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基于混合智能模型的湿地资源遥感监测技术研究 ——以江苏盐城滨海湿地区域为例

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基于混合智能模型的湿地资源遥感监测技术研究 ——以江苏盐城滨...

作者：凌成星中南林业科技大学

学位级别：硕士

湿地几乎遍布世界各地,但是人类对湿地真正认识只是近半个世纪的事,尽管目前国内外对湿地的定义还不完全一致,但是《湿地公约》的定义已经被国际上各个国家和研究机构普遍地接受,“湿地系指不问其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿... 详细信息

湿地几乎遍布世界各地,但是人类对湿地真正认识只是近半个世纪的事,尽管目前国内外对湿地的定义还不完全一致,但是《湿地公约》的定义已经被国际上各个国家和研究机构普遍地接受,“湿地系指不问其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、湿原、泥炭地或水域地带,带有或静止的或流动的、或为淡水、微咸水或咸水的水体者,包括低潮时水深不超过6m的浅海区域。”按此定义,湿地包括了海洋/海岸湿地、内陆湿地、人工湿地三大类,其中主要包括永久性浅海水域、岩石性海岸、沙滩、滩涂、湖泊、草本泥炭地、高山湿地、苔原湿地、灌丛湿地、水产池塘、灌溉地、盐田、运河、排水渠,以及海岸带区域的珊瑚礁、海草区、红树林和河口等。由于兼具陆地生态系统和水生生态系统的特点,湿地是地球上生产力最高的特殊生态类型,具有保持水源、净化水质、蓄洪防旱、调节气候、美化环境和维护生物多样性等重要生态功能。湿地也因此被誉为“地球之肾”、“天然水库”和“天然物种库”。滨海湿地处于海陆的交错地带,是一个“边缘地区”,是发育在陆地与海洋之间,受海洋和大陆相互作用最强烈的地带。其生物多样性丰富、生产力高,在全球变化、防风护岸、降解污染、调节气候等诸多方面具有重要价值。本研究主要探讨盐城滨海湿地区域信息遥感提取的技术方法以及湿地资源景观变化的分析与预测。采用模拟反射率图像的图像处理方法,综合每个波段信息量,减弱在信息损失,并且科学的运用波段辐射能量特点,以模拟反射率图实现,使阴影区的图像质量、分辨率得到了提高,提高了整体图像质量及地物分辨清晰度,使图像处理由传统的不定量(拉伸)处理变为定量(特定处理工艺)处理,囊括了TM数据七个波段的信息,信息利用完整。在遥感图像视觉生理认知过程中,基于湿地遥感监测的技术,在湿地研究区确立了模拟反射率TM多波段图像的最佳信息量、最优监测波段组合TM453。基于遥感图像的色度、纹理、地物形状、生长过程知识、GIS属性、空间关系及一系列启发性知识和事实等地学辅助信息的使用,融入多种地学知识,加大了知识获取、知识维护及知识匹配推理等一系列问题操作和实现。采用研究区1988年到2009年相隔20年共5期湿地信息提取数据,结合研究的信息提取混合智能模型得到了盐城湿地研究区从1988年—2009年20多年来的湿地资源类型和主要土地覆盖类型变化分布情况,其信息提取总体精度和Kappa系数优于单纯的BP神经网络分类总精度84.33%,Kappa系数0.821和监督分类最大似然法的分类总精度为81.21%,Kappa系数为0.804,得到的结果为：1988年4月总精度为89.12%,Kappa系数为0.889;1994年6月总精度为89.97%,Kappa系数为0.875;2000年6月总精度为90.11%,Kappa系数为0.897;2006年9月总精度为89.41%,Kappa系数为0.871;2009年3月总精度为90.27%,Kappa系数为0.888。通过空间分析功能,获得湿地空间数据,并进行叠加得到湿地变化数据;借助景观生态学的思想,利用空间格局指数对江苏省盐城湿地资源景观格局的动态变化进行了分析研究,并用马尔可夫预测模型对研究区格局发展趋势进行预测,得到的预测结果表明在未来的10年内非湿地景观类型的面积比例将越来越大,居民用地和养殖场/塘将一直保持增加的趋势,而耕地在2006年之后将逐渐呈现减少的趋势,城市扩张发展、各大交通、电力、能源、通讯等工程的实施占用大量耕地面积。随着时间的推移,自然形成的湿地资源碱蓬滩、芦苇滩、米草滩只有在两大自然保护区内才可以发现,更多的泥滩和草滩地已经被沿海大开发所利用,滩涂的围垦和大型风力发电厂基地的兴建,自然湿地资源大量的减少。盐城湿地研究区将逐渐发展为由野生麇鹿保护区和国家级珍禽自然保护区中仅存的自然湿地变化,和人工湿地养殖场／塘为主要的湿地类型,其它湿地资源面积逐渐减少的湿地区域变化趋势。

