黄河口湿地典型地物类型高光谱分类方法

黄河口湿地地物类型具有复杂多样的特点,本文将线性光谱混合分析模型与归一化植被指数(NDVI)和归一化水体指数(NDWI)相结合,建立了一种新的滨海湿地遥感影像分类方法;开展了基于CHRIS高光谱影像的黄河口湿地芦苇、柽柳、碱蓬、大米草、潮滩和水体6种典型地物分类实验,整体分类精度为77.33%,Kappa 系数为 0.71,与经典的最大似然分类(MLC)方法相比较,整体分类精度提高1.6%,Kappa 系数提高0.02,尤其是芦苇、碱蓬、大米草和潮滩的分类精度明显提高。     

海滨湿地碱蓬地上鲜生物量高光谱估算研究

为促进海滨湿地生态系统的健康可持续发展,以海滨湿地碱蓬为研究对象,利用便携式地物光谱仪测量碱蓬的反射光谱,应用称重法测定碱蓬的地上鲜生物量,定量分析碱蓬地上鲜生物量与其反射光谱变换形式之间的相关性,并应用线性或非线性模拟法构建海滨湿地碱蓬生物量估算模型。研究结果表明:碱蓬地上鲜生物量与变量(R800–R635)/(R800+R635)之间的相关性最大,以该变量构建的碱蓬生物量线性回归模型精度最高。该研究为海滨湿地脆弱生态定量遥感监测提供技术支撑。     

盐度对滨海湿地盐地碱蓬生理指标和反射光谱的响应分析

为探讨盐度对碱蓬生理指标和反射光谱的响应,以滨海湿地盐地碱蓬(Suaedasalsa)为研究对象,采用自然光照盆栽试验方法研究8种盐度(0(对照,CK)、5、10、15、20、25、30和35)对碱蓬幼苗的生理指标(株高、鲜质量、干质量、叶绿素含量、可溶性总糖和蛋白质质量比)和反射光谱的响应。研究结果表明:盐度对碱蓬植株生理指标存在显著响应,低中盐度(0～25)对植株生长有促进作用,而高盐度(30～35)对植株生长起到抑制作用;25盐度下,碱蓬株高、鲜质量、干质量、叶片叶绿素含量、可溶性总糖质量比均高于其他盐度和对照组;不同盐度处理下的碱蓬植株蛋白质质量比均高于对照组;盐度对碱蓬反射光谱存在明显响应,碱蓬在绿光和近红外波段的反射率随着盐度的增加而逐渐减小;通过相关分析判断出碱蓬株高、鲜质量、干质量、叶绿素含量、可溶性总糖和蛋白质质量比的诊断波段,分别是547、555、548、556、546和2 300 nm。碱蓬高光谱特征指数MTCI、MNDVI1、DCNI、TCARI/OSAVI和R546在不同盐度下存在明显差异,可作为盐分胁迫的高光谱响应诊断指标。分析盐度对碱蓬生理指标和反射光谱的响应,可为深入研究碱蓬对退化滨海湿地生态修复具有重要参考意义。     

基于GF-1 WFV影像的黄河口湿地植被盖度估测及分析

植被盖度是植被生长状况的重要定量指标,而目前开展的植被盖度遥感估测工作主要集中在陆地区域,对河口湿地植被盖度遥感估测工作比较少见。本文基于国产GF-1 WFV遥感影像开展了黄河口湿地植被盖度估算,并结合植被类型、土壤盐度和植被指数分布状况开展了植被盖度分布特征分析,得到如下结论:（1）基于GF-1 WFV卫星影像的NDVI、SRI、SAVI、MSAVI和DVI 5种植被指数,分别建立植被盖度估测模型,其中基于NDVI、SRI、MSAVI和DVI 4种植被指数建立的多变量线性回归模型估测精度最好,其决定系数（R2）最大,为0.904,均方根误差RMSE最小,为0.14;（2）植被盖度估算模型的精度与植被盖度本身有一定的关系,其中各植被盖度回归模型中,盖度大于0.8时估算精度要优于盖度小于0.6的区域,RMSE最大相差0.04;（3）以潮滩碱蓬和潮滩芦苇为主的植被覆盖区属于低植被盖度区,盖度位于0.03~0.5,盐度在1.5 g/L左右;芦苇草甸、互花米草和柽柳灌丛植被覆盖区属于高植被盖度区,盖度位于0.8~1.0,其中芦苇草甸土壤盐度小于1.2 g/L,柽柳灌丛土壤盐度在1.4~2.0 g/L,在高盖度植被区混生有中等盖度的植被,盖度在0.5~0.8,土壤盐度在1.8 g/L左右。     

