基于遥感信息的城市地表能量空间分布及特征研究——以国际宜居城市为例

遥感地表能量信息能够反映城市生态系统成分、作用与影响关系。本研究从城市生态系统的角度,提取能反映城市下垫面地物实体综合特征、作用与影响关系的相对地表能量信息,针对不同区域、规模与类型城市的地表能量空间分布及特征,建立了定量化的城市相对地表能量分级与评价指标。探讨国际"宜居型城市"生态系统结构、功能、形态及其时空变化特征和规律。结果表明:(1)城市实体空间建筑群的形状、体量,街道与建筑的朝向和配置关系,以及硬质化表面开放性的差异影响城市地表能量的分布。(2)建筑物周边的植被覆盖程度、建筑物之间的空间关系、广场和街道的开放性等,是维持城市开敞空间与实体空间的混合区域地表能量平衡的基础。宜居城市中心周围的大规模低密度居住区构成以中等能量分布为主的城市地表能量缓冲与过渡区。(3)城市开敞空间的地表能量变化幅度比实体空间大,宜居城市开敞空间的中、低地表能量分布占有较高比例。(4)宜居城市实体空间的高能量斑块呈现规模较小和分布相对分散的状态。采用相对地表能量分级与评价指标,可为各类城市规划与设计提供科学依据。     

基于遥感信息的城市地表能量空间分布及特征研究——以国际宜居城市为例

遥感地表能量信息能够反映城市生态系统成分、作用与影响关系。本研究从城市生态系统的角度,提取能反映城市下垫面地物实体综合特征、作用与影响关系的相对地表能量信息,针对不同区域、规模与类型城市的地表能量空间分布及特征,建立了定量化的城市相对地表能量分级与评价指标。探讨国际“宜居型城市”生态系统结构、功能、形态及其时空变化特征和规律。结果表明：（1）城市实体空间建筑群的形状、体量,街道与建筑的朝向和配置关系,以及硬质化表面开放性的差异影响城市地表能量的分布。（2）建筑物周边的植被覆盖程度、建筑物之间的空间关系、广场和街道的开放性等,是维持城市开敞空间与实体空间的混合区域地表能量平衡的基础。宜居城市中心周围的大规模低密度居住区构成以中等能量分布为主的城市地表能量缓冲与过渡区。（3）城市开敞空间的地表能量变化幅度比实体空间大,宜居城市开敞空间的中、低地表能量分布占有较高比例。（4）宜居城市实体空间的高能量斑块呈现规模较小和分布相对分散的状态。采用相对地表能量分级与评价指标,可为各类城市规划与设计提供科学依据。     

城市地表要素的地表能量响应特征及其关系研究

遥感地表能量信息可揭示城市地表要素的地表能量综合响应特征和作用关系特征,客观地反映了城市实体空间、开敞空间及其开放空间网络的格局和变化。本文从重庆城市地表能量响应的基本网格单元和研究区尺度,分析城市地表要素对城市热环境的贡献,并结合与“国际宜居城市”——西雅图的对比,探讨城市化过程中地表要素类型改变对城市热环境的影响及其变化和规律。结果表明：① 在基本网格单元和区域尺度层面,城市地表能量的平衡取决于地表要素中实体空间和开敞空间布局的合理性与稳定性;② 在城市大规模的硬质化区域,建筑实体的垂直体量相对于其水平体量及其组团格局,对于地表能量的聚集、改变具有较高的敏感性;③ 地表要素对城市热环境的影响若达到同等贡献指数（绝对值）程度,基本网格单元的开敞空间比例需要高于实体空间;④ 开敞空间基本网格单元的林地和水体类型所占比例达到20%时,地表能量的减幅明显;⑤ 实体空间基本网格单元的在建/工业用地要素类型所占比例超过5%,以及高密度建设用地所占比例达到30%时,地表能量的增幅明显。本研究旨在从城市地物实体地表能量的体量与空间关系角度,为建设基于城市更新的城市规划和城市设计提供科学依据。     

