水源林地区不同地表类型热效应的遥感反演分析

为了分析水源林地区不同地表类型对该地区的空间热效应,对美国Landsat7ETM卫星1999年12月15日和2002年1月5日桂林市灵川县青狮潭水源林遥感图像,利用遥感反演模型提取不同地表类型的地表温度,计算空间热效应指数。结果表明,不同地表类型的地表温度存在差异,冬季阳坡林地、农田等植被覆盖下垫面的地表温度较高,次之为裸地与建筑物,水体和阴坡林地较低。冬季阳坡林地对水源林地区热效应影响最高,热效应影响指数高于70%,次之为农田,两者的热效应影响指数和高于99%;裸地与建筑物对水源林地区热效应影响极微(热效应影响指数不超过1%),而水体和阴坡林地的影响为零。林地植被蒸腾对水源林地区热效应有较强调控作用。     

利用遥感植被指数模型研究青狮潭水源林变化

漓江近30年来出现了水量减少、枯水期越来越长的问题,而其上游青狮潭水源林覆盖的变化是影响漓江水量的重要因素之一。分别利用遥感比值植被指数(RVI)和归一化植被指数(NDVI)模型,提取美国ETM遥感图像青狮潭水源林不同时相的植被指数,通过分析植被指数的变化来研究水源林覆盖的变化。结果表明,1999年12月15日至2002年1月5日,研究区青狮潭水源林大部分面积(约80%)的植被覆盖度出现下降趋势,但植被覆盖度减少的数值不大,RVI减少值主要在-1.5≤·RVI<-0.1,NDVI减少面积中超过一半面积的NDVI减少值在-0.2≤·NDVI<-0.1,增长、不变的面积各占10%左右,遥感植被指数为定量分析漓江上游水源林覆盖的变化提供了一种有效手段。     

基于Visual C＋＋的喀斯特城市地表温度遥感反演

针对现有的地表温度反演研究基本上都是利用IDL或MATLAB语言编程实现、计算效率低的问题,利用Visual C＋＋语言编程实现＂喀斯特城市地表温度遥感反演系统＂,快速反演桂林喀斯特城市Landsat TM遥感图像的地表温度场和NDVI空间分布,分析NDVI变化对地表温度的影响。结果表明,系统具有独立运行、运行速度快等特点;NDVI在0.1～0.7范围时,地表温度随归一化植被指数的增加而降低,呈现负相关的关系,地表植被覆盖可降低地表温度、降低城市热岛现象。系统快速获取的地表温度场可揭示喀斯特城市热环境状况、城市热岛的规模和程度、喀斯特山峰植被的凉岛效应,为喀斯特城市的可持续发展提供科学数据。     

地震灾害引起植被覆盖变化的遥感检测

为了评估汶川地震引发的崩塌、滑坡和坡面泥石流等次生灾害对地表植被的破坏状况,对四川汶川地区地震前2007年4月19日和地震后2008年5月23日同一季节的美国Landsat 7 ETM卫星遥感图像,经预处理后反演地表植被覆盖度信息,检测地震灾害引起的植被覆盖变化。结果表明,地震灾害引起的植被覆盖减少区域主要分布在陡峭的河流两岸和沟谷地形地区,崩塌、滑坡和坡面泥石流等引起的裸露地表增加的面积占研究区面积的比率近6%,研究区植被覆盖度减少的面积达到33.7%,占总面积的1/3,显著减少(植被覆盖度减少量超过0.2)的面积达到10.3%,地表植被受到大面积的破坏。     

不同地物类型微波发射率特征分析

地表微波发射率是表征地表特征的重要参数,同时也是反演地表、大气参数的重要条件。不同地物类型由于其结构,含水量,粗糙度等的差异而具有各自的辐射特征。利用2003年6～8月,2003年12月～2004年2月两个时段针对AMSR-E(advanced microwave scanning radiometer-EOS)传感器的晴空条件下全球地表微波发射率数据,结合IGBP分类标准及覆盖度数据,选择相对较纯像元,分析了不同地表类型的发射率特征以及不同地物类型的发射率在不同波段随季节的变化规律。结果表明,地表发射率跟频率与极化相关,几乎所有植被和裸土类型双极化下的发射率变化趋势是随频率的增加而增大,而冰雪覆盖类型V极化发射率随频率增加而减小。此外,发射率跟地表类型密切相关。植被类型的发射率要高于裸土的发射率。因此,随着植被密度的降低,裸土的贡献增大,导致总体发射率的降低。对于植被类型,一般在夏季处于生长旺盛期,发射率比较稳定,可作为特征发射率。积雪覆盖是一个重要因素,尤其在冬季影响着地表的发射率变化。     

