风险快速上升的现象。亟待出台更严格的相关政策和建立更完善的管理制度,以加强天津市湿地的保护与恢复。

联合地基激光雷达与无人机摄影测量技术提取树高研究

快速有效获取森林结构参数是林业急需解决的现实问题.近年来,地基激光雷达和无人机在林业调查中受到越来越多的重视.地基激光雷达能够获取森林样地详细的三维点云数据,却难以获取树冠上方信息,而无人机能够方便灵活地获得森林冠层上方的影像,但难以获取冠层下方信息.地基与航空平台有很强的互补性,深度整合后能够对森林场景进行更加完整的描述.本文首先对多站TLS进行基于后视定向的多站配准,得到完整的点云数据;随后,结合基于内在几何约束的方法与地面控制点,完成地基激光雷达数据与无人机影像的配准,从而实现2种数据的融合;最后,通过实验验证表明融合无人机影像数据能够显著提高地基激光雷达对树高的估测精度,并且二者的结合可以提高测量效率,为林业资源的调查和管理提供更有效的方式.

污染场地土壤重金属污染空间特征分析——以某搬迁电镀厂为例

以某搬迁电镀厂为例,根据污染场地调查报告内的采样数据,按照相关的污染场地污染标准筛选出污染的重金属类别,利用反距离权重法分析重金属在研究区的分布特征,运用莫兰指数进行空间关联分析,运用半变异函数分析重金属污染整体的空间结构和趋势,以探究污染场地的重金属污染空间特征。结果表明:研究区土壤中Ni、Cr、Zn、Cu浓度超过土壤背景值,其最高浓度采样点的风险标准限值倍数分别为9.55、1.35、5.94、10.67;Cu、Zn的浓度在场地范围内东西、南北方向上均呈倒U型趋势,中间高四周低;Ni、Cr浓度在空间分布特征较为相似,高值区域位于场地的东北边界处;4种超标重金属的空间特征差异较大,但均存在聚集特征。

基于夜间灯光数据的灾后恢复重建动态监测——以鲁甸地震为例

持续监测与评估地震灾后影响及恢复重建过程,对地震灾害恢复决策和御灾减灾措施的制定具有重要的科学指导意义。本文以2014年8月鲁甸地震为例,基于2013-2019年NPP/VIIRS(National Polar-Orbiting Partnership′s Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)夜间灯光月数据及社会经济统计等数据,分析了灾区夜间灯光数据时空变化特征,探讨了灾区夜间灯光数据对恢复重建过程的响应。结果表明:夜间灯光数据可以精细监测城镇化水平低、居住分散且规模小的区域内部的灾后恢复重建过程,可以实现灾后临时安置点建设、房屋恢复重建、基础设施建设等过程监测;灾区灯光强度与区域生产力变化趋势较为一致,能在一定程度上体现经济活动的变化。

典型电镀场地重金属污染程度综合评价分析

针对污染程度评价研究中存在的单一指数评价不全面、空间分析不足的问题,基于电镀场地调查报告、遥感影像等数据,综合多种污染指数构建场地综合评价空间模型对电镀场地的污染程度进行综合评价,分析土壤重金属污染分布情况。结果显示:电镀场地中Cr、Ni、Zn、Cu浓度较高,污染超标情况较为突出;其他重金属元素浓度较低,不存在超标情况。各场地不同污染指数空间分布一致性较高,但也存在差异性。在综合评价值空间分布中,各场地功能区分布差异较大,其中污水处理区和电镀车间区的综合值较高。单一指数评价内容较为片面,通过综合评价模型可更全面分析场地污染分布,为场地未来开发提供参考依据。

智能手机App与数字半球摄影测量叶面积指数对比研究

基于自主开发的智能手机App(LAISmart)对针阔混交林、阔叶林和农作物3种植被类型的叶面积指数(leaf area index,LAI)进行测量,并以数字半球摄影(digital hemispherical photography,DHP)的测量结果作为参考值进行对比分析.结果表明,虽然LAISmart与DHP的LAI值总体上具有高度一致性(R2=0.95,RMSE=0.68),但是,LAISmart的性能受到植被叶片密集程度的影响.研究发现:LAI>3.9时,LAISmart的测量结果会明显低于DHP的测量结果;智能手机成像传感器的自动曝光模式,是引起LAISmart在测量LAI高值区域估值偏低的重要影响因素;当对LAI高值区域的LAISmart图像进行降低曝光度处理后,LAISmart和DHP的测量结果偏差得到进一步降低,且LAISmart测量结果的精度可以提高49%左右.此外,LAISmart的较窄视场角几乎不会对其测量结果产生影响,若能在调节智能手机曝光度的条件下使用LAISmart,则具有更高效率和更低成本优势的LAISmart可以成为替代DHP的有效方法.

