植被生态与遥感应用

课程编码：071300M02013H 英文名称：Vegetation Ecology and Remote Sensing Application 课时：40 学分：2.00 课程属性：一级学科普及课 主讲教师：郭庆华等

从植被生态遥感应用的角度出发，通过讲授遥感技术的基本理论和方法，分析各种类型遥感数据的成像机理和数据特征，从广阔视角介绍遥感技术在植被生态学多个方向的应用情况。通过课堂讲授、遥感图像处理实习（约6-8学时）等教学手段，使同学们掌握遥感应用分析的原理与方法，了解植被生态遥感领域最新的研究应用进展和发展方向，增进对植被生态学科中复杂科学问题的理解与认识，提高解决实际问题的能力。

普通生态学、遥感概论、地理学相关基础

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教学大纲
1. 遥感技术对于植被生态学研究的意义及其基本概念（郭庆华，1学时）
1.1 植被遥感研究的重要意义
1.2 植被生态遥感的定义、研究对象和主要任务
1.3 遥感系统分类和传感器以及搭载平台发展计划简介
1.4 遥感数据使用注意事项
2. 植被生态学概述（郭 柯，3学时）
2.1 植被生态学的概念（含发展历史、研究目标、内容、学说及争论等）
2.2 植物群落的物种组成和数量特征（含物种多样性）
2.3 植物群落的结构（外貌、水平结构、垂直结构）
2.4 植物群落的动态（含时间结构）
2.5 植被调查方法（地面方法：路线、定位、样方、样带等；内容：分目的确定的如类型、记名、乔灌草、数量特征、地上与地下等；遥感技术应用等）
3. 中国植被分类及主要植被类型特征（郭 柯，3学时）
3.1 植被分类原则和系统（国内外、不同系统等）
3.2 中国植被的分类系统
3.3 命名方法（和存在的一些普遍性问题）
3.4 中国植被分类系统表
3.5 中国主要植被类型的特征（含植被动态与演变规律）
4. 中国植被分布格局及分区特征（郭 柯，3学时）
4.1 影响中国植被的自然地理特征（和人类活动）
4.2 中国植被分布规律（含影响中国植被分布的自然地理和人为因素、三向地带性）
4.3 中国植被区划方案（含分区的原则、依据和不同分区方案）
4.4 中国植被分区特征（各大区的基本自然地理特征，地带性植被和优势人工植被特征，各大区的植被分布格局）
5. 遥感的光学基础（唐志尧，3学时）
5.1 电磁辐射（电磁与电磁波）
5.2 太阳辐射（光谱组成）
5.3 太阳辐射在大气中的传输（反射、散射、吸收、常用大气窗口）
5.4 典型地物反射光谱特征（水分、土壤与绿色植物的反射光谱特征）
6. 遥感的地学基础（唐志尧，3学时）
6.1 常见遥感平台与遥感数据获取
6.2 遥感影像的色彩合成
6.3 遥感影像的波段（及其组合）解像力
6.4 遥感影像判读（典型地物类别、形状、大小、高度信息的提取）
7. 遥感影像数字图像处理（唐志尧，3学时）
7.1 图像校正（辐射校正、几何校正、图像融合）
7.2 图像增强（对比度增强、比值增强、主成分分析、空间增强）
