基于无人机与机器学习的黄河源高寒草地植被覆盖度反演技术

针对高原高寒地区大面积草地植被覆盖度调查与实验过程中地面测量效率低下,遥感数据质量不佳、数量源受限与反演结果不确定等问题,在黄河源地区利用低空无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)遥感技术、统计建模与机器学习方法,开展基于可见光影像的高寒草地植被覆盖度反演与验证。结果表明:基于可见光构建的过绿指数与植被覆盖度的相关系数达0.676,比归一化差异指数高出近5.2%,具有较高的可靠性;利用过绿指数建立的高寒草地植被覆盖度统计模型中,对数模型和Gamma模型精度较高,但具有显著的地域差异性;直接利用低空无人机遥感波段值建立的机器学习模型精度显著优于各个统计模型,获得的均方根误差、估算精度、相对偏差和决定系数比统计模型中表现最优的对数模型分别提高2.68%、3.75%、7.35%和13.91%,且无需计算植被指数,在成本、效率和精度等方面具有较大的优势。     

基于GIS和遥感技术的植被覆盖度反演模型

从福建省第5次森林资源一类调查样地点中抽取落在漳浦县区域的30个样地点,运用GIS和遥感技术提取研究区植被指数(NDVI,VARIg)和地形因子作为自变量,利用三倍标准差法进行异常数据的筛选,并将定性因子量化处理,通过逐步回归分析方法构建研究区的植被盖度反演模型,对漳浦县植被覆盖度进行反演.从模外抽取26个样地点对模型进行精度验证.结果表明:所构建的反演模型的平均精度达到80.96%,对于快速、精确地实现区域植被盖度反演具有一定的指导意义.     

Landsat8数据植被覆盖度遥感反演模型研究

植被覆盖度遥感反演模型是定量的描述一定区域内植被的覆盖情况.本文主要利用Landsat8影像资源,采用优化土壤调节植被指数,依托像元二分模型建立植被覆盖度估算模型.同时利用均方根误差函数对其估算模型进行验证,直观地反应估算模型的精度.     

基于多源数据的甘南草地植被覆盖度遥感监测研究

选取甘南藏族自治州为研究区域,以2016-2017年野外实测样方盖度数据和无人机照片提取的草地植被覆盖度数据为基础,对基于像元二分模型计算的草地植被覆盖度进行精度校正,分析并探讨无人机用于野外草地植被覆盖度调查的可行性,构建基于不同遥感数据源草地植被覆盖度的回归模型,并对模型进行精度评价.结果表明,利用无人机在草地上空一定距离(25 m)获取的照片可以多时相匹配Landsat 8等中分辨率遥感影像,动态监测野外大面积草地植被覆盖度;乘幂模型对以像元二分法计算的陆地卫星-8陆地成像仪(Landsat 8 OLI)产品的草地植被覆盖度校正效果最佳,模型的估测精度高达93.60%,在进行空间小尺度研究时模型计算精度最高;对数模型对以二分法计算的MOD13Q1产品的草地植被覆盖度校正效果最佳,模型的估测精度为91.97%;用中分辨率遥感数据Landsat 8 OLI校正低分辨率MODIS模型,修正后的模型R2=0.64,比原始的中分辨率成像光谱仪(MODIS)估测模型(R2=0.23)明显提高,在进行空间大尺度研究时该模型更适应.     

目估法测量植被覆盖度的精度分析

利用自行设计的野外垂直照相装置,选择北京密云,怀柔的2个样地对植被覆盖度进行动态监测,分析目估测量植被覆盖度的精度,结果表明,个人的目估覆盖度值得不可靠,不同人一块样点的目估结果存在显著判别,个人目估最大绝对误差可达到40％,目估误差大小与目估对象的实际覆盖度大小有关,当实际覆盖很大或很小时,目估绝对误差相对较小,反之则较大,随着参与目估人数的增加,多人目估均值的绝对误差相对个人目估明显有所减少,但这种误差减少程度的变化趋势却比较缓慢,20人目估均值的绝对误差仍可达到10％以上,目估结果一般不宜用于植被覆盖动态变化的模拟分析计算。     

