Спутниковое дистанционное зондирование предоставляет научные доказательства поглощения углерода водно-болотными угодьями.

оценка поглощения углерода

В глобальном круговороте углерода водно-болотные экосистемы, как важный тип экосистем, играют решающую роль в изучении динамических изменений в их углеродном цикле и углеродном балансе, внося значительный вклад в глобальный углеродный баланс. Являясь одним из важнейших резервуаров углерода в наземных экосистемах, водно-болотные угодья, хотя и занимают всего около 6% поверхности суши, содержат 10–30% всего углерода, хранящегося в почвах. Их запасы углерода могут смягчить рост концентрации CO2 в атмосфере, играя жизненно важную роль в стабилизации глобального климата и смягчении парникового эффекта.

В последние годы из-за изменения климата и деятельности человека площади водно-болотных угодий резко сократились, а процессы круговорота углерода в их экосистемах также претерпели значительные изменения. Углубленное исследование способности водно-болотных угодий к поглощению углерода и ее влияния на региональную окружающую среду имеет большое значение для количественной оценки функции поглощения углерода водно-болотными экосистемами в чувствительных районах в условиях глобального изменения климата. На фоне глобального изменения климата исследования поглощения углерода и сокращения выбросов в водно-болотных экосистемах постепенно стали предметом всеобщего внимания во всем мире.

Моя страна — одна из стран мира с самым разнообразным, самым большим и широко распространенным набором типов водно-болотных угодий. Они занимают площадь в 0,65 миллиарда гектаров, что составляет 10% от общей площади водно-болотных угодий мира, занимая первое место в Азии и четвертое в мире. Они обладают огромным потенциалом поглощения углерода, однако способность к поглощению углерода у разных типов водно-болотных угодий сильно различается.

Тростниковые болота, являясь одним из наиболее распространенных типов водно-болотных угодий в мире, играют важную роль в исследованиях углеродного баланса водно-болотных угодий. В данной работе в качестве объекта исследования выбрана экосистема тростниковых болот, и с помощью комбинации методов дистанционного зондирования и наземных данных оценивается и анализируется биологическая способность водно-болотных угодий к секвестрации углерода. Это обеспечивает научную основу для защиты и рационального использования ресурсов водно-болотных угодий, а также для решения проблем глобального изменения климата.

Техническое решение

технический маршрут

При оценке поглощения углерода водно-болотными угодьями основным источником данных являются многоспектральные спутниковые снимки высокого разрешения, предварительная обработка которых включает радиометрическую и ортокоррекцию. Для автоматического выделения тростниковых болот используются объектно-ориентированные методы, позволяющие определить их ареал распространения в исследуемой области. Затем параметры дистанционного зондирования, связанные с поглощением углерода в тростниковых болотах, подвергаются инверсии, и с помощью модели инверсии получается карта пространственного распределения поглощения углерода тростником в исследуемой области.

Предварительная обработка изображений дистанционного зондирования

Перед использованием многоспектральных изображений дистанционного зондирования в качестве источника данных для определения поглотителей углерода необходимо выполнить такие операции, как радиометрическая коррекция, радиометрическая калибровка, атмосферная коррекция, ортокоррекция, мозаичное отображение изображений и обрезка данных.

• Коррекция радиации

Радиометрическая коррекция в основном используется для устранения расхождений между значениями измерений цели, полученными датчиком, и физическими величинами, такими как спектральная излучательная способность или спектральная яркость цели, вызванных такими факторами, как собственные условия работы датчика, атмосферные условия, положение и угол Солнца, а также определенным неизбежным шумом. Радиометрическая коррекция в основном включает две части: радиометрическую калибровку и атмосферную коррекцию.

• Радиационная калибровка

Радиометрическая калибровка преобразует полученные данные дистанционного зондирования, как правило, значения оттенков серого изображения, в фактические физические величины (такие как значения яркости, отражательная способность поверхности и т. д.). Ее основная цель — устранить ошибки, присущие самому датчику, и определить точные радиометрические значения на входе датчика. Радиометрическая калибровка делится на абсолютную и относительную.

• Атмосферная коррекция

Атмосферная коррекция в первую очередь включает в себя устранение ошибок излучения, вызванных атмосферными воздействиями, для получения истинной отражательной способности поверхности земли. Суммарное излучение цели, в конечном итоге принимаемое наземным датчиком, не является истинной излучательной способностью поверхности, поскольку на него влияют такие факторы, как рассеяние аэрозолей в атмосфере и солнечный свет.

• Ортографическая калибровка

Ортокоррекция — это процесс исправления пространственных и геометрических искажений изображения, устранения наклона изображения и ошибок проекции, в результате чего получается ортофотоснимок в многоцентровой плоскости проекции.

• Мозаичное создание изображений и кадрирование

С помощью программного обеспечения ENVI были объединены в мозаику изображения дистанционного зондирования из одного и того же источника данных, охватывающие исследуемую область, а затем эти мозаики были обрезаны в соответствии с векторным диапазоном исследуемой области для получения изображения исследуемой области, заросшей тростником.

▲ Карта распространения тростника на мультиспектральных изображениях дистанционного зондирования

Методы исследования

В данном исследовании для автоматического выделения тростниковых болот из изображений дистанционного зондирования в основном использовался объектно-ориентированный подход. Болота были разделены на естественные и искусственные тростниковые участки. Спектральная информация изображений дистанционного зондирования использовалась для определения факторов дистанционного зондирования, связанных с поглощением углерода в исследуемой области, а комплексное поглощение углерода оценивалось путем интеграции параметров нескольких факторов дистанционного зондирования.

Результаты инверсии данных дистанционного зондирования

Распределение поглотителей углерода в 2022 году

Поглощение углерода в исследуемой области рассчитывалось на основе данных обследования пробных участков. Были выбраны данные дистанционного зондирования за январь, июнь и сентябрь 2022 года. Был проведен корреляционный анализ между вегетационными индексами NDVI, MSAVI, RVI, SAVI и DVI и поглощением углерода на пробных участках для построения оптимальной регрессионной модели для инверсионной оценки поглощения углерода в тростниковых болотах. Пространственное распределение ежемесячного поглощения углерода в исследуемой области в разные сезоны было получено с использованием модели оценки на основе данных дистанционного зондирования, как показано на рисунке выше. Это отражает распределение поглощения углерода тростником в разные месяцы трех сезонов 2022 года. Способность тростника к поглощению углерода значительно зависит от сезонных факторов; в весенний сезон в январе способность к поглощению углерода слабая, практически отсутствует; в летний сезон в июне способность к поглощению углерода постепенно увеличивается по мере роста тростника; и с сентября способность тростника к поглощению углерода начинает ослабевать.

В данном исследовании, используя в качестве объекта исследования тростниковые болотные экосистемы, применяется сочетание полевых исследований и анализа данных дистанционного зондирования для оценки и анализа способности болот к поглощению углерода. Кроме того, прогнозируется потенциал поглощения углерода с учетом местных условий развития и национального экономического и социального развития, что обеспечивает научную основу для защиты и рационального использования ресурсов тростниковых болот и для решения проблем глобального изменения климата.