基于MODIS的南方草地NPP遥感估算与应用

草地NPP遥感模型的构建是实现大面积草地NPP估算的有效途径之一。以MODIS-NDVI数据为基础,以南方草山草坡为研究对象,结合野外实测数据,分析了草地NPP与NDVI之间的关系,同时构建了以NDVI为自变量以及水热条件为调节因子的南方草地NPP遥感估算模型,并通过不同年份独立的实测数据对模型进行了验证。结果表明,南方草地NPP与NDVI之间存在5种相关类型,均达到了极显著水平。NPP的模拟值和实测值之间具有很好的相关性和一致性,5种草地类型R²分别为0.902 2,0.826 6,0.871 2,0.887 7和0.875 5,均达到了极显著水平,均方根误差(RMSE)和相对均方根差(RRMSE)均较小。表明模型的模拟结果比较可靠,为南方草地NPP估算及草地资源管理提供了一种有效的方法。     

基于CASA模型的甘肃省草地净初级生产力研究

利用基于遥感数据的光能利用模型-CASA模型估算了2005年甘肃草地生态系统NPP,分析了其空间格局,以及地形因素对草地NPP的影响。(1)实测数据与模拟结果对比表明,修正后的CA-SA模型的可操作性强,仅利用地面气象数据和遥感数据就可以对草地生产力进行模拟,模拟效果较好。(2)2005年甘肃省草地NPP总量为3.76×1013g/(m2.a),最高值达790.56g/(m2.a),年均值为139.15g/(m2.a),由西南向东北逐渐减少。(3)草地NPP季节变化非常明显,夏季NPP达到最大值;冬季植被基本停止生长,草地NPP值最低。4)在海拔3 000～3 500m区域、25°～30°坡度以及东坡草地NPP均达到较高水平。     

内蒙古草地生态系统近10年NPP时空变化及其与气候的关系

植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)及其对气候变化的响应研究是全球变化的核心内容之一。通过改进的光能利用率模型(CASA模型),利用MODIS NDVI数据、土地覆盖分类数据、气象数据等,逐像元模拟2001-2010 年内蒙古草地生态系统NPP的时空变化,分析其对气候因子变化的响应关系。结果表明,1)2001-2010年内蒙古草地多年平均NPP为281.3 g C/(m²·a),空间分布呈由西南向东北递增的趋势,草甸草原、典型草原和荒漠草原平均NPP分别为431.8,288.7和123.5 g C/(m²·a);2) 2001-2010年间内蒙古草地NPP总体上呈上升趋势。NPP上升趋势最明显的草地主要分布在毛乌素沙地、浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼伦贝尔盟和大兴安岭南麓地区,而下降趋势最明显的草地主要分布在阴山山脉和锡林郭勒盟中部的典型草原区;3) 总体而言,降水量是内蒙古草地净初级生产力的主要影响因素。草甸草原NPP与降水量、温度的关系均很密切,而且与温度的相关性更强;典型草原和荒漠草原NPP则主要受降水量控制,其中荒漠草原NPP与降水量的关系更密切。     

松嫩平原西部草地净初级生产力遥感估算与验证

在CASA模型基础上,根据松嫩平原西部自身特点对模型参数获取方法进行改进.以MODIS NDVI数据和气象数据为主要数据源,估算2000～2009年松嫩平原西部草地净初级生产力,并通过多种方法对估算结果进行精度验证.结果表明:利用气候经验模型估算的太阳总辐射及改进后的水分胁迫因子计算结果精度较高,所作改进在保留原始CASA模型生理生态学基础上简化了模型输入参数,对本研究区是可行的.通过与实测数据(实测值与估算值之间R2 =0.64,P＜0.05)、通量观测数据(估算精度为72％;相关系数R=0.9,P＜0.05)、MODIS NPP产品(总体精度为81.41％)及他人估算结果对比发现,本研究估算的松嫩西部草地NPP结果精度较高.2000～2009年松嫩平原西部草地年NPP总量介于8.46～11.22 TgC之间,平均值为9.92 Tg C.空间上,各年NPP均呈南低北高的分布格局;受气候因素和土壤条件影响,松嫩平原西部黑龙江省部分的草地NPP高于吉林省部分.过去10年间,松嫩西部草地NPP按降序排列依次为:2008＞2005＞2002＞2007＞2003＞2004＞2006＞2009＞2000＞2001.     

