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基于多源遥感数据的草原植被状况变化研究

作　者: 张宏斌
导　师: 唐华俊
学　校: 中国农业科学院
专　业: 作物信息科学
关键词: 草原退化遥感数据同化驱动力
分类号: S812
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

草原是陆地上最大的生态系统，在能量流动和物质循环的过程中，对人类的生存和发展有着举足轻重的作用。国内外学者早在20世纪初就开始了对草原的研究。由于技术手段的限制，从20世纪初到20世纪中叶，对草原的研究都是侧重于草原植被的各个方面展开的，所采用的研究资料也主要以人工野外调查数据为主，随着研究的深入和新的技术手段的诞生，特别是遥感技术的出现，使得对草原植被状况的研究取得了突飞猛进的发展，短时间内监测大范围内的(国家尺度、全球尺度)草原植被状况成为可能。特别是近10多年来对草原的研究开始更多地借助于遥感技术，研究内容主要集中在利用遥感植被指数来监测草原植被状况的变化上，逐渐形成了草原遥感这一新学科。温带草原地处欧亚大陆的腹地，是我国北方草原生态系统的核心组成部分，由于其绝大部分分布于内蒙古自治区境内，因此内蒙古草原成为关乎我国北方生态环境安危的关键所在，是屹立于我国北方的一道天然绿色屏障，对三北地区乃至全国的生态环境的保护和改善发挥着不可替代的作用。但自改革开放以来，内蒙古草原的生态环境遭到日益严重的破坏，随之而来产生的诸多环境问题(草原退化、沙尘暴等)已经严重的影响了国民经济的健康发展，直接加重了京津地区所面临环境恶化的压力，因此对内蒙古草原植被状况变化的研究在改善我国生态环境，促进国民经济可持续发展等方面具有重要的现实意义。本论文基于多源遥感数据，对如何选取草原植被遥感监测指数、监测模型，TM／ETM+、MODIS、NOAA遥感数据之间的数据同化，以及利用遥感数据分析人为因素对草原植被变化的影响程度和影响趋势等三方面的内容进行了深入的分析和研究，并将在这些研究方法上得到的一些改进之处应用于整个内蒙古草原及其两个典型代表区域之中，对内蒙古草原植被状况1982～2006年间25年来的变化过程进行了全面、综合的分析研究。具体内容及实施过程如下：1)在不同研究区域内，针对多种遥感数据源的植被指数和不同采样尺度的地面数据(生物量和覆盖度)选择草原植被状况的最佳监测指数及监测模型，使得该监测指数和监测模型在植被状况监测研究中具有一定的推广价值。2)分别对TM、MODIS、NOAA数据进行数据同化研究，使得三种遥感数据之间的分析比较具有科学性、有效性。此外在实现数据同化研究的同时，还对利用短期时间范围内的高空间分辨率数据改进低空间分辨率数据的监测精度展开研究，并确定两种分辨率的数据之间是否存在稳定的精度校正关系，使该关系能够被用于时间尺度外推。3)基于气候因素(气温、降雨)和遥感植被指数之间的关系模型，初步分析得出草原植被状况变化驱动力因素中人为因素对草原植被状况变化的影响程度和影响趋势。4)基于以上研究得到的最佳监测指数、监测模型和数据同化模型，利用NOAA、MODIS数据完成了对1982～2006年25年来的内蒙古草原植被状况变化研究，在宏观尺度上对内蒙古草原植被变化的过程和趋势进行了分析。5)除了利用NOAA、MODIS数据在宏观尺度上对1982～2006年25年间的内蒙古草原植被状况进行了整体监测以外，本论文还选择了具有代表性的中尺度典型研究样区(典型草原和草甸草原)，利用高分辨率的TM／ETM+数据对其进行了重点监测，在不同尺度上反映内蒙古草原的植被变化过程和变化趋势，使得监测结果更为科学、全面、综合。本论文的主要结论如下：1)在内蒙古草原区，对地面植被状况和遥感植被指数进行回归模拟的线性模型、多项式模型、对数模型、幂函数模型、指数模型一般具有较高的决定系数，但在经过地面样方数据的的检验后，多项式模型的精度会有大的下降。2)在典型草原样区，NDVI、RVI植被指数与地面植被状况进行回归模拟的回归方程中具有较高的决定系数；在整个内蒙古草原的研究区域上NDVI和SAVI、RVI植被指数与地面植被状况进行回归模拟的回归方程中具有较高的决定系数，但在经过地面样方数据的的检验后，RVI与地面植被状况的回归模型模拟精度会有大的下降。3) TM／ETM+NDVI和MODIS NDVI数据之间相关性强；MODIS NDVI和NOAA NDVI数据之间相关性强，相关关系在年度之间呈规律性变化，且变化规律稳定。4)基于MODIS NDVI和NOAA NDVI数据之间的数据同化模型和TM NDVI和MODIS NDVI数据之间的数据同化模型，不仅实现了数据同化的目的，还分别提高了NOAA NDVI和MODIS NDVI植被指数对草原植被状况的监测精度。5)基于气候因素(气温、降雨)和遥感植被指数之间的关系模型，能够初步分析得出草原植被状况变化驱动力因素中人为因素对草原植被状况变化的影响程度和影响趋势。6) 1982～2006年内蒙古草原退化严重。与1982年相比，1983～2006年的24年间草原植被状况优于1982年的年份只有5年，当前(2006年)内蒙古草原的平均NDVI植被指数值仍然比1982年低0.074431。7) 1998年以后内蒙古草原植被状况恶化状态稳定(与1982年相比)。1999～2006年8年间内蒙古草原各类型的草原植被状况均劣于1982年(平均NDVI低于1982年)，没有出现显著改善的年份。8)人为因素是导致草原退化的最重要因素之一。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-18
第一章研究目的及意义  18-20
第二章国内外研究进展  20-30
