基于LBV变换与小波变换的OLI图像融合方法

以陕西省榆阳区2013年6月9日的Landsat 8 OLI图像为基础数据源,对比分析LBV-Wavelet RF等5种图像融合算法的使用效果。对图像预处理后,分别采用HIS变换、Brovey变换、HPF变换、PCA变换和LBV-Wavelet RF方法进行融合和SVM监督分类,然后从目视评价和定量评价两方面对比分析各种融合算法的使用效果。在目视评价方面,判读融合前、后9种地类光谱特征的一致性;融合后图像是否具有全色波段图像的空间结构特征,是否存在细节模糊。在定量评价方面,采用灰度均值差、灰度均方根差评价融合后图像对多光谱信息的保持性能;采用相关系数均值、相关系数均方根差评价融合后图像对高空间分辨率信息的融入度;采用总体分类精度、Kappa系数评价融合前、后SVM监督分类精度差异。结果表明LBV-Wavelet RF方法能够使融合后图像在保持原多光谱图像光谱信息的同时,增强纹理结构特征,提高对细小地物的辨识能力;融合后图像SVM监督分类的总体分类精度和Kappa系数分别为84.01%和0.787,较原多光谱图像分别提高13.45%和15.91%。     

复合干热胁迫下黄土高原夏季植被脆弱性评估

随着气候变化的加剧,高温干旱事件频发,对植被健康生长造成了严重影响。针对相关性方法难以准确刻画复合干热胁迫下植被脆弱性的问题,利用1982—2015年去趋势和标准化的归一化植被指数（detrended and standardized normalized difference vegetation index,SNDVI）、标准化降水蒸散发指数（standardized precipitation and evapotranspiration index,SPEI）和标准化气温指数（standardized temperature index,STI）,构建基于Vine Copula的复合干热胁迫下植被脆弱性评估模型,量化黄土高原不同土地利用类型和气候区植被对高温干旱的响应关系。结果表明：1）黄土高原大部分区域SNDVI与SPEI呈正相关关系,与STI呈负相关关系,草地SNDVI与SPEI、STI的相关性最高,其次为耕地,林地最低;2）相对于单一干旱或高温事件,复合干热事件进一步加剧了植被脆弱性,复合干热胁迫下黄土高原6、7、8月植被损失概率分别为0.51、0.57和0.55,较高的区域集中在陕西北部、宁夏、甘肃东部和内蒙古等地区;3）黄土高原地区不同植被类型对复合干热的脆弱性各异,脆弱性从大到小依次为草地、耕地、灌木、林地。研究结果有助于深入了解植被对气候极端事件的响应,支持应对气候变化的陆地生态系统风险管理。     

黄土高原地区林地枯枝落叶层水土保持效应研究进展

枯枝落叶层是林地垂直结构中参与水文循环过程的重要作用层,在涵养水源和保持水土中发挥着重要作用。黄土高原经过20年植被快速恢复,枯落物覆盖使近地表植被特征和生态过程变化明显,这必将影响地表土壤水分入渗、产汇流等水文和土壤侵蚀过程。为全面掌握黄土高原地区林地枯枝落叶层的水土保持效应研究动态,系统回顾了林地枯枝落叶层在凋落动态、蓄积量变化、截留降雨、阻延地表径流、提高土壤抗蚀抗冲能力和增加土壤入渗等方面的研究历史。分析了目前林地枯枝落叶层研究中存在的若干问题,提出未来黄土高原地区应加强野外坡面枯落物原位长期监测和降雨试验研究,开展多地貌、多尺度研究,关注天然林和人工林枯枝落叶层水土保持功能的对比研究,以及水文物理过程模型建立和参数确定,并重视林地枯枝落叶层的保护和监管。     

