全球陆表特征参量产品生成系统与产品生产

863计划重点项目"全球陆表特征参量产品生成与应用研究"第三课题"全球陆表特征参量产品集生成系统研发与产品生成"针对叶面积指数、反照率、发射率、下行短波辐射和下行光合有效辐射5个典型陆表特征参量,发展基于多源遥感数据的、具有国际先进水平的全球陆表特征参量产品反演算法。建立具有我国自主知识产权的,生产全球公里级尺度产品的生产系统,该系统能够进行快速处理得到符合质量要求的典型参量产品。生成一套长时间序列、高精度的全球陆表特征参量产品数据集,包含迄今为止时间尺度最长的叶面积指数、地表反照率和发射率产品,也包含空间分辨率最高的两种辐射产品。生产的5种陆表特征参量是反映地表植被状况和地表能量收支变化的重要参数,是中国科学家自主生产的首套全球陆表特征参量产品,弥补了我国该领域内的空白,将直接服务于全球变化研究,提升气候系统模拟的准确性,扩大我国在全球变化领域的影响力,促进全球地球观测数据共享。     

全球多源对地观测数据集成研究

"全球多源对地观测数据集成研究"收集了1981年以来全球10多种卫星原始数据、6种卫星高级数据产品、气象生态台站网络和各种地面观测数据,并在此基础上对所收集的数据进行整理和格式转换,该题经统计、收集、整理和汇编总量近600TB的卫星遥感数据。采用时间序列方法,辅以时空先验知识和时空连续性,实现全球多年MODIS和AVHRR地表反射率数据云雪监测和时空滤波,生成多年时空连续的高质量地表反射率数据。针对全球陆表特征参量产品生产的原始数据、预处理数据、中间产品数据和产品数据,客观地进行数据的分级和编目,构建全球陆表特征参量数据集成平台,实现数据全生产链路有效性检测和数据完整性检测。建立陆表特征参量产品在线分发服务系统,并于2012年12月22日在地球观测组织(Group on Earth Observations,GEO)第9次全会上面向全球用户公开发布。同时通过北京师范大学全球变化与数据处理中心和美国马里兰大学的Global Land Cover Facility向全球用户提供免费的数据查询、检索和下载服务。     

多尺度遥感数据按需快速处理与定量遥感产品生成关键技术2013年度报告

该课题重点解决全球陆表综合观测多源遥感协同反演与多尺度定量遥感产品生成的重大关键技术,建立全球陆表综合观测的定量遥感产品技术体系,集成开发新一代全球综合观测陆表定量遥感产品生产原型系统,形成全球高精度、多尺度共性定量遥感产品生产能力,推动共性定量遥感产品在我国矿产、森林、水、粮食等资源环境监测的应用,为实现全球资源环境遥感监测的业务运行服务提供技术支撑。在全体人员的共同努力下,今年该课题在以下几个方面取得了重大进展:(1)初步建立了共性定量产品生产技术体系,包括共性产品的生产技术体系、共性定量遥感产品生产技术标准规范、制定了多尺度数据的全球剖分标准等;(2)多源多尺度遥感数据归一化处理关键技术取得突破,发展了中高和中低两个不同尺度上的几何、辐射归一化技术,发展了多种数据的光谱归一化技术,发展了中高分辨率数据大气校正技术等;(3)多源遥感协同高精度定量反演关键技术攻关取得突破,确定了几类共性定量产品的卫星数据组网方案,在辐射收支、植被结构与生长状态、水热通量、冰雪参数等方面都取得了关键技术突破,形成了部分产品的软件模块;(4)初步搭建了共性定量遥感产品生产原型系统软硬件环境,完成了中高分辨率遥感数据的归一化处理技术集成,完成了数据库分系统、运管分系统的研发,完成了30 m分辨率共性定量遥感产品生产算法的集成,形成了中高分辨率数据处理能力与30 m分辨率共性定量遥感产品的生产能力;(5)共性产品试生产与应用示范:利用该课题研发的算法为应用课题生产了部分共性定量遥感产品,并在鄱阳湖地区开展了初步的应用示范;(6)在国内外学术期刊上发表了27篇论文,其中SCI论文10篇,申请了国内发明专利5项。     

