中国土地覆盖变化与环境影响遥感研究

发布时间：2020-10-30 05:29

　　 土地覆盖是联系生态系统和气候系统的重要环节，人类社会正是通过对土地的利用，改变土地覆盖的生物地球化学特征，进一步影响生态系统的结构和功能，影响到气候系统。土地覆盖是全球变化研究中的关键内容。 在综合分析国内外土地覆盖、土地利用和全球变化研究现状和发展趋势后，从定量遥感的理论出发，基于前人的研究成果，提出一套土地覆盖遥感研究体系。首先，土地覆盖的内涵应包括土地的生物物理特征，提出定量的遥感土地覆盖分类体系；依据定量遥感理论计算出反照率、陆地表面温度、植被指数和净第一性生产力四个重要土地覆盖特征参数；提出基于生态系统观点的遥感土地覆盖分类研究；分析了中国土地覆盖特征参数的季相变化规律，对20年中国土地覆盖变化进行了研究；在此基础上，对中国沙尘进行了沙尘源地、沙尘输送路径、沙尘携沙量和风蚀对中国土壤碳库的影响研究；并对中国土地覆盖和沙尘的发生进行了相关分析。 本文得出的主要结论如下： 1．定量的土地覆盖分类体系的建立 在分析了国内的植被分类系统、土地资源分类系统和国外的FAO、美国国家土地覆盖数据NLCD系统、IGBP、USGS、Holdridge植被气候分类的基础上，指出土地覆盖的生物物理参数是土地覆盖的合理内容，在土地覆盖分类体系中应使用定量化的指标描述土地覆盖类型。基于定量遥感获取的土地覆盖生物物理特征参数，主要是反照率、净初级生产力、植被指数和陆面温度四个指标，提出一种定量化的遥感分类系统，每一种土地覆盖类型或植被类型对应一定的生物物理参数指标。 2．中国陆面温度研究 近年来国内外利用遥感方法在陆面温度精确反演中开展了大量的研究工作，采用了一个在大区域上适用的由NOAA-AVHRR数据反演陆面温度的方法，反演中国晴空条件下各月和全年平均陆面温度，分析了中国陆面温度的分异规律，并与气温的分异规律作了对比，同时对中国土地利用／土地覆盖变化研究(LUCC)样带上的陆面温度变化进行了分析。这项工作从晴空条件重新认识了地面温度场的空间分异，对于研究中国陆地土壤蒸发、植物光合作用、土地覆盖的分布具有重要的指示意义。 3．中国土地覆盖特征库的建立 通过对已有反演算法的分析比较，使用在大尺度上适用的遥感反演方法， 计算出中国陆地表面温度、反照率、植被指数和净初级生产力的一年或多年月 平均数据，建立起中国土地覆盖特征库。 4．基于生态系统观点的遥感土地覆盖分类研究 生态系统作为一个整体，存在物质能量的转化和利用，而遥感直接探测的 是生态系统表层的生物和非生物的能量特征信息。利用NOAA－MiEtIL数据计 算出能反映生态系统能量特征的吸收率和陆地表面温度参数，以及反映生态系 统物质特征的植被指数和净第一性生产力参数。基于这四个参数及其反映的明 显生态系统季相变化特征，提出一种可用于生态系统模型研究的从物质能量角 度出发的遥感土地覆盖分类方法，最后以中国为例进行了初步实验。 5．近20年中国土地覆盖变化研究 植被指数NDVI的年际变化可以指示出土地覆盖的变化特征，在近20年中， NDW指示出中国大部分地区植被呈现增加的趋势，少部分地区呈现减少的趋 势。进一步，在 80年代（从 1982到 1991年），中国大部分地区植被呈现增加 的趋势，面积达 95％，但在 90年代（从 1991到 2000年），中国西部和北部地 区植被呈现减少的趋势，面积为62％。近20年是处在全球变暖的背景下，90 年代中国中西部的植被状况急剧恶化，是与温度增高，降雨减少的气候条件存 在密切关系。 6．东亚沙尘源地、沙尘输送路径的遥感研究 东亚沙尘灾害严重影响东亚各国的生态环境，在源地大量侵蚀表层土壤， 在输送过程中严重污染大气环境质量。此外，作为气溶胶，对区域辐射平衡和 大气系统产生重大影响。利用ScawiFS遥感数据分析了东亚沙尘灾害的源地、 沙尘输送路径，结果显示：东亚沙尘的三个主要源地是蒙古的戈壁、内蒙古中 西部的沙漠戈壁和塔克拉玛于沙漠。沙尘输送路径有北路、中路和南路三条， 北路主要影响中国的东北地区，中路主要影响中国的华北地区，南路主要影响 中国的华中、华东地区。 7．风蚀对中国土壤碳库的影响研究 在中国西北干旱、半于旱地区，陆地生态系统的净初级生产力WP 很低， 转换成土壤有机碳的量也很低，同时，由于降雨少，风蚀成为该区水土流失的 主要原因，引起表层士壤有机碳的大量减少。西北地区士壤有机碳的平衡是陆 地生态系统稳定生产力的关键。 首先利用光能利用率模型计算出西北地区的NPP。同时根据第：次全国上 壤普查数据计算出表层土壤有机碳库和表层土壤有机质含量。利用第二次全国 士壤侵蚀遥感调查中的风力侵蚀强度图，估算出土壤风力侵蚀量和土壤有机碳 流失分布图。进一步，通过分析土壤有机碳库、NPP和由于风蚀所损失的土壤 有机碳，认为西北地区的士壤有机碳总体上处于减少状态。风蚀是中国中西部 地区土壤碳库减少的一个主要原因。
【学位单位】：中国科学院研究生院（遥感应用研究所）
【学位级别】：博士
【学位年份】：2002
【中图分类】：X87
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
目录
