全球地表覆盖时空变化交互式知识地图集设计与表达方法

地图集是呈现地表覆盖知识的高效表达工具。然而现有地图集仅面向预定区划的知识内容展示,难以满足用户对不同兴趣区域的个性化需求,从而导致图集实用性较差。另外,传统地图集图幅版面布局主要以不同信息的拼合模式为主,难以体现知识所包含信息的关联性,从而不利于用户较快的理解知识内容。为满足地图应用的个性化和知识服务需求,本文基于三期GlobeLand30数据,进行近20年全球地表覆盖时空变化地图集编研工作。除了制作了从宏观角度反映全球、大洲和国家尺度的地表覆盖分布和变化图幅集,还采用用户交互式选择感兴趣区域的方式实时化生成地表覆盖时空变化知识,并提供用户选择不同的知识可视化表达形式和图-文双向交互功能,从而以更为个性化和易懂的方式展示地表覆盖时空变化知识内容。

30m全球地表覆盖遥感制图生产体系与实践

在以"多源影像最优化处理、参考资料服务化整合、覆盖类型精细化提取、产品质量多元检核"为主线的总体研究基础上,依托生产技术规范体系、全过程质量控制手段和支持环境,通过30 m地表覆盖产品和技术设计、多源影像资料收集整合处理、分区按类型地表覆盖数据提取组织实施及数据产品集成与优化,构建了工程化的30 m全球地表覆盖遥感制图生产体系,实现了预期的产品指标,完成了2000和2010两个基准年的30 m地表覆盖数据产品研制。通过精度评价,该套数据产品分类精度达到80%以上。该生产体系的构建为开展较高分辨率全球地表覆盖数据产品研制、细化、更新奠定了基础,为开展大规模遥感影像信息提取、表达和应用起到了示范作用。

30m全球地表覆盖遥感分类方法初探

全球地表覆盖分布及变化是气候变化研究、生态环境评估、地理国情监测、宏观调控分析等不可或缺的重要基础信息。由于全球范围内地表覆盖复杂多样,光谱差异大,单一的分类算法缺乏通用性,提出层次分类策略并进行试验分析。结果表明,层次分类策略要优于SVM、J48、RF和贝叶斯等分类方法。通过全球范围10个试验区的试验,除受大面积云影响的马来西亚试验区精度为65%之外,其他区域的总体分类精度均达到70%以上,具有较强的鲁棒性和通用性,可以用于30 m全球地表覆盖产品的研制。

近百年全球地表月气温数据的概况与初步整合

基于国际上最著名的4套全球地表月气温数据集,即英国东安格利亚大学气候研究所数据集(CRUTEM3)、美国国家气候数据中心数据集(GHCN-V3)、美国国家航天航空局数据集(GISSTMP)和Berkeley地球表面气温数据集,从分析现有资源的状况人手,通过广泛的国际调研与合作,整合了这4套全球地表逐月气温数据集和一些主要国家或地区的区域数据集,研发了中国第一套全球陆地表面逐月气温站点数据集。该数据集共包含全球9519站、7073站及6587站的月平均气温、最高及最低气温(序列长度不低于20年)数据,同CRUTEM3和GHCN-V3数据集相比,该数据集站点密度在各个区域都有所增加,尤其是在南美洲、非洲及亚洲地区;另外,1990年代以来的站点数量显著增加,有利于降低自1990年以来全球气温变化趋势估计的不确定性。

基于Web服务的全球地表覆盖遥感制图大数据集成与应用

针对全球30 m地表覆盖遥感精细制图中面临的大量地理信息数据资料使用问题,基于Web服务提出一种全球地表覆盖遥感制图大数据集成方法,提出面向服务发布的异构数据集成处理流程与异构服务集成方法,在此基础上研发了应用服务系统,减少了使用过程中大量重复的数据处理工作,为用户提供了方便的数据使用平台,提高了数据使用效率。该方法已在全球30 m地表覆盖遥感精细制图的数据质量检查中得到全面应用。