盐胁迫下滨海湿地碱蓬叶绿素含量的高光谱识别

植物冠层反射光谱与叶片叶绿素含量密切相关。以滨海湿地生态修复的重要植物碱蓬为研究对象,采用盆栽控盐试验研究了碱蓬在盐胁迫条件下叶片叶绿素含量以及冠层反射光谱的响应特征,利用单因素方差分析(one-way ANOVA)和事后检验(Dunnett)相结合的方法分析了叶片叶绿素含量与一阶微分冠层光谱反射率之间的响应关系,以对碱蓬叶片叶绿素含量敏感的波段构建比值光谱指数和归一化光谱指数,并识别出对碱蓬叶片叶绿素含量响应显著的高光谱指数。研究结果表明:50 mmol/L盐胁迫下,碱蓬叶片叶绿素含量最高,当盐胁迫大于50 mmol/L时会抑制碱蓬的光合作用;在可见光波段范围(400-700 nm),中度(300-400 mmol/L)与高度(600 mmol/L)盐胁迫下,碱蓬冠层光谱反射率随叶片叶绿素含量的增加而降低;在不同盐胁迫条件下,543 nm、645-647 nm、663 nm、667 nm、669-670 nm、682 nm、686-687 nm等波段处的一阶微分光谱与叶绿素含量的响应最为显著(p0.05);利用反射率差值法确定对碱蓬叶片叶绿素含量敏感的高光谱指数的参数D_(543)、D_(645)、D_(663)、D_(667)、D_(682)、D_(686)、D_(687),发现比值光谱指数D_(543)/D_(663)、D_(543)/D_(682)、D_(645)/D_(663)和归一化光谱指数(D_(543)-D_(667))/(D_(543)+D_(667))、(D_(645)-D_(667))/(D_(645)+D_(667))、(D_(645)-D_(682))/(D_(645)+D_(682))在盐胁迫下对叶片叶绿素含量的响应较为显著(p0.01),多重判定系数r~2均在0.995以上,其中比值光谱指数D_(543)/D_(682)的显著性最好,多重判定系数r~2高达0.998。盐胁迫下碱蓬叶片叶绿素含量的高光谱指数识别可为探讨滨海湿地盐地碱蓬滩退化和生态修复的高光谱响应机理研究提供理论参考。     

双台子河口芦苇湿地盐分离子空间变化与植物群落退化演替关系

以双台子河口芦苇湿地为研究对象,对2009年10月野外调查所获取的土壤、植物样品进行室内分析,研究盐分离子和植被群落退化演替的关系。结果表明:根据芦苇生物量、覆盖度、株高3项生长指标变化,研究区芦苇群落退化演替的顺序为芦苇—芦苇/补血草—芦苇/碱蒿—芦苇/碱蓬—獐茅/翅碱蓬—翅碱蓬。随着退化演替的进行,翅碱蓬群落的各盐分离子含量显著高于其他五种植物群落的含量。电导率与芦苇生物量、株高呈显著负相关,与土壤易溶盐离子(除CO2-3)呈极显著正相关(P0.01)。说明各盐分离子通过影响电导率而间接抑制植物生长,电导率与pH呈极显著正相关(P0.01),说明试验区土壤盐化的同时伴随着碱化。     

多时相特征组合优选的胶州湾湿地分类

基于光谱特征准确提取湿地信息并研究其动态变化,对于湿地环境监测和保护具有重要价值。本研究以山东省胶州湾湿地为研究区,构建面向对象的分类方法并集合多时相Landsat8 OLI遥感影像的多种特征变量:光谱特征,穗帽变换(K-T)特征,纹理特征,植被指数,水体指数等来提取湿地信息以提高中等分辨率影像的分类精度。结果表明,在光谱波段组合中,近红外波段和红光波段是湿地分类的最有效波段,穗帽变换产生的特征分量对湿地分类也较为有效,光谱指数中的Normalized Difference Water Index(NDWI)和纹理特征中的方差(Var)和对比度(Con)特征变量则并不适用于湿地分类,且特征变量的个数在到达24时会使可分离性下降。计算方差变化率(ROC)并结合目视解译确定最佳分割尺度,将面向对象的方法(Object-Based Image Analysis, OBIA)与Random Forest(RF)算法结合,其总体分类精度达到91.21%(Kappa系数=0.9011),较基于像素的分类方法总体精度增加5.18%,Kappa系数增加了0.0583。表明优选特征组合的面向对象的随机森林算法可有效提高湿地分类精度,为湿地信息提取提供一种新方法。     