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。     

基于偏振植被指数的植被-土壤混合像元室内实验研究

混合像元是遥感影像中普遍存在的一种现象,对其组成和各成分比例的反演一直是遥感研究中的重难点,而国内利用偏振植被指数对混合像元的研究几乎没有涉及。本次研究通过对不同面积比例的植被-土壤混合像元偏振反射高光谱特征进行分析,讨论不同条件下的植被-土壤混合像元偏振高光谱特性,并利用偏振反射比计算了12种0°偏振态下的偏振植被指数,分别构建了植被指数与植被面积比例以及光谱特征参数与植被面积比例的数学模型。结果表明,混合像元中植被面积比例和偏振角均对其偏振高光谱有一定的影响;865 nm的偏振反射比与植被占像元面积比例的相关性最好,采用多项式进行拟合时,其决定系数达到0.99,适合进行植被占像元面积比例的反演;偏振光谱“红边”处的一阶微分值与植被像元比例存在良好的线性相关,R²=0.974;植被面积比例与植被指数和光谱特征参数呈现良好的相关关系,其中P-DVI和光谱吸收指数（SAI）与植被面积比例的拟合效果最好,决定系数分别为0.99以及0.94,适合进行植被-土壤混合像元中植被面积比例的反演。     

1982-2006年加纳植被覆盖时空变化及其气候影响

非洲陆地生态系统是气候变化的高敏感区,研究该区域植被覆盖变化及其控制因素,对深刻认识气候变化的影响具有重要意义。本文利用1982-2006年植被指数（NDVI）数据,研究位于非洲西部热带地区的加纳共和国植被覆盖的时空变化特征,结合同期的气温和降水量数据,分析其植被活动对气候变化的响应特征。研究结果表明,加纳86.4%的植被覆盖区NDVI在25 a间都呈现不同程度的增加趋势。20世纪80年代初和21世纪初这2个时期,NDVI值大于0.4的面积百分比呈增加趋势;NDVI值大于0.5的面积百分比从26%增加到38.2%;NDVI值在0.4-0.5之间的面积百分比从47.5%增加到51.9%。NDVI受降水量控制的区域占总区域面积的57.2%,而受气温控制的面积占总区域面积的42.8%。总的来看,加纳植被覆盖对降水量变化的敏感程度强于气温变化。     

新疆农业景观格局演变对其生态系统服务价值的影响

结合遥感、地理信息系统、景观生态学和空间分析等理论,分析了新疆地区2000~2015年农业景观格局的时空动态变化特征,测算了农业生态系统服务价值,通过相关分析进一步研究了农业景观格局与生态系统服务价值的关联,为促进区域土地资源合理利用和生态农业发展提供科学依据。结果表明,新疆农业生态系统正朝着多样化、稳定化的方向发展;农业生态系统服务价值显著增长,但区域间的价值差异较大,呈现北疆高南疆低的分布格局;景观面积、斑块数和景观形状对新疆地区农业生态系统服务价值影响较大且均呈现明显正相关关系。     

基于遥感指数的南京市城市热岛时空演变分析

以南京市为研究区域,基于Landsat系列影像,采用单窗算法反演南京市2000—2017年的地表温度.通过地表温度均值标准差法划分城市热岛等级,分析南京市城市热岛时空演变特征,并基于归一化植被指数(NDVI)和归一化建筑指数(NDBI),分析南京市城市热岛和植被覆盖及不透水面的关系.研究结果表明,南京市2000—2017年城市热岛现象明显且有逐渐增长趋势;南京市城市热岛与植被覆盖、城市不透水面表现出较强的空间一致性;南京市城市热岛与植被覆盖和不透水面分别呈现负相关和正相关关系.研究为南京市城市环境管理与城市合理规划提供了一定的理论依据与参考.     

陕北地区1997-2006年NDVI变化与气候因子的关系

利用1997-2006年的AvHRR NOAA遥感资料,对陕西省陕北地区(榆林市、延安市和铜川市部分地区)地表植被指数的空间变化和时间变化进行了分析,并对相应时段的气候因子与植被指数之间的关系,以及气候因子对该地区植破的影响进行了分析.结果表明:近10a陕北大部地区平均植被有增加的趋势,但部分地区有减少的趋势.四季平均NDVI呈上升趋势,春季是陕北季平均NDVI上升趋势最为显著,上升速度最快的季节.降水量对地表植被的变化起重要的作用,特别是对农业用地植被和草地植被的影响;对于常绿针叶林和落叶阔叶林植被,降水的年际变化对地表植被的影响较小;温度的变化对地表植被的变化影响显著.     

