研究，一部分的特别功能景观科学在自然资源管理中的应用

动态土地覆盖信息:弥合遥感与自然资源管理之间的差距

• 摘要
• 简介
• 土地覆盖信息的使用
  • 管理自然资源管理决策者信息需求的框架
  • 向动态土地覆盖信息的转变
  • 案例研究
• 讨论
  • 增加土地覆盖动态信息的作用
  • 利用动态土地覆盖信息为决策提供信息
  • 给决策者的教训
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

土地使用和管理活动已经改变了澳大利亚东部山脉以及澳大利亚东南部和西南部的许多森林和林地景观。大片地区已经被清除，变成了农作物和牧场，或经过150年或更长时间的牲畜和森林管理的生态改造(Thackway and Lesslie 2008, Williams and Price 2010)。由此产生的景观是由破碎和改良的原生植被和转换和取代的土地覆盖组成的多样化马赛克(Dovers 2000, lyburner et al. 2011)。

虽然这些土地覆盖变化极大地造福了澳大利亚人，但在某些方面，它们也降低了自然资源的生产能力(Thackway et al. 2006)。因此，监测这些变化是澳大利亚各级政府迫切关注的问题。

Atyeo和Thackway(2006)、国家国土和水资源审计(2007)、lylyburner等人(2011)和Chu等人(2011)总结了在时间和空间尺度范围内对一致和主题全面的土地覆盖信息的各种需求，以:

• 评估“关爱国家”项目下的投资影响和资源状况监测(如盐度、水、土壤、原生植被、内陆水生和本地物种等问题);


• 区分观察到的变化是由于气候变率还是由于人类引起的影响;


• 通过国家碳核算系统的土地覆盖变化项目报告森林覆盖的变化及其对碳排放的影响;


• 向法定环境状况报告植被状况和范围、土地和土壤状况及生物多样性;


• 承担水会计的要求下水法》(2007)由气象局提供;


• 监测农场、集水区和森林的管理;而且


• 评估原生植被系统对诸如气旋、火灾和干旱等干扰的反应。

由于实地数据收集所需的时间和成本，使用传统的土地地块和基于调查的土地覆盖制图方法很难在不同的空间和时间尺度上建立统一的土地覆盖动态图像。更复杂的是，土地使用和管理实践随着时间的推移而变化，反映出不同的社会、经济和环境影响(Hamblin 2000, Foley et al. 2005, Lesslie et al. 2011, lyburner et al. 2011)。土地使用中的做法也发生了变化。例如，许多放牧者现在采用更科学的方法来确定放养水平，保护性耕作更为常用(2011年环境委员会情况)。鉴于自然资源管理的多样性，需要提供一系列空间、时间和光谱分辨率的遥感系统。

我们描述了一个阶梯式“周期”模型，该模型将在不同空间和时间分辨率下操作的决策者与他们所需的土地覆盖信息产品类型联系起来。我们使用这个阶梯循环模型提出了两个案例研究——一个是关于火灾的，另一个是关于土壤侵蚀的。我们讨论了这些案例研究的教训，强调了在多传感器地球观测档案与系统地面测量相结合的基础上，发展随时间变化的地球表面生物物理特征的好处。我们说明了如何使用阶梯式循环模型和动态土地覆盖信息来处理涉及自然资源管理(NRM)和监测的复杂社会-生态关系的范围。

利用土地覆盖信息

管理自然资源管理决策者信息需求的框架

为不同的NRM应用生成了广泛的土地覆盖产品，以满足不同的细节和复杂性水平。图1描述了其中一些土地覆盖产品，以消防管理为例。

NRM决策者的三个广泛的利益相关者群体需要土地覆盖信息:公共政策和项目管理者(如联邦和州政府)、区域机构(如流域管理当局)和土地管理者(图2)。这些决策者共同致力于通过适应性管理提供更好的NRM结果。在不同的涉众组之间存在交互和交叉。图2展示了这些具有不同空间和时间尺度的交互作用，以及相应的5个主要决策步骤或点。