近20年新疆荒漠草地动态变化及其对气候变化的响应

荒漠草地是干旱半干旱区陆地生态系统的关键类型,具有重要的生态作用,对气候变化和人类活动敏感。通过确定新疆荒漠草地NDVI阈值,提取荒漠草地范围,结合归一化植被指数（normalized difference vegetation index, NDVI）、植被净初级生产力（net primary productivity, NPP）、气象因子等数据,利用一元线性回归模型、相关性分析等方法,从不同的时间和空间尺度对1999-2018年新疆荒漠草地的动态变化及其对不同驱动因子的响应进行研究。结果表明：1）新疆南北疆荒漠草地分布存在差异,研究期间总体面积减少明显,平均NDVI稳定,NPP呈上升趋势。2）全年及7-8月气象因子变化趋势不同,南北疆存在显著差异,全疆大部分区域呈现气温升高、降水增多趋势。3）从时间变化看,降水量、大型蒸发量和平均风速是新疆荒漠草地年际NDVI的重要影响因子,水分条件对生长季NDVI的影响更为明显;年蒸发量与荒漠草地NPP呈显著负相关关系,平均风速、降水量与荒漠草地NPP存在一定相关性。4）从空间相关性来看,气温、降水在空间上与荒漠草地NDVI、NPP呈正相关的面积较大,且降水影响面积更大。研究表明,新疆荒漠草地植被动态变化是多种气象因子综合作用的结果,气温、降水是主要的影响因子,其中降水影响更为明显,水分条件是荒漠草地动态变化的决定因素。     

基于MODIS数据的草地净初级生产力模型探讨

在光能利用率模型的基础上,考虑了温度和地面水气压差的影响,建立了基于MODIS数据的草地净初级生产力遥感估算模型.模型所需参数,除月平均日照百分率外,均由MODIS数据反演获得.利用2003年的1km分辨率的MODIS1B数据和全国586个气象站点的累年月平均日照百分率数据,计算了我国草地逐月净初级生产力(NPP),然后累加得到全年NPP,计算得我国草地年平均NPP为239.02gcm-2a-1,与实测数据较为接近.     

基于草地综合顺序分类法的CASA模型改进

将任继周等提出的草原综合顺序分类法的草原分类气候指标＞0℃年积温(Σθ)和湿润度指标(K)引入CASA模型,对水分胁迫因子的计算进行改进,避免了复杂的土壤参数,仅用＞0℃年积温和K值就可计算水分胁迫因子,极大地简化了模型.同时调整了CASA模型最大光能利用率的固定取值,使之成为适合中国草地净第一性生产力(NPP)估算的模型.改进的CASA模型实现了草地NPP模拟与草地综合顺序分类系统的耦合,能更好地反映草地类型与草地NPP的关系,为研究草地NPP的区域分布和全球分布提供了理论依据.     

基于CASA模型和MODIS数据的甘南草地NPP时空动态变化研究

植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)在全球气候变化及碳循环研究中扮演着重要的角色,精准快速的估算NPP对评估区域生态系统承载力以及合理利用自然资源具有重要的意义。利用2011-2014年甘南地面实测草地地上生物量(aboveground biomass, AGB)数据和根冠比系数计算的草地NPP数据,分别验证了MOD17A3 NPP产品和基于CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型估算的草地NPP的精度,分析了2000-2016年甘南地区草地NPP的时空动态变化。结果表明:基于CASA模型模拟的草地NPP精度整体上高于MOD17A3 NPP产品的精度,其均方根误差(root mean square error, RMSE)较MOD17A3 NPP小9.94 g C·m^-2;CASA模型分析的甘南地区草地NPP总体上呈现由西南向东北逐渐减少的趋势;对不同草地类型而言,沼泽类的平均NPP最高(469.07 g C·m^-2),温性草原类最低(324.18 g C·m^-2),而占研究区草地总面积比例较大的高寒草甸类和高寒灌丛草甸类草地的平均NPP分别为449.22和465.27 g C·m^-2;2000-2016年间,甘南地区大部分草地NPP稳定不变,其面积占研究区草地总面积的75.31%,NPP呈增加趋势的区域占草地面积的22.63%,而NPP呈减少趋势的区域占比最小,仅为2.06%。以上研究结果表明CASA模型在高寒地区草地NPP评估、草地资源合理利用与管理方面具有重要的应用价值。     

