利用Landsat遥感影像进行福州市地表热通量估算的研究试验

利用福州市1989年和2001年Landsat TM/ETM+遥感影像数据估算地表温度、地表反照率和植被覆盖度等地表参数,再结合气象站观测资料,估算与城市热岛密切相关的气候因子即显热通量和潜热通量.然后根据植被覆盖度对由人工建筑物和水泥道路等构成的不透水面覆盖区的潜热通量进行修正,改进了不透水面潜热通量的计算,并且探讨了地表热通量随土地覆盖变化的时空分布特征.最后对地表热通量精度进行分析和检验,论证了本研究的地表热通量估算结果是合理的.     

地表通量对模型参数的不确定性和敏感性分析

基于2007年12月22日~2009年12月31日黑河流域阿柔冻融观测站的气象驱动数据,利用通用陆面模型(Common Land Model,CoLM)模拟的地表通量结果,研究地表通量对模型参数(叶面积指数、地表反照率和植被覆盖度)的不确定性与敏感性。结果表明,叶面积指数、地表反照率和植被覆盖度对地表感热和潜热通量不同组分的影响存在较大的差异。其中,植被层的感热和潜热通量对叶面积指数的敏感性程度较高,敏感系数均达到0.7以上;与潜热通量相比,感热通量对反照率更加敏感,土壤感热、植被感热和总感热通量对反照率的敏感系数分别达到-0.96、-0.97和-0.66,而土壤潜热和总潜热通量对地表反照率的敏感系数仅为0.1左右;植被潜热通量对植被覆盖度的敏感性程度很高,敏感系数范围为0.92~0.96,而土壤感热通量对植被覆盖度最不敏感,敏感系数只有0.18左右。     

土地利用变化下北京市热通量的时空演变

探究土地利用变化对城市热通量的影响,对城市用地规划和城市热岛缓解具有重要指导意义。利用混合像元组分排序对比和分层能量切割方法,通过Landsat系列数据反演的地表参数,结合气象再分析资料,估算了2004、2009、2014和2017年4期9月份的北京市地表瞬时热通量,依据同期的北京市土地利用图,分析了北京市热通量随土地利用变化的时空演变。结果表明：①北京市地表温度和热通量分布具有明显的空间异质性,山区和平原、平原不同土地利用类型之间差异明显;②在不同时期,土地利用类型间的地表温度和热通量的高低次序具有一致性,瞬时潜热通量,林地最高,为347.85~546.95 W/m²,其次为耕地、草地,建设用地最小,为225.23~349.03 W/m²,感热通量和地表温度则相反,建筑用地最高,分别为94.06~189.28 W/m²和25.18~32.25 ℃,耕地和草地次之,水体的最低,分别为28.15~102.55 W/m²和19.25~28.38 ℃;③土地利用类型转变引起的城市热通量变化方面,自然表面转为建设用地时,潜热通量急剧减少,感热通量增加,城区周边耕地的潜热通量受城市热辐射影响而增加,城市绿地能有效缓解城市热岛效应。     

不同覆盖度下小麦农田土壤对NDVI影响模拟分析

生长于不同土壤类型背景条件下的相同长势小麦农田遥感像元尺度的归一化植被指数(NDVI)有很大差异,也一直困扰着利用NDVI进行小麦长势有效监测和精确评价。拟定小麦冠层光谱不变即小麦冠层NDVI为一常数条件下,选择反射率差异较大的我国9种典型土壤类型作为土壤背景,由小麦冠层和土壤背景的不同线性混合比模拟计算遥感像元尺度上的植被覆盖度,研究不同土壤类型背景对小麦农田NDVI信息的影响。研究结果表明:同一土壤类型背景条件下,随着植被覆盖度逐渐增加,小麦农田NDVI总体表现为增长的趋势,反之亦然;不同类型土壤背景对小麦农田NDVI造成很大差异,当植被覆盖度大于25%时,随着植被覆盖度的增加对小麦农田NDVI影响差异性逐渐减小;不同类型土壤背景也导致小麦农田NDVI对植被覆盖度的敏感性有明显差异,较低反射率土壤背景条件下的敏感性随着植被覆盖度增长呈现曲线下降的趋势,较高反射率土壤背景条件下敏感性随着植被覆盖度的增长而单调增加,为不同类型土壤背景的各小麦生长期遥感NDVI信息估算频次选择提供依据。     

