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目前人类正面临着全球性环境变化的挑战,理解环境变化趋势及原因意义非常重要。相关研究表明,环境变化都是在全球各大圈通过能量循环实现的,其中,陆地在整个地球系统中连接着大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈和生物圈(包括人类圈),是多数物质循环和能量转换的载体,能通过影响气候、土壤、水文以及地貌对自然环境产生深刻的影响。因此,从全球尺度或者区域尺度来监测陆地变化情况对了解全球变化趋势有着重要的科学意义。我国陆地面积广阔,地貌特征突出,地表覆盖种类丰富,经济增长和人类活动加剧导致的土地荒漠化加剧、森林植被减少等覆盖变化明显,对研究陆地覆盖具有典型意义。因此,对我国陆地典型地物变化特点及覆盖情况进行监测对了解全球环境变化有着重要科学意义。
遥感具有大面积同步观测、高时效性、数据综合性等优势,能快速、经济地获取陆地地表覆盖变化情况。遥感可以分为光学遥感、微波遥感等。其中,微波遥感由于不受云、雨、雾的影响,能全天时、全天候地监测地表覆盖,在探测陆地地表变化情况研究中具有独特优势。
星载微波散射计能从大尺度上对地表覆盖变化进行监测。它能够获取地物微波后向散射系数,从而获取地表参数、地物类型信息,并推断其不同性质及变化规律。微波散射计能弥补光学遥感在陆地地表覆盖监测中的不足,为陆地地表覆盖监测提供了新的方法和途径。
本文基于1991年到2000年欧洲遥感卫星(ERS)散射计数据开展长时序我国陆地地表的变化分析。主要内容有:
(1)获取我国陆地1991-2000年10年ERS-1/2原始观测数据并进行预处理。根据我国陆地地表覆盖范围的经纬度提取出相应的ERS-1/2散射计原始观测数据,然后对每月的多角度数据进行归一化到角度40°处,最后经过克里金插值处理为分类做准备。
(2)开展基于散射计数据的陆地典型地物分类方法研究,并利用分类结果研究我国典型地物变化特点。采用决策树与支持向量机分类法(SupportVectorMachine,SVM),对散射计预处理后的数据进行分类,开展分类结果评价,并分析沙漠、草地、裸土、森林农作物四类主要地物的分布变化特征。
(3)研究我国典型区域地物的长时序后向散射系数变化特点。选取我国七个典型区域的地物,绘制其十年间每月的雷达后向散射系数年际、年内以及季相变化曲线,提取出它们在十年间的季节性变化信息,结合气候数据,研究典型地物的变化特征。同时,获取1991-2000十年的我国陆地地表覆盖分类图,并分析变化趋势。
通过上述研究,得出以下结论:
(1)将决策树分类方法与SVM分类方法引入散射计数据地物覆盖分类研究,通过对分类结果的对比分析,表明利用决策树及SVM方法能够有效地从散射计数据对沙漠、草地、裸土、森林农作物四类典型地物进行划分且基于SVM方法的分类结果优于决策树分类方法的分类结果。
(2)通过对我国七个典型区域地物(黄土高原、大兴安岭、内蒙古高原、青藏高原、西双版纳、塔克拉玛干沙漠以及华北平原)的ERS散射计后向散射系数年际、年内、季相变化分析,以及气象数据的年际分析,得出以下初步结果:以草地为主的青藏高原和内蒙古高原后向散射系数十年间呈现下降趋势,显示这两个区域的草地覆盖度可能下降,并与降雨量的减小有一定的关系;以森林植被为特征的大兴安岭和西双版纳地区十年间的后向散射系数基本稳定,略有上升,大兴安岭区域的后向散射系数与气温有一定的关系,而西双版纳区域后向散射系数与气温和降水量的相关性较小;华北平原和黄土高原以农作物为主,华北平原十年间后向散射系数保持平稳,农作物长势十年间基本稳定,且与气温具有较高的相关性,而黄土高原十年间后向散射系数呈下降趋势,这可能与该区域降水引起的植被覆盖下降有关;塔克拉玛干沙漠十年间后向散射系数变化不大。
(3)通过对十年间夏季(七月份)四类典型地物的统计,发现沙漠在十年间面积比例增长约1.1%,草地所占面积比例呈现下降的趋势,结果与相关调查结果类似。