黄土旱塬区麦田休闲期降水与土壤贮水的变化特征

为提高休闲期降水资源利用效率和确保区域粮食安全,利用1981—2020年陇东黄土高原旱作麦田定位土壤水分和气象观测资料,分析了冬小麦田休闲期间降水与土壤水分的变化特征及其影响因素。结果表明:(1)近40年陇东黄土高原休闲期降水以14 mm/10 a的速率增加,降雨总日数和小雨日数呈减少趋势,中雨、大雨日数呈弱增加趋势;(2)近40年休闲期1 m土层平均以9.5 mm/10 d的速率充水,贮水量平均增加97 mm,21世纪以来贮水量增加明显;(3)休闲期降水与1 m土层贮水增量符合二次函数关系,1 m土层开始贮存水分的降水阈值为175 mm,贮水增量与中、大雨总日数相关性最高,前期降水主要以土壤蒸发消耗为主,后期降水则大部贮存于土壤中;(4)休闲期1 m土层平均贮水效率为0.27,贮水效率随着麦收时的土壤墒情增加而线性递减,当麦收时1 m土层贮水量小于田间持水量的45%～48%时,贮水效率较高,1 m土层水分得到充分补充的降水阈值为388 mm。该研究成果揭示了近40年陇东黄土高原休闲期降水和土壤贮水的转化规律,同时为指导区域水资源高效利用提供科学依据。     

陕北黄土高原区生态服务价值对土地利用变化的响应

为了给陕北黄土高原区生态恢复工程的经济效益评估提供科学数据和参考依据,基于遥感图像解译的土地利用变化数据,运用单位面积价值当量法,剖析了区域的生态系统服务价值对土地利用变化的响应。结果表明:(1)1997—2018年,土地利用格局的变化主要表现为农田向林木和草地转化,未利用地向草地、林木和农田转化; 这些转化同时促使研究区生态系统服务价值增加357.56亿元,增幅33.28%,其中榆林市增量最大,铜川市最小; 除食物生产功能价值量有所减少外,其他服务价值均在增加; 调节服务价值增加量最大,文化服务价值增幅最大。(2)研究区32.93%的区域生态服务价值增加,主要集中退耕还林区和防风治沙区; 农田向林木和草地的转化是价值增加的主要驱动力,促使服务价值增加363.64亿元,占总增加量的95.68%; 未利用地的转化是服务价值增加的另一贡献因子,促使价值量增加16.42亿元,占比4.32%。研究区5.92%区域生态服务价值减少,集中在西部风沙区和南部残塬区; 大型集中农场的修建导致林木和草地向农田转换,促使服务价值损失70.17亿元,占总损失量的93.08%。(3)榆林市辖区43.24%的区域生态服务价值在增加,延安市23.37%增加,铜川市仅11.51%。(4)在不同地物类型中,林木的生态服务价值增加最大,草地次之; 农田生态系统服务价值减少最多。以上监测结果说明,研究区生态恢复工程的实施使其土地利用结构发生变化,随之促使生态服务价值显著增加,生态恢复工程取得了一定的经济效益。     

基于遥感影像与逻辑回归模型的延河流域沟壑分布概率预测

为研究黄土高原沟壑地貌空间分布特征,开展了基于遥感影像和机器学习的沟壑地貌提取,研究了延河流域沟壑地貌空间分布及其环境控制因子。以Google Earth Pro平台为支撑,在人工提取大量沟壑地貌样本的基础上,基于Landsat8 OLI影像波段信息,采用主成分分析前3个变量、缨帽变换前3个变量、NDVI、高程、坡度和坡向10个因子,使用逻辑回归模型预测整个延河流域的沟壑概率分布。结果表明:(1)在10个变量因子中,因子Brightness的R²_McF为0.158,重要性最大,因子elevation的R²_McF为3.6×10^-5,重要性最小;(2)最优逻辑回归模型由组合因子Brightness,PCA₁,Greenness,Wetness,PCA₃和slope确定,其重要性R²_McF为0.206;(3)最优逻辑回归模型的沟壑概率预测精度为73.72%,ROC曲线下面积即AUC值为0.80;(4)延河流域沟壑地貌约占整个延河流域面积的52.05%。研究表明,延河流域沟壑分布呈现从西北方向到东南方向逐渐集中的特点。     