武汉市植被物候变化规律及影响因素分析

植被物候作为植被生长响应气候变化的指示器,对于研究气候变化以及城市化进程具有重要意义.城市内部植被通常分布破碎,因此公里级的低分辨率遥感影像难以实现植被的精细识别与分析,而十米级空间分辨率的遥感数据在时间分辨率方面又难以满足物候分析的要求.为此,该文基于遥感数据时空融合技术,缓解高时间分辨率与高空间分辨率之间的矛盾,进行城市植被物候变化规律的分析.基于非局部滤波融合方法,生成武汉市空间分辨率30 m、时间分辨率8 d的地表反射率及EVI(增强型植被指数)序列,进一步采用移动加权谐波分析方法对EVI序列进行重建,并通过动态阈值方法提取2006年～2014年武汉市植被物候信息.实验结果表明：1) 武汉市植被由中心向郊区呈现生长期开始时间(SOS)逐渐推迟、结束时间(EOS)逐渐提前、生长期长度(LOS)逐渐延长的空间分布规律,且整体呈现出SOS提前、EOS推迟、LOS延长的时间变化趋势;2) 植被物候和平均气温相关性并不显著,但EOS和LOS受气温年平均日较差影响显著,气温年平均日较差每增加1℃,EOS推迟约12 d,LOS延长约16 d,降水主要影响SOS和LOS,平均降水量每升高100 mm,SOS提前约5 d,LOS延长约9 d.     

全球陆表特征参量数据产品生成技术

该研究2014年开展了一系统工作,分别包括数据收集、制定规范、算法研发、系统集成、产品试生产和同化应用等几方面。在数据收集方面,共收集了12种卫星原始数据产品、辐射能量观测数据以及再分析产品,共收集数据量超过700TB。在算法研发方面,总体上完成了12个GLASS产品的算法发展。基于收集的已有反照率产品重新统计了全球反照率背景场,把背景场的空间分辨率从原先的5km提高到1km;实现了植被覆盖区域宽波度发射率算法发展;针对AVHRR和MODIS数据,地表温度算法发展了各自的分裂窗算法;发展了基于混合算法的全球晴空上行长波辐射反演算法;净辐射产品的算法已完成算法收集、研发、验证及产品试生产等各项任务;FVC产品算法的总体思路为在全球高空间分辨率植被覆盖度样本数据建设的基础上,训练和检验神经网络算法,最终形成FVC产品生产算法;ET算法采用五种传统的地表潜热通量算法,根据收集的全球陆表300多通量观测数据,采用贝叶斯模型平均方法融合这五种算法,最终形成潜热通量产品生产算法;采用贝叶斯多算法集成方法,集合目前国际上应用广泛的8个光能利用率模型,最终形成GPP产品生产算法。在系统集成方面,对算法进行程序化与系统化,并集成到高性能生产系统。在产品试生产方面,初步完成12个产品试生产与初步验证。在同化应用方面,发展了多源陆面遥感产品的数据同化方法,基于我们生成的遥感数据产品,探讨了北方水循环问题,提高了模型的预报能力。     

土地利用/覆被的剧烈变化对深圳市气温的影响

基于Landsat遥感影像解译得到1986年和2011年深圳市土地利用/覆被数据,采用中尺度气候模式WRF/UCM,在较高分辨率的地形资料和城市冠层参数支持下,将两个时期的土地利用/覆被作为模式强迫参量,分别进行两组数值模拟试验。将模拟结果与自动气象站点观测数据进行对比和验证,发现WRF模式能够较准确地反映深圳市月平均气温西高东低的空间分布特征。1986—2011年,深圳市在快速城市化进程中发生大规模的土地利用/覆被变化,引起近地表气温整体上呈现增高趋势。其中,7月增温幅度(0.91℃)普遍大于1月(0.42℃),各种自然植被覆盖型用地转变成城镇建设用地的升温幅度大多为0.70~1.57℃。主要原因是城镇建设用地扩张导致地表反照率减小,净辐射和感热通量增加,潜热交换变弱。     

