综合运用遥感、建模和原位测量的湿地生物物理学环境定量分析方法研究——以杭州西溪湿地为例

湿地是最重要的自然生态系统之一，然而，目前我国对湿地生态系统的调查、保护与监测尚不够深入，还有许多关键问题没有解决。本课题拟提出一种适用于定量研究湿地生态系统的新方法，该方法综合运用光学遥感、雷达遥感，以及建模技术和原位测量方法，并以杭州西溪湿地为研究区域进行实例研究。研究按三个阶段进行：第一阶段，进行样区内湿地类型与生物物理学参数的原位调查，建立地表真实数据集；第二阶段，对现有模型进行校准和修正，用于改进雷达后向散射和光学反射的建模过程，并建立湿地生物物理学参数与相应的光学、雷达辐射机制，以建立反演模型；第三阶段，综合运用光学与雷达遥感数据，进行湿地内各个生物物理学参数的反演。同时，将建立杭州西溪湿地的定量、包含空间细节的数据库，并运用地面调查数据等资料进行验证。本研究将推动基于多源遥感的湿地生态系统研究，解决湿地生物物理学参数反演中的一些关键问题。

本项目自2010年被批准以来开始实施，开展了调研、数据订购、原位测量、遥感数据处理、计算机建模、验证等一系列工作，以构建定量分析湿地生物物理学环境的方法。项目通过分析主要的生物物理参数来实现，包括：植被覆盖度、叶面积指数、地上生物量。鉴于西溪湿地土壤水分含量变化太大，数据采购难以保证与采样时间对应，本研究过程中对土壤水分含量的研究仅限于测试性建模。至2013年12月，本项目已完成预期的研究内容。.植被覆盖度是本项目研究的第一个参数，该参数反演的基本方法已较为成熟，多数根据近红外波段信息、植被指数进行反演。叶面积指数是本项目研究的第二个参数，该参数反演的基本方法相对植被覆盖度有更大的复杂程度，总体上叶面积指数与单个波段信息、植被指数的相关性略小。这两个参数的反演重点在于获取历年参数信息以开展演变分析。在反演过程中，采用了通过地面采样数据获得的样区植被覆盖度、叶面积指数信息，与光学遥感的光谱信息、NDVI、雷达后向散射系数建立反演模型。反演结果与部分样区结果进行验证，并与高分辨率遥感影像图进行比照，以确立更为精确、可信的植被覆盖度、叶面积指数的反演模型。然后，本研究运用近三十年来不同时相的Landsat MSS / TM / ETM+、Terra ASTER卫星影像，对西溪湿地植被覆盖度、叶面积指数进行反演，初步掌握西溪湿地最近几年植被的演进机制。通过分析得知，这30年期间，植被覆盖度和叶面积指数在总体上呈下降趋势，而且2000年至2007年之间的下降明显增速。对照城市发展历程，植被演变的主要驱动因子为：1）城市建设，2）农业与旅游开发，3）西溪国家湿地公园建设。.生物量是本项目研究的第三个生物物理学参数，也是本项目研究的重点。本研究如同多数关于生物量研究，针对地上生物量。该参数反演重点在于探讨建模方法。本研究以杭州西溪国家湿地公园为研究区域开展如下工作：1）构建一系列从光学、雷达遥感信息反演研究区域内地上生物量的模型，2）以Pearson相关系数、均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE等参数来选择与评价模型，3）以相对最优模型、整个研究区域的光学/雷达影像反演地上生物量。在此基础上，分析了：1）光学与SAR数据的应用，2）传感器类型对模型的影响，3）建模方式对模型的影响。最后，选用其中相对最优的模型进行了地上生物量反演，并探讨了地上生物量的空间分布状况。