摘要:森林资源在应对全球气候变化、维系生物多样性、实现生态文明建设等领域发挥着关键作用。中国亚热带森林占全国总量的44%,保护亚热带森林资源对于实现中国可持续发展目标具有重要意义。然而近30年来,自然条件变化和人类活动的的叠加,对亚热带森林构成了严重威胁。为明确中国亚热带森林退化趋势,本研究利用中国年度土地覆盖数据CLCD(Annual China Land Cover Dataset)长时序遥感产品,结合掩膜提取、莫兰指数和交互作用探测等分析方法,基于谷歌地球引擎GEE(Google Earth Engine)遥感云计算平台分析了1990年—2020年中国亚热带森林退化的时空分布特征及其驱动因素。结果表明:(1)1990年以来,中国亚热带森林退化面积达2539.63万hm2,相当于全国森林总量的17.96%,其中38%转变为耕地和草地;(2)空间呈东北向西南递增,分布呈高值、低值、高低、低高聚类且具有一定的空间自相关性;(3)退化主要在海拔2250 m以下、坡度小于50°的地区,区域海拔与坡度均呈倒U型分布,波峰分别出现在150 m和8°;(4)单驱动因素对于退化的影响并不明显,但坡度与人均GDP共同作用对1990年—2019年中国亚热带森林退化影响q值高达0.96。
摘要:叶面积指数LAI(Leaf Area Index)是表征作物冠层结构与长势的关键参数,利用遥感技术对其进行准确及时的监测对于田间水肥管理、粮食安全保障以及农业生产潜力评估等具有重要意义。红边作为指示叶片生理及冠层结构变化的敏感性光谱波段,已被多种中高分辨率(10—30 m)卫星传感器配置并广泛应用于作物参数反演,为进一步提升作物LAI反演精度提供了新的契机。然而,现有研究在红边波段应用于LAI反演的方式上存在较大差异,且由于研究区域的不同,如何有效利用红边波段提升LAI反演精度仍未明确。基于此,本研究以PROSAIL模型和机器学习算法结合的混合法为反演策略,利用包含3个红边波段的Sentinel-2影像和国家生态系统观测研究网络提供的全国主粮作物(水稻、小麦和玉米)地面LAI实测数据,通过优选机器学习模型及波段组合,构建了耦合红边波段特征的农作物LAI反演算法,并在不同场景下开展了系统评估。结果表明,多层感知机(MLPR)拟合LAI与多波段反射率的效果最佳,且红边波段的引入可有效提升LAI反演精度,其中联合引入红边1(RE1)和红边3(RE3)的反演效果最优(R2=0.784,RMSE=0.826),与不加入红边波段的Z1组合(Green+Red+NIR+SWIR1+SWIR2)相比,R2提升了4.9%,RMSE降低了15.6%。同时,引入红边波段不仅可减少LAI反演的系统性偏差,而且在LAI中高值区间(4LAI5)有效地缓解了饱和效应的影响(|Bias|和RMSE分别下降了52.2%和41.4%)。此外,不同作物对红边信息的响应存在差异,引入RE1和RE3后,玉米LAI反演精度提升最为显著(R2提升17.9%,RMSE降低29.1%)。本研究通过耦合红边波段所构建的反演算法,可显著提升不同作物类型LAI反演精度,为大尺度、长时序农作物长势精准监测提供了重要技术支撑。
摘要:准确估算叶片叶绿素含量LCC(Leaf Chlorophyll Content)对作物生理监测和精准农业管理具有重要意义。然而,传统基于可见光—近红外冠层反射率的植被指数VI(Vegetation Index)在LCC反演中面临诸多挑战:一是LCC与冠层结构信号混淆,导致光谱响应中目标信息与结构噪声高度耦合;二是不同作物类型间的冠层结构异质性进一步加剧了VIs对结构参数的敏感性差异,显著限制了模型的跨作物泛化能力及应用范围。鉴于此,本研究提出一种遥感机理与深度学习双驱动的LCC反演框架,旨在削弱冠层结构影响并提升模型在不同主粮作物间的适应性。该方法首先基于PROSAIL辐射传输模型模拟多种叶面积指数LAI(Leaf Area Index)与LCC组合,构建低LAI敏感性的植被指数比值特征集VIRFS(Vegetation Index Ratio Feature Set);随后结合主动学习策略,优化迁移学习中目标区域样本的选择过程,在有限标注样本下实现高效模型微调。模型在中国东北(玉米、水稻、大豆)、黄淮平原(小麦)和长江流域(水稻)三大农业区的主粮作物数据集上进行了系统验证。结果表明:(1)本研究提出的混合方法在异地主粮作物LCC反演中表现出色,模型在不同主粮作物场景下R2稳定高于0.69,RMSE低于4.77 μg/cm2。(2)相比传统植被指数特征集VIFS(Vegetation Index Feature Set),VIRFS在最优微调条件下可显著降低LAI敏感性,3个地区不同主粮作物的R2提升0.18—0.23,RMSE降低1.85-2.51 μg/cm2。(3)融合主动学习的迁移学习策略在仅使用30%本地标注样本时,即可实现不同主粮作物的高精度LCC反演(R²=0.69—0.74,RMSE=4.98—5.76 μg/cm2),相较随机采样策略精度R2提升0.02—0.16,RMSE降低0.05—1.42 μg/cm2。综上所述,本研究构建的耦合物理规律与数据驱动的反演框架,能够显著提升主粮作物LCC反演的精度与鲁棒性,为多区域、多作物LCC的无损监测提供了普适性解决方案。