典型“高山-绿洲-荒漠”生态区植被净初级生产力时空变化特征分析

“高山-绿洲-荒漠”作为干旱区独特的自然景观,其内部迥异的生态系统极易在全球变化影响下产生不同波动,而植被净初级生产力（NPP）作为评价生态环境质量的重要指标,对整体认识区域变化有重要意义。遥感影像的产生为大尺度、长时间的区域NPP估算提供了可能,通过土地利用类型数据划分的不同植物覆被下的最大光能利用效率也提高了NPP估算的精度。因此选取具有典型“高山-绿洲-荒漠”生态系统的叶尔羌河流域作为研究区,使用多年遥感影像数据、气象数据,选用基于光能利用率的CASA模型对其进行模拟并对各生态区NPP状况进行分析,得出以下结论：(1) 叶尔羌河流域NPP年均值在2000年之后整体呈波动上升状态,约有85.9%的区域呈上升趋势,在绿洲区域的水域以及居住地处NPP出现下降状况。(2) 流域内NPP变化与降水量相关性较强,其空间分布特征与NPP和温度的相关性表现出相反状态。(3) 叶尔羌河流域NPP在各生态区上表现出“绿洲最高,荒漠绿洲过渡带次之,高山以及荒漠最低”的状况,生态环境相对绿洲、荒漠绿洲过渡带更为脆弱的区域（荒漠、高山）NPP波动性更强。研究结果将为区域生态环境保护修复、应对气候变化、实现人类与自然协调发展、促进多民族共同繁荣提供科学支撑。     

基于光谱数据的祁连山不同生态区植被覆盖时空变化特征

时序光谱遥感植被指数是公认的监测植被覆盖变化的有效指标，在大范围植被覆盖动态变化监测中发挥着重要作用。祁连山地处中国西部甘肃和青海两省交界处，地理位置特殊，对维持中国西部生态安全具有重要作用。随着全球气候变化，祁连山区的气候也出现了不同程度的变化，并且近些年来国家在祁连山实施了多项生态环境保护工程措施。针对祁连山不同生态区植被覆盖变化现状及未来趋势研究的不足，基于1 km分辨率的SPOT-VGT-NDVI光谱数据，运用数理统计法、空间叠置法分析了祁连山不同生态区植被覆盖时空格局、植被稳定性和未来演化趋势，探寻出敏感区域，为区域生态安全、生态工程建设提供理论基础，进而为林草部门制定祁连山保护规划和植被恢复措施提供科学依据。研究结果表明：1998年—2018年间祁连山植被NDVI呈波动上升趋势，增速为0.32%·a-1；柴达木盆地荒漠生态区和帕米尔—昆仑山—阿尔金山高寒荒漠草原生态区NDVI变化率较小，仅为0.14%·a-1和0.27%·a-1，而内蒙古高原中部草原化荒漠生态区和江河源区-甘南高寒草甸草原生态区的变化率较大，分别为0.54%·a-1和0.57%·a-1。空间上，祁连山植被NDVI呈现东南区域高，西北区域低，整体改善，局部恶化的趋势，恶化区域和改善区域面积分别占祁连山总面积的28.37%和40.76%；分析发现祁连山植被较为稳定，较高波动和高波动变化区域面积合计为0.22×104 km2，占1.20%；未来呈良性发展趋势和恶性发展趋势的面积分别占祁连山总面积的42.82%和26.40%，其中持续性恶化的面积占25.56%。祁连山-植被恶化区域主要为高海拔雪线附近的高寒草原和高寒荒漠、中东部城镇周围地区和河湖周围的植被脆弱区域，国家应将此区域作为以后治理的重点区。     

草地退化的高光谱遥感监测方法

我国草地分布面积广,退化情况严重,实时、准确地监测草地的生态状况,对于区域气候、碳循环研究以及经济发展具有重要意义。利用地面实测光谱数据进行了高光谱草地退化监测研究。选择内蒙古呼伦贝尔市的温性草甸草原为研究对象,测量了草甸草原的羊草、克氏针茅、冷蒿等多种植物的叶片、冠层以及多种植物混合的群落反射率光谱数据。通过有效的光谱特征参量化方法,提取叶片和冠层光谱的光谱特征,准确区分了草甸草原的几种建群和退化指示草本植物,验证结果表明光谱识别的精度高于95%。以此为基础,利用线性光谱混合模型对群落植被的混合光谱数据进行混合光谱分解,得到各组分的覆盖度,误差在5%以内。该文的研究结果为高光谱遥感草地监测提供了有力依据。     

