多源遥感土地覆被产品一致性评价及要素提取分析应用研究

来源 :长安大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:inspisee1999
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地表覆被信息的空间格局及时空动态变化对研究全球及区域变化、可持续发展和生态保护等至关重要;其中耕地(水田、旱地)覆被要素的种植信息及演变格局对粮食安全风险评估、生态功能研究、水资源管理等具有重要的现实意义。卫星遥感的发展使得以遥感影像为数据源的多套土地覆被产品相继出现,但不同产品在数据源选择、制图方法等方面存在较大的差异,使得土地覆被产品的应用价值受到一定程度的制约,因此,对这些土地覆被产品进行评价分析极为重要。分析相关研究,已开展的对不同产品评价分析中,针对不同地理分区从定性、定量综合角度对中高分辨率产品的一致性及其分布规律的研究较少;另外,现有单要素耕地产品可作为耕地及其精细二级类型遥感解译时的辅助数据,但目前将这些产品融入到土地覆被制图中的研究极少,造成了资源的极大浪费。针对上述研究不足和问题,本文提出一套多源信息大数据支持下的“土地覆被产品分析-要素信息提取及时序数据产品制作-要素时空演变格局分析”的系统化流程,并以柬埔寨水稻种植区提取与时空分析为例,以期充分利用现有土地覆被产品及辅助信息,指导开展更精确的地表覆被数据制作。本文的主要研究内容如下:1、首次对现有中分辨率土地覆被产品全要素类型的一致性评价问题展开多层次、多视角的分析研究。本文采用面积、空间叠加、混淆矩阵及景观指数等理论方法,从定性和定量角度综合分析了土地覆被产品Globeland30-2010、GLC_FCS30-2015、FROM_GLC、SERVIR MEKONG及RLC在南亚及东南亚地区的一致性情况和影响因素。分析结果显示,通过景观格局研究生态系统功能时,应根据研究目的合理地选择土地覆被数据,且要重视尺度效应的影响。在地表异质性低、优势地类明显区域上述土地覆被产品一致性较高;反之,在地表异质性高、景观明显破碎区域一致性相对较低。本文研究方法和结论可为后续提高土地覆被制图的质量提供指导,也可为全球气候变化、全球生态环境变化等研究选择合适的土地覆被数据提供重要参考。2、首次对现有中分辨率土地覆被产品GFSAD30SEACE、GLC_FCS30-2015、FROM_GLC2015、SERVIR MEKONG单要素耕地及其精细类型开展较详尽、全面的一致性评价研究。在柬埔寨研究区的评价结果表明,(1)不同产品一级类耕地一致性较高,但二级类耕地一致性较低,尤其是水田和果园类型差异更为明显;(2)在地形影响方面,高程在50-200m区域一致性较低,主要原因是在该区域内耕地与林地、草地、灌木类型的光谱特征相似,遥感影像上较难准确区分;高程和坡度因子与耕地不一致性显著相关,后续耕地及其精细类型制图时需考虑该因子对分类精度的影响;(3)FROM_GLC2015产品一级类耕地类型的总体精度较低,其他3种产品精度较高,总体精度均达82%以上。二级类耕地类型的精度普遍较低,尤其是GFSAD30SEACE、GLC_FCS30-2015及FROM_GLC2015产品。本文研究结果不仅可以为土地覆被产品使用者在耕地资源监测、耕地质量评价等研究选择合适的数据提供参考,也可为土地覆被产品生产者如何快速、准确地获取耕地及其精细类型数据提供指导。3、在前述一致性分析理论的指导下,借助遥感大数据处理平台GEE(Google Earth Engine),构建多源信息协同的大尺度、高精度水稻种植区提取及时序数据产品制作模型,解决了现有土地覆被产品利用率低,热带多云区域大尺度水稻种植区快速、高精度提取困难的问题。以柬埔寨研究区为例,(1)利用不同土地覆被产品辅助训练样本选择,实现半自动化高精度样本获取,在此基础上,协同水稻物候特征、Sentinel遥感影像、地形特征完成了总体精度为89.90%的水稻种植区提取;(2)基于GEE平台提供的时序中分辨率Landsat影像,提出一种针对各时期Landsat影像,分别提取一年中4个季度的NDVI进行合成来表征植被的物候特征,继而有效区分各植被类型,实现了研究区2000-2010年间时序水稻数据产品的制作,总体精度均高于88%;(3)将结果与SERVIR MEKONG和ESACCI-LC产品相比,采用本文的水稻种植区提取制图方法在精度和空间表达效果上都更胜一筹。该研究揭示了GEE在多云地区大规模水稻种植区制图的潜力,为易受云层影响的东南亚其他地区水稻数据产品快速获取提供参考。4、基于本文方法提取的时序水稻数据产品,开展了柬埔寨研究区15年间水稻种植区及其资源利用的时空演变格局分析研究,解决了东南亚柬埔寨长时序水稻种植区制图分析信息空缺的问题。从土地利用动态度、重心迁移、景观指数、复种指数角度综合分析水稻种植区的演变轨迹、格局变化及利用程度。结论表明:15年间柬埔寨水稻种植面积整体呈快速扩张态势,水稻种植重心向东北迁移;15年间水稻景观的破碎度、形状复杂度越来越高,斑块间的连通性越来越低;各时期柬埔寨稻田复种指数均处于偏低水平,发展潜力较大。可能的原因是,柬埔寨人口增长、社会经济发展等促进了水稻种植区的格局变化,但政府的政策法规以及政策引导是影响水稻种植利用结构变化的主导机制。
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