基于地表温度-植被指数关系的地表温度降尺度方法研究

地表温度(Land Surface Temperature, LST)在空间上和时间上均存在很大的差异性。而通过卫星遥感技术来监测地表温度存在着空间分辨率和时间分辨率上的矛盾:空间分辨率高的卫星时间分辨率低,反之亦然。为了解决这个矛盾,首先利用TsHARP (An algorithm for sharpening thermal imagery)温度降尺度方法将LST_MODIS,1km(1km MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)地表温度)图像(2004年9月9日上午)降尺度为LST_MODIS,500m(500m MODIS地表温度)图像。为了对降尺度LST_MODIS,500m图像进行验证,对研究区内同一天(2004年9月9日上午)的ETM图像的第6波段的辐亮度值升尺度到500m后,再利用Sobrino ETM(Enhanced Thematic Mapper)温度反演方法反演得到LST_ETM,500m(500m ETM地表温度)图像,将LST_ETM,500m图像作为当日地表温度的实测值,对降尺度LST_MODIS,500m图像的降尺度效果进行验证。对比结果表明降尺度LST_MODIS,500m图像更加精细刻画LST_MODIS,1km图像在空间上的分布格局;定量对比3种降尺度LST_MODIS,500m和LST_ETM,500m的RMSE分别为0.786、1.002,0.754℃,降尺度结果达到预期效果。     

基于MODIS数据的天山区域地表温度时空特征

基于2001-2013年MODIS地表温度产品及TM影像遥感解译的土地利用类型数据,对天山区域地表温度时空特征进行分析.结果表明: 2001-2013年,研究区地表平均温度达1.73 ℃,呈东高西低的特点,西北部分地区的地表温度年际变化幅度明显高于其他地区,局部地区在0.55 ℃以上;地表温度呈逐年缓慢增加趋势,增加率为0.147 ℃·a^-1,季节性差异明显,冬季地表温度波动幅度较大,变异系数达12.7%,地表温度的差异白天大于夜晚,夏季明显高于其他季节;不同土地利用类型的地表温度之间存在差异,与对应像元的归一化植被指数之间存在不同的拟合效果.随着植被盖度的增加,林地、草地地表温度下降明显,归一化植被指数每下降0.1时,林地和草地的地表温度降幅为3.74、5.04 ℃;受人为活动影响较多的城镇用地和农地的地表温度与归一化植被指数之间的敏感性高于其他土地利用类型.     

基于MODIS数据的天山区域地表温度时空特征

基于2001-2013年MODIS地表温度产品及TM影像遥感解译的土地利用类型数据,对天山区域地表温度时空特征进行分析.结果表明: 2001-2013年,研究区地表平均温度达1.73 ℃,呈东高西低的特点,西北部分地区的地表温度年际变化幅度明显高于其他地区,局部地区在0.55 ℃以上;地表温度呈逐年缓慢增加趋势,增加率为0.147 ℃·a^-1,季节性差异明显,冬季地表温度波动幅度较大,变异系数达12.7%,地表温度的差异白天大于夜晚,夏季明显高于其他季节;不同土地利用类型的地表温度之间存在差异,与对应像元的归一化植被指数之间存在不同的拟合效果.随着植被盖度的增加,林地、草地地表温度下降明显,归一化植被指数每下降0.1时,林地和草地的地表温度降幅为3.74、5.04 ℃;受人为活动影响较多的城镇用地和农地的地表温度与归一化植被指数之间的敏感性高于其他土地利用类型.     

