地理学领域的人工智能应用与思考

人工智能技术在地理学中的应用具有广阔的前景,广泛参与地理过程的观测、分析、模拟和预测.面向地理学领域的人工智能应用,以“智能感知-智慧表达”为脉络,梳理了人工智能在地理学中的表现形式和地理学各领域的应用.在此基础上归纳总结了目前应用在地理大数据智能处理、尺度效应、模型的不确定性等方面的问题,并提出未来在多源数据协调与协同、模型的集成、人工智能的可解释性和地理大模型的构建等方面的建议.强调针对人工智能地理学应用将逐步通过地理大数据的协同挖掘、学习大量地理要素数据、增强模型的集成与解释、训练大模型具备理解地理学三定律的能力.

低空遥感结合卫星影像的河道流量反演

中小型河流的径流量精准监测对干旱区生态稳定具有重要意义。然而中小型河流流量遥感精准反演存在困难。以新疆尼勒克县境内的喀什河种峰场河段为例,基于关系拟合法,依据实测水文数据、无人机数据和卫星数据,构建河宽、水深与流量之间幂函数关系模型,并利用卫星数据的时序性,反演监测河段24次不同时期的径流量。反演结果表明:当径流量为0~50 m^(3)·s^(-1)和50~100 m^(3)·s^(-1)时,基于河宽的水力几何形态径流量反演效果最优,均方根误差(RMSE)分别为7.15 m^(3)·s^(-1)和2.81 m^(3)·s^(-1);当径流量为100~200 m^(3)·s^(-1)和>200 m^(3)·s^(-1)时,基于水深和河宽的水力几何形态径流量反演效果最佳,RMSE分别为13.37 m^(3)·s^(-1)和1.06 m^(3)·s^(-1)。研究结果可为水文资料缺乏区的中小型河流径流精细化监测与管理提供一种新方法,也对洪流灾害预测、水能资源开发与水生态系统修复具有较高的参考价值。

基于GF-1卫星影像的改进SWI水体提取方法

大尺度高精度山区河流信息提取是我国干旱区水资源开发利用的关键技术,而利用遥感影像提取水资源信息存在水体与山区阴影难以区分的瓶颈。以GF-1号卫星2 m分辨率全色波段影像和8 m分辨率多光谱影像为数据源,选取新疆特克斯河流域巴喀勒克水库为研究区,提出改进的阴影水体指数法(modified shade water index,MSWI)进行水体信息提取;同时运用单波段阈值法、NDWI法、单波段法与阴影水体指数法(shade water indes,SWI)相结合的决策树分类法(简称SWI)以及单波段法与MSWI相结合的决策树分类法(简称MSWI)分别对研究区水体信息进行提取,并进行了对比分析。研究结果表明,前2种方法与SWI和MSWI法相比,效果稍差;而SWI和MSWI法分类效果较好,其中MSWI比SWI法分类总精度高0.94%,提高了高分辨率遥感影像的解译精度,可为国产高分系列卫星影像在干旱区水资源信息提取中的应用提供技术支持。

基于SCS模型的新疆博尔塔拉河流域径流模拟

为探索SCS(soil conservation service)模型在干旱区地表径流模拟中的适用性,以新疆博尔塔拉河上游温泉流域为例,利用2013年融雪期18场次降雨量、日径流量及卫星同步观测基础数据,基于度日模型、土壤水分吸收平衡原理及地表温度-植被指数特征空间反演土壤水分等方法,探索适用于流域尺度耦合降雨、积雪融水混合补给径流的SCS模型参数改进算法,采用国产"高分一号"16m分辨率遥感影像和landsat8 OLI 30m多光谱遥影像为模型提供面状数据。分别利用参数算法改进后SCS模型与原SCS模型进行径流模拟,前者模拟值较后者更接近实测值,二者模型验证期Nash效率系数分别为0.66和0.38,相对误差系数分别17%,27%;研究结果表明,利用遥感反演地表参数,结合土壤饱和含水量计算SCS模型参数的方法在面积大且数据缺乏的温泉流域具有可行性和实用性。

