CNN影像输入尺寸和分辨率对川西针叶林植被分类精度的影响

川西亚高山针叶林位于中国西南地区,受多云、多雨、多雾的影响,难以通过卫星影像进行植被分类的研究。为了解决这一难题,本研究选取川西亚高山针叶林的典型区域王朗自然保护区作为研究区,使用多旋翼无人机获取研究区域北部高分辨率RGB影像,结合卷积神经网络进行植被分类;为进一步挖掘卷积神经网络在无人机遥感影像上的潜力,选择语义分割方法 （U-Net）进行分类,并根据不同分辨率的无人机影像和不同尺寸下的样本集构建植被分类模型,建立森林指纹库。结果表明：（1）结合无人机可见光影像和CNN模型进行分类能够获得高精度分类结果。在空间分辨率为5 cm,尺寸为256×256像素的情况下达到最优,总体精度为93.21%,Kappa系数为0.90;(2)选择合适的尺寸大小能够提高模型的分类精度。在5 cm的空间分辨率下,尺寸为128×128像素的模型总体精度为82.30%,Kappa系数为0.76;尺寸为256×256像素的模型总体精度为93.21%,Kappa系数为0.90;(3)超高空间分辨率的升高对模型精度的提升是有限的。当空间分辨率从10 cm升到5 cm时,模型的总体精度提高了0.02,Kappa系数提...     

中国陆地生态系统总初级生产力VPM遥感模型估算

陆地生态系统总初级生产力(Gross Primary Productivity,简称GPP)时空格局及其变化动态的准确监测是区域碳收支研究的核心问题之一,遥感模型正在为区域碳通量监测提供更为实时、准确的模拟数据。基于中分辨率成像光谱仪(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer,简称MODIS)遥感数据和涡度相关碳通量观测数据发展而来的VPM模型经过10年的努力,目前已经在全球涵盖十类生态系统的21个站点上开展模型的校验与验证研究,为区域GPP的准确估算与监测奠定了方法基础。本研究构建了评估GPP区域格局的VPM模型区域模式,以空间分辨率500m、时间步长8天的MODIS卫星影像数据以及相同时空分辨率的温度与光合有效辐射数据为模型输入数据,模拟估算我国2006~2008年GPP及其空间分布格局。VPM模型模拟的中国陆地生态系统GPP年总量平均值为5.0Pg C/a,其中森林、草地、农田和灌丛生态系统分别占34%,17%,37%和12%。本研究模拟的全国GPP总量与多模型模拟的平均结果(5.40 Pg C/a)相当,但不同模型估算的各类生态系统GPP存在较大差异。本研究通过利用遥感数据对VPM模型中的关键参数(最大光能利用率)进行参数空间化,表达同一土地覆被类型内部光能利用率的空间异质性;应用目前我国准确性最为可靠的土地利用与植被数据提取土地覆被数据,首次将农业多熟种植作为单独的植被类型引入模型中,模型参数与输入数据的精度保障了模型模拟结果的可靠性。     

基于PnET-CN模型的亚热带人工针叶林生产力与固碳潜力模拟研究

A generalized, lumped-parameter ecological model PnET-CN was calibrated and validated for a subtropical coniferous plantation in southern China. PnET-CN model describes the biogeochemical cycles of carbon (C) and nitrogen (N) and can assist in estimating carbon sequestration potential. For validation of PnET-CN, data from coniferous forest plantations in southern China was used. Simulated daily gross primary productivity (GPP) from 2005 to 2007 agreed well with observations (R2=0.56, S.D.=0.009). Simulations of monthly soil res-piration (Rs) from 2005-2007 agreed well with Rs observations (R2=0.67, S.D. =0.03). Simu-lated annual net primary productivity (NPP) from 1998-2006 was 803 33 gCm 2a 1, about 4% higher than NPP observation (752 51 gCm 2a 1). Simulations of annual NEP from 2005 2007 only overestimate 9 gCm 2a 1 (4%), 4 gCm 2a 1 (1%) and 34 gCm 2a 1 (8%) compared to NEP observations, respectively. Simulated annual foliar N concentration (FolNCon) (1.09%) is 10% lower than observed monthly FolNCon (0.87%-1.58%). Simulated annual N leaching (0.26 gNm 2) is about 10% lower than leaching observation (0.29 gNm 2). PnET-CN model valida-tion indicates that PnET-CN is capable to simulate daily GPP, annual NPP, annual NEP, monthly Rs, annual FolNCon and annual nitrate N leaching for subtropical coniferous planta-tions in southern China. The results obtained from the validation test revealed that PnET-CN model can be used to simulate carbon sequestration of planted coniferous forests in southern China to a high level of precision. Sensitivity analysis suggests that great care should be taken in developing generalizations as to how forests will respond to a changing climate. PnET-CN performed satisfactorily in comparison to other models that have already been calibrated and validated in coniferous planted subtropical forests in China. Based on PnET-CN validation and its comparison to other models, future improvement of PnET-CN should focus on seasonal foliar N dynamics and the effects of water stress on autotrophic respirations in subtropical coniferous plantations in southern China.     

