基于遥感和机器学习的内陆水体水深反演技术

文章主要根据机器学习算法（随机森林算法和极端梯度提升算法）和遥感水深反演的原理,利用Sentinel_2多光谱卫星数据和无人船实测水深数据,对内陆水体——梅州水库建立了随机森林（RF）、极端梯度提升（XGBoost）和支持向量机（SVM）水深反演模型,并对反演结果进行对比分析。结果表明：1）RF的训练精度为97%,测试精度为0.80;XGBoost模型的训练精度为97%,测试精度为0.79;SVM的训练精度为90%,测试精度为0.78。说明了在水深预测方面RF模型和XGBoost模型比SVM模型表现更好,对各个区段的水深值较为敏感。2）根据运行时间考察各个模型的效率,其中RF模型从读取数据至输出结果耗时3.92 s;XGBoost模型4.26 s;SVM模型6.66 s。因此,在反演精度和效率上RF模型优于XGBoost模型优于SVM模型,且RF模型的预测结果图细节更加丰富,轮廓更加分明;XGBoost模型次之,但总体效果也较好;SVM模型表现最差。由此可知,机器学习水深反演模型获得的水深结果精度明显提高,解决了传统水深反演模型精度不高的问题。     

基于多源遥感数据的非洲乍得湖水面变化监测

乍得湖位于中非撒哈拉沙漠边界, 是非洲重要的淡水湖, 湖面大小对气候变化高度敏感。近40 年, 由于干旱等自然灾害和大规模灌溉等人为因素的影响, 乍得湖面积急剧减少, 受到广泛关注。本文利用多种光学遥感数据提取1973-2012 年乍得湖面积, 分析其变化趋势和驱动机制。结果表明, 1973-2012 年间乍得湖面积总体上在变小, 1973-1975 年间乍得湖面积急剧减少了约71%, 1975-2012 年面积在2000~5000 km²范围内波动。为验证变化趋势的可靠性, 本文利用MODIS影像与同期Landsat 和AVHRR影像的提取结果进行比较, 来检验多源数据的可比性;通过MODIS影像监测乍得湖面积的月变化, 来检验所选数据时相对乍得湖面积变化分析的可能影响。根据气象资料分析, 乍得湖面积与降水量变化存在一致性, 沙里盆地降水量变化是乍得湖面积变化的重要原因;其次, 大量修建水库是导致面积减少的另一重要原因;最后, 将乍得湖分为南北两部分的天然拦截坝通过阻碍水流增加蒸发, 也加剧了乍得湖面积的减少。     

基于MODIS数据的西台吉乃尔盐湖水体提取及水域面积的监测

西台吉乃尔盐湖具有丰富的镁锂资源,受补给、降水、水文地质条件及人为因素的影响,理化性质和面积有较大变化。通过在湖表水和干盐滩进行样本点采集,统计分析盐湖水体的光谱特征,然后根据MO-D IS数据第1、2波段的反射率和NDVI设定的阈值提取水体,进行水域面积动态变化的监测,结合气象资料,对比分析了西台湖面积的变化情况和原因,对盐湖水体的提取、湖区矿产持续开发利用和水体保护具有一定的指导作用。     

中国内陆水体氮沉降数据集（1990s-2010s）（英文）

全球大气氮沉降急剧增加对内陆水生态系统产生不良影响。中国是全球三大氮沉降热点地区之一,为了充分了解氮沉降对中国内陆水体的影响,制定合理的水污染治理方案,需要清楚地量化内陆水体的氮沉降通量。为此,本文利用LMDZ-OR-INCA模型结合内陆水体面积数据,获得了近三十年中国内陆水体氮沉降数据集,为进一步了解中国内陆水体氮沉降的时空格局及其影响机制奠定了基础。同时,我们公开共享该数据集(https://ecodb.scidb.cn/detail?dataSetId=892431070195089408),并提供在线访问和下载服务。     

