基于决策树方法的蒙古高原土地覆盖遥感分类——以蒙古国中央省为例

蒙古高原包括蒙古全部、俄罗斯南部和中国北部部分地区。蒙古高原的土地利用/覆盖格局与变化,对揭示该区域乃至整个东北亚地区的资源、环境和生态特征,促进该区域可持续发展具有重要的现实和科学意义。本文以在蒙古国中央省及其所含首都乌兰巴托市为研究区,利用空间分辨率为30 m的TM影像,采取QUEST(Quick Unbiased and Efficient Statistical Tree)决策树方法,通过图像目视解译,获取了研究区2010年土地覆盖分类数据。结果显示,草地占据研究区总面积的70.88%,其次是森林占14.83%、裸地占10.73%、农田占2.98%、水体占0.31%、建筑用地占0.27%、湿地占0.02%。通过野外实地采集的139个GPS验证点进行精度评价发现,一级土地覆盖类型的总体精度可达72.66%。针对草地的二级分类的总体精度有较明显下降,其主要是由于中蒙科学家对于草地类型分类体系的差异所造成的典型草地和荒漠草地的混分。     

黑河流域中游地区作物种植结构的遥感提取

及时、准确地获取农作物种植结构对区域水资源管理与作物产量估测等具有重要意义。随着对通过遥感手段获得作物种植结构的深入研究,如何优选遥感数据和分类器成为需要重点考虑的关键问题。针对黑河流域中游地区的作物分布与种植特点,提出一种基于多时相遥感影像与多分类器组合的作物种植结构提取方法。利用2018年18景16 m分辨率的GF-1 WFV影像,构建NDVI时间序列。根据NDVI时间序列表征的作物季相节律和物候变化规律特点,采用分层的策略,首先解译一级土地覆被类型,再解译二级土地覆被类型。一级土地覆被类型解译中,使用决策树分类方法先将NDVI特殊且易提取的水体进行解译,再使用面向对象分类方法通过分区将需借助NDVI纹理信息提取的建设用地进行解译,最后使用随机森林分类方法解译耕地、林地、草地、裸地和湿地。在对耕地的进一步分类中,使用决策树分类方法首先将具有特殊物候规律且易于区分的苜蓿类别解译出来,再将与其他类别物候差异较大的小麦解译,最后将物候相似的玉米、蔬菜及其他解译。黑河流域中游研究区内一级土地覆被分类总体精度为97.24%,卡帕系数为0.96;作物种植结构解译总体精度为86.58%,卡帕系数为0.80。此外,还分析了影响黑河流域中游研究区解译精度的4个因素：对土地覆被类别的定义、混合像元、影像分割时基础影像的选择以及分类方法的选择。通过对不同分类方法的比较发现,与仅使用最大似然分类方法、支持向量机分类方法或随机森林分类方法相比,本文提出方法的解译结果更好,解译精度更高。     

基于框架数据控制的全国土地覆盖遥感制图研究

土地覆盖研究是全球变化的一个重要内容。本文针对中国土地覆盖实际情况,从遥感制图角度和陆地生态系统观点出发,建立了一种基于陆地生态系统特点的土地覆盖遥感分类体系。充分利用目视解译的精确性和自动分类的快速性,在高精度目视解译数据提供的基本覆盖类型及其位置、边界的控制下,以250m分辨率的2005年MODIS植被指数产品为遥感分类信息源,获取主要类型的详细分类信息,并结合人机交互判读分析与相关资料等的综合运用,实现2005年全国土地覆盖遥感制图。对比实地调查结果的精度分析表明:土地覆盖制图的类型分类准确,基本上反映了各地区的土地覆盖特点和分布趋势,图斑格局与影像地理特征基本吻合,全国土地覆盖制图总体准确率为91%,各类型准确率也达89%以上。     

