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內容簡介

　　《生態環境參數遙感協同反演與同化模擬》以新疆為研究區域，係統介紹陸麵生態與環境參數的遙感協同反演算法、模型以及同化模擬技術，共9章#主要內容包括重要生態環境參數的含義、地麵測量方法及儀器、基於多源遙感數據的反演算法與模型；區域尺度與建築物尺度的太陽輻射估算模型與係統；基於光學與微波遙感協同反演積雪覆蓋分布與積雪深度的原理、方法與模型，並以新疆雪災災情應急監測為實例，探討雪災遙感應急監測的方法；陸麵數據同化的基本概念，陸麵數據同化模擬方法及其應用，以及當前主要的陸麵數據同化模擬係統；基於光學與被動微波遙感的陸錶土壤水分協同反演方法、基於VIC與Kalman濾波的同化模擬方法與係統，以及乾旱區重要生態環境參數遙感反演模型與軟件係統研發等。

目錄

《地球觀測與航術書》齣版說明—?—
前言
第1章生態環境參數及其測量方法1
1.1生態環境參數及其意義1
1.1.1生態環境參數1
1.1.2研究參數測量的意義2
1.1.3常見生態環境參數及其意義4
1.2生態環境參數的地麵測量方法6
1.2.1土壤水分含量測定6
1.2.2地溫測量13
1.2.3地麵光譜測量17
1.2.4太陽輻射測量19
1.2.5葉綠素含量測量20
1.2.6光閤作用測量21
1.2.7葉麵積指數測量22
1.2.8植被地錶生物量測量23
1.3基於遙傳感器的測量25
1.3.1遙感測量的優勢與研究內容25
1.3.2生態環境參量遙感反演研究進展26
1.4遙感信息模型概述33
參考文獻35
第2章陸麵環境參數遙感估算模型41
2.1地錶反照率遙感估算模型41
2.1.1基本原理41
2.1.2反照率遙感反演模型43
2.2比輻射率遙感估算模型47
2.2.1植被指數法48
2.2.2分類法49
2.3陸麵溫度遙感估算模型49
2.3.1基本原理49
2.3.2分裂窗算法50
2.3.3單通道算法51
2.3.4多通道算法55
2.4土壤水分遙感估算模型56
2.4.1基於可見光-近紅外遙感土壤水分反演法56
2.4.2基於熱紅外遙感的溫度法61
2.4.3微波遙感監測法64
2.4.4存在的問題與分析66
參考文獻68
第3章植被指數與覆蓋度遙感估算模型73
3.1植被光譜指數模型73
3.1.1植被光譜指數的含義73
3.1.2常用植被指數模型介紹74
3 1.3植被指數的應用77
3.2葉麵積指數遙感估算模型81
3.2.1葉麵積指數的含義81
3.2.2葉麵積指數遙感估算模型82
3.2.3葉麵積指數的應用90
3.3植被覆蓋度遙感估算模型94
3.3.1植被覆蓋度的含義94
3.3.2植被覆蓋度遙感估算模型95
3.4植被覆蓋度反演的實例103
3.4.1數據獲取與預處理103
3.4.2像元二分模型的建立106
3.4.3多端元混閤像元分解模型的建立109
3.4.4簡單綫性混閤光譜分解112
3.4.5結果分析與精度驗證114
參考文獻117
第4章植被生産力與荒漠化遙感監測模型123
4.1植被淨初生産力遙感估算模型123
4.1.1NPP估算模型123
4.1.2CASA模型實例130
4.2生態資産遙感信息模型136
4.2.1生態資産及其評估方法136
4.2.2生態資産遙感評估模型流程136
4.2.3模型實現與結果分析137
4.3荒漠化監測遙信息模型141
4.3.1荒漠化監測指標的確定141
4.3.2荒漠化遙感信息模型142
4.3.3荒漠化時空動態分析145
參考文獻148
第5章多尺度太陽輻射潛能估算模型及係統150
5.1太陽輻射估算基礎150
5.1.1地錶太陽輻射估算方法150
5.1.2基本參數的介紹151
5.2區域尺度的地麵太陽輻射估算153
5.2.1基於輻射傳輸的逐時地麵太陽輻射估算153
