河南省冬小麦种植面积遥感监测及其时空特征研究

【目的】准确实现河南省冬小麦种植面积的遥感提取,并探索河南省冬小麦种植面积的变化过程。【方法】将遥感监测与统计数据结合,以多时相MODIS遥感影像作为数据源,分析制定了冬小麦信息的提取规则,利用统计数据辅助确定规则中的阈值选取,以减少阈值选取的主观性,提取出河南省2004—2013年冬小麦种植面积,并分析了河南省2004—2013年冬小麦种植面积的时空变化。【结果】遥感监测结果与各地市统计值具有较高的相关性(R2=0.938 5),在平原地区具有较高的精度,监测精度为89.5%,而在受到地形等因素影响的地区,冬小麦种植面积的分布相对破碎,监测精度具有较大误差,个别地区甚至不足50%。从空间上看,河南省冬小麦种植面积的空间分布总体较为集中,主要分布在河南中东部的黄河平原和淮河平原地区和豫西南的南阳盆地地区。从时间上看,河南省冬小麦种植区域总体变化较小,种植年份较为稳定的区域主要分布于豫东平原地区,累积种植年数显著增加地区主要分布于南阳盆地地区,累积种植年数显著减少地区的分布较为分散,无明显的分布趋势。【结论】基于遥感和统计数据相结合的方法可准确监测平原区冬小麦种植面积,河南省冬小麦种植面积的时空变化均较为稳定,为保障我国粮食安全发挥着重要作用。     

基于遥感数据的大尺度区域水田空间格局及生态服务价值变化分析

受经济和气候驱动,长江经济带水田空间格局发生了显著变化,影响区域粮食安全与生态安全。本研究基于1990-2015年土地利用遥感监测数据,利用GIS的空间分析功能,探究长江经济带水田空间格局动态变化特征,采用当量因子法计算生态系统服务价值（ESV）,分析了水田变化的综合影响。结果表明：1）1990-2015年长江经济带水田规模持续缩减,共减少了17390km²,减幅呈增长态势具有显著地域差异,长江中上游与下游的水田减幅相差约为9.56%。其中下游减幅较大,水田占区域比例随之降低,中上游恰好相反。2）由于经济建设及水产养殖的发展,水田主要转化为建设用地和水系,水田主要由水系、旱地和湿地等转化而来。长江三角洲城市群、长江中游及成渝城市群的水田变化最为剧烈,建设用地侵占水田扩张的现象分布广泛,水田转为水系主要在两湖平原局部地区。3）水田与其他生态系统的转化对ESV是正影响,水田转为水系对此贡献最大,其转化规模决定了不同时期ESV净增量的大小,水系转化为水田损失的价值最多,建设用地侵占水田次之。不同市域的水田变化情况不一致,因此ESV增减情况具有明显差异。4）生态系统服务中水文调节、水资源供给增强的同时,食物生产、气体调节受到严重损害,与水资源规模扩大和水田资源大量流失有直接关系。研究结果有助于揭示长江流域水田的时空变化过程及其对各项生态系统服务的影响,可为区域土地利用规划、农业政策与生态可持续发展提供理论支持。     

漓江上游山区复杂地形水热通量的时空变化规律

为了估算漓江上游农林经济的发展对决定地表微气候环境的水热通量的影响,计算山区复杂地形影响下的地表太阳辐射以改进SEBAL模型,提出归一化水热通量使不同时相具有可比性,对漓江上游1989-2006年5景TM/ETM卫星图像利用改进模型反演水热通量。结果表明,在空间上随植被覆盖度的增加,显热通量降低而潜热通量增加,植被覆盖度在0.2～0.7时的影响非常显著。1989-2000年植被覆盖度均值明显降低,而2000-2006年逐渐上升,导致波文比(显热与潜热比)均值明显升高然后逐渐降低,归一化潜热数值较高的像元比例减少然后增加,归一化显热数值较高的像元比例增加然后减少。尽管在2006年植被覆盖度均值接近于1989年,但波文比均值仍明显高于1989年。研究区经济林、旱地农作物面积的增加,阔叶林面积减少,水源林的减少与退化,导致了显热与潜热比平均值的升高。     