准格尔旗植被覆盖度变化的时间序列遥感监测

准格尔旗2000年开始实施退耕还林、沙漠治理政策已逾10年,了解准格尔旗植被恢复现状及存在的问题,对于制定更加合理的环境治理政策、实现环境和经济的可持续发展具有重要意义^[1]。本研究基于准格尔旗地区1990、2000和2011年3个时间序列的Landsat TM/ETM+遥感影像,通过选取3个时期植被与裸地的NDVI值,代入像元二分法模型中,反演得到3个时期的植被覆盖度,并且通过研究准格尔旗3期植被覆盖度的时空变化特征、近21年的准格尔旗植被覆盖度转移矩阵、植被恢复/退化状况及驱动力,定量分析了该地区近21年植被覆盖度的时序变化和空间分布特征。研究结果表明：准格尔旗近21年植被覆盖度显著增加,平均覆盖度由1990年的15.53%上升到2000年的17.82%,以及2011年的29.30%;准格尔旗的大部分区域植被呈恢复状态,局部区域呈现退化现象;准格尔旗的植被覆盖度变化特征受降雨因素影响不显著,准格尔旗近21年植被覆盖度的显著提高主要得益于2000年之后的一系列植被恢复工程。     

城市绿量的遥感估算与热岛效应的相关分析——以北京市五环区域为例

 本研究以遥感分析北京城市绿地对地表温度的影响,研究包括绿地提取、绿量估算、地表温度反演,地表温度和绿量相关分析。并以高精度Rapid Eye遥感影像,提取了五环内的绿地面积(197.3km²,占城区总面积的29.6%),且估算绿量总值为2450.7km²。同时用2009年7月20日的Landsat5 TM 6波段数据进行地表温度反演,低温区、中温区、次热岛和热岛区域所占的五环内城区面积的比例分别为12.3%,34.7%,40.4%和12.6%。绿量和地表温度呈负相关关系:y=-1278.7x+60650,城市绿地可以使城区平均温度降低2.6℃。     

基于Landsat TM6的林区温度反演研究

主要研究利用Landsat TM6热红外波段遥感数据定量反演林地温度的方法与可行性.首先计算了研究区的比值植被指数(RVI),然后利用单窗算法开展林地温度反演,建立起了林地温度与比值植被指数之间的相关关系.研究结果表明:利用单窗算法反演的林地温度精度较高;林地温度与比值植被指数(RVI)之间存在着密切的负相关关系,林地温度与林冠变化之间关系十分密切.     

北京城市绿化的时空动态分析

城市绿化覆盖是城市生态系统的重要组成部分,合理的绿化率和绿化布局可以改善城市环境,提高城市人居适宜性。研究中将2005、2010、2015年北京市土地利用（LUC）数据中的城市居民用地作为城区范围,应用Landsat 5、GF-1影像数据和MODIS产品,利用支持向量机的监督分类方法,提取了2005、2010、2015年的北京市城市绿化覆盖数据,并获取了同期的植被指数（NDVI）数据;继而以城市绿化覆盖率、绿化覆盖均匀度和植被指数为评价指标,在公里栅格和行政区2个尺度上探讨了北京市城市绿化覆盖的空间分布格局和时间变化动态特征。研究表明：① 3个指标在空间和时间2个维度、区县和栅格2个尺度上都表现一致。这反映北京市过去10年中,在绿化面积增加的同时,绿化的空间布局得到优化改善,绿化的质量得到提高。② 2005-2015年,北京市城市绿化覆盖面积由518.93 km² 增加到1405.54 km²,绿化覆盖率由39.9%增加到49.13%,绿化覆盖均匀度由0.598增加到0.653,植被指数由0.42增加至0.5。③ 北京市城市绿化建设存在明显的时空差异。中心城区绿化建设缓慢,成效不明显;重大绿化建设成果主要集中在城市边缘地区和远郊区县。城市绿化改善过程主要发生在2005-2010年。     