例如，气候驱动因素可用图2所示的阶梯式循环模型，利用适当的土地覆盖信息来管理三个利益攸关方群体的期望。还需要注意的是，这在土地所有者的时间范围内以及在地区和联邦/州的时间范围内都是如此。例如，个别土地所有者在步骤或图2中的“决策点”3和4需要这些信息。，当他们正计划实施下一个土地管理措施时，例如:是灌溉、留茬、去库存，还是坚持等待雨水到来。相比之下，地区、州和联邦利益攸关方在评估政策/投资的有效性时，需要第5步中的气候参考框架。

图2所示的决策者群体将最终选择符合其目的的图像，并且可以以最少的成本购买、处理和分发，并将风险和不利影响降至最低。最终，图像的选择涉及时间频率和空间分辨率之间的权衡，并取决于手头的任务案例研究)．决策者在选择和利用特定遥感产品时对空间和时间尺度的选择也取决于它们进入阶梯循环模型的入口点，如图2所示。如果决策者从第1步开始，那么这被称为基线。如果决策者从步骤2到步骤5进入，那么模型中的前一步会影响决策者对空间和时间尺度的选择。例如，如果决策者从第3步开始，那么该决策者应回到第2步，以确定确定和描述的土地覆盖特征的基础和背景，以便与该步骤的特定遥感空间和时间尺度相匹配。这一过程鼓励开发探测和监测土地覆盖变化的方法，这些方法在不同的决策者之间更加一致，而且更有可能随着时间的推移而重复，承认遥感产品之间的差异，即不同的空间和时间尺度。

虽然在大多数新资源管理土地覆盖应用中，一系列决策者都在处理相同的环境问题，但他们的操作规模不同，因此需要一系列土地覆盖产品。在过去，不同的项目产生了非标准化的土地覆盖产品，这使得在不同的决策群体之间共享信息变得困难。在空间和时间尺度上发展国家覆盖土地覆盖图像档案，为这些不同的决策者群体开发和使用基于图像的互补产品提供了越来越多的机会。

我们建议，在这三个大群体(国家、区域、地方)的运行环境中，一个阶梯循环模型(即“决策点”)可以指导利益攸关方和决策者了解需要什么土地覆盖信息以及如何使用这些信息。提出了五个步骤:第一步:选择关键资产;步骤2:确定这些资产的土地覆盖特征;步骤3:确定需要改变的内容和目的;步骤4:确定和选择土地管理备选方案并实施优先行动;步骤5:在空间和时间尺度范围内评估干预措施的响应。可以对这种模型进行审查和重复，以评估实现近期、短期、中期和长期目标的进展情况，或者在必要时响应不断变化的环境条件或优先事项。注意到步骤1-5在三个决策者群体中都是相关的，这突出了决策类型和所需土地覆盖产品类型之间的互补性。

阶梯式循环模型是灵活的，因为它能够在每个要研究和实现的步骤中持续改进，从而为自适应管理提供一个健壮的方法。此外，该模型可用于演示如何最好地理解数据的规模、准确性和可靠性问题，以及如何在不同群体(国家、区域和/或地方)的战略决策方法的每一步中使用这些信息。

向动态土地覆盖信息的转变

在对涉及测绘土地和地被覆盖类型及其相关土地利用管理系统的土地覆盖信息方法和产品的分析和分类研究的综述中，lyburner等人(2011)和Skidmore等人(2011)注意到，多时间图像产品通常比单一图像数据产品更准确、信息量更大。

考虑到土地覆盖在不断变化，而且这种变化可能是剧烈的(干旱年与湿润年、耕地与丰收年)，单一的快照图像虽然对那个时刻是正确的，但无法表征土地覆盖的动态时间性质。如果不知道这些图像是在“土地覆盖周期”的什么位置拍摄的，即使是解释两张或三张图像之间的变化也会很困难。这方面的例子包括降雨前后的图像，干旱年和湿润年的图像，丰收年和休耕年的图像。由于这些原因，正在开发向决策者提供动态土地覆盖信息的系统，旨在满足他们在关键“决策点”的信息需求。下面的案例研究使用阶梯式循环模型说明了这一点。

然而，在提出这一阶梯式循环模型时，我们认为，无论是卫星图像还是孤立的实地方法都无法满足这些信息需求。实地监测和地面数据收集制度费用高昂，而且很少涵盖土地覆盖相互作用的全部范围。在许多情况下，数据是在有限的时间范围内为特定目的收集的，这限制了结果的可转移性，并使其难以建立较长期的前景。另一方面，卫星图像通常测量的是离开大气层顶部的辐射量。如果没有适当的现场数据，就很难或不可能将图像转换为决策者所需的生物物理信息产品。