奎屯河流域春季融雪期SCS-CN模型参数取值方法

水资源是保障我国西北干旱半干旱地区生态环境安全的关键因素。以新疆奎屯河流域为例,通过修正SCS模型土壤持水量及初损率参数计算方法,寻找适用于干旱半干旱地区山区典型流域春季融雪期径流模拟模型,为流域掌握水资源量及生态用水提供决策依据。与以往研究不同之处在于:首先,引入度-日模型修正降水量参数,以满足流域降雨-融雪混合补给径流特征。其次,利用多期MODIS数据驱动的TS/VI特征空间理论结合土壤水分吸收平衡原理计算土壤持水量参数(S);再运用聚类分析法对初损率(λ)取值方法进行改进。通过参数算法改进后的SCS模型,参数率定期和验证期纳什效率系数和相对误差系数分别为0.92和0.64,0.7%和-1.5%。结果表明:1)参数算法改进后SCS模型能实现奎屯河流域春季融雪期日径流模拟。2)利用遥感大尺度地表信息参数化技术反演SCS模型参数,实现了遥感数据为SCS模型提供大尺度空间数据的同时,间接实现了模型参数由点状数据向面状数据转化的可能;3)初损率(λ)多组取值法可有效提高干旱半干旱地区大尺度流域径流模拟精度。

基于多源遥感数据的艾比湖流域盐土SWAT模型参数修正

在SWAT(soil and water assessment tool)模型模拟地表分量过程中,常默认土壤剖面电导率(electrical conductivity,EC)值为0或0.1,将其应用于土壤盐渍化程度较高的流域时,不符合下垫面实际情况。为确保水文模拟逼近真实地表模拟过程,进一步提高模拟精度,该文利用GF-1号卫星16 m分辨率多光谱遥感影像结合分类回归树法反演艾比湖流域区域尺度0~100 cm土壤剖面电导率,模拟值与实测值均方根最大值误差为4.81 dS/m,相对误差最大值为15.17%。模拟值用于修正EC值,结果表明:EC值修正后的SWAT模型土壤水分模拟值,较修正前模拟值精度提高23.84个百分点。该方法在实现SWAT模型参数本地化的同时,有效提高了土壤水分模拟精度,可为土壤盐渍化区域水文模拟提供参考。

2008—2014年新疆艾比湖流域土壤水分时空分布特征

传统的土壤水分模拟研究难以从土壤水分变化的时空双向出发表达其连续演变的过程,存在时空尺度效应问题。借助SWAT模型模拟的长时间序列优势,结合高分辨率卫星影像和遥感技术,力图在时空尺度效应问题上取得突破。并利用长时间序列的模拟结果分析流域土壤水分的空间格局和不同维度时空异质性。结果表明:(1)2008—2014年间艾比湖流域土壤水分主要受气温、降水及人类活动影响,呈波动变化,总体偏低且具有逐年减小趋势。(2)受降水、地形及土地覆被影响,土壤水分分布呈现出由山区向两侧平原减少的特点,且林地>农用地>草地>稀疏植被。(3)近10年间土壤水分低值区由原来的北部山区及平原向东部、东南部平原区及南部山区迁移,东部减少最为明显。(4)流域四季土壤水分变化差异显著。其中,春季主要受融雪影响;夏季、秋季主要受降雨量和气温影响;冬季主要受固态降雪和气温影响;且不同年份、相同季节、相同子流域土壤水分变化趋势表现一致。