关键词：遥感技术信息提取混合智能分类模型马尔可夫预测模型盐城湿地

基于GF-1遥感数据的若尔盖高寒沼泽湿地地上生物量与土壤有机碳密度估算

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遥感技术与应用 2021年第1期36卷 229-236页

作者：曹霸凌成星贵州省林业调查规划院贵州贵阳550000 中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091

随着我国遥感技术迅速的发展,国产系列卫星数据越来越多的应用到各个行业中。在湿地遥感监测方面,湿地生物量和碳储量的遥感估算研究是研究人员非常关注的研究问题,我国自主研制的高分(GF)系列卫星为湿地生态系统的资源监测提供新的途... 详细信息

随着我国遥感技术迅速的发展,国产系列卫星数据越来越多的应用到各个行业中。在湿地遥感监测方面,湿地生物量和碳储量的遥感估算研究是研究人员非常关注的研究问题,我国自主研制的高分(GF)系列卫星为湿地生态系统的资源监测提供新的途径和方法。提出了基于GF-1卫星的若尔盖高寒沼泽湿地地上生物量与土壤有机碳密度估算方法,通过选取GF-1遥感数据单波段信息,计算植被指数信息、纹理特征、地形特征等27个遥感因子,采用逐步回归法确定建模因子,构建了若尔盖湿地地上生物量和有机碳密度估算模型。研究结果表明:整个若尔盖湿地地上生物量为109.93万t,0~30 cm的土壤有机碳密度为18.99 kg/m~2。经地面调查数据验证,地上生物量估算精度为86.44%,有机碳密度估算精度为81.56%;并且,地上生物量和土壤有机碳密度与研究区的湿地植被分布主要集中在中部和西北部范围的空间特征一致,模型估算出的研究结果具有较好的可靠性和合理性。

关键词：高分卫星高寒沼泽湿地地上生物量土壤有机碳遥感估算

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基于波段反射率模拟的遥感影像重构研究

遥感技术与应用 2012年第4期27卷 530-535页

作者：凌成星鞠洪波张怀清中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091

为了增加TM遥感数据单波段信息量和视觉感知力,实现定量模拟TM遥感影像各波段反射率,提出一种TM遥感影像图像处理新方法,即在不破坏原有波段光谱特征的基础上重构TM波段反射率模拟图像。选取图像质量评价指数进行客观定量评价分析,实验... 详细信息

为了增加TM遥感数据单波段信息量和视觉感知力,实现定量模拟TM遥感影像各波段反射率,提出一种TM遥感影像图像处理新方法,即在不破坏原有波段光谱特征的基础上重构TM波段反射率模拟图像。选取图像质量评价指数进行客观定量评价分析,实验结果表明:单波段信息熵值平均增加1.35,获得的均方误差系数和峰值信噪比值有明显变化,均方误差值平均减少11.2,重构的模拟单反射率TM影像灰度级离散程度集中,信息量丰富,图像增强变化和光谱信息优化程度都有显著提高。