北京典型边缘区25年来土壤有机质的时空变异特征

采用地统计学和GIS相结合的方法,研究了北京典型边缘区25 a来两个阶段(1981～2000年,2000～2006年)土壤有机质含量(SOM)的时空变异特征.研究结果表明:土地利用类型及土地利用方式的转换对土壤有机质含量产生重要影响.1981～2000年,荒草地向耕地的转换以及因灌溉设施的完善而引起水浇地面积的增加使得整个研究区域土壤有机质含量普遍增加,有机质含量平均值从9.64 g/kg增加到12.35 g/kg,增加了28%;在利益的驱使下,农户改变了土地利用方式,不再向种植粮食作物的土地追加投入,研究区域土壤有机质含量平均值由12.35 g/kg降低到11.46 g/kg(2000～2006年).空间上,1981年土壤有机质含量自北向南逐渐降低;与1981年相比,2000年的土壤有机质含量普遍增加一个级别,增加最多的区域分布在研究区域的中部,这些区域也是土地利用类型变化明显的地方,主要是荒草地向其他农用地的转换;与2000年相比,2006年研究区域内土壤有机质含量增加的只有3个地区,并且大部分增加不显著,增幅不到1g/kg.     

1961-2010年黄河源区蓝绿水资源时空变化

利用SWAT(soil and water assessment tool,SWAT)模型和非参数检验方法(Mann-Kendall),从时空尺度上分析了黄河源区1961-2010年蓝绿水资源量多年平均变化和各生长季节的变化规律。研究结果表明,在时间上,近50 a来,黄河源区绿水资源量多年平均是蓝水的2倍以上。黄河源区蓝水资源春、秋两季减少,秋季显著减少,减少幅度0.355 mm/a,夏季略微增加;绿水资源春季减少,夏、秋两季增加,秋季显著增加,增加幅度0.286 mm/a。在空间上,黄河源区蓝绿水资源量在各季节呈现出由东南向西北递减的趋势,东南部地区蓝水资源秋季减少明显,减小幅度最大为1.98 mm/a,绿水资源量夏、秋两季增加明显,最大为1.62 mm/a。随全球气候的变化,蓝绿水资源量在时空上差异将会进一步加大。因此,应加强黄河源区水资源的管理,减少源区绿水尤其是其中无效用水(蒸发)的消耗,减少生长季高耗水作物的种植,以保证中下游地区水量的有序供给。     

中国农田小麦和玉米产量时空演变及驱动因素

探究中国小麦和玉米产量的时空变化特征和关键驱动因素,为粮食安全战略决策提供理论依据。基于农业农村部近30年（825个点位,1988－2019年）全国农田监测数据,分析了小麦和玉米产量的时空变化特征,利用逐步回归和随机森林模型探究施肥、气候和土壤属性对产量变化的影响,最后通过偏最小二乘法探究各指标影响产量变化的主要调控路径。结果表明,近30年,小麦、玉米单作和二者轮作下平均产量分别为5.05、9.05、6.01和7.08 t/hm2,相应的变异系数为36.6%、26.2%、32.1%和28.0%,相应作物产量随时间的增加速率分别为100、159、46和98 kg/(hm2·a)（P<0.05）。同其他作物轮作下的小麦产量、变异系数和变化速率分别为5.29 t/hm2、28.6%和67 kg/(hm2·a)（P<0.001）。高产玉米主要分布在西北（单作）和华北地区（与小麦轮作）;高产小麦主要分布在同玉米轮作下的长江下游和华北地区。西南地区小麦和玉米产量最低。除了西南和长江中游地区小麦玉米轮作下的小麦产量随监测时间延长呈负增长,其他各区域及全国尺度上的产量均呈正增长。逐步回归结果表明：氮肥对小麦和玉米产量的调控作用均达到极显著水平（P<0.01）,而土壤pH的调控作用均未达到极显著水平。针对不同区域而言,随机森林结果显示：除了气候和氮肥的重要性以外,有机质在大部分区域（尤其是西南地区）对产量变化的重要性较大,而钾肥对华北和西北地区的玉米产量变化的重要性较大。通过偏最小二乘法分析发现,土壤属性、肥料投入和气候三者对产量调控的总效应分别为47.6%、29.4%和23.0%,气候主要是通过影响土壤属性和施肥进而调控作物产量。近30年中国小麦和玉米产量整体上呈不断增加趋势,但是西南和长江中游地区小麦玉米轮作下小麦产量随时间呈降低趋势,需引起重视。土壤性质对小麦和玉米产量变化的影响高于施肥和气候,除了氮肥是调控各区域作物产量的关键因素以外,华北、东北和西北地区在种植玉米时还应当重视钾肥合理的投入,而西南地区应当将提升土壤有机质和有效磷含量作为实现高产稳产的主要措施。     