基于MODIS数据的川西山区河道水体提取方法研究

MODIS数据时间分辨率较高,将其应用于河道监测优势明显.川西山区河道狭窄,水体像元多为混合像元,并且山区沟壑众多.山区阴影、混合雪盖和城镇区域的反射率特征与山区河道水体反射率特征相近,利用现有方法提取水体难度较大.为将MODIS数据的优势运用于山区河道监测,选定岷江上游区域作为典型研究区域,在对多日MODIS数据中的典型地物进行采样分析后,对归一化植被指数法(NDVI)进行了改进,将其与MODIS第1波段数据组合得到山区水体增强指数(MEWI),实现了图像中山区沟壑的模糊处理,突出了水体.在针对山区地物特点进行图像增强后,河道水体清晰可辨,能够应用于山区5级以上河流的监测.     

内陆水体环境遥感监测研究评述

应用遥感技术进行水质监测较常规监测具有巨大优势,能快速、大尺度、低成本的监测水质参数在时空上的变化状况。本文首先简要阐述了内陆水体环境遥感监测的基本原理;其次,介绍了常用水质参数的遥感监测研究现状,包括叶绿素a(Chl-a)、悬浮物(SS)、有色可溶性有机物(CDOM)以及总磷(TN)、总氮(TP)等其他水质参数,并将其划分为经验模型和生物光学模型两种监测方法;再次,对常用的遥感数据源进行了介绍和优缺点的评述;最后,讨论了内陆水体环境遥感监测误差来源,并对今后内陆水体环境遥感监测研究重点进行了展望。     

内陆水体退化生态系统的恢复

内陆水体生态系统在维持全球物质循环和水分循环中具有重要作用.它的恢复是指重建干扰前的物理条件,调整水和土壤中的化学条件,再植水体中的植物、动物和微生物群落.相对静止的湖泊和水库的退化主要由点源污染和非点源污染引起,需要人类干预才能恢复.治理水体和开展内陆水体生态系统的恢复活动有由下而上和由上而下两种方法,最重要的是减少营养输入,控制富营养化问题.河流退化的因素较多,恢复时最重要的是水质的恢复.内陆水体生态系统的恢复过程项目评估受人类价值和生态系统表现影响,进行内陆水体生态系统恢复项目评估的标准包括内陆水体     

基于MERSI和MODIS的太湖水体叶绿素a含量反演

水体叶绿素a含量的遥感反演是监测水体光学特性、评价水体污染的一个重要指标.本文以FY-3A/MERSI和AQUA/MODIS遥感影像为数据源,结合水体实测的叶绿索a含量,利用两类反射率模型,研究星载数据遥感反演叶绿素a的可行性.研究表明:基于FY-3A/MERSI和AQUA/MODIS可见光-近红外通道的光谱反演模型(...     

基于环境一号卫星的内陆水体水质多光谱遥感监测

基于环境一号卫星多光谱数据,针对我国内陆水体开展遥感监测研究。该研究建立分地区分季节经验模型反演叶绿素a浓度,基于生物光学模型的近红外单波段方法反演悬浮物浓度,以悬浮物浓度间接反演透明度,最终基于叶绿素a和悬浮物获得基于遥感监测的内陆水体营养状态指数。以2009年6月巢湖同步观测试验验证本文的水质参数反演算法,表明叶绿素a浓度反演精度不如悬浮物浓度,两者反演精度符合水环境监测业务需求。     

基于MODIS数据的旅游温湿指数时空分布研究

旅游舒适度对旅游气候资源评价以及气候条件与旅游活动关系研究等具有重要意义,而温湿指数是衡量旅游舒适度的一项重要指标。提出适用于MODIS遥感数据的旅游温湿指数模型,介绍模型所需参数地表温度和地面水气压的遥感反演方法。利用该模型计算我国2003年12个月的旅游温湿指数,并分析其时空分布特征。     

