海岸带陆域NDVI、ISA丰度和水域Chl-a浓度遥感监测研究——分别以黄河三角洲和欧洲北海为例

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:ylylyl123
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海岸带是陆域与海域的转接地带,是陆海相互作用强烈,生态、环境脆弱,人类活动影响突出的区域。在加强对地观测,关注全球变化,力求可持续发展的今天,对海岸带这个既包含陆域又涵盖水域的特殊区域进行生态与环境的监测研究具有十分必要的意义。与生态、环境和人类活动密切相关的陆域指标:归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、非渗透表面(Imper-vious Surface Area,ISA)丰度及水域指标:叶绿素(Chlorophyll a,Chl-a)浓度,三者即便隔离开来,其中的任何一个,亦可做深入的研究。细细推究这三个指标的关系,虽不能说紧密关联,但又不是完全割裂,尤其NDVI是联系其它两个指标的关系纽带。NDVI与ISA丰度同属陆域重要的环境与生态指标,NDVI主要表征自然因素,ISA丰度主要表征人文因素,二者之间具有此消彼长的联系,数据信息可互相验证、互为补充。NDVI、Chl-a浓度二者虽不是直接相关,但均为环境中指示生态状况的重要指标,均为影响植物初级生产力的重要参数。   基于此,从陆域、水域角度分别对NDVI、ISA丰度和Chl-a浓度等海岸带典型环境、生态指标以遥感、GIS等为主要技术手段进行监测研究。其中陆域以黄河三角洲(东营市)为实证区,水域以欧洲北海为实证区。本文核心内容有三部分:第一部分主要基于SPOT-VGTS10数据、气象站点数据对NDVI时空监测并研究NDVI对气温、降水等因子的响应;第二部分主要基于TM数据、SPOT-VGT数据、野外调查数据对ISA丰度进行遥感提取并研究ISA丰度值两个方面的应用;第三部分主要在单站点测量数据对MERIS L2 Chl-a浓度进行验证基础上研究2011年MERIS L2 Chl-a浓度日、月、季、年等时空特征。   第一部分对黄河三角洲NDVI的研究,主要结论为:   (1)1998-2008年黄河三角洲NDVI年最大值表明研究区以农业用地为主、其次依次为滩涂、水域、林地、建设用地、草地、未利用地等;其月际NDVI变化主要与作物种植、生长、收获有关,9月份NDVI值最高,最大值达0.89,2月份NDVI最低,最大值不足0.3。   (2)1999-2008年黄河三角洲NDVI年际变化空间分异明显,但总体以良性发展和中、低变化为主且无显著变化区集中分布于近海滩涂区。另外,对于面积比例约为15.53%的中、强持续性退化区应该尤为关注并探讨和寻找原因。   (3)黄河三角洲NDVI与气温、降水等因子,尤其是与气温有较高的相关系数,相关系数分别为0.81、0.63,若考虑一个月的时间延迟,相关系数则分别增加为0.89、0.75,且春季(2-4月)、夏季(5-7月)气温对植物生长起决定作用,秋季(8-10月)NDVI受降水强度影响较大,但若植物生长水分充足,降水量与NDVI并无明确关系。另外,不同月份气温、降水对NDVI的影响主导作用不同,在今后的研究中应考虑不同的延迟度。   第二部分对黄河三角洲ISA丰度的研究,主要结论为:   (1)以黄河三角洲年最大植被覆盖度数据作为V-I-S模型和NSMA模型的辅助,高精度提取ISA丰度值,提取结果经665个站点数据的验证,均方根误差为9.25%,系统误差为2.18%。在此基础上又分别以10%、50%、609/0、80%的ISA丰度值界定农村非建成区/农村建成区、非城区/城区建成区、低/中密度城区建成区、中/高密度城区建成区等,并得出农村非建成区面积比例为92%,低、中、高密度城区面积占建成区总面积的63%。   (2)ISA丰度与NDVI、LST等参数的关系表明:试验区ISA丰度与NDVI之间存在直线负相关关系,其相关系数为0.46;ISA丰度与LST之间为指数函数正相关,但其具体的函数关系式,需在今后研究中采用更加定量化的方法进行表述;尽管ISA丰度与NDVI(LST)之间存在负(正)相关关系,但不同研究区具有不同的相关系数(曲率)和关系表达式。   第三部分对欧洲北海Chl-a浓度的研究,主要结论为:   (1)61个单站点测量获取的Chl-a浓度最小值为0.26mg.m-3,最大值为27.57mg.m-3;其对MERIS L2 Chl-a浓度的验证,表明当Chl-a浓度小于5mg.m-3时,MERIS L2 Chl-a浓度比实际值偏小,当Chl-a浓度越高时,MERIS L2 Chl-a浓度比实际值偏高;验证结果和相关资料表明仅就大尺度时空监测和变化分析而言,MERIS L2 Chl-a浓度数据可用于欧洲北海区域。   (2)综合Chl-a浓度中值、均值、变异系数等时间序列及空间分布特征,表明:欧洲北海Chl-a浓度秋末冬初(11月份、12月份)最高,均值约为5mg.m-3,6月、7月初Chl-a浓度值最低,均值约为1.33mg.m-3,春季4月中旬至5月初有较高的Chl-a浓度出现,均值约为2.5mg.m-3;冬季、春季变异系数较大,多在1~2,甚至1~2.5之间变动,春末至11月变异系数较小,多在0.5~1之间变动;且一般情形下Chl-a浓度愈大,变异系数反而越小;Chl-a浓度愈小,其值波动性愈强,变异系数反而愈大。   (3)综合对月(季、年)Chl-a浓度空间分布的研究,表明:2011年4~12月高Chl-a浓度主要集中分布于德国、荷兰、比利时等西海岸和英国东海岸,但1~3月高Chl-a浓度空间分布异质性显著且地理位置变动较大,这主要与大西洋暖流、极地东风以及来自波罗的海的海流有关;总体而言,Chl-a浓度冬季最大,秋季次之,夏季最小且挪威沿岸约100km范围内,德国西部、丹麦西部约150km范围内、丹麦和瑞典组成的岬角区以及英国东南部、多佛尔海峡北部、荷兰、比利时西部等形成的喇叭口区域为欧洲北海Chl-a浓度高值区。   通过上述研究,把陆域NDVI、ISA丰度,水域Chl-a浓度等指标在海岸带生态、环境背景下以实例、实证的方式进行论述,除对各指标进行时空监测和分析外,旨在加深对海岸带环境、生态等监测技术、方法、应用等的理解并对其进一步深入研究。
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