卫星遥感植被地表温度空间特征的再认识

卫星遥感在监测陆面环境状况和估算陆面变量等领域有不可替代的优势,而卫星遥感估算的地表温度和植被指数产品在土壤墒情和干旱监测等方面有广泛的应用,该研究利用在不同时间尺度、空间尺度和不同土地覆盖类型上的植被指数和地表温度卫星遥感数据产品,分析了植被-地表温度空间中的散点分布形态特征.结果表明:在植被-地表温度空间中的散点分布形态受陆面多种因素影响,将其简化为三角形或梯形有失客观性,以此为基础,提出确定植被-地表温度空间中干边和湿边数值的方法.     

近10a新疆乌苏植被覆盖对气候变化的响应

基于MODIS-NDVI遥感数据反演新疆乌苏地区2001～2013年植被覆盖的空间格局和变化规律;并结合研究区同期降水量和气温数据,分析了乌苏天山森林生态区、东南部草原生态区和西北部荒漠生态区植被的年际变化和季节变化对气候变化的响应.结果表明:①从年际变化上看,乌苏13 a间NDVI呈现缓慢降低趋势,平均NDVI达到了0.163;乌苏东北部及天山北坡部分NDVI较高,西北荒漠地带和中部精河、车排字、克拉玛依一线较低,空间分布呈现南北两极分化;(②年内变化,乌苏NDVI变化曲线呈现单峰型,7～8月达到最高,10月至翌年2月植物枯黄NDVI逐渐降低;③在年际水平上,乌苏植被覆盖与气温降水的相关性不高.但在年内水平上,气候因子对植被生长的影响作用明显,气温与月均NDVI通过0.01的显著性检验,达到0.964.说明年内植被生长更依赖于水热组合的作用,而且温度是影响植物生长最直接的因素之一.     

基于NDVI的贵州省植被覆盖时空特征分析

利用2001—2018年的500 m分辨率的MOD13A1数据,计算每个像元的NDVI的变化趋势,并采用线性趋势分析法和相关性分析法,分析贵州省植被覆盖面积在18年间的时空变化特征;结合2001—2018年植被的降水利用效率与2010、2017年2期土地覆盖数据,研究不同土地覆盖类型的NDVI的特征. 研究结果表明:(1) 2001—2018年,贵州省的植被覆盖面积总体呈增加趋势,表明生态环境得以明显改善,以毕节、六盘水市最为显著;(2)从植被覆盖面积变化趋势来看,贵州省的植被改善区域大于退化区域,植被退化区主要集中在城镇扩张区;(3)贵州省的整体植被降水利用效率与植被覆盖面积的变化趋势不具有一致性;(4)贵州省的NDVI与同期降雨量、气温均呈现良好的相关性,而植被生长对气温变化不存在明显滞后性、对降雨量变化的滞后期为1个月,即植被生长对气温的敏感性高于降雨量;(5)在植被生长季,不同土地覆盖类型的NDVI具有不同的特征: NDVI(林地)>NDVI(耕地)>NDVI(草地)>NDVI(建设用地)>NDVI(水体).     

