植被和土地覆盖变化遥感。 北极苔原生态系统外文翻译资料

 2022-04-27 08:04

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植被和土地覆盖变化遥感。

北极苔原生态系统

Douglas A. Stowa, Allen Hopea, David McGuireb, David Verbylac, John Gamond, Fred Huemmriche, Stan Houstond, Charles Racine, Matthew Sturmg, Kenneth Tapeh, Larry Hinzman(水资源教授), Kenji Yoshikawa, Craig Tweedie，

Brian Noylek, Cherie Silapaswan, David douglas, Brad Griffithn, Gensuo Jiao，Howard Epsteino, Donald Walkerp, Scott Daeschnera, Aaron Petersena, Liming Zhouq, Ranga Myneni

地理学部，圣地亚哥州立大学，圣地亚哥，CA 92182-4493，美国。

英国地理调查，阿拉斯加鱼类和野生动物研究合作单位，阿拉斯加费尔班克斯大学，费尔班克斯，AK 99775，美国。

美国阿拉斯加州费尔班克斯大学森林科学部，费尔班克斯，AK 99775。

加州州立大学洛杉矶分校生物科学与环境分析学部。

美国加州大学洛杉矶分校5151号。

地球系统技术联合中心(JCET)，巴尔的摩县马里兰大学，编号923.4，美国航空航天局戈达德太空飞行中心。

美国马里兰州Greenbelt 20771

USA CRREL, 72 Lyme Rd.， Hanover, NH 03755, USA。

美国阿拉斯加费尔班克斯大学，美国地球物理研究所。

阿拉斯加费尔班克斯大学北方工程学院水资源和环境研究中心，

邮政信箱755860，费尔班克斯，阿拉斯加99775-5860，美国。

美国密歇根州立大学植物生物学系 北极生态实验室 东兰辛市，48824-1031。

空间成像解决方案，密歇根办公室，455艾森豪威尔公园路，70号套房，阿伯公寓，美国 48108。

美国阿拉斯加州费尔班克斯大学生物与野生生物学系，费尔班克斯，AK 99775。

美国阿拉斯加生物科学中心，冰川湾站，朱诺办公室，邮政信箱240009，道格拉斯，AK 99824-0009，美国。

美国阿拉斯加费尔班克斯大学，阿拉斯加合作鱼类和野生动物研究小组。

美国弗吉尼亚大学环境科学系，美国弗吉尼亚州夏洛茨维尔市，22904-4123。

阿拉斯加费尔班克斯大学北极生物研究所，Fairbanks, AK 99775-7000，美国。

大气动力学与气候，地球与大气科学学院，乔治亚理工学院，美国亚特兰大，乔治亚理工学院30332-0340。

美国波士顿大学联邦大道675号，波士顿大学地理学系。

2003年4月8日收到，2003年10月1日收到修订本;2003年10月5日接受。

摘要

本文的目的是回顾过去十年多时间遥感监测北极苔原土地变化的研究。重点研究了国家科学基金会陆地-空气-冰相互作用(LAII)项目和光学遥感技术的结果。案例研究表明，在静止或移动的轨道平台上的地面传感器，以及在极地轨道卫星上的宽条带成像传感器，对于捕捉到足够频率的光学遥感数据，以研究苔原植被的动态变化，以及对易受云层影响的北极地区的变化特别有用。在飞机和较低轨道卫星上使用高空间分辨率的仪器频率较低的成像，能够更详细地分析土地覆盖变化和对较粗的分辨率观测的校准。

迄今为止发现的最强烈的生态系统变化信号似乎与苔原灌木的扩张和解冻湖泊和池塘的数量和程度的变化相对应。灌木覆盖和程度的变化已经被现代重复摄像记录下来，这与历史航拍相吻合。NOAA先进的高分辨率辐射计(AVHRR)时间序列提供了20年记录的有关光合作用、初始生产量和季节生长长度的绿色变化。陆地材料和地表水之间的强烈对比使得湖泊和池塘的变化可以很容易地测量和监测。

关键词:北极苔原植被;植被变化;土地覆盖变化;全球气候;阿拉斯加

介绍

北极生态系统的特点是空气和土壤温度低，永久冻土，短的生长季节和有限的植被生产力。这些生态系统被认为对干扰特别敏感，这是“由某些外部因素引起的植被或底层衬底的变化”。这些外部因素包括局部事件，如能源勘探或闪电引发的火灾，以及全球气候变化。虽然人类活动在北极地区的直接影响可能是局部的，但全球气候变化的影响可能是区域性的的后果。

基于消融模型(GCMs)的关于全球变暖的预测始终表明北半球高纬度地区的大幅度变暖，包括北极苔原生物群落，北极地区的降水也有很大的变化。来自西伯利亚、加拿大西北部和阿拉斯加的气象记录表明，这些预测的温度和降水变化可能已经发生。