全球土地覆被数据集中哈萨克斯坦草地分布的异同及其成因

受社会制度变迁和气候变化的影响,哈萨克斯坦是中亚地区生态退化和草畜矛盾问题最为突出的国家。近百年来,放牧方式的改变、农业开垦的占用、加之暖干化的气候变化影响,使得哈萨克斯坦各类草地生态系统变化的时空格局具有鲜明的特点。因此,研究哈萨克斯坦草地退化的过程与机制对认识中亚地区草地生态系统对气候变化和人类活动的响应尤为重要,也是对绿色丝路建设过程中区域生态可持续发展的科学支撑。土地覆被数据是生态变化研究的基础数据,但目前广泛使用的各套全球数据集间往往存在很大的差异,这会导致对生态变化成因的认知以及对未来变化的模型模拟产生更大的不确定性。本研究从对草地类型识别的定义、空间分布的一致性和空间分布差异的原因3方面对比5类全球土地覆被数据（UMD 1992-1993、MCD12Q1 2001、GLC 2000、CCI-LC 2000、Glob Cover 2005）中哈萨克斯坦草地分布的异同,以期为哈萨克斯坦的相关研究中土地覆被数据集的选择提供依据。研究结果表明：① 分类系统中对草地类型的界定、遥感数据源、辅助分类数据、分类方法、验证数据和方法的不同是5套数据草地资源分布差异的主要原因,其中MCD12Q1数据与其他4套数据的草地分布面积相差最大;② 5套数据中草地分布都重叠（完全一致）或四套数据重叠（高度一致）的区域仅占39.66%,主要位于哈萨克斯坦典型草原带和部分半荒漠草原带;围绕典型草地分布区,空间一致性由内向外逐渐降低。5套数据完全不一致区域占26.78%,主要位于荒漠草原带;③ CCI-LC2000数据与其他几类数据的重叠区域最高,有76%的草地与5套数据的完全一致以及高度一致区重叠;在分布不一致区域中,极易造成混淆的土地覆被类型主要为旱作耕地、灌溉耕地、耕地与自然植被镶嵌体、裸地以及灌丛。     

面向对象的森林植被图像识别分类方法

 森林植被信息提取是遥感影像分类中的难点,仅利用光谱信息难以提取森林植被的类型,本文以门头沟区森林植被占主要土地覆被类型为研究对象,选择HJ-1影像面向对象提取不同地物信息。由于研究区地形复杂,采用多尺度分割方法,对不同地物设置不同分割参数,实现不同地物分层提取。根据光谱、纹理及几何等特征选择合适的特征参数,构建隶属度函数,逐级提取研究区的土地覆被类型,并与传统的最大似然法进行对比。结果表明:面向对象的分类方法在门头沟区森林植被二级信息提取的精度为83%,与传统方法相比有了较大的提高。     

新疆地区土地覆被遥感数据的一致性研究

鉴于新疆地区对中国乃至中亚有着特殊的战略意义,本文针对不同数据源及分类系统在土地覆被数据的空间分布上缺乏互通性问题,结合2010年目视解译土地利用现状遥感监测数据、GlobeLand30和GlobCover2009共3种土地覆被数据,采用类型相似分析、类型混淆分析、混淆矩阵分析、空间一致性分析4种方法开展精度评价及一致性分析,以期对土地覆被数据在中国西北干旱区的适用性及适用范围提供有效建议。结果表明,3种土地覆被数据对新疆地区土地覆被类型构成基本一致,且对裸地类型的辨识度最高;新疆地区中高度一致区域占新疆总面积的95%;3种数据两两对比时,总体精度在64.11%~72.57%之间,其中目视解译数据/GlobeLand 30组合表现出最高水平,且仍有提高空间,反映出目前相同卫星传感器是提升精度评价结果的重要因素之一,且不同分类系统、分类方法、空间分辨率及卫星过境时间等因素对精度评价结果也会产生巨大影响。为解决此类问题,利用多源土地覆被遥感数据的融合技术提高数据精度,或是利用深度学习对遥感影像资料进行精确地解译和判读,将是今后全球土地覆被制图及应用领域的主要发展趋势。     

