论文:预测土地覆盖变化与碳储量波动:一种深度学习和InVEST方法

文摘   科学   2024-09-28 19:42   福建  
1 研究背景及意义
在联合国可持续发展目标(SDGs)的框架下,气候行动项目号召各国加强生态系统碳储量的研究,以增汇减排积极应对气候变化。区域土地覆盖变化是影响碳储量的关键因素,预测土地覆盖及其碳储量的时空动态对于指导区域可持续发展、提高区域碳储量和应对全球气候变化具有重要意义。

目前对不同土地覆盖类型与碳储量变化之间的定量关系及未来空间变化预测的研究尚不充分,本研究以福州市核心区为研究对象,使用土地覆盖和实地碳密度表数据,提出一个集成深度学习与InVEST方法的精简模型,从像元栅格尺度预测城市未来的土地覆盖和碳储量变化情况。研究旨在:(1) 从定量化与可视化的效果来检验模型的预测精度与可靠性;(2) 预测福州2025和2035国土空间规划年的土地覆盖和碳储量时空变化;(3) 对比分析各种土地覆盖类型与碳储量变化之间的定量关系。

2 研究区、数据与方法

研究区:本研究聚焦于福州城市化进程中土地覆盖类型发生显著变化的区域,以市区及周边10 km缓冲区的范围为研究对象(图1)。总面积约2644 km²。2023年,福州市发布“十四五”生态规划,强调持续提升林业、农业的碳汇能力,力求2025年能有效固碳增汇,实现绿色低碳发展。

数据源:研究数据包括:土地覆盖、碳密度、地形、道路和水系。

(1)土地覆盖数据来源于中国逐年土地覆盖数据集(CLCD) (Yang and Huang, 2021),本文用GEE平台选取福州2005—2022年的CLCD数据,包括耕地、林地、灌木地、草地、水体、裸土和不透水面共7类。

(2)碳密度数据基于国家生态科学数据中心NESDC的中国陆地生态系统碳密度数据集,选取福州地区的典型样本,并结合相关研究文献进而确定上述土地覆盖类型的碳密度数据。

(3)预测模型的驱动力数据,包括DEM及其衍生的坡度、坡向、山体阴影,以及与道路、河流的距离等影响土地覆盖变化的因子(图2)。所有数据均要按相同的栅格行列数提取,统一空间分辨率为30m,并保证相同的地理坐标系、投影坐标系以使像元栅格一一精准对应。
模型方法:本文构建一套集成深度学习与InVEST方法的精简模型,从空间像元尺度来预测城市未来的土地覆盖和碳储量变化(图3)。

(1) 深度学习预测土地覆盖变化

本文借助QGIS的MOLUSCE插件进行多层感知器MLP深度学习,随机生成3000个样本点,设置训练数据邻域值为1×1像素,学习速率0.001,最大迭代次数2000,神经网络的隐藏层数为10,动量值0.05,以提高神经网络学习的深度,准确地预测土地未来变化。(注:不同区域和数据应事先训练调整好最佳参数再进行预测)

(2) InVEST模型估算碳储量

本文利用斯坦福大学和其他几个机构开发的InVEST模型的碳模块估算了福州2005年至2035年的碳储量变化。通过将碳密度与土地覆盖数据的栅格叠加,计算出区域的碳总量及空间分布。

(3) 预测模型的准确性评估

本文首先模拟已知年份的土地覆盖图,而后将它们与相应年份的真实土地覆盖图进行比较,识别模拟与真实土地覆盖图之间的差异,评估预测模型的准确性。使用两种定量指标来进行精度评判:首先是采用c2卡方分布来评估二者是否紧密匹配;其次是利用MOLUSCE插件对模拟与实际影像的混淆矩阵进行精度验证。

3 重要图表

4 重要结论

(1)预测精度:基于深度学习的预测模型在福州具有较强的适用性和准确性。验证的Kappa值均>0.83,2025和2035年模拟的土地覆盖图总精度分别达到93.03%和95.62%。
(2)土地覆盖与碳储量变化:土地覆盖的变化导致了碳储量变化。预测结果表明,到2035年,福州的不透水面将大幅增加,取代耕地成为该区第二大土地覆盖类型。福州的碳储量从2005年至2020年已经减少了121万吨,预计2035年将比2020年进一步减少168万吨。

(3)碳储量的影响因子:森林对该地区碳储量的影响最大,是不透水面的6.25倍,是耕地的12.5倍;其次为不透水面,是区内对碳储量影响第二大的土地覆盖类型,其影响是耕地的两倍。

引用格式:

Li, C., Xu, H., Du, P., et al., 2024. Predicting land cover changes and carbon stock fluctuations in Fuzhou, China: A deep learning and InVEST approach. Ecological Indicators, 167: 112658. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2024.112658. 

校对:刘艺扬 林子晴
编辑:任萌杰
一审:胡秀娟
二审:刘智才

三审:王   琳

环境资源遥感
福州大学遥感信息工程研究所
 最新文章