京津唐城市群不透水地表增长格局以及水环境效应

不透水地表(Impervious Surface Area,ISA) 时空格局是城市化与全球环境变化交互影响下的土地利用/覆盖变化-生态系统过程-区域气候变化相互作用机理以及导致的环境效应研究的重要内容。如何快速准确地实现区域尺度不透水地表遥感信息的获取是上述研究面临的重要瓶颈问题。本研究嵌入中国LUCC 信息改进了基于MODIS NDVI 与夜间灯光指数(DMSP-OLS) 提取不透水地表信息的方法,反演了2000 年与2008 年京津唐城市群2 期250 m不透水地表信息,进而分析其变化的时空格局,结合子流域单元与河流污染物监测数据评价其对海河流域地表水环境的影响。结论表明：受环渤海经济区,天津滨海新区开发等政策的影响,京津唐城市群在21 世纪初8 年不透水地表沿着城-乡梯度带、城市交通廊道及海岸带高速增长。城乡建设用地不透水地表增长呈现显著的时空差异特征,由于北京市受人口-资源-环境的压力,产业发展不断向周边地区转移,天津与河北唐山、廊坊、秦皇岛三市具有更快的不透水地表增长速度。京津唐城市群城市高密度的不透水地表分布对于海河流域地表水环境产生严重影响,不透水地表的增长加剧了流域河流水质的污染程度。同时也发现,子流域不透水地表面积比例与COD、NH₃-N浓度均值呈现显著的线性关系。     

基于MODIS时间序列数据的沙漠化遥感监测及沙漠化土地图谱分析——以内蒙古中西部地区为例

土地沙漠化是内蒙古中西部地区主要的生态环境问题之一,遥感与图谱分析为其研究提供了有效的技术手段。基于MODIS数据产品,反演时间序列的沙漠化监测指标,结合决策树分类法提取沙漠化土地信息,并提出新的沙漠化修正指数进行沙漠化土地动态分析;采用地学图谱分析方法提取了3个不同时间尺度上沙漠化土地的时空复合图谱信息,对沙漠化土地类型变化、土地沙漠化的程度等进行分析。结果表明:(1)遥感监测指标与决策树分类方法相结合可以有效地提取沙漠化土地信息。(2)2000-2014年内蒙古中西部地区的沙漠化程度与面积总体上呈减轻与减少趋势,2011-2014年间沙漠化总面积年平均值约为17.2万km²,比2000-2010年沙漠化总面积年平均值减少约2万km²。(3)沙漠化土地变化具有多时间尺度的特征,短时间尺度与较长时间尺度上沙漠化的动态变化趋势不同。各类型沙漠化土地动态度的绝对值随时间尺度的增加而降低。不同时间尺度沙漠化土地的净逆转比例也不同,2005-2010年和2005-2014年沙漠化土地净逆转比例较大,分别为13.95%和9.08%。受研究时段长度的限制,10 a或更长时间尺度上进行沙漠化动态变化趋势及其成因机制的分析可能更为合理;而5 a或更短的时间尺度,可能仅对揭示沙漠化高风险区或快速恢复区等热点地区有帮助。(4)2000-2014年毛乌素沙地及阴山北麓的农牧交错区等地区呈现相对稳定逆转的态势,而浑善达克沙地中西部等部分地区沙漠化土地变化较不稳定,近5 a仍呈现恶化的态势。     

基于夜光遥感影像的粤港澳地区城市发展时空格局演变

将VIIRS时间序列夜光遥感影像首次应用于粤港澳地区,结合LandScan ^TM人口分布图等辅助数据,采用夜间灯光统计、位序-规模法则以及由基尼系数构建的夜光发展指数等方法,在地市级、区县级2种尺度上对其城市发展空间格局进行分析,探究其城市规模的时空演变情况。结果发现,2012—2018年粤港澳地区所有城市的夜光总量均呈现出增长的态势,但中小城市的增速明显高于大城市,汕尾市的夜光增长率高达310.35%。在位序-规模分析中,地市级与区县级的q值在2012—2018年分别下降了16.86%和13.52%,城市规模分布趋于分散的力量大于趋于集中的力量,城市间规模发展日趋平衡。夜光发展指数同样随时间的变化逐渐降低,城市内部夜光与人口之间的分配水平差距正逐渐弥合,中小城市的发展相对更快。同时,夜光发展指数下降最为显著的几个地级市均位于粤东地区,说明粤东地区近年来正展现出强劲的发展态势。     