基于改进全卷积神经网络模型的土地覆盖分类方法研究

遥感卫星数据是地球表面信息的重要来源，但利用传统的遥感分类方法进行土地覆盖分类局限性大、过程繁琐、解译精度依赖专家经验，而深度学习方法可以自适应地提取地物更多深层次的特征信息，适用于高分辨率遥感影像的土地覆盖分类。文中对高分辨率影像中水体、交通运输、建筑、耕地、草地、林地、裸土等进行高精度分类，结合遥感多地物分类的特点，以DeepLabV3+模型为基础，作出了以下改进：(1)骨干网络的改进，使用ResNeSt代替ResNet作为骨干网络；(2)空洞空间金字塔池化模块的改进，首先在并联的每个分支的前一层增加一个空洞率相对较小的空洞卷积，其次在分支后层加入串联的空洞率逐渐减小的空洞卷积层。使用土地覆盖样本库和自制样本库进行模型训练、测试。结果表明，改进模型在2个数据集的精度和时间效率均明显优于原始DeepLabV3+模型：土地覆盖样本库总体精度达到88.08%，自制样本库总体精度达到85.22%，较原始DeepLabV3+模型分别提升了1.35%和3.4%，时间效率每epoch减少0.39 h。改进模型能够为数据量以每日TB级增加的高分影像提供更加快速精确的土地覆盖分类结果。     

1990-2010年中国土地覆盖时空变化特征

本文基于CG-LTDR土地覆盖数据产品,利用GIS空间统计等方法分析了中国1990-2010年土地覆盖的变化特点。与参考数据的比较检验表明,CG-LTDR土地覆盖数据在中国具有与其他同类数据相当甚至更高的分类精度。经逐年的长时间地表覆盖数据分析发现,由于受气候与人为因素影响,土地覆盖类型有明显的年际变化波动,尤其是云南-内蒙一线的干旱区与湿润区的过渡带。1990-2010年中国的林地和荒漠呈增加趋势,而草地和耕地呈减少趋势。利用5年的合成数据分析其年际变化,结果显示1990-2000年土地覆盖类型变化大,2000-2010年的变化较为平缓。在几种主要覆盖类型中,林地增加最明显,这主要与东南地区大部分耕地、西南和东北地区大面积草地转变为林地有关,但也有部分省份由于树木砍伐和农耕区扩张导致林地面积减小。耕地面积占比最高,其减少趋势主要与耕地变为林地和草地有关。南部的耕地减少最明显,北部略有增加,新增耕地的重心从东南向北转移。林地的增加趋势与耕地的减少趋势主要与全国大范围的退耕还林工程和生态保护政策有关。草地主要分布在生态脆弱区,其面积减少最显著,在西南及东北部分地区主要是草地变为林地,在内蒙中东部-陕西北部一线发生草地与耕地相互转换,而在内蒙北部-青藏高原一线有草地与荒漠的互相转换,在土地覆盖类型交错区,其利用类型容易发生改变。荒漠主要分布于西北地区,由于受到草地退化等因素影响,荒漠化趋势在进一步加剧。     

中国1:25万土地覆盖遥感制图精度评价——以鄱阳湖地区为例

 全球及区域尺度的土地覆盖数据是陆地表层过程研究的重要基础。土地覆盖遥感制图是全球变化和区域可持续发展研究重要的支撑数据,制图精度评价对于数据生产者和数据用户都具有非常重要的意义。2011年在鄱阳湖地区的野外考察共采集包括定点验证、GPS以及解译标志3种类型的土地覆盖样点321个,本文利用剔除了时间差异影响后的287个土地覆盖样点,将样点的实际土地覆盖类型与遥感制图中相应位置的土地覆盖类型进行对比,并利用分层次评估法,即分别在土地覆盖一级类和二级类两个尺度上,采用正确得1分,错误得0分的计分方法,对2005年中国1:25万土地覆盖遥感制图在鄱阳湖地区的精度进行实地验证。结果表明:(1)在土地覆盖一级类型尺度上总体的制图精度为61.67%。其中,湿地/水体的制图精度为100%,农田的制图精度为98.4%,森林的制图精度为80.0%,聚落和草地的精度均低于20%。(2)在二级类型尺度上总体的制图精度为44.25%。其中,2个草地和3个森林及1个农田的二级类型的分类精度为0,旱地、城镇建设用地和农村聚落的分类精度也很低,分别为21.1%、29.0%和1.7%。实地调查发现,2005年左右的全国1:25万土地覆盖遥感制图基本上反映了鄱阳湖地区的土地覆盖状况。但是,对于一些具有过渡性质的土地覆盖类型,如森林和草地等,仅依靠遥感技术准确识别区分仍有一定的难度。     

