MODIS和Landsat时空融合影像在土壤盐渍化监测中的适用性研究——以渭干河—库车河三角洲绿洲为例

土壤盐渍化的遥感监测依赖于高时空分辨率影像,但受经费预算、卫星回访周期及天气的影响,高时空分辨率的遥感影像较难获取,这就限制了根据采样时间来获取对应时期遥感影像进行土壤盐渍化监测反演的应用。为此,提出融合MODIS和Landsat影像生成高时空分辨率影像来提取土壤盐渍化信息,为时空影像进行土壤盐渍化监测研究提供数据参考。以渭干河—库车河绿洲为研究区,利用增强型时空自适应融合率反射模型（Enhanced spatial and temporal adaptive reflectance fusion model,ESTARFM）和灵活的时空融合模型（Flexible spatiotemporal data fusion,FSDAF）,对MODIS和Landsat影像进行时空融合,并基于融合影像数据构建了关于土壤电导率（EC）的随机森林（RF）预测模型,对比分析时空融合影像应用于土壤盐渍化遥感监测的适用性。结果表明：ESTARFM融合影像的特征波段反射率与Landsat验证影像对应波段反射率一致性决定系数R²（Red）=0.8066、R²（SWIR2）=0.8444;FSDAF融合影像的特征波段与Landsat验证影像对应波段反射率一致性决定系数R²（Red）=0.6999、R²（SWIR2）=0.7493;基于ESTARFM融合影像构建的EC值预测模型精度最高,R²=0.9268,基于FSDAF融合影像构建的EC值预测模型精度良好,R²=0.8987,基于验证影像构建的EC值预测模型R²=0.9103; ESTARFM模型的融合精度高于FSDAF模型,并且基于融合影像构建的EC值预测模型效果良好。     

基于GLASS数据估算中国陆表净辐射及其空间分布分析

地表辐射收支是能量循环的重要参数,影响着地球水热平衡,是全球气候变化研究的重要方面。多数研究利用MODIS数据估算地表辐射收支,模型输入参数复杂。综合利用GLASS数据、MODIS数据和地面实测数据,采用Bisht等提出的净辐射估算方法,制订一种简单的地表辐射收支估算方案,分别计算2010年1-12月中旬卫星过境时刻中国陆表净辐射的最大值。通过改进的正弦模型将估算结果转换为日最大地表净辐射,并利用地面实测日最大净辐射值对估算结果进行了验证。研究表明：综合利用GLASS数据、MODIS数据和地面实测数据建立的地表辐射收支模型能够很好地模拟中国陆表净辐射的分布,与地面实测日最大净辐射值具有较好的一致性,平均误差为27.21 W?m^-2,克服了利用其他遥感数据估算地表辐射收支输入参数复杂,数据量大的缺点,适用于大尺度地表陆表辐射收支研究。     

基于多源遥感和机器学习方法的科尔沁沙地植被覆盖度反演

植被覆盖度是监测生态系统及其功能的关键参数,如何提高大区域植被覆盖度的反演精度,对生态脆弱区环境可持续发展至关重要。本研究基于人工神经网络、支持向量回归和随机森林等机器学习方法,利用无人机、Worldview-2与Landsat 8 OLI遥感数据,对科尔沁沙地植被覆盖度进行多尺度反演。结果表明：随机森林模型比人工神经网络、支持向量回归模型表现佳,可在单元（试验区）、区域（研究区）尺度上较高精度地反演沙地的植被覆盖度,反演值与无人机实测值均在线性水平上呈显著相关（P<0.01）;在单元、区域尺度上,构建的植被覆盖度反演模型测试集R²分别为0.84、0.80,MSE分别为0.0145、0.0370,一致性指数d分别为0.9576、0.8991。利用多源遥感数据和机器学习方法,通过局部区域的高精度反演逐步实现低空间分辨率遥感影像的大区域植被覆盖度反演,不仅可有效提高沙地植被覆盖度的反演精度（R²=0.78,大于0.63）,也为区域生态环境监测与生态系统健康评价提供支持。     