基于MODIS数据的青藏高原旱情监测研究

本文利用温度植被旱情指数（TVDI）和植被供水指数（VSWI）分别对2009、2010年3—10月青藏高原土壤湿度状况进行监测分析,同时利用气象台站实测地面降水资料进行了验证。利用MODIS资料提取的归一化植被指数（NDVI）和地表温度（T_S）,构建NDVI-T_S特征空间,依据该特征空间计算出的反映青藏高原土壤湿度的TVDI与同期累积降水相关性显著;VSWI计算过程简单,但所反映的土壤湿度与同期累积降水的相关性较差。因此,对青藏高原这种范围广、下垫面多变复杂区域而言,TVDI能够更好地反映土壤湿度状况,对干旱监测具有一定的科学意义。     

MODIS卫星影像显示的2001-2017年中国荒漠化年度状况

年度监测是及时掌握荒漠化动态的有效方法。以MODIS卫星影像为数据源,依据荒漠化土地特征和荒漠化遥感监测指标选取原则,选取了能够基于中低分辨率MODIS卫星数据反演的4个遥感监测指标,将原国家林业局第三次荒漠化监测结果与MODIS反演的4个遥感监测指标的栅格图进行叠加,参照各监测指标在不同荒漠化程度等级下的像元值,得到各指标荒漠化程度判别值。根据原国家林业局荒漠化监测气候分区规定,基于各监测指标判别值,应用决策树分类方法,实现了中国不同气候区域2001-2017年的荒漠化状况年度监测。以2009年原国家林业局第四次中国荒漠化土地监测结果与本文年度监测结果对比,吻合度达92.62%。     

城市地表水体时空演变及其对热环境的影响

以福州市建成区为例,基于Landsat遥感影像对水体类型进行分类,并提取出1989、1996、2006和2014年的地表水体信息,然后与不透水面、植被和地表温度信息结合,运用回归模型定量分析了1989~2014年间福州城市地表水体的时空变化及其对城市热环境的影响。结果表明：① 1989~2014年间,福州建成区各类地表水体均呈不断减少趋势,25 a间水体总面积减少了1 490.67 hm²,其中有70.0%转变成不透水面;② 1989~2014年减少的1 490.67 hm²水体对福州建成区温度上升的贡献达1.03℃,而在水体减少的具体区域,其升温效应可达3.6℃。     

苏州下垫面格局演变及其局地热环境效应

以苏州为研究区域,选择1986年Landsat TM、2006年Landsat ETM+遥感图像为主要数据源,分别提取下垫面类型和地表温度,研究景观格局指数的粒度效应,并在适宜粒度下分析景观格局的演变特征,进而研究其与热环境变化之间的关系。结果表明,研究区20多年来景观破碎化程度、斑块形状复杂程度与景观多样性变大,而聚集程度变低,热场变异指数增大区域的景观格局指数变化更为明显,这说明下垫面格局演变对热环境变化具有一定的影响作用。     

基于MODIS/EVI的内蒙古高原西部植被变化

内蒙古高原西部生态环境脆弱,是全球变化的敏感地带.为了解该区域植被覆盖的时空动态变化,根据2000—2012年MODIS/EVI影像,使用趋势分析和标准差分析方法,研究了近13年内蒙古高原西部植被生长状况及其空间格局动态变化.同时,根据《1:100万植被类型图》把研究区分为荒漠区、草原区、草甸区和灌丛区,以研究不同植被类型下的EVI变化情况.结果显示:内蒙古高原西部植被覆盖退化面积大于改善面积;植被退化区主要分布在内蒙古农牧交错带北部边缘,包含乌兰察布、呼和浩特、包头等市及大通河、疏勒河、黑河等河谷地带;植被增加区域分布在河西地区、河套地区和阿巴嘎旗附近;研究区植被稳定性存在明显的地域差异,波动较高的区域位于阴山南部、祁连山南北和阿巴嘎旗,与植被覆盖退化或者增加的区域基本吻合;仅荒漠区植被覆盖水平上升,草甸、草原区植被覆盖退化严重.