5.2.2融閤多源氣溶膠産品161
5.3建築物尺度的太陽能估算模型166
5.3.1陰影算法簡介168
5.3.2對平麵投射法的改進168
5.3.3計算建築錶麵非陰影區麵積171
5.3.4基於三維分析方法的太陽能估算與可視化173
5.4基於機載LiDAR的建築和樹冠三維建模及應用177
5.4.1方法與模型177
5 4.2實例研究181
5.5軟件係統設計與開發183
5.5.1需求分析183
5.5.2係統分析與設計184
5.5.3係統開發方案與實現186
參考文獻188
第6章積雪參數遙感反演模型與應用191
6.1積雪遙監測進展191
6.2積雪覆蓋範圍的遙感提取方法193
6.2.1雪蓋遙感提取原理193
6.2.2基於MODIS與AMSR-E的積雪覆蓋範圍識彆195
6.3基於微波遙感的雪販演模型198
6.3.1雪深遙感反演原理198
6.3.2雪深經驗反演模型的建立200
6.3.3基於MEMLS模型的雪深反演202
6.3.4地形修正以及結果與精度評價211
6.4積雪麵在雪災評價中的應用——以新疆為例214
6.4.1雪災災害係統艦214
6.4.2新疆雪災成因分析215
6.4.3雪災遙感監測與評價216
6.4.4實例：2012年12月新疆雪災危害度評價219
6.5雪災災情評價係統設計與開發227
6.5.1需求分析227
6.5.2係統設計228
6.5.3模塊開發與係統實現229
6 5.4SPR&DAS;係統應用實例231
參考文獻234
第7章數據同化策略與陸麵數據同化模擬方法236
7.1認識地球錶層:觀測還是模擬？236
7.1.1觀測236
7.1.2模擬237
7.1.3數據同化的思想238
7.2數據同化的概念與應用238
7.2.1數據同化的含義239
7.2.2數據同化的特點240
7.2.3數據同化的應用領域241
73數據同化方法概述245
7.3.1數據同化方法的分類245
7.3.2主要數據同化方法248
74陸麵數據同化係統254
7.4.1陸麵數據同化係統的組成255
7.4.2陸麵數據同化係統的建立258
7 4.3主要數據同化係統介紹258
參考文獻264
第8章乾旱區土壤水分遙感協同反演與同化模擬268
8.1基於微波與光學遙感數據的協同反演策略268
8.1.1問題的提齣268
8.1.2協同反演策略與建模原理269
8.1.3土壤水分協同反演實例272
8.2TVDI模型及其改進278
8.2.1問題的提齣278
8.2.2對TVDI模型的改進278
8.2.3改進的TVDI模型應用281
8 3基於VIC模型與卡爾曼濾波的同化模擬286
8.3.1問題的提齣286
8.3.2基於VIC模型預測土壤水分287
8.3.3順序同化——集閤卡爾曼濾波方法288
8.3.4新疆地區土壤水分同化模擬290
8.4土壤水分遙感反演與同化模擬係統的設計與實現295
8.4.1係統總體結構295
8.4.2係統功能設計295
8.4.3係統開發與實現297
8.4.4SMIAS係統介紹301
參考文獻302
第9章生態環境監測空間信息服務係統304
9.1研究區概況及需求分析305
9.2係統設計與實現306
9.2.1係統分析與設計306
9.2.2係統開發與實現309
9.2.3基本結論312
9.3ESISS係統主要功能模塊介紹313
9.3.1係統概述313
9.3.2生態環境參數遙感反演314
9.3.3專題産品生成319
9.3.4産品發布模塊330
9.4準噶爾南緣生態環境綜閤評價330
9 5主要空間信息産品介紹331
9.5.1係統應用實例331
9.5.2生態環境空間信息專題産品一覽333
參考文獻334
索引336

精彩書摘

　　第1章生態環境參數及其測量方法
　　1.1生態環境參數及其意義
　　1.1.1生態環境參數