太阳黑子与全球地表温度变化周期性及相关性分析

本文采用SIDC提供的1750~2016年逐月和1700~2016年逐年的太阳黑子观测资料,利用小波分析研究太阳黑子数变化的周期性。结果表明,太阳黑子数变化存在11和116 a的显著周期以及22和55 a的局部显著周期。最小二乘拟合分析表明太阳黑子周期的振幅与小波功率谱呈正比关系,11 a振幅最大。同时在1700~2016年间,太阳黑子以每年0.08个单位的速度增长。此外,全球地表温度变化存在22和64a的显著周期。1880~2016年太阳黑子数与全球地表温度的小波相干性分析结果表明,太阳黑子数变化对全球地表温度变化的作用主要体现在22 a周期上;太阳黑子数变化超前全球地表温度变化约3.6 a。

全球地表覆盖精细分类关键技术研发

收集了全球5个典型区域1980年、1990年、2013年的30m Landsat系列影像数据集,对其进行了几何纠正、图像增强等基本处理;收集了典型区域的野外考察资料和参考数据;利用马尔科夫随机场融合空间上下文信息、降尺度NDVI时序数据生成技术发展了一套基于遥感信息变化自动检测与一级类更新技术;基于多源遥感数据的光谱、时相和纹理信息以及生态、气候地理分区等辅助信息,发展多源遥感信息与地学知识复合应用的地表覆盖二级类信息分类技术方法;面向地表覆盖精细化制图的网络化检核和验证需求,研究了异质数据的服务化集成技术。

全球地表气温日较差长期趋势的演化特征

基于多维集合经验模态分解方法,利用CRU全球地表气温日较差、最高气温和最低气温资料,开展对1951~2019年全球地表气温日较差长期趋势的演化研究。结果表明:全球地表气温日较差主要呈现下降趋势,并以北半球中高纬度地区为甚,空间差异性较大。全球地表最高气温和最低气温的长期演化趋势则主要表现为上升,且最低气温更为剧烈。从纬向平均的角度看,全球地表气温日较差长期趋势主要存在五条负值带,降低趋势在北半球逐渐加强,并存在与之相伴随的冷舌,而在南半球呈先增强后减弱的特征。由瞬时演化速率可知,全球地表气温日较差长期趋势下降的速率整体上趋于减缓,并于后期在澳洲北部、地中海沿岸以及南美洲南部等地转为上升趋势。

全球地表气温对CO_(2)浓度变化的非对称响应:能量平衡模式研究

气候系统属性可影响二氧化碳(CO_(2))浓度变化背景下全球地表气温演变的非对称性,但目前仍不清楚哪些属性的贡献相对关键。因第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)试验样本不足,基于45个CMIP6模式数据,逐一构建了快速、再现能力理想的两层能量模型,共开展了391组试验。该模型试验结果显示,在对称的CO_(2)浓度上升和下降演变下,平衡气候响应、深海热容量和海表—深海热传输系数对全球地表气温演变的非对称性起主要贡献,它们主要通过改变CO_(2)浓度下降期全球地表气温达峰后的降温速度来实现。因此,加深对气候系统平衡气候响应、深海热容量和海表—深海热传输系数的理解,有助于更科学地实现巴黎协定目标。