喀斯特城市水体面积变化对地表热场的影响

针对桂林喀斯特城市扩展、水体面积变化所引发的热环境问题,对美国Landsat TM卫星图像利用遥感模型反演桂林市1989年和2006年的地表温度和MNDWI水体指数,定量分析水体指数变化对地表温度的影响机理。结果表明,地表温度与水体指数呈负相关关系,地表温度随水体指数数值的增加而降低。随1989年至2006年桂林喀斯特城市规模的扩展,水体面积由占研究区总面积的4.6%降至4.4%,减少量占总面积的0.2%、占总水体面积的4.3%;桂林市两江四湖对改善中心城区的生态环境质量、缓解城市热岛现象发挥着重大作用。     

喀斯特城市不透水面对地表温度影响分析

针对桂林喀斯特城市快速扩展所引发的热环境问题,对美国Landsat TM卫星遥感图像利用模型反演不透水面率、地表温度,研究不透水面空间分布格局对地表温度的影响。结果表明,地表温度随不透水面率的增加而升高,地表温度与不透水面率呈明显的正相关关系,当不透水面率数值较高时地表温度随着不透水面率的增加而加速上升,连续大面积的不透水面是产生喀斯特城市热岛效应的直接原因。     

干旱区不同下垫面能量分配机理及对微气候反馈的研究

本文利用位于美国新墨西哥州距离接近并且天气背景相同的四种下垫面(沙漠草原、稀疏灌木林、稀树草原和浓密灌木林)站点的通量观测资料, 探讨了几种典型干旱下垫面的能量分配差异, 并分析了其对微气候的反馈机理. 结果表明, 四种下垫面叶面积指数和粗糙度在由沙漠草原指向浓密灌木林的梯度方向上呈现增加的趋势, 低覆盖度下垫面表现出更强的湍流输送阻力. 总体来看, 高覆盖度下垫面的净辐射、感热和潜热相对更高, 尤其在生长季更明显. 利用Penman-Monteith公式以及净辐射结合波文比两种方法诊断了在不同下垫面更替中湍流通量各影响因子的贡献. 随着植被覆盖程度的提高, 净辐射的变化对感热和潜热的变化起着决定作用, 且为正贡献; 地表阻抗和空气动力学阻抗变化引起的贡献相反. 此外, 沙漠草原和稀疏灌木林的地表温度和气温均高于浓密灌木林, 主要源于稀疏植被增大的空气动力学阻抗和波文比引起的增温贡献, 同时抵消了净辐射减小引起的降温效应, 表明在相同气候和天气背景下, 不同下垫面的陆面过程确实会对近地层微气候有明显的反馈作用.     

陇中黄土高原自然植被下垫面陆面过程及其参数对降水波动的气候响应

作为气候敏感区和生态脆弱区,黄土高原地区的陆面物理过程受气候波动影响十分明显.目前,虽然对黄土高原特定气候条件下的陆面物理过程有了一定认识,但对其随气候波动的动态变化规律认识却非常有限.本文利用黄土高原陆面过程观测试验在陇中黄土高原榆中SACOL站5年多的观测资料,系统分析了该地区自然植被下垫面陆面水分收支和能量平衡及地表反照率、土壤热传导率和粗糙度长度等陆面过程参数对气候波动的响应规律,发现陇中黄土高原自然植被下垫面的陆面过程特征及其参数对降水的气候波动十分敏感,不仅对降水量波动响应显著,而且与降水性质也密切相关.土壤湿度并不完全随年总降水量波动,而是随有效降水量增加而增大;陆面水分收支和土壤水分收支也随有效降水量波动变化明显;近地层垂直感热平流通量随年总降水量增加而减弱,地表能量不平衡差额却随年总降水量增加而增大.夏半年平均反照率随有效降水量增加而减小,但全年平均地表反照率却受冬季积雪时数影响十分明显,而且随积雪时数增加而增大;土壤热传导率和粗糙度长度均随年有效降水量增加而增加.并且,降水量越小,陆面过程参数对降水波动的响应就越敏感.不过,陆面过程参数基本在荒漠气候平均值和农田气候平均值之间波动,并没有突破气候约束,能够用拟合关系来表示它们对降水因子波动的响应规律,这种动态参数化关系可用来改善以往数值模拟或微气象分析时由于使用非动态陆面过程参数所带来的误差.     

