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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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基于光学和雷达影像的吉林省西部草地退化评价

于皓  
【摘要】:草地是重要的生态系统类型,对维持区域可持续发展和生态平衡具有不可替代的作用。草地退化是指由于人类活动和自然过程而导致的草地生产力的总体下降,表现为草地覆盖范围的减少、草地覆盖度的降低、牧草物质产量的减少或不可食用草种的增加,甚至是底层土壤的剥蚀。草地退化一直是草地生态系统研究的热点内容,但大部分草地退化方面的研究多是基于草地退化面积、草地地上产草量和物种特性等进行的,而从草下土壤环境和草地植被涨势综合探究草地退化的形式较少。本文结合吉林省西部地区特点,突破以往单一以草地植被退化指标(产草量、可食牧草比例、覆盖度等)探索草地退化的做法,将草地植被参数和草下土壤参数(电导率、pH)相结合,对吉林省西部草地退化进行综合评价,使获得的结果更加接近吉林省西部草地退化的真实情况。根据中华人民共和国国家标准-草地退化的分级标准(GB19377-2003),评测1990-2016年吉林省西部草地退化的程度,为该区生态建设、资源优化及可持续发展提供决策支持和数据支撑。本研究结果如下:(1)以光学(Landsat)和雷达(Sentinel-1A)影像为数据源,结合野外调查数据,根据吉林省西部土地覆被类型的影像特征建立解译标志。充分发挥面向对象分割与决策树分类的优势,通过分析各类型的光谱与纹理等特征建立分类规则。利用光学(植被与非植被)和雷达影像(水体、城镇)分别提取表现显著的土地覆被类型。通过两者间的对比、交叉和排除等计算方法,实现2016年吉林省西部草地覆被类型空间分布信息的高精度提取。并通过野外调查样点及高分辨率影像的随机取点,对分类结果进行精度评价。同时本文单独利用Landsat OLI影像提取草地空间信息,与前述综合利用两种遥感影像的提取结果进行对比,结果显示:Landsat OLI与Sentinel-1A雷达数据相结合的形式,提高了吉林省西部草地分布信息的提取精度,分类精度从88.78%上升到了90.10%。之后通过变化检测提取获取1990年、2000年和2010年草地的分布信息,三期的总精度分别为:88.33%、87.95%、89.10%。(2)分析1990-2016年吉林省西部草地面积的变化情况,掌握该区草地与其他类型的转换关系,为后期草地退化综合评价提供数据支持。分析结果显示:近26年间吉林省西部草地面积呈现先减少后增加再减少趋势,1990-2000年共计减少了6.63万hm~2,草地退化现象明显,大量草地被开发利用转化为农田,主要集中发生在吉林省西部地区的北部;2000-2010年草地面积增加,增加了3.83万hm~2,增加面积主要来源于湿地和盐碱裸地,增加区主要为大安市的中部和洮南市东部,但仍没有恢复到1990年草地的面积;2010-2016年草地面积下降,减少幅度约为2000-2010年草地增加幅度的1/2。草地减少区主要集中在大安市和镇赉县。(3)根据国家草地退化标准,确定草地退化指标。建立草地退化指标的实测数据与遥感影像光谱间的关系模型。本文将草地植被指标(产草量和覆盖度)和草下土壤指标(电导率和pH)作为草地退化评价的参评指标;通过相关性分析和回归分析法,选择最优的退化指标反演模型。结果显示:产草量和覆盖度与NDVI的相关性最为密切,EC(电导率)和pH与Green波段、NDVI及SI(盐碱化指数)的相关系数相对较高,通过回归分析确定各退化指标模型的表达形式。同时为更加准确的构建历史时期草地退化指标模型,模型反演前将波段等信息进行归一化处理。意在减少不同年份、不同时间影像反射率差异对模型构建的影响。利用预留的野外实测样点值进行模型验证。产草量、覆盖度、EC和pH反演模型的R~2分别为0.567、0.813、0.862和0.731。通过多期草地退化指标的空间分布结果发现,1990-2016年吉林省西部草地整体年均覆盖度呈现降低趋势,由1990年的0.49下降至2016年的0.29,2010-2016年覆盖度有所提升,提升幅度较小(+0.02)。年均产草量也呈现下降趋势,由1990年271.85g/m~2下降到2016年的198.91g/m~2,2010-2016年吉林省西部产草量几乎持平;草地盐、碱化指标显示:EC呈现波动式变化,1990-2000年吉林西部年均EC明显上升,上升幅度明显,2000年EC值约为1990年的2倍,随后EC值下降,2016年EC几乎恢复到1990年水平;pH变化趋势与EC相同,呈现先增加后减少的趋势,不同的是2016年吉林省西部草地pH并没有恢复到1990年的状态。且从pH范围(8.71-9.76)和EC范围(0.45-1.40mS/cm)来看,该区草地盐碱化程度显著。(4)根据中华人民共和国草地退化分级标准,将多期草地退化指标变化率进行分级,通过加权平均求和的方式构建吉林省西部草地退化综合评价模型。模型预测结果表明1990-2000年间吉林省西部草地退化总面积为34.30万hm~2,以重度退化草地为主,面积为22.96万hm~2,主要发生在该区的中部低洼处大安市及乾安县境内;2000-2010年该区草地退化面积降低,约为25.08万hm~2,且以轻度和中度退化为主,面积分别为10.71万hm~2和10.05万hm~2。2010-2016年该区草地退化面积为29.48万hm~2,以重度退化草地为主,面积为17.65万hm~2。综上,1990-2016年间吉林省西部草地退化有所控制,草地退化程度也从重度退化逐渐转变成中度退化和轻度退化。(5)吉林省西部草地退化因素与该区降雨量少蒸发量大的气候环境有着密切的关系,同时受到草畜矛盾升级、农田开垦、人为干扰等影响该区草地退化较为明显,但由于2000年以后生态工程等项目的实施,特别是治碱工程和草地重点保护工程,在一定程度上控制了该区草地退化的速度。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S812.6;TN957.52

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