基于无人机遥感的南岭山地树冠与树干性状关联研究

以南岭山地不同海拔高度的冠层树种为研究对象,通过无人机遥感手段获取冠幅、冠周长和冠面积（CA）等树冠性状,探讨其与基径（BD）、胸径（DBH）、2米径（D2）和4米径（D4）等树干性状间的关联性,并构建了冠面积与树干性状间的回归方程。结果表明：南岭山地树冠性状与树干性状的典型变量显著相关（R=0.89,P<0.01）,并且这种相关性随海拔的升高（600 m到1 600 m）总体呈“M”型变化。其中,冠面积与树干性状间的相关性最高,可作为单一自变量反演树干性状,具体方程为：DBH=0.35CA+14.88（R²=0.67）,BD=0.41CA+17.89（R²=0.82）,D2=0.33CA+14.14（R²=0.84）,D4=0.35CA+11.3（R²=0.86）。文章构建的冠面积与树干性状间的回归方程,可作为南岭山地森林生物量遥感反演的基础,也可用于指导南岭森林生态系统的长期监测。     

青海湖高寒湿地生态系统CO2通量和水汽通量间的耦合关系

利用涡度相关技术对青海湖高寒湿地生态系统不同时间尺度CO₂通量和水汽通量间的耦合关系进行了研究。结果显示：不同天气条件下青海湖高寒湿地生态系统30 min净CO₂交换量（NEE）与水汽通量间均显示了极显著负相关关系（P<0.0001）;30 min总生态系统生产力（GEP）与水汽通量呈极显著线性正相关关系（P<0.0001）;阴天水汽通量参与生态系统净CO₂交换和生态系统总碳吸收的比例最高。月均30 min NEE与水汽通量呈极显著线性负相关（R²=0.71,P<0.0001）。从植物返青期、生长期至枯草期,月均30 min的GEP与水汽通量不仅呈极显著线性正相关（P<0.0001）,且在生长期和枯黄期阶段表现出极显著一元二次多项式关系（P<0.0001）。在日尺度上,NEE日总量与日蒸散量呈极显著一元二次多项式负相关关系（R²=0.58,P<0.0001）;GEP日总量与日蒸散量呈极显著指数正相关（R²=0.42,P<0.0001）。在月尺度上,NEE月总量与月蒸散量呈极显著线性负相关（R²=0.60,P<0.0001）,两者还表现为极显著一元二次多项式负相关关系（R²=0.63,P<0.0001）。GEP月总量与月蒸散量呈极显著线性正相关（R²=0.51,P<0.0001）,且表现出极显著指数正相关关系（R²=0.64,P<0.0001）。     

巴丹吉林沙漠拐子湖地表辐射与能量平衡特征

利用2013年7月、10月和2014年1月、4月巴丹吉林沙漠北缘拐子湖流动沙地地表辐射、土壤热通量、土壤温湿度和湍流通量等观测资料,分析了拐子湖地区地表辐射收支和能量通量在不同季节条件下的日变化特征及能量分配和闭合状况。结果表明:地表辐射各分量和能量平衡分量的月平均日变化结果整体均表现为标准的单峰型日循环形态,受不同季节影响,日变化曲线存在显著的季节变化差异,各分量均呈7月最大、1月最小、4月大于10月, 1月和7月的R_s↓、R_s↑、R_l↑、R_l↓、R_n日均值依次为98.9 W·m^-2和614.6 W·m^-2、34.6 W·m^-2和87.3 W·m^-2、276.9 W·m^-2和494.2 W·m^-2、214.8 W·m^-2和385.0 W·m^-2、0.4 W·m^-2和128.7 W·m^-2。与塔中、肖塘等地相比,该区域具有相对较高的地表反照率,整体呈冬季高夏季低,年均0.34。1月和7月的H、LE、G₀日均值依次为4.7 W·m^-2和78.8 W·m^-2、0.3 W·m^-2和20.3 W·m^-2、2.9 W·m^-2和35.0 W·m^-2。从能量分配来看,研究区干旱的气候和极低的植被覆盖造成了各季节全天潜热通量占净辐射份额始终较小,白天以感热为能量的主要消耗形式,土壤热通量次之。此外,R_n于正午达到日峰值后逐渐减小,受辐射强迫升温的地面以感热形式对空气的热量输送却不断持续,而促使H/R_n日间始终保持明显的增长趋势。     

