发布日期：2023-09-08
[最新发表] 生物土壤结皮的水化光谱响应在沙漠降水检测中的潜力
[最新发表] 生物土壤结皮的水化光谱响应在沙漠降水检测中的潜力
发布日期：2023-01-13 19:52
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【研究背景】
生物质土壤结皮（Biological soil crusts）是沙漠生态系统中重要的组成部分，但是它们易受气候变化，特别是降水变化的影响。不幸的是，主流降水产品在荒漠地区缺失严重且精度不理想，阻碍了沙漠生态系统响应气候变化的大尺度研究。然而，由于光合系统的恢复，藻类细胞朝表面的移动以及新色素的合成，结皮对降水存在迅速且显著的光谱响应（Spectral response，如图1）。这一特殊现象或可用于弥补该区域上降水资料的不足。因此，本文旨在研究结皮水化光谱响应在降水事件检测中的潜力。
生物质土壤结皮（Biological soil crusts）是沙漠生态系统中重要的组成部分，但是它们易受气候变化，特别是降水变化的影响。不幸的是，主流降水产品在荒漠地区缺失严重且精度不理想，阻碍了沙漠生态系统响应气候变化的大尺度研究。然而，由于光合系统的恢复，藻类细胞朝表面的移动以及新色素的合成，结皮对降水存在迅速且显著的光谱响应（Spectral response，如图1）。这一特殊现象或可用于弥补该区域上降水资料的不足。因此，本文旨在研究结皮水化光谱响应在降水事件检测中的潜力。
图 1. 结皮水化光谱响应
【方法介绍】
首先，本研究去除了导致降水前后观测条件不一致的降水无关因素（如云、阴影以及BRDF效应）的影响。接着，讨论两个降水相关因素（降水量P和观测时延ΔT）对结皮水化光谱响应强度的影响（如图2），并且进一步利用两者的阈值定义可检测的降水事件。最后，根据可检测降水事件的定义，基于随机森林模型实现古尔班通古特沙漠中降水事件的时空检测。图3展示了本研究的总体技术路线图。
首先，本研究去除了导致降水前后观测条件不一致的降水无关因素（如云、阴影以及BRDF效应）的影响。接着，讨论两个降水相关因素（降水量P和观测时延ΔT）对结皮水化光谱响应强度的影响（如图2），并且进一步利用两者的阈值定义可检测的降水事件。最后，根据可检测降水事件的定义，基于随机森林模型实现古尔班通古特沙漠中降水事件的时空检测。图3展示了本研究的总体技术路线图。
图 2 可检测降水事件的定义。曲线a-d代表不同降水量的降雨事件（蓝线），曲线e代表非降水事件（橙线）。
图 3.总体技术路线图。
1. 光谱响应信号的预处理结果
图4展示了预处理前后的光谱响应信号时序的对比。不难看出，结皮的水化光谱响应信号经本方法增强，与干旱结皮的信号产生了显著差异。
图 4 预处理前后的光谱响应信号时序的对比图。 图5 展示了一场大规模降水事件后不同光谱响应的空间分布。可以看出，大部分光谱响应均较为显著，且它们的空间强弱分布与结皮盖度高度相关。这表明结皮分布的区域有潜力用于降水事件的检测。
图 5 2007年8月13日，25.8mm降水后光谱响应的空间分布。 2. ΔT0 及P0的确定
图6展示了ΔT0 及P0的确定。从图6左中可以看出，光谱响应信号很难维持到24小时之后，因而ΔT0为24h。从图6右中可以看出，结皮对6mm以上降水的多数光谱响应均显著（效应方差解释率大于50%），因而P0为6mm。
图 6 （左）ΔT0的确定。（右）P0的确定。
3. 降水事件的时空检测
图7展示了降水事件的时序检测（上）和空间检测结果。相较于其他主流降水产品，本方法在时序检测中取得了最高的F1得分。在空间检测中，对大范围或局部降水均较好检出。
图7展示了降水事件的时序检测（上）和空间检测结果。相较于其他主流降水产品，本方法在时序检测中取得了最高的F1得分。在空间检测中，对大范围或局部降水均较好检出。
图 7 可检测降水事件的（上）时序检测（下）空间检测。
【结论】
降雨事件引起了结皮光谱的显著变化，特别是对某些波段的反射率（即短波红外、红光和蓝光波段）和指数（即BSCI和NDVI）的影响较为显著。如果降水量大于6毫米并且在24小时内被卫星观测到，该降水事件就大概率可以被探测到。在时序监测方面，我们的模型取得了比主流降水产品更好的结果（F1得分=0.78）。此外，该模型可以很好地描绘出降水事件的空间模式。以上发现证实了该现象在沙漠地区的降水监测中具有较大的应用潜力，可以助力大尺度沙漠生态过程机理的研究。
该项研究论文已经发表在Remote Sensing of Environment上。
Chen, R., Tan, X., Zhang, Y., Chen, H., Yin, B., Zhu, X., Chen, J., 2023. Monitoring rainfall events in desert areas using the spectral response of biological soil crusts to hydration: Evidence from the Gurbantunggut Desert, China. Remote Sensing of Environment 286, 113448. https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113448
降雨事件引起了结皮光谱的显著变化，特别是对某些波段的反射率（即短波红外、红光和蓝光波段）和指数（即BSCI和NDVI）的影响较为显著。如果降水量大于6毫米并且在24小时内被卫星观测到，该降水事件就大概率可以被探测到。在时序监测方面，我们的模型取得了比主流降水产品更好的结果（F1得分=0.78）。此外，该模型可以很好地描绘出降水事件的空间模式。以上发现证实了该现象在沙漠地区的降水监测中具有较大的应用潜力，可以助力大尺度沙漠生态过程机理的研究。
该项研究论文已经发表在Remote Sensing of Environment上。
Chen, R., Tan, X., Zhang, Y., Chen, H., Yin, B., Zhu, X., Chen, J., 2023. Monitoring rainfall events in desert areas using the spectral response of biological soil crusts to hydration: Evidence from the Gurbantunggut Desert, China. Remote Sensing of Environment 286, 113448. https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113448
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