2010年中国西南旱情的时空特征分析——基于MODIS数据归一化干旱指数

 近年来,干旱灾害频繁发生,对区域内农业生产和生态环境造成了极大的破坏。为了快速准确地获取大面积地表土壤水分信息用以评估地表受旱程度,本文以2010年年初中国西南大旱为例,运用MODIS可见光-红外波段数据以及像元可信度综合生成了归一化干旱指数(NDDI)。同时,结合研究区内地面气象站点实测的土壤湿度数据验证了NDDI对地表土壤湿度的敏感度。结果表明:相比于植被状态指数(VCI)干旱监测模型,NDDI能更加灵敏地对浅层地表干湿变化做出迅速响应。最后,本文利用NDDI分析了2010年年初中国西南大旱旱情发展的时空演变过程,宏观上重现了此次旱情的发展历程,并使用该指数统计了不同时间节点、不同干旱等级下的贵州省土地受旱面积。结果显示:2010年1月-2010年4月为贵州省旱情最为严重的4个月,平均受旱面积达103 352km²,最大受旱面积达132 257km²,占贵州省总面积的75%以上。同时,旱情等级为重旱的土地面积最大达到88 246 km²,占贵州全境土地面积的50%以上。     

Examining Forest Net Primary Productivity Dynamics and Driving Forces in Northeastern China During 1982–2010

Forest net primary productivity （NPP） is a key parameter for forest monitoring and management. In this study, monthly and annual forest NPP in the northeastern China from 1982 to 2010 were simulated by using Carnegie-Ames-Stanford Approach （CASA） model with normalized difference vegetation index （NDVI） sequences derived from Advanced Very High Resolution Radiometer （AVHRR） Global Invento y Modeling and Mapping Studies （GIMMS） and Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer （MODIS） products. To address the problem of data inconsistency between AVHRR and MODIS data, a per-pixel unary linear regres- sion model based on least ~;quares method was developed to derive the monthly NDVI sequences. Results suggest that estimated forest NPP has mean relative error of 18.97% compared to observed NPP from forest inventory. Forest NPP in the northeastern China in- creased significantly during the twenty-nine years. The results of seasonal dynamic show that more clear increasing trend of forest NPP occurred in spring and awmnn. This study also examined the relationship between forest NPP and its driving forces including the climatic and anthropogenic factors. In spring and winter, temperature played the most pivotal role in forest NPR In autumn, precipitation acted as the most importanl factor affecting forest NPP, while solar radiation played the most important role in the summer. Evaportran- spiration had a close correlation with NPP for coniferous forest, mixed coniferous broadleaved forest, and broadleaved deciduous forest. Spatially, forest NPP in the Da Hinggan Mountains was more sensitive to climatic changes than in the other ecological functional re- gions. In addition to climalie change, the degradation and improvement of forests had important effects on forest NPP. Results in this study are helpful for understanding the regional carbon sequestration and can enrich the cases for the monitoring of vegetation during long time series.     

基于Google Earth Engine的红树林年际变化监测研究

遥感技术已广泛应用于红树林资源调查与动态监测中,但仍然存在遥感数据获取困难、数据预处理工作量大、监测时间长而周期过大等问题,影响了学者对红树林演变过程的精细刻画与理解。本文基于Google Earth Engine（GEE）云遥感数据处理平台,选取Landsat系列卫星数据,生成长时间序列年际极少云影像集（云量少于5%）,利用3个红外波段反射率（NIR、SWIR1、SWIR2）和3个特征指数（NDVI、NDWI、NDMI）建立阈值规则集,实现对实验区越南玉显县红树林、红树林-虾塘、不透水面-裸地、水体4种目标地物的专家知识决策树分类和土地覆盖的制图,并基于分类结果监测该区域1993-2017年的红树林年际动态变化。结果表明：GEE平台可满足多云多雨地区红树林的长时间序列年际变化监测需求;本文阈值分类方法可以有效提取红树林及红树林-虾塘,实验区有86%年份的影像分类精度达到80%以上;年际变化监测可精细刻画实验区红树林面积先增后减再增的变化过程,也能准确反映红树林与红树林-虾塘养殖系统面积之间的负相关关系。红树林年际动态监测结果可以降低红树林演变分析的不确定性,并能更精细地量化红树林与其他土地覆盖类型的转化过程,从而评估经济发展、政策等因素对红树林演变的影响。     

