SPA算法与机器学习的黄河源土壤水分反演

土壤水分在一定程度上决定着地区的生态承载力和土壤理化性质。准确、快速的获取土壤水分含量,对生态环境监测、土壤退化恢复等具有重要意义。高光谱遥感在土壤参数反演方面应用广泛,但对高寒草甸土壤的高光谱特征与参数反演研究有待深入。为建立适用于高寒脆弱生态系统的高寒草甸土壤含水量高光谱反演模型,以黄河源区的河南县为例,利用多元线性逐步回归(MLSR)、偏最小二乘回归(PLSR)和BP神经网络(BPNN)对土壤样本含水量与土壤光谱及其数学变换的特征波段进行建模,由决定系数(R^(2))、均方根误差(RMSE)和预测残差比(RPD)对模型精度进行验证。结果表明:(1)在可见光-近红外波段,土壤样本的光谱反射率在710、780和950 nm附近存在强弱不同的水分吸收区间,且随着含水量的增加,反射率呈现先迅速降低,后缓慢增加的趋势。(2)通过连续投影算法(SPA)筛选的光谱特征波段作为自变量,含水量作为因变量,分别通过MLSR和PLSR建立反演模型,其中一阶微分(FD)、对数一阶微分(FDL)变换对应的PLSR模型可实现高寒草甸土壤水分的粗略反演,且FD变换对应的PLSR模型精度较高。(3)BPNN反演模型中,除去包络(CR)建模外,其余模型R^(2)均大于0.9,RMSE在0.048~0.074之间。其中FD、FDL、LG变换光谱对应的BPNN模型反演精度较高,验证结果的R^(2)均大于0.8,RPD均大于2.5,精度最高的为对数(LG)变换对应的BPNN模型,R^(2)、RMSE和RPD分别达到0.967、0.038和5.039。因此,BPNN模型能较精确的实现黄河源区高寒草甸土壤含水量的高光谱反演,为该地区乃至其他高寒地区生态环境监测与土壤恢复提供技术基础和数据支撑。

高原鼠兔干扰与高寒草甸退化的时空耦合关系

[目的]高原鼠兔是青藏高原高寒草甸生态系统的关键物种。分析鼠兔活动与草甸退化之间的耦合关系,为进一步完善高原鼠兔干扰强度观测体系,提供更加全面、科学的鼠兔活动调查数据。[方法]本研究利用无人机对地观测与深度学习构建了一种鼠兔干扰强度观测与分级方法,并利用景观指数和耦合度模型开展了时空变化分析。[结果](1)ResNet-101残差网络模型提取鼠丘秃斑的精度可达92.7%。2019年研究区鼠兔干扰微度和轻度面积占总面积的82.0%,2021年中度及以上干扰强度占62.5%。2019—2021年鼠兔干扰明显、显著和极度增强的面积占43.0%。(2)2019,2021年高寒草甸植被均以中度退化为主,2019—2021年中度退化转变为重度退化的面积占30.2%,植被覆盖度出现显著降低的面积占7.7%。(3)研究区景观以单一方向变化为秃斑,景观类型向更加聚集、规则、单一化的方向转变,秃斑景观的优势度显著上升。(4)2019—2021年研究区大部分区域的耦合度增加,鼠兔干扰与高寒草甸间的相互作用增强。[结论]研究区高原鼠兔干扰强度显著变大,植被覆盖度降低,景观逐步向秃斑类型转变,高寒草甸在高原鼠兔干扰下退化趋势明显,二者的耦合作用逐步增强,有必要采取更加积极的防治、恢复措施。

利用随机森林和地理加权回归的黄河源GIMMS_(3g)NDVI降尺度方法

针对现有AVHRR、SPOTVGT、MODIS产品难以构建长时序、高时空分辨率NDVI数据集的问题,提出了利用随机森林和地理加权回归模型对GIMMS_(3g) NDVI进行降尺度的方法。基于“关系尺度不变”假设,从不同空间分辨率和数据源角度将其空间分辨率从8 km提高至250 m,并利用MODIS数据进行精度评价。结果表明:降尺度数据的空间分辨率有较大提升,能真实反映源区内NDVI空间分布特征;降尺度数据与MODIS数据具有较好的一致性,除500 m分辨率下的RF降尺度外,其他降尺度结果的绝对误差≤0.1的比例达到70%;东南部高植被覆盖区的降尺度效果要优于西北部;RF模型在体现局部细节纹理特征方面更具优势;解释变量的不同组合会影响降尺度的精度;降尺度模型尺度的改变对RF模型降尺度结果影响较大。