1990~2000年中国土壤碳氮蓄积量与土地利用变化

基于2473个土壤剖面资料和1980年代末~1990年代末陆地卫星TM影像分析中国1990~2000年林地、草地、耕地之间的土地利用变化对土壤碳氮蓄积量的影响。IPCC建议的国家温室气体清单方法计算表明从1990~2000年中国林地、草地、耕地土壤 (30 cm) 有机碳氮库分别损失了77.6±35.2 TgC (1Tg = 10⁶ t) 和5.6±2.6 TgN,年均损失约7.76 TgC/yr和0.56 TgN/yr,其中耕地土壤碳库分别增加了79.0±7.7 TgC 和9.0±0.7 TgN,草地土壤碳氮蓄积量分别损失了100.7±25.9 TgC和9.8±2.2 TgN,林地土壤碳氮蓄积量分别损失了55.9±17.0 TgC和4.9±1.1 TgN。同时根据中国6大行政区林地、耕地和草地之间的相互转换面积、土壤有机碳氮密度的变化率进行估算,表明土壤 (30 cm和100 cm) 有机碳氮蓄积量分别损失了53.7 TgC、5.1 TgN和99.5 TgC 、9.4 TgN。由于中国不同地区土地利用变化的空间格局差异显著,从而导致东北地区土壤碳氮蓄积量变化较大,而华东地区变化较小。     

基于遥感指数的中国南亚热带常绿林光合作用季节动态变化研究（英文）

准确监测中国南亚热带常绿林生态系统光合作用动态变化对全球陆地生态系统碳吸收估计及其对气候变化的响应至关重要。涡动协方差技术一直被认为是评估生态系统碳通量最直接的方法,虽然具有较高的时间分辨率,但在空间上有其自身的局限性。近10年,光谱观测和卫星遥感技术在植被生产力监测方面的应用大大提高了对碳通量的时空评估能力。本研究基于长时间序列光谱观测数据,提取叶绿素荧光指数(FRI)和光化学植被指数(PRI),进而评价两个生理遥感指数跟踪亚热带常绿林光合作用季节动态变化的能力。结果表明,传统NDVI指数受光照条件影响较大(R^2=0.88,p<0.001),并呈现出饱和现象,而FRI和PRI指数则能较好地跟踪植物光和功能季节性变化,且在季节尺度上两者受光照条件的影响相对较弱(FRI指数R^2=0.13;PRI指数R^2=0.51);相比PRI指数与光能利用效率(LUE)在午间具有较强的相关性,FRI指数与GPP的相关性则在早上优于午间时段;而这两种相关关系均在植被衰退季优于植被生长季。另外,通过考虑光合有效辐射因子,基于FRI指数监测GPP的能力得到显著提高,R 2从0.22提高到0.69,呈显著正相关关系(p<0.001);同时,在植被衰退季也呈现出更强的相关性(R^2=0.79,p<0.001)。研究成果表明,FRI和PRI两个生理遥感指数能够准确地监测亚热带常绿林光合作用季节动态变化,建议把其引入碳循环模型中以改进区域碳收支估计。     