基于GF-1WFV的黄河口湿地植被碳储量估算研究

为掌握黄河口湿地植被地上生长部分碳储量的空间分布情况,基于GF-1WFV卫星数据,对黄河口湿地植被地上生长部分碳储量开展了遥感估算模型研究,并根据研究区植被类型空间分布特点,对不同植被类型地上生长部分碳储量的特征开展了分析,结果表明:6种植被碳储量估算模型中,基于NDVI建立的指数模型为单位面积碳储量估算最佳模型,其决定系数(R2)最大,值为0.76,均方根误差(RMSE)最小,值为19.1g/m2;在不同植被类型分布区,地上植被单位面积碳储量平均值大小顺序为互花米草芦苇草甸柽柳林潮滩芦苇盐地碱蓬,其中各区域平均值最大为78.1g/m2,最小为46.7g/m2。研究结果为提高黄河口湿地植被的碳储量提供了有效措施,即合理优化植被类型的空间分布、恢复裸滩上盐地碱蓬的生长和提高植被类型盖度。     

盐地碱蓬生长生理指标和冠层光谱对水盐胁迫的响应

探讨盐碱植物生长、生理和冠层光谱特性对水盐胁迫的响应机理对研究滨海湿地植物适应性、碱蓬滩生态系统健康评价、退化湿地生态修复等具有重要意义。本文通过盆栽水盐胁迫试验,利用双因素方差分析法指示盐地碱蓬幼苗的株高、分枝数、生物量、叶绿素含量、可溶性糖含量和冠层光谱对水盐胁迫的响应。结果显示：(1)分枝数、地上鲜重、地下鲜重和地上干重对水盐胁迫有显著响应,其中地下鲜重对水盐胁迫响应最显著(P<0.001)。(2)株高、叶绿素含量和可溶性糖含量分别对淹水胁迫和盐胁迫响应极显著(P<0.001),但对水盐交互胁迫响应不明显。(3)基于水吸收带的差值植被指数对水盐胁迫的响应最显著(P<0.001)。(4)新构建的10个植被指数对水盐胁迫有显著响应;已有植被指数、RVI对淹水胁迫有显著响应,而已有植被指数DVI、TGI对盐胁迫有显著响应。研究获得了对水盐胁迫下响应显著的生长生理指标和植被指数,对进一步理解盐地碱蓬极端生境下的适应性具有科学价值,但未确定适宜盐地碱蓬生长的最佳水盐条件。     

基于AOTF成像的马铃薯叶片氮素含量估算研究

利用基于声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter,AOTF)成像光谱仪获取高光谱数据,探索由马铃薯冠层光谱数据建立的植被指数TCARI/OSAVI与叶片氮素含量之间的相关关系,并建立相应的估算模型。结果表明:植被指数TCARI/OSAVI与马铃薯叶片氮素含量有很强的相关性,决定系数为0.726,达极显著相关。经过实测数据验证,估算模型:y=-8.5937x+8.8518有较好的可靠性。     

近30 a来盐城沿海盐沼时空分布演变规律及影响因素分析

盐沼是全球温带及亚热带地区的主要滨海湿地类型之一,具有重要的生态服务功能。本文以盐城沿海区域为例,利用近30 a来的6期遥感卫星图像,通过简单的植被覆盖指数(NDVI)粗提取和目视解译的方法分析了该区域盐沼的时空演变,并对引起这些变化的影响因子进行了探讨。结果表明,近30 a来研究区盐沼面积呈大幅度先升后降又小幅度上升的趋势,至2015年盐沼面积减少了约18 km²;盐沼的空间位置不断向外扩张,最大扩张距离达到了5.5 km,盐沼的宽度也随着时间不断变化;盐沼植被类型发生了不同程度的演变,景观指数表明景观破碎化程度不断加剧,獐毛、碱蓬、芦苇大量减少,单一的互花米草覆盖湿地。对盐沼时空变化起到影响的自然因素和人为因素中,围垦活动的影响最为显著。     

