辐射传输模型多尺度反演植被理化参数研究进展

植被是生态系统最重要的组成成分之一,许多与植被有关的物质能量交换过程都与植被的理化参数密切相关,因此定量估算植被的理化参数含量对监测植被生长状况、森林火灾预警以及研究全球碳氮循环过程等都具有重要意义.在众多定量反演植被理化参数的方法中,基于数学、物理学以及生物学的基本理论建立起来的辐射传输模型受到越来越多的关注.辐射传输模型描述了植被与入射辐射之间的相互作用过程和特征,相对于传统的经验/半经验方法,辐射传输模型物理意义明确,具有稳定性和可移植性强的特点.在分析国内外最新相关研究的基础上,首先从植被叶片、冠层和像元3个不同的尺度阐述反演植被理化参数的辐射传输模型.叶片尺度上主要介绍PROSPECT模型和LIBERTY模型;冠层尺度上主要介绍SAIL冠层辐射传输模型以及PROSPECT与SAIL耦合的PROSAIL叶片-冠层辐射传输模型;像元尺度的植被理化参数反演目前主要采用冠层尺度的辐射传输模型.其次,分析尺度变化下植被理化参数遥感反演所面临的主要问题,如不同尺度下模型参数敏感性的变化、辐射传输模型的选取以及混合像元的影响等.最后,总结展望植被理化参数反演多模型与多种数据源相互结合的研究趋势,以及将来具有高空间分辨率的高光谱遥感卫星升空后所带来的发展前景.     

植被叶面积指数遥感反演的尺度效应及空间变异性

遥感作为宏观生态学研究中数据获取的一种便捷手段,有助于把握较大尺度内生态学现象的特征.应用遥感数据反演LAI时,由于像元的异质性,不同尺度遥感数据之间的转换是遥感发展的一个重要问题.以河北省黄骅市为研究区,在利用TM和MODIS遥感数据对芦苇LAI反演误差产生原因进行分析的基础上,利用半变异函数对像元空间异质性进行了定量描述.发现NDVI算法的非线性带给LAI尺度转换的误差很小,而LAI的空间异质性则是引起LAI尺度效应的根本原因.并且当像元内空间异质性很大时半变异函数的基台值比纯像元要大得多,空间自相关的程度是引起LAI尺度转换误差的主要原因;反之,像元内空间异质性不大时,随机误差是引起LAI尺度转换误差的主要原因.当像元为纯像元时,由像元异质性引起的反演误差基本可以忽略.此外,研究区芦苇的空间相关有效尺度约为360m,超过此距离空间相关性则不复存在.     

荒漠植被植物种多样性对空间尺度的依赖

物种多样性与空间尺度的关系是植物生态学的一个研究热点。传统植物生态学研究认为种面积曲线方程中 Z值是个近似常数 ,但近期对森林和草原群落的研究表明 Z是随尺度变化的。在荒漠带选择了 10个样地 ,每个样地包括 1m2 到 1km2 的 6个空间尺度样方 ,研究荒漠地区物种多样性与空间尺度的关系。结果表明 :荒漠植被物种多样性随空间尺度的增大空间依赖性减弱 ,Z也是随尺度变化的。对荒漠植被种面积曲线 Z的研究结果支持了 Z随尺度变化的结论 ,但 Z是随尺度增加而减小 ,斜率 z值从 0 .37降至 0 .0 35 ,与草原和森林群落 Z值随尺度增加而增加的结论是相反的。     

土壤侵蚀定量评价的空间尺度效应

土壤侵蚀的空间尺度效应使得小尺度上观测到的大量数据无法得到有效的利用,给多空间尺度土壤侵蚀定量评价带来了困难和问题。对土壤侵蚀定量评价研究中的空间尺度效应及其机理和空间尺度转换方法进行了综述。分离、搬运和堆积子系统之间的协同效应与大尺度土壤侵蚀背景条件之间的协同效应是土壤侵蚀空间尺度效应产生的根本原因。在土壤侵蚀定量评价中,基本侵蚀单元地表参数的定量描述是建立土壤侵蚀空间尺度转换模型的基础。     

甘肃永登县土地利用景观格局的空间尺度效应

依据“斑块-廊道-基质”模式,研究了甘肃省兰州市永登县景观格局的空间尺度效应.结果表明:草地为整个研究区景观结构的基质;廊道包括道路和河流;其余景观组分(耕地、林地、园地,住宅用地、工矿用地、公共管理与服务用地和其他土地)均为斑块.斑块类型水平指数与景观水平指数均表现出明显的空间幅度依赖性.不同景观组分的斑块类型指数的尺度效应在不同幅度区间存在差异性,景观水平指数的尺度效应在不同幅度区间也存在差异性.在1～20 km幅度区间,尺度效应的组分类型、指标类型之间差异最为明显;在21～90 km幅度区间,尺度效应的组分类型、指标类型之间差异较小;在>90 km幅度后,尺度效应消失.90 km×90 km为研究景观格局尺度依赖性的有效幅度.     