2015-2017年秋季东三省秸秆焚烧监测及其空气污染效应分析

针对中国秸秆焚烧多发的东三省地区,利用2015—2017年秋季卫星火点监测数据和空气质量监测数据对东三省秸秆焚烧的空气污染效应展开研究。研究显示:(1)2015—2017年秋季东三省秸秆焚烧火点数逐年增多,火点聚集区逐年向西扩展;(2)2015—2017年秋季秸秆焚烧期间东三省的气团主要对东三省内部产生影响,秸秆焚烧对空气质量指数(AQI)的影响主要分成3个阶段(平缓阶段、上升阶段和下降阶段),说明秸秆焚烧对AQI有显著影响;(3)秸秆焚烧对PM_(2.5)、PM_(10)、NO_(2)、CO和SO_(2)有显著影响,而O_(3)由于来源不同,不受影响。

2004-2018年四川省AOD时空格局及趋势分析

为了解卫星监测气溶胶光学厚度(AOD)在四川地区的适用性及该地AOD长时序时空格局,文章基于四川省2004-2018年AOD数据,利用地基颗粒物监测数据(PM_(2.5)和PM_(10))和气象数据,建立经标高订正的AOD与经湿度订正的PM_(2.5)和PM_(10)的线性相关模型。结合Mann-Kendall(MK)趋势分析和Sen’s斜率估计等方法,对四川省AOD时空分布格局及变化趋势展开研究。结果表明:订正后的AOD和PM_(10)与PM_(2.5)呈显著线性相关,相关系数分别为0.8250和0.8417;AOD东高西低的空间异质性显著,15年间轻度增加、基本不变和轻度减小的区域比重分别占46.61%、39.97%和13.94%;AOD年变化率为-0.00132(p>0.005),各年均值主要在0.6~0.8范围内波动,季节均值表现为秋季>夏季>春季>冬季,月均值呈"正梯形"周期变化,四川盆地、川西高原和川南地区月均值峰值分别出现在4月、9月和12月。

基于云模型与模糊层次分析的老采空区建设场地稳定性评价

为科学合理评价老采空区上方建设场地的稳定性,基于云模型与模糊层次分析法(Fuzzy hierarchy analysis process,FAHP),对武云高速采空区路段建设场地进行了稳定性评价。首先,筛选出武云高速采空区路段建设场地稳定性的6个独立影响因素,分别为深厚比、覆岩强度、构造复杂度、水文特征、停采时间和相对位置,并分析了各因素对稳定性的影响机理,建立了适用于研究区域的稳定性评价模型;其次采用云模型确定了评价指标隶属度,有效避免了数据随机性和不确定性对综合评价结果的影响;然后基于模糊层次分析得出评价指标权重,可降低数据处理中主观因素影响,提高分析结果的可靠性;最后利用构建的模型对武云高速采空区路段建设场地进行了稳定性评价。研究表明:所提方法的评价结果符合工程实际情况,为武云高速采空区路段的设计、施工与维护提供了支持。

基于BIOMOD2集成模型的黄河源高原鼠兔潜在分布与干扰强度分析

高原鼠兔(Ochotona curzoniae)是青藏高原广泛分布的啮齿动物,也是高寒草地生态系统的关键物种之一。为明确高原鼠兔在黄河源地区的潜在分布、干扰强度空间差异及其影响因素,本研究利用野外调查和环境等因子数据,结合BIOMOD2生态位模拟平台,开展高原鼠兔分布与干扰强度的模拟验证。结果表明:(1)广义增强回归模型(GBM)、随机森林(RF)和最大熵模型(MaxEnt)的精度明显好于其他模型,且RF模型的卡巴统计量(Kappa)、真实技巧统计值(TSS)、曲线下面积(AUC)和临界成功指数(CSI)最优;(2)利用Kappa值大于0.8的RF独立模型进行集成后,Kappa、TSS、AUC和CSI值分别提高0.125、0.129、0.027和0.120,精度显著改善,集成模型能够可靠模拟高原鼠兔的潜在空间分布;(3)鼠洞数量和秃斑面积呈较好的线性相关关系(R^(2)=0.928),秃斑密集处鼠洞密度较高,鼠洞越密集秃斑的面积越大、聚集程度也越高;(4)研究区中北部和中部地区高原鼠兔的密度较大,东南部和西部地区密度相对较小,高原鼠兔干扰中、轻度面积占51.61%,主要分布在玛曲县、达日县和久治县、玛沁县中东部、同德县南部、玛多县西部、曲麻莱县东北部和称多县北部地区;重度和极度干扰强度占18.32%,极度干扰主要分布在泽库县、河南县、兴海县北部、玛沁县东南部和甘德县北部等区域,重度干扰主要分布在极度干扰区域的周边,以及同德县东部、兴海县中部、玛多县中东部、达日县西北部和甘德县中部等地区;(5)温度、植被、坡度、降雨、土壤特性和海拔是影响高原鼠兔分布的重要因素,高原鼠兔干扰强度与温差、最低温度、地温、归一化植被指数(NDVI)、降雨的季节性和黏粒含量呈正相关,而与平均海拔、沙粒含量和阳离子交换能力呈负相关;(6)极度干扰区域NDVI的最小值比其他区域大,最大值在各个干扰区域的差异不显著;年平均地温的最大值随着干扰强度的增加而减小,黏粒含量随着干扰强度的增加先增大后减小;高原鼠兔干扰强度最大的区域集中在海拔3100~4500 m。