关键词：反射率图像处理定量模拟图像重构质量评价

三种回归分析方法在Hyperion影像LAI反演中的比较

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生态学报 2012年第24期32卷 7781-7790页

作者：孙华鞠洪波张怀清林辉凌成星中国林业科学研究院资源信息所北京100091 中南林业科技大学林业遥感信息工程研究中心长沙410004

借助GPS进行地面精确定位,利用LAI-2000冠层分析仪在攸县黄丰桥林场开展130个样地(60m×60m)的叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)测量。采用FLAASH模块对Hyperion数据进行大气校正并与地面同步冠层观测数据进行拟合,通过研究地面实测LAI... 详细信息

借助GPS进行地面精确定位,利用LAI-2000冠层分析仪在攸县黄丰桥林场开展130个样地(60m×60m)的叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)测量。采用FLAASH模块对Hyperion数据进行大气校正并与地面同步冠层观测数据进行拟合,通过研究地面实测LAI与Hyperion影像波段及其衍生的系列植被指数(NDVI、RVI等)的相关性,筛选出估算叶面积指数的植被指数因子。应用曲线估计、逐步回归及偏最小二乘三种回归分析技术分别建立叶面积指数的最优估算模型。结果表明:参与建模的因子中,比值植被指数(RVI)与LAI的相关性最大,敏感性最高,其次是SARVI0.1,NDVI705,NDVI,SARVI0.1,SARVI0.25;曲线估计、逐步回归分析和偏最小二乘回归三种分析方法所建的6个回归模型中,偏最小二乘回归的拟合效果最好,预测值与实测值的决定系数R2为0.84、曲线估计的拟合效果最低,预测值与实测值的决定系数R2为0.64;建模精度分析表明,选用5—6个自变量因子进行LAI建模是可靠的,以6个植被因子建立的偏最小二乘回归模型预测精度最高。

关键词：遥感反演叶面积指数偏最小二乘回归植被指数黄丰桥林场

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面向对象CART决策树方法的湿地遥感分类

林业科学研究 2019年第5期32卷 91-98页

作者：姚博张怀清刘洋刘华凌成星中国林业科学研究院资源信息研究所

[目的]以北京地区为例,对大区域多类型湿地信息提取方法进行研究。[方法]采用面向对象多尺度分割算法及光谱差异分割算法分割Landsat8 OLI遥感影像,辅助Google Earth高清影像及2015年人工解译结果,使用分层抽样法随机产生训练样本与验... 详细信息

[目的]以北京地区为例,对大区域多类型湿地信息提取方法进行研究。[方法]采用面向对象多尺度分割算法及光谱差异分割算法分割Landsat8 OLI遥感影像,辅助Google Earth高清影像及2015年人工解译结果,使用分层抽样法随机产生训练样本与验证样本;综合运用光谱、形状、纹理特征及拓扑关系,构建CART决策树模型提取研究区湿地信息;与最大似然法、面向对象最邻近方法的分类结果进行对比。[结果]利用面向对象CART决策树方法,分类结果的总精度为88.05%,Kappa系数为0.844,相较于面向对象最邻近方法,总体精度、Kappa系数相差不大,但针对部分湿地类型,如河流、沼泽湿地,精度提高了10%~20%;比使用最大似然分类法的总精度高近30%,Kappa系数提高0.355。[结论]对于湿地分布广泛、类型及数量较多的地区,面向对象CART决策树方法分类结果较好,是一种快速、有效的分类方法。

关键词： CART决策树湿地信息湿地类型北京地区 Landsat8 OLI

基于Worldview-2八波段影像改进指数的湿地类型分类研究

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林业科学研究 2014年第5期27卷 639-643页

作者：凌成星鞠洪波张怀清孙华中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091

采用Worldview-2八波段影像作为数据源,选取东洞庭湖湿地核心区域作为研究区,进行了Worldview-2八波段特征分析、构建改进遥感指数、采用改进遥感指数阈值分层分类的策略对湿地区域进行信息提取。研究结果表明,基于Worldview-2八波段影... 详细信息

