基于多源遥感的橡胶林时空演变研究

发布时间：2020-07-30 01:52

【摘要】：天然橡胶是世界上一种影响着国家发展的重要的可再生利用的战略资源。橡胶树(Hevea Brasiliensis)是天然橡胶生产原料的唯一来源。在社会工业和经济利益的驱动下,天然橡胶需求在全球范围内的快速增长,橡胶种植在全球范围内不断扩张,也带动了中国橡胶种植业的空前繁荣。云南省西双版纳傣族自治州(西双版纳)已经成为中国第二大天然橡胶生产基地,是热带北缘地区橡胶林种植的典型代表,以橡胶林为代表的人工林扩张成为影响西双版纳地区土地利用／土地覆盖变化的主导因素。西双版纳橡胶林的扩张是以天然林的消耗为代价的,由此引起了一系列关系到区域可持续发展的严重问题,如环境破坏、生态恶化、区域干旱和生物多样性减少等。橡胶林动态监测已经成为当前国际上研究的一个热点问题,掌握及时准确的橡胶林时空动态变化规律对于区域生态环境保护和土地利用／覆被变化的研究具有重大意义。地理信息系统和遥感技术的广泛应用,为橡胶林的时空动态监测提供了一种有效工具,结合橡胶林物候特征的唯一性和稳定性的特点,为快速可重复地获取准确橡胶林分布范围提供了一种新途径。为此,本研究基于多源遥感和地理信息技术,结合橡胶林的物候特征,构建了橡胶林时空动态监测模型,并应用于西双版纳橡胶林的时空动态变化监测。研究集成地理信息系统和多源遥感技术,结合橡胶林稳定的物候特征,发展了一种橡胶种植分布和面积的精确识别方法、提出了一种橡胶林龄快速重构算法,并且构建了橡胶林时空扩张动态监测模型。通过研究掌握了西双版纳橡胶林的准确分布范围和林龄组成,揭示了橡胶林的时空动态变化规律,并探讨了引起该变化的关键驱动因素。研究不仅为认识和掌握橡胶林面积变化特征、林龄组成结构、时空扩张规律提供了基础理论、方法和知识,而且为理解区域土地利用／覆被变化及其生态环境效应提供了基础科学依据。论文的主要发现和研究成果包括以下几点：(1)研究集成多源遥感技术协同物候特征发展了一种橡胶种植面积快速可重复提取新方法。首先,基于30m Landsat时间序列分析发现落叶期(1月上旬至2月中旬)和快速生长期(2月下旬至3月上旬)是西双版纳橡胶林与天然林区分的两个关键物候时期。其次,基于微波遥感数据(PALSAR)在热带地区不受频繁云雨干扰的特征,精确获取热带森林分布范围,确定了橡胶林的提取空间分布范围,降低了橡胶林与其它土地类型(如茶园和灌丛)的误分机率。同时,基于橡胶树生长过程受到严格温度控制的生长特性,创新性地采用MODIS热红外地表温度数据生成橡胶林种植适宜区以优化山区复杂地形环境中橡胶林的提取结果。该方法有效集成了不同传感器遥感数据产品的优势,互为补充,既充分利用了现有存档遥感数据,又改善了橡胶林监测结果的精度,为多源遥感数据集成的研究和应用提供了一种新策略。最后,研究应用该方法获取了2010年西双版纳橡胶林的分布范围,橡胶林提取的总精度达到91%,用户和产品精度分别为91%和94%。研究证明集成多源遥感技术协同橡胶树稳定的物候特征,基于森林底图实现橡胶林分布和面积识别的方法非常有效。研究为西双版纳橡胶林面积的动态监测提供了一种科学性、稳定性和可操作性强的有效方法,在橡胶树非传统种植区的热带北缘地区具有广泛的应用前景。(2)研究提出了一种基于多时相Landsat年际时间序列遥感数据的橡胶林龄重构模型。首先,基于大量实地调查样点,采用时间序列分析方法,分析了不同林龄的橡胶林在归一化植被指数(Nomalized Difference Vegetation Index,NDVI).增强型植被指数(Enhanced Vegetation Index,EVI)和陆表水分指数(Land Surface Water Index, LSWI)上的变化规律,发现了LSWI 落叶期0是橡胶林龄重构的有效指标和阈值。其次,研究构建了一种基于LSWI 蒋叶期0的多时相Landsat年际时间序列的橡胶林龄重构模型。最后,研究应用该模型重构了西双版纳地区2010年的橡胶林龄,并结合数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)分析了林龄在地形上的分布特征。研究表明：(1)基于多时相Landsat年际时间序列,以LSWI落叶期0为指标和阈值,能够有效重构橡胶林龄信息。根据混淆矩阵验证结果,西双版纳的橡胶林龄分类图的总精度达到85%,≤5、6-10和≥11年的橡胶林的用户精度依次为88%、87%和80%；产品精度依次为87%、81%和90%。 (2)2010年西双版纳的橡胶林龄空间分布具有辐射特征,从低海拔的山谷平坦坝区不断向高海拔的山地扩张。≥11年的橡胶林主要分布于海拔较低的坝区(600m-900m),其次为6-10年的橡胶林(600m-1000m),而≤5年的橡胶林主要分布于海拔较高的山地地区(900m-1200m)。该林龄重构模型简单且可操作性强,为快速获取橡胶林龄结构参数提供了一种有效新模型,有利于为橡胶林监测和区域土地利用变化研究积累准确及时的基础科学数据。(3)橡胶林时空动态演变模型。首先,研究通过集成森林底图和物候特征方法获取了西双版纳1990、2000和2010年的三个基准年的橡胶林空间分布信息,结合数字高程模型(DEM)和社会经济发展数据(人口、橡胶价格和土地利用政策)建立了橡胶林监测时空数据库,结合土地利用变化分析理论构建了橡胶林时空动态监测模型。基于该模型监测了1990至2010年期间西双版纳橡胶林的面积和分布范围变化、时空扩张动态特征、时空变化与地形的关系以及引起该变化的关键驱动力因素。监测结果表明：西双版纳橡胶林在1990至2010年期间扩展了3.5×105hm2,增长了3.94倍。1990至2000年面积变化较小,以国营林场形式种植,主要受区域土地利用政策驱动；2000至2010年橡胶林面积增速较快,以民营和农户个体经营的橡胶林面积增加为主,增长主要受橡胶价格主导。橡胶种植呈不断向高海拔、陡坡度和山北坡等不适宜区域发展的趋势,主要是由国家严格的森林和耕地保护政策与强烈的橡胶种植需求之间的矛盾日益尖锐引起的。综上所述,集成地理信息技术、多源遥感技术和物候特征是实现橡胶林动态监测的有效策略和方法；以LSWI落叶期0为阈值,采用多时相Landsat年际时间序列在像元级别上能够快速获取准确的橡胶林龄。基于时空过程和土地利用理论两个视角的橡胶林监测模型,能够简单有效地掌握橡胶林的时空变化动态,为橡胶种植的科学规划管理和区域土地利用政策的制定提供可靠的决策依据。
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S794.1;P237

【参考文献】