土壤—植被混合地表红外辐射温度场的耦合建模方法*

目前混合地表温度场的数学模型忽略了地表内部各组分间的热通量交互,致使温度场模拟结果不够准确、真实.针对已有独立求解模型的不足,结合土壤-植被混合地表的材质组成及空间分布特点,建立温度场的耦合求解模型,通过在热平衡方程中引入组分间热通量的交互项,对土壤-植被-大气耦合的能量平衡过程进行描述.实验结果表明,利用耦合模型求解的混合地表的温度场分布和热图像特征与自然地表红外辐射特性的真实分布规律具有更好的一致性,从而验证了温度场耦合建模方法的有效性.     

基于Landsat ETM+遥感数据的组分温度反演方法研究

地表温度在干旱监测和模拟地表热通量中有重要作用。在干旱半干旱地区,双源能量平衡模型(TSEB)通常用于计算地表的热通量。以黑河中游典型灌区为研究区域,选取4个时相的Landsat-7 ETM+遥感影像,通过植被指数与TSEB模型结合的方法反演土壤表面温度和植被冠层温度,并重点讨论土壤表面温度和植被冠层温度的分解算法。结果表明:土壤表面温度和植被冠层温度具有较好的时空一致性;土壤表面温度与植被冠层温度的反演精度通过地表净辐射与地表热通量得到了间接验证。地表净辐射与地表热通量的计算值与观测值相关性好,相关系数大于0.92。地表净辐射与地表热通量的线性回归分析表明拟合精度高。通过地表温度分解的方法获得的土壤表面温度和植被冠层温度,对监测典型区域的干旱和模拟地表热通量是可行的。     

洋河流域缓坡地土壤磷素径流输出特征

坡面径流和侵蚀泥沙是磷素进入洋河水库的主要非点污染源。根据洋河流域多年的降雨特点,通过对天然降雨资料分析和人工模拟降雨,对该流域缓坡地表径流中磷素输出进行了初步的研究,结果表明:洋河流域缓坡地土壤磷素流失以颗粒态磷为主,不同土地利用方式下洋河流域缓坡地地表径流中磷含量的大小顺序为:小麦-玉米连作地>高产玉米地>低产玉米地>次生灌木林地;随着降雨强度的增加径流中颗粒态磷的含量逐渐增加,但O rtho-P的含量却下降;不同植被覆盖度下坡面地表径流中颗粒态磷和TP的含量随着植被覆盖度增大而减少,但径流中O rtho-P的含量则随着覆盖度的增加而增加。     

京津风沙源治理工程区LUCC及土壤风蚀强度动态遥感监测研究

以遥感手段监测京津风沙源治理工程区土地利用/覆盖变化及土壤风蚀强度,分析了工程区LUCC及土壤风蚀时空格局特征及关系。结果表明:工程实施前后,LUCC及土壤风蚀强度差异明显。近30a,LUCC过程主要表现了由耕地开垦向生态退耕还林、草转变,伴随生态恢复和沙化有效抑制态势;耕地总体表现出先增加后减少态势,耕地面积1990～2000年增加面积是2000～2015年减少面积的1.9倍;林地总体呈增加态势;2000～2015年耕地转化为林地和草地面积分别为446.1km2和1 129.3km2,西部最为明显;建设用地面积扩张明显;未利用地呈减少趋势,转换类型以沙地向草地转化为主,面积为1 493.1km2。京津风沙源治理工程区土壤风蚀侵蚀模数整体呈下降趋势,生态工程实施后改善趋势明显(P0.01);总体上,东部、南部地区以高覆盖、中覆盖草地类型为主的地区土壤风蚀量小;浑善达克沙地治理区土壤风蚀量较大,但总体呈减少趋势。不同土地利用/覆盖类型对土壤风蚀强度影响较大,土壤风蚀模数依次为沙地低覆盖度草地中覆盖度草地旱地灌木林水田高覆盖度草地其他林地疏林地有林地;低覆盖度向高覆盖度草地类型转化有效抑制土壤风蚀量(减少66.12%),植被覆盖度的增加有效降低土壤风蚀模数;沙地周边区域,高/中覆盖度向低覆盖度草地类型转换过程中,土壤风蚀量呈增加(58.26%)态势,草地转化为沙地、旱地土壤风蚀量增加。     