土地利用类型转换对地表能量平衡和气候的影响——基于SiB2模型的模拟结果

利用SiB2 模型对中国东北地区农田、草地和森林3 种土地利用类型的地表能量平衡过程展开研究,分析不同土地利用类型对生物地球物理参数（反照率和粗糙度）、能量平衡（净辐射、潜热和显热）和气候（冠层温度）的影响。结果表明：①模型模拟的地表能量平衡与实测数据的年变化动态相似（R²>0.42）,差值保持在±30 W/m²,温度在±4 ℃。②利用相同气象数据模拟不同土地利用类型通过生物地球物理过程对地表能量平衡和气候的影响,发现森林吸收的净辐射最高且主要用于潜热分配,农田的净辐射最低且主要用于显热分配,草地净辐射和能量分配居中。③生态系统获得的净辐射主要受反照率的影响,净辐射分配受叶面积指数的调节。④冠层温度（℃）受反照率和净辐射在潜热和显热间分配的相对重要性的影响：年平均值为森林（7.7）>农田（7.64）>草地（6.67）。⑤降水对模拟结果有显著影响,是森林模拟差异的主要原因。在不同土地利用类型中,降水增加土壤水分,净辐射更多分配到潜热,较少分配到显热,降低冠层温度。     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射与能量平衡

利用2013年塔克拉玛干沙漠塔中流动沙面地表辐射、土壤热通量、土壤温湿度和湍流通量观测资料,分析了沙漠腹地地表辐射和能量收支特征及闭合状况。结果表明：除潜热通量外,其余地表辐射各分量和能量平衡分量的月平均日变化结果整体均表现为标准的单峰型日循环形态,其中R_s↓与R_s↑变化同步,R_l↑、R_l↓滞后R_s↓0.5 ~ 1 h。各分量均表现出夏季高、春秋季次之、冬季低的季节波动性。干旱和极低的植被覆盖造成沙漠腹地全年潜热通量始终较为微弱,约占净辐射的2.8%,感热通量成为能量的主要消耗形式,约占净辐射的49%。偶尔的降水会刺激潜热通量突然增加。地表反照率相对较高且稳定,日变化呈早晚大、正午小的“U”型趋势,并具有明显的冬季高、夏季低的季节波动性,年均值0.28,月均值0.25~0.32。能量残差各月的日变化也均呈单峰曲线,日出后和日落前能量闭合程度最佳,并出现过闭合现象,全年夏季小,春秋季次之,冬季较大,月平均日峰值5.1~99.9 W·m^-2。土壤表层热储存是影响该地区能量平衡的重要因子之一,考虑表层土壤热存储后,地表能量闭合率达75.3%,能量闭合率夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季,白天相比夜间有大幅提升。     

塔克拉玛干沙漠腹地秋季陆面过程特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中2014年10月的秋季涡动通量数据，分析了塔中秋季陆面过程通量变化特征。结果表明：（1）塔中秋季10月净辐射R_n、感热通量H、潜热通量LE、地表土壤热通量G₀峰值依次为273.0、141.6、5.0、105.0 W·m^-2，平均日总量依次为2.85、2.68、0.08、-0.57 MJ·m^-2，净辐射能量分配以感热能量输送为主。（2）不同典型天气下，净辐射日总量扬沙>晴天>阴天>降水；阴天、扬沙天气H随R_n不同程度削减而减少，降水天气潜热增多导致日变化特征有别于其他天气。（3）10月能量闭合率为79.0%，不同天气能量闭合率阴天>晴天>扬沙>降水，依次为86.8%、83.4%、79.4%、71.4%。（4）地表反照率晴天呈“U”型变化，阴天和扬沙天气地表反照率趋势变缓发生波动现象，降水天气波动较大，趋势先降低后回升。（5）月平均热通量日间为正值，夜间为负值。日间能量闭合率为73.9%，夜间为50.8%，存在较高的能量不闭合。     

