北师大地理科学学部教授沈妙根课题组提出高山草地海拔分布上限遥感识别算法

文章来源：北京师范大学官网，2023-11-03 

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，北京师范大学地理科学学部教授沈妙根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，主要作者包括北京师范大学地理科学学部教授陈晋团队，北京大学教授唐艳鸿，电子科技大学教授曹入尹，香港理工大学教授朱孝林和日本千叶大学教授杨伟等。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。

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