采用Worldview-2八波段影像作为数据源,选取东洞庭湖湿地核心区域作为研究区,进行了Worldview-2八波段特征分析、构建改进遥感指数、采用改进遥感指数阈值分层分类的策略对湿地区域进行信息提取。研究结果表明,基于Worldview-2八波段影像改进指数的湿地类型分类总精度达到了92.24%,Kappa系数为0.902,比原始遥感指数的分类精度提高了8.18%,特别是对草滩地和泥滩地的区分有了较大的提高,是有效、准确提取湿地类型的技术方法。

关键词：湿地 Worldview-2影像遥感信息提取改进遥感指数

中国三北防护林工程第二阶段生态效益综合评价

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林业科学 2022年第11期58卷 31-48页

作者：纪平邵全琴王敏刘华王晓慧凌成星侯瑞霞中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院陆地表层格局与模拟重点实验室北京100101 北京维盛沃德科技有限公司北京100020 国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室北京100091 国家林业和草原科学数据中心北京100091

【目的】三北防护林工程第二阶段(2001—2020年)实施以来取得了巨大的生态效益,但局部地区仍然存在问题,甚至出现生态退化。以生态系统结构、质量、服务为核心,综合定量评价工程实施前后生态系统变化,厘清第四期(2001—2010年)和第五期(... 详细信息

【目的】三北防护林工程第二阶段(2001—2020年)实施以来取得了巨大的生态效益,但局部地区仍然存在问题,甚至出现生态退化。以生态系统结构、质量、服务为核心,综合定量评价工程实施前后生态系统变化,厘清第四期(2001—2010年)和第五期(2011—2020年)工程对生态系统恢复的影响,为后续三北工程的滚动实施提供科学和有针对性的理论依据。【方法】基于“历史动态本底—恢复现状—恢复指数”的生态工程生态效益综合评估方法,以遥感解译反演和模型估算结果为基础,构建生态系统宏观结构变化指数(EMSCI)、质量变化指数(EQCI)、服务功能变化指数(ESCI)和生态系统恢复指数(ERI),全面评估三北防护林工程区生态系统类型结构、质量和关键服务功能的时空格局变化。利用空间叠加分析功能,厘清工程实施期间的生态系统变化过程,定量评价生态系统恢复程度。【结果】1)在三北防护林工程第二阶段,生态系统类型显著变动,整体动态度为12.22%,森林覆盖率持续增加,森林面积占比10.18%,且第四期增量(1.60万km^(2))大于第五期增量(0.69万km^(2))。2)生态系统质量显著改善,平均植被覆盖度和平均植被净初级生产力分别增加了3.77%和82.33 gC·m^(-2) a^(-1),增长率为24.50%和34.96%。生态系统质量持续转好面积占比20.15%。3)与本底期相比,生态系统服务功能全面提升,单位面积水源涵养量增长1.25万m^(3)·km^(-2),单位面积植被固碳量增长134.19 gC·m^(-2) a^(-1),单位面积土壤保持量增长6.76 t·hm^(-2) a^(-1),单位面积防风固沙量增长9.81 t·hm^(-2) a^(-1),分别提升了45.89%、34.96%、74.29%和24.96%。单位面积水蚀模数增加23.88%(因为近年来年均降水量比前期增加,造成侵蚀量和保持量均有所增加),风蚀模数下降25.58 t·hm^(-2) a^(-1),风沙侵蚀危害程度降低46.49%。生态系统服务功能持续转好面积占比15.83%。4)生态系统恢复状况良好,持续转好和保持稳定区域面积占比为21.95%和20.29%。【结论】三北防护林工程区经第二阶段多期连续实施重点生态工程,已取得显著成效。东北华北平原农区、内蒙古高原中部风沙区和黄土高原丘陵沟壑区的生态系统恢复良好,森林覆盖率提高,平均植被覆盖度增加,平均植被净初级生产力提高,单位面积水源涵养量、植被固碳量、土壤保持量和防风固沙量等生态系统服务功能明显转好。但西北荒漠区生态系统仍较脆弱,整体生态系统状况并未得到有效改善。在天山附近、准葛尔盆地、柴达木盆地、南疆盆地固沙农牧区、坝上高原、内蒙古西部荒漠半荒漠草原等生态系统脆弱区域,森林面积增长放缓,草地面积减少,荒漠面积增加,防治草地沙漠化仍为未来工程实施的重点。