2000—2019年黄土高原地区土壤保持时空变化及影响因素分析

为揭示全球气候变化背景下黄土高原的生态建设成效,以土壤保持量为评估指标,应用美国修正通用土壤流失方程,评估了黄土高原土壤保持服务功能以及植被、气象等因素对其影响,分析了2000年以来植被和气候变化影响下黄土高原土壤保持量时空动态变化特征。结果表明:2000—2019年黄土高原土壤保持量平均值为109.5 t/hm²,并呈增加趋势,平均每年增加2.0 t/hm²,空间分布黄土高原中部和东部土壤保持量增加较明显。2000年以来黄土高原地区植被NPP呈增加趋势,年平均值为330.5 gC/m²,且平均每年增加7.2 gC/m²; 2000年以来植被覆盖度年平均值为29.2%,且以平均每年0.52%的趋势增加。黄土高原地区2000年以来气温和降水量均显著增加,平均年降水量为469.1 mm,且呈增加趋势,平均每年增加3.1 mm,年平均气温为10.2℃,平均每年增加0.03℃。黄土高原生态恢复措施加强,加之区域“暖湿化”有利气候条件,促进了区域生态建设成效显现,成为黄土高原生态恢复、功能提升的重要因素之一。     

气候与下垫面变化对黄土高原蒸散发变化的影响评估

为了揭示近20年黄土高原蒸散发(evapotranspiration,ET)时空变化规律,明晰气候和下垫面变化对蒸散发的影响作用。基于黄土高原295个气象站数据、PML_V2 ET产品及MOD13A1 EVI产品,采用趋势分析和多元回归分析等统计方法,分析了2000—2018年黄土高原蒸散发时空变化特征,并评估了降雨、温度、日照时间、饱和水汽压差、植被和非植被下垫面等影响要素的相对贡献率。结果表明:(1)2000—2018年黄土高原蒸散发年际变化率为4.47 mm/a,62.8%的区域蒸散发呈显著增加趋势,主要分布在山西、青海、陕西省北部地区;不同土地覆盖ET为森林＞农田＞草地＞灌木。(2)植被显著增加是黄土高原ET变化的主导因子,其相对贡献率最大(32.1%);不同气象要素对黄土高原ET相对贡献率大小为降雨(14.6%)＞饱和水汽压差(13.2%)＞温度(12.4%)＞日照时数(10.0%);非植被下垫面变化(水土保持工程措施等)对ET变化的影响作用不容忽视。(3)气象要素和增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)对林草覆被ET影响作用＞农田覆被ET,而非植被下垫面要素对农田覆被ET的影响作用较大。研究结果为黄土高原生态建设、水资源消耗恢复和水资源可持续性评价提供科学支撑。     

黄土丘陵区第三副区人工牧草SCS-CN值率定研究

径流曲线数法(SCS-CN模型)是估算地表径流的常用方法,可以快速评估不同地表覆盖对降水径流关系的影响。为探讨径流曲线数法在黄土高原地区人工牧草措施下的适用性,提高植被恢复对黄土高原水资源影响的理解,为黄土高原人工牧草地表径流估算提供理论参考,选取黄河水利委员会天水水土保持科学试验站罗玉沟试验场7个径流小区中73场降雨径流事件资料,采用步长法对黄土高原人工牧草标准SCS-CN模型的径流曲线数(CN)和初损率(λ)进行优化率定。结果表明:(1)人工牧草最优λ值为0.15,而对照农田为0.18;(2)不同种类牧草CN值差异不显著,约为79,对照农田CN值为81,表明美国土壤保持局推荐的CN值对黄土高原人工牧草径流计算具有适用性,但λ值需根据实际情况进行优化率定;(3)根据前期土壤湿度情况修正S值,模拟效果较为理想,修正后的SCS-CN模型适用于黄土高原半干旱人工牧草地区。     

一次青藏高原短时强降水的数值模拟及成因分析

利用NCEP／NCAR提供的水平分辨率为1°×1°的格点资料和WRF模式对2011年8月发生在青藏高原的一次短时强降水进行了数值模拟,并利用模式输出的高分辨率资料对此次降水进行诊断分析。结果表明,WRF模式能够较好地模拟此次高原强降水,较成功地再现了造成降水的系统;降水发生前,35°N附近低层大气有一条东西走向的强气流辐合带生成并东移扩张,这条辐合带在17日16：00开始影响降水中心,使得降水中心低层出现短时的强辐合运动。加上充沛的水汽供应．导致短时强降水的爆发。