Evaluating Spatial Heterogeneity of Land Surface Hydrothermal Conditions in the Heihe River Basin

Land surface hydrothermal conditions(LSHCs) reflect land surface moisture and heat conditions, and play an important role in energy and water cycles in soil-plant-atmosphere continuum. Based on comparison of four evaluation methods(namely, the classic statistical method, geostatistical method, information theory method, and fractal method), this study proposed a new scheme for evaluating the spatial heterogeneity of LSHCs. This scheme incorporates diverse remotely sensed surface parameters, e.g., leaf area index-LAI, the normalized difference vegetation index-NDVI, net radiation-Rn, and land surface temperature-LST. The LSHCs can be classified into three categories, namely homogeneous, moderately heterogeneous and highly heterogeneous based on the remotely sensed LAI data with a 30 m spatial resolution and the combination of normalized information entropy(S') and coefficient of variation(CV). Based on the evaluation scheme, the spatial heterogeneity of land surface hydrothermal conditions at six typical flux observation stations in the Heihe River Basin during the vegetation growing season were evaluated. The evaluation results were consistent with the land surface type characteristics exhibited by Google Earth imagery and spatial heterogeneity assessed by high resolution remote sensing evapotranspiration data. Impact factors such as precipitation and irrigation events, spatial resolutions of remote sensing data, heterogeneity in the vertical direction, topography and sparse vegetation could also affect the evaluation results. For instance, short-term changes(precipitation and irrigation events) in the spatial heterogeneity of LSHCs can be diagnosed by energy factors, while long-term changes can be indicated by vegetation factors. The spatial heterogeneity of LSHCs decreases when decreasing the spatial resolution of remote sensing data. The proposed evaluation scheme would be useful for the quantification of spatial heterogeneity of LSHCs over flux observation stations toward the global scale, and also contribute to the improvement of the accuracy of estimation and validation for remotely sensed(or model simulated) evapotranspiration.     

大连市城区绿地时空特征的热环境效应研究

本文选择大连市沙河口和西岗区为研究区,以Landsat ETM、SPOT等数据为基础,通过遥感解译和反演得到1999年和2013年研究区内绿地及地表温度空间分布及演变特征,结合温度-植被指数（TVX）空间分析法测度城区发展过程中绿色空间减退所引起的热环境效应,以提出更有针对性的城市气候变化适应性规划。研究结果表明：（1）1999-2013年,研究区绿地面积减少43.8%,绿地斑块增加42.9%,城市绿地呈现面积减少、空间分布碎化的演变特征。其中,森林绿地、公园绿地和街区绿地转化为建设用地的贡献率分别为43.8%、42.9%和13.3%,街区绿地因原始面积小且转化率高,被建设用地侵占最为严重。（2）1999-2013年,研究区地表温度最高值上升5.2 K,地表温差增加1.7 K,地温聚集区间由301.6 ~304.7 K上升至306.5~310.9 K,热环境效应加剧。（3）TVX模型追踪结果显示,快速城市化过程中研究区内城市绿地转化为建设用地引起植被覆盖度下降和地表温度上升,其中街区绿地被侵占造成的地表热环境效应大于公园绿地和森林绿地。     

典型地物波谱库的数据体系与波谱模拟

本文讨论典型地物波谱知识库的数据体系与地物波谱模拟的相关问题 ,并给出波谱知识库支持的农业定量遥感应用示例。波谱知识库的数据体系强调波谱参数与环境参数的配套 ,波谱数据测量是在相关规范的支持下完成的 ,质量控制贯穿于数据采集的全过程。波谱模拟通过遥感物理模型完成 ,模拟波谱计算包括地表参数的时间、空间扩展与遥感物理模型运算。最后以作物生长模型结合植被组分光谱模型和冠层遥感模型为核心 ,构造了定量遥感的农业示例。     