克服这两种数据收集方法(即时间序列卫星图像和基于现场的图像)的固有缺点需要五个关键阶段，每个阶段都能增加图像档案的价值:

阶段1。精确的几何校正，使每像素比较。

阶段2。将大气顶部辐亮度转换为地表反射率(去除大气效应和太阳传感器几何伪影的影响)。这个阶段也被称为辐射校正。

阶段3。将地表反射率和与当前NRM问题相关的生物物理特征联系起来，例如，开放水域的存在/缺乏、绿色或非光合作用植被覆盖的数量或持续的树木覆盖，这些生物物理特征已在野外以可靠的系统方式测量，如Muir等人(2011)或Armston等人(2009)所述。

第四阶段。根据第3阶段中建立的关系，将卫星图像转换为表示生物物理表面的表面。

阶段5。整理这些生物物理表面，使最终用户能够评估他们感兴趣的特征在哪里以及如何随时间变化。

为了评估、监测和报告土地覆盖变化和趋势，已经开发了许多与nrm相关的时间序列图像档案(表1)。这些动态应用所涵盖的土地覆盖主题包括森林和植被的程度和变化、燃烧面积和火灾的存在以及地面覆盖。遥感档案包括陆地卫星、MODIS和AVHRR，因此说明了一系列的图像分辨率。

案例研究

两个资源管理案例研究从获得一致的标准化卫星图像档案中受益匪浅，它们是火灾和地面覆盖的管理。这两个案例研究都涉及了气候和土地管理之间的相互作用，它们证明了开发监测方案以提供适当的空间和时间产品、许多地面控制地点和建模和/或遥感验证数据以及一系列尺度的信息产品的价值。此外，它们都使用一个指标框架，该框架为评估状态、变化和趋势提供了良好的基础。这些案例研究代表了最先进的长期空间和时间监测，并以系统的实地观测为基础，用于校准和测试模型并评估信息产品的准确性。

我们注意到，火灾案例研究的时间比地面覆盖案例研究的时间长。因此，很明显，与地面覆盖案例研究相比，火灾案例研究完成了阶梯式循环模型的多次迭代。

案例研究1:管理澳大利亚北部的火灾

澳大利亚北部的大部分稀树大草原容易发生火灾，牧民、土著土地所有者和保护管理者出于多种文化、经济和生态目的而广泛使用这些地方(Murphy等，2009年)。

在20世纪80年代，除了Kakadu国家公园，澳大利亚北部的稀树大草原缺乏协调的火灾和土地覆盖测绘和监测项目(Thackway and Olsen 1999)。这在一定程度上是因为人们对火灾的影响缺乏了解或关注。

到20世纪90年代初，许多联邦、州和地区政府的报告都对干旱季节后期在恶劣的火灾天气条件下被基本上不受控制的大火烧毁的大片北部热带草原提出了担忧(Head et al. 1992, McDonald and Batt 1994, Rose 1995, Russell-Smith et al. 2000)。人们关注的主要问题包括对文化、经济和生态可持续性的影响。最近的研究表明，这些火灾机制会破坏自然生态系统，并产生大量温室气体排放(Murphy等，2009年)。

Kakadu的研究、监测和报告土地覆盖和季节性火灾模式的形成计划始于20世纪80年代初，目的是为2万公里的土地促进更好的文化、经济和生态可持续性成果²公园(Russell-Smith et al. 1997)。研究结果被用于制定工作计划和研究预算，并用于评估管理计划中概述的文化、经济和生态可持续性目标。到1990年，该项目的效益得到了认可，附近的两个国家公园也采用了该项目。该项目的主要内容随后被整个澳大利亚北部采用(Russell-Smith et al. 2007)。澳大利亚北部地区的火灾和土地覆盖制图协调项目所带来的社会、经济和环境效益已赢得了全国和国际的认可。