基于全球地表水数据的长沙市湿地景观动态变化研究

【目的】探究长沙市1999—2019年湿地景观的时空演变规律,综合分析长沙市湿地景观格局的动态变化特征,以及自然、人为因素对湿地景观格局的影响机制,为长沙市湿地资源的保护与合理利用提供理论依据。【方法】基于全球地表水数据(GSWD),结合气象、水文等数据,采用湿地分布信息提取、湿地类型划分和景观格局指数的方法,针对湿地季节性和波动变化特征,对长沙市1999—2019年湿地景观格局的动态演变情况进行长期且连续的监测,分析其长时间尺度的演变趋势以及短期的波动变化特征。【结果】(1)1999年以来,长沙市湿地面积持续增加,其中,永久性河流是长沙市的主要湿地类型。2007—2009年,长沙市湿地景观发生了较大的变化,主要表现为2008年前永久性河流、湖泊分别向季节性河流、湖泊转化,2008年后出现逆转。2017年以前,长沙市湿地景观格局破碎化程度不断加剧,2017年之后开始逐渐恢复。(2)在自然因素中,长沙市湿地面积受降水和湘江径流量影响较大;在人为因素中,人口的增加和粗犷的社会经济发展模式,会间接导致景观格局破碎化加剧,但政府政策和措施对湿地修复具有强制性作用。【结论】基于全球地表水数据提取湿地信息具有可行性;长沙市湿地面积持续增加,永久性河流及其周边是主要湿地类型。研究结果可为长沙市湿地资源的保护与合理利用提供重要参考。

滇金丝猴分布区景观格局现状分析——基于全球30m地表覆盖数据

以滇金丝猴分布区域为研究对象,对各个猴群栖息地景观格局现状进行分析。运用景观生态学方法和全球30m地表覆盖数据,结合Arc GIS10.0空间分析技术和景观格局分析软件Fragstats 3.4,计算出14个景观生态学指标。结果表明:1森林、灌丛、草地是滇金丝猴分布区内最重要的三类景观要素,且受到的破坏程度大于其他景观要素;2南面猴群栖息地受到人类活动干扰强度大于北面;3在15个猴群栖息地中,G6(茨卡通)和G 11(金丝厂)的生境破碎度最严重。为确保猴群基因交流的顺畅性和遗传的多样性,应优先对破碎度较严重的景观要素和栖息地进行生境恢复和廊道建设。

基于GlobeLand30的全球城乡建设用地空间分布与变化统计分析

城乡建设用地分布与变化是人类活动的直观标志和生态足迹,在环境变化研究、地理国(世)情监测和可持续发展研究等方面发挥着重要作用。以往人们对一些城市、区域或国家的城乡建设用地分布与变化进行过较为深入系统的研究,但在全球尺度上,这方面研究尚为空白。本文是利用我国自主研制的世界上首套30m空间分辨率全球地表覆盖数据集GlobeLand30的人造地表数据层,首次开展了全球城乡建设用地的空间分布及变化的统计分析。它采用用地面积、构成占比和增量占比等主要指标,统计全球范围内城乡建设用地的空间分布及2000年至2010年10年间的变化,重点分析了2010年全球、各大洲及主要国家的城乡建设用地分布现状与地域差异,2000年至2010年全球、主要国家的建设用地变化以及其主要土地来源。研究结果表明,2010年全球城乡建设用地总面积为118.75×104km2,占全球陆表面积的0.88%;2000年至2010年全球城乡建设用地面积增加了5.74×104 km2,变化率为5.08%,其中,中国和美国新增城乡建设用地约占全球的一半;新增城乡建设用地占用最多的是耕地,占总量的50.26%。这些为研究全球陆表人类活动的空间分布特征与变化趋势提供了翔实的信息和知识。

基于地质大数据技术对云南土壤重金属地质高背景区的划定

为系统研究云南省土壤重金属地质高背景区的分布范围及超标元素,以全省1∶20万水系沉积物重金属元素含量数据和区域地质图为基础,采用GIS空间分析功能,并利用昆明、玉溪、昭通等地区的土壤重金属数据进行验证,确定云南省土壤重金属含量值超农用地筛选值的地质单元61个,占全省国土面积的21.09%,其中位于地质高背景区的耕地面积约284.41万公顷,占全省国土面积的7.22%;影响土壤重金属超标的岩性主要为碳酸盐岩、基性—超基性火山岩、中基性侵入岩、含煤碎屑岩和含基性组分碎屑岩;地质高背景区超标重金属元素主要为Cu、Cr、Ni、Cd,而As主要于碳酸盐岩地层中存在超标风险,Pb、Zn仅于个别地层中存在超标风险,Hg基本无超标风险。