陆地生态系统碳循环及其机理研究的地球信息科学方法初探

针对陆地生态系统碳汇/源的时空格局、碳循环过程的驱动机制及未来情景等前沿科学问题,提出陆地碳循环研究的地球信息科学方法,采用陆地生态系统碳通量/储量与碳循环过程的综合网络观测、生物过程的适应性实验研究以及河流碳输运过程研究为支撑系统的自下而上途径、与以土地利用/土地覆被变化和对地观测数据生态参量反演为基础的自上而下研究途径、经相互验证和尺度转换模型实现有机结合的研究方法,开展综合观测、调查、比对分析、模拟和评价研究,把握陆地生态系统碳循环的格局与过程规律,辨析自然和人为因素对陆地生态系统碳循环过程的影响,探讨全球气候变化条件下陆地生态系统碳循环过程的演变趋势。     

碳同位素技术在土壤碳循环研究中的应用

碳在土壤中的储量和存储时间是陆地生态系统碳库中最大和最长的,而土地利用方式会影响到土壤碳储量及其循环周期,因此有效的土地利用管理可使土壤成为一个碳汇。土壤储存碳的过程就是土壤有机碳动态平衡的变化,因此认识土壤有机碳的动态变化是揭示土壤碳循环过程及其调控机制的重要方面。首先介绍了碳的一种稳定性同位素(13C)和放射性同位素(14C)在生态系统长期动态过程的重建(如C3/C4植被的历史格局)、土壤有机碳周转周期等方面的应用,探讨了同位素示踪技术在土壤有机碳来源、周转周期、土壤CO2通量的变化和组分区分、同位素富集等研究领域的应用,归纳了土壤碳循环研究中的基本问题,提出了未来土壤碳循环同位素示踪的主要研究方向。     

中国亚热带地区造林对土壤碳周转的影响

Afforestation in China’s subtropics plays an important role in sequestering CO2 from the atmosphere and in storage of soil carbon (C). Compared with natural forests,plantation forests have lower soil organic carbon (SOC) content and great potential to store more C. To better evaluate the effects of afforestation on soil C turnover,we investigated SOC and its stable C isotope (δ13C) composition in three planted forests at Qianyanzhou Ecological Experimental Station in southern China. Litter and soil samples were collected and analyzed for total organic C,δ13C and total nitrogen. Similarly to the vertical distribution of SOC in natural forests,SOC concentrations decrease exponentially with depth. The land cover type (grassland) before plantation had a significant influence on the vertical distribution of SOC. The SOC ?13C composition of the upper soil layer of two plantation forests has been mainly affected by the grass biomass 13C composition. Soil profiles with a change in photosynthetic pathway had a more complex 13C isotope composition distribution. During the 20 years after plantation establishment,the soil organic matter sources influenced both the δ13C distribution with depth,and C replacement. The upper soil layer SOC turnover in masson pine (a mean 34% of replacement in the 10 cm after 20 years) was more than twice as fast as that of slash pine (16% of replacement) under subtropical conditions. The results demonstrate that masson pine and slash pine plantations cannot rapidly sequester SOC into long-term storage pools in subtropical China.     

中国区域土壤水蚀碳量空间分布及其时间动态

本文利用三次全国土壤侵蚀遥感普查数据和第二次土壤普查土壤有机碳和无机碳密度数据,分析了我国土壤水蚀碳量的空间分布及其时间动态。研究结果表明：我国土壤水蚀碳量为74.61Tg C y^-1,其中有机碳量51.49Tg C y^-1,无机碳量23.12Tg C y^-1。在七大水土流失区中,水蚀有机碳量最多的是西南岩溶区,占总水蚀有机碳量的26.48%;水蚀无机碳量最多的是黄土高原区,占总水蚀无机碳量的67.62%。前者以中度水蚀为主,后者以极强度和强度水蚀为主。80年代中期至90年代中期,我国土壤水蚀碳量共减少了11.66Tg C y^-1,以有机碳迁移量减少为主,占总减少量的81.93%;90年代中期至21世纪初,土壤水蚀碳量依然呈下降趋势,共减少了1.65Tg C y^-1,其中,有机碳迁移量减少了1.514Tg C y^-1,无机碳迁移量减少了0.134Tg C y^-1。     

关于用非稳定流抽水试验确定水文地质参数时出现偏离问题的研究

本文以应用微机计算的大量抽水试验实际资料成果为基础,通过分析研究揭示了造成非稳定流水文地质参数计算偏离的四个方面因素。文章内的立论观点,既有计算实例说明,又有理论分析,尤其对一直不为人们所注意的水位降深值的定向性误差在计算中对误差的放大与缩小作用进行了充分的理论论证。