黄河源高寒退化草地典型鼠丘土壤风蚀及养分流失规律研究

黄河源高寒草地啮齿动物活动区存在大量鼠丘,在干燥、大风等气候影响下极易产生土壤风蚀,为阐明鼠丘土壤风蚀侵蚀特征与规律,本研究以黄河源流域不同海拔与植被覆盖度下14个试验区的高原鼠兔和高原鼢鼠鼠丘为研究对象,采用野外模拟风力侵蚀试验装置,对不同风速下各区域鼠丘土壤流失量及其养分流失规律进行分析和讨论。结果表明:(1)鼠丘土壤风蚀量在各区域之间存在显著性差异(P<0.05),风速较小时,2种不同鼠丘土壤流失差异不显著,当风速增加到12 m·s^(-1)时,高原鼠兔鼠丘土壤流失量>高原鼢鼠鼠丘土壤流失量(P<0.05);风速从3 m·s^(-1)增大到12 m·s^(-1),2种鼠丘土壤流失的平均增幅分别为238.16%和146.31%。(2)各试验区鼠丘土壤风蚀率总体呈现先快后慢的递减趋势,植被盖度是低风速下影响鼠丘土壤流失的显著因子,且与海拔高度有关。(3)随草地退化程度加剧,土壤全氮含量、碱解氮、速效钾、有机质含量都有明显下降,而全磷、全钾、速效磷呈现上升的趋势。本研究表明黄河源不同区域鼠丘土壤风蚀作用的差异性与土壤含水率、颗粒大小、风速等密切相关。

基于温度植被干旱指数的西北干旱区干旱时空变化

西北干旱区常年降雨稀少、干旱频繁,严重影响当地的生态平衡、农业生产以及经济可持续发展。为厘清西北干旱区干旱时空分布特征,基于增强型植被指数(enhanced vegetation index,EVI)和地表温度(land surface temperature,LST)构建温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI)模型获得2000—2022年6—9月西北干旱区干旱时空变化特征,利用Sen+Mann-Kendall趋势分析法明确干旱趋势,分析不同土地利用类型与干旱的关系。结果表明:①西北干旱区TVDI空间分布呈现“西北低东南高”的特征,多年TVDI的均值为0.67,处于中旱的水平;②西北干旱区TVDI呈干旱加剧趋势,增加速率为8.8×10^(-4)年^(-1),显著加剧的面积约占总面积的21.04%,轻微加剧的面积约占总面积的62.33%;③未利用地TVDI值均高于其他土地类型,干旱程度越高未利用地对TVDI贡献度越大。

融合面向对象与卷积神经网络的GF-2古城墙提取技术分析

针对目前由于地形与气候等限制条件导致对一些古建筑遗址很难进行动态监测和保护的问题,提出基于高分影像,采用面向对象结合卷积神经网络分类算法实现对大型土筑古城武威满城城墙的精细化提取,并与最大熵耦合离散粒子群算法(MEDPSO)及最大似然法(MLC)对比,验证该方法的适用性和精度。提取结果表明:面向对象结合卷积神经网络分类方法表现出很强的抗干扰和泛化能力,能够实现对城墙边界的有效提取。本文方法的Kappa系数(0.95)高于MEDPSO(0.92)和MLC(0.86);其总体精度(97.46%)高于MEDPSO(95.68%)和MLC(92.67%),从而验证了提出方法对古建筑城墙提取的有效性,为古城墙信息提取提供技术参考和借鉴价值。

基于Cesium的湟水流域地质灾害三维可视化与信息系统设计

为实现青海省湟水流域地质灾害可视化管理,提高灾害信息处理效率,通过倾斜摄影测量与实地调查,结合数据库、前后端等技术开展了灾害三维可视化系统和后台信息管理系统的设计与开发。三维可视化系统基于Cesium引擎,在具备地球多维显示、快速定位、底图添加功能的基础上,扩展开发了数据加载、空间处理、漫游展示3个特色模块,可以加载研究区的矢量数据、影像数据、倾斜摄影模型,能够满足空间量测的需求,实现了在模型上绘制标签并结合现场调查情况进行“隐患点+风险区”的双控分析。后台信息管理系统实现了对灾害基本情况、发展趋势,以及区域内降水、人口、GDP等信息的空间查询分析,为地质灾害风险评估、治理防护提供了技术支撑。