重力卫星数据反演地表质量变化的点质量模型法研究进展

利用多代重力卫星观测数据监测全球质量变化,使人类对全球物质迁移和环境变化有了更加深刻的认识和理解。由于卫星星载仪器精度和分辨率的限制以及建模误差等多种因素的影响,利用重力卫星数据解算的全球质量变化模型受到条带误差的影响,广泛采用的滤波平滑手段虽然可以对其削弱,但同时会引起更严重的信号泄漏问题。为了克服这些问题,并进一步提高重力卫星数据解算地表质量变化模型的时空分辨率和精度,许多学者基于牛顿万有引力定律发展了点质量模型法,该类方法直接建立地表质量变化参数与卫星受摄运动的关系,并采用约束矩阵处理条带误差和向下延拓产生的不适定问题。综述了点质量模型法的研究进展,详细梳理了不同点质量模型法的基本理论和方法,分析了不同约束矩阵的构建策略和特点,简要总结了点质量模型法的后处理方法,以期能为点质量模型法的后续发展和研究提供参考。

全球30m地表覆盖遥感制图的总体技术

针对全球30m分辨率地表覆盖遥感制图这一世界性难题,提出了以多源影像最优化处理、参考资料服务化整合、覆盖类型精细化提取、产品质量多元化检核为主线的总体研究思路,研发了影像几何与辐射重建、异质异构服务化集成、对象化分层分类、知识化检核处理等主体技术方法;用于制定了相应数据产品规范、生产技术规范,研发了多项生产型软件,用于研制了2000和2010两个基准年的全球30m地表覆盖数据产品,将空间分辨率提高了1个数量级。

顾及城乡差异的大区域人口密度估算——以山东省为例

现有大区域人口密度估算结果大多是在千米级尺度上,仅能宏观地反映城乡人口分布的范围,无法准确地刻画城乡人口空间分布的细节特征。本文将首套30m全球地表覆盖数据(GlobeLand30)引入城乡人口密度估算中,基于实现城乡划分的GlobeLand30人造地表数据,在城镇区域运用夜间灯光强度与人口的相关性将城镇人口细划到30m尺度上来估算城镇人口密度;在乡村区域引入样方估算的方法修正乡村居民地面积以估算乡村人口密度。以山东省为试验区的研究表明,本文方法无论在城乡居民地刻画还是人口空间分布的表达上均优于参考数据,所使用的GlobeLand30的全球性也保证了该方法推广的可行性。

全球30 m分辨率人造地表覆盖数据集(2010)的内容与研发

全球30 m分辨率人造地表覆盖数据集(2010)是国家基础地理信息中心领衔的团队自2009-2014年研发的数据集。该数据集是全球30 m分辨率土地覆盖数据集(2010)的一部分,是反映人类居住、工矿、商业、交通等用地类型和人类生活场所、操作空间和工程的载体的数据集。人造地表覆盖类型的空间分布客观地反映了人类社会的资源配置、产业布局和经济状况。本文论及的数据集依托全球地表覆盖遥感制图项目,包括9,907景美国陆地资源卫星(Landsat)TM5、ETM+多光谱影像数据和2,640景环境减灾卫星(HJ-1)多光谱影像数据。在基于卫星遥感数据基础上的土地覆盖分类信息提取过程中,人造地表覆盖类型的识别和信息提取是最复杂的。其主要原因是人造地表覆盖多以复合像元、镶嵌交错、零碎分散等方式布局。全球30 m分辨率人造地表覆盖数据集(2010)的研发是根据人造地表覆盖在卫星遥感影像上反映的光谱、形态特征的多样性和复杂性,综合利用现有的分类技术,将像元分类器、对象分割和知识化判别有机结合,采取了基于"像元-对象-知识"的POK(Pixel-Object-Knowledge)分类方法完成。该数据经过部分地区的抽样检验,全部数据8 GB。为了便于用户获取和网络共享,数据集采用分幅方式组织数据文件。分幅规则为在南北纬60°区域内按照5°(纬度)×6°(经度)分幅,计674个数据文件组;在北纬60°至80°区域内,按照5°(纬度)×12°(经度)进行分幅(南极大陆没有包括在内),计76个数据文件组。按奇数6°带的中央经线进行投影。全球数据总计分成750幅,即组成750个数据文件组,每个数据文件组包含了4个数据文件,它们分别是:(1)实体数据文件(Geo TIFF栅格数据格式);(2)坐标信息文件(TIFF WORD格式);(3)分类基础影像接图表文件,记录分类所用的主要影像每景范围及获取时间的矢量图层文件(Shapefile格式);(4)元数据文件(XML格式)。此外,数据集中包括一个附件数据文件,该文件列出759个数据文件组包括的数据文件名称、对应的地理坐标和分带编码等信息。全球变化科学研究数据出版系统和天地图系统提供开放、公益性下载服务。