植被及水体的分布对珠海城市地表温度的影响

针对珠海“国家园林城市”需要定量评估的问题,利用遥感模型和Landsat卫星图像反演地表温度、NDVI植被指数和MNDWI水体指数,定量分析其空间分布特征及影响关系。结果表明,大部分居民区的绿化覆盖率较高,NDVI在0．1～O．2,而大部分林地的NDVI在0．4～0．5,没有出现连续大面积的高地表温度区。NDVI〉O．3时,地表温度随NDVI的增加而快速下降,而NDVI在0．0～0．3地表温度随NDVI的增加而升高,平均地表温度峰值在NDVI为0．3,裸露的海滩、河滩等滩涂表面温度较低,减弱了裸露人工建筑高温像元的影响,使得结果与已有对其它内陆城市的研究不同。地表温度随水体指数的增加而降低,呈负相关关系。茂密的绿化林地、海洋等大面积水体、大面积滩涂和沼泽等湿地对调节珠海城市热环境发挥重要作用。     

北半球植被冬夏两季微波发射率特征分析

地表微波发射率是含水量、表面粗糙度、地物结构等的函数,这些因素具有明显的季节性。用晴空条件下高级微波扫描辐射计(AMSR-E)的瞬时发射率,辅助2003年IGBP(international geosphere-biosphere project labels)地表分类数据,获得了北半球各种植被覆盖地区2003年夏冬两季每半月平均的地表微波发射率。分析不同植被发射率随频率、极化、时间等变化的特性。结果表明,植被发射率在H和V极化均随频率的增加而增加,在有降雪的地区发射率随频率增加而迅速减小。植被区夏季发射率较高,89GHz的V极化发射率值大于0.944,且发射率时间序列上很稳定,极化差较低(<0.081),同一地区发射率时间序列RSME小于0.007 2。植被区冬季在积雪出现的地方发射率值降低,尤其表现在高频部分。随着植被密度的增加,植被地区发射率值增加而极化差降低。     

水体参数对受激布里渊散射阈值及增益的影响

受激布里渊散射在激光雷达海洋遥感领域具有广泛应用,而水体参数变化对其阈值及增益等关键特征参数影响的研究还很缺乏.本文利用分布式噪声模型及耦合波方程,理论分析了水的温度、压强和衰减系数对受激布里渊散射阈值和增益系数的影响.在理论分析基础上,设计了一种温度压强可控实验系统,采用平均衰减系数法实验测量了不同温度、压强及衰减系数下的阈值和增益系数.结果表明,受激布里渊散射阈值随压力和衰减系数的增大而增大,随温度的升高而减小,而增益系数则呈现与阈值相反的变化趋势.温度和衰减系数对阈值和增益系数的影响大于压力.研究结果对受激布里渊散射激光雷达海洋遥感探测具有重要意义.     

几种常见树种叶片光谱秋季变化特征分析

叶片随着时间生长产生变化,其光谱特征也会发生变化。研究相同树种叶片不同时间条件下的光谱变化规律以及不同树种叶片相同时间条件下的光谱特征,不仅为植被叶片光谱随时间变化的规律研究提供理论基础,也是高光谱遥感精确识别植被信息的关键。选取北京市10种常见树种,利用地物光谱仪观测各树种不同时间叶片光谱,同时将观测的光谱进行一阶微分处理和典型波段分析,对比相同时间不同树种叶片光谱的差异,分析相同树种不同时间的光谱变化规律,探索不同时相条件下高光谱遥感识别树种的有效波段。结果表明：不同树种叶片光谱均随时间的改变而产生显著变化,但差异规律各不相同;不同树种相同时间叶片光谱在部分波段存在显著差异,为高精度树种识别提供了理论依据和叶片基础光谱数据。     