甘南藏族自治州植被净初级生产力时空变化及驱动力

自2003年开始甘南藏族自治州推行了“退耕还草”等一系列生态保护政策,对区域植被状态产生了一定的影响。目前针对甘南州不同植被类型下植被净初级生产力(NPP)与归一化植被指数(NDVI)、太阳辐射、气温、降水间响应机制的研究尚不明晰,且关于该区域植被NPP时空特征变化及重心迁移的探讨尚少。本研究基于MODIS遥感数据、气象数据、植被类型数据,利用Carnegie-Ames-Stanford Approach (CASA)模型估算了甘南州2000-2019年植被NPP,分析了NPP时空变化特征,探讨了不同植被类型下植被NPP与NDVI、气温、降水以及太阳辐射之间的响应关系。结果表明：1) 2000-2019年植被NPP年均值为621.79 g·m^-2,96.63%区域呈现为增长趋势。2) 2000-2019年植被NPP重心整体呈现西北向东南迁移,东南部植被NPP增速高于西北部。3)植被NPP与气温、降水、太阳辐射间整体上呈明显的正相关关系,北部边缘及东部中心地带呈负相关关系。4)林地、灌丛、草地的NPP均呈稳定增长,湿地类型下除NPP外气温亦呈明显增长。本研究可为评价...     

基于遥感技术的植被净初级生产力研究进展

植被净初级生产力(NPP)的研究是全球变化与陆地生态系统的核心内容之一.本文回顾了植被NPP研究的历史、基于遥感技术的植被NPP和草地植被NPP研究进展,并对近期陆地植被NPP研究的特点及发展趋势作了总结,对NPP模型的研究提出了一些建议.     

植被光合有效辐射吸收分量及最大光能利用率算法的改进

植被冠层对入射光有效辐射的吸收系数 (FPAR) 和最大光能利用率是NPP模拟的重要参数。利用光量子仪实测了典型草原植被类型关键生育期光合有效辐射值,根据NDVI与FPAR之间的良好相关性,建立了2个FAPR估算模型。结果表明,实测的FPAR值与模型估算的FPAR之间的相关性均达到极显著水平,2个模型的估测值之间没有显著性差异。因此,本研究中采取求均值后计算了我国草原的FPAR,并与NASA-FPAR产品进行了嵌套和互补,形成全国完整的草原FPAR空间分布图。同时,基于归一化植被指数和叶面积指数,以中国草原18大类分类结果为基础单元,对中国草原18大类的最大光能利用率进行调整,调整后的最大光能利用率输入NPP模型后,改善了NPP估算精度,在大类尺度上,总体预测精度为85.71%。     

A Modification of CIM for Prediction of Net Primary Productivity of the Three-River Headwaters,China

The Three-River Headwaters (TRH) region is covered dominantly with alpine meadow, a large part of which is confronting severe degradation as a result of climate change and human-induced influences. The estimation of net primary productivity (NPP) is essential to provide support for scientific management of TRH grassland resources to prevent further degradation. The classification indices-based model (CIM) has been applied in the estimation of NPP and its response to global warming because of its simple structure and easily obtained indices. However, CIM is considered to estimate the potential NPP rather than the actual value. Thus, its application has been restricted. In this study, the normalized difference vegetation index (NDVI) was applied to modify the CIM. Then, CIM and modified CIM were compared with the other three models. The assessment of NPP estimates indicated that the modified CIM had a fair performance among the NPP models (R² = 0.42, RMSE = 178.08). All the NPP estimation models revealed that NPP increased from the northwest to the southeast. According to the modified CIM, the mean NPP of TRH grassland was 135.44 gC·m^? 2·yr^? 1 and the total NPP was 3.22 × 10¹³ gC·yr^? 1. Among the classes of the grassland of TRH in the comprehensive and sequential classification system (CSCS), the frigid perhumid rain tundra and alpine meadow occupied most of the grassland NPP, which was 3.06 × 10¹³ gC·yr^? 1. With the help of the NDVI, the modified CIM performed better than the CIM; however, there is still much room for the improvement of CIM in future research.     