7.3 图像分类（监督分类、非监督分类、精度检验）
8. 植被遥感与植被指数（唐志尧，3学时）
8.1 植物光谱特征
8.2 植被指数
1） 基于斜率的植被指数：比值植被指数、NDVI、土壤校正植被指数、大气校正（EVI）等
2） 基于差值的植被指数：垂直植被指数、差值植被指数、绿度指数等
3） 基于高光谱的植被指数：红边指数等
9. 植被变化与植被动态遥感监测（唐志尧，3学时）
9.1 植被变化监测（土地利用与土地覆盖变化）
9.2 植被动态与气候变化（长时间序列植被指数的应用（LAI、NPP、植被活动动态））
9.3 植被物候（植被物候期的划分方法、气候变化、城市化过程）
10. 植被遥感的最新技术——激光雷达工作原理及点云数据处理与特征提取（郭庆华，3学时）
10.1 激光雷达主动遥感技术简介
10.2 激光雷达扫描测距原理（固定平台/移动平台）
10.3 激光雷达外业工作流程和系统误差来源
10.4 地面激光雷达数据分析和特征提取
10.5 机载激光雷达数据分析和特征提取
10.6 星载激光雷达数据分析和特征提取
11. 植被特征参数的提取与反演（郭庆华，3学时）
11.1 植被特征参数的类型
1） 植被生化组分（叶绿素、水分、氮素、木质素、纤维素等）
2） 植被生物物理参数（叶面积指数LAI、植被覆盖度FVC、植被面积、光谱指数、地上生物量AGB、冠层结构参数等）
3） 植物生理生态参数（体现与环境的相互作用）
光合与呼吸作用：植被生产力NPP
气候辐射强迫要素：光合有效辐射吸收系数FPAR
4） 植物三维建模（地形构建，枝干、叶片结构模拟，森林场景三维重建）
11.2 植被参数遥感反演机制
1） 基于光谱反射/辐射原理的遥感直接反演
2） 基于高分辨率数据的制备参数遥感反演
3） 基于植被参数物理关联的间接反演
11.3 植被参数遥感反演方法
1） 统计方法（利用光谱和空间特征信号，建立植被参数的统计相关模型）
2） 物理模型方法（利用植被光谱辐射传输模型，输入反射率光谱，反演植被生理生化参数）
3） 混合方法及半经验方法（利用模拟数据，建立模型，带入实测遥感数据，得到遥感反演产品；从地物——电磁波相互左右机理出发，建立光谱参数——植被参数的数学模型，用实验参数对数学模型进行模型参数标定）
12. 环境要素的遥感监测与模拟（郭庆华，3学时）
12.1 地形三维分析及可视化
12.2 土地覆盖分类和植被制图
12.3 地表温度化
12.4 土壤湿度和侵蚀强度定量遥感
12.5 地表蒸散定量遥感反演
13. 干扰事件、生态灾害应急监测与评价（郭庆华，3学时）
13.1 火灾
13.2 洪涝灾害
13.3 干旱胁迫
13.4 积雪和雪灾
13.5 病虫害
14. 生物多样性遥感监测与模拟（郭庆华，3学时）
14.1 生物多样性遥感监测与模拟的重要性和发展趋势
14.2 “空—天—地”全方位监测网络的设计理念、目标和主要手段
14.3 Sino BON近地面遥感平台的监测内容和技术手段
14.4 生物多样性遥感监测面临的技术挑战

