Global Change Biology | 沈妙根教授课题组提出高山草地海拔分布上限遥感识别算法

自200多年前洪堡提出地带性学说，物种和植被分布边界及其变化逐渐成为多个学科关注的基本问题。近50年来，随着气候变暖加速，物种和植被分布边界已经发生显著变化，对生态系统和地表过程产生广泛影响。植被垂直地带性，是人类能在一个小范围内观测到的，从纬度上需要向北极或者南极旅行数千公里才能观察到的奇观（Körner，2003）。草地广泛分布于世界各地的高山地区，草地生态系统对气候变化非常敏感，其分布边界也能够成为气候变化对植被边界影响的重要指示因子。但是因为缺少观测资料和遥感估算，高山草地 (Alpine grasslands) 海拔上限 (以下简称“高山草线”，图1a) 的空间和时间变化仍不清楚。幸运的是，遥感数据已有40多年积累，为研究高山草线变化提供了相关基础。

基于上述考虑，沈妙根教授课题组的研究以青藏高原为例，设计了一种图割算法（Graph-cut），从以Landsat数据为主的多源遥感数据自动识别高山草线并确定其在30米空间分辨率下的位置。首先确定了2895座可能存在高山草线的山体。在每座山上，确定了靠近高山草地上限的狭窄区域，作为高山草线的潜在分布区。接着，使用线性判别分析（Linear Discriminant Analysis）自适应地从Landsat植被指数特征生成一种合成特征，增强这些区域中植被和无植被像素之间的差异。之后，通过修改Canny 梯度，增强它对高山草线的敏感性并抑制其它因素对它的干扰；在此基础上，设计了一种图割算法，将Otsu算法和上述Canny梯度优势相结合，用于确定合成特征图像中高山草线的精确位置（图1b）。这一方法识别的高山草线具有较高的精度（与从无人机目视解译的草线比较：R2=0.99，平均绝对误差=22.6米；从PlanetScope目视解译的草线：R2=0.98，平均绝对误差=36.2米；图2）。在整个青藏高原，高山草线的海拔范围从4038米（5%分位数）到5380米（95%分位数），东北部和东南部较低，西南部较高（图3）。

这一研究提供了利用遥感数据识别高山草线的方法，为研究其时空变化和机制奠定了部分基础。近期以《A remote sensing method for mapping alpine grasslines based on graph-cut》为题发表于Global Change Biology。北京师范大学地理科学学部博士生刘励聪为第一作者，沈妙根教授为通讯作者，主要作者包括北师大地理学部陈晋教授团队，北京大学唐艳鸿教授，电子科技大学曹入尹教授，香港理工大学朱孝林教授和日本千叶大学杨伟教授等。研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0405）和中央高校基本科研业务费专项资金资助等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1111/gcb.17005

转自：“生态遥感前沿”微信公众号

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