  2.1 国外研究进展  20-24
    2.1.1 草原植被生态群落演替研究  20
    2.1.2 草原第一性生产力研究  20-21
    2.1.3 草原植被覆盖度  21-23
    2.1.4 草原退化驱动力研究  23
    2.1.5 草原综合研究  23-24
  2.2 国内研究进展  24-30
    2.2.1 草原生态群落演替研究  24-25
    2.2.2 草原第一性生产力研究  25-26
    2.2.3 草原植被覆盖度研究  26-27
    2.2.4 草原退化驱动力研究  27-28
    2.2.5 草原综合研究  28-30
第三章研究内容及技术方案  30-42
  3.1 研究内容  30-31
  3.2 研究区域概况  31-35
    3.2.1 内蒙古自治区概况  31-34
    3.2.2 呼伦贝尔市  34-35
    3.2.3 锡林郭勒盟  35
  3.3 数据源  35-38
    3.3.1 Landsat数据  36
    3.3.2 MODIS数据  36-37
    3.3.3 NOAA数据  37-38
  3.4 实施方案  38-42
    3.4.1 监测植被指数和监测回归模型的确定  38-39
    3.4.2 不同遥感数据源的数据同化  39
    3.4.3 草原退化驱动力分析  39-41
    3.4.4 技术路线  41-42
第四章草原植被状况监测指数及监测模型研究  42-58
  4.1 植被指数选取  42-43
  4.2 数据源  43
  4.3 数据预处理  43-46
    4.3.1 TM数据  43-45
    4.3.2 MODIS数据预处理  45-46
    4.3.3 NOAA数据预处理  46
  4.4 典型草原样区最优监测植被指数、监测模型研究  46-53
    4.4.1 TM数据植被指数与草原数据覆盖度、生物量的相关分析  47-48
    4.4.2 MODIS植被指数与草原数据覆盖度、生物量的相关分析  48-50
    4.4.3 NOAA NDVI植被指数与草原数据覆盖度、生物量的相关分析  50
    4.4.4 模型精度验证  50-53
  4.5 内蒙古草原区最优监测植被指数、监测模型研究  53-57
    4.5.1 MODIS植被指数与草原生物量数据的相关分析  53
    4.5.2 NOAANDVI植被指数与草原生物量数据的相关分析  53-54
    4.5.3 模型精度验证  54-57
  4.6 本章小结  57-58
第五章基于多源遥感数据源的数据同化  58-75
  5.1 典型研究样区 TM/ETM+数据和 MODIS NDVI数据关系分析  58-63
    5.1.1 TM/ETM+数据和 MODIS数据比较  58
    5.1.2 TM/ETM+ NDVI与 MODIS NDVI数据相关关系分析  58-60
    5.1.3 各草原类型的TM/ETM+ NDVI与 MODIS NDVI数据的模型建立及分析  60-63
  5.2 内蒙古草原 MODIS数据和 NOAA数据关系分析  63-74
    5.2.1 MODIS数据和 AVHRR数据比较  63-64
    5.2.2 MODIS NDVI与 NOAA NDVI数据相关关系分析  64-69
    5.2.3 各草原翔些4～10月的MODIS NDVI与NOAA NDVI数据模型建立及分析  69-71
    5.2.4 研究区域内各草原类型的MODIS NDVI与NOAA NDVI数据相关性分析  71-74
  5.3 本章小结  74-75
第六章内蒙古草原植被状况变化研究  75-107
  6.1 1982～2006年内蒙古草原各植被指数等级面积变化  77-93
  6.2 1982～2006年内蒙古草原平均 NDVI_(max)值变化  93-104
  6.3 1982～2006年内蒙古草原植被状况空间变化趋势  104-106
  6.4 本章小结  106-107
第七章典型样区草原植被状况变化研究  107-120
  7.1 草甸草原植被状况变化研究  107-113
    7.1.1 数据预处理  107-109
    7.1.2 植被指数计算  109-110
    7.1.3 草甸草原样区植被状况监测结果分析  110-112
    7.1.4 结论与讨论  112-113
  7.2 典型草原植被状况变化研究  113-119
    7.2.1 数据预处理  113-115
    7.2.2 植被生物量计算  115-116
    7.2.3 典型草原样区植被生物量监测分析  116-117
    7.2.4 结论与讨论  117-119
  7.3 本章小结  119-120
第八章草原植被状况变化驱动力分析  120-129
  8.1 数据源  121
  8.2 数据预处理  121
  8.3 建立年度 NDVI_(maz)和气温、降雨数据的回归模型  121-122
  8.4 模型精度检验  122-123
  8.5 模型模拟  123-125
  8.6 模拟结果分析及验证  125-128
  8.7 本章小结  128-129
第九章结论与讨论  129-133
  9.1 基本结论  129-131
  9.2 创新点  131
  9.3 研究展望  131-133
参考文献  133-151
致谢  151-152
作者简历  152

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