北京市土地利用变化对地表温度的影响分析

运用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术,对北京1995年至2005年的土地利用时空变化特征进行了分析,并分析了土地利用变化对区域内地表温度的影响。北京在1995年至2000年的土地利用变化较小,随后五年城镇面积大量扩张,占用了大量的耕地和林地。北京地表温度等级较高的区域在数量上呈逐年增加的趋势,同时在空间分布上呈现从分散向城市中心集中的趋势。构建了TVX空间研究土地利用变化对地表温度的影响,计算了不同土地利用类型转变为建设用地的变化向量长度,并选取未变化的土地利用类型的平均温度作为控制点,消除不确定性因素,分析得出变化向量的幅度依次是:有林地>水域>其他林地>灌木林地>草地>耕地,由此可以看出,林地和水域对缓解地表热环境作用较强,在城市规划中,要尽量保护林地和水域。     

中国不同土地利用类型分光辐射地表反照率研究

选取2000～2015年遥感反演的地表反照率数据及2000和2015年两期土地利用数据,采用经典统计学方法分析不同土地利用类型分光辐射地表反照率的特征及其年际变化趋势。为了解土地利用类型的反照率特征、认知区域气候或陆面模式中能量模块的相关分光辐射变量的物理过程提供科学依据。结果表明:不同的土地利用类型具有差异明显的地表反照率特征,同种土地利用类型地表反照率的差异甚至超过了不同类别土地利用类型之间的差异,说明了地表反照率巨大的空间异质性;大部分土地利用类型在短波总辐射及分光辐射地表反照率满足:近红外短波可见光,说明短波地表反照率的上限值更大程度上取决于近红外波段的地表反照率;研究时段内,各土地利用类型在3个波段地表反照率分别呈现出了不同的变化趋势,但是大部分土地利用类型分光辐射地表反照率的年际变化速率较小,基本保持稳定。     

土地利用方式对潮棕壤微生物群落影响研究

以中国科学院沈阳生态试验站的长期定位试验为平台,研究了不同土地利用方式下土壤三大类微生物细菌、放线菌、真菌和农业上常见致病菌灰霉菌、枯萎菌、镰刀菌的分布及动态变化.结果表明,在农田生态系统中,施肥特别是氮磷钾配施循环猪圈肥能够提高土壤微生物总量,施用氮磷钾和氮磷钾配施循环猪圈肥均提高了细菌和放线菌数量,但化肥配施有机肥降低了真菌数鼍;不同土地利用方式下微生物分布存在差异,有机物料归还量较大的荒地和林地微生物数量较高,每年移出地表植物的割草处理略低,而裸地处理最低,细菌和放线菌分布规律一致,均为:荒地>林地>割草>裸地,真菌分布略有差别,为:荒地>割草>林地>裸地,土壤微生物含量和比例可大致反映土地利用类型;不同生态系统中,灰霉菌、枯萎菌、镰刀菌的分布不同,农田生态系统中的致病菌数量普遍高于自然生态系统,尤其足枯萎菌,仅在农田生态系统中检测到;微生物数量随着季节的变化而变化,随着温度的升高有增加的趋势,在七月左右达到最大值.     

基于遥感数据的城市地表温度与土地覆盖定量研究

利用Landsat TM数据,以徐州市为研究区,采用单窗算法反演地表温度,通过混合像元分解和V-I-S(植被—不透水面层—土壤)模型将土地覆盖类型分解为对城市热环境具有重要影响的植被、土壤、不透水面层3个分量,最后利用得到的3种地物比例、直接分类后的土地覆盖类型和地表温度对研究区城市热岛的空间分布特征、地表温度与土地覆盖类型以及各种影响因子之间的关系进行定量研究。研究成果能够有效地应用于城市人居环境研究和生态环境过程分析中。     