《激光雷达森林生态应用——理论、方法及实例》（郭庆华）
《植被定量遥感原理与应用》（刘良云）
《遥感应用分析原理与方法》（赵英时）
《Advances in Land Remote Sensing: System, Modeling, Inversion and Application》（Shunlin Liang）
《植被生态学》（宋永昌，华东师范大学出版社）
《中国植物区系与植被地理》（陈灵芝、孙航、郭柯，科学出版社）

郭庆华，男，博士，研究员，国科大岗位教授，博士生导师。
北京大学获得学士和硕士学位；美国加州大学伯克利分校获得博士学位；回国前系加州大学默塞德分校环境工程学院创始教授；2012年创建中国科学院植物研究所数字生态研究组，现任美国内华达研究所兼职教授，中科院无人机管控中心副主任，中科院植物所植被与环境变化国家重点实验室学术委员会副主任。

在林学、生态学、地理信息及遥感科学的主流期刊Forest Ecol. Manag.、Agric. For. Meteorol.、Ecology、Remote Sens. Environ.、Global Biogeochem. Cy.、J. Geophys. Res.等发表SCI论文90篇，发表在地理信息科学顶级刊物Int. J. Geogr. Inf. Sci.的2篇论文分别入选该杂志2005~2010年间和近十年间引用前十名文章之列。撰写的激光雷达点云单木分割算法系列文章分别获评美国摄影测量学会“Talbert Abrams”奖（授予在摄影测量学中具有重大科学突破的研究）和“ERDAS最佳学术论文”奖，相关研究成果被美国自然科学基金会评为重要研究突破（Breaking News），同时被国内外多家知名媒体（如科学美国人、Science 360、EurekAlert新闻中心、The New York Times、ABC News、新华网、中科院之声等）先后报道。

出版专著《激光雷达森林生态应用——理论、方法及实例》一部，全书逾50万字，插图150幅，共351页。相关成果授权专利3项、软件著作权3项。

已培养多名硕士和博士，研究生多次获得国内外奖项，如“国家奖学金”、“北京大学校长奖”、“国家优秀自费留学生奖学金”、“美国地理学会最佳论文奖”、“美国自然科学基金论文奖”等，有两名博士生分别入选中山大学“百人计划”和中科院“百人计划”。

现为国际遥感SCI期刊Remote Sensing编委会成员，林学SCI期刊Forests特邀主编，组织出版“利用激光雷达进行森林植被资源制图”专辑；曾任或现任美国 NSF、NASA、USDA 等机构的大会评审专家，及Ecology, Int. J. Geogr. Inf. Sci.,Remote Sens. Environ., Ecography, Glob. Change Biol.等国际刊物的审稿人。作为第一负责人和共同负责人主持完成多项美国自然科学基金会、联邦地质调查局、联邦森林局、联邦国家公园管理局、加州水利局、摩尔基金会等项目。



郭柯，男，博士，研究员，硕士生导师。
1961年5月出生于山西省运城市，1979年－1983年在内蒙古大学生物系学习植物生态学，1993年－1999年在荷兰乌德勒支大学攻读博士学位。1983年8月至今在中国科学院植物研究所工作。现任中国科学探险协会常务理事，中国青藏高原研究会理事，北京生态学会理事兼秘书长，国家林业局第四届中国森林风景资源评价委员会委员，《植物生态学报》副主编，《广西植物》编委。迄今发表论著50余篇（部），培养硕士和博士6名；正在指导博士后2名、博士生2名、硕士生1名。

主要研究工作:

1. 植被科学考察

参加了一系列植被科学考察，主要有横断山地区综合科学考察、黔西南地区植物资源考察、毛乌素沙地植被考察、喀喇昆仑山－昆仑山地区综合科学考察、青海可可西里地区综合科学考察、雅鲁藏布江源头植被考察、青藏公路沿线植被科学考察、浑善达克沙地植被考察、俄罗斯贝加尔湖地区科学考察、中国北方及其毗邻地区科学考察等，考察获取的第一手资料对丰富我国植被研究资料，甚至对填补地区植被资料的空白起到了重要作用。

2. 植物地理学与保护生物学

中国水青冈属植物地理分布格局及其成因的研究，揭示了东亚地区盛行的季风气候是决定我国水青冈属植物分布的重要因素，由季风气候决定的水热组合规律是影响我国东部植物分布最重要的因素。

中国东南四种冷杉濒危机理的研究发现，气候变化将进一步威胁这些物种的生存，就地保护只是一个临时措施，迁地保护才是根本的出路。

3. 恢复生态学：草原区、荒漠区、西南喀斯特地区

毛乌素沙地土壤水分含量特征及植物群落演替规律的研究，揭示了半干旱的毛乌素沙地不同演替阶段地表土壤机械组成和根系分布对土壤水分的影响，由此解释了群落演替的规律及其驱动因素。

西南喀斯特地区石漠化治理重点了研究喀斯特植物的生态适应性、植物群落演替规律以及石漠化地区植被恢复的限制性因素等。

4． 植被生态学与植被志编研

初步完成了“中国植被分类系统”的修订；组织并完成了中国自然地理系列专著中《中国植物区系和植被地理》和《广西植被志要》的编写；正在准备中国植被志中《中国水青冈林》的编写。