福建平潭近海赤潮预警模型研究*

本文分析了福建省平潭近海海域2013—2019年水文、水质及气象数据的主成分结果, 筛选出5个气象因子和4个水质因子作为输入指标, 以藻密度为输出指标, 分别演算了KNN (K-nearest neighbor)、RF (random forest)、GBRT (gradient-boosted regression Trees)以及Bagging (bootstrap aggregating)4种赤潮预警回归模型。对2013—2019年的802 组海洋监测数据归一化处理后, 随机选取80%的数据作为模型的训练样本, 剩余的20%作为模型验证数据。其中, 以风速、气温、海平面气压、叶绿素a浓度组合为输入指标时, KNN回归模型演算结果的精度较高(R²=0.624, RMSE=0.821μg·L^-1, MAE=0.836μg·L^-1)。在没有叶绿素a浓度监测指标的海域, 构建了以叶绿素a浓度为输出指标, 气温、日照、风速、AOI(apparent oxygen increase)组合为输入指标的BP神经网络赤潮模型, 该模型也具有较好的预警精度(R²=0.651, RMSE=0.062μg·L^-1, MAE=0.033μg·L^-1)。本研究结果可为平潭海域的赤潮预警研究提供参考。     

黄河口受石油烃渗漏影响植被的高光谱检测方法研究

以黄河口为研究区,应用现场和HJ-1高光谱遥感数据,开展了植被受石油烃渗漏影响的高光谱检测方法研究。选择了常用于判别植被受石油烃渗漏污染的红边蓝移指数 REP_blue、土壤含氧量相关指数 CTR和叶绿素敏感指数CHL ,通过分析研究区主要植被芦苇和柽柳地物光谱和HJ-1高光谱影像中同位置像元光谱,对3种指数在研究区的有效性进行了评价。基于在图像像元光谱检测中表现较好的指数,提出了一种针对 HJ-1高光谱遥感影像的受石油烃渗漏影响植被检测方法。结果表明,3种指数对于油井旁植被现场光谱的检出效果均好于图像光谱,同时,相比于其它两种指数,CHL指数的检出效果较差;应用发展的受石油烃渗漏污染影响植被检测指数,对覆盖研究区的 HJ-1高光谱遥感影像进行了检测,发现检测结果中71．1％的位置附近存在油井,说明该方法具有一定的检测能力。     

基于浮标观测的东海赤潮高发区秋、冬季漫射衰减系数的反演

浮标测量的光学数据时间序列长、分辨率高, 能可靠地测量快速变化的漫射衰减系数(K_d)。东海赤潮高发区水体中的浮游植物生物量及悬浮泥沙含量存在较大的变化, 光学性质复杂。文章利用2013年9月至2014年1月的海洋光学浮标数据, 获得了该海域水体的表观光学特性, 基于K_d(490)与遥感反射比[R_rs(λ)]的相关关系建立了K_d(490)的经验算法, 并与已有7种反演算法进行了比较。结果表明, 该海域的K_d(λ)及R_rs(λ)具有显著的Ⅱ类水体光谱特征, 其中, K_d(490)的范围为0.01~4.31m^-1, 水体的浑浊程度变化大。K_d(490)与R_rs比值的相关性较好, 据此建立了以R_rs(650)/R_rs(510)、R_rs(555)/R_rs(510)作为自变量的K_d(490)双比值经验算法。将新建算法反演获得的K_d(490)与实测K_d(490)相比, 均方根误差、平均相对误差百分比和线性回归的决定系数分别为0.27m^-1、27.08%和0.77, 优于其他7种算法。算法精度的提高源于新建算法选择的R_rs能充分反映水体信息, 并适应水体组分的变化, 可为东海赤潮高发区K_d(490)的反演提供较好的选择, 并为海洋光学浮标在水体环境监测中的应用提供示例。     

SAR极化特征图像与σ0图像的海洋内波可视性对比

利用ALOS PALSAR全极化SAR内波图像,对比分析了SAR海洋内波在11种极化特征与后向散射系数(σ⁰) 图像中的可视性。在提取的SAR极化特征图像中,Lambda值的内波特征最为明显,极化熵和极化角次之。与σ⁰图像相比,Lambda值的内波可视性优于同极化的σ⁰图像;对于极化熵和极化角,沿距离向传播的内波可视性优于同极化的σ⁰图像,沿方位向传播的内波可视性略差于同极化的σ⁰图像,两者均优于交叉极化的σ⁰图像。HH/VV极化比、归一化圆极化系数和Bata值的内波特征较弱;HH/HV极化比、VV/VH极化比、Gamma值、Delta值和各向异性指数的内波图像均不清晰,无法识别内波。     

