
基于多源遥感的森林变化对区域温度影响的监测方法研究进展
Review on monitoring methods of the effects of forest changes on regional temperature based on multi-source remote sensing data
人类活动通过改变土地覆被促成森林面积变化,推动碳收支和地表能量平衡发生相应变化,进而影响全球和区域尺度的气候。现有森林变化对区域温度的影响研究主要集中在有限精度的森林变化数据与温度数据结合的简单统计方法,但高可靠度的森林变化及其生物物理过程对区域温度的影响研究表明,准确、全面地理解森林与气候之间的生物物理相互作用机制,能为森林生态系统的全面评估提供科学支撑。笔者综合分析了基于多源遥感的森林变化结合其生物物理过程对区域温度影响的多种监测方法,结果发现:①多源中高分辨率森林变化数据的有限可用性一直阻碍着对温度变化影响的精准量化;②集成遥感观测数据的多种方法在量化森林变化的生物物理机制对于区域温度变化影响的评价不一致。因此,森林变化的生物物理机制及其温度效应是一个值得深入分析的问题。未来需要充分发挥多种数据源合理集成后用于解释森林响应气候效应方面的交叉优势,理解生物物理机制与生物化学机制共同作用下的森林变化、碳循环与气候的交互关系,并通过森林生态系统的合理经营与管理实现其气候效益最大化。
Human activities contribute to forest changes by altering land cover, promoting changes in carbon budget and surface energy balance, further affecting climate at global and regional scales. Current studies on the impact of forest changes on regional temperature are mainly focused on the simple statistical method combining forest change data with temperature data with limited accuracy, however, studies on the effects of forest changes with high reliability and its biophysical processes on regional temperature indicate that an accurate and comprehensive understanding of the biophysical interaction mechanisms between forest and climate can provide a scientific support for the comprehensive assessment of forest ecosystems. The author made a comprehensive analysis of various monitoring methods of forest changes combined with thier biophysical processes based on multi-source remote sensing on regional temperature, and found that: (1) the limited availability of high-resolution forest change data from multiple sources has been hindering the accurate quantification of the impact of temperature changes; (2) the evaluation of results about quantifying the impact of the biophysical mechanism of forest charge on regional temperature based on the methods for integrating remote sensing observations is inconsistent. Therefore, the biophysical mechanism of forest change and the temperature effects are worthy of in-depth analysis. In the future, the cross-cutting advantages of rational integration of multiple data sources to explain forest response to climate effects should be fully utilized to understand the interaction between forest change, carbon cycle and climate under biophysical and biochemical mechanisms, and to maximize climate benefits through rational management of forest ecosystems.
forest change / biophysical mechanisms / temperature effects / multi-source remote sensing
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植物生长季的变化反映了全球气候变化对生态环境的影响。本研究以2000-2006年间MODIS-NDVI影像数据集,使用TIMESAT软件从归一化植被指数(NDVI)时间序列中,分别提取福建省不同森林植被的生长季开始日期(Start of Season,SOS)、生长季结束日期(End of Season,EOS)和生长季长度(Length of season,LOS)等物候参数,并与全省尺度的气温与降水量进行相关分析。结果表明:不同森林类型NDVI与当月月均气温之间具有较显著的相关性(R<sup>2</sup>为0.72-0.79,p<0.01),同期温度变化对植被生长的影响相对于降水量更重要;而植被生长对降水量的响应存在大约2个月的时滞效应(R<sup>2</sup>为0.54-0.75,p<0.01),说明前期的降水累积对于后续植被生长有较显著影响。福建省森林植被生长季持续时间约213~223 d,开始于每年4月初到4月中旬(第98~103 d),结束于11月中旬前后(第316~321 d)。其中,南亚热带森林生长季长于中亚热带森林,相同气候条件下的阔叶林生长季时间略长于针叶林。另外,春季(2-4月)气温变化是导致福建省内2个气候带森林生长季开始时间、生长季结束时间及生长季长度变化的关键因素,而伴随春季温度升高,植被生长季开始时间提前(R<sup>2</sup>为0.83,p<0.01),同时生长季长度延长(R<sup>2</sup>为0.80,p<0.01)。7 a间,生长季持续时间呈现微弱延长趋势,总体延长幅度为2.4~3.1 d。
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随着遥感应用的深入,传统将遥感影像像元当作纯净像元的方式所带来的问题已经被广泛认识到,混合像 元分解的相关理论和技术成为遥感领域的一个热点问题。本文总结了混合像元分解及超分辨率影像重建的主要理 论和方法。根据超分辨率影像重建的主要流程,分别回顾了混合像元端元类型选择、端元丰度分解和超分辨率影像 的重建,并对相关模型和技术给出了总结和评价。端元类型选择是确定在影像范围包含的纯净地物类型,重点介绍 了基于统计学和几何学的两种方法。端元丰度估计是目前该领域研究最多的方向之一,集中了很多新的理论和方 法,可变端元分解和盲源分解作为2 种效果较好的方法在文中作了详细的回顾和评价。空间自相关性是对丰度估 计的结果进行超分辨率重建的主要理论基础,如何在丰度约束条件下最大化空间自相关性是大多数基于混合像元 分解超分辨率重建的目标。最后,文章在总结目前混合像元分解及超分辨率遥感影像理论发展的基础上,给出了一 些意见和展望,指出考虑混合像元形成机理、综合多种模型及先验信息将有助于基于混合像元分解的超分辨率遥 感影像研究。
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揭示耕地与林地转换对地表温度的影响对于认识人类活动的气候与环境效应具有重要意义。基于卫星遥感数据的统计分析是揭示土地利用/覆盖变化对地表温度影响的重要手段。但是,在景观破碎度较高地区,混合像元问题成为使用这一技术手段的主要限制性因素,中国南方长江流域尤为典型。为突破这一限制,论文基于Google Earth高清影像,在1 km尺度上辨识了200对耕地与林地纯像元,进而利用MODIS陆地数据产品,对比分析了耕地与林地的地表温度(LST)、叶面积指数(LAI)、地表反照率(Albedo)之差。结果表明:耕地的LST高于林地,白天和夜间温度分别约偏高2.75 ℃和1.15 ℃,并且温差因季节而异,白昼温差呈双峰(分别是5月和10月,温差约3.18 ℃和3.33 ℃),夜间温差为单峰(7月,约2.46 ℃)。同时,温差因地而异,总体表现为西高东低,陕甘交界处的白昼温差最大,年平均约为3.83 ℃;安徽中南部温差最小,约为1.1 ℃。耕地与林地的LST之差主要由蒸散发的差异所致。林地的LAI较大,蒸散发较强,地表向大气的潜热通量较大,用于直接加热地表的感热相对偏少,因而LST相对偏低。上述结果表明近年来长江流域及毗邻地区的耕地转为林地通过增加蒸发产生了一定的致冷效应。
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