基于多光谱影像的森林树种识别及其空间尺度响应

当前,不同空间分辨率卫星影像对森林类型识别结果中普遍存在的尺度效应,而且纹理参量对不同尺度下树种识别精度的影响仍缺乏广泛认知.本研究以中国东北旺业甸林场为研究区,采用观测时相同步、地理坐标匹配的GF-1 PMS、GF-2 PMS、GF-1 WFV,以及Landsat-8 OLI卫星传感器数据组成空间尺度观测序列(1、2、4、8、16、30 m),并结合支持向量机(SVM)模型,探讨了区域内5种优势树种遥感识别结果的尺度变化规律及其纹理特征参数的影响,同时检验了基于尺度上推转换影像的树种识别结果差异.结果表明: 影像空间分辨率对区域树种识别结果具有显著影响,其中,研究区森林树种识别的最佳影像分辨率为4 m,当分辨率降低至30 m时,树种识别结果最差.在1～8 m影像分辨率范围内,增加纹理信息能够显著提高不同优势树种的识别精度,使总分类精度提升了2.0%～3.6%,但纹理信息对16～30 m影像的识别结果没有显著影响.与真实尺度卫星影像相比,基于升尺度转换影像的树种识别结果及其尺度响应特征存在显著差异,表明在面向多个空间尺度的遥感观测和应用研究中,需要采用真实分辨率影像以确保结果的准确性.     

土壤速效养分空间变异的尺度效应

在GIS技术支持下,运用经典统计学和地统计学的方法,从经典统计分析、变异函数和Kriging插值图等方面探讨了禹城市耕地土壤速效磷(AP)、速效钾(AK)在县级和镇级两个不同采样尺度下的空间变异特征.结果表明:在两个采样尺度下,AP、AK都服从对数正态分布,它们的变异系数范围为26.5%～36.6%,均属中等变异强度,随着采样尺度的缩小,土壤AP、AK的变异系数都增大.两个采样尺度下,土壤AP和AK均在一定范围内存在空间相关关系,县级采样尺度下土壤AP和AK的空间自相关距离较大,分别为9.0 km和26.5 km,镇级采样尺度下土壤AP和AK的空间自相关距离明显变小,分别为1.7 km和2.8 km.两个采样尺度下的土壤AP和AK受结构性因素和随机性因素的影响,表现出明显不同的分布规律.     

大兴安岭次生林空间分布格局及其尺度效应

研究大兴安岭落叶松林、白桦林和落叶松+白桦混交林3种次生林中,不同树种(落叶松、白桦和其他)和不同大小级(Ⅰ～Ⅴ级)树木的空间分布格局及其尺度效应。结果表明:3个林型中,仅落叶松林的更新数量达到良好状态,其余2种林型均为更新不良;各林型中,更新层幼苗、幼树的数量组成均与乔木层存在显著差异,且各林型中树木的直径(落叶松林和落叶松+白桦混交林除外)和树高分布也不够合理,3个林型均属于不稳定群落。各林型内林木空间分布整体以聚集分布为主,但方差/均值比率、负二项指数、Green指数、平均拥挤度和Morisita指数5个判别指数随尺度的变化显著不同,并以线性递增(40%)、幂函数递增(22%)和负二次多项式(20%)趋势为主。Ⅰ～Ⅲ级的更新层林木在不同尺度上以聚集分布为主,而乔木层(Ⅳ～Ⅴ级)在多种分布格局间波动,其对尺度的响应同样以线性递增(44%)、幂函数递增(15%)和负二次多项式(12%)为主。同一林型和取样尺度下,林木空间聚集程度整体随着林木大小级的增加呈线性下降趋势。各林型中,非优势树种的种群格局规模往往大于优势树种,而更新层林木空间格局规模大于乔木层。     