基于多频被动微波遥感的土壤水分反演——以黑河上游为例

土壤水分是陆地生态系统中最重要的组成部分,如何有效地得到高精度的土壤水分产品成为当前研究最为关注的问题。被动微波遥感具有监测面积大、重访周期短、对土壤水分敏感等优点,成为反演土壤水分最有潜力的方式。基于SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity)和AMSR2(The Advanced Microwave Scanning Radiometer-2)数据,通过研究L波段与C波段融合亮度温度在土壤水分反演中的潜力,发展多频率土壤水分反演算法,并对黑河上游4个像元开展土壤水分反演研究。结果表明:①利用L/C组合亮温反演结果与实测数据较为吻合,长时间内变化趋势一致,相关系数为0.841,均方根误差为0.063 m^3/m^3。②通过与SMOS和AMSR2官方土壤水分产品比较发现,AMSR2土壤水分产品存在明显的低估,SMOS土壤水分产品缺失值较多,无法得到较为完整的土壤水分时间序列;利用L/C多频率组合反演得到的结果明显优于官方土壤水分产品。融合L与C波段亮温数据,可有效提高反演土壤水分精度,实现高精度土壤水分的获取。

基于随机森林算法的草原地上生物量遥感估算方法研究

草原是我国面积最大的陆地生态系统,生物量是反映生态系统质量和功能的关键指标,准确地掌握草原生物量对草原资源合理利用、生态修复、畜牧业高质量发展都具有重要的意义和作用。本研究以内蒙古锡林郭勒盟为研究区,利用高分一号遥感卫星影像,结合216个野外样本数据,采用随机森林算法(Random Forest,RF)对草原地上生物量(Aboveground Biomass,AGB)遥感估算进行了适用性分析与应用。在运用随机森林算法的过程中,进行了K-折交叉验证、多元共线性诊断、偏效应等一系列分析,完成了随机森林模型的构建,同时,将建模结果与其它模型进行了对比,最终实现了锡林郭勒盟草原AGB的反演估算。结果表明:①随机森林算法能够较好地规避生物量建模中自变量多元共线性的问题;②随机森林模型在草原AGB估算中较其它模型具有更好的适用性,模型精度达85%,RMSE为202.13 kg/hm^(2);③应用构建的随机森林算法估算了研究区2017年草原AGB,从结果来看,其空间分布上呈现为自东向西逐渐递减的趋势;从草地类型上看,山地草甸类AGB单产最高,温性草原类总产量最高。研究结果将对草原生态系统监测评估和草原宏观管理具有一定的参考价值。

多源信息耦合的GDP空间化研究——以北京市为例

针对统计数据对GDP空间分布信息表达存在的局限性,耦合GDP统计数据、城市兴趣点数据、夜间灯光数据以及土地利用数据,提出了一种GDP空间化方法。以北京市为实验区,首先,利用土地利用类型与GDP的关系,实现了第一产业GDP的100 m网格空间化;其次,通过计算兴趣点密度分布情况,并耦合夜间灯光指数以及土地利用类型,建立了第二、三产业GDP空间化模型;最终,将分产业结果进行空间整合,完成北京市100 m网格的GDP分布结果。结果表明:加入兴趣点的多源耦合模型较夜间灯光指数单因素模型,R^(2)从0.84提高至0.92,生成的结果可以更好地体现区域GDP的空间差异。表明多源信息耦合模型可以提高GDP空间化模拟精度,兴趣点数据可以有效地反映GDP空间分布,为GDP空间化提供数据支持。

三江源国家公园植被时空变化及其影响因子

三江源国家公园对于区域生态环境和物种栖息地的保护具有重要意义。基于2000-2018年的GLASS植被覆盖度产品,使用线性回归和Hurst指数分析园区植被覆盖度的时空变化,并利用皮尔逊相关系数、残差分析法探究气候变化和人类活动对植被变化的影响。结果表明:三江源国家公园植被覆盖度较低,其均值为0.24;2000-2018年间,园区植被覆盖度呈轻微增加趋势;园区植被变化以增长为主,且其变化大都呈正向持续性;趋势变化与Hurst指数叠加分析发现,园区植被变化类型以持续性增长为主,占园区植被区总面积的61.33%;其他依次为持续性退化、未来变化不确定类型;降雨对园区植被变化影响最大,其次为温度,人类活动对植被变化的影响最小。近年来,园区的温度和降雨都呈增加态势,改善了区域植被的水热条件,促进植被生长。