北京2008奥运赛场环境特征的GIS系统分析

本文针对不同环境特征参数的空间和时间变化特征,利用2006年不同空间分辨率和时间分辨率的多源遥感数据和产品,对31个奥运场馆、公路自行车赛场和奥林匹克公园的建筑指数、水体指数、白天/夜间陆表温度以及植被指数特征进行了GIS系统分析,其结果:(1)31个奥运场馆的建筑时间、地理位置以及露天情况对其环境特征有着重要的影响,建筑指数、水体指数、白天/夜间的陆表温度以及植被指数均表现出不同的变化特征,故奥运场馆的绿化和赛事安排应对这些因素进行综合考虑。(2)公路自行车赛场和奥林匹克公园均表现出建筑指数较高,水体指数为负值的特征,而且夏季和秋季白天/夜间陆表温度较高。建议在奥林匹克公园适当增加一些水体以提高其环境质量。     

基于TAVI的山区毛竹林LAI反演分析

本文采用地形调节植被指数（TAVI）,以RapidEye高分辨率多光谱遥感影像为数据源,对福建省永安市毛竹林山区进行了叶面积指数（LAI）地面实测、遥感建模及反演分析。通过TAVI与归一化植被指数（NDVI）、比值植被指数（RVI）的对比研究,结果表明：（1）毛竹林实测LAI与TAVI、NDVI和RVI线性回归的决定系数（R²）分别为0.6085、0.3156和0.4092,最佳非线性回归的R²分别提高到0.6624、0.5280和0.6497。LAI与NDVI或RVI非线性（U曲线）模型可以很好地解释LAI-VI的散点分布规律,但难以解决LAI-VI间因地形影响导致的“同物异谱”和“异物同谱”问题,因此,在山区大面积推广应用需慎重。（2）通过实测LAI的验证表明,LAI-TAVI回归模型可有效避免因地形影响导致的“同物异谱”和“异物同谱”问题。TAVI具有良好的削减地形影响作用,可用于山区植被LAI的遥感反演。     

卫星影像数据构建山地植被指数与应用分析

 本研究以Landsat影像为数据源,在分析复杂地形山地植被在阳坡和阴坡反射率差异特征的基础上,提出一种归一化差值山地植被指数NDMVI (Normalized Difference Mountain Vegetation Index)。该指数模型无需辅助数据(如DEM)的支持,通过同时降低近红外波段(TM4)和红光波段(TM3)反射率的方法来消除或抑制地形的影响,具有较强的可操作性。研究表明:NDMVI与太阳入射角余弦值(cos i)的相关性相当小,对地形起伏变化表现不敏感,可有效消除或抑制地形的影响;比NDVI值动态变化范围更宽,对地物有更强的遥感识别能力;该模型抑制地形影响的效果比用C校正模型的效果更佳,不会出现过度校正的问题。     

青藏高原冬季植被变化与南亚夏季风关系分析

利用1982年1月-2001年12月青藏高原植被归一化指数(NDVI)和NCEP/NCAR再分析月平均资料,应用相关分析、奇异值分解(SVD)和经验正交分解(EOF)的方法,分析了青藏高原冬季的NDVI变化与南亚夏季风的关系.通过分析表明,高原植被与南亚地区850hPa纬向风场和纬向风垂直切变(U850hPa-U200hPa)有比较好的正相关关系.用纬向风垂直切变EOF分析的第一特征向量对应的时间系数定义一个南亚夏季风指数(EOFI),该系数与高原冬季NDVI相关较好,而且能较好地反映南亚夏季风的变化.     

