环渤海地区耕地复种指数时空变化遥感反演及影响因素探测

利用SPOTNDVI数据,对环渤海地区2000、2004、2008年耕地复种指数进行遥感反演。并利用地理探测器方法对影响复种指数动态变化的因素进行定量探测。结果表明:①从南至北,复种指数从平原地区最高280%降至北部山区最低70%,呈现出一定南北递减的纬度地带性。丘陵、高原、山区的复种指数比同一纬度地区偏低40%~60%,表现出一定垂直地带性。②2000~2004年,平原传统农区的复种指数上升,高原、山区、丘陵地区局部出现下降;2004~2008年,下降区域的复种指数反弹上升,平原农区保持平稳。③粮食单产水平是影响复种指数动态变化的主要因素,人均耕地面积、农村劳动力转移程度、农业生产条件、农业现代化水平、区位条件等因素等对其变化起着一定影响。     

1999-2013年中国耕地复种指数的时空演变格局

耕地复种是中国普遍的农业种植制度,对保障国家粮食安全和促进农村经济发展十分必要。本文基于1999-2013年1 km×1 km旬SPOT-NDVI数据和3期耕地数据,利用S-G （Savitzky-Golay）滤波方法,重建了农作物生长NDVI曲线;基于二次差分算法及相关阈值限定,提取了各时相复种指数;分析了1999-2013年中国耕地复种指数的时空变化过程。结果表明：① 中国耕地复种指数从北到南逐渐增加,其中种植制度上43.48%的耕地实行一年一熟,56.39%的耕地实行一年两熟,仅有0.13%的耕地实行一年三熟。② 1999-2013年间,中国耕地复种指数整体上呈现显著上升趋势,年均增加约为1.29%（P < 0.001）;但空间差异明显,复种指数显著降低（P < 0.1）的耕地仅占全国耕地的2.12%,主要分布在河北、北京、天津交界地区,安徽中部,四川的成都平原,江西的鄱阳湖平原,湖南的北部和南部以及广西的中部;16.40%的耕地复种指数显著上升（P < 0.1）,主要分布在甘肃的东部,陕西的渭河平原,山西的西部,河北、山东和天津交界处,山东的山东半岛和湖北的江汉平原。③ 耕地复种指数年际变化率与地形起伏和经济发展水平具有较好的相关关系：起伏度增强,复种指数上升;经济发展水平提高,复种指数降低。     

1998-2012年中国耕地复种指数时空差异及动因

从国家、区域和省级三个层面上分析了1998-2012年间中国耕地复种指数的变化趋势,并基于Theil指数探讨了中国耕地复种指数的时空差异,利用计量经济学模型从人文视角探讨了耕地复种指数变化的影响因素。结果表明:1在全国尺度上,中国耕地复种指数总体上呈逐年增长的趋势。2在区域尺度上,复种指数最高的为中部地区,最低的为东北地区;而复种指数增长最快的是东北地区,最慢的是中部地区,东部地区呈下降趋势。3中国31个省份复种指数各不相同,且差距大,复种指数增长最快的是新疆、宁夏和云南。4由Theil指数值的大小可知,中国耕地复种指数的差异呈缩小态势,其主要原因为四大区域间的差异。5人口非农化比重对耕地复种指数产生了显著负向作用,产业非农化比重、农业政策、人均经营耕地和农村家庭人均经营纯收入对耕地复种指数产生了显著正向作用。最后,本文认为转移农村剩余劳动力,提高农民的经营性收入水平,促进土地流转,形成土地规模化经营,以及进一步加大对欠发达地区及粮食主产区农业发展的惠农扶持力度,充分发挥国家惠农政策的诱致作用,有利于全面提高中国耕地复种水平。     