陕北黄土高原植被动态变化及其对气候因子的响应

为了研究退耕还林还草工程实施后期,陕北黄土高原地区地表植被变化特征及气候因子对植被变化的影响,采用MODIS NDVI数据,通过像元二分法计算植被覆盖度,结合相关气象站点监测数据,利用线性回归分析、相关系数及显著性检验法,分析了陕北黄土高原植被覆盖度时空变化趋势及其对气温、降水因子的响应。结果表明:研究区植被覆盖度空间分布差异显著,由北向南植被覆盖度由低向高过渡明显,2009—2016年植被覆盖等级的空间转移变化主要发生在北部和中部地区,表现出由中低植被覆盖向中等植被覆盖转移、中等植被覆盖向中高植被覆盖转移的态势。2009—2016年研究区植被覆盖度年际变化速率较小,整体呈平缓增加趋势,中部和南部部分地区有减少趋势但变化趋势不显著。研究区内年植被覆盖度与年降水量、年平均气温的相关系数、偏相关系数均较小,相关性不显著。不同区域的植被覆盖度对气候因子的响应结果不同,在空间上正负相关性共存,研究区北部受年降水量影响较大,而中部受年平均气温影响较大。研究区植被覆盖度对气候因子的响应存在滞后性,生长季的植被生长受同月降水量和前一月平均气温的影响较大,且绝大部分地区均表现为正向相关。     

基于BEPS-Terrainlab v2.0模型鄂西犟河流域1999年—2016年蒸散发模拟分析

蒸散发在水循环中占据着重要地位,采用模型模拟法研究小流域尺度的蒸散发具有高时间、空间分辨率的优势.该文选取湖北省十堰市犟河流域为研究区,基于BEPS-Terrainlab v2.0模型,利用Landsat5-8遥感影像和气象资料等数据,以日为时间步长模拟了研究区内1999年—2016年的蒸散发.模拟结果与MODIS蒸散发产品MOD16A2进行对比,二者年内变化相关系数R2＝0.92,MODIS数据时空分辨率均低于模拟数据,但也在一定程度上验证了模拟的可靠性.模拟结果显示：时间变化上,流域内蒸散发在年内呈单峰状分布(春季156.9 mm、夏季302.5 mm、秋季133.5 mm、冬季18.5 mm);年际上呈现波动变化,有一定周期性,总体有上升趋势.空间分布上,流域内蒸散发分布植被区高于非植被区,不同植被类型蒸散发不同(阔叶>混交>针叶>农田),不同高程蒸散发也不同(500～700 m区间内最大).经过相关性分析,气温、太阳辐射对蒸散发年内变化影响较大,通过了0.01的显著性检验;叶面积指数、降水对年际变化影响较大,通过了0.05的显著性检验.     

地表参量反演与遗传自组织神经元网络联合估算子像元地表温度

在热红外遥感成像模拟中,高空间分辨率的地表温度场景可以由中、低分辨率的热红外遥感数据估算得出。基于可见光 近红外数据反演的若干地表参量和低分辨率的地表温度数据,在二者间引入遗传自组织神经元网络,建立非线性像元分解方法,最终获得高空间分辨率的地表温度场景。利用ASTER卫星产品数据对该方法进行了验证,结果表明： 对于无法直接进行高分辨率地表温度反演,或缺少大量地表先验知识情况下,该方法只需利用两组遥感数据即可估算出不同地表覆盖下子像元地表温度,方法简便易行,精度较高,为快速模拟和估算高分辨率地表温度分布提供了一条新途径。最后对方法的估算精度、适用性及应用前景进行了探讨。     