二维能量平衡模式中大气温度对二氧化碳增温效应的响应

利用一个考虑了辐射能传输的二维能量平衡气候模式,解析地分析了二氧化碳浓度改变后冰界纬度的变化,得到了冰界纬度随CO_2浓度变化的关系以及全球平均温度的变化曲线。结果表明,当CO_2浓度由工业革命前的280×10^(-6)增加到700×10^(-6)时,冰界仅后退(北半球向北)几个纬度;当CO_2的浓度继续增加时,冰界纬度会加速向极地退缩,直至出现全球无极冰覆盖的现象。同样地,当CO_2浓度由280×10^(-6)增加到700×10^(-6)时,全球地表平均温度虽然在增加,但增加的速率很小,并且增加的速率在减小,而当大于700×10^(-6)之后,温度增加的速率会快速增大,温度将加速上升。对不同反照率进行敏感性试验,发现当反照率从0.1到0.32时,结果并没有显著地改变,即结果对反照率的变化并不敏感。这一计算结果表明,在目前的状态下,由CO_2引起的增温作用似乎处于变化很小的准饱和状态,即目前气候不会因为CO_2浓度的增加而迅速变暖。较为实际的情形可能是大气温度在缓慢增加到一定程度后才会迅速升高。这并不意味着可以忽视CO_2的增温效应,因为根据计算结果,这个临界值大概在700×10^(-6)左右,当CO_2浓度增加到超过临界值之后,气温会剧烈上升,气候将会处在一个非常温暖的阶段。

基于知识的GlobeLand30耕地数据质量检查方法与工程实践

全球地表覆盖数据产品Globe Land30研制的一项重要任务是设计和研发数据质量检查方法,降低地表覆盖10大类型分类提取的错判率与漏判率。本文以耕地为例,分析了影响全球耕地信息提取的主要质量因素,凝练了耕地的地域分布、人文相关知识、时空稳定性、物候特征等方面的知识,构建了基于知识的数据质量检查规则,设计了由整体到局部、分区域检查与修改交互式处理的策略,形成了一种基于知识的全球耕地数据质量检查方法;并利用该方法开展了Globe Land30耕地数据质量检查,将耕地数据精度提高到了83.06%。该方法对地理国情及其他地表覆盖研究具有借鉴意义。

GlobeLand30湿地细化分类研究

基于30 m地表覆盖数据产品完成湿地精细化分类,能够更好地满足当前较高分辨率及较详尽全球湿地数据的应用需求。本文在深入分析湿地分类体系与细化方法的基础上,提出以湿地细化类别的定义、多元知识的分层分类、亚类数据精细化提取为主线的总体研究思路,制定了基于先验知识的对象系统筛选、基于森林数据的同位像元提取、基于最佳阈值的极大似然掩膜的主体分类方法,并应用于数据生产实践获得8个亚类信息。该方法克服了常规手段普遍存在的周期长、效率低等弊端,实现了全球较高分辨率湿地亚类数据的快速精确制图,总体分类精度达82.6%,对地理世情及其他地表覆盖研究具有借鉴意义。