基于多光谱遥感影像的表层土壤有机质空间格局反演

利用多光谱LandSat TM遥感影像反演辽宁省阜新镇表层土壤有机质的空间格局,筛选出与土壤有机质分布相关的TM波段,分析并确定表层土壤有机质含量与TM1、TM2、TM3、TM4、TM5、TM6、TM7波段亮度值(digital number,DN)的相关关系,建立了土壤有机质含量的光谱预测模型.结果表明:研究区表层土壤有机质含量与TM4、TM5波段DN值呈极显著的负相关关系(r分别为-0.617和-0.623,P0.001),与TM3、TM5波段DN值之间满足负二次多项式回归关系(R2=0.9134,P0.001);基于TM3、TM5波段DN值的回归模型对研究区表层土壤有机质含量的预测结果可靠(R2=0.9151,P0.001).研究区表层土壤有机质含量10g·kg-1的农田主要分布在山地边缘地带,而平坦地区农田表层土壤有机质含量一般10g·kg-1,部分达到15～20g·kg-1.     

广东山区土壤有机碳空间变异的尺度效应

研究土壤有机碳的尺度效应能够为区域生态环境保护和确定合理的土壤取样间距提供科学依据。采用土壤类型法估算了广东山区表层(0-20 cm)和全剖面(0-100 cm)土壤有机碳密度,选择4条采样带,获取采样间距为250 m的土壤有机碳密度序列,并利用离散小波变换工具对其进行多尺度分解,得到2×250 m、2²×250 m、2³×250 m、2⁴×250 m、2⁵×250 m和2⁶×250 m 6个分解尺度上的小波信息,计算小波信息方差。结果表明:土壤有机碳密度具有较强的空间异质性,其空间异质性的大小受控于不同尺度下土壤有机碳密度分布格局的主导因子影响程度;整体上在大于等于1 km的尺度,其空间异质性较强;各个样带特征尺度的差异与各样带的土壤和植被类型、地貌特征以及土地利用方式、耕作管理方式等人类活动干扰强度有关。     

空间幅度变化对景观格局分析的影响

景观格局指数是量化描述景观格局特征的主要方法之一,各种格局指数的尺度依赖性使比较分析景观格局特征和尺度推绎复杂化,分析不同指数随空间幅度变化的一般行为有助于景观格局分析结果的解释和降低空间尺度推绎的复杂性。研究以2种真实景观和27种模拟景观为分析对象,考查了16种常用的景观水平格局指数随空间幅度变化行为。根据这些指数因幅度变化行为可预测性把它们分为两类：第1类随幅度变化可预测性强,指数与幅度之间的关系可用简单的函数关系来表达;这类指数包括缀块数、边界总长、景观形状指数和缀块丰度密度;前两者随幅度增加呈幂函数形式增加,而缀块丰度密度随幅度增加呈幂函数下降,景观形状指数随幅度增加呈直线增加。第2类指数随幅度变化的可预测性较差,指数随幅度的变化存在多种可能(不同形式的增加、减小或保持不变),不可用一种或多种简单的函数关系来描述所有的情况。这类指数包括缀块丰度、缀块密度、边界密度、最大缀块指数、平均缀块面积、缀块面积标准差、缀块面积变异系数、平均缀块形状指数、面积加权平均缀块形状指数、双对数回归分维数、聚集度指数与Shannon多样性指数。第2类指数随幅度的变化行为受景观格局特征和指数本身算法的影响。总体上来说,第2类格局指数随幅度变化呈折线增加或减小;但当景观的缀块类型较多、各类型优势度比较均等、空间分布格局比较随机时,它们随幅度变化形为的可预测性增加,随幅度增加的函数关系主要有3种：幂函数减小、对数函数增加或直线增加,因指数和格局特征不同而异。研究的结果在揭示了常用景观指数随幅度变化的一般关系外,也启示我们在进行景观格局的比较分析,比较景观的幅度应相同或采用尺度效应图(scalograms)更有效。     

边缘效应的空间尺度与测度

综述了边缘效应的空间尺度类型以及在不同尺度上的测度方法.基于大量的研究整合,认为边缘效应空间尺度的划分,可以根据空间尺度的不同以及边缘效应形成和维持因素,分为大中小3个尺度类型,即大尺度的生物群区交错带、中尺度的景观类型之间的生态交错带和小尺度的斑块(生态系统)之间的群落交错区.大尺度主要是以植被气候带为标志的生物群区间的边缘效应,这种地带性的交错区主要受大气环境条件的影响.中尺度类型主要包括城乡交错带、林草交错带、农牧交错带等类型,是不同生态系统要素的空间交接地带,在物质能量等相互流动的作用下变得更为复杂.小尺度水平上是指斑块之间的交错所形成的边缘效应,受小地形等微环境条件及生物非生物等因子的制约,研究主要集中在群落边缘、林窗边缘和林线交错带等方面.对边缘效应测度的定量化研究有助于更加深入理解边缘效应.在大尺度水平上,边缘效应测度的研究主要是应用数量生态学等方法,研究不同气候带之间界线的划分及其物种分布的梯度规律性.中尺度水平上应用景观生态学的3S技术等方法,侧重于研究交错带的动态变化趋势及位置宽度的判定.小尺度水平上通过对距离边缘的长度,各群落中种群的数量、结构、多样性等定量指标的测定来构建测度公式,从而对边缘效应的强度进行量化,并反映边缘对群落的正负效应.总体上看,主要集中于中小尺度上,未来应该强化大尺度边缘效应测度的研究.     