基于CLM模型的植被覆盖变化对黄土高原气温和降水的影响研究

黄土高原位于我国第二阶梯,地理环境复杂,生态环境脆弱。本文结合GIMMS/NDVI遥感数据与气象站点观测资料开展诊断分析研究,并将其与模型模拟试验相结合,通过这种方法来研究黄土高原地区植被覆盖与气温和降水之间的作用关系。研究结果表明,黄土高原地区的NDVI、气温和降水量均具有明显的季节变化特征;1982—2006年,区域滑动平均NDVI、气温和降水的线性变化斜率分别为5E-04/10a、0.061℃/10a和-0.492mm/10a;研究区域内NDVI与气温和降水的同期滑动平均相关系数分别为0.459和-0.23,且均存在较明显的空间差异。应用CLM陆面过程模型的模拟结果表明,植被覆盖增加后,植被覆盖发生变化地区的净短波辐射有所增加,净长波辐射有所减少,导致地表吸收净辐射有增加趋势;研究区域内的感热通量和潜热通量均有所增加,且潜热通量的增加更为明显,这可能对植被覆盖增加后气温的降低产生一定影响;研究区域内的土壤含水量和地表蒸散均呈增加变化,这可能导致降水增加。但是,植被覆盖增加对区域气温降低和降水增加的影响作用有限。     

青藏高原物候研究的热点和趋势——基于CiteSpace可视化分析

基于1994—2020年关于青藏高原地区植被物候的已发表文献资料，利用CiteSpace可视化技术、文献研究法等分析近27 a青藏高原地区植被物候变化趋势及影响因素，并对该地区物候研究的热点及未来的研究方向进行分析.结果表明，青藏高原地区物候研究的年发文量总体呈上升趋势，发文内容以青藏高原地区物候与气候变化之间的关系为主，遥感技术取代传统地面观测成为研究青藏高原植被物候的主要手段.近27 a青藏高原地区植被返青期呈提前趋势，枯黄期变化趋势尚无一致结论，生长季长度呈延长趋势；气温和降水为物候期变化的主导因素，暖湿条件使物候期提前，暖干条件则会不同程度推迟物候期.未来应在不同研究手段整合的基础上对青藏高原地区植被物候开展多尺度研究.     

北京地区城市化对辐射强迫的影响估算

能引起城市区域辐射强迫的因素较多,但是目前城市化引起的辐射强迫的相关研究较少.本文利用GLASS 反照率遥感数据和CERES地表短波辐射数据计算了近10年来北京地区城市化过程引起的辐射强迫,讨论了辐射强迫 的空间分布规律及数量统计特征.基于2000、2010年2期的Globeland30土地分类数据提取了城市边缘区,并结合辐射 强迫遥感数据计算了主城核心区、內缘区、各级外缘区的辐射强迫,探究了土地覆盖变化强迫因子、气候等其他强迫因子 的相对贡献大小.结果表明:近10年北京市全区域的辐射强迫为2.52 W·m-2,表现为增温效应,其中土地覆被不变区 域产生的辐射强迫为2.51W·m-2,耕地、林地是2种主要辐射强迫源;土地覆被变化区域产生的辐射强迫为2.67 W· m-2,非植被类型之间的土地覆被变化引起的平均辐射强迫为2.23W·m-2,有植被参与的土地覆被变化区域产生的辐 射强迫为2.95W·m-2;主城核心区的辐射强迫为-1.16W·m-2,表现为降温效应;辐射强迫变化与距离主城区的距离 呈先增大后减小的变化趋势.研究结果可为城市区域的辐射强迫研究提供参考,有助于了解北京市区域气候分布差异      

东亚季风区气候和生态系统相互作用的诊断和模拟研究

大气圈和生物圈的相互作用是连接地球系统中生命世界和无生命世界的重要过程之一，也是地球环境变化中一个最基本的过程。通过卫星遥感植被和地表覆盖信息与气候要素关系的诊断分析以及生态和气候模式的数值模拟，揭示了东亚季风区气候和生态系统相互作用的基本特征，包括季节、年际和长期的季风气候变化对生态系统的影响和大范围植被覆盖状况的变化对季风气候的影响。结果表明，东亚季风区与气候与生态系统相互作用最为强烈的地区之一，这里陆地生态系统的时空变率表现出明显的对季风气候的响应特征；另一方面，人类活动引起的大范围植被覆盖状况的变化可以对季风气候产生显的反馈影响，它们是叠加在季风系统自然变率之上的一种重要变化。同时，虚拟试验表明，通过有序的人类活动，因地制宜，合理利用土地资源，保护和恢复自然植被，可以产生明显的气候和环境效应。     