大连市大气污染物质量浓度与气溶胶光学厚度的相关性分析

分别对2015年6~12月和2016年6~12月大连地区的大气污染物PM2.5、PM10、SO₂、NO₂、CO和O₃的浓度数据进行数据统计分析,基于ENVI软件平台利用MODIS数据反演大连地区的气溶胶光学厚度,通过回归建模研究气溶胶光学厚度与大连地区10个地面监测站点的大气污染物PM2.5、PM10、SO₂、NO₂、CO和O₃的浓度数据的相关性。回归建模以气溶胶光学厚度（AOD）为自变量,以大气污染物PM2.5、PM10、SO₂、NO₂、CO和O₃为因变量,在SPSS软件中分别选取线性、对数、三次、乘幂、指数5种函数类型进行研究,通过对比回归模型的拟合优度R²,选择最优拟合模型,探讨利用遥感数据反演气溶胶光学厚度监测大气污染的相关性。结果表明：气溶胶光学厚度与NO₂、PM2.5和PM10的最优拟合模型均为三次模型,其拟合优度R²分别是0.685、0.801和0.845;与O₃和SO₂的最优拟合模型为指数模型,其R²为0.367和0.482;与CO的最优拟合模型为对数模型,其拟合优度R²为0.810。该结果为分析大气气溶胶污染来源以及治理提供了数据。     

沙漠腹地人工绿地地表能量交换特征

运用涡度相关法开路系统对塔克拉玛干沙漠腹地人工灌溉绿地生长季地表能量交换特征以及与环境因子的关系进行测定分析。结果表明：在典型晴天条件下,无论是沙漠区还是沙漠腹地灌溉绿地,白天感热通量在净辐射通量的分配中所占的份额最大,潜热交换仅占很小的比例,人工绿地感热通量和潜热通量的峰值为230.54 W/m²和88.5 W/m²,沙漠区为220 W/m²和17.55 W/m²,沙漠腹地人工灌溉造林后潜热交换明显增加。沙漠腹地造林后,绿地波文比日变幅和日均波文比均减小,绿地日均波文比为沙漠区的15%,人工绿地的营建促使了局地气候的改变。绿地地表能量交换受气象因子和下垫面条件的影响和制约,按相关系数的高低,环境因子对感热、潜热通量的影响依次为：Rn>△Ta>△TS>v>TS,沙漠区人工造林后地表能量交换与多个环境因子有着密切的关系。这些研究结果将加深我们对沙漠地区人工灌溉造林地近地层能量交换的认识。     

毛乌素沙地植被水分利用效率的时空格局

水分利用效率（WUE）是衡量生态系统碳水循环耦合程度的重要指标，明晰其动态变化规律有助于判断区域植被生态建设是否与当地的自然条件相适应。利用基于CASA（Carnegie-Ames-Stanford Approach）模型得到的植被净初级生产力（NPP）数据和MODIS系列产品中的蒸散发（ET）数据，估算了2001—2016年毛乌素沙地植被的WUE，并探讨了其时空演变特征及与气象因子的关系。结果显示：（1）WUE的多年平均值为0.62 gC·mm^-1·m^-2，空间上自东向西递减，在不同植被类型间表现为栽培植物>灌丛>草甸>草原>荒漠；（2）WUE以0.009 gC·mm^-1·m^-2·a^-1的速率上升，东部地区变化尤为显著，NPP的快速增长是WUE呈增加趋势的主要原因；（3）WUE与各气象因子的相关程度由大至小依次为太阳辐射、降水量、风速和气温，分布在西部地区的荒漠植被WUE受气象因子影响最小。经过一系列生态建设工程的治理，毛乌素沙地大部分地区自2001年以来NPP和WUE均呈增加趋势，即生态系统在变“绿”的同时还实现了水分的高效利用，有利于当地生态环境的健康发展；但在水热条件较差的中西部地区，新建设的植被生长缓慢且导致蒸散发产生强烈变化，使WUE呈减少趋势，暴露出植被建设规模与水资源承载能力不匹配的问题，需引起格外重视。     