近10年来中国耕地资源的时空变化分析

根据中国资源环境数据库中的耕地数据以及20世纪80年代末期、1995年和2000年3期覆盖全国时间跨度约为10年的遥感数据,对中国耕地时空变化进行分析。总趋势表明,近10年来我国耕地资源总量有所增加;东部及沿海地区优质耕地迅速减少;东北地区和内蒙古自治区耕地大量开垦;水田旱地转换明显。利用GIS方法将耕地变化数据与中国生态环境质量数据进行叠加,表明近10年来耕地的生态环境质量下降了。近10年耕地动态变化的空间分布表现出13种动态格局。对80年代末至1995年 (前5年) 和1995年至2000年 (后5年) 这2个时间段内的耕地变化进行对比分析,表明了前5年与后5年耕地变化的动态格局有空间上的相似性,但前后变化幅度相差较明显。近10年来气温的升高与中国水田北移有较好的一致性,而降水的减少对西北地区耕地的撂荒和开垦有明显作用。中国经济的发展所导致的城市化过程使得大量耕地被占用。近10年来相关的耕地政策对控制耕地面积的减少有作用,但耕地的总体质量却下降了,这直接影响了粮食产量。     

中国北方近57年气温时空变化特征

通过分析中国北方近57年来气温时空变化特征,结合GIS空间分析技术和数理统计理论,对中国北方气温变化进行定量化分析,阐述其时空演变规律。结果表明:近57年来中国北方气温总体呈上升趋势,升温趋势最快的是东北地区(0.25℃/10a),最慢的是西北东区(0.12℃/10a)。各区年均、1月、7月气温的增温趋势呈非对称性,年均气温的升高主要得益于1月气温的贡献,7月各区升温趋势普遍较慢;中国北方年均气温变化存在突变现象,东北区是在1994年(a=0.05),华北区是在1997年(a=0.05),西北西和西北东分别为在1996年和1997年(a=0.05);年均气温变化具有明显的周期性,东北区分别以21a、6a、11a为第一、第二、第三主周期,华北区气温周期为22a,西北西区周期为12a,西北东区第一、第二、第三主周期分别为15a、8a、5.5a;中国北方各区气温变化一致性较强,都呈现上升趋势,但各区之间相关关系存在差异,东北和华北年均气温相关系数达到0.79(a=0.01),1月东北区和西北西区相关系数为0.19,7月东北区和西北东区的相关系数为0.26,未达到显著水平。     

近30年中国农作物种植结构时空变化分析

综合运用时序变化趋势、空间集聚分析等方法,从种植结构类型和种植比例变化趋势分析了1980年以来中国县域种植结构的时空特征。结果表明：① 近30年来中国前10位的种植结构类型有16种,2002年后多元种植结构逐步替代单一型种植结构。粮食作物占优的单一种植结构类型呈逐年递减趋势,其中1980年全国82.7%的县级农业种植结构是水稻、小麦、玉米及其组合种植类型,2002年后的果蔬类型增加改变了种植结构格局。② 全国种植县中有47%的水稻、61%的小麦和29.6%的玉米的种植比例显著减少,其他作物呈现增加趋势。粮食作物由以水稻为主的格局调整为水稻、小麦和玉米共存格局,其中玉米种植面积比例在空间上变化最为显著,在中国形成北东—西南向的“玉米减少带”。种植结构调整热点的城市地区,城市化对种植结构变化影响显著,水果和蔬菜类种植比例在城市化地区快速增加。③ 种植结构变化趋势在1300个县形成空间集聚效应,水稻的高高聚集占全国县数的2.86%、小麦占5.64%、玉米占6.11%、大豆为4.53%、麻类为1.62%、棉花占7.77%、蔬菜占8.24%、薯类占12%、水果占10%、糖料占1.41%、油料占9.35%,主要分布于中国东北、新疆和沿海的城市化地区。     