利用伪归一化差异水体指数提取城镇周边细小河流信息

通过对归一化差异水体指数NDWI中的绿波段修正,提出了不依赖于中红外波段的伪归一化差异水体指数FNDWI（False NDWI）。使用NDWI和FNDWI分别在背景地物为城市、城郊、乡镇、村落和山区的遥感影像上进行河流水体提取,实验表明,FNDWI影像中城镇建筑用地与河流水体的可分离性较NDWI有所提升,提升率为116%~335%不等;相关性分析表明,河流宽度与可分离性提升率具有明显的负相关关系,相关系数为-0.82;分类结果显示,在城市和城郊区域,NDWI提取的水体中混杂有较多城镇建筑用地信息,而FNDWI提取的水体中基本未见混杂。总体上,FNDWI提高了2种地物的可分离性,剔除了NDWI影像混入的城镇建筑用地信息,较好地解决了NDWI城镇建筑用地与河流水体的混淆问题,尤其适用于城镇周边的细小河流。     

潮滩表层沉积物含水量的高光谱预测模型与反演分析

潮滩土壤含水量具有变化频率快、空间变化大的特征,是影响潮滩地表反射率的重要因素。潮滩土壤含水量的精确提取,可为潮滩特征地物信息遥感反演提供基础。本文利用江苏大丰王港潮滩4种典型沉积物、449组不同含水量对应的实测光谱曲线数据进行特征分析,构建高光谱预测模型,实现了潮滩沉积物含水量的遥感反演。研究结果表明:(1)在短波红外波段,沉积物含水量与反射率之间存在良好的分段线性相关关系,分段点对应的含水量分别为42%和62%;(2)1165nm、1336nm、1568nm和1780nm特征波段反射率,对含水量变化具有良好响应,由特征波段组合计算得到的差值水指数DWI、比值水指数RWI和归一化水指数NDWI与含水量呈显著线性相关,可有效改善单波段反射率与含水量之间的分段线性关系;(3)3个水指数中,DWI反演的含水量精度优于RWI和NDWI,且对不同含水量大小均有良好适应性,而RWI和NDWI更适合含水量变化范围中等的情况;(4)对于粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂和砂4种沉积物类型,DWI1336,1780验证组模拟含水量与实测含水量的相关系数,分别为0.891、0.915、0.920和0.905,均方根误差分别为9.87%、3.56%、4.24%和2.98%,表明由DWI构建的高光谱遥感反演模型,可有效实现潮滩表层含水量的时空变化预测。     

Estimating fraction of photosynthetically active radiation of corn with vegetation indices and neural network from hyperspectral data

The fraction of photosynthetically active radiation(FPAR) is a key variable in the assessment of vegetation productivity and land ecosystem carbon cycles.Based on ground-measured corn hyperspectral reflectance and FPAR data over Northeast China,the correlations between corn-canopy FPAR and hyperspectral reflectance were analyzed,and the FPAR estimation performances using vegetation index(VI) and neural network(NN) methods with different two-band-combination hyperspectral reflectance were investigated.The results indicated that the corncanopy FPAR retained almost a constant value in an entire day.The negative correlations between FPAR and visible and shortwave infrared reflectance(SWIR) bands are stronger than the positive correlations between FPAR and near-infrared band reflectance(NIR).For the six VIs,the normalized difference vegetation index(NDVI) and simple ratio(SR) performed best for estimating corn FPAR(the maximum R2 of 0.8849 and 0.8852,respectively).However,the NN method esti-mated results(the maximum R2 is 0.9417) were obviously better than all of the VIs.For NN method,the two-band combinations showing the best corn FPAR estimation performances were from the NIR and visible bands;for VIs,however,they were from the SWIR and NIR bands.As for both the methods,the SWIR band performed exceptionally well for corn FPAR estimation.This may be attributable to the fact that the reflectance of the SWIR band were strongly controlled by leaf water content,which is a key component of corn photosynthesis and greatly affects the absorption of photosynthetically active radiation(APAR),and makes further impact on corn-canopy FPAR.     

