天山缓坡区典型流域云杉雪盖融化速度空间分异和变化规律研究

Mountain Tianshan in Xinjiang is one of the important sources for many rivers in the Northwest of China. Its spruce forest plays a critical role in Tianshan mountain hydrological ecology process because the canopy interception by the spruces causes a huge water loss in winter. In order to understand that water loss, this project will select typical small watersheds of gentle slope as the study areas to conduct the investigation and research. With the help of visible light camera and near infrared camera, this study will make use of UAV (unmanned aerial vehicle) technology to acquire the remotely sensed images of high spatial resolution and multi angles (vertically downward, from sunny slope and from the nightside of the slope) every ten days about the sapling forest, half-mature forest and mature forest of different canopy densities and LAIs under various circumstances, such as various terrains (by gradient and exposure), various wind speeds and wind directions, various temperatures and various elevations. Using classification techniques the images will be then classified to retrieve the snow-cover area by every 10 days in order to understand the rate of change of the snow-cover area over time which is the 10-day average speed of snow-cover melting. Based on the analysis of the speed variation of spruce snow-cover melting, this study aims at discovering the impact of the terrain, the local meteorology, the forest form and the forest structural variables to the snow-cover melting speed of spruce in the typical small watersheds in Mountain Tianshan which will provide some clues on the interaction mechanism between the mountainous vegetation and water.

天山是我国西北河流的重要发源地之一，天山云杉森林在天山水文生态过程中起着非常关键的作用，但是冬季天山云杉的树冠截留造成了很大的水分流失。为了研究天山云杉雪盖的水分损失，本文选择天山缓坡区典型小流域，在不同地形（坡度和坡向）、风速风向、温度和高程环境下，对不同郁闭度和叶面积指数的云杉幼林、中林和熟林，利用无人机技术，以旬为单位进行可见光和近红外相机成像，获取高时间和高空间分辨率的三个角度（垂直向下、云杉向阳面和背阳面）无人机遥感影像；然后利用分类技术对影像进行快速分类，提取天山云杉雪盖面积，建立云杉雪盖面积的三角度向量和随时间的变化率，即云杉雪盖融化的旬平均速度向量。通过分析云杉雪盖融化速度的差异，分析天山典型小流域云杉雪盖融化速度随地形、气象、林相和森林结构参数变化的规律，揭示山地植被和水的相互作用机制。

天山典型流域云杉雪盖融化速度的空间分异和变化规律的研究，有助于揭示天山水文生态过程机理。项目的主要研究内容包括典型流域云杉场景参数、雪盖面积和雪盖体积关系实验、融化速度和融化时间观测、 云杉降雪截留雪水当量参数估算等。本项目依托主要研究成果如下：.（1） 提出了一种运用机器视觉结合无人机遥感的云杉识别方法，获取了云杉树木的棵树和树冠大小. 该方法包含SSD，YOLOv3，YOLOv4和Fater-RCNN等4种目标检测算法和统计天山云杉数量的方案；首先对采样区域的无人机影像进行预处理，利用目标标注工具Labelimg 对图像中的天山云杉进行标注，构建数据集，然后利用4种模型分别对低、中、高三种不同郁闭度区域的天山云杉进行识别，其中，Faster-RCNN模型的精度最高，精度可达95.54%以上，随着云杉密度的增加识别精度逐渐降低。该方法可以利用无人机遥感结合目标检测算法实现对天山云杉的数量的快速统计。.（2）通过实验室雪岭云杉降雪截留模拟实验，建立了小型树冠雪岭云杉截留面积和雪水当量的关系. 以天山云杉树苗为研究对象，对小型冠幅的雪玲云杉进行降雪截留实验研究。利用数码照相机获取云杉的雪盖面积、高精度天平称量树冠上截留的雪水质量，进而建立起云杉树苗雪盖面积和雪水当量之间的关系。实验结果表明: 多株云杉树苗多次模拟降雪，树冠截留的雪水当量和垂直朝下数字摄影获得的雪盖面积之间拟合曲线趋于一致，且拟合回归方程为二次曲线。.（3）通过野外雪岭云杉降雪截留数据获取，建立了中型和大型雪玲云杉截留面积和雪水当量的关系. 一场降雪过程结束后24小时内，前往研究区进行采集数据，将10 m×10 m的深红色的背景布水平放置在实验云杉树下，上面铺一层相同大小的防水塑料纸；首先把无人机悬停在实验树正上方进行拍照，获取树冠截留降雪的正射影像；震动树干将树上截留雪降落到塑料布上，一定量后撤离塑料布进行称重，并记录雪水质量数据；重复该步骤，直到树上没雪。.（4）布设相机拍摄雪岭云杉截留降雪融化速度监测. 在林间空地和高塔布设了多个自动拍摄相机，每间隔2小时自动拍摄一次，获取时间序列的云杉截留照片，利用监督分类方法获取雪盖在观测方向的投影面积，获取时间序列的雪盖面积，通过和气象台站的降雪和气温数据进行关联分析，得到了在不同气温下降雪树冠截留时间。