近50年来中国北方沙漠化土地的时空变化

中国北方在过去的近50年里,沙漠化土地以其广泛的分布和迅速发展构成了区域主要的环境和社会经济问题。遥感监测和评价结果表明,到2000年沙漠化土地已达到 38.57×104 km₂,其中潜在和轻度沙漠化土地13.93×104 km₂,中度沙漠化土地9.977×104 km₂,重度沙漠化土地7.909×104km₂,严重沙漠化土地面积 6.756×104 km₂,它们主要分布在农牧交错带及其以北的草原牧业带、半干旱雨养农业带和绿洲灌溉农业与荒漠过度带。对上世纪50年代后期、1975年、1987年和2000年沙漠化土地遥感监测结果进行对比分析显示,我国北方沙漠化土地自20世纪50年代后期以来一直处于加速发展的态势,沙漠化土地年均发展速率20世纪50年代到70年代中期为1 560 km₂,1976年到1988年提高到2 100 km₂,1988年到2000年之间达到3 600 km₂。“整体恶化,局部治理”是近50年来北方沙漠化土地的变化的基本趋势。沙漠化土地的迅速发展不仅使中国北方的生态环境面临严峻的挑战,而且将严重影响中国整个区域国民经济的发展以及人民生活水平的提高。     

洞庭湖区近20年土地利用/覆盖变化的时空特征

在中国资源与环境时空数据库的支持下,利用20世纪70年代末期、80年代末期和90年代末期获取的陆地资源卫星图像和GIS分析方法,对洞庭湖区近20年的土地利用/覆盖变化的时空特征进行了研究。结果表明,变化比较显著的地类有3种:耕地减少了1 97%,各类建设用地总计增加了14 88%,水域面积增加的幅度为8 77%。耕地与水域相互之间的转变比较频繁。以80年代末为界,前后2个10年间,建设用地、水域和草地的面积在2个时期均持续增加,耕地、林地的面积都持续减少。后期土地利用的动态度大于前期;前期动态度最大的县域有岳阳市、沅江县和汉寿县,后期动态度最大的则为石首市、津市和岳阳市,全部为市级行政区或县改市区。     

近20年广西北部湾滨海湿地时空格局变化研究

基于面向对象的信息提取方法,利用1990、2000和2010年Landsat TM遥感影像数据,提取北部湾滨海湿地信息,并对其空间分布及其变化进行研究。结果表明:基于面向对象法提取出的研究区3个时期滨海湿地分类总精度分别为91.02%、89.06%和89.84%,kappa系数均达到0.80以上;3个时期自然湿地在湿地类型构成中占绝对优势,其面积占湿地总面积的比例分别为66.96%、65.65%和64.90%;1990-2010年,研究区滨海湿地面积呈平稳增长态势,其面积由3 138.08km2增加到3 165.77 km2;湿地类型中养殖水面增幅最明显,其面积比重由1990年的3.19%增加到2010年的6.15%。1990-2010年,研究区滨海湿地变化明显,湿地之间、湿地与非湿地之间的相互转化频繁,受人为活动影响干扰突出。     

近20年中国北方13省的耕地变化与驱动力

利用 1983年1月至1999年12月长时间序列NOAA/AVHRR NDVI 数据和2001年逐旬SPOT/VGT 数据,获取了中国北方13省1980s初期、1990s初期、1990s末期和2000s初期地表土地覆盖特征,阐述了中国北方13省的耕地变化过程,并重点讨论了人类活动对耕地变化特征的影响和耕地变化的驱动力。发现：(1) 裸地、耕地等弱生态用地面积持续增加,而林地和草地等生态功能用地和混合功能用地持续减少是我国北方1983~1999年土地利用/覆盖变化的主要特征,这在一定程度上影响着区域生态系统的调节功能。但在2000s初期,这种状况有所改观,表明国家自20世纪末期开始实施的退耕还林还草等一系列生态环境建设措施在一定程度上开始发挥作用;(2) 从1983~2001年,中国北方13省的耕地重心整体上表现出向西南方向偏移的趋势。此外,地形和交通状况对耕地的空间变化过程影响明显,区域耕地面积主要集中在海拔较低、坡度较小的平原和丘陵地带,耕地利用强度一般随着距交通干线距离的增加而减少;(3) 人们生活收入水平以及农业产量变化与耕地变化关系密切,其中人们生活收入水平与耕地面积成负相关,而农业产量与耕地面积呈正相关,表明经济的发展以及人们生活水平提高导致的非农用地量增加以及农业用地内部的结构调整是中国北方13省耕地变化的重要原因。     

Spatial Patterns in Surface Energy Balance Components Derived from Remotely Sensed Data