小兴安岭主要树种冠层光谱季相变化研究

森林每年随季节变化而出现形态和生理机能的规律性变化,该变化在一定程度通过其光谱特征有规律地展现。准确地掌握森林冠层光谱特征随季节变化的规律不仅是遥感解译的关键,也为树种识别、动态监测和生化参数反演提供理论基础。利用地物光谱仪对研究区9个主要树种的冠层光谱数据进行长期观测,获取了春夏秋冬四个季节的反射光谱曲线并生成一阶导数曲线,同时还计算了常用的植被特征参数,进而分析不同树种在相同季相和不同季相的光谱特征,对比不同树种在可见光和近红外波段的季相变化特征和差异,探索遥感手段用于树种分类识别的最佳波段、最佳时相。结果表明：不同树种在各生长季光谱具有独特的特征,落叶树种光谱特征因季节的改变而呈现有规律的变化, 而常绿树种光谱特征年变化不明显。光谱特征的变化有效地反应了物候的变化,应用多季相的数据进行分类可以取得最好的效果,常绿树种和落叶树种光谱特征在冬季差异明显,而夏季是采用单季相遥感数据进行树种识别的最佳时节。     

基于光谱特征的高寒山区森林生态系统水源涵养分布反演研究

森林生态系统水源涵养具有调节气候,维持生态水平衡等生态功能。青藏高原作为高寒地区,由于其高海拔,环境恶劣的特征,无法实地人工观测水源涵养量。为更好地获取高寒地区的水源涵养量,通过遥感反演的方式得到特定地区的水源涵养价值量。以林芝巴宜区为研究区,研究区内林芝云杉、高山栎、高山松和雪层杜鹃四种植被为主要树种,遥感影像无法直接获得水源涵养信息,但可以通过构建植被叶片光谱信息与水源涵养量之间的定量关系来反演水源涵养价值量。研究不同植被与水源涵养量的定量关系,每种植被采集10个样点共1 000个叶片样本和水源涵养数据,利用ASD光谱仪获取高光谱数据,通过相关性选取拟合参数,构建水源涵养回归模型。利用Sentinel-2遥感影像反演研究区内植被的水源涵养分布,并对反演结果进行验证。结果表明,四类植被叶片的反射光谱,均呈现出相似的规律性,在可见光波段差异不明显,近红外到中红外波段呈现出明显四个水吸收带,在红光到近红外波段（700～1 400 nm）反射率最高。光谱反射率大小表现为高山栎>高山松>林芝云杉≈雪层杜鹃。通过实验获取植被冠层截流量、枯落物持水量和土壤含水量,三者之和代表植被的水源涵养量,分析植被的光谱特征与水源涵养量的关系,并通过Pearson系数评价波段参数与水源涵养的定量化关系,确定R₅₄₀,R_{1 950},NDWI和NDVI四个参数与水源涵养量显著相关。根据上述参数与四类植被的水源涵养量构建水源涵养回归模型,并通过模型反演研究区内植被水源涵养量,检验模拟精度,整体反演精度R2大于0.7,RMSE基本小于10,说明预测模型反演效果较好,模型可有效估算森林生态系统的水源涵养量。     

弱双折射光纤布喇格光栅反射偏振对温度响应特性的研究

理论分析了切趾弱双折射光纤布喇格光栅反射偏振相关特性与温度之间的关系.数值模拟了切趾弱双折射光纤光栅的反射谱、偏振相关损耗和差分群时延随波长变化曲线.实验测出了不同温度下反射谱、偏振相关损耗和差分群时延随波长变化曲线.根据实验结果对偏振相关损耗和差分群时延的变化情况作出了分析.反射偏振相关损耗呈现两个峰值,随温度增加两峰漂移程度相同,表明偏振相关损耗无明显差异.差分群时延最大值随温度增加成线性向长波方向漂移,证明了光纤光栅正交模损耗变化的等同性.综合理论分析与实验结果表明:切趾弱双折射光纤布喇格光栅的偏振特性随温度产生明显的变化,其正交模变化呈现等比例特性.     