城市热岛效应地表通量空间分布研究

城市化进程的加快促使更多大中城市的产生以及城市面积的扩展,导致更加严重的城市热岛现象。为了更加深入理解城市热岛效应产生根源,以西安市城区为例采用美国陆地卫星遥感数据反演或估算地表温度、植被指数以及地表通量等变量,不仅采用传统的地表温度参数理解城市热岛现象,还着重分析城市建成区和郊区的地表通量空间分布格局及其与地表温度的关系。研究发现西安城市建成区与郊区之间热环境存在显著的差异,地表温度不仅与植被覆盖状况具有密切的关系,还与地表潜热通量和实际蒸散发变量存在显著的反相关关系。详细分析表明拥有众多工厂企业的西安市莲湖区热岛效应尤为显著,而位于市中心的新城区次之,具有较大面积郊区的灞桥区热岛效应并不明显。因此城市绿地不仅影响城市建成区的地表温度空间分布,还对地表通量以及实际蒸散发的空间格局产生重要的影响,在调节城市热岛效应方面具有重要的作用。
     

半干旱区土壤热通量遥感估算模型的适应性对比分析

提出了一种基于地表温度的土壤热通量遥感估算模型,结合另外两种应用比较广泛的遥感估算模型,分别是Moran(1989)提出的基于归一化植被指数NDVI、净辐射通量的模型和Bastiaanssen(1998)的基于NDVI、地表反照率、地表温度、净辐射通量的模型,利用MODIS遥感数据对这3种土壤热通量的模型进行了试验分析。参照半干旱区退化草地和农田地面站点实测的土壤热通量数据,3种遥感模型的试验结果表明:提出的基于MO-DIS地表温度的模型得到的土壤热通量精度最高;Bastiaanssen(1998)模型也能得到精度相当的土壤热通量,特别是它得到的可利用能量精度最高;Moran(1989)模型反演的土壤热通量误差最大。     

基于遥感与GIS的县域土地利用/覆被变化研究-以青海省湟中县为例

研究湟中县土地利用/覆被变化,对于准确把握湟中县土地利用动态、提出针对性的建设意见、改善当地生态环境质量具有重要现实意义。基于1987、1999和2007年3期遥感影像,通过土地利用转移矩阵、动态度、利用程度等方法,研究了湟中县1987~2007年近20 a土地利用变化特征及其空间分异规律。结果表明:① 近20a湟中县林地数量总体增加,耕地面积减少;②1987~2007年间湟中县耕地面积出现明显波动;③ 1987年以来,各土地利用类型年均变化幅度差异较大;④ 研究时段湟中县土地利用综合指数平均值为252.35,低于我国东部地区,高于西部偏远地区。     

基于遥感的土地利用空间格局分布与地表温度的关系

近年由于经济的高速发展,土地利用与覆盖变化很大,促使城市的地表温度值正在逐步升高,城市热岛现象也更加突出。先利用监督分类的最大似然算法对武汉市的ETM影像进行分类,并计算各土地利用类型空间格局分布指数。然后用ETM热红外波段根据单窗算法反演武汉市的地表温度分布,并分别计算各土地利用类型的平均地表温度。最后利用灰色相关分析方法定量分析土地利用空间格局分布指数对地表温度的影响。结果表明武汉市土地利用类型的空间格局分布指数与地表温度有较好的相关性,其中地表温度与散布与并列指数(IJI)、同类斑块相邻百分数指数(PLADJ)和最大斑块所占景观面积比例指数(LPI)的灰色关联度较高,说明地表温度的分布不仅受到各类型斑块与其它斑块相邻情况的影响较大,还受到最大斑块所占的总土地面积比例的影响。     

阳江市绿地空间分布及其热环境分析

鉴于Landsat-8热红外数据在城市绿地热环境方面研究的不足,提出一种参数修正后的单通道地表温度算法,可直接用于城市绿地热环境分析。研究以阳江市建成区为例,以Landsat-8的热红外波段为数据源,利用单通道算法反演地表温度,结合土地利用矢量数据计算得到的景观指数,将地表平均温度与绿地景观进行相关性分析。结果表明:Landsat-8能够提供较高空间分辨率的地表温度信息,适合用来研究区域性的城市热环境;绿地景观的组成和空间配置对城市热环境有一定的影响,其中植被覆盖度是地表温度的重要影响因子,以阳江市建成区实验数据为例,植被覆盖度增加10%,地表温度降低0.35℃;绿地斑块相近的地区,平均地表温度会随着斑块密度的增大而升高;不同绿地斑块对周围环境的改善能力有较大差异。     