北极气温的升高有可能以多种方式改变植被覆盖。植被的产量可能会随着气温的升高和更长时间的生长季节而增加，就比如积雪深度的减少，积雪在早春融化。北极地区温度、永久冻土深度、土壤水分、水分和养分通量的变化，可能改变不同物种的竞争优势，改变生态系统组成和植被覆盖特征。

在过去的三十年中，北部高纬度地区的气候变暖在整个地区都没有统一的变化。因此，气候变暖对生态系统过程和植被响应的影响可能表现出类似的空间变异性。有证据表明，在不同的空间尺度上，气候引起植被覆盖物和构图的变化需要被监测。在北极苔原生态系统中，在50年的时间里，灌木覆盖的局部增长被Sturm、Racine和Tape在2010年记录下来。据报道，在45北纬和70北纬的区域中，北极苔原和北方森林植被的地表产量增加，与大气CO2的含量正相关。

气候变化对生态系统组成和生产的改变可能会发生在不同的时间尺度上，尽管这些不是独立的过程。构图的变化可能需要几十年才能识别，而生态系统物候和生产特征表现出可检测的年际变化。关键的是生产力和物候学的变化是否遵循了十年间的趋势。

遥感具有探测和监测各种空间和时间尺度北极植被变化的潜力。地面传感器和高空间分辨率成像系统可用于监测选定的研究地点，检测植被组成或结构的变化，并确定由较粗的分辨率卫星传感器识别变化的性质。在遥远的北极地区，由于后勤方面的困难，飞机观测的频率受到限制，天气恶劣，费用难以承担。此外，历史飞行数据集不太可能按照常规的时间表或覆盖大片区域来收集。相比之下，卫星理论上可以定期对大片区域进行成像。在北极地区使用光学遥感系统面临着许多挑战，包括频繁的云层覆盖。雷达系统可以收集数据，而不考虑云的覆盖情况，但是有一组不同的相关问题(例如地形影响和视角依赖)，这些问题必须克服，才能获得关于植被属性和组成变化的有用信息。

本文的目的是综合利用过去十年对多时间遥感监测北极苔原地区变化的研究成果。重点研究了国家科学基金会陆地-空气-冰相互作用(LAII)项目和光学遥感技术(LAII, 2001)的结果。

本文首先概述了多时间遥感和北极地区土地覆盖变化的特殊挑战和机遇。这一方面包括可能探测到陆地覆盖变化的信号，同时也有遥感进程中可能产生模糊信号或瑕疵的噪声源。

本文的主要内容包括一系列关于对北极地区变化监测的多时间遥感研究的案例研究。这些案例研究的范围涵盖了从1米到10公里的一系列空间分辨率，从100米到极地的空间范围，以及从几个月到20年的时间。

2．北极生态系统植被变化的潜在遥感信号

北极的植物群落可以在应对气候变化的过程中经历各种变化。遥感有可能识别出这些变化的数量，包括地面生产、结构和覆盖、物候生长特征以及群落交错区的变化。如前所述，这些植被特征的变化可以同时发生。例如，在草丛苔原生态系统中灌木覆盖的增加可能代表物种组成和丰度的变化，并导致初级生产力的增加。利用遥感来检测植被结构和功能的变化，可能需要在对比的空间和时间尺度上进行监测。与许多其他遥感应用一样，需要考虑不同的遥感空间、时间、辐射和光谱分辨率来研究北极生态系统变化的信号。此外，调查人员可能需要整合各种平台的信息，同时利用数字和模拟图像。

具有高时间分辨率的卫星数据(至少一天一次)已被证明对跟踪区域、大陆和全球尺度的植被生产变化特别有价值。因此，来自先进的高分辨率辐射计(AVHRR)和中分辨率成像光谱仪(MODIS)在极地轨道卫星上的数据非常适合这个应用。来自Terra和Aqua卫星MODIS传感器的数据与AVHRR相比增强了空间、辐射和光谱能力。科学家对MODIS数据和标准化衍生产品(如叶面积指数)的常规生产的准备工作，正开始为各种各样的多时间植被研究提供便利。此时，AVHRR图像对于土地利用/土地覆盖研究具有特别的价值，因为这些数据从20世纪80年代初到现在都是可用的。

多光谱数据常被转化为一种光谱植被指数(SVI)，其目的是使之对植被生物量(如生物量，LAI)的变化敏感，同时尽量减少不同传感器视角、光照条件和土壤/苔藓背景的影响。然而，Sellers(1985)已经表明，这些指标与生物物理量之间的关系可以随植被类型、季节、土壤背景以及植物冠层中死亡物质的数量而变化。尽管有这些限制，在遥感研究中使用SVIs来评估生物量已经成为一种标准。另一种方法是将冠层反射率模型转化为生物物理量(Goel, 1985)。这些模型需要大量的辅助信息，这些信息通常是不可用的，在大量仪器的实验之外。大多数SVIs利用红和近红外反射率之间的对比度作为叶面积指数和相关生物物理量的敏感指标，如绿色生物量和吸收的光合有效辐射。指标一般包括这两个光谱波段的差异或比值，最常见的指标是归一化差异植被指数(NDVI)。通过将近红外反射率和红光反射率的差值除以这两个反射率值的和，得到该指数。