黄河源区高寒草原土壤对不同PGPR菌肥的响应

以黄河源区玛多县高寒草原为对象,野外原位施加不同类型根际促生菌肥(PGPR),研究高寒草原土壤w(速效氮)、w(速效磷)、w(速效钾)对不同类型菌肥的响应,草地土壤营养库活化技术,并筛选适宜菌肥.结果表明,黄河源区高寒草原土壤表层速效养分含量均随生长季呈先上升后下降的趋势. 5种菌肥处理与无菌肥CK处理相比较,土壤w(铵态氮)提升12.97%～41.18%,巨大芽孢杆菌作用最为显著(41.18%).土壤w(硝态氮)提升12.72%～37.88%,胶质芽孢杆菌作用最为显著(37.88%).土壤w(速效磷)改变-4.48%～28.77%,胶质芽孢杆菌(26.11%)和巨大/胶质/甲基营养型芽孢杆菌(28.77%)作用最为显著.土壤w(速效钾)提升2.65%～10.42%,胶质芽孢杆菌(10.42%)作用相对显著.对于自然环境严酷的高寒草原,在水热条件相对较好的时间段,土壤施加胶质芽孢杆菌菌肥可有效提升高寒草原土速效养分.     

无人机复垦区植被覆盖度提取方法优选

为探寻无人机遥感对矿业复垦区域植被指数覆盖度的快速提取方法,以四川古蔺某硫磺复垦区为研究对象,通过ZC-6型无人机获取高分辨率遥感影像,采用多种植被指数计算方法作为分类器的选择,使用直方图峰谷法、基本全局阈值法及其融合方法确定图像最佳分割阈值,从而获取研究区植被覆盖度结果.结果表明:不同植被指数分类后的结果有所差异,EXG和VDVI植被指数分类后影像界定较为清晰,而NGBDI指数分类最为模糊;单一直方图峰谷法和基本全局阈值法所得分割结果不理想,而将二者融合后的阈值确定法能结合彼此的优势,弥补灰度不明显或多峰现象的缺点;植被覆盖度(FVC)提取精度显示,基于VDVI提取的人为干预条件下FVC的绝对误差和提取误差分别达到0.0409和7.05％,而基于EXG提取的自然条件下FVC的绝对误差和提取误差分别达到0.0366和6.94％,表明利用VDVI和EXG结合B-H融合的方法可有效用于复垦区条件下的FVC提取.     

SWAT模型参数区域化在黄河源区的应用

利用多期土地覆盖数据,采用参数区域化方法,建立了SWAT模型主要参数与下垫面特征的关系。结果表明,采用下垫面变化后新的模型参数得到的径流模拟精度普遍高于人工试错法,且下垫面变化最大的年份(1995—1997年)径流模拟的Ens=0.793,R2=0.810,与人工调试结果(Ens=0.639,R2=0.641)相比,精度明显提高,模拟的径流过程更接近实测径流过程。     

青海河南高寒草地生态系统健康评价

以青海省河南县高寒草地为研究区域,从"植被状况-土壤状况-干扰状况-生态系统价值"4个方面的17个指标构建高寒草地生态系统健康评价体系(目标层A、准则层B、因子层C).利用层次分析法确定评价体系中各指标权重,最后利用综合指数法进行高寒草地生态系统健康评价.结果表明:准则层中植被和土壤状况所占权重较大,分别为0.453 4和0.298 4,在高寒草地生态系统健康评价体系中占有主要地位,其中,因子层土壤有机质、地上生物量和植被盖度权重较大,分别为0.168 2,0.164 9,0.164 9,对高寒草地生态系统健康影响显著,虫口密度、土壤碳储能力和牧草生产对草地生态系统健康影响较小,其权重分别为0.007 5,0.010 5,0.010 5.青海河南高寒草地生态系统健康状况评价较好,除样地7外皆属于健康之列.但样地3和样地5评分较低,偏向恶化.应在草地处于初级退化阶段时,积极采取保护措施.     