分数阶微分技术在机载高光谱数据估算土壤含水量中的应用

无人机高光谱遥感为精准农业和农业信息化监测提供崭新视角。高光谱传感器具有厘米级空间分辨率和精细的光谱分辨率,可获取高质量的高光谱数据。然而,高光谱数据通常伴随噪声和数据冗余,高光谱信息利用效率低,常规预处理难以满足精准估算的需求。因此,为解决上述现实问题,针对机载高光谱影像的数据挖掘必不可少。利用分数阶微分(FOD)技术逐像元处理机载高光谱数据(步长为0.1)。通过对比FOD技术与整数阶技术对高光谱数据的改善能力,从光谱层面探寻最佳FOD阶数。在梯度提升回归树(GBRT)算法下构建土壤含水量(SMC)估算模型,最终在最佳模型下评估SMC的空间分布。结果表明:FOD技术提高光谱与SMC的相关系数(r_(max)=0.768),与原始光谱、一阶微分和二阶微分处理后的光谱同SMC相关系数相比,分别提升0.168,0.157和0.158。FOD技术提升模型估算精度的主因是突出有效光谱信息的作用,特别是与水分胁迫密切敏感的叶绿素、植物结构和水分响应波段(430,460,640,660和970 nm)。即使FOD技术取得理想的结果,不同阶数的效果仍有差异。高阶FOD对影像增加了一定噪声,相较于高阶FOD(1<阶数<2),低阶FOD(0<阶数<1)对相关性的改善更为明显。FOD技术对SMC估算模型的性能有很大提高,在0.4阶模型下取得最优结果(R^(2)_(p)=0.874,RMSEP=1.458,RPIQ=3.029)。此外,0.1—0.9阶和1.6—1.9阶的SMC估算模型比整数阶模型更优(R^(2)_(p)提升0.8%~13.8%),但根据模的RPIQ发现,低阶FOD模型在模型的预测能力方面更强。在0.4阶模型下反演农田土壤水分的空间分布表明干旱区农田SMC具有显著的空间异质性。研究结果表明低阶FOD技术有效地实现对高光谱数据挖掘,从而实现农业SMC的精准估算。该研究提出了针对机载高光谱影像处理的新方法,为干旱区精准农业实施和管理提供新的策略。

干旱区降雨、融雪混合补给下的径流模拟研究——以博尔塔拉河上游流域为例

降雨和高山融雪是博尔塔拉河河源区重要的产流方式,以博尔塔拉河上游流域为例,综合分析流域近50 a气温、降水和径流变化趋势,引入度日模型,探索干旱区降雨和融雪混合补给径流下SCS-CN模型应用方法。为提高模型模拟精度,采用国产"高分一号"卫星数据,结合RS/GIS平台,为SCS模型参数计算提供大尺度高精度基础数据。利用流域2013-2014年实测降水数据,开展径流模拟,结果表明:修正后降水量参数可满足模型降水量的边界条件;SCS模型模拟值与实测值参数率定期和检验期相对误差系数RE分别为7.3%、12.8%,表明该方法在博尔塔拉河上游具有适用性。

普适降雨-径流模型SCS-CN的研究进展

如何提高径流预报能力对洪水灾害和水资源有效开发利用具有极其重要的意义。然而,地表径流模拟受自然和人为因素影响,决定了径流模拟的变化性和复杂性。SCS-CN模型作为现行普适性降雨-径流模拟的重要工具,在结构和参数方面具有明显优势,但由于模型所需参数的不确定性使模型存在一定容错能力,从而影响模型预报精度。因此,从介绍模型原理及改进方法入手,以参数率定的新视角对全球不同流域尺度的SCS-CN模型应用研究进行总结和回顾,分析对比参数优化算法的优缺点,剖析模型内部结构和外部机理存在的不足,从而预估模型未来发展趋势向简单实用化和复杂化机理化两个方面发展。

基于遥感生态指数的吐哈地区生态环境变化研究

以吐鲁番市和哈密市(简称吐哈地区)为研究对象,基于MODIS多光谱传感器2000、2006、2012年和2018年的遥感数据,采用4个表征湿度、干度、热度和绿度的指数,建立和绘制吐哈地区多个时期的遥感生态指数(Remote sensingecologyindex,RSEI),并对该地区的生态环境质量及土地利用转换情况进行了定量分析。结果表明:近20 a来,吐哈地区的绿度指数平均增加0.0244,热度指数平均降低0.0241,而湿度和干度指数整体的变化接近于0;其中,热度指数与RSEI具有负相关性。总体而言,2000—2018年吐哈地区的生态环境质量表现为略微下降的趋势;其中,吐鲁番市的鄯善县RSEI变化幅度最大,环境质量表征数据在区域下降幅度中排列首位,哈密市的巴里坤哈萨克自治县环境质量减少的幅度最小。近20 a来,吐哈地区的草地面积有明显增加,但需控制草地开垦及过度放牧,防止区域生态环境恶化。

