摘要:植被物候是反映气候变化对生态系统影响的重要指标。传统研究多聚焦于植被物候的年际变化分析,但对植被同一年内生长季形态的不对称性研究较少。本研究基于1982年—2022年GIMMS NDVI 3G长时间序列NDVI数据与NOAA气象数据,从植被生长季返青期与衰落期在时间长度、生产力水平(NDVI均值)、气温均值、降水总量4个维度上的差异出发,构建植被物候时长不对称指数VPAIL(Vegetation Phenology Asymmetry Index of Length)、植被物候生产力不对称指数VPAIV(Vegetation Phenology Asymmetry Index of Vegetation index)、气温不对称指数CAITemp(Climate Asymmetry Index of Temperature)以及降水不对称指数CAIPrcp(Climate Asymmetry Index of Precipitation),探究中国温带地区植被物候的不对称时空特征及其对气候变化的响应机制。结果表明:(1)在中国北纬30°以北区域,生长季开始期呈显著提前趋势(-0.077 d/a)、结束期轻度延迟(+0.060 d/a)、生长季长度总体延长(+0.101 d/a),导致VPAIL呈持续上升趋势,而VPAIV呈递减趋势。(2)研究区内72.9%范围出现衰落期长度显著长于返青期(VPAIL0),97.1%区域衰落期植被生产力高于返青期(VPAIV0),特别是农田区域NDVI二次生长高峰使VPAIV显著高于其他植被且VPAIL低于周边地区。(3)气候驱动机制分析表明:降水不对称(CAIPrcp)是调控生长期长度不对称的主要因子(与VPAIL整体相关系数R=0.91,CAIPrcp对VPAIL变化的贡献率达到41.4%),同时对春秋季生产力不对称也具有负向调节作用;气温不对称(CAITemp)对生长期长度具有辅助调节作用(R=0.47),但对生产力水平影响不显著(R=-0.39)。(4)通过自组织映射SOM(Self-Organizing Map)分类,分析得出物候参数特征分布与植被类型分布表现出显著的空间一致性,因此可利用植被物候参数进行植被类型制图。综上,本研究在较大空间尺度全面量化植被返青期与衰落期在4个维度上的不对称性特征及其气候调控机制,拓展了物候学研究维度,为区域生态模型与碳循环估算提供季节分配机制支撑,也为农业种植策略、水资源调控与气候适应性生态管理提供了重要参考。
摘要:全极化合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)数据能够有效刻画森林冠层的垂直结构特征,在森林地上生物量AGB(Above-Ground Biomass)反演中具有重要的应用价值,而合理的极化分解方法是提取关键极化特征并构建高精度定量反演模型的重要支撑。然而,在复杂森林冠层条件下,基于Barakat极化度的无模型分解方法在应对去极化效应、噪声干扰及观测几何变化时易产生偏差,导致极化特征的稳定性与泛化能力受限。为此,本研究在无模型分解框架中引入有效极化度EDoP(Effective Degree of Polarization),提出了一种融合EDoP的改进型无模型极化分解方法。以湖南省3个典型森林区域的L波段全极化SAOCOM(SatéLite Argentino de ObservacióN Con Microondas)影像为数据源,分别采用模型分解、传统无模型分解及融合EDoP的无模型分解3种策略提取极化特征,并结合前向特征选择与4种机器学习回归模型开展森林AGB定量反演。结果表明,融合EDoP的方法显著改善了散射目标的功率分配:体散射VOL(volume scattering)分量的能量占比由约40%降至30%,二次散射DBL(Double-Bounce Scattering)分量的能量占比提升约20%,有效抑制了由噪声和去极化引起的能量偏差,增强了各散射分量与森林AGB之间的相关性,尤其在冠层结构异质性较高的林分中表现更为突出。