第一章 土地覆盖研究综述
    第一节 全球变化
    第二节 土地覆盖概念
    第三节 土地覆盖研究回顾
        3.1 土地利用／土地覆盖变化研究的提出
        3.2 土地利用／土地覆盖变化的机制研究
        3.3 土地利用／土地覆盖变化的环境影响研究
        3.4 国际上的土地利用／土地覆盖研究项目
        3.5 中国土地利用／土地覆盖研究进展
            3.5.1 与LUCC有关的重大项目情况
            3.5.2 中国学者在LUCC理论方面的贡献
            3.5.3 土地利用／土地覆盖变化与环境安全
    第四节 定量遥感在土地覆盖研究中的应用
        4.1 土地覆盖／土地利用类型识别
        4.2 土地覆盖／土地利用变化监测
        4.3 定量遥感是当前遥感科学发展的主要方向
        4.4 土地利用／土地覆盖变化定量遥感研究
第二章 土地覆盖体系
    第一节 土地覆盖内涵的发展
    第二节 土地覆盖的空间和尺度特征
        2.1 土地覆盖具有空间特征
        2.2 土地覆盖具有尺度特征
            2.2.1 景观生态学关注的尺度问题
            2.2.2 不同比例尺植被图的植被分类单位
            2.2.3 土地覆盖的尺度特征
        2.3 土地覆盖变化、景观变化与全球变化的关系
    第三节 土地覆盖分类系统
        3.1 对土地分类系统的思考
        3.2 国内的一些重要土地分类系统
            3.2.1 中国植被分类系统
            3.2.2 中国土地资源分类系统
            3.2.3 中国植被编码体系
        3.3 国外的一些重要土地分类系统
            3.3.1 FAO的土地覆盖分类系统
            3.3.2 美国国家土地覆盖数据NLCD的分类系统
            3.3.3 IGBP的全球土地覆盖分类系统
            3.3.4 USGS的土地利用／土地覆盖分类系统
            3.3.5 生物圈与大气圈传输分类系统
            3.3.6 植被生命期分类系统
            3.3.7 简单生物圈模型分类系统
            3.3.8 简单生物圈2模型分类系统
            3.3.9 定量的植被气候分类系统
    第四节 定量化的土地覆盖分类系统
第三章 中国土地覆盖特征提取
    第一节 中国陆面温度
        1.1 陆地表面温度反演的物理基础
        1.2 陆地表面温度反演的进展
            1.2.1 分裂窗方法的原理
            1.2.2 使用分裂窗方法反演陆面温度
            1.2.3 误差分析
        1.3 比辐射率ε的计算
        1.4 反演中国陆面温度的方法
    第二节 地表反照率
        2.1 反演地表反照率的原理
        2.2 计算反照率的方法进展
        2.3 计算中国反照率的方法
    第三节 中国NDVI
        3.1 归一化差值植被指数NDVI
        3.2 叶面积指数LAI
        3.3 光合有效辐射的吸收比例FPAR
        3.4 NDVI与LAI和FPAR的关系
    第四节 中国NPP
        4.1 陆地植被第一性生产力及相关概念
            4.1.1 总第一性生产力
            4.1.2 净第一性生产力
            4.1.3 生物量
        4.2 陆地植被第一性生产力研究进展
            4.2.1 国外研究进展
            4.2.2 国内研究进展
        4.3 陆地植被第一性生产力研究方法
            4.3.1 气候模型
            4.3.2 过程模型
            4.3.3 光能利用率模型
        4.4 中国陆地植被第一性生产力计算
            4.4.1 模型总体结构
            4.4.2 模型详述
    第五节 基于生态系统观点的遥感土地覆盖分类
        5.1 基于生态系统观点的遥感土地覆盖分类
            5.1.1 遥感土地覆盖分类方法
            5.1.2 土地覆盖分类体系
            5.1.3 遥感生态分类参数和计算方法
            5.1.4 通过主成分分析提取分类指标
        5.2 基于生态系统观点的中国遥感土地覆盖分类
            5.2.1 数据
            5.2.2 遥感分类参数的计算