青海省湟水流域潜在地质灾害识别与易发性评价

[目的]明确青海省湟水流域地质灾害空间分布特征与规律,为该地区防灾减灾提供数据支撑与科学依据。[方法]通过小基线子集干涉测量(small baseline subset interferometric synthetic aperture radar,SBAS-InSAR)技术识别地质灾害点,结合地形因素、地质因素、环境因素、气象因素、人类活动因素进行灾害空间分布规律分析,建立逻辑回归(logistic regression,LR)—频率比(frequency response,FR)模型并检验,利用返回概率值进行易发性评价。[结果]①湟水流域所分布的潜在地质灾害以滑坡、崩塌为主,多种类型潜在地质灾害并生。滑坡与不稳定斜坡通常发育于坡度较缓的山坡上,通常伴有大量张拉与剪切裂缝,尤其在雨季发育明显,对山体下方交通、居民安全构成威胁。发育于河谷两岸的滑坡与不稳定斜坡还可能阻塞河流,形成堰塞湖,进一步加剧灾害风险。崩塌多发育在岩石结构较为疏松或风化严重的陡峭山壁,因地质脆弱,加之降雨等自然因素刺激,易使山体土块、岩石块下落,对下方的居民区和交通线路构成威胁。②研究区2425—3650 m高程区间的地质灾害分布较多,东北向为地质灾害易发坡向;地质灾害易发性随归一化植被指数(normalized digital vegetation index,NDVI)增加而降低,随坡度、地形起伏度、日降水量增加而升高,随距断层距离增加而减少。③湟水流域高易发区及较高易发区,面积约5937.60 km 2,占研究区总面积约38.78%,主要集中在湟水流域南、北边缘地区,湟中、大通、海晏交界处,以及建筑区周边边坡上。④对评价结果进行检验,模型预测性能受试者特征曲线(receiver operating characteristic curve,ROC曲线)线下面积(area under curve,AUC)为0.787,易发区由高至低FR逐级减小,与实际灾害点的分布具有良好的一致性。⑤断层核密度为湟水流域地质灾害发育的主控因子,坡向、地形起伏度、道路核密度次之,剖面曲率对地质灾害发育影响最小。[结论]①利用SBAS-InSAR技术能有效识别湟水流域潜在地质灾害,LR-FR模型获得的易发性评价结果可靠。②湟水流域地质灾害易发区的分布具有明显的空间差异性,主要分布在海拔较高、植被覆盖率较低、降雨量较大、距离断层近的地区,断层核密度为地质灾害易发性的主控因子。③湟水流域的地质灾害具有多发性、突发性和高风险性的特点,给当地居民生活、区域经济发展及生态环境带来了严重的影响。因此,对其进行监测、预警和防治工作显得尤为重要。

基于“天—空—地”协同观测的西宁市南川东路滑坡变形特征与稳定性分析

[目的]明确降雨对西宁市浅层滑坡失稳的影响,为该市降雨型浅层滑坡灾害的监测预警防治提供依据。[方法]以青海省西宁市南川东路H7滑坡为例,采用“天—空—地”协同观测技术对滑坡体进行观测调查,基于流固耦合原理和非饱和土强度理论进行水力耦合数值模拟,得出降雨作用下斜坡的孔隙水压力、应力、位移演化及塑性区分布,通过强度折减法计算不同降雨时长下斜坡安全系数。[结果]①南川东路H7滑坡整体形态呈长条状,为“牵引—推移”式滑坡,运动模式表现为坡脚失稳牵引、中部变形滑移及顶部失稳推移。②雨水入渗引发斜坡土体饱和度上升、基质吸力消散、有效应力降低、抗剪强度衰弱,导致斜坡的下滑力增大、抗滑力减小,诱使南川东路滑坡稳定性持续下降。③模拟降雨72 h后,在浅层土体内形成接近贯穿的圆弧形塑性滑动面,斜坡的安全系数从1.17降至1.01,处于“暂时稳定—变形”的欠稳定状态。水平位移在坡脚处最大,为6.89 cm;竖向位移在坡体上部最大,为5.98 cm。[结论]①“天—空—地”协同观测技术可有效支撑滑坡灾害的调查与评估,有限元水力耦合数值模拟对降雨型滑坡稳定性研究适用性强、效果较好。②南川东路H7滑坡在高强度持续降雨下稳定性将进一步降低,威胁道路、建筑及居民安全,需重视潜在滑坡风险。