　　生態環境是指影響人類生存與發展的水資源、土地資源、生物資源，以及氣候資源數 量與質量的總稱，關係到社會和經濟的可持續發展。近半個世紀以來，隨著人類社會的飛 速發展和人口數量的激增，人類對自然資源進行瞭大規模的不閤理開發與利用’幾乎漠視 自然生態係統自身的生態功能。這些開發和利用在給人類社會帶來巨大物質財富的同 時，也給人類自身帶來瞭嚴重的生態災難與環境問題，使全球生態環境發生瞭急劇的變 化。環境汙染、氣候變暖、森林雜被遭到破壞與退化、水土流失與荒漠化、生物多樣性減 少等生態問題不斷齣現(吳炳方等，2005)。人類正受到某些資源短缺或耗竭的嚴重挑戰， 資源環境問題正威脅著人類的生存和發展(Daily，1995；李曉兵，1999)。
　　生態環境麵是用來刻畫地球錶麵生態與環境的生物、物理與化學麵，能夠反映區 域生態環境的狀況，其中最直接反映生態環境狀況的是植被特徵、土壤特徵與冰雪水體變 化。隨著全球變化研究的深入，人們酬地認識到研究地錶生物物理化學參數是地球係 統科學的核心內容之-，通過釀這些錄或變量從而能更好地瞭解全球變化的趨勢及 其驅動因子。生態環境錄包括很多方麵:反映植被覆蓋狀況的植被指數、植被覆蓋度、 葉麵積指數、植被淨初級生産力和地上生物量等反映生態環境變化的地錶物理環境屬性 的參量，如反照率、陸麵溫度、亮度溫度、比輻射率和土壤水分等。一些常用的生態環境參
　　數及含義，見錶11。
　　錶1.1生態環境參數及其含義
　　參數名稱 含義
　　植被指數 由遙感傳感器獲取的多光譜數據，經綫性或非綫性組閤而構成的對植被有一定指示意義的 各種數值(陳述彭等，1998)。常用的植被指數有歸一化差值植被指數(NDVI)、比值植被指 數(RVI)及增強型植被指數(EVI)等
　　反照率 從非發光體錶麵反射的輻射與人射到該錶麵的總輻射之比，它體現瞭物體反射太陽輻射能 力的強弱。它是許多遙感反演模型的輸人參量，也是全球輻射變化研究的-個重要變量 (Liu and Hete，1995)
　　比輻射率 物體在溫度瞭、波長A處的輻射齣射度Ms(A，T)與同溫度同波長下的黑體輻射齣射度 muaj)的比值。比輻射率是衡量物體齣射輻射度的參量，是計算陸麵溫度的一個參數 (Qin and Karnieli， 2001)
　　參數名稱 含義
　　陸麵溫度 指陸地錶麵土壤、水體、建築物和植被冠層錶麵的溫度，它是區域和全球尺度地球錶層物理 過程的一個關鍵參量，它是地氣相互作用與能量交換的結果，單位為開爾文(K)
　　植被覆蓋度(FVC) 植被(包括葉、莖、枝)在地麵的垂直投影麵積占統計區總麵積的百分比。錶徵地錶植物群 落覆蓋地錶狀況的-個綜閤量化指標和描述生態係統的重要基礎數據;是全球、區域變化 監測模型中所需的重要信息(劉廣峰等，2007)
　　葉麵積指數(LAI) LAI有多種不同的定義和解釋，但最常用的是指單位水平土地麵積上的植物葉子單麵的總 麵積。它是研究植物冠層錶麵物質和能量交換的重要參數，被廣泛應用於植物生長模型、 能量平衡模型、氣候模型和冠層反射模型等諸多方麵的研究(程武學，2010)
　　淨初級生産力(NPP) 綠色植物在單位時間單位麵積內總初級生産量(GPP)減去呼吸作用消耗掉的能量⑵，餘 下的有機物質的量就是淨初級生産力
　　土壤水分 土壤水分是指土壤中含水的多少，可按重量含水量"和體積含水量來統計。大範圍的土壤 水分監測是農業過程研究和環境因子評價的基礎，在改善區域及全球氣候、預測區域乾濕 狀況，以及乾旱監測等研究中意義重大
　　植物生物量 植物生物量是指某-時刻單位麵積或體積內實存生活的有機物質的質量（乾重或鮮重）。 植物群落的生物量是植物生態係統生産力的最好指標，是植物生態係統結構優劣和功能高 低最直接的錶現。生物量還對碳、氮等物質循環研究、全球變化研究有重要意義
　　注："這裏重量含水量嚴格來說應該稱為質量含水量，這裏沿用習慣叫法。
　　1.1.2研究參數測量的意義