高时间分辨率遥感在土壤质地空间变化识别中的应用

在土壤信息推测研究中,遥感技术通常被作为辅助手段,用来提供地形和植被数据,并利用它们与土壤之间的关系推导土壤空间信息。然而,在平原等地形平缓的农业区,易于观测的地形和植被等环境因素,通常与土壤的协同程度较低,不能有效用于推测土壤质地等属性的空间变化。对于这类地区,如何寻找新的易于获取的变量,以准确地揭示土壤属性的空间变化,是需要解决的问题。本文提出了利用高时间分辨率遥感捕捉这类地区土壤质地空间变化的方法。采用光谱-时间响应线对多时相的光谱数据进行组织表达,使用光谱信息散度定量刻画不同光谱-时间响应线之间的差异。结果显示,在相同的地形和植被条件下,土壤质地相同的区域,其地表动态反馈模式明显相似;土壤质地不同的区域,其反馈模式也明显不同;土壤质地越相似,反馈模式也呈相似趋势。这表明,高时间分辨率遥感获取的地表动态反馈能够有效地指示土壤质地的空间差异。本文的工作表明了高时间分辨率遥感在土壤空间变化识别方面的应用潜力。     

近30年来中国陆地蒸散量和土壤水分变化特征分析

 对NOAH陆面模式模拟的近30年中国陆地蒸散量和土壤含水量,按照6大片区和5种生态系统类型进行了统计分析。讨论全国以及各大区不同生态系统类型蒸散和土壤含水量的变化,研究不同类型蒸散和土壤含水量的关系。中国陆地蒸散量总体呈增加的趋势,年内蒸散量最大的月份是7月,年末和年初蒸散量较小。而我国中南、西南、华东、东北和西北蒸散量变化趋势和全国的总趋势一致,呈增加的趋势。华北地区蒸散量近30年来总体趋势是下降的,华北蒸散量最大的年份是上世纪90年代。在所有生态系统类型中,林地蒸散最大的有东北、华东、西南和中南4区;而华北和西北草地在各类型中蒸散量所占比例最高。6大片区对比,林地蒸散水量最大的地区是西南和中南,最小的西北;草地蒸散水量最大的地区是西南,最小的是东北区;农田蒸散水量最高的是华东,最低的是西北;荒漠蒸散量最大的片区是西北;湿地蒸散最大的是东北。80年代以来,全国土壤含水量总体呈下降的趋势。从各片区的情况看,仅西北地区稍有增加,其余5区土壤含水量皆是下降的。植被覆盖度和土壤水分是影响蒸散量最重要的因子,在植被覆盖较差时,土壤水分和蒸散量相关性较好。     

Drought Impacts on Vegetation Indices and Productivity of Terrestrial Ecosystems in Southwestern China During 2001–2012

Drought, as a recurring extreme climate event, affects the structure, function, and process of terrestrial ecosystems. Despite the increasing occurrence and intensity of the drought in the past decade in Southwestern China, the impacts of continuous drought events on vegetation in this region remain unclear. During 2001–2012, Southwestern China experienced the severe drought events from 2009 to 2011. Our aim is to characterize drought conditions in the Southwestern China and explore the impacts on the vegetation condition and terrestrial ecosystem productivity. The Standardized Precipitation Index(SPI) was used to characterize drought area and intensity and a light-use efficiency model was used to explore the effect of drought on the terrestrial ecosystem productivity with Moderate Resolution Imaging Spectrometer(MODIS) data. The SPI captured the major drought events in Southwestern China during the study period, indicated that the 12-year period of this study included both ‘normal' precipitation years and two severe drought events in 2009–2010 and 2011. Results showed that vegetation greenness(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI and Enhanced Vegetation Index, EVI) both declined in 2009/2010 drought, but the 2011 drought resulted in less declines of vegetation greenness and productivity due to shorten drought duration and rising temperature. Meanwhile, it was about 5 months lapse between drought events and maximum declines in vegetation greenness for 2009/2010 drought events. In addition, forest, grassland and cropland revealed significant different ecosystem responses to drought. It indicated that grassland showed an early sensitivity to drought, while cropland was the most sensitive to water deficit and forest was more resilient to drought. This study suggests that it is necessary to detect the difference responses of ecosystem to drought in a regional area with satellite data and ecosystem model.