近10年新疆乌苏植被覆盖对气候变化的响应

基于MODIS-NDVI遥感数据反演新疆乌苏地区2001~2013年植被覆盖的空间格局和变化规律;并结合研究区同期降水量和气温数据,分析了乌苏天山森林生态区、东南部草原生态区和西北部荒漠生态区植被的年际变化和季节变化对气候变化的响应。结果表明:1从年际变化上看,乌苏13 a间NDVI呈现缓慢降低趋势,平均NDVI达到了0.163;乌苏东北部及天山北坡部分NDVI较高,西北荒漠地带和中部精河、车排字、克拉玛依一线较低,空间分布呈现南北两极分化;2年内变化,乌苏NDVI变化曲线呈现单峰型,7~8月达到最高,10月至翌年2月植物枯黄NDVI逐渐降低;3在年际水平上,乌苏植被覆盖与气温降水的相关性不高。但在年内水平上,气候因子对植被生长的影响作用明显,气温与月均NDVI通过0.01的显著性检验,达到0.964。说明年内植被生长更依赖于水热组合的作用,而且温度是影响植物生长最直接的因素之一。     

郑州市植被覆盖度动态监测与分析

植被覆盖度是用来衡量地表植被状况的重要指标之一.植被覆盖度及其变化也是区域生态环境变化的重要指标.拟基于郑州市1994年7月2日、2002年6月19日、2009年6月29号和2013年6月28日的TM/ETM+遥感影像数据,利用ENVI 5.1软件,分别采用像元二分法和监督分类法,提取郑州市植被覆盖度信息,并对比分析研究期间郑州市植被覆盖度的变化情况.从而得到郑州市植被覆盖度在研究期间的变化趋势.结果表明:郑州市植被覆盖度呈先下降后上升的变化趋势,但区域内分布不平衡;在提取植被覆盖度时,像元二分模型比监督分类法更具有优势.     

2002—2011年河北省植被LAI时空变化特征

利用2002—2011年EOS/MODIS数据的植被指数产品MOD15A2和植被类型产品MCD12Q1及气象观测资料,对比分析了7种典型植被的叶面积指数(LAI)的变化趋势,探讨了河北省植被生长季(5—10月)LAI的时空变化特征及其与气温和降水等影响因子的关系。结果表明:河北省植被生长季年均LAI变化在1.0~1.3之间,2008年最高(1.286),2002年最低(1.066);多年平均LAI的空间分布表现为位于东北部的承德地区最高(可达5.0以上),位于西北部的张家口地区最低(小于0.5);7种典型植被生长季年均LAI差异很大,LAI从高到低依次为阔叶林(2.765)、混交林(2.535)、灌丛(1.867)、稀树草原(1.476)、针叶林(1.331)、农田(1.116)和草原(0.967)。显著影响LAI变化的因子有降水、气温、地形、植被类型及其物候期等,且各因子对植被LAI的影响程度不同。     

川西高山高原过渡带植被对气候变化的响应

植被是陆地生态系统的主体,被认为是人类环境评价和监测的重要参数,利用遥感技术来监测植被生长及其对气候因子的响应成为当前全球变化研究的热点之一.川西高山高原区是我国地势最高一级的青藏高原向川西南山地和四川盆地的过渡地带,属生态环境脆弱区,对全球气候变化敏感.基于MODIS植被产品及气温、降水站点数据对2001-2010年川西高山高原过渡带的气温和降水的年际变化、NDVI的时空演变及其与气候因子的相关关系,较好的揭示了研究区的植被生长对气候因子变化的响应特点.研究结果表明:NDVI与降水量和气温均呈正相关关系.温度是春季植被生长的主要影响因素,降水量是秋季植被生长的主要影响因素.