　　全球變化對陸地生態係統的強烈影響正在改變著陸地生態係統固有的自然過程，其 後果已經並將越來越嚴重地威脅人類的生存環境及社會經濟的可持續發展。因此，這一 問題不僅僅引起瞭全世界各國科學傢的關注，也成為當前生態學釀的一個重點領域，同 時也已經成為政府和公眾高度關注的一個社會和經濟問題。為瞭最大限度地減少全球變 化可能引起的不良後果’人類必須科學地認知在全球自然變化和人為活動雙重影響下的 陸地生態環境變化的過程，進而實施對生態係統的有效管理，以維持對人類生存和持續發 展適宜的環境(傅伯傑等，2005)。葉篤正先生曾指齣，“全球環境是一個不可分割的整體， 任何區域的環境變化都要受到整體環境變化的製約;反過來，整體環境的變化又是各區域 相互影響著的環境變化的綜閤體”(葉篤正和陳伴勤，1992)。生態環境是社會經濟可持續 發展的物質基礎，生態環境狀況的定量評價是實施區域可持續發展戰略的重要雜(宋鬆 柏和蔡煥傑，2004)。生態環境參數的準確測量與定量化描述對全球變化研究、地球係統 釀，以及氣候變化監測都有著重要作用。
　　1.錶徵生態係統物質能量循環
　　生態係統中的物質循環和能量流動是緊密結閤在一起的。物質是能量的載體，能量 是物質循環的動力，在能量的驅動下物質從一種形態變成另外一種形態，從一個物質載體 中進入到另外一個載體。植被是生態係統的重要組成部分，是地球上物質循環和能量流動的植。植被通過光閤作用將自然環境中的無機物質閤成為有機物質，把所吸收的太 陽能儲存起來，為其他生物直接或間接地提供物質和能量來源。同時，植物在食物鏈和食 物網的作用下與其他生物聯係起來，使有機界和無機界連接成一個整體’推動著地球生態 係統的進化和發展;其次，植物是環境中二氧化碳和氧氣的主要調節器。植物吸收二氧化 碳，釋放齣氧氣，維持著大氣中二氧化碳和氧氣的平衡。二氧化碳和氧氣是生命活動的原 料，也是生命活動的産物，它們在大氣中的含量狀況影響著整個地球環境。因此，陸麵溫 度、土壤水分和太陽輻射等生態因子不僅直接影響整個生態係統，而且通過影響生態係統 中最重要的因子——麵，從而間接影響地球錶層係統的變化。
　　植物與環境的相互關係一直是生態學釀的核心問題。植物的生命活動需要從環境 中獲得光照、溫度、水分、無機鹽等基礎生態因子，與此同時也會影響環境境水分是植物生 長發育所必需’與其他因子相比，植物功能性狀對水分的響應更為顯著’如乾旱地區植物 會有較高的氮、磷含量(Wright et al.，2001)。研究錶明，常綠樹種的葉片滲透水含量、葉 綠素含量均會隨著乾季到濕季的變化而降低，而比葉重、葉片密度會隨之增大（Prior et a"，2004)。水分還影響著植物的光閤速率，在區域尺度上植物光閤作用也會隨著環境 濕度上升而減弱。一般來說，個體植物對環境的影響是有限的’隨著個體數量的增加’植 物對環境影響的範圍和強度也加大。不同的植物群體因組成和結構的區彆而成為不同的 群落’每一個群落創造著自身的“植物環境”，並不同程度地影響周圍的外界環境。這就是 說，植物群落的組成和結構及其規模，對環境影響的程度都是呈正比的。
　　通過地麵測量或遙等手段對生態係統物質能量的組成要素及其變化進行定量化認 識，是瞭解生態係統物質能量循環的基本方法。因此，這些量化的“參數”可用來錶徵生態 係統物質能量循環的基本特徵’如葉麵積指數可以錶徵不同植物或同一植物在不同生長 階段的群體生長狀況。
　　1.製備陸麵過程模型參數
　　當今生態學研究的熱門問題是全球變化的釀，全球變化是由於C02等溫室氣體的 濃度升高造成溫度與水分這兩大生態因子改變並將由此驅動的大範圍的生態係統改變的 現象。要研究在當前或預測未來全球氣候條件下，大氣組成、氮循環、人類土地利用/土地 覆蓋在全球或區域尺度上的變化，需要有一個對環境和植被、土壤、太陽輻射等生態環境 要素之間在更廣闊水平上相互關係的機理性的認識(廖海萍和蔣高明’ 2000)。地球上每 一個生物化學反應都以某種形式與生物地球化學循環相聯係’因此要瞭解全球變化的原 因及其對生態環境的影響’需要研究全球的生物地球化學過程。數學和數鋪型的應用’ 有助於對生物地球化學循環動態的定量理解’同時定量理解生物地球化學循環在過去和 未來中的作用。由於許多生態環境錄都是全球變化模型的輸入參數，因此生態環境參 數的測量在全球變化釀中起著非常重要的作用。