A relatively simple modeling approach for estimating spatially distributed surface energy fluxes was applied to two small watersheds, one in a semi‐arid climate region and one in a sub‐humid region. This approach utilized a combination of ground‐based meteorological data and remotely sensed data to estimate ‘instantaneous’ surface energy fluxes at the time of the satellite or aircraft overpasses. The spatial resolution in the watershed grid cells, which was on the order of 100‐400 km, was selected to be compatible with ground measurements used for validation. The model estimates of surface energy fluxes compared well with ground‐based measurements of surface flux (typically within approximately 40 Wm^?2). The model accuracy may be slightly less for bare soil surfaces due to an overestimation of the soil heat flux. In addition to demonstrating the feasibility of computing spatially distributed values of surface energy fluxes, these maps were used to qualitatively infer the dominant factors controlling the energy fluxes for the time period shortly following precipitation events in the basins. For the semi‐arid watershed, values of sensible heat flux varied considerably over the watershed and displayed a pattern very similar to that of the spatially variable cumulative precipitation for at least one to eight days prior to the image acquisition. Due to the large fraction of exposed bare soil in a semi‐arid ecosystem, even very small precipitation events had a strong influence on the pattern of sensible heat fluxes observed shortly after the event (less than 24 hours). For the sub‐humid watershed, the fluxes tended to be more uniform across the watershed, and were influenced by a combination of precipitation total and land cover type.     

基于MODIS数据的2001—2018年中国耕地复种指数反演研究

耕地复种指数的持续稳定关乎国家粮食安全战略,实时高效地获取复种指数时空演变的详细过程信息具有重要意义。论文基于2001—2018年500 m分辨率的MODIS09A1影像数据,利用小波谱顶点的快速自动检测方法获取了全国复种指数的时空分布图,并采用Mann-Kendall检验、启发式分割算法等方法开展了全国复种指数变化形式的时空演变规律及驱动机制研究。结果表明：全国耕地复种指数稳中有升,复种指数均值从2001年的1.14上升至2018年的1.30。全国6%的耕地面积复种指数发生显著变化(约13.5万km²),相当于一个安徽省的面积。复种指数增加面积约占变化面积的2/3,复种指数下降面积约占变化面积的1/3。其中,复种指数增加的面积主要来源于黄土高原区、甘新区的休耕转为单季以及黄淮海区单季转双季,且集中在2004—2013年。2013年至今,全国复种指数仍呈增加趋势,黄淮海区单季转双季的面积保持持续增加是重要的影响因素。复种指数下降的面积主要来源于2009—2013年长江中下游平原区的双季转单季。保持黄土高原区、甘新区的耕地有效种植面积以及黄淮区耕地的双季种植面积,适当抑制长江中下游地区耕地复种指数的下降态势,对于稳定耕地复种指数、确保粮食安全具有重要意义。     

Monitoring Growth in Rapidly Urbanizing Areas Using Remotely Sensed Data

Urbanization and the ability to manage for a sustainable future present numerous challenges for geographers and planners in metropolitan regions. Remotely sensed data are inherently suited to provide information on urban land cover characteristics, and their change over time, at various spatial and temporal scales. Data models for establishing the range of urban land cover types and their biophysical composition (vegetation, soil, and impervious surfaces) are integrated to provide a hierarchical approach to classifying land cover within urban environments. These data also provide an essential component for current simulation models of urban growth patterns, as both calibration and validation data. The first stages of the approach have been applied to examine urban growth between 1988 and 1995 for a rapidly developing area in southeast Queensland, Australia. Landsat Thematic Mapper image data provided accurate (83% adjusted overall accuracy) classification of broad land cover types and their change over time. The combination of commonly available remotely sensed data, image processing methods, and emerging urban growth models highlights an important application for current and next generation moderate spatial resolution image data in studies of urban environments.     