基于多时相Sentinel-2影像的棉花雹灾时序变化遥感监测

近年来全球变暖导致强对流天气日益加剧,冰雹灾害已成为农业生产的主要灾害之一。开展棉花冰雹灾情遥感评估对防灾减损、保险理赔、种植结构调整均具有重要意义。以2019年8月23日新疆准噶尔盆地西南部的奎屯河流域的棉花雹灾为研究对象,基于野外实测样本和雹灾前后多时相Sentinel-2遥感影像数据,分析雹灾前后的多种植被指数的动态变化规律,筛选能有效表征雹灾灾情的敏感植被指数差值特征组合,利用逻辑回归、决策树、梯度提升决策树、随机森林4种机器学习算法自动提取棉花雹灾的受灾范围与灾情等级,并利用野外实测样本进行精度对比分析。结果表明:单一植被指数中NDVI对雹灾的指示效果最佳,总体精度为84.39%,Kappa系数为0.75;多时相植被指数差值组合对雹灾的指示性显著优于单一植被指数;结合雹灾前后的植被指数差值时序特征,8月30日与8月20日差值对雹灾的指示性明显强于8月25日与8月20日的差值,说明雹灾灾情等级遥感监测有必要考虑灾后棉花植株的自我恢复能力,待灾情稳定后监测为宜;利用灾前灾后多种植被指数差值组合和随机森林分类算法的棉花雹灾灾情等级监测效果最佳,总体精度达到了89.51%,Kappa系数为0.83。基于多时相Sentinel-2影像能有效评估棉花雹灾的受灾范围以及灾情程度。

MPSPNet和UNet网络下山东省高分辨耕地遥感提取

高分辨率遥感影像中耕地特征复杂,人工目视解译和传统的遥感影像分类方法提取能力有限,无法实现大范围的自动化高精度耕地提取。深度学习技术因具有较强的地物表达能力,在遥感影像信息自动提取方面表现出了优越的性能,为大范围耕地的精细化自动提取提供了新的思路。探究不同典型网络模型在不同景观特征耕地提取上的适用情况对耕地提取质量和效率的提升具有重要意义。基于此,本研究以高分一号及高分二号融合的2 m分辨率数据为数据源,采用改进的金字塔场景解析网络MPSPNet(Modified Pyramid Scene Parsing Network)和UNet网络模型,应用于山东省的耕地精细自动化提取,并与传统面向对象的方法对比,探究两种深度卷积神经网络模型在大尺度耕地自动提取中的适用性。研究获得以下结论:(1) MPSPNet模型和UNet模型在区/县尺度的耕地提取上性能优于传统的面向对象的分类方法,在全省尺度的耕地提取上总体精度优于90%且无明显差异。(2)耕地景观特征是影响两模型耕地提取效果的重要因素,模型的选择对耕地提取效果无明显影响。在耕地景观指数较低的地块规则平整的区域,模型提取效果较好,在耕地景观指数较高的地块破碎丘陵区域以及与耕地特征相近的地块区域,模型提取效果较差,并且UNet模型在这些区域误分耕地的概率更大。(3)两模型在不同区域、不同时相的影像中能得到较好的耕地提取效果,具有较强的泛化能力和时空迁移能力。

植被光能利用率遥感估算

光能利用率表征植被通过光合作用将所截获/吸收的能量转化为有机碳的效率,是遥感估算植被生产力的关键参数。由于植被分布和气候环境的综合影响,光能利用率表现出显著的空间异质性和时间动态性,光能利用率的不确定性成为后续生产力模型估算精度不高的重要原因。本文以Fluxnet全球通量站点数据和MODIS LAI/fPAR产品为数据源,比较了5种遥感植被生产力模型中的光能利用率估算方法,并在此基础上考虑光照散射条件对光能利用率的影响,结合晴空指数,利用逐步线性回归方法和参数优化方法建立不同植被类型的光能利用率估算模型。验证结果表明,考虑晴空指数可提高光能利用率估算精度,两种方法估算得到的光能利用率值RMSE均低于0.5 gC·MJ^(-1),逐步线性回归法尽管机理欠缺,但由于选择因子较多,光能利用率估算精度较高(R2=0.461,RMSE=0.403 gC·MJ^(-1));广泛应用的参数化方法由于考虑的因子较少、模型形式较固定,光能利用率估算精度稍低(R2=0.306,RMSE=0.489 gC·MJ^(-1))。本文所建立的光能利用率估算模型可应用于区域或全球植被光能利用率及生产力的估算。

积雪、土壤冻融与土壤水分遥感监测研究进展

积雪、土壤冻融与土壤水分是陆表能量与水分以及碳交换过程研究中的重要因子,为了更好地了解积雪覆盖、雪深/雪水当量、土壤冻融状态和土壤水分等参数的遥感监测领域的发展动态,对这些参数遥感监测方法的研究进展进行了梳理,总结了利用光学与微波遥感,以及多源遥感融合的监测方法,并对该研究领域的发展趋势进行了展望。积雪、土壤冻融与土壤水分的遥感监测能力不断提升,监测算法从单一传感器向多传感器、单波段单一模式向多波段多模式集成,以及卫星虚拟星座综合观测概念的提出,均促进了现有卫星观测地表参数能力的提升;长时间序列产品的开发,对于研究和掌握全球变化大背景下对气候的响应提供了很好的数据基础;同时有助于促进遥感在水文、气象、气候、生态等领域的应用。以上的研究综述,有望对陆表水循环遥感参数反演领域,以及水循环遥感关键参数的应用领域有一定的借鉴作用。