全球树木覆盖度提取与时空变化格局分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 魏雪馨 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 刘荣高 ; 刘洋 |
| 关键词 | 森林 树木覆盖度 时空格局 全球 遥感 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地理学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 森林是陆地上最大的生态系统。作为一种重要的自然资源，森林在维持生态 系统碳、水循环，防止水土流失，保护生物多样性，调节极端气候和改善空气质 量等方面发挥着关键作用。在气候变化背景下，森林生态系统正发生着复杂的变 化，例如森林野火、病虫害等扰动引发的森林损失，自然恢复、人工造林等促进 的森林增长，并可能呈现新的变化特征。明确这一特征对评估联合国“可持续发 展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）”，制定有效的森林管理策略具有 重要意义。以往研究利用归一化差值植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）、叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）等参数开展研究分析，提供 了树草混合分布的森林变化特征，但树木和草类植被对森林变化的贡献存在显著 差别，研究结果可能混淆两者的贡献，无法精确刻画森林树木的动态变化。 本研究利用中等分辨率成像光谱仪（MODIS）遥感数据构建了树-草分离的 树木覆盖度提取算法，生产了一套全球树木覆盖度数据产品，基于此数据在全球 尺度开展应用研究，分析了 2000 年以来全球森林时空变化特征，定量评估了中 国森林恢复的时间特征、区域差异与驱动力，阐述了非洲林-草混合分布生态系 统的森林变化动态特征与影响因素。具体开展的工作和主要发现包括： （1）构建了树-草分离的树木覆盖度提取算法，生产了全球数据产品。算法 利用树木与草本植被季节生长差异及光谱差异构建高区分度特征，将时间序列观 测凝聚为 12 个特征实现降维；基于高分辨率森林覆盖遥感数据生成接近全球穷 尽采样的训练样本。利用上述样本训练前馈神经网络模型，基于 MODIS 数据生 成了 2000 年以来全球逐年 250 米分辨率的树木覆盖度产品 GLOBMAP Fractional Tree Cover。利用 BELMANIP 2.1 站点周围和美国地质调查局土地覆盖参考数据 集生成验证样本进行精度验证，决定系数分别为 0.93 和 0.73，均方根误差分别 为 11.45%和 17.98%。相比现有的 MODIS 植被连续场产品，本产品在常绿阔叶 林、落叶阔叶林和混交林区域的年际序列稳定性方面有所提高，全球平均绝对偏 差均值分别降低了 46.9%、5.8%和 18.3%。该产品可支持森林变化分析，尤其是 森林恢复等缓慢变化的刻画。 （2）分析了全球森林变化时空格局。2000-2020 年，全球约 13%的森林树木 呈现显著的覆盖度增加，约 2%的森林树木显示显著的覆盖度减少。在空间分布 上，增加集中在北半球，如欧亚大陆中高纬度、北美洲东南部的国家和地区，损 失发生在热带和南半球的部分国家和地区，如东南亚中部、南美洲中部和非洲东南部等。在时间特征上，2010 年之后全球森林增益速率超过损失速率，显示为净 增加。通过评价不同类型遥感数据刻画森林变化的空间一致性，并结合高分辨率 遥感影像分析发现树木覆盖度数据在森林的缓慢恢复刻画方面具有优势。 （3）分析了中国森林覆盖的动态变化规律和时空恢复特征。通过对比分析 新合成数据和其他 12 种遥感数据产品与中国森林资源清查资料的一致性，发现 在中国森林面积的变化刻画方面，本数据与清查资料的拟合斜率最高，为 0.78。 开展的中国森林变化分析发现，在时间特征上，2000-2015 年，中国森林面积呈 显著增加趋势（p<0.05），增幅为每年 407 万公顷；2015 年之后增速变缓。在空 间特征上，约 56%的树木覆盖度表现为显著增加趋势，其中，约 68%的树木增加 开始于 2000-2004 年；增加区域集中分布在中国中西部和西南部区域，即太行山 -秦岭-巫山-云贵高原沿线，仅 1%的区域发生森林损失，见于西藏南部山区边缘。 中国的森林表现出低树木覆盖度向高树木覆盖度转变的特征。植树造林、封山育 林等生态政策与工程的实施推动了树木覆盖的增加，尤其南方如云南、贵州等省 份生态工程实施的有效性水平高。 （4）评估了非洲不同生物群落森林覆盖年际变化趋势和变化热点的空间分 布。2000-2020 年，非洲森林覆盖整体呈显著的增加趋势，变化幅度存在区域差 异。在不同生物群落，林地（Woodland）生物群落木本植被净增加速率最快，为 228 万公顷/年，其次为热带雨林生物群落（80 万公顷/年）和热带稀树草原生物 群落（34 万公顷/年）。在空间特征方面，约 25%的树木覆盖度表现出显著的增加 趋势，变化热点区域分布在非洲北部撒哈拉沙漠与中部刚果热带雨林之间的过渡 地带，该地区覆盖着大部分面积的林地，以及小部分的热带稀树草原；约 13%的 树木覆盖度表现为显著的减少趋势，该损失主要发生在东非和南非的部分热带雨 林和林地。降水的增加是北部稀疏森林地区木本植被覆盖增加的主导因素。 本论文应用自主合成的树木覆盖度遥感数据分析了 2000 年以来全球森林的 时空变化格局，并选择中国和非洲作为代表性地区开展深入研究，明晰了树木在 森林变化中的贡献。研究结果表明亚像元的树木覆盖度数据在森林缓慢变化和稀 疏森林覆盖地区的应用优势，可为森林的可持续管理和政策制定提供科学依据， 促进“联合国生态系统恢复十年”倡议的实现。 |
| 学科主题 | 地理学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 172 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209370]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 魏雪馨. 全球树木覆盖度提取与时空变化格局分析[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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