Monitoring Growth in Rapidly Urbanizing Areas Using Remotely Sensed Data

Urbanization and the ability to manage for a sustainable future present numerous challenges for geographers and planners in metropolitan regions. Remotely sensed data are inherently suited to provide information on urban land cover characteristics, and their change over time, at various spatial and temporal scales. Data models for establishing the range of urban land cover types and their biophysical composition (vegetation, soil, and impervious surfaces) are integrated to provide a hierarchical approach to classifying land cover within urban environments. These data also provide an essential component for current simulation models of urban growth patterns, as both calibration and validation data. The first stages of the approach have been applied to examine urban growth between 1988 and 1995 for a rapidly developing area in southeast Queensland, Australia. Landsat Thematic Mapper image data provided accurate (83% adjusted overall accuracy) classification of broad land cover types and their change over time. The combination of commonly available remotely sensed data, image processing methods, and emerging urban growth models highlights an important application for current and next generation moderate spatial resolution image data in studies of urban environments.     

基于无人机可见光遥感影像的救灾帐篷信息提取

在分析救灾帐篷的光谱和形状特征基础上,将基于像元和面向对象分类方法相结合,提出一种针对无人机可见光遥感影像的救灾帐篷信息提取方法。首先基于帐篷初始样本在三维光谱空间中的范围对图像进行快速二值化初分类,通过聚类与尺寸滤波消除噪声图斑对后续信息提取的影响;然后引入不同结构模板的邻域分析和形态学方法还原对象空间形状,针对遥感影像的第一主成分,提取分割对象的光谱均值、局部二值模式对比度(LBP Contrast)均值、长轴长等特征;最后利用基于径向基函数(RBF)的支持向量机(SVM)分类方法完整提取救灾帐篷。以灾后常用的0.2m无人机可见光遥感影像为例的实验结果表明,救灾帐篷识别率高达95.5%。该方法运算效率高,克服了蓬顶内部异质性和相似物的影响,对于利用无人机可见光遥感影像开展救灾帐篷的检测与分析具有参考价值。     

Spatiotemporal changes of cropping structure in China during 1980-2011

Understanding the spatial and temporal variations of cropping systems is very important for agricultural policymaking and food security assessment, and can provide a basis for national policies regarding cropping systems adjustment and agricultural adaptation to climate change. With rapid development of society and the economy, China’s cropping structure has profoundly changed since the reform and opening up in 1978, but there has been no systematic investigation of the pattern, process and characteristics of these changes. In view of this, a crop area database for China was acquired and compiled at the county level for the period 1980-2011, and linear regression and spatial analysis were employed to investigate the cropping structure type and cropping proportion changes at the national level. This research had three main findings: (1) China’s cropping structure has undergone significant changes since 2002; the richness of cropping structure types has increased significantly and a diversified-type structure has gradually replaced the single types. The single-crop types—dominated by rice, wheat or maize—declined, affected by the combination of these three major food crops in mixed plantings and conversion of some of their planting area to other crops. (2) In the top 10 types, 82.7% of the county-level cropping structure was rice, wheat, maize and their combinations in 1980; however, this proportion decreased to 50.7% in 2011, indicating an adjustment period of China’s cropping structure. Spatial analysis showed that 63.8% of China’s counties adjusted their cropping structure, with the general change toward reducing the main food types and increasing fruits and vegetables during 1980-2011. (3) At the national level, the grain-planting pattern dominated by rice shifted to coexistence of rice, wheat and maize during this period. There were significant decreasing trends for 47% of rice, 61% of wheat and 29.6% of maize cropping counties. The pattern of maize cropping had the most significant change, with the maize proportion decreasing in the zone from northeastern to southwestern China during this period. Cities and their surroundings were hotspots for cropping structural adjustment. Urbanization has significantly changed cropping structure, with most of these regions showing rapid increases in the proportion of fruit and vegetables. Our research suggests that the policy of cropping structural adjustment needs to consider geographical characteristics and spatial planning of cropping systems. In this way, the future direction of cropping structural adjustment will be appropriate and scientifically based, such as where there is a need to maintain or increase rice and wheat cropping, increase soybean and decrease maize, and increase the supply of fruit and vegetables.     