南海东北部夏季叶绿素a浓度垂向变化特征及其对水动力过程的响应*

叶绿素a浓度是估算海洋初级生产力的一个重要参数, 在海洋中垂向分布极不均匀, 其分布特征及影响机制是海洋生态学研究的重要基础问题。利用海洋光学观测的高垂向分辨率剖面数据, 系统地研究叶绿素a浓度垂向剖面的时空分布特征及其与海洋动力环境要素的关系, 可为揭示南海典型动力过程的生态环境效应提供重要基础。文章基于2015年夏季黑潮调查航次实测生物光学剖面, 利用676nm处吸收基线高度(a_LH(676))与叶绿素a浓度(Chla)之间的关系, 建立了具有较高反演精度的叶绿素a浓度反演算法(Chla=49.96×(a_LH(676))^0.9339, 决定系数R²=0.87和均方根误差RMSE=0.16mg·m^-3); 进一步结合观测期间物理过程, 揭示了叶绿素垂向分布对不同水动力过程的响应特征。研究结果表明, 近岸区域表层叶绿素a浓度变化范围为0.42~1.57mg·m^-3, 随着水深增加, 叶绿素a浓度逐渐降低, 在沿岸上升流影响区域, 叶绿素a浓度明显增高, 垂向上相对趋于均一分布; 次表层叶绿素极大值(Subsurface Chlorophyll Maximum, SCM)现象在外海显著存在, 受中尺度过程影响明显, SCM深度在34m到100m之间变化, 在吕宋岛以西海域, 黑潮入侵加速了上层水体的混合, SCM所在水层被显著抬升至34m左右; 在冷涡影响区域, 次表层叶绿素极大值层被抬升, 涡旋中心比涡旋边缘抬升更为显著, 同时SCM的厚度增大。     

海面溢油无人机高光谱遥感检测与厚度估算方法

海上溢油是海洋国家所面临的共同问题,但至今仍没有一种可靠实用的海上溢油准确识别和油量遥感监测方法。为此,本文以无人机高光谱遥感为手段,开展了海面溢油检测与厚度估算方法研究。实验中,通过搭建室外大型水槽溢油实验装置,获取了模拟真实海洋环境条件下不同溢油量的遥感和现场光谱数据,在此基础上,分析并提取了海上溢油特征光谱波段,给出了海上溢油高光谱检测模型;针对现场实验条件下水面油膜厚度难以测定的问题,设计了3种利用总体溢油量的油膜厚度估算模型。得到如下主要结论:（1）675 nm和699 nm是海上溢油检测的有效特征波段,但对极薄的油膜没有检测能力;（2）提出了归一化溢油指数模型、反比例模型和吸收基线模型等3种海上溢油油膜厚度估算模型,其中对于薄油膜（厚度≤ 5 μm）和厚油膜（厚度>50 μm）,反比例模型是溢油厚度反演的首选也是唯一选择。对于中厚度油膜,晴朗天气条件下,归一化溢油指数模型是油膜厚度反演的首选,同时反比例模型和溢油吸收基线模型也都有较好的反演能力,而在多云天气条件下,反比例模型效果最佳。     

黄河三角洲潮上带和潮间带不同生境微塑料分布规律

微塑料是近年来广受关注的持久性污染物之一,对海洋生态系统有着不可忽视的潜在危害。河口三角洲作为典型的滨海盐沼湿地,属生态敏感地带,是海洋和陆地两大生态系统的交错地带。选取黄河三角洲潮上带和潮间带盐沼裸斑、翅碱蓬、柽柳、芦苇和潮沟五种典型生境开展土壤微塑料进行采样调查并分析其分布规律。结果表明,黄河三角洲潮上带及潮间带土壤中塑料的整体丰度范围在7~147个/kg,相比世界范围内其他滨海地区属于中等水平,其中翅碱蓬区是微塑料平均丰度最高的区域。整体而言,在各材质中,聚乙烯材质微塑料的检出比例最大,达29.53%;而在各形状中,碎片状微塑料占比最大,达38.88%,其次是颗粒状微塑料,占比37.09%,二者比例接近,为研究区微塑料的主要形态。潮汐作用对微塑料的分布有重要影响,微塑料在距离海岸较近的样点丰度较低,而在高潮线附近明显聚集,同时在植被覆盖区微塑料丰度也明显升高。黄河三角洲国家级自然保护区内人类活动强度较低,但仍面临着来自原位风化降解、潮汐风力搬运等多种潜在来源的微塑料污染。综上,对河口湿地微塑料污染的治理与防护,对于维持区域生态系统稳定与健康具有重要意义。