利用伪归一化差异水体指数提取城镇周边

通过对归一化差异水体指数NDWI中的绿波段修正,提出了不依赖于中红外波段的伪归一化差异水体指数FNDWI（False NDWI）。使用NDWI和FNDWI分别在背景地物为城市、城郊、乡镇、村落和山区的遥感影像上进行河流水体提取,实验表明,FNDWI影像中城镇建筑用地与河流水体的可分离性较NDWI有所提升,提升率为116％～335％不等;相关性分析表明,河流宽度与可分离性提升率具有明显的负相关关系,相关系数为-0．82;分类结果显示,在城市和城郊区域,NDWI提取的水体中混杂有较多城镇建筑用地信息,而FNDWI提取的水体中基本未见混杂。总体上,FNDWI提高了2种地物的可分离性,剔除了NDWI影像混入的城镇建筑用地信息,较好地解决了NDWI城镇建筑用地与河流水体的混淆问题,尤其适用于城镇周边的细小河流。     

淤泥质潮滩湿地类型遥感识别分类方法与应用

依据江苏盐城国家珍禽自然保护区淤泥质潮滩湿地影像特征,快速提取高精度潮滩湿地地物信息对湿地生态保护具有重要的意义。本研究以2010年TM影像为数据源,针对海滨湿地植物覆被类型复杂,以及湿地植物类型之间的生态交错带信息难以识别等问题,综合运用植被NDVI指数、波段反射率特征、环境特征和生态条件,逐级分层分类及人工选取阈值等方法,较好地解决了淤泥质潮滩湿地分类问题。结果表明,与同一时期的监督分类相比较,在识别植被交错带植被覆被类型和零星分布的植被斑块的类型方面更具优势,分类精度有明显提高。通过ROI训练区,选取了3126个包括所有类型的样本进行精度检验,分类精度达到95.87%。该方法弥补了单一分类方法的不足,对快速、高精度地提取淤泥质潮滩地物类型具有重要的参考价值和实践意义。     

水土流失区马尾松林植被提取的土壤调节指数分析

为实现水土流失区植被遥感信息的准确提取,本文采用2007年ALOS 10 m多光谱影像,利用土壤调节植被指数SAVI和MSAVI,对福建长汀水土流失区马尾松林不同植被覆盖密度的3个实验区进行植被提取,并选用不同的土壤调节因子（L=0.25,0.5,0.75,1）做实验,将结果和以NDVI植被指数提取的结果进行对比,分析了提取效果及受土壤噪音的影响程度。实验表明,SAVI指数能提高水土流失区的植被提取精度。在中、低植被覆盖区,其提取的总精度比NDVI高出2%~7%,Kappa系数高出7%~18%;而土壤调节因子L的取值对植被信息的提取也呈现出一定的规律性,即：随着L从0向1递增,SAVI提取稀疏植被的能力上升而探测阴坡植被的能力下降。总体来看,对于低植被覆盖和中等植被覆盖地区,可分别用SAVI（L取0.75）和SAVI（L取0.5）来提取植被信息,对于高植被覆盖区,仍可直接用NDVI进行植被信息提取;研究发现MSAVI在植被信息提取中并不具有特别的优势。     

路域植被等效水厚度估算模型研究

植被等效水厚度对路域生态环境的监测评估具有重要意义。本研究以湖南醴潭高速一段为研究对象,以地面实测光谱和等效水厚度以及PRO4SAIL模拟光谱和模拟等效水厚度为数据源,利用PRO4SAIL冠层模型模拟光谱与地面实测光谱建立12种常用水分指数,引入随机森林算法对水分指数与等效水厚度进行重要性分析,得到12种水分指数的重要性排序;利用调整R ²确定建立等效水厚度估算模型中输入水分指数的最佳个数;在优选水分指数基础上,以PRO4SAIL模拟光谱计算得到水分指数和等效水厚度为训练集,分别构建随机森林耦合偏最小二乘（RF-PLS）、随机森林耦合支持向量机（RF-SVM）和随机森林耦合遗传算法优化支持向量机（RF-GA-SVM）等效水估算模型,并用地面实测等效水厚度对估算模型进行精度验证与分析。结果表明：RF-SVM估算模型中输入重要性前9的水分指数（NDWI、NMDI、SRWI、SR、NDII、WI、DWI、MSI、SAVI）时,调整R ²最高,验证集决定系数为0.8877;RF-PLS和RF-GA-SVM估算模型中输入重要性前4的水分指数（NDWI、NMDI、SRWI、SR）时,调整R ²最高,验证集决定系数分别为0.8053、0.8952,其中RF-GA-SVM模型估算等效水厚度效果最佳,其精度满足路域植被等效水厚度监测要求。本文研究成果为等效水厚度估算提供一种有效且精确的方法,同时为发展基于高光谱遥感的路域环境监测提供重要支撑。     