30年来蒙古国和内蒙古的LUCC区域分异

本文以欧空局300m土地覆盖数据集为基础,参考20世纪70年代至2005年2期蒙古高原遥感影像,建立20世纪70年代、2005年2期土地利用及动态数据库,结合土地利用变化数量模型,分析了蒙古国与内蒙古的土地利用类型转换情况。对比分析蒙古国和内蒙古近30年来的土地利用变化强度及各地类间的转移变化,揭示2个区域的LUCC分异规律,并对土地变化的驱动力进行分析。结果显示:在自然条件及人类扰动共同作用下,蒙古国及内蒙古均表现出草地面积逐年减少,草地退化趋势明显;裸地面积不断增加,沙漠化现象严重;农田及城镇建设用地面积持续增长;水域面积呈现衰减;未利用地是其他各种土地利用类型增加的主要来源;由于人类扰动差异,蒙古国林地面积略有减少,内蒙古林地面积大幅增加。气候干暖化、人口增长,政策及社会经济发展等是驱动蒙古高原土地利用变化的主要因素。     

尼泊尔土地覆被遥感制图及其空间格局分析

尼泊尔作为兴都库什-喜马拉雅区域的重要组成部分,是一个从平原到山地再到高原的典型过渡地带,具有多样且复杂的土地覆被类型。开展尼泊尔国家尺度的土地覆被研究,对该国的国土资源管理、生态环境保护具有重要的科学和实践意义,同时也能为中国倡导的“一带一路”国际区域经济合作战略提供基础数据保障。本文选用Landsat TM影像为数据源,基于面向对象与决策树相结合的土地覆被遥感制图方法,生产了尼泊尔全境2010年土地覆被产品（NepalCover-2010）,该产品包括8个一级类和32个二级类。同时,本文基于Google Earth高分辨率影像获取验证样本开展了NepalCover-2010产品的精度验证工作,并进一步分析了该国土地覆被类型的数量结构特征和空间格局特征与地形、气象要素间的关系。研究结果表明：① NepalCover-2010产品一级类总体分类精度达94.83%,Kappa系数为0.94;二级类的总体分类精度达87.17%,Kappa系数为0.85,能够准确地反映尼泊尔土地覆被类型的空间分布格局,是同类土地覆被产品中精度最好的。② 林地是尼泊尔最主要的土地覆被类型,其面积约占尼泊尔国土面积的41%。耕地次之,其面积占比约为25%,其中水田和旱地的面积分布比例约为2:3。③ 地形和气象要素对尼泊尔的土地覆被类型空间分布格局具有显著影响,自南向北随着地势的抬升,各土地覆被类型出现顺序表现出水田、常绿阔叶林、旱地、常绿阔叶灌木林、常绿针叶林、草原、稀疏植被和冰川/永久积雪的垂直地带性特征。     

Impact of land cover change on land surface temperature: A case study of Spiti Valley