21世纪以来西安城乡梯度土地覆盖变化及对城市热岛影响时空特征

城市快速扩张导致城乡梯度土地覆盖发生显著的变化,引发不透水地表的增加,植被覆盖的减少,从而加剧了城市热岛强度。研究城乡梯度土地覆盖变化引起的城市热岛效应,并揭示城市热岛的时空特征及强度的变化,对城市规划建设、人居环境改善及提升城市生态系统服务功能具有重要的意义。基于Landsat系列4期影像,利用单窗算法反演西安市地表温度,计算热场变异指数得到热力场强度图并对其进行等级划分,结合土地利用/覆盖类型数据分析城乡梯度土地覆盖变化对城市热岛强度的影响。结果表明：①2000年西安市极强热岛效应区占研究区面积的10.58%,逐渐增加到2011年极强热岛效应区域的面积占比达到16.14%,而后到2015年降低为9.00%,整体上西安市城市热岛效应呈现出了先增长后降低的趋势;②2000年到2015年城乡建设用地面积增加了412.76 km2,极强热岛强度的范围随城市建成区的扩张逐年向外扩展;③无热岛效应区约70%位于耕地和林地,水域在无热岛效应中的占比也在逐年增多,从31%增加到了47%。不透水地表面积占比与地表温度有显著相关性,城乡梯度植被和水体面积的增加可以有效地缓解城市热岛强度。     

三江源蒸散发遥感估算及其时空分布特征研究

蒸散发是地表水热平衡的基本变量,也是衡量植被生长水分适应性的重要指标。针对三江源地面实测资料匮乏的现状,以MODIS系列产品为主要数据源,通过对地表温度—植被指数特征空间法的改进,在日尺度实现了该地区2011～2019年蒸散发的连续遥感估算,并进一步解析其时空变化特征与影响因子,揭示不同土地覆被类型的蒸散发差异,以期为三江源畜牧业可持续发展与生态环境保护提供支撑。对比分析表明：蒸散发的估算结果达到了现有遥感蒸散发产品的精度要求,可用于分析三江源地区蒸散发的时空变化特征。近9年,三江源蒸散发总体呈现先减少后增加趋势,多年平均值为420.04 mm;受海拔与降水控制,蒸散发空间分布异质性明显,从东南向西北逐渐减少;3 194～4 620 m海拔范围内,蒸散发随海拔高度增加呈单峰型变化,站点尺度年蒸散发与降水量之间的相关系数为0.71。虽然不同土地覆被分类系统下蒸散发的统计结果存在差异,但单位面积蒸散发具有林地>灌丛/灌木林>草地/草甸>裸土地/无植被区的明显特征,像元尺度多年平均蒸散发与植被覆盖度的相关系数高达0.77。     

南方丘陵区植被覆盖度遥感估算与时空变化研究——以福建省永定县为例

植被覆盖度是生态环境监测的重要指标,而复杂地形因素影响对山地植被遥感信息准确提取。基于Landsat-8OLI遥感数据,分别采用像元二分模型和线性混合光谱分解法,在对比分析植被覆盖度的地形敏感性基础上,选择山地植被指数(NDMVI)估算了1992、2002和2014年永定县的植被覆盖度,并分析其变化。结果表明:1基于山地植被指数(NDMVI)的覆盖度估算模型的地形敏感性最弱,更适合于南方丘陵山地的植被覆盖度遥感反演;2永定县总体植被覆盖度较高,平均植被覆盖度达77.99%以上,高覆盖度区占59.73%以上,22年内植被覆盖度经历了先提高再下降的过程;3在空间上,高坎抚、金丰和西部片区的植被覆盖度较低,动态变化较明显。永定县金丰片区植被覆盖度明显提高;而近12年内高坎抚片区因矿业开采活动对生态环境的破坏,植被覆盖度降低幅度大,且变化面积较大。