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基于多源遥感数据的草原植被状况变化研究

张宏斌  
【摘要】: 草原是陆地上最大的生态系统,在能量流动和物质循环的过程中,对人类的生存和发展有着举足轻重的作用。国内外学者早在20世纪初就开始了对草原的研究。由于技术手段的限制,从20世纪初到20世纪中叶,对草原的研究都是侧重于草原植被的各个方面展开的,所采用的研究资料也主要以人工野外调查数据为主,随着研究的深入和新的技术手段的诞生,特别是遥感技术的出现,使得对草原植被状况的研究取得了突飞猛进的发展,短时间内监测大范围内的(国家尺度、全球尺度)草原植被状况成为可能。特别是近10多年来对草原的研究开始更多地借助于遥感技术,研究内容主要集中在利用遥感植被指数来监测草原植被状况的变化上,逐渐形成了草原遥感这一新学科。 温带草原地处欧亚大陆的腹地,是我国北方草原生态系统的核心组成部分,由于其绝大部分分布于内蒙古自治区境内,因此内蒙古草原成为关乎我国北方生态环境安危的关键所在,是屹立于我国北方的一道天然绿色屏障,对三北地区乃至全国的生态环境的保护和改善发挥着不可替代的作用。但自改革开放以来,内蒙古草原的生态环境遭到日益严重的破坏,随之而来产生的诸多环境问题(草原退化、沙尘暴等)已经严重的影响了国民经济的健康发展,直接加重了京津地区所面临环境恶化的压力,因此对内蒙古草原植被状况变化的研究在改善我国生态环境,促进国民经济可持续发展等方面具有重要的现实意义。 本论文基于多源遥感数据,对如何选取草原植被遥感监测指数、监测模型,TM/ETM+、MODIS、NOAA遥感数据之间的数据同化,以及利用遥感数据分析人为因素对草原植被变化的影响程度和影响趋势等三方面的内容进行了深入的分析和研究,并将在这些研究方法上得到的一些改进之处应用于整个内蒙古草原及其两个典型代表区域之中,对内蒙古草原植被状况1982~2006年间25年来的变化过程进行了全面、综合的分析研究。具体内容及实施过程如下: 1)在不同研究区域内,针对多种遥感数据源的植被指数和不同采样尺度的地面数据(生物量和覆盖度)选择草原植被状况的最佳监测指数及监测模型,使得该监测指数和监测模型在植被状况监测研究中具有一定的推广价值。 2)分别对TM、MODIS、NOAA数据进行数据同化研究,使得三种遥感数据之间的分析比较具有科学性、有效性。此外在实现数据同化研究的同时,还对利用短期时间范围内的高空间分辨率数据改进低空间分辨率数据的监测精度展开研究,并确定两种分辨率的数据之间是否存在稳定的精度校正关系,使该关系能够被用于时间尺度外推。 3)基于气候因素(气温、降雨)和遥感植被指数之间的关系模型,初步分析得出草原植被状况变化驱动力因素中人为因素对草原植被状况变化的影响程度和影响趋势。 4)基于以上研究得到的最佳监测指数、监测模型和数据同化模型,利用NOAA、MODIS数据完成了对1982~2006年25年来的内蒙古草原植被状况变化研究,在宏观尺度上对内蒙古草原植被变化的过程和趋势进行了分析。 5)除了利用NOAA、MODIS数据在宏观尺度上对1982~2006年25年间的内蒙古草原植被状况进行了整体监测以外,本论文还选择了具有代表性的中尺度典型研究样区(典型草原和草甸草原),利用高分辨率的TM/ETM+数据对其进行了重点监测,在不同尺度上反映内蒙古草原的植被变化过程和变化趋势,使得监测结果更为科学、全面、综合。 本论文的主要结论如下: 1)在内蒙古草原区,对地面植被状况和遥感植被指数进行回归模拟的线性模型、多项式模型、对数模型、幂函数模型、指数模型一般具有较高的决定系数,但在经过地面样方数据的的检验后,多项式模型的精度会有大的下降。 2)在典型草原样区,NDVI、RVI植被指数与地面植被状况进行回归模拟的回归方程中具有较高的决定系数;在整个内蒙古草原的研究区域上NDVI和SAVI、RVI植被指数与地面植被状况进行回归模拟的回归方程中具有较高的决定系数,但在经过地面样方数据的的检验后,RVI与地面植被状况的回归模型模拟精度会有大的下降。 3) TM/ETM+NDVI和MODIS NDVI数据之间相关性强;MODIS NDVI和NOAA NDVI数据之间相关性强,相关关系在年度之间呈规律性变化,且变化规律稳定。 4)基于MODIS NDVI和NOAA NDVI数据之间的数据同化模型和TM NDVI和MODIS NDVI数据之间的数据同化模型,不仅实现了数据同化的目的,还分别提高了NOAA NDVI和MODIS NDVI植被指数对草原植被状况的监测精度。 5)基于气候因素(气温、降雨)和遥感植被指数之间的关系模型,能够初步分析得出草原植被状况变化驱动力因素中人为因素对草原植被状况变化的影响程度和影响趋势。 6) 1982~2006年内蒙古草原退化严重。与1982年相比,1983~2006年的24年间草原植被状况优于1982年的年份只有5年,当前(2006年)内蒙古草原的平均NDVI植被指数值仍然比1982年低0.074431。 7) 1998年以后内蒙古草原植被状况恶化状态稳定(与1982年相比)。1999~2006年8年间内蒙古草原各类型的草原植被状况均劣于1982年(平均NDVI低于1982年),没有出现显著改善的年份。 8)人为因素是导致草原退化的最重要因素之一。


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