Land surface temperature(LST) is the skin temperature of the earth surface. LST depends on the amount of sunlight received by any geographical area. Apart from sun light, LST is also affected by the land cover, which leads to change in land surface temperature. Impact of land cover change(LCC) on LST has been assessed using Landsat TM5, Landsat 8 TIRS/OLI and Digital Elevation Model(ASTER) for Spiti Valley, Himachal Pradesh, India. In the present study, Spiti valley was divided into three altitudinal zones to check the pattern of changing land cover along different altitudes and LST was calculated for all the four land cover categories extracted from remote sensing data for the years of 1990 and 2015. Matrix table was used as a technique to evaluate the land cover change between two different years. Matrix table shows that as a whole, about 2,151,647 ha(30%) area of Spiti valley experienced change in land cover in the last 25 years. The result also shows vegetation and water bodies increased by 107,560.2 ha(605.87%) and 45 ha(0.98%), respectively. Snow cover and barren land decreased by 19,016.5 ha(23.92%) and 88,589(14.14%), during the study period. A significant increase has been noticed in vegetation amongst all land cover types. Minimum, maximum and mean LST for three altitudinal zones have been calculated. The mean LST recorded was 11℃ in 1990 but it rose by 2℃ and reached to 13℃ in 2015. Changes in LST were obtained for each land cover categories. The mean temperature of different land cover types was calculated by averaging value of all pixels of a given land cover types. The mean LST of vegetation, barren land, snow cover and water body increased by 6℃, 9℃, 1℃, and 7℃, respectively. Further, relationships between LST, Normalized Difference Snow Index(NDSI), and Normalised Difference Vegetation Index(NDVI) were established using Linear Regression.     

Land use and land cover changes in Jahlma watershed of the Lahaul valley, cold desert region of the northwestern Himalaya, India

Land use and land cover changes that occurred during the period from 1991 to 2001 in the Jahlma watershed of the Lahaul valley, a cold desert region of the northwestern Himalaya, were evaluated using land use data and visual interpretation of IRS Satellite imageries. The results revealed that out of the six major land use forms within the watershed, land areas under agriculture, kitchen garden and settlement land were found increased, whereas a declining trend was recorded in areas under grassland, barren land and Salix plantation. The cultivated land within the watershed increased from 54.87 % （total of agriculture land, kitchen garden, grassland, barren land, Salix plantation and residential area） in 1991 to 56.89 % in 2OOl, corresponding to an expansion of 4.41 ha. On the other hand, the areas of grassland decreased from 31.41% in 1991 to 29.81% in 2001. Such a dramatic land use and land cover changes taking place within the 33 km^2 watershed area in a single decade deafly indicates the prevailing danger of land degradation and environmental deterioration in the region.     

LAND RESTORATION IN CHINA

China has a land area of 9.6 million km2, 65% of the total land area of the world. Only 14.2% is cultivated at present, 0.5% is under fruit trees, 34.8% is in grazing. 17.2% is under forests, 2.6% is used for industry, communication and urban purposes, and 3.5% is covered by water. Of the remaining 27.2%, much is high and barren desert, or under permanent snowfields, or not yet used, or unable to be used with available technologies. Land resources have not been properly developed in some parts of China, owing to the pressure from population growth and other socioeconomic problems. For China as a whole, land restoration has made great progress. One solution is to increase the crop land area through reclamation.     

2000～2010年北京市地表覆盖变化分析

利用地表覆盖产品GlobeLand30数据,对2000～2010年北京市行政区划范围内的地表覆盖变化原因进行综合分析.研究发现:①北京市地表覆盖变化呈地带性变化,具有圈层结构特点及显著的区域差异性;②北京市地表覆盖变化较大,其中,人造地表显著增加,森林亦呈增加态势,而耕地、草地及水体面积则大幅度减少;③引起地表覆盖变化的因素主要包括经济因素和政府政策、人口因素及地形因素等.     

Degradation significantly decreased the ecosystem multifunctionality of three alpine grasslands: evidences from a large-scale survey on the Qinghai-Tibetan Plateau

Owing to the joint effects of ecosystem fragility,anthropogenic disturbance and climate change,alpine grasslands(alpine meadow,alpine steppe and alpine desert)have experienced serious degradation during the past several decades.Grasslands degradation has severely affected the delivery of ecosystem multifunctionality(EMF)and services,and then threatens the livelihood of local herdsmen and ecological security of China.However,we still lack comprehensive insights about the effects of degradation and climatic factors on EMF of alpine grasslands,especially for alpine desert ecosystem.Therefore,we applied a large-scale field investigation to answer this question.Our results suggested grassland degradation significantly decreased the belowground ecosystem multifunctionality(BEMF)and EMF of alpine grasslands and aboveground ecosystem multifunctionality(AEMF)of alpine meadow,while did not reduce the AEMF of alpine steppe and desert.Except for the insignificant difference between degraded steppe and degraded desert in AEMF,the alpine meadow showed the highest AEMF,BEMF and EMF,alpine steppe ranked the second and alpine desert was the lowest.AEMF,BEMF and EMF of health alpine grasslands were strongly affected by mean annual precipitation(MAP)(19%-51%)and mean annual temperature(MAT)(9%-36%),while those of degraded meadow and degraded desert were not impacted by precipitation and temperature.AEMF and BEMF showed a synergistic relationship in healthy alpine grasslands(12%-28%),but not in degraded grasslands.Our findings emphasized the urgency of implementing the feasible ecological restoration project to mitigate the negative influences of grassland degradation on EMF of alpine ecosystems.     