气候变化与人为活动对三江源草地生产力影响的定量研究

近数十年来在气候变化和生态工程实施的背景下,作为我国重要的生态屏障的三江源地区的气候条件和人为干扰都发生了明显的变化。本研究借助CASA模型和气候生产力模型,结合对土地利用/覆盖变化(LUCC)的分析,定量评估了气候变化、LUCC和草地管理措施对三江源草地净初级生产力(NPP)变化的影响。结果表明,1)2001-2012年间,三江源草地总面积增加了6749 km²,草地的平均NPP下降了5.47%,总NPP下降了5.00%。 2)由新增加的草地带来的NPP总量为1293.12 Gg C,由转出草地带来的NPP总量损失为215.42 Gg C。 3) 2012年气候总NPP比2001年下降了20.27%,而人为总NPP增加了41.51%。12年间气候变化的趋势不利于草地植被的生长,而人为活动对草地植被的负面影响力有明显减弱。4)由气候因素引起的草地总NPP变化量为-165.28 Tg C,而管理措施引起的总NPP变化量为140.03 Tg C; LUCC导致的草地总NPP变化量为2.22 Tg C。草地管理措施的改进对遏制草地退化起到了决定性作用。     

塔里木河流域草地净初级生产力时空分异特征研究

采用MODIS数据和改进的光能利用率模型(CASA模型)对2006-2016年塔里木河流域植被生长季草地净初级生产力(NPP)进行估算,通过一元线性回归趋势分析、变异系数、Hurst指数等方法,分别从时间特征、空间特征、空间稳定性和未来变化趋势4个方面对其时空变化过程进行分析,阐述了2006-2016年塔里木河流域草地NPP的时空格局与变化特征。结论如下:1)时间特征上,2006-2016年塔里木河流域草地NPP总体呈波动上升趋势,其中增长区域占64.1%,负增长区域占35.9%,NPP总量平均增长速度为1.31×10¹¹ g C·m^-2·yr^-1;6-8月为流域内草地的主要生长期,NPP总量占生长季总量的47.3%。2)空间特征上,2006-2016年塔里木河流域草地NPP分布呈现明显空间分异特征,总体分布特征为西北向东南呈递减趋势,草地NPP多年平均值为13.62 g C·m^-2·yr^-1。在垂直变化(海拔)上,呈现出随海拔升高NPP呈“降低-升高-降低”的特点;在水平变化上(经、纬度),草地NPP变化没有明显特征。3)空间稳定性上,塔里木河流域草地NPP变异系数介于0.19~3.17。草地NPP存在明显的空间差异性,草地NPP变异系数大部分地区均属于低值区,其中变异系数在0.5以下的占总面积的94.6%。高波动区域主要集中在“四源一干”和车尔臣诸小河流域。4)未来变化趋势上,塔里木河流域草地NPP Hurst指数介于0.10~0.97,均值为0.57。未来变化趋势呈持续性特征面积占71.6%,反持续性特征面积占28.4%,除开孔河流域北部及车尔臣诸小河西南大部呈反持续性特征,其余草地均呈现出持续性特征,预示着流域草地NPP未来处于持续增加趋势。草地NPP时空分布特征显示,塔里木河流域草地生态系统健康状况总体好转,局部恶化。     

1981-2001年内蒙古草地净初级生产力时空变化特征

利用遥感和气象数据,采用CASA(Carnegie Ames Stanford Approach)模型和统计分析方法,研究了1981-2001年内蒙古自治区草地7-8月植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)的时空变化特征,并分析了气候因素和放牧强度对NPP的影响。结果表明,1）1981-2001年,内蒙古草地NPP显著减少、显著增加和变化不明显的面积分别占1%、30%和69%;NPP显著增加的区域位于内蒙古东北、东南和南部,NPP显著减少的区域零星分布于该区中部荒漠草原和典型草原分界处。总体而言,该区NPP增加不甚明显, 21年7-8月草地NPP（均以C变化计）平均值为192.0 g/m2,年际变化范围为150.5～255.5 g/m2。2）7-8月降水是该区NPP年际变化的主要驱动因子,降水量高的年份NPP亦高。NPP与气候因素间的关系表现为NPP随降水增多而升高,随温度升高而下降,辐射对NPP的影响不明显。3）综合考虑气候因素与人类活动对草地NPP的影响发现,21年间,土默特左旗和土默特右旗境内放牧强度增加导致NPP显著下降。