新疆大学地理学综合野外实习课程的建设与思考

地理学独特的研究对象及普通教学方法的局限性使综合野外实习课程成为地理学人才培养的重要手段。地理学对于加强学生对自然要素及地表过程的直观认识,锻炼基本技能,提高专业能力,激发学生的学习兴趣具有积极作用。基于综合野外实习课程建设的基本原则,新疆大学因地制宜地选择了两条实习路线,围绕不同的实习地点开展综合野外实习课程。文章对其基本理念、路线、内容和考核标准等进行了详细介绍,并在此基础上进行思考、提出建议,以期为各高校地理学野外实习课程建设提供参考。

基于多模型对比的土壤盐分制图及不确定性研究

基于野外采集的110个表层土壤盐分样本,采用四种机器学习算法(随机森林、极限学习机、多元自适应样条回归和人工神经网络)与46个环境协变量来绘制新疆艾比湖地区土壤盐分的空间分布图并预测了其不确定性.通过10折交叉验证对各模型的精度进行比较,研究结果表明:(1)使用随机森林(Random Forest,RF)模型能够更稳定更准确地预测土壤EC值,其R^(2)均值达到了0.662,该性能优于人工神经网络(0.622)、极限学习机(0.637)和多元自适应样条回归模型(0.549).(2)Sentinel-2光谱数据是土壤EC预测最重要的变量,其次是盐分指数、气候、地形数据以及植被指数,相对重要性分别为44%、31%、20%和5%.(3)RF模型的结果揭示了区域土壤盐分空间分布的变化信息,模拟结果精度优于其余三个模型,确定RF模型是干旱区尾闾湖流域土壤盐分监测的有效方法.

基于3S技术的农用土地集约利用评价研究——以新疆18个城市农用地为例

新疆作为我国21世纪发展战略的重点，土地集约利用势在必行。文章对新疆18个不同规模等级城市（地级市、县级市）的农用土地进行集约利用评价，结合指标体系分析土地利用现状，为新疆农用土地集约利用提出针对性建议和对策。

基于电磁感应技术的土壤剖面盐分空间分布建模研究

土壤盐渍化问题是干旱半干旱地区农业发展的主要障碍,也是制约荒漠植物生长状况的关键因素之一,严重影响到绿洲生态环境的稳定与安全。研究土壤剖面盐分的分布情况,能及时探究盐渍化对生态的影响。以渭干河-库车河三角洲绿洲为研究靶区,利用电磁感应仪技术与传统采样方法获取该地区典型地块的土壤电导率,剖析其剖面分布特征,在建立磁感式表观电导率和土壤样本实测电导率之间的线性混合模型的基础上,采用自然邻近插值方法解析和评估研究区土壤剖面盐分的空间分布特征。结果表明:研究区土壤电导率具有较强的表聚性与空间变异强度,土壤主体属于中度盐渍化类型;基于各深度层土壤电导率与磁感表观电导率所构建的3种线性混合模型均能达到0.01的显著性水平,其中磁感表观电导率两种模式相结合解译模型预测精度最高;自然邻近法插值结果直观反映研究区土壤剖面盐分的空间分布状况,与水平模式和垂直模式相结合的土壤盐分解译模型相结合则能够更有效的提高土壤盐分空间分布的预测精度。研究结果表明,借助构建的土壤盐分解译模型可对研究区土壤盐渍化空间分布情况进行快速监测与评估,为该区土壤盐渍化的防治提供了一定的技术支撑。

新疆干旱区气溶胶间接效应区域性分析

利用MODIS气溶胶和云资料以及实测的降水数据,可从宏观角度分析新疆区域气溶胶时空分布特征,研究气溶胶与云和降水之间的相互影响关系.结果表明:近十年来受区域暖-干趋势的转变影响,新疆地区气溶胶光学厚度空间分布呈现显著的区域性和季节性差异;南疆地区气溶胶光学厚度整体高于北疆地区,春、夏高,秋、冬低,整体呈现增加趋势,其中,北疆地区气溶胶光学厚度变化程度相对较为显著;受气候变化和颗粒粒径差异影响,新疆干旱区云光学厚度与气溶胶光学厚度呈负相关变化趋势,相关系数北疆地区高于南疆地区;云水路径受温度、湿度影响较大,对气溶胶光学厚度的变化的敏感程度北疆大于南疆,夏季最高,冬季最低;气溶胶光学厚度与云滴粒子有效半径关系复杂,受水汽影响较大,在云层含水量较低的情况下,云滴粒子有效半径与气溶胶光学厚度呈负相关,说明在干燥地区或季节,气溶胶的增加,抑制云滴粒子的增长;整体来看,新疆干旱区气溶胶的增加抑制了区域降水的形成.