退化和恢复过程驱动的荒漠草地生态系统有机碳密度变化

荒漠草地是陆地生态系统的重要组成部分,研究退化和恢复荒漠草地生态系统碳密度的变化特征,是精确评估荒漠草地在全球气候变化中作用的关键,也能为中国碳达峰和碳中和提供数据支撑和理论依据.通过野外调查取样和室内分析,研究了腾格里沙漠南缘天然荒漠草地、重度退化荒漠草地和通过植被建设恢复良好的人工-天然荒漠草地的生态系统碳密度,主...     

塔克拉玛干沙漠地面有效辐射研究

本文利用塔克拉玛干沙漠科学考察期间采集的整年沙漠辐射观测资料,结合沙漠周围地区有效辐射计算值,分析了沙漠有效辐射的日变化及影响因子的作用,同时分析研究了沙漠及周围地区有效辐射的年变化以及有效辐射的地理分布。     

半干旱沙区3种优势固沙灌木生物量分配及其生态学意义

为探究科尔沁沙地3种优势固沙灌木生物量的分配特征，以黄柳（Salix gordejevii）、差不嘎蒿（Artemisia halodendron）和小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）为对象，采用全挖法在个体水平上研究了固沙灌木生物量构件及其占比、R/S（root-shoot ratio）、地上新生生物量占比、地上新生生物量与老枝生物量占比及其与冠幅的相关性和地下-地上生物量关系。结果表明：（1）科尔沁沙地3种优势固沙灌木生物量构件及其占比存在显著性的种间差异（P<0.05）；黄柳的老枝生物量及其占比居于首位，NAB（new aboveground biomass，新枝生物量）/OBA（old branch biomass，老枝生物量）为43.90%；差不嘎蒿的地上生物量占比居于首位，地上新生生物量是老枝生物量的2.43倍；黄柳和差不嘎蒿地下生物量集中分布在浅土层，不存在深根系（根系长度>100 cm）。（2）小叶锦鸡儿地下生物量及其占比和R/S（root/stem）均居于首位；地下生物量在根系长度>30 cm处的生物量占比达到61.61%，深根系（根系长度>100 cm）层地上生物量占比达到22.33%。（3）黄柳和差不嘎蒿的R/S、NAB/AGB（aboveground biomass，地上生物量）和NAB/OBA均与冠幅呈负线性关系，在固沙后期该两种灌木随着冠幅的增大，地上新生部分锐减，生产力下降，植被出现衰退。（4）通过非线性回归拟合得到3种灌木地上（y）-地下（x）生物量异速生长模型为：黄柳y=2.928x ^1.039（R²=0.901，P<0.01），差不嘎蒿y=32.802x ^0.685（R²=0.469，P<0.01），小叶锦鸡儿y=1.337x ^0.066（R²=0.833，P<0.01）。     