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。

极端气候变化对黄河源区生态系统的影响

利用黄河源区1982—2020年逐日气温、降水数据和多源遥感数据分别构建26个极端气候指标以及生态环境质量综合评估体系,分析极端气候、生态环境质量的时空分布与变化特征,揭示极端气候变化对生态环境的影响机制。结果表明:研究区极端气温、降雨在波动上升,且均在西北—东南方向上呈现阶梯式变化规律;降水量由西北至东南逐渐增加,空间变化率在数值上多呈北高南低;冷(暖)夜的年际线性变化率分别大于冷(暖)昼且其空间变化趋势具有明显的区域差异性并且通过p<0.05的显著性检验;多年生态环境质量均值在0.51~0.73波动,从多年来的生态环境质量空间变化趋势上看,恶化与改善并存,其中北部的贵南、同德及玛多县一带退化较为明显,东南部多数地区有改善趋势;因子探测结果表明各极端气候驱动因子均通过了p=0.01显著性检验,其中水分对生态环境质量的空间分布具有更重要的主导作用,且因子之间的交互作用会增强对生态环境的影响作用。

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。

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。

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。

草地覆盖度和鼠丘对高寒草地表层土壤颗粒特征的影响

[目的]揭示黄河源区高寒草地表土颗粒粒径组成的变化特征,阐明影响草地土壤退化的因素,并进而为黄河源区退化草地的综合治理提供一定的指导作用。[方法]以青海省河南县禁牧区自然条件下不同覆盖度(0%,5%,25%,50%,75%和100%)和2类鼠丘的新旧表层土壤作为研究对象,通过野外调查和室内试验,分析黄河源区不同盖度草地及鼠丘分布对草地表土颗粒粒径组成的影响。[结果](1)高寒草地表面土壤平均粒径随草盖度的降低而增加,其中粒径小于2μm的土壤粒径含量变化幅度最小,20~50μm和50~250μm的粒径含量变化幅度最大,粒径为20~50μm的土粒是土壤侵蚀相对敏感的颗粒。(2)黄河源区未退化草地表层土壤粒径组成主要以粉粒为主,黏粒、粉粒含量和盖度间呈线性正相关,砂粒含量与盖度间呈线性负相关。裸地砂粒含量较原生草地增加了21.96%,高原鼢鼠和高原鼠兔鼠丘分别增加了27.86%和33.14%。(3)形成时间相同的2类鼠丘土壤粒径组成特征差异性不明显,高原鼠兔和高原鼢鼠旧鼠丘的黏粒含量较新生鼠丘分别减少了5.85%,6.32%,粉粒分别减少了28.99%,23.01%,砂粒分别增加了34.84%,29.33%,土壤平均粒径增加了近2倍,鼠丘表层土壤呈现出明显的土壤粗粒化和沙化现象。[结论]提高草地覆盖度到50%以上时和降低新生鼠丘密度能有效防治高寒草地土壤粗粒化。