            5.2.3 遥感分类指标的计算
            5.2.4 中国土地覆盖监督分类
            5.2.5 分类精度分析
        5.3 结论与讨论
第四章 中国土地覆盖季相变化规律
    第一节 中国陆面温度分布
        1.1 数据
        1.2 计算中国多年年和月平均陆面温度数据
        1.3 中国陆面温度的年和季特征
        1.4 中国陆面温度的年变化和年较差
        1.5 中国LUCC样带上的年和月陆面温度变化
    第二节 中国反照率变化
        2.1 数据
        2.2 中国地表反照率的变化特征
    第三节 中国NDVI
        3.1 数据
        3.2 主成分分析
            3.2.1 计算每月的归一化植被指数NDVI
            3.2.2 计算每月NDVI图象的均值
            3.2.3 主成分变换
            3.2.4 由NOAA-AVHRR多时相图象派生计算出四个生物学参数
            3.2.5 计算前四个主分量与四个生物学参数图象的相关系数
        3.3 结果与分析
        3.4 结论与讨论
    第四节 中国NPP变化
        4.1 数据
        4.2 中国陆地生态系统年净第一性生产力的空间分布
        4.3 中国陆地生志系统净第一性生产力的季节变化
第五章 中国土地覆盖年际变化与环境影响分析
    第一节 近20年中国植被指数NDVI反映的土地覆盖变化
        1.1 NOAA-AVHRR数据
        1.2 归一化植被指数NDVI
        1.3 计算年均NDVI数据
        1.4 研究方法
        1.5 中国植被覆盖的变化分析
        1.6 中国植被覆盖和气候变化的相关分析
    第二节 近20年中国土地覆盖变化的气候驱动分析
        2.1 气象数据
        2.2 可能蒸散率的计算方法
        2.3 研究方法
        2.4 气候变化分析
        2.5 中国土地覆盖变化的气候驱动分析
    第三节 近20年中国陆面温度LST反映的土地覆盖变化
        3.1 NOAA-AVHRR数据
        3.2 计算陆面温度
        3.3 计算年均LST数据
        3.4 研究方法
        3.5 陆面温度变化分析
第六章 中国沙尘与土地覆盖关系遥感研究
    第一节 东亚沙尘源地和沙尘输送路径的遥感研究
        1.1 东亚沙尘研究区概况
        1.2 数据
        1.3 沙尘过程遥感研究
            1.3.1 沙尘灾害源地分析
            1.3.2 沙尘灾害移动路径分析
        1.4 东亚沙尘的时空分布特征
        1.5 结论与讨论
    第二节 应用遥感技术估算东亚沙尘侵蚀量
        2.1 数据
        2.2 沙尘的确定
            2.2.1 在NOAA-AVHRR影象上确定沙尘
            2.2.2 通过可吸入颗粒物PM10指标确定沙尘
        2.3 沙尘气溶胶光学厚度的反演
            2.3.1 沙尘气溶胶光学厚度的遥感反演原理
            2.3.2 计算大气辐射传输
            2.3.3 建立气溶胶光学厚度查找表
            2.3.4 沙尘光学厚度t反演
        2.4 一次东亚沙尘携沙量的具体估算
            2.4.1 沙尘携沙量的估算方法
            2.4.2 计算沙尘气溶胶携沙量
        2.5 结论与讨论
    第三节 风蚀对中国西北地区土壤有机碳的影响
        3.1 数据
        3.2 研究方法
            3.2.1 中国陆地生态系统净第一性生产力NPP
pool'>            3.2.2 中国表层土壤有机碳库Cpool

            3.2.3 风蚀所损失的土壤有机碳C_erosion

        3.3 表层土壤有机碳库的变化
        3.4 结果与分析
        3.5 结论与讨论
    第四节 近50年中国沙尘发生趋势分析
    第五节 土地覆盖变化与沙尘的关系研究
第七章 结论与展望
    第一节 主要结论
    第二节 土地覆盖研究展望
参考文献
博士期间发表的论文
致谢

【引证文献】

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本文编号：2862055

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