雅鲁藏布江源区高寒草地退化光谱响应变化研究

雅鲁藏布江源区的草地退化监测研究对于揭示全球变化影响下的区域生态系统响应特征、 探讨其驱动因子及评价西藏高寒生态环境质量具有重要意义。基于高寒草甸、 高寒草原和荒漠等不同类型和不同退化程度草地的地面实测数据,对雅鲁藏布江源区高寒草地的典型植物光谱特征和草地退化过程中的光谱响应变化进行了分析。结果表明作为高寒沼泽草甸、 高寒草甸、 高寒草原和高寒灌丛等类型的典型优势种藏北嵩草、 小嵩草、 紫花针茅和金露梅具有明显的光谱特征差异,主要体现在红边位置、 红边形状、 红谷和纤维素吸收波段处,与植物的生长形态和枯叶鞘固有特性密切相关。在草地退化过程中,光谱反射率整体上持续降低,叶绿素吸收造成的“红谷”特征弱化,近红外水分吸收谷变弱,土壤背景光谱特征渐渐凸显。通过对比常见的植被指数,发现那些能够充分描述植物红边或者叶绿素吸收特征的指数具有更高的可分性,表明可能对草地退化具有更好的表征能力,为西藏高寒草地退化遥感监测提供了参考依据。     

遥感植被指数和CASA模型估算山东省冬小麦单产

准确估算区域尺度冬小麦单产对明确区域农业生产现状与保证国家粮食安全有重要意义。光能利用率模型是作物单产估算的常用模型之一,模型中最大光能利用率（ξ_max）是准确估算作物单产的关键参数,作物的ξ_max是否随时间发生变化需要深入探讨。首先使用Savitzky-Golay（S-G）对中分辨率成像光谱仪（MODIS）时序植被指数数据进行滤波,采用差分法结合光谱突变法提取了山东省2000年-2015年冬小麦种植面积,并使用市级尺度年鉴统计面积对提取面积进行验证,然后使用固定ξ_max和变化ξ_max分别驱动光能利用率模型（CASA）,结合作物收获指数与冬小麦种植面积获取山东省2000年-2016年冬小麦单产时空分布特征,探讨最大光能利用率对作物单产模拟的影响。结果表明,滤波后的时序植被指数数据能够反映冬小麦生长的光谱特征,差分法与光谱突变法结合提取冬小麦面积具有较好的普适性,提取的多年冬小麦种植面积与年鉴统计冬小麦播种面积之间的决定系数（R2）达0.71;变化ξ_max情景下模拟的多年冬小麦单产与统计单产之间的决定系数更高,说明冬小麦ξ_max是随时间变化的,可能与冬小麦品种更替有关。基于统计与模拟的结果均显示山东省冬小麦单产在2000年-2016年间呈现增加趋势,两者表现出来的增加速率分别为93.12和149.79 kg·hm-2·a-1。在空间上,山东省冬小麦单产呈现西部高于东部的分布特征。     

基于PROSAIL模型的高寒冬季枯草关键参数阈值率定

冬季牧草即枯草的存量是生态补偿计算与畜牧生产科学管理的关键基础,而对青藏高原枯草关键参数认识的不足,直接限制了高寒冬季枯草监测研究与应用发展。PROSAIL是一种光学辐射传输模型,它可以定量描述植被参数与冠层反射率的关系。利用最新版本PROSAIL模型,结合野外实测的枯草光谱及叶面积、叶绿素等10个性状参数数据,模拟生成了15 000组潜在的枯草光谱数据序列。通过冬、夏实测枯草与绿草样方的反射光谱特征分析,揭示了枯草在可见光波段与近红外波段与绿草的显著差异性,描述了青藏高原冬季枯草在400～1 300 nm波段近似线性的独特光谱分布特征。在此基础上,提出了以红光与绿光波段差值为依据的鲜/枯草光谱区分方法,并据此实现了15 000组模拟光谱中枯草光谱的初级与二级筛选,建立了枯草模拟光谱数据序列集。该模拟光谱数据序列集与实测光谱在400～2 500 nm全波段明显相关,所有模拟谱线R2均在0.904～0.994之间,表明该模型能够很好地模拟高寒冬季枯草的反射率光谱。进一步采用EFAST方法,对枯草模拟光谱数据序列进行全局敏感性分析,识别出棕色素、类胡萝卜素、花青素、叶片结构、热点5个对枯草光谱变化不敏感的参数,并在此基础上优化枯草敏感参数阈值区间。最终,以99%置信区间为标准、余弦距离为评价函数,OFAT方式再次运行模型,界定了枯草敏感的参数阈值：叶面积指数阈值区间为0.2～0.89、叶绿素含量为0～1.29 μg·cm-2、平均叶倾角为11°～90°、等效水厚度为0.000 1～0.005 cm、干物质含量为0.008～0.05 g·cm-2。通过对10个枯草性状参数及其取值区间的率定,提出了枯草光谱关键参数数值区间参考表,为提高对高寒冬季枯草性状特征的科学认识及探究遥感反演应用技术方法提供理论依据与基础数据。     

