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土地覆盖反映了地球表面的状况和人类活动及环境变化的影响,并且是生物圈和大气圈相互作用的关键因子,同时土地覆盖和土地利用变化也是影响全球未来气候变化的重要驱动力。准确的土地覆盖数据是研究和认识土地覆盖变化与气候变化间相互作用的前提,并且数据的精度会直接影响到气候模拟研究的结果。随着众多基于遥感获取的土地覆盖产品的发布,并被用于生态系统模拟、地球系统模拟和全球变化研究,土地覆盖产品的精度越来越受到研究者的关注。
本研究针对面向区域气候模式的土地覆盖数据的评估和校正工作,从土地覆盖类别定义、WRF模式应用和土地覆盖类别间年际变化角度对众多土地覆盖产品在中国区域的总体精度、类别精度和分类不确定性进行了评估,并探讨了引起类别间混淆和不确定空间分布特征的原因。最后根据对土地覆盖产品评估的不确定空间分布,发展了以精度评估为基础的多源数据融合校正方法,生产出2001、2005和2009年3期更高精度的土地覆盖产品。全文获得如下研究结论:
基于土地覆盖分类体系类别定义的特征重叠度评估显示,MODIS、GLC2000与NLCD土地覆盖数据的总体分类模糊一致性为50.8%和52.9%,各个土地覆盖类别的模糊一致性差异较大(1.2-80.5%)。分类一致性较高的类别是水体、草原、农田、冰雪和荒漠,灌丛和湿地分类一致性较差。地形均质、植被类型单一的平原和高原的分类可靠性较高,而地形异质性大的山地区域和生态过渡带的分类可靠性较低。复杂的地形、混合植被、光谱的相似性和粗空间分辨率是引起数据间不一致的原因,而不同分类系统对类别的定义差异,不同土地覆盖类别的分类原始生产精度也是引起土地覆盖产品间不一致的一个极其重要的因素。
基于WRF模式中陆面参数的土地覆盖类别间距离指数能很好的反映土地覆盖类别在模式中功能的差异性。模式应用角度评估的MODIS C4和C5土地覆盖产品在中国的总体模糊一致性为82.1%和81.5%,各个类别的分类模糊一致性有明显的差异。分类模糊一致性高的类别有水体、草原、农田、冰雪、裸地或稀疏植被,而郁闭和稀疏灌丛、湿地、农田/自然植被镶嵌体的模糊一致性较差。分类可靠性高的区域多在平原和植被单一的区域,而可靠性低的区域分布在地形复杂的山地、生态过渡带和经济发展迅速的区域。土地覆盖类别间相互混淆主要发生在不同植物功能群建群的森林和过渡带上相似的植被类型。无论是总体精度还是类别精度都不能满足区域气候模拟的需求。
土地覆盖年际变化概率角度的评估显示,中国区域MODIS C5土地覆盖产品从2001到2009年发生变化的面积占了48.6%,其中合理变化的区域占23.7%,不合理变化的区域占24.9%,表明MODIS C5土地覆盖产品存在明显的不确定性。环绕着生态、气候梯度变化的生态过渡带上多发生合理变化,而地形异质性大的山地和高原区域多发生不合理变化。分类稳定、年际间一致性大的土地覆盖类别包括水体、草原、农田、城市、冰雪和荒漠,而灌丛、热带疏林草原、热带稀树草原、湿地、农田/自然植被镶嵌体的分类一致性较差。具有相似生态功能和光谱信息的土地覆盖类别间常发生分类混淆。进一步分析错分范围的结果显示,生态过渡带、地形均质区域的错分范围较小,呈现孤立岛状的分布,而地形复杂的山地区域的错分则呈现相对较大的范围。此外,MODIS城市数据不能用于城市化气候效应的模拟研究。
根据对中国区域土地覆盖产品不确定空间分布的评估,发展了以地面验证点评估的精度为基础,以同期可比的MODIS、GL,C2000、NLCD和GlobCover数据为数据源的融合校正方法,针对不确定区域融合校正出中国区域2001、2005和2009年3期土地覆盖产品,经1254个地面验证点验证显示,其总体精度相对MODIS C5土地覆盖产品有一定的提高,分别提高了4.7%、3.4%和0.2%,各个土地覆盖类别的精度提高存在差异,绝大多数类别的精度有明显提高(0.8%-19.4%)。而不考虑评估的分类不确定的分布,同样对整个中国区域融合出2001、2005和2009年三期土地覆盖产品,经过同样的地面验证点验证显示,其总体精度分别提高了10.0%、7.7%和0.1%,多数土地覆盖类别精度有显著提高(1.4%-23.5%),但相对针对不确定区域的融合也使的较多的类别精度出现下降。土地覆盖产品的数量、分类体系和精度对融合校正结果有显著地影响,总体上,针对评估的不确定区域的融合校正效果较好,该融合过程既保留了MODIS土地覆盖数据本身的精度和整体一致性,同时又提高了绝大多数类别的精度。