玉米叶面积指数的CHRIS/PROBA数据反演分析

叶面积指数(LAI)是衡量植被生态状况和估算作物产量的一个重要指标。LAI的反演是定量遥感研究的重要内容。传统的经验统计反演方法基于单一观测角度的遥感数据进行,忽略了地物反射率的方向性。若在反演中加入多观测角度的信息,则有可能提升LAI反演的精度。以2008年甘肃省张掖市玉米实验区为研究区,利用欧空局的CHRIS/PROBA多角度高光谱数据对比分析了传统植被指数NDVI、RVI、EVI的变化规律及其反演玉米叶面积指数LAI的精度,并根据NDVI随观测角度的变化规律,构造出新型多角度归一化植被指数MNDVI,分别对实测叶面积指数进行线性回归并利用实测数据对估算LAI进行精度验证,结果表明：新型MNDVI指数相比于传统NDVI、RVI、EVI对LAI的反演精度有了显著提升,估算模型决定系数R²达到0.716,精度验证均方根误差为0.127,平均减小了33.3%。     

Detecting Global Vegetation Changes Using Mann-Kendal(MK) Trend Test for 1982–2015 Time Period

Vegetation is the main component of the terrestrial ecosystem and plays a key role in global climate change. Remotely sensed vegetation indices are widely used to detect vegetation trends at large scales. To understand the trends of vegetation cover, this research examined the spatial-temporal trends of global vegetation by employing the normalized difference vegetation index(NDVI) from the Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR) Global Inventory Modeling and Mapping Studies(GIMMS) time series(1982–2015). Ten samples were selected to test the temporal trend of NDVI, and the results show that in arid and semi-arid regions, NDVI showed a deceasing trend, while it showed a growing trend in other regions. Mann-Kendal(MK) trend test results indicate that 83.37% of NDVI pixels exhibited positive trends and that only 16.63% showed negative trends(P 0.05) during the period from 1982 to 2015. The increasing NDVI trends primarily occurred in tree-covered regions because of forest growth and re-growth and also because of vegetation succession after a forest disturbance. The increasing trend of the NDVI in cropland regions was primarily because of the increasing cropland area and the improvement in planting techniques. This research describes the spatial vegetation trends at a global scale over the past 30+ years, especially for different land cover types.     

1982-2006年中国5-9月的NDVI变化与人类活动影响分析

植被是联系陆地、大气和生态系统的自然纽带,其随着气候和人类活动而发生变化,因此,研究它的突变和变化趋势具有重要意义。本文利用3年滑动t检验、Mann-Kendall检验(MK检验)和距平分析法,研究了中国1982-2006年5-9月平均的NDVI(NOAA/AVHRR GIMMS)突变和变化趋势及其主要原因。3年滑动t检验和MK检验表明,1998年华东地区的NDVI出现了突变,而东北地区和青藏高原NDVI没有出现突变。NDVI变化趋势的分析表明,1982-1998年华东地区NDVI为较平稳的趋势,1998年出现突变后,1998-2006年转为明显下降的趋势(以1998年为转折点)。因此,华东地区NDVI存在明显的变化趋势。NDVI突变和变化趋势的成因分析表明,20世纪90年代后期至21世纪初,随着华东地区大规模的城市化建设和房地产的过度开发,导致耕地面积减少,华东地区植被1998年出现了突变,并从偏多转为明显偏少的趋势,而卫星仪器和气候因子并非是导致该地植被出现突变和变化趋势的主要原因。     