这项研究以土地覆盖制图为基础，最初的目的是帮助了解年度火灾对区域生物多样性的影响，并为生物多样性的长期维持制定管理指南和战略。随着时间的推移，这些目标已扩大到了解对区域生物多样性、环境模式和趋势、温室气体排放、人类健康以及社会和社区价值的影响。今天，这些项目得到了代表所有主要土地使用部门和农村消防管理机构的许多公共和私营组织的合作(Murphy等，2009年)。

表2采用阶梯循环模型总结了北方稀树草原土地覆盖和火灾监测方案的关键组成部分。

案例研究2 -管理种植区和牧场的土地覆盖

澳大利亚的大片地区被管理为放牧和种植，这涉及到利用和管理土地覆盖层来生产一系列生态系统产品，包括食物和纤维。风蚀和水蚀去除了宝贵的表层土壤，这对农村社区、生物多样性、碳储量以及我们生产食物和纤维的能力产生了不利影响(Leys et al. 2009)。

地面覆盖(土地覆盖的一个组成部分)在这里被定义为与土壤表面接触并影响侵蚀速率的物质(Leys等，2009年)。它包括树木和灌木(木本植被);chenopod-type灌木;庄稼、草和叉;生物土壤结皮;石头和岩石;还有其他特征，包括倒下的木材和垃圾。这些成分在空间和时间上都不是静止的。地面覆盖因地质、气候和土地管理做法等因素而变化，并因季节性、年度和长期自然和人为影响而变化。

地表覆盖层通过减少雨滴的影响、减少径流和风速来保护土壤免受侵蚀。一般来说，地表覆盖物越密集，土壤侵蚀的风险越低。然而，非木质地被物，如作物、草、蕨类和藜科植物类型的灌木，与侵蚀率和随时间变化的关系最为密切(Leys et al. 2009)。这些是农民和牧民影响最大的组成部分，也是最能反映侵蚀潜力和土地管理绩效的组成部分(Leys等，2009年)。

传统上，遥感图像被用来监测地表覆盖，方法是估计地表光合活性物质的数量，作为植被覆盖的替代品。通常使用归一化植被指数(NDVI)等植被指数来实现这一目标(如Lu等人，2003a)。这些产品被成功地纳入土壤侵蚀模型，以估计土壤流失和趋势(Lu等，2003b)。仅基于NDVI的方法的主要困难在于，地表覆盖物的非光合成分，包括残茬、衰老的草本植物和凋落叶，无法与裸露的土壤区分开来;因此，土壤侵蚀模型的有效性降低了。

最近，已经开发出了解决地表覆盖物绿色和非绿色成分的方法(例如，Guerschman等人2009年，Okin 2010年，Scarth等人2010年)。与NDVI相比，这些方法依赖于土壤和干燥植被更长的波长特性。区分非光合作用植被和裸露土壤提高了对地面覆盖的总体估计，从而提高了模型考虑水土流失的能力。此外，这些信息可用于推断土地管理实践(Leys et al. 2009)。这就是为什么要对时间序列图像档案进行分析，以便让决策者了解地面覆盖的现状、变化和趋势。地被覆盖信息通常是土地管理的良好指标，在分析时间序列时变得越来越有用(Guerschman et al. 2009)。

使用空间显式时间序列数据的定量方法的价值在于，可以设置阈值来定义哪些管理实践是合适的。例如，在干旱或干旱期结束时，放牧县足够的覆盖度表明已经使用了适当的蓄养水平，而种植后的高残茬覆盖度表明正在利用某种形式的残茬保留(Leys等，2009年)。Leys等人(2009)已经表明，减少耕作和采用轮牧等土地管理方法可以保持较高的地面覆盖水平，最大限度地减少风和水侵蚀，并降低场外成本。

澳大利亚政府的“关爱我们的国家”计划促进采用土地管理做法，以减少澳大利亚各地土壤侵蚀的程度和严重程度。正在开发连续时间序列图像档案，以提供信息来跟踪该项目在优先景观中实现的地表覆盖状况、变化和趋势(Stewart等，2011年)。选择了由Guerschman等人(2009)开发的方法来分析图像。为了确保已知地表覆盖估计的准确性，需要收集不同条件下的实地数据，扩大规模，并与模型估计进行比较。一旦观察结果和模型预测之间的不匹配程度被清楚地识别出来，就可以改进用于获得感兴趣的生物物理特性的算法(Stewart et al. 2011)。我们承认这个项目正处于形成阶段。将需要几个完整的阶梯式循环(图2)来充分确定在动态土地覆盖中观察到的变化和趋势是否可归因于本项目所促进的土地管理实践的变化。