基于遥感降尺度估算中国森林生物量的空间分布

森林生物量是陆地生态系统重要的碳库,其大小与空间分布特征直接影响森林的碳汇潜力。基于空间降尺度技术,以中国第六次国家森林资源清查资料为基础,同时结合1∶100万植被分布图及同期的基于MODIS反演的NPP空间分布,定量估算了1 km分辨率下我国森林生物量的空间分布。结果表明:(1)降尺度技术能有效结合遥感数据的空间特征与地面详查资料的统计特征,从而较好地解决当前生物量估算的区域尺度转化问题;(2)我国森林生物量存在明显的空间分布规律,与水热条件的空间分布格局基本一致,表现为西部较低东部较高,大型山脉分布处较高;(3)我国森林生物量总量11.0 Pg,平均生物量74.8 Mg/hm2,其中高值区主要集中在东北大小兴安岭和长白山地区、新疆山区、西南横断山脉地区以及东南武夷山地区。     

基于地表温度-植被指数特征空间的区域土壤干湿状况

土壤干湿状况是监测土地状况的重要指标之一,在水文、气候和生态等多个领域有广泛应用.地表温度-植被指数特征空间(Ts/VI)综合了传感器从可见光到近红外波段的信息,能较好地反映区域土壤干湿状况.以华北平原作为研究区,选择了研究区的云量较少的16幅MODIS产品,包括每日500m地表反射率产品(MOD09GA),每日1km地表温度产品(MOD11A1),建立温度-植被指数特征空间.首先利用线性方程拟合了特征空间的上下边界,改进了计算特征空间的干湿边的方法,并分析了干湿边参数随时间变化的趋势,比较了归一化植被指数(NDVI)和增强型植被指数(EVI)构建的地表温度-植被指数特征空间形状的差异.基于研究区107个土壤湿度站点的数据,讨论分别由Ts/NDVI和Ts/EVI特征空间计算得到的温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,简称TVDI,分别为TVDIN与TVDIE)和土壤湿度的相关性,以此验证TVDI反映区域土壤干湿状况的能力.利用Ts/EVI空间计算得到的TVDI分析了研究区4个时期土壤湿度的5空间分布规律.同时在气象站点尺度上,讨论了TVDI与降水变化的相关性.研究结果表明,TVDI能够反映土壤表层的干湿状况;Ts/EVI空间计算得到的TVDI与土壤湿度的相关性比Ts/NDVI空间计算得到的TVDI与土壤湿度的相关性要高.降水随时间变化的规律和TVDI也有明显的相关性,即:每次连续降水以后TVDI值下降,表明土壤湿度升高;经过一段无降水的时间之后,TVDI值上升,土壤湿度降低.研究区不同时期的TVDIE图表明,TVDIE能够有效的反映土壤湿度的时空差异,是一种有效的实时监测土壤干湿状况的手段.     

基于MODIS的海河流域生态系统空间格局

以2007年23时相MODIS增强型植被指数为数据源,利用决策树分类方法对海河流域生态系统进行了分类,分析了生态系统空间分布格局及其与地形因子的关系。结果表明：利用MODIS植被指数时间序列数据进行的生态系统分类,精度达到85.6％,Kappa系数为0.82。农田、城市和湿地生态系统分别占流域总面积的53.8%、1.0%和1.3%,主要分布在海拔<200 m的平原;森林生态系统占22.5％,主要分布在500～1000 m的低山;草地生态系统占21.4％,主要分布在1000 m以上的区域。农田、城市和湿地生态系统主要分布在坡度<2°的地区,森林和草地生态系统主要分布在5°～15°的地区。随着坡度增加,农田、湿地和城市生态系统所占比例减小,森林生态系统所占比例增加,草地生态系统所占比例则先增加后减小。     

基于MODIS植被指数的藏北高原植被物候空间分布特征

基于非对称高斯拟合算法重建了2001-2010年的MODIS EVI时间序列影像,利用动态阈值法提取2001-2010年各年藏北高原植被覆盖的关键物候参数(生长季峰值、返青期、枯黄期及生长季长度),并在此基础上分析了藏北高原植被覆盖的物候参数空间分布特征.结果表明:植被生长季EVImax、物候返青期及生长季长度均表现出从东南到西北过渡的水平地带性与东南高山峡谷区的垂直地带性相结合的空间格局;对于不同地表覆盖类型,EVImax、返青期、生长季长度均呈现农林混合区＞林灌区＞草甸＞草原＞荒漠草原的特征,枯黄期除农林混合区较迟外,其他4种地表覆盖类型时间接近;对于不同气候区划,植被生长季EVImax、返青期、生长季长度表现出半湿润区→半干旱区→干旱区的递变规律;研究区内植被物候受地形影响较大,随着海拔的升高,植被生长季EVImax降低、物候返青期推迟、生长季长度减小.     