积雪-荒漠植被及其组合反射光谱特征观测实验及分析

光谱混合机制研究对混合像元解算具有一定指导意义。利用全波段光谱仪累积期和消融期对规则和非规则分布模式下积雪-荒漠植被混合像元及纯净积雪和荒漠植被像元控制式采集反射光谱。K-均值法计算采集影像积雪和荒漠植被面积比并分析其对应混合像元光谱变化特征以获取更加精细的光谱特征信息,准同步Tetracam ADC3(Agricultural Digital Camera 3)采集图像并计算典型指数,从微观尺度上证实了混合像元主要出现在地类边界处。结果发现,1 456～1 697 nm粗粒径冻结雪反射光谱高于新雪反射光谱,新雪反射光谱明显高于陈雪;因冻结覆冰,荒漠植被光谱为积雪、冰晶和植被枝干混合光谱信息,新降积雪覆盖植被光谱特征为积雪和植被枝干的混合光谱信息,不存在常规绿色植被“红边”效应;采集角度为5°和10°时光谱低于垂直角度采集光谱,角度大于10°随角度增加荒漠植被光谱逐渐增大。像元内各个组成物质的面积比及所处像元的位置、采集角度和方向都会影响混合像元的光谱组合信息。     

基于轴锥镜对的高光能利用率激光通信天线性能分析

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案,通过对入射光束的光强重新排布,降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失,提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布,比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明:高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下,通过合理调整入射光束腰大小,光能利用率分别可达到99%和96%以上,远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布,发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.     

滇中三类典型地表植被的机载高光谱特征分析

高光谱遥感技术因为具有图谱合一的优势,并且相较于传统多光谱遥感技术,可以实现对目标的精确识别,逐渐运用于地表植被的探测。选择以滇中地区的竹林、华山松、杂木林这三类典型地表植被为研究对象,基于机载高光谱影像数据,通过对原始高光谱、一阶微分处理光谱、连续统去除处理光谱进行处理与对比分析,获得滇中三类典型地表植被类型高光谱特征的初步探测认识。主要结果包括：(1）基于对原始光谱特征分析得出,三类典型地表植被的原始高光谱的最佳波段窗口出现在690~946 nm,且在该波段范围内光谱反射率特征为竹林>华山松>杂木林;(2）运用一阶微分处理光谱特征分析得出,利用光谱微分变换处理能够增强植被的光谱差异。经过一阶微分处理后光谱的最佳波段窗口出现在670~774 nm,在该波段范围内的一阶微分系数为竹林>华山松>杂木林。且发现718 nm为三类植被的敏感波段,即可用718 nm敏感特征波段区分开三类植被类型;并且综合运用一阶微分光谱特征参数中的红边位置,蓝边幅值、黄边幅值、红边幅值、蓝边面积、黄边面积和红边面积可以将三类植被类型进行区分;(3）最后基于连续统去除处理光谱特征分析得出,连续统去除方法能够有效地增强植被光谱曲线反射和吸收的特征。经过连续统去除处理后的光谱,三类典型植被的最佳波段窗口在458~554和570~690 nm,这两个波段范围内的连续统去除系数均为竹林>华山松>杂木林,且发现502和674 nm为三类典型植被的敏感波段,即可用此特征综合区分三类植被类型。该研究结果有助于对滇中森林植被精细判别提供技术方法,同时,为今后发展天-地-空的高光谱影像数据一体化遥感植被精细分类提供技术支撑。     

自参考干涉波前传感器中针孔直径对闭环自适应光学系统校正精度的影响

使用自参考干涉波前传感器(SRIWFS)进行波前的绝对测量时,为了获得近似平面波前的参考波,针孔直径应该不大于无畸变光学系统艾里斑直径(d_A)的一半,然而这必将导致光能利用率的严重下降.为了最大程度地提高光能利用率并改善干涉条纹的对比度,研究了SRIWFS应用于闭环校正中时所允许的最大针孔直径,这将在闭环开始阶段尤为重要.数值模拟和实验表明,直径不大于1.5d_A的针孔可以获得满意的校正结果,校正后远场斯特列尔比高于80％;同时光能 关键词： 自适应光学 自参考干涉波前传感器 针孔直径 闭环校正     