表3采用阶梯循环模型总结了国家地表覆盖层监测方案的关键组成部分。

讨论

增加土地覆盖动态信息的作用

多时间和多空间的土地覆盖信息对于监测和报告土地覆盖信息相对于基线条件的变化和趋势尤其相关，以便管理火灾和土壤侵蚀。案例研究表明，随着时间的推移，可以在一定尺度范围内观察和跟踪土地覆盖的变化。

获得全面和一致的土地覆盖变化信息对于提高我们对自然系统对变化和极端天气的响应的理解也至关重要。多时间和多空间的土地覆盖信息有助于决策者:

• 针对提高生产力、抗旱和气候变化能力以及水资源管理的行动;


• 确定在哪些方面对更好的管理做法进行投资可以提高农业土地使用者提供的生态系统服务的质量;


• 改进风险评估，评估农业产业绩效;而且


• 模拟影响自然资源基础并产生诸如盐碱化、水质下降和土壤流失等问题的景观过程。

获取大面积的多时间和多空间土地覆盖变化信息通常提供一致和可重复的信息，成本比在实地收集相同的信息低得多。捕获、处理、分类和分发土地覆盖信息的每公顷成本取决于详细程度(空间分辨率)和所绘制的区域。然而，对于时间序列遥感得到的土地覆被变化信息的分类和验证，无法替代在现场反复收集站点信息(地面控制和参考)。

来自遥感的多时间和多空间生物物理产品可用于帮助可视化、量化和分析土地覆盖类别的类型和程度的变化，并建立与土地使用和管理做法的因果关系。Jones(2008)指出，最新的土地覆盖信息可用于许多目的，其中关于变化和趋势的知识至关重要;例如，量化环境压力和驱动因素之间的联系(例如，用水量增加和农业用地转为道路和城市基础设施);建立基线和景观条件的变化;了解各种环境、社会和经济价值所面临的威胁和脆弱性。

为了实现真正的实地变化，NRM各领域的利益攸关方需要能够获得量身定制的、及时的土地覆盖信息产品，为其决策过程提供信息和支持。虽然动态土地覆盖信息档案不能满足所有NRM信息需求，但基于卫星的土地覆盖产品可以提供:

• 确定未来干预措施优先次序的框架;


• 评估可能影响树冠覆盖、草覆盖或裸露土壤覆盖的干预措施的方法;而且


• 提供产品以通知适应性土地管理的基本工具。

利用动态土地覆盖信息为决策提供信息

本节描述了土地覆盖信息对三个利益攸关方群体的作用:国家政策决策者、区域报告决策者和土地管理者。

国家政策框架

关于受管理生态系统对造林、森林火灾、土地清理和严重热带气旋等一系列驱动因素的反应方式的准确国家层面信息，对于为NRM政策、生态系统保护优先制度和碳减排战略提供信息越来越重要。正如案例研究所表明的那样，动态土地覆盖信息能够解决这一缺点，并能提供许多其他好处。

公共NRM项目的一个主要目标是在不同时间框架和不同空间尺度上跟踪关键资产的变化和趋势(澳大利亚政府，2009年)。为了应对这一挑战，澳大利亚政府的监测、评估、报告和改进框架旨在确保对自然资源数据的适当监测得到持续收集和定期审查，以评估实现目标的进展情况(澳大利亚政府，2009年)。例如，为了在“关爱我们的国家”倡议下改善土壤侵蚀，并解决因果关系问题，Leys等人(2009)指出，在报告资源指标和管理指标时，需要对土地覆盖观测数据进行修正，以考虑气候因素。该监测框架还旨在减少偏差和误差，以便准确报告土地覆被变化与土壤状况之间的关系。

区域报告框架

有系统的监测框架是区域新资源管理机构的基础;它为及时决策提供信息，支持问责措施，并为评价和适应性管理提供健全的基础。在这种规模下，监测的基础是实地观察、更广泛的规模评估以及对行为和实践的调整。