NDVI也是北极苔原地区生物物理遥感研究中使用最广泛的SVI，并已被证明与野外地块的生物物理性质有显著的关系，地面样本和NOAA AVHRR量表。对NDVI的重视部分是由于SVI是其他生态系统的首选指标，因为提供全球覆盖的标准AVHRR产品是基于NDVI的。NDVI通常对光照和土壤背景条件的变化不那么敏感，而不是简单的近红外与红色反射率的比值。此外，北极苔原植被的相对连续的覆盖和主要的绿叶组成部分可以解释其在过去的研究中常见和成功的用途。

最大价值合成(MVC)是NDVI合成的最常见的形式，用于产生NDVI时间序列数据集，其影响最小的是云和大气散射。在北极地区，云层覆盖频繁，一个半月的合成周期已经被Boynton, Stow，和Douglas(2003)发现，以产生NDVI图像，由于云的原因，没有明显的偏差或污染。这些合成的NDVI图像的时间序列是估算植被产量的基础。季节性的NDVI值(SINDVI)与地面生产的植被密切相关。

AVHRR和MODIS传感器的数据提供了一种方法来描述北极植被的物候生长特征的变化。虽然SINDVI的变化可能预示着植被产量的变化，但研究生长季节开始和结束日期的物候研究和绿色峰值的量级，基于地面验证的支持，可以为增加生产的原因提供解释。

在北极苔原植物群落中，物种的混合可能会因当地尺度(例如人类定居)或全球尺度(如气候变化)引起的扰动而发生变化。多级遥感提供了一种潜在的手段，可以在连续的基础上监测大面积区域，并确定明显变化的区域。卫星数据可以通过检查NDVI时间序列数据来确定一般的变化区域，而飞机图像可以用来描述这些区域的植被特征。

在变化的气候条件下，对北极植被组成初步修改，可能会发生在植被边界或交错群落。卫星多光谱图像与地面分辨率小于1公里的Landsat Thematic Mapper (TM)可以提供合适的数据集来研究植被结构变化和群落交错动态变化。

北极景观的特点是很大比例的湖泊河流以及在一年的固定时候的死水。水文通量的变化可能会改变湖泊的面积和频率，以及独立水域的范围或持续时间。水与植被/土壤之间的光谱差异使得光学遥感成为一种潜在有效的方法来绘制水体的变化。选择合适的数据源来监测北极湖覆盖变化的一个关键因素是这个区域的小湖泊。虽然高空间分辨率的航空摄影和卫星数据可能对测量水的覆盖很有效，但在这一时期，利用这些高分辨率数据对大区域进行多时间研究可能是不可行的。然而，如果将卫星数据用于绘制水体覆盖部分，包括亚像素尺度水体，则可能需要采用光谱混合建模方法。用AVHRR数据进行线性混合建模，估算北阿拉斯加北坡地区内陆水体的面积(此处称为北坡)已经被证实，MODIS数据中更多的光谱波段可能使这种方法更加可靠。

3．北极苔原生态系统多时间遥感的挑战。

虽然北极苔原生物群落已经或将可能出现一些与全球变化有关的最强烈和最早的信号，但人类活动的直接、局部影响可能是有限的。利用多时间遥感技术捕捉土地覆盖变化的信号是一项挑战，主要是由于北极苔原环境的性质。对北极苔原来说，其他的技术因素并不是最感兴趣的，这也增加了全球和环境变化信号的复杂性。已获得的遥感数据的最长记录与航空摄影、Landsat多光谱扫描器和NOAA AVHRR有关。然而，这些系统的空间、光谱和辐射保真度都远远不够理想。一些土地和低水平机载对北极苔原植被和陆地覆盖类型进行了光谱辐射测量，但最近才进行了多温度的观测，并进行了得到了很高的空间分辨率。

利用卫星数据和SVIs来估计生物物理量的区域尺度模式，需要对这两个变量进行实地测量，以建立基本的预测模型。这些模型很可能是规模和传感器相关的，它们与卫星数据的使用可能带来很大的不确定性。此外，由于在北极生态系统中收集野外数据的后勤困难，获得足够大的样本来表示自然生态系统的空间异质性是具有挑战性的。

北极苔原环境最为独特的五个因素，限制了多时相光学遥感数据的有效性，尤其是来自卫星和大多数飞机平台的数据:(1)短生长季度(2)持续的云层(3)太阳能几何(4)静水和浅水湖泊(5)冰雪覆盖。

2到4个月无雪，夏季生长季

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