基于NDSI-NDVI特征空间的积雪面积反演研究

积雪是新疆高海拔地区大多数河流的重要补给来源之一,不仅是春汛期间融雪性洪水灾害和冰冻灾害的直接原因,在水资源管理、灾害防治和融雪模拟预报中也扮演着重要角色.针对目前积雪信息提取方法的优势与不足,结合二维特征空间理论,构建积雪信息反演模型,并与支持向量机提取积雪信息进行精度对比分析.结果表明:相比其他积雪信息提取方法,利用归一化积雪指数(NDSI)和归一化植被指数(NDVI)建立二维特征空间,且在特征空间基础之上构建的NN模型,反演新疆北部积雪信息精度较高,相关系数达0.837,提取精度优于支持向量机(SVM)方法,对当地防洪灾害模拟预测、生态环境保护、社会经济发展等方面具有一定参考意义.

新疆1961-2013年参考作物蒸散量时空变异

准确评估参考作物蒸散量的变化规律对新疆农业生产及水资源合理利用具有重要作用,采用PenmanMonteith公式以及55个气象站的逐日气象资料,计算了新疆1961—2013年参考作物蒸散量并分析其时空变化特征,运用多元回归分析法对影响参考作物蒸散量变化的主导气象因素进行了定量分析。结果表明:新疆ET_0总体呈下降趋势,年际变化率为-1.01mm/a。在20世纪80年代之前ET_0偏高,90年代减少到最大,2000年以来又逐渐增大。从季节来看,夏季、秋季的ET_0与年ET_0的减小趋势一致,春季冬季ET_0的减少趋势不明显。在不同年代际时间尺度,新疆全年及季节ET_0的年际变化在空间上存在一定的分异。风速是全年及夏、秋季ET_0变化的主导因素,而温度是春季及冬季新疆区域蒸发量变化的主导因素。

艾比湖流域春季大气气溶胶光学性质

利用MicrotopsⅡ太阳光度计观测数据,得到艾比湖流域春季气溶胶光学厚度(AOD550)、Angstrom波长指数(α).结果显示,艾比湖流域春季AOD主要集中在0.1~0.4之间;受盐尘迁移过程中粉尘扩散、沉降等影响,精河地区和乌苏地区气溶胶光学性质存在一定差异.精河、乌苏两地AOD平均值分别为0.290和0.242,变异系数分别62.966%和47.444%,α平均值分别为0.609和0.894,变异系数为33.368%和56.946%,精河地区大气气溶胶主控粒子粒径相对较大,而乌苏地区气溶胶粒子的粒径变化幅度相对较大;AOD和α的关系复杂,当地主导风向是沙尘气溶胶的主要来源,温度变化并不是导致艾比湖流域AOD变化的内在原因;α<0.5时,乌苏地区AOD随RH的增大而减小,精河地区受盐尘中可溶性离子的影响,表现出一定的吸湿性,α>1.0时,细粒子吸湿增长造成AOD随RH的增大而增大,当0.5<α<1.0,气溶胶表现出一定的吸湿性,但当50%<RH时,可能存在降雨对气溶胶大颗粒的冲刷从而导致AOD的降低;精河地区AOD高值的主要原因是大粒子的增加,小粒子气溶胶引起高污染现象的可能较小;乌苏地区气溶胶组成成分复杂,AOD高值受细模态粒子和粗模态粒子共同影响.

绝对Henstock可积函数都是Mcshane可积的

我们给出每个绝对Ｈｅｎｓｔｏｃｋ可积函数都是Ｍｃｓｈａｎｅ可积的一个新的证明