坡向尺度差异对大理苍山捕食线虫真菌分布格局的影响

为了解大理苍山地区不同尺度坡向上捕食线虫真菌的分布格局及其驱动因素,利用系统采样法对大理苍山东、西坡及其次级南、北坡的捕食线虫真菌进行调查。按照五点采样法采集苍山东、西坡及其次级南、北坡土壤样品共300份。采用传统方法对捕食线虫真菌进行分离纯化,结合形态特征和分子生物学方法鉴定所得菌株,按照新分类系统进行分类,鉴定为3属12种57株捕食线虫真菌。结果表明：苍山各尺度坡向捕食线虫真菌检出率和多样性指数均是西坡大于东坡,次级南坡大于次级北坡。次级南、北坡向间捕食线虫真菌群落差异大于东、西坡向间;西坡次级南、北坡向间的群落差异最大;东、西坡向的次级南坡向间群落差异也较大;东坡次级北坡与西坡次级北坡间的群落最为相似。产黏性菌网的Arthrobotrys属、产黏性球和黏性分枝的Dactylellina属在东、西坡及其次级南、北坡间均有分布,而产收缩环的Drechslerella属仅在西坡有分布。因此,坡向是影响苍山捕食线虫真菌空间分布格局的驱动因子之一,不同尺度坡向上捕食线虫真菌分布格局存在差异;次级南、北坡间捕食线虫真菌群落差异性比东、西坡间大,小尺度坡向间地理屏障对捕食线虫真菌分布格局的影响大于大尺度坡向间环境异质性的作用;环境筛选和扩散限制均会影响到捕食线虫真菌的群落构建过程。     

The peninsula effect on bird species in native eucalypt forests in a wood production landscape in Australia

The peninsula effect – a decrease in species richness from the base to the tip of a peninsula – has been tested for a diverse range of taxa at continental and regional scales. We investigated the peninsula effect at a local scale by examining bird species occurrence in riparian strips (peninsulas) of native eucalypt forest within a radiata pine plantation in the Tumut region, south-eastern Australia. Peninsulas were elongated but 'blind' extensions of a core area of native eucalypt forest. Birds were surveyed by the area search method, within 1.0-ha quadrats established along peninsulas ( n =14), in October and November 2002. Data were analysed using generalized linear mixed models. A significant decrease in bird species richness from the base towards the tip of the peninsulas was observed. The proportion of large bird species recorded per quadrat showed a significant decrease from the base towards the tip of the peninsulas. This pattern was not observed for small birds. Several species were more abundant at the base of the peninsulas than away from the core area of eucalypt forest. The peninsula effect can occur locally in landscape mosaics. Factors leading to the observed patterns of species occurrence may be distinct from those proposed in investigations of the peninsula effect with a biogeographical (macroscale) context. In our microscale study, foraging incursions of individual birds from the core area of native forest through peninsulas were a major factor giving rise to higher bird species richness in the more basal portions of peninsulas.     

祁连山部分地区山地景观格局空间幅度效应的研究

三元图能有效反应多种斑块类型对景观格局的影响, 依据“斑块-廊道-基质”模式, 比较各斑块类型对整个研究区的响应。选择祁连山100 km×100 km的某正方形区域为研究区并运用景观格局指数法对研究区的空间幅度效应进行研究, 同时得出研究区尺度依赖性的有效幅度和特征尺度。结果表明: (1)草地为整个研究区景观结构的基质, 其面积最大, 在整个景观中占绝对优势; (2)在斑块类型中, 裸地在整个研究区中起主导作用; (3)12 km和88 km是研究区的两个特征尺度, 88 km幅度为研究区尺度依赖性的有效幅度, 超过这一幅度范围, 无论景观要素, 还是景观指数都失去了尺度依赖性。研究通过对祁连山部分地区景观格局与尺度效应的分析可以了解研究区景观格局空间特征及分布规律, 为祁连山的规划与管理、生态建设提供参考依据。