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基于Landsat时间序列数据的生态系统功能类型时空格局监测

亓航  
【摘要】:生态系统中能量流动、物质循环和信息联系构成了生态系统的基本功能。生态系统功能是生物多样性的一个基本组成部分。生态系统功能对于环境变化的响应有时比结构和组成特征更快,是全球生态系统变化监测中最敏感的指标之一。生态系统功能类型(Ecosystem Functional Types,EFTs)被定义为对环境条件表现出相似响应且生态系统过程相似的区域,反映了生态系统功能的空间异质性,为评估环境和人为变化对陆地生态系统的影响提供重要的基础。卫星遥感为区域尺度EFTs识别及其动态监测提供了有效的技术手段。本文基于Landsat时间序列遥感影像数据,以全球变化敏感区——东北松嫩平原西部半干旱半湿润典型区为例,选取与计算生态系统功能分类关键指标与特征参数,提出基于模糊聚类算法的生态系统功能类型识别方法,划分研究区生态系统功能类型,分析近10年生态系统功能的空间异质性及其变化,揭示生态系统功能类型与结构类型的关系。首先,基于2008年、2017年生长季(4~10月)Landsat卫星遥感影像,反演地表反照率(Albedo)、地表温度(Land Surface Temperature,LST)和归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI),以其作为生态系统功能分类的关键指标,计算各指标生长季的均值、最大值以及相对变化幅度,表征生态系统碳收益、能量与水分平衡功能特征;其次,基于上述生态系统功能指标参数影像,利用自组织神经网络获取聚类中心,将其作为初始聚类中心输入到模糊C均值聚类算法中,对2008年和2017年研究区生态系统功能类型进行识别,并采用香农-威纳指数和辛普森多样性指数分析EFTs格局的多样性;最后,将2008年和2017年划分的生态系统功能类型与土地覆被类型进行对应分析,探讨功能类型与结构类型的一致性和差异性关系。结果表明,基于Landsat影像提取的生态系统能量和物质交换功能特性参数,利用自组织神经网络模型和模糊C均值聚类相结合的方法,能够对较小尺度的生态系统功能类型进行精确识别。2008~2017年,研究区生态系统功能的空间异质性特征具有明显差别,10年间EFTs类型多样性有所增加。同一EFTs可能对应多种土地覆被类型,而一种结构类型呈现不同能量和物质交换特征,也可能对应于不同的EFTs,生态系统功能类型和结构类型存在复杂的对应关系。本文针对温带半干旱半湿润典型区生态系统功能类型的定量识别和生态系统功能的空间格局变化监测与分析,将为了解区生态系统功能多样性和生态系统服务完整性,制定自然资源管理和生物多样性保护战略,以及评估环境和人为变化对区域生态系统的影响提供基础信息和参考依据。


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