土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及水力侵蚀的影响

[目的]阐明土壤结皮对高寒草甸鼠丘土壤基本特征及其水力侵蚀的影响,为高寒草甸鼠丘土壤的水力侵蚀特征评价及今后当地生态植被的修复和保护提供理论依据。[方法]以青海省河南县鼠害退化区高原鼢鼠鼠丘表面发育的物理结皮、地衣结皮和苔藓结皮为研究对象,并以原生草甸和未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘作对照,结合野外调查和原位模拟降雨侵蚀试验,对不同类型鼠丘结皮土壤的物理力学特征、水力侵蚀规律及土壤侵蚀量与可蚀性因子间的关联度和相关性等进行了分析和讨论。[结果](1)鼠丘表层不同结皮土壤的含水率大小依次为:苔藓结皮>地衣结皮>物理结皮,并与原生草甸和新鲜鼢鼠鼠丘之间存在显著性差异(p<0.05);0—2 cm内土壤紧实度和黏聚力的排序依次为:原生草甸>物理结皮>苔藓结皮>地衣结皮>新鲜鼢鼠鼠丘;较未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘相比,土壤结皮的发生可通过改造土壤基本特性进而提升鼠丘土壤的保水固土能力。(2)土壤总流失量由高到低依次为:新鲜鼢鼠鼠丘>物理结皮>地衣结皮>苔藓结皮>原生草甸,且与降雨强度具一定的正相关关系;降雨侵蚀的10~15 min是不同鼠丘结皮土壤降雨侵蚀的敏感期,土壤流失率均呈先增后减的变化趋势;较未结皮的新鲜鼢鼠鼠丘相比,不同类型鼠丘结皮土壤均会提高土壤的抗侵蚀能力,土壤抗侵蚀能力优异性排序为:原生草甸>苔藓结皮>地衣结皮>物理结皮>新鲜鼢鼠鼠丘。(3)基于关联度和相关性分析双重检验方法,土壤结皮主要通过改变鼠丘表层土壤的基本物理力学特性指标,从而导致土壤侵蚀状况出现了差异性,其中土壤含水率、密度和孔隙比是影响土壤侵蚀量的关键影响因子。[结论]土壤结皮通过促进土壤基本物理力学特性,从而可不同程度地抑制高寒草甸鼠丘土壤的水力侵蚀。

基于Sentinel-1A数据的黑方台地区沉陷特征分析

甘肃黑方台地区由于长期大水漫灌引起台塬沉陷、塬边滑坡等自然灾害。为研究沉陷区域的空间分布特征和成因,以2017年9月—2020年11月的Sentinel-1A影像为数据源,利用永久散射体(PS)与短基线集(SBAS)技术提取研究区地表沉陷信息;选取新源村与党川村滑坡高相干点D1、D2,结合灌溉、降雨、温度数据对两种结果进行交叉验证与分析。结果表明:(1)两种技术识别的沉陷区域主要分布于新源村、方台村、朱王村、陈家村以及台塬周边,利用PS与SBAS技术在新源村和党川村解算得到的最大年均沉降速率分别为31.75 mm、28.65 mm和32.6 mm、28.4 mm,两种技术在空间分布和解算结果上一致性较高,SBAS技术提取的沉降点数量多于PS技术;(2)由于2—3月温差较大,随着温度升高引起冻土融化,新源村与党川村滑坡均出现沉陷趋势,6—8月灌溉量和降雨量增多,导致黄土台塬沉陷,滑坡频发,8月后灌溉量与降雨量减少,新源村沉陷速率趋于平缓,而党川村滑坡在10月后产生冻结滞水效应,沉陷有加剧的趋势。两种技术可为黑方台地区健康发展与灾害防治提供科学依据与参考。

青海湟水流域基于改进的MLP大气加权平均温度模型研究

为尽可能地提高大气加权平均温度的估计精度,利用神经网络所建立的大气加权平均温度模型,却未顾及大气加权平均温度的长期变化趋势。因此,本文利用全球气候第五代再分析数据集和大气逐层数据,考虑大气加权平均温度的年际变化,基于多层感知器建立了湟水流域大气加权平均温度模型,并使用探空数据与已有的六种模型进行了比较验证分析。结果表明:本模型的年均偏差和均方根误差分别为–0.01 K、2.71 K;均方根误差相比于Bevis式、双因子、多因子、全球气压温度3(global pressure and temperature 3,GPT3)、改进的GPT3模型、谢劭峰等(2022)方法分别减小了32%、23%、15%、14%、7%、5%。验证了引入年际变化因子可进一步提高神经网络模型的精度,建立了目前湟水流域精度相对最优的大气加权平均温度模型。