利用Landsat热红外数据研究1985年—2015年北京市冬季热场分布

由于北京城市中心区冬季供暖、汽车尾气、工业生产等因素的影响,以及冬季植被覆盖减少导致地表热惯量降低,致使北京市冬季地表热场与其他季节差异明显。冬季城市热场分布直接影响冬季大气颗粒物等污染物的扩散速度,因此,研究热场分布对了解城市热场在大气颗粒物污染中的贡献具有重要的意义。首先利用MODTRAN大气辐射传输模型计算大气透过率、大气上行辐射与大气下行辐射三个关键参数,通过构建查找表解算热红外波段辐射传输方程。使用数据模拟的手段评价了该方法的精度,结果表明,当比辐射率和水汽分别在±0.005和±0.6的误差范围内波动时,温度反演的误差分别小于0.348和2.117 K,表明该方法可达到较高的反演精度。选择长时间序列Landsat TM、ETM+数据,进行地表温度反演,得到1985年—2015年北京市的地表温度。基于反演的地表温度分析了北京市热场的时空分布。结果表明,北京冬季热场分布在空间上可分为四个层次：北京市二环内温度较高、二环到五环内低温环状特征明显、外围郊区温度高以及北京西部的山区温度最低;随着近30年来北京市的快速发展,热场分布在长时间序列中发生了明显的改变：随着北京城市的不断扩张,环状低温区域也不断扩大,从三环扩展到六环;城市二环以内热岛效应随时间推移而增强,且分布范围扩大。     

云和降水扰动对黄土高原半干旱草地辐射收支及能量分配的影响

地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一. 认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律, 是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节. 利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年的观测资料, 研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律. 年平均结果表明, 多云状况可以作为年平均的气候背景; 云和降水对短波辐射削弱最强, 大气向下长波辐射随天空云量的增加而增强, 地表向上长波辐射随着云量的增加而减小, 净辐射占总辐射的比率受云和降水的影响较小. 季节平均结果显示, 短波辐射日积分量在生长季和非生长季均随云量的增加而降低, 生长季云和降水对短波辐射的削弱作用明显强于非生长季. 生长季, 晴天、少云和多云时向上长波辐射差异不大, 阴天时向下和向上长波辐射明显减小. 非生长季, 地表向上长波辐射受云和降水的影响较小, 日积分量变化不大, 向下长波辐射随云量的增多而增强. 地表反照率具有明显的日变化和季节变化, 冬季大, 秋季小; 地表反照率日变化呈不对称的“V”形分布. 生长季, 感热通量和土壤热通量随云量增多而减小; 潜热通量在晴天、少云和多云状况下随云量增多而增大; 阴天时受降水影响, 净辐射的严重削弱导致了潜热通量大大降低. 非生长季, 少云时净辐射日积分量最大, 晴天时的净辐射与多云和阴天状况接近; 感热和潜热通量随云量的增多而减小, 土壤热通量日平均积分值在非生长季为负. 生长季, 多云状况的能量闭合度最好, 能量不平衡差额占净辐射的3.9%; 阴天时最差, 不平衡差额占净辐射的16.8%; 晴天和少云状况不平衡差额约占净辐射量的7%. 非生长季受积雪影响, 能量不闭合差额明显大于生长季. 关键词： 半干旱草地 云和降水的扰动 辐射收支 能量平衡     

覆盖度对S原子在Ir(001)表面吸附性质的影响

采用第一性原理方法模拟了覆盖度对S原子在Ir(001)表面吸附能和电子结构的影响。结果表明：在覆盖度0.50 ML以下,S原子吸附在Hollow空位最稳定,且吸附能几乎不随覆盖度变化;在覆盖度0.66 ML以上吸附能随覆盖度增加而减小。吸附体系金属表面d带电子结构随覆盖度变化与O/Pt(111)吸附体系相似。这些结果与Hammer-Nørskov模型吻合。     

自然状态下水泥路面温度与其发射率耦合关系研究

地表发射率是地表温度遥感反演中不可缺少的参数之一。常规获取地表发射率的遥感方法中,存在温度和发射率病态反演的问题;而实验室实测方法在恒定的自然条件下测定,对于遥感实用有一定的局限性。为解决上述问题,本研究利用温度和发射率相互耦合的关系,剔除温度效应的影响,提高发射率的精度,进而提高遥感反演地表温度的精度。对于不同地表物质而言,发射率和温度耦合关系又不同,本研究针对典型的城市人造地表类型之一——水泥路面,基于合理的自然状态下水泥路面发射率和温度观测实验,筛选理想大气环境下实测数据;利用最优发射率与温度分离算法取代光谱仪自带算法,提取精度较高发射率数据;分析时序水泥路面温度和发射率数据的耦合关系,建立耦合模型,并进行验证。研究结果表明：水泥路面的发射率二阶导数与温度相关性最高,相关系数为-0.925 1。以发射率二阶导数为自变量的逐步回归模型为最佳关系模型,判定系数R2达到0.886,验证结果的均方根误差RMSE为0.292 1。水泥路面温度与其发射率耦合关系模型的建立为提高遥感反演地表温度的精度提供了一种途径。