基于3S技术的玛曲县草地植被覆盖度变化及其驱动力

利用GIS空间统计分析、多元统计分析方法和改进的遥感二分像元估算模型估算了玛曲县高寒草地植被覆盖度。结果显示:玛曲县2000,2002,2004,2006,2008年的平均植被覆盖度依次为66.17%,56.41%,57.34%,77.38%,58.93%。玛曲县高寒草地植被覆盖度总体呈下降趋势,优等植被的退化比较严重。草地植被的演变情况主要由优等植被覆盖向劣等植被覆盖演变,进一步证实了玛曲县草地呈退化趋势。并对导致玛曲县高寒草地植被覆盖度变化的因素进行PCA分析,结果显示人为因素是导致玛曲县植被覆盖度变化的主要因素,进一步说明人类活动对玛曲高寒草地生态环境变化影响巨大。     

黄河源区气候特征及其变化分析

利用黄河源区近40年的温度、降水资料，分析了黄河源区气温与降水的时空分布特征和变化趋势。结果表明：黄河源区东北部的兴海、同德和东南部的久治县热量条件相对较好，由东向西随着纬度、尤其是随海拔的升高年平均气温逐渐下降；黄河源区年平均气温的差异很大，最暖的兴海县比最寒冷的称多县年平均气温高出6．2℃；降水年内分配集中在5～9月份，降水量占年总量的85．4％；近40年来年降水量无明显的变化趋势，但冬、春季的降水量呈明显的增多，而夏、秋季降水量呈明显的减少；气温呈明显的升高趋势，20世纪90年代比60年代年平均气温偏高0．5℃，≥0℃积温比60年代增加60～70℃，80年代以来增温主要出现在冬季和秋季。     

黄河源区湿地及邻近草甸土壤糖类含量比较

通过分析黄河源区湿地及其邻近草甸土壤糖类含量差异用于评价源区湿地的健康状态。试验采用苯酚—硫酸法测定了黄河源区不同湿地和邻近草甸0~20 cm土壤的单糖含量和0~30 cm土壤的多糖含量。结果表明:湿地土壤0~20 cm的单糖含量为20.01~133.52 mg/kg;邻近草甸土壤0~20 cm的单糖含量为35.53~120.81 mg/kg。湿地土壤0~30 cm的多糖含量为78.01~805.21 mg/kg;邻近草甸土壤0~30 cm的多糖含量为109.93~553.89 mg/kg。不同类型湿地及其邻近湿地土壤单糖含量均随土壤深度的增加而减少,而湿地和草甸同一层的差异随湿地类型而异。河流湿地和沼泽湿地土壤多糖含量高于邻近草甸的,但湖泊湿地中邻近草甸多糖含量均高于湿地土壤含量。     

黄河源区土壤饱和水力传导度的实验室测定

为了获得黄河源区的土壤饱和水力传导度,采用渗透筒法对黄河源区的10个土柱进行了土壤饱和水力传导度的实验室测定.结果表明:黄河源区土壤饱和水力传导度空间变异强烈,各土柱之间饱和水力传导度差别较大;沙性土较之黏性土更适合在实验室测定土壤饱和水力传导度.黄河源区的土壤饱和水力传导度实验室测定值需要在累积出水量达到一定的量后才更为稳定和准确.     