基于优化光谱指数的牧草生物量估算

牧草生物量是天然和人工草场产出的一个重要指标,能直接反映牧草的长势,它的实时监测是制定合理的草地管理和放牧制度的前提。然而,传统的样方法费时、费力很难满足草地生物量监测的实时性要求。近年来,随着高光谱遥感的发展,为草地的快速、无损的监测提供了可能。通过对内蒙古天然和人工草地生物量及其冠层光谱数据分析,探讨了不同类型光谱指数在估算牧草生物量的鲁棒性。研究表明,由于冠层结构和生物量的影响,不同类型草地冠层的光谱反射存在巨大的差异,从而使现有光谱指数对天然草地和不同品种人工草地牧草生物量的预测能力存在显著的差异(R2=0.00～0.65)。在荒漠草原低生物量的条件下,受土壤背景影响不同光谱指数预测能力较小,而在青贮玉米高生物量条件下,基于红光的光谱指数容易发生饱和失去敏感性。把不同草地类型的数据结合后进行简单比率和归一化窄波段光谱指数的波段优化,与出版的光谱指数相比优化后的归一化光谱指数(normalized difference spectral index, NDSI）显著提高了牧草生物量的预测能力,预测生物量模型的决定系数最高(R2=0.72)。敏感性分析进一步证明了基于波段优化算法的优化光谱指数NDSI,(ration spectral index, RSI）有最低的噪声,从而能更好的预测牧草生物量。波段优化算法可以有效提高遥感估算草地牧草生物量的精度,光谱指数及其优化波段的选择会直接影响模型的预测能力。     

Biomass estimation of desert steppe based on spectral indices along a precipitation gradient

Abstract

Accurate estimation of grassland biomass in desert steppe is crucial for various studies such as grassland dynamic monitoring, scientific management, and environmental degradation. Observational tests were conducted in the Ordos desert steppe in July and August from 2014 to 2016 to measure the grassland biomass and grassland canopy spectral data along a precipitation gradient, to analyze the spectral reflectance characteristics and the correlation between different spectral indices and grassland biomass in the range of 350–1830?nm, and to establish and verify a model for estimating grassland biomass of desert steppe. The results showed that the spectral reflectance of the Ordos desert steppe is similar to the spectral characteristics of typical green vegetation. The spectral reflectance values of control and of lightly, medium-, and heavily degraded plots successively increased in the visible light band at 350–696?nm and decreased in the near-infrared band at 792–1349?nm. The sensitive band of the normalized difference spectrum indices after optimization was 705 and 710. The coefficient of determination of normalized difference spectral indices (705 and 710) and grassland biomass was R²?=?0.735. These values were significantly correlated at the p?R² values of the fitted power function model and the verification power function model were 0.764 and 0.746, respectively. The root mean square error was 41.59?g/m². The relative error was 28.37%, and the constructed power function model was the best model. Therefore, the optimized spectral indices can be used to effectively estimate the grassland biomass of desert steppe.     

自组装成环荧光显微成像技术在抗生素残留量检测中的应用

提出了一种基于溶剂毛细流效应的微波加热自组装成环荧光显微成像技术,并应用于内蒙古乳都乳中抗生素残留量检测。在六氢吡啶反应介质和聚乙烯醇-124(PVA-124) 存在下,将米诺环素液滴滴在疏水性玻璃表面上,当液滴受热挥发时,形成直径约为1.54 mm,环带宽为 22.6 μm的自组装环。当点样体积为0.30 μL时,线性范围为4.2×10-12～1.8×10-11 mol·ring-1(1.4×10-6～0.60×10-5 mol·L-1),方法的检测限(3σ)为4.2×10-13 mol·ring-1(1.4×10-7 mol·L-1)。应用于内蒙古乳都乳中残留米诺环素和米诺环素胶囊中米诺环素含量的检测,回收率分别为97.2%～103%和99.4%～102%,相对标准偏差(RSD)小于1.2%。该方法建立了高灵敏、高选择性的痕量药物污染物分析新方法,为内蒙古地方优势资源产品——乳品中抗生素类药物残留量的定量检测提供理论依据,同时对不同地区乳品中抗生素的来源、残留情况的系统动态研究及对乳品行业的管理、监督等具有重要的现实意义和更广泛的应用前景。     