测绘工程专业地理国情监测人才培养体系的构建与探索

在研究地理国情监测内容和支撑技术的基础上,对当前测绘工程专业的人才培养现状进行了分析,探索了高校培养地理国情监测人才的基本思路,并构建了多层次人才培养体系、研究性教学方法和质量保障体系。

基于无人机与机器学习的黄河源高寒草地植被覆盖度反演技术

针对高原高寒地区大面积草地植被覆盖度调查与实验过程中地面测量效率低下,遥感数据质量不佳、数量源受限与反演结果不确定等问题,在黄河源地区利用低空无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)遥感技术、统计建模与机器学习方法,开展基于可见光影像的高寒草地植被覆盖度反演与验证。结果表明:基于可见光构建的过绿指数与植被覆盖度的相关系数达0.676,比归一化差异指数高出近5.2%,具有较高的可靠性;利用过绿指数建立的高寒草地植被覆盖度统计模型中,对数模型和Gamma模型精度较高,但具有显著的地域差异性;直接利用低空无人机遥感波段值建立的机器学习模型精度显著优于各个统计模型,获得的均方根误差、估算精度、相对偏差和决定系数比统计模型中表现最优的对数模型分别提高2.68%、3.75%、7.35%和13.91%,且无需计算植被指数,在成本、效率和精度等方面具有较大的优势。

利用BP-ANN模型进行深基坑变形预测分析的探讨

利用LM算法和自适应学习速率的动量梯度下降法对BP-ANN模型进行改进,发现LM算法在建立深基坑变形预报模型时具有更高的学习效率,且输入量间的相关程度对网络效率无显著影响,隐含层节点数可通过仿真误差分布图确定和优化。仿真与预测结果表明,在平稳观测时间序列内该模型具有更高的预测精度,在实际深基坑监测预报中值得推广应用。

非平稳NDVI时序数据人工神经网络建模方法

为表征植被覆盖变化过程中的非平稳征,利用人工神经网络模型研究了NDVI数据非平稳时间序列建模方法,并基于1982-2015年的GIMMS NDVI3g数据建立了青海省植被覆盖变化ANN非线性模型和ANNARMA组合模型。结果表明,组合模型较为光滑,能够凸显植被的总体变化趋势,且具有更高的模型精度;非线性ANN模型与观测值更为吻合,适宜于描述植被覆盖的细节变化。2016-2025年青海省3000m以上地区植被覆盖有上升趋势,3000m以下地区有下降趋势,且整体植被覆盖呈现上升趋势。

基于Landsat TM影像的山地冰川信息提取技术研究

以老虎沟冰川为例,在分析Landsat TM图像特征及其相互关系的基础上,研究多种冰川信息提取方法.结果表明,Otsu自动阈值法可有效降低主观因素影响,Slope等多元信息的融合有利于提高分类精度和降低斑点噪声,基于图像多尺度分割的面向对象法综合利用了图像光谱、纹理等特征,比基于像元的分类法总体精度最大提高2.47%,错分率最大降低2.50%,可显著抑制"椒盐"和"毛刺"效应.

基于Landsat的三江源区植被覆盖时空变化分析

利用2001年、2010年和2015年的Landsat数据,基于像元二分模型反演三江源泽库县植被覆盖度,分析其植被覆盖和景观结构时空变化特征,结果表明:泽库县高植被覆盖主要分布在东部和南部地区,低植被覆盖主要分布在西北部地区;2001—2015年,研究区植被覆盖状况有显著改善,并向高植被覆盖方向变化;中东部植被覆盖呈上升趋势,东南部和西北部呈显著上升趋势,中北部和西南部呈下降和显著下降趋势;高植被覆盖逐渐成为优势景观,人类活动、源区生态工程对研究区植被覆盖的提高有一定影响。