基于NDVI的新疆荒漠地区植被覆盖度遥感估算经验模型研究

新疆荒漠地区植被覆盖度遥感估算模型十分缺乏，给荒漠化监测等相关工作带来很大不便，开展植被覆盖度遥感估算经验模型研究，对于促进和完善相关地区的生态监测及研究工作具有积极的现实意义。通过对阜康市北部沙漠南缘和克拉玛依市中部平原荒漠进行无人机航拍，利用无人机遥感提取（光合）植被信息，并将无人机航拍影像的植被覆盖度统计单元与高分辨率卫星影像像元在空间上直接相对应，获取在高分辨率卫星影像像元尺度上的植被盖度，然后通过植被覆盖度和空间上与其相对应的源自高分辨率卫星影像的NDVI数据的拟合关系，建立基于源自高分二号影像的NDVI的阜康北部沙漠植被覆盖度遥感估算线性模型以及基于源自ZY1-02C影像的NDVI的克拉玛依平原荒漠植被覆盖度遥感估算二次多项式模型。研究中所采用的无人机遥感与卫星遥感相结合、植被覆盖度统计单元与卫星像元在空间上直接对应的方法，可避免以往相关工作中常以点位测量数据代表卫星像元数据所带来的不确定性。由于所用卫星影像的NDVI数据稳定性相对不足等原因，所建立的遥感估算模型的估算精度尚相对偏低，有待于今后进一步的工作加以改进。     

CoLM模式对塔克拉玛干沙漠北缘陆面过程模拟评估及修正

采用2011年3月22日至7月26日肖塘陆气相互作用观测资料测试了不同陆面参数对公共陆面模式（CoLM）模拟效果的影响。地表参数包括地表反照率（α）、地表比辐射率（ε）、空气动力学和热力学粗糙度（z_0m、z_0h）、零置位移（d）、热传输附加阻尼（kB^-1）。结果表明：感热通量H和地表温度T_g对地表反照率、动力学粗糙度和地表比辐射率比较敏感,对零置位移不敏感。通过观测资料获得的这些参数及kB^-1参数化方案均被用来替换原CoLM模式中相应值及参数化方案。CoLM模式基本上能较好地模拟净辐射R_n、感热通量H、地表土壤热通量G₀和地表温度T_g日变化特征,只是在日峰值及其峰值出现时间的模拟上不理想;而CoLM模式对该地区土壤湿度M的模拟效果非常不好。误差统计值Bias、SEE、NSEE表明优化参数后的CoLM模式使得R_n的模拟误差被降低4.21%（SEE）,H的模拟误差被降低25.19%（Bias）,T_g的模拟误差被降低33.33%（Bias）、10.45%（SEE）和25%（NSEE）。     

荒漠绿洲湿地水分来源及植物水分利用策略

水分是干旱区不同景观界面间的水分循环过程与水力联系的主体,维持着干旱区湿地生态系统的结构与功能。为量化水分来源及其对植物水分的贡献率,以河岸灌木湿地和草地盐沼湿地为研究对象,通过测定降水、径流、地下水、土壤水和植物水中δD、δ¹⁸O组成,利用多源线性混合模型分析水分来源对荒漠植物水分利用的贡献率。结果表明：（1） 黑河流域荒漠绿洲湿地年均降水量104.6 mm,约占蒸散量（604.47 mm）的17.03%,具有明显的季节性分布特征。地下水位与土壤含水量的波动取决于河流距离,离河道较近的河岸灌木湿地地下水深度及土壤含水量随季节波动较小,而离河道较远的草地盐沼湿地则变化很大。（2） 当地大气降水线δD=6.33δ¹⁸O+4.04 （R²=0.931）,斜率和截距均略小于全球大气降水线则符合黑河流域湿地整体降水少而蒸散量大的特点。黑河径流δD和δ¹⁸O均值分别为-43.80‰±12.09‰和-8.65‰±23.33‰,地下水为-50.98‰±13.18‰和-9.74‰±25.49‰,土壤水为 -42.07‰±6.89‰和-7.22‰±2.49‰,植物水为-51.84‰±14.46‰和-8.50‰±24.13‰。（3） 地表蒸发是荒漠绿洲湿地土壤氢、氧同位素富集的主要原因。地下水和河水分别是草地盐沼湿地与河岸灌木湿地的主要水分来源,贡献率分别约为61%和50%,表明湿地植物相比于干旱区脉冲式降水更依赖较为稳定的水源。（4） 植物根系深度和毛细根分布是决定荒漠绿洲湿地植物水分利用策略的重要因素。