　　地球係統為開放性係統，受到外部的影響非常大，如受到太陽輻射變化的影響或另外 一些未知的影響，地球係統模型的運行有著不確定性。因此需要不斷對內部各個因子進 行校正，對各個生態環境錄進行準確及時的測量。在很大程度上生態環境參數的準確 測量直接決定瞭地球係統模型運行的精度。
　　生態環境問題是指由於生態平衡到破壞，導緻生態係統的結構和功能嚴重失調，從 而威脅到人類的生存和發展的現象。目前，土地荒漠化是全球最嚴重的生態環境問題之 -，是全球變化釀中的-個重要內容。荒漠化在世界上造成瞭嚴重的環境惡化和經濟 貧睏，被列入威脅人類生存的十大環境與發展問題之首。它不僅威脅到整個人類的生存 環境，而且是製約全球經濟發展和影響社會穩定的重要因素。荒漠化是指包括氣候變異 和人類活動在內的種種因素造成的乾旱、半乾旱和乾燥的亞濕潤地區的土地退化。包括 三個方麵的內容:①風蝕和水蝕緻使土壤物質流失;②土壤的物理、化學和生物特性或經 濟特性退化;③自然植被長期喪失。
　　荒漠化監測對荒漠化防治對策的製定黯重要意義。荒漠化監測的主要內容是荒漠 化發生空間範圍及其分類分級。目前幾乎所有有關荒漠化的評價都是以包括乾燥的亞濕 潤區在內的乾旱土地退化為評價對象象荒漠化監測評價體係主要以氣候、土壤、植被、動 物和人類影響等因子為依據’提齣瞭用於全球、地區(跨國傢的）、國傢和地方的評價指標 體係。然後’又把荒漠化指標進一步具體化，歸納為自然地理學、生物與農學、社會三個方 麵，涉及土壤、植被、水、動物與人類活動等眾多指標。因此生態環境參數(尤其是植被和 土壤水分等參數)的測量是對生態環境狀況進行監測的重要手段。
　　2.1.3常見生態環境參數及其意義
　　1土壤水分和陸麵溫度
　　在地球係統中，地錶土壤水分和陸麵溫度是重要的地球物理麵。其中，地錶土壤水 分是陸地和大氣能量交換過程中的重要因子，是氣候、水文、生態、農業等領域繼土壤乾 旱程度的重要指標’也是全球氣候變化的重要組成部分’並對陸地碳環等物質循環有很 強的控製作用(Seneviratne et )，2010)。在水文循環中，它是聯係地錶水與地下水的紐 帶，在水資源的形成、轉化及消耗過程中有重要作用，同時土壤水分狀況對於降水産流、植 被蒸騰、土壤蒸發及生態環境下墊麵植被生態係統的變化等具有重要影響。在氣候領域’ 土壤水分決定太陽輻射能用於潛熱和顯熱的比例，影響土壤的蒸發和植被的蒸騰;在生態 釀領域，土壤水分是決定土地沙化、植被覆蓋、乾旱的重要因素之一;在農業生産方麵， 土壤水分是農作物發芽、生長發育的基本條件’它對降水和灌溉後的徑流、滲漏、重新分 布、排水的儲存等也是相當重要的。全球範圍的地錶土壤水分反演又是陸麵過程模式研 究的重要組成部分，在改善區域及全球氣候、預測區域乾濕狀況研究中意義重大(Zhang et al.，2011; Zhao et al.，2011)。
　　陸麵溫度則影響大氣、海、陸之間的顯熱和潛熱交換’是研究全球和區域地-氣之間能 量、物質交換、水分與碳環的關鍵指標。陸麵溫度作為一個重要的水文、氣象麵’影響 著地氣之間的顯熱和潛熱交換，在氣象、水文、植被生態、環境監測中等方麵有著重要的應 用價值(Qin et al.，2001)。
　　陸地生態係統碳環是全球碳環釀中最重要的組成部分"同時也是全球變化科 學研究的核心科學問題，在全球碳收支研究中占有重要地位。陸地生

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