Spatial and temporal variations of coastlines in northern China (2000-2012)

This study examined the spatial distribution of the continent coastline in northern China using remote sensing and GIS techniques, and calculated the fractal dimension of the coastline by box-counting method, with a time span from 2000 to 2012. Moreover, we analyzed the characteristics of spatial-temporal changes in the coastline's length and fractal dimension, the relationship between the length change and fractal dimension change, and the driving forces of coastline changes in northern China. During the research period, the coastline of the study area increased by 637.95 km, at a rate of 53.16 km per year. On the regional level, the most significant change in coastline length was observed in Tianjin and Hebei. Temporally, the northern China coastline grew faster after 2008. The most dramatic growth was found between 2010 and 2011, with an increasing rate of 2.49% per year. The fractal dimension of the coastline in northern China was increasing during the research period, and the most dramatic increase occurred in Bohai Rim. There is a strong-positive linear relationship between the historical coastline length and fractal dimension (the correlation coefficient was 0.9962). Through statistical analysis of a large number of local coastline changes, it can be found that the increase (or decrease) of local coastline length will, in most cases, lead to the increase (or decrease) of the whole coastline fractal dimension. Civil-coastal engineering construction was the most important factor driving the coastline change in northern China. Port construction, fisheries facilities and salt factories were the top three construction activities. Compared to human activities, the influence of natural processes such as estuarine deposit and erosion were relatively small.     

基于矩匹配算法的山区影像地形辐射校正方法研究

针对山区遥感影像地形辐射校正问题,应用现有模型(如C校正)进行地形辐射校正很难达到理想效果。引入矩匹配算法,利用DEM数据计算坡度、坡向等地形信息,以特定坡度和坡向数据为参考依据,对影像进行地形辐射校正。通过北京房山区SPOT5影像进行试验,表明该方法能在很大程度上消除地形阴影,更好地反映阴影区域的细节信息,同时光谱特性保真程度较好,原模糊的影像区域通过处理基本上达到有效识别地物的要求。     

被动微波遥感数据反演地表温度研究进展

被动微波遥感具有穿透云层( 甚至雨区) 获取地表辐射信息的能力, 在处理云的问题上, 明 显优于可见光、红外遥感, 可更好地服务于相关领域研究。由于微波信号受多种因素的影响, 目前 被动微波反演地表温度的算法还不成熟。根据建模手段和方法的不同, 从经验反演模型和物理反 演模型两方面入手, 系统回顾国内外被动微波数据反演地表温度的算法并加以评述, 指出今后应 加强尺度转换、物理机理以及多数据源结合方面的研究。     

2015—2020年中国土地利用变化遥感制图及时空特征分析

持续地开展国家尺度土地利用/覆盖变化遥感监测对于新时代国土空间规划和“美丽中国”蓝图绘制具有重要的科学价值。本文采用Landsat 8 OLI、GF-2等卫星遥感数据,融合遥感大数据云计算和专家知识辅助人机交互解译方法,研发了中国土地利用变化（2015—2020年）和2020年土地利用现状矢量数据（CLUD 2020）,建立了完整的30 a（20世纪80年代末—2020年）每隔5 a的30 m分辨率中国土地利用动态数据库。基于CLUD 2020数据,从全国和区域两个尺度揭示了2015—2020年中国土地利用变化的总体规律、区域分异和主要特征。研究表明：将遥感大数据云计算生成的30 m分辨率植被覆盖变化和地表类型变化检测信息融入到人机交互遥感解译方法,可有效地提高大范围土地利用变化遥感制图的效率和变化图斑辨识的准确性;精度评价表明,CLUD 2020一级类型制图的综合精度达95%。总体上,全国范围内国土空间开发强度与2010—2015年比较进入相对稳定状态。期间全国耕地面积仍保持减少态势,空间分异特征为耕地南减北增,东北松嫩平原及其与三江平原交界区大规模的旱地向水田转移,西北新疆南部开垦和北部退耕/撂荒并存;全国城乡建设用地持续增加,空间分异特征表现为由以往的沿海地区和超大、大城市集聚转向中西部地区的大中小城镇周边蔓延为主。全国范围的林草自然生态用地面积持续减少,但强度与2010—2015年比较有所下降;受气候变化的持续影响,青藏高原地区的河流湖泊等水域面积显著增加。以上土地利用变化格局与“十三五”期间国家高质量发展、生态文明建设宏观战略和气候变化的影响密切相关。