相较于传统无模型分解,融合EDoP的无模型分解方法所提取的极化特征与AGB的相关性显著增强;在森林AGB定量反演性能方面,本文提出的方法使决定系数(R²)提升0.15—0.30、相对均方根误差rRMSE(Relative Root Mean Square Error)降低4%—7%,且生成的森林AGB空间分布图更加合理,低估与高估现象均得到有效缓解,延缓了森林AGB遥感反演的饱和效应。本研究进一步验证了融合EDoP的无模型分解方法在复杂林分中的稳健性与可迁移性,证实其具备缓解森林AGB遥感反演饱和效应、提升复杂森林区域AGB反演精度的潜力,对实现大范围森林生物量与碳储量的精细化监测具有重要的应用价值。
摘要:本文针对传统偏移量追踪小基线集方法在跃动冰川三维时序流速监测中受异常值干扰严重的问题,提出一种引入稳健趋势-异常值分解RTOD(Robust Trend-Outlier Decomposition)的信号处理方法,以提升流速时间序列的可靠性与准确性。将RTOD方法集成至传统的星载合成孔径雷达SAR(Synthetic Aperture Radar)偏移量追踪多维小基线集PO-MSBAS(Pixel-Offset-tracking Multi-dimensional Small Baseline Subset)和三维偏移量追踪小基线集3D PO-SBAS(three-dimensional Pixel-Offset-tracking Small-Baseline-Subset)方法中,分别构建RTOD-PO-MSBAS和RTOD-3D-POSBAS算法。该方法通过对升/降轨Sentinel-1A/B SAR影像提取的位移或流速时间序列进行信号分解,识别并剔除异常值,重建冰面三维时序流速。本文以斯瓦尔巴群岛奥斯本(Osbornebreen)冰川为实验区进行测试,结果表明,RTOD处理显著抑制了流速异常值,提升了Sentinel-1A/B SAR影像与Sentinel-2光学影像提取流速的一致性。西支冰川Sentinel-1A/B SAR影像与Sentinel-2A/B光学影像提取流速的相关系数由0.03—0.77提升至0.15—0.98,流速间差值的四分位距由35.45—717.26降至33.59—142.42;东支冰川相关系数由0.01—0.27提升至0.47—0.80,四分位距由140.07—3056.97降至40.70—113.62。再者,对比发现,RTOD-PO-MSBAS和RTOD-3D-POSBAS解算的各年份流速曲线与全球陆地冰流速与高程时间序列数据集ITS_LIVE(inter-mission time series of land ice velocity and elevation)流速产品间亦具有较好的一致性,相较传统算法能够更为准确地刻画奥斯本冰川流速时空变化特征。总体而言,RTOD方法对跃动冰川时序流速的异常值剔除效果较好,有效提升了跃动冰川三维时序流速监测的可靠性,为跃动冰川运动过程研究提供了更高质量的数据支持。该方法也为其他类型的大量级地表位移监测(如滑坡、泥石流等)提供了技术参考。
摘要:土壤湿度是陆地水文循环的重要变量,对气候变化、农业生产和生态系统管理具有关键意义。然而,现有的土壤湿度降尺度方法面临数据产品来源单一、协变量选择不全面等问题,限制了其精度和应用范围。本研究以中国东北地区为案例,提出了一种融合多尺度土壤湿度产品及地形汇流特征的降尺度框架,并采用4种代表性机器学习方法,构建了顾及地形汇流效应的多产品协同降尺度模型。研究表明,在引入多源土壤湿度数据和地形汇流效应后,模型决定系数(R²)由0.839提升至0.849,均方根误差RMSE(Root Mean Square Error)由0.098降低至0.095,偏差(Bias)从0.004减少至0.003。卫星土壤湿度产品为模型性能提升提供了互补信息,而地形汇流特征通过描述水分输送机制,提高了降尺度模型对土壤湿度空间分布的拟合能力。最终生成的高分辨率、逐日土壤湿度数据为精细尺度的土壤水分分析和应用提供了有力支持。