黄河源区不同植被类型覆盖下季节冻土冻融过程中的土壤温湿空间变化

在对不同植被覆盖度(95%,70%～80%,40%～50%和10%)下的土壤水分(θv)和土壤温度(Ts)进行日观测的基础上,研究了冻融过程中植被覆盖变化对土壤水分分布和温度的影响.土壤温度与水分关系的回归分析表明:土壤冻融过程明显受植被覆盖变化的影响,植被覆盖变化还导致土壤水分和温度的耦合变化.使用了一个土壤水分和温度的耦合模型来研究植被覆盖的影响,结果证明了这一方法的有效性.结果表明:土壤水分对土壤温度的变化范围和幅度都有影响,高盖度下的土壤比低盖度土壤持水性强.此外,在冻结过程中,由于水的热容量大于土壤的,高盖度土壤能够抑制土壤温度的降低幅度,高盖度土壤具有较好的绝热功能.对于黄河源区不同植被类型覆盖下季节冻土冻融过程中的土壤温湿空间变化研究有利于为高寒冻土地区冻土和生态环境的保护及合理利用提供科学依据.     

Response of water budget to recent climatic changes in the source region of the Yellow River

Discharge in the source region of the Yellow River significantly declined after 1990.China Meteorological Administration(CMA) data show that precipitation in this region was low in the 1990s but returned to above normal after 2002;in recent decades there has been rapid warming of surface air,moistening and wind speed decrease.To investigate the influences of recent climatic changes on the water budget,this study simulates the surface water budget at CMA stations within and surrounding the source region during 1960-2006,using an improved land surface model.Results indicate that the spatial pattern of precipitation change is an important factor(except for precipitation amount and intensity) in determining the response of runoff to precipitation changes.Low runoff in the 1990s was consistent with precipitation amount and intensity.The recovery of precipitation after 2002 is mainly from increased precipitation in the dry area of the source region.Evaporation was mainly limited by water availability in this dry area,and thus most of the precipitation increase was evaporated.By contrast,energy availability was a more important influence on evaporation in the wet area.There was more evaporation in the wet area because of rapid warming,although precipitation amount partly decreased and partly increased,contributing to the reduction of runoff after 2002.This control on evaporation and its response,together with the modified spatial pattern of precipitation,produced a water budget unfavorable for runoff generation in the source region during recent years.     

基于BCSD降尺度方法的黄河源区气候变化预测

采用BCSD降尺度方法,根据黄河源区16个气象站基准期(1961—1990年)的逐日降水量、气温,最高气温和最低气温资料,对IPCCAR4 中的20个GCM模式在A1B情景下的气象资料进行降尺度研究,并简单论证了BCSD的降尺度效果及其结果的可信性。基于降尺度分析结果,预测在A1B情景下,黄河源区温度普遍升高,增幅约为0.032 ℃／a,降水量呈现波动状微弱上升趋势,增幅约为0.50 mm／a,同时从流域空间分布上看,东南部降水和气温的增加效果显著,一定程度上可认为黄河源区东南部有暖湿化的演变趋势。     

黄河源区蒸散量变化与生态恶化的关系

利用20世纪80年代以来黄河源区水文和气象资料,分析了该区蒸散量、日照时数、气温、空气饱和差的变化趋势,并着重研究了诸因子对蒸散量的影响.结果表明,源区蒸散量呈逐年增大趋势;而作为主要影响因子的日照时数则以3.6h/a的速度增加;气温以0.04℃/a的速度递增;空气饱和差也以0.02hPa/a的速度递增.因此,可以认为,源区日照时数、气温及饱和差的增加,加剧了草地蒸散发,生态的恶化也加大了蒸散量,蒸散量的增大和降水量的减少则直接造成了源区流量的减少和生态的恶化.     

RS-based research on the relationship between vegetation development and groundwater in upper-middle reaches region of the Yellow River basin

The relationship between the groundwater and the surface eco-environment in arid area is very close. In this paper, the authors extracted normalized difference vegetation index (NDVI) and vegetation conditional ratio (VCR) from MODIS images, and analyzed the relationships among NDVI, VCR and the measured data of groundwater of the same location in the research region. Based on this, the depth of groundwater suitable for vegetation growth in the upper-middle reaches of the Yellow River basin has been calculated. The results show that the depth of groundwater suitable for vegetation growth in the research region ranges from 0.8 to 4.5m, and the optimal groundwater depth is 1.2m. The method developed in this study is applicable to research the relationship between the groundwater and land surface vegetation environment on large-scale in arid area.