基于时空域联合信息的高原鼠兔运动目标检测

自然场景下的高原鼠兔序列图像对比度低,边缘较弱,目标包含多色彩且目标运动具有突变性。针对传统运动目标检测方法不能精确提取多色彩目标轮廓的问题,提出一种基于时空域联合信息的运动目标检测方法。首先,利用背景减法确定当前帧图像中目标的形心位置,得到粗分割图像及初始轮廓,然后用改进Chan-Vese(CV)模型对粗分割图像进行分割,改进Chan-Vese模型对多色彩目标图像适应性强,从而获得精确的目标轮廓。鉴于几何活动轮廓模型在图像分割过程中需不断初始化水平集函数,且初始化计算量随图像规模的增大而增多,该文在背景减法获得目标形心的基础上,以形心为中心,截取包含目标的图像块作为粗分割图像,然后利用改进Chan-Vese模型对粗分割图像精确分割,以减少分割耗时。该文对包含50帧图像的视频处理,试验结果显示:该文方法耗时仅为15.25 s,相似度指数平均为0.852 929,Jaccard指数平均为0.744 57。和背景减与CV模型相结合的运动目标检测方法相比,该文方法过分割率低,无冗余轮廓,且耗时短;和背景减与改进CV模型相结合的运动目标检测方法相比,该文实时性更高;该文所提出的目标检测方法可精确提取目标轮廓且实时性高。     

1993-2015年中国草地净初级生产力格局及其与水热因子的关系

[目的]估算1993-2015年中国草地净初级生产力（net primary productivity,NPP）,分析其时空变化格局及与水热因子的关系,了解这一时期中国草地生态系统的生产力水平及其对水热因子变化的响应。[方法]基于长时间序列遥感数据,气象数据和植被类型数据,运用CASA模型（Carnegie-Ames-Stanford Approach）估算草地净初级生产力,利用一元线性回归、二阶偏相关分析以及GIS空间分析方法,探讨草地NPP的变化趋势以及与对水热因子的关系。[结果]①1993-2015年,中国草地NPP年均总量为7.595×10¹⁴ g （以C计）,单位面积NPP均值为296.76 g/m²/a。总体上,草地NPP呈现从东部到西部、从南部到北部逐渐减少的空间分布特征。②1993-2015年草地NPP总量以-1.415×10¹² g/a的线性速率（p>0.05）波动式下降。其中,1993-2010年草地NPP总量以-2.312×10¹² g/a的线性速率（p<0.05）显著降低,2011-2015年草地NPP总量以7.00×10¹¹ g/a的线性速率（p>0.05）波动式上升。1993-2015年,NPP呈减少态势的面积大于NPP呈增加态势的面积且40.40%的草地NPP呈现显著性变化。③年际变化上,除去2011年以来草地NPP的波动性变化,草地NPP与太阳总辐射和降水量的二阶偏相关性显著,与年平均气温没有表现出显著的相关关系。空间分布上,草地NPP与太阳辐射显著偏相关的面积 > 与降水显著偏相关的面积 > 与气温显著偏相关的面积。[结论]1993-2015年,中国草地NPP总体上呈现普遍降低、局部改善的变化特征。这种变化主要受到太阳总辐射和降水量的影响,受温度变化的影响较弱。     

伊犁察南灌区土壤盐分时空变异特征与运移机理研究

以伊犁河谷察南灌区为研究区,运用磁感式电导率快速获取技术及室内分析相结合手段,通过构建盐分解译模型,获取2015年及2016年秋季0~30 cm、30~60 cm、60~100 cm土壤盐分含量。对土壤各土层进行了盐渍化分级统计和半方差函数分析及空间插值分析。对研究区高程信息进行提取,并通过调查河流影响范围对河流进行缓冲区分析。旨在构建适用于研究区及同类型灌区磁感式盐渍土地快速精量诊断评估与利用规划技术体系,了解干旱、半干旱区灌溉农田土盐时空变异特征,并对土盐时空运移机理进行研究。初步研究表明,相比于2015年秋季,2016年秋季研究区非盐化土面积显著减小,中度盐化土面积显著增加,非盐化土、轻度盐化土呈现向中度盐化土演变的趋势;研究区土壤盐分呈现向中部及东部区域运移的趋势,盐化土面积增加,且盐分含量均值增大;另外,在空间大尺度范围上,河流是影响土盐运移的主要影响因素,在局域小尺度范围内,地势是影响土盐运移的主要影响因素。     

多源小班时空数据更新框架

将时空理论与当前森林资源调查和监测工作紧密衔接,提出由时空数据建模、数据采集、时空数据库和数据更新共同构成的框架。不同方式采集的数据,被组织成3个层次的对象,更新到按时空数据模型定义的时空数据库中,并实现正确的对象关联、空间约束和时间约束。通过原型系统验证了框架的可行性。