黄河甘宁蒙段表层沉积物中重金属元素含量及其形态分析

到目前为止,关于水环境中重金属浓度和形态分布的研究有许多报道。但是关于黄河上游,特别是对黄河甘宁蒙段区域重金属的研究报道仍需进一步深入。在相关研究工作的基础上,使用HR-ICP-MS和BCR连续提取法主要对2011年丰水期黄河甘宁蒙段12个采样点表层沉积物Cd,Pb,Cr,V,Co,Ni,Cu和Zn重金属元素的含量,形态和潜在风险进行测定与分析。结果表明：所有采样点各重金属元素含量顺序相同：Cr>V>Zn>Cu>Ni>Pb>Co>Cd,与各采样点所在区域土壤中背景值相比,S5采样点Cd元素的含量水平最高(1.30 μg·g-1) 约为背景值(0.103 μg·g-1)的13倍。通过I_geo对重金属进行污染评价,结果显示S5采样点Cd元素为强污染水平(I_geo=3.08),内蒙古段四个采样点(S1—S4)Cd表现为中强度污染水平,I_geo位于2.02~2.90之间;此外,富集因子(EF)评价结果发现,研究区域表层沉积物中八种重金属均受到人为活动的污染。根据潜在生态风险指数(RI)结果,S5和S3采样点为高生态风险,其他采样点为中等生态风险。BCR连续提取法结果显示Cd的有效性最高,其次为Co和Ni,V和Cr有效性最低。根据形态分析风险评估准则 (RAC),Cd在S1—S4采样点有高风险,在S5采样点有很高风险;而对于Ni和Co来说,12个采样点中均表现为中等风险。研究结果和结论可为相关政府部门提供重要的研究信息。     

星地光通信的天气可用性与地面站选址研究

利用经验公式计算了星地光链路在雾、雨、雪、云天气中的衰减,仿真结果表明:波长越长,雾对激光的衰减越小;雪对激光的衰减量高于雨对激光衰减量1～2个数量级;当光学厚度达到4.7时,云层对激光的衰减已达到20 dB以上。综合考虑我国的地理分布和气候特点以及云层覆盖情况,建议我国星地光通信地面站选址可以考虑西北地区的塔里木盆地-内蒙古西部戈壁沙漠-黄土高原西北部一带。     

分光光度法测定阿奇霉素的改进

通过对阿奇霉素显色反应过程中硫酸浓度,反应时间,反应温度的研究,优化了分光光度法测定阿奇霉素含量的方法。结果表明,阿奇霉素在11.26—45.03mg.L-1浓度范围内,显色溶液在482nm处吸光度与其浓度具有良好的线性关系,线性回归方程为A=0.0172C（mg.L-1）＋0.0504,平均回收率为99.1%（n=9）。该方法简单,比传统光度法更灵敏、准确,适合于阿奇霉素含量的快速测定。     

HR-ICP-MS研究丰水期黄河甘宁蒙段过滤水和悬浮物中重金属的含量特征和污染评价

为研究黄河甘宁蒙段丰水期过滤水和悬浮物中重金属的含量特征及污染状况,采用高分辨电感耦合等离子体质谱仪(HR-ICP-MS)对黄河甘宁蒙段昭君浮桥 (S1)、包头浮桥(S2)等10个采样点过滤水中六种重金属(Cd, Pb, Cr, As, Cu和Zn)及悬浮物中九种重金属(Cd, Pb, Cr, Ni, Cu, V, Co, Zn和Mn)的含量特征、污染评价和源分析进行研究。结果表明：(1)过滤水中只有Cr元素含量在所有采样点超出《地表水环境质量标准》(GB3838—2002) 的标准限值,且在10个采样点中均为最高(74.8～94.7 μg·L-1);单因子指数(I_i)评价结果表明除包头浮桥(S2)未受总氮(TN)污染外,其余采样点水质均受Cr元素和TN污染;内梅罗综合指数法(I)得出所有采样点的I值均在1～2之间(轻污染程度),表明黄河甘宁蒙段水质,尤其是下游段(S1～S6)已不是生活饮用水、水产养殖等的理想水源。(2)悬浮物中Ni含量(34.7 μg·L-1) 只在玛曲点(S10)低于中国土壤元素背景值(35.2 μg·L-1),在其余点均高于背景值,而其余八种元素在10个采样点的含量均高于背景值;地累积指数法(I_geo)结果表明九种元素中Cd元素的I_geo值(0.452～2.89)在10个采样点中均为最高值,且在昭君浮桥(S1)、包头浮桥(S2)、乌海(S5)和东大沟入黄河口(S8)这四个采样点处达到中污染-重污染程度,其余八种元素在各采样点的I_geo值均小于1,为无污染或无污染-中污染程度。研究结果为全面研究该流域重金属分布、迁移及有效保护提供可信的实验数据。