融合地貌单元和机器学习的新疆平原绿洲带植被分类与空间分异特征研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 徐画 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 程维明 |
| 关键词 | 新疆平原绿洲带 地貌单元 植被自动分类 植被空间分异 生态系统服务 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 新疆平原绿洲带作为典型的干旱-半干旱区生态系统，其植被分布格局深刻受控于复杂的地貌分异特征。然而，现有的植被分类体系往往参考全国或全球标准，缺乏对新疆区域特征的针对性，难以体现其特殊的生态规律。此外，地貌单元通过调控水热分配、土壤性质及地表过程，塑造了植被类型与植被覆盖度的空间异质性，成为区域生态系统的核心驱动因素。因此，如何融合地貌单元对植被分布的影响，构建适合新疆平原绿洲带的植被分类体系，利用机器学习方法进行植被类型自动划分，并探究植被空间分异特征及其生态系统服务效应成为当前研究的重点和难点。 本研究以新疆平原绿洲带为研究区，基于地貌单元的空间分异特征，系统解析了地貌单元对植被分布的控制机制，构建了适合新疆平原绿洲带的植被分类体系及分类模型，利用机器学习方法实现了平原绿洲带植被类型自动划分，并探究植被空间分异特征。同时，进行了植被景观多样性分析，探究植被景观多样性特征尺度及植被景观多样性空间格局。最后，进行碳存储、水文调节、粮食生产和生境质量这四种生态系统服务的空间分析，并研究植被类型的生态系统服务效应。本研究的主要结论如下： （1）结合成因类型和宏观形态类型，新疆平原绿洲带内共分为16 种形态成因地貌类型。通过形态成因地貌类型的划分，揭示了地貌单元与植被覆盖度的耦合关系。形态成因地貌类型是影响植被覆盖度的首要因子，其通过调控水分、土壤与热量条件，显著塑造了植被的空间异质性。分析了北疆、东疆、南疆三大平原绿洲带的地貌-植被耦合规律。北疆平原绿洲带因流水地貌广泛分布而植被覆盖较高；东疆受干旱气候制约，覆盖度极低且集中于绿洲核心区；南疆则因风成地貌主导呈现荒漠-绿洲强烈对比格局。地貌单元通过改变水文条件、土壤特性以及微气候环境，直接或间接控制了植被类型的分布与植被覆盖度。研究结果为植被类型划分及区域植被管理提供了重要的科学依据。 （2）研究提出“分类指标-野外样点-植被指数-地貌单元-光谱特征”五位一体的植被分类框架，为平原绿洲带植被分类提供了技术突破。通过三级分类体系将植被类型细化为7 种植被一级类，13 种植被二级类和具有气候特征的19 种植被三级类，实现了平原绿洲带荒漠植被的精细化划分。通过整合13715 个野外样点与6038 个遥感解译样点，构建了覆盖全区域的标准化样本库，解决了传统样本空间分布不均、类型覆盖不全的问题。样点数据的标准化处理与多维属性标注为模型训练提供了高精度数据基础。基于多源遥感数据提取的53 个初始变量中，筛选出短波红外（SWIR1、SWIR2）、植被指数（GCVI、NDREI）及纹理特征（Blue_savg、NIR_savg）等29 个关键变量。最后，光谱差异分析进一步揭示了不同植被类型在可见光、近红外及短波红外波段的光谱响应规律，为分类模型提供了物理机制支持。 （3）通过对比最小距离算法（MDC）、支持向量机（SVM）、梯度提升树模型（GBDT）和随机森林（RF）四种分类方法在植被分类中的精度，得出随机森林算法在植被分类中表现最为优异，整体分类精度达到92.19%，Kappa 系数为0.90，显著优于其他分类方法。随机森林算法在处理复杂植被类型和过渡区域时表现出较强的鲁棒性，尤其是在高维数据处理和特征重要性评估方面具有明显优势。通过对比分析，本研究确定了随机森林算法为最适合新疆平原绿洲带植被分类的方法，并基于该算法生成了分辨率为25 米的植被类型图显著提升了植被分类的精度和细节。基于植被自动分类结果进行不同地貌单元下植被分布的详细分析，揭示了植被类型与地貌单元之间的密切关系。此外，还通过不同地貌单元下植被分布的对比分析，进一步揭示了植被类型与地貌单元之间的响应关系。（4）通过FragStats4.2 和GIS 软件分析景观多样性指数空间分异特征，发现移动窗口边长为240 米时，能有效捕捉景观多样性空间变异规律。荒漠区因植被单一，斑块丰富度（PR<1.5）和多样性指数（SIDI<0.3）均较低。生态系统服务呈现显著空间分异，碳存储呈“中部高、南北低”格局，天山北麓平原、伊犁河流域及塔里木河冲积平原因高植被覆盖和丰富的土壤有机质积累，其碳存储明显高于其他地区。不同植被类型生态服务功能差异显著，森林和灌丛在碳储和水文调节方面表现最优，草地侧重水土保持，荒漠植被生态功能最弱。建议采取差异化治理，实施草地水土流失防控，严格保护森林灌丛的固碳能力，推广梭梭等固碳植物恢复荒漠植被，提升碳汇潜力。农田区推行间作和节水灌溉，增强土壤碳汇效率。 综上所述，新疆平原绿洲带植被类型的划分及空间分异特征的研究结果，不仅为平原绿洲带植被资源的精细化管理提供了科学依据，也为生态环境保护和可持续发展提供了重要的数据支持。未来的研究可以进一步结合更多的环境特征和人类活动因素，深入探讨植被分布与气候变化、土地利用变化等全球变化背景下的响应机制，为平原绿洲带生态系统的长期监测和管理提供更为全面的科学依据。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 193 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217342]  |
| 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 | 徐画. 融合地貌单元和机器学习的新疆平原绿洲带植被分类与空间分异特征研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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