GlobeLand30产品精度抽样测试与分析

GlobeLand30的发布为全球生态系统评价、环境规划、气候变化等研究提供了高分辨率的基础地表覆盖数据。以Landsat TM影像轨道号/行号分别为123/032所对应的区域为研究区,通过目视解译的方式在原始影像上选取地表覆盖类型作为地面参考数据,对2000和2010年两期的GlobeLand30的地表覆盖类型中的人造地表、农田、林地和水体进行了精度评定,并对比了两期产品数据的精度。此外,为了突出GlobeLand30产品的错分误差及其易于混淆的地物,以面的形式对产品的用户精度进行了计算和比较。研究表明,研究区内GlobeLand30数据具备很好的精度,与2010年数据相比,无论是总体精度,还是Kappa系数,2000年的产品其精度更高。本成果可以为研究区内GlobeLand30产品的使用提供参考。     

多源30 m分辨率土地覆被数据在蒙古高原的一致性分析和精度评价

蒙古高原土地覆被的变化表征着区域内生态环境的变化,许多环境问题的研究依赖于准确的土地覆被信息。因此,评估当前全球土地覆被数据在区域尺度上的准确性非常重要。本文以蒙古高原为研究区,从构成相似性、类型混淆程度、空间一致性、绝对精度4个方面,分析了GlobeLand30、GLC_FCS30和FROM_GLC 3种30m高分辨率全球土地覆被数据的一致性和准确性。结果表明：① 3种土地覆被数据都显示,草地和裸地是蒙古高原的主要土地覆被类型,任意2种数据的面积序列相关系数都优于0.95;② 3种土地覆被数据中完全一致的区域占蒙古高原总面积的61.87%,主要集中在土地表面异质性低的区域;③ GLC_FCS30数据的总体精度（78.33%）最高,GlobeLand30数据的总体精度（76.85%）次之,FROM_GLC数据的总体精度（75.86%）最低;林地、草地、水体和裸地在3种土地覆被数据中的精度较高（75%以上）,灌丛、湿地等地类的精度较低（50%以下）。因此,对蒙古高原土地覆被进行全要素研究时,可以综合考虑选择总体精度最高的GLC_FCS30数据。对特定地类研究的用户,可参考3种土地覆被数据的分类精度有针对性的进行选择。本文可为蒙古高原相关研究选择合适的土地覆被数据提供参考。     

1980s-2005 年内蒙古地区土地利用/覆被变化分析

近几十年来, 由气候变化和人类活动共同驱动的内蒙古地区土地利用/覆被变化(LUCC)较为剧烈, 其引发了一系列的生态环境问题。本文基于3 期LUCC数据, 借助于变化率指数、动态度指数、转类矩阵, 在全区和地级市尺度上, 分析了内蒙古地区土地利用/覆被变化的时空特征及驱动因素。研究结果显示, 受地形因素的影响, 研究区土地利用/覆被变化表现出明显的区域差异及区域趋同性。在经济发展和人口增长的双重压力下:(1)平原耕作区深受国家宏观政策的影响, 2000 年之后的“林地、高覆盖草地开垦”总体速度下降了近35%;(2) 平原耕作区北部边缘条带状地区、山区草原区受制于降水不显著的波动呈减少态势, 2000 年之后的“草地退化及荒漠化”趋势加强了近85%。研究结果为内蒙古地区土地资源的可持续利用与科学管理提供了依据。