准确确定土地覆盖变化和趋势对于理解区域环境退化模式和/或土地和/或土地覆盖相关指标的改善至关重要。一旦确定了这些影响，通过实地观察了解和验证了它们的变化速率，这些信息就为报告和评估、确定优先事项和监测旨在改善或扭转环境指标下降的目标的进展提供了坚实的基础。我们也承认，某些形式的环境退化和/或恢复可以在许多覆盖指数没有明显变化的情况下发生。必须通过现场收集的适当信息(地面控制、参考和监测)来告知这些信息(Jones 2008, Chu等人，2011,Skidmore等人，2011)。

与其他区域尺度的环境、社会和经济信息相结合，有关烧焦面积和地被类型和程度的变化和趋势的最新信息可用于提供预警系统，以预测其他直接和间接影响并跟踪变化速率。两个案例研究都说明了动态土地覆盖在支持区域决策方面的应用。

土地管理者的决策过程

动态土地覆盖监测和报告可以提供必要的空间和时间框架，帮助土地管理人员提出问题并利用现有信息回答这些问题。例如，由于新的土地管理实践，过去表现相似的地区是否开始表现不同?或者在有足够的时间基线的地方，这个地区在这次干旱期间的情况比之前的干旱好吗?为了能够有意义地解释火灾和地面覆盖模式，还需要相关的环境信息，例如比较降雨量亏缺或气候或水文因素。

获取动态土地覆盖信息正在提高土地管理者的能力，以跟踪土地覆盖变化，以应对气候变化、新资源管理干预措施和环境危害等主要驱动因素，并将这些变化与关键生态系统服务的提供联系起来。beplay竞技这两个案例研究表明，基于卫星的档案为当地火灾和地被物管理决策提供了信息。

给决策者的教训

自然资源的使用和管理以通常可以预测的方式改变土地覆盖。在许多类型的生态干扰中，火灾和植被水分胁迫是遥感响应的(DeFries 2008, Skidmore et al. 2011)。

对于所有三个利益相关者群体的决策者来说，一个关键挑战是如何设计和维护持久的时空信息系统，以识别自然环境与当前景观、扰动机制和气候变化之间的变化和趋势。将阶梯式循环模型和动态土地覆盖信息应用于火灾和土地覆盖管理的案例研究说明了如何更普遍地解决这些问题。

PMSEIC(1999)注意到，未能认识和理解这些变化的原因和影响——包括生产损失、生产成本增加、修复成本、生物多样性损失、空气和水质量下降以及某些景观的美学价值下降——可能代价高昂。我们认为，对各种空间和时间分辨率的标准化土地覆盖动态信息的日益了解和获取，使规划者、研究人员和土地管理者能够更好地了解观测到的土地覆盖随时间变化的规模，并及时洞察其原因。

任何土地覆盖变化应用的基本原则是，信息要适合当前的目的。PMSEIC(1999年)指出，关于解决自然资源问题的最适当的遥感时空尺度的决定应基于在相关尺度(如农场、地方、流域、区域或国家一级)收集和/或汇编的环境、社会和经济科学信息和数据。我们对案例研究的介绍表明，这包括可用于建立基线条件和检测感兴趣区域的变化的空间细节级别。它们还显示了评估这些变化是管理行动的结果还是通过环境过程自然变化的重要性。

实例研究表明，当复杂的全谱信息如土地覆盖动态信息时，其影响最大。，rainfall deficits, antecedent conditions, ground cover thresholds, landscape context—is reduced to the point where decision-makers are presented with timely, succinct information that supports their decision-making processes.

结论

过去十年来，在理解人类对土地覆盖变化的改变的原因和后果以及在越来越高的空间和时间尺度上跟踪土地覆盖和火灾特征的趋势方面取得了相当大的进展。多时间生物物理档案有助于科学家、决策者和公众解开人类社会需求之间的联系，土地覆盖的改变对生态系统功能的影响，以及生态系统服务的提供。

随着更高分辨率图像档案的发展，可以预期多时相生物物理档案将继续提高我们对土地管理干预措施的模拟和跟踪能力。此外，这些档案与其他社会和经济信息相结合，有望提高我们对人类与环境相互作用的反馈的了解，并跟踪气候变化的影响。beplay竞技

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