鄱阳湖南矶湿地景观信息高分辨率遥感提取

鄱阳湖南矶湿地是亚热带典型过水性湿地,由于该区域水文情况复杂,且泥滩、沼泽和疫水（血吸虫）分布较广,导致野外考察验证工作困难,使用传统的遥感信息提取方法很难保证该地区湿地景观的提取精度。本文以高分一号影像为数据源,综合运用数字高程模型（DEM）、归一化植被指数（NDVI）、归一化水体指数（NDWI）等辅助数据,采用面向对象分类方法,对鄱阳湖南矶湿地景观信息进行提取研究,并取得了较好的分类效果。研究结果表明：（1）基于国产高分辨率影像的面向对象分类,既兼顾了国产高分辨率影像光谱、空间、结构、纹理信息,又综合利用多源辅助数据参与到分类计算中,分类精度得到明显的提升;（2）基于面向对象与多源数据分类方法对湿地混合像元有较好地识别能力,可获得较高的总体分类精度（94.3275%）和Kappa系数（0.9324）,说明利用多源数据的面向对象方法提取湿地信息是可行的,其分类结果具有较高的准确性和可信度,较好地解决了过水性湿地景观分类问题;（3）该分类方法弥补了单一遥感影像分类方法的不足,对研究国产高分卫星在提取过水性湿地景观信息方面具有重要的参考和实际意义。最后,分析了多源数据面向对象分类尚待解决的问题和下一步的研究方向。     

基于谱间特征与比值型指数的水体影像识别分析

根据杨存建等人发现LandsatTM影像水体具有TM₂+TM₃>TM₄+TM₅的特征,本文以2000年福州市Landsat-TM为例,分析了水体及其他几类主要地物的光谱特性在影像中的表现特征,发现除水体外,居民地的影像以及山体影像也都具有TM₂+TM₃>TM₄+TM₅(即(TM₂+TM₃)/(TM₄+TM₅)>1)的特征,但是三者(TM₂+TM₃)/(TM₄+TM₅)的比值却存在着较大的差异,所以辅以适合的阈值(水体(TM₂+TM₃)/(TM₄+TM₅)>2.0,TM₂>40)可以将水体信息区别于其他背景地物。将该方法在含不同水体类型的福州市Landsat-TM遥感影像上进行实验,表明其可以将水体与全部居民地的阴影和山体阴影有效区分开来;同时可用于快速、简便和准确地提取城市和山区中的湿地水体信息,解决水体提取中难于消除居民地阴影与山体阴影的难题。     

基于Landsat TM和ENVISAT ASAR数据的鄱阳湖湿地植被生物量的反演

作为湿地生态系统的重要组成部分,湿地生物量是衡量生态系统健康状况的关键指标。由于光学遥感对植被垂直分布探测的局限,使得植被指数反映生物量变化的灵敏度下降。利用C波段SAR反演生物量时,对于低中等生物量,含水量高的湿地地表的后向散射对总雷达后向散射的影响会在雷达图像上出现类似光学遥感中"异物同谱"的现象。本文用光学遥感中NDVI、RVI和DVI三种植被指数对生物量变化的敏感性,利用改进的MIM-ICS模型,对湿地植被各散射分量进行模拟分析,建立符合湿地植被类型的各散射分量模拟数据库,以LandsatTM和Envisat ASAR交替极化数据为基础,选择植被指数DVI=0.45为阈值,将湿地植被分割为低叶片密度植被区和高叶片密度植被区,分别应用统计回归模型和半经验微波散射模型,对两个区域植被生物量进行反演。最后,得到整个鄱阳湖湿地生物量为2.1×10⁹kg。研究表明,对于生物量动态范围较大的地区,采用光学和雷达遥感相结合可以有效地提高湿地植被生物量反演的精度,克服光学遥感探测植被垂直分布能力有限和雷达遥感受背景影响大的不足。