闽南三市绿地景观格局与地表温度的空间关系

深入探索绿地景观格局对热环境的影响机制,对于改善城市生态环境具有重要意义。基于厦门、漳州、泉州三市的Landsat遥感数据,应用景观生态学与空间自相关理论,探讨了绿地景观与地表温度的空间分布特征,并用双变量空间自相关与空间自回归模型分析两者之间的空间关系。结果表明:闽南三市绿地与地表温度均具有显著的空间自相关性;内陆的高海拔地区,绿地分布密集,地表温度较低,而城区、乡镇及大片的耕地,绿地分布较少,地表温度较高;漳州、泉州绿地景观格局对地表温度的影响更显著,厦门最弱;绿地的景观类型比例、最大斑块指数、聚集度指数、平均斑块面积与地表温度呈负相关,斑块密度与地表温度呈正相关;边缘密度、平均形状指数与地表温度的关系存在不确定性;空间滞后模型与空间误差模型能更好地解释绿地景观格局与地表温度的空间关系。     

基于光纤测温技术的城市地表温度精细化分析

城市景观空间构型与热岛效应关联性较强,研究高时空分辨率的城市不同下垫面地表温度变化,可以更加精细地掌握城市热环境的时空特征。光纤温度传感系统具有实时在线、测温精度高和不受电磁干扰等优点,具备实时、在线、连续开展城市地表温度在线监测的能力。在北京市通州某园区内,选择有太阳辐射的4个时段,对多种类型下垫面的地表温度进行了时间间隔为1 min、空间间隔为1 m的连续4 h、总长度为100 m的实时在线监测。通过对监测时间段内不同类型下垫面地表温度的变化分析,发现这种分布式光纤测温系统能够有效辨识小尺度下地表温度的时间变化性和空间变化性,能有效区分透水和不透水地面,并监测和评估沥青马路地表温度的升温速率以及遮荫效果对地表温度的降温作用。同时,这种监测模式获取的数据能够对地表温度空间序列开展自相关分析,进一步验证了地表温度空间序列在较小尺度上仍然具有自相关性,且距离越近,相关性越大。研究同时表明,光纤测温技术能直接地获取城市热环境的现场真实数据,可以有效应用于小尺度城市热环境的观测与研究。     

森林生物量遥感降尺度研究

森林生物量是评价全球碳氧平衡、气候变化的重要指标。目前已有基于星载激光雷达数据的全球森林生物量产品,但空间分辨率较低,不能很好地满足小区域森林调查和动态监测的需要。针对这一现状,以美国马里兰州两个森林分布状况不同的区域为研究区,基于CMS(Carbon Monitoring System)30 m分辨率和GEOCARBON 1 km分辨率森林地上生物量产品以及TM等数据源,通过升尺度模拟低分辨率生物量数据和直接使用低分辨率产品两种方式,分别尝试建立了多光谱地表参数和低分辨率森林地上生物量之间的统计关系,以此作为降尺度模型实现了森林地上生物量空间分辨率从1 km到30 m的转换,并对降尺度结果进行精度评价和误差分析。结果表明:模拟数据降尺度后的30 m分辨率森林地上生物量空间分布和CMS森林地上生物量分布状况大致相同,RMSE=59.2—65.5 Mg/hm~2,相关系数约为0.7;其降尺度结果优于GEOCARBON产品直接降尺度结果RMSE=75.3—79.9 Mg/hm~2;相较于线性模型,非线性模型能更好地呈现森林地上生物量和地表参数间的关系;总体上,降尺度生物量呈现高值区低估,低值区高估的现象。