关键词：三北防护林工程区生态效益评估生态系统监测与评估

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盐城湿地类型演化预测分析

地理研究 2009年第6期28卷 1713-1721页

作者：张怀清唐晓旭刘锐周金星凌成星中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091 北京市测绘设计研究院北京100038 北京师范大学地理学与遥感科学学院北京100875 中国林业科学研究院林业研究所北京100091

以盐城湿地主要分布的三个县市：射阳、大丰和东台作为研究区,通过1988~2006年每隔6年的4期TM遥感影像,开展盐城湿地类型的动态变化分析,根据遥感影像解译结果,利用基于可拓物元模型的湿地演化元胞自动机（CA）模型和马尔可夫模型从空... 详细信息

以盐城湿地主要分布的三个县市：射阳、大丰和东台作为研究区,通过1988~2006年每隔6年的4期TM遥感影像,开展盐城湿地类型的动态变化分析,根据遥感影像解译结果,利用基于可拓物元模型的湿地演化元胞自动机（CA）模型和马尔可夫模型从空间和数据上进行湿地类型的变化预测。分析结果表明：（1）将基于可拓物元CA模型模拟预测结果与遥感分类结果进行逐个像元比较,计算得出相似程度达到70%,因此基于可拓物元CA预测模型引入到湿地类型演化预测中是可行的。（2）基于可拓物元CA模型与马尔科夫模型的数值预测结果具有较高的相似度,表明研究区在2012年养殖场将成为盐城湿地最主要的湿地利用类型,预测结果分别达到了750.06km2和721.96km2,同时,耕地、居民用地、养殖场、米草面积总体呈增长趋势,滩地、芦苇、碱蓬和盐田呈剧烈减少趋势,米草逐渐占据优势物种,大面积的滩涂开发是盐城湿地类型变化最主要的原因。

关键词：遥感监测湿地类型预测模型盐城

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北京市湿地信息网络服务系统研究

湿地科学 2011年第4期9卷 355-360页

作者：吴学明张怀清林辉凌成星中南林业科技大学林业遥感信息工程研究中心湖南长沙410004 中国林业科学研究院资源信息研究所北京100091

湿地网络信息服务系统是以网络地理信息系统为基础,以湿地资源信息服务和为开展湿地信息共享及湿地信息辅助决策提供依据的系统。基于网络技术与网络地理信息系统技术,建立北京市湿地信息网络服务系统。该系统基于.NET多层分布式体系结... 详细信息

湿地网络信息服务系统是以网络地理信息系统为基础,以湿地资源信息服务和为开展湿地信息共享及湿地信息辅助决策提供依据的系统。基于网络技术与网络地理信息系统技术,建立北京市湿地信息网络服务系统。该系统基于.NET多层分布式体系结构及ArcGIS Server平台构建,建立了北京市湿地信息类型定义及编码体系,整合了北京市湿地资源信息,实现了级别化的湿地信息管理,构建了湿地信息知识库及资源共享库,并通过北京市湿地WebGIS,进行北京市湿地空间信息资源的发布和信息共享。整个系统包括7个大的功能模块,共有28个应用功能;系统通过安全引擎服务,为信息系统下的各种应用提供统一的安全服务和安全保障。北京市湿地信息网络服务系统的构建,实现了北京湿地信息的网络高效管理,将全面提升北京市湿地资源信息化管理与湿地信息共享水平。

关键词：北京湿地WebGIS 信息网络服务系统