基于地理加权随机森林的黑龙江省森林碳储量遥感估测

【目的】构建地理加权随机森林(Geographically weighted random forest,GWRF)模型估算森林碳储量以解决区域尺度范围内森林碳储量估算精度不高的问题,对科学经营管理森林、推动碳循环和碳汇相关研究、实现我国“双碳”目标有重要指导意义。【方法】以黑龙江省小兴安岭、长白山地区森林植被碳储量为研究对象,基于2015年森林资源连续清查数据和Landsat8-OLI影像,采用普通最小二乘(Ordinary least squares,OLS)、随机森林(Random forest,RF)模型、地理加权回归(Geographically weighted regression,GWR)模型以及地理加权随机森林模型分别构建不同林型及总体(不分林型)的森林碳储量估测模型,比较是否区分林分类型时,不同模型预测精度之间的差异,实现对研究区森林碳储量的精准反演。【结果】1)各个模型在区分林型时的预测精度均高于总体(不分林型)情况,以GWRF模型精度最优,其中针叶林精度最高(R^(2)=0.58,RMSE=15.97 t/hm^(2));阔叶林次之(R^(2)=0.46,RMSE=17.66 t/hm^(2));针阔混交林随后(R^(2)=0.45,RMSE=19.51 t/hm^(2));总体(不分林型)最低(R^(2)=0.40,RMSE=20.22 t/hm^(2))。2)4种模型的检验精度GWRF>RF>GWR>OLS。与OLS相比,GWRF在针叶林、阔叶林、针阔混交林和总体(不分林型)中提升的ΔR^(2)分别为0.15、0.09、0.16和0.04;降低的ΔRMSE分别为2.09、1.35、3.47和0.89 t/hm^(2);与RF相比,GWRF提升的ΔR^(2)分别为针叶林0.14、阔叶林0.06、针阔混交林0.04、总体(不分林型)0.02;降低的ΔRMSE分别为针叶林1.95 t/hm^(2)、阔叶林0.86 t/hm^(2)、针阔混交林0.67 t/hm^(2)、总体(不分林型)0.29 t/hm^(2)。3)研究区森林碳储量密度最高预测值为77.08 t/hm^(2),最低值为5.24 t/hm^(2),平均值为41.07 t/hm^(2),总量为552.04 Tg;从空间上看,森林碳储量高值分布在小兴安岭东南部、张广财岭等地区,呈现斑状不均匀性分布。【结论】相比于其他3种模型,GWRF作为局部模型,考虑到空间异质性,在区域尺度范围内估测森林碳储量有较好的应用前景。区分林分类型能提高预测精度,在今后对森林生物量或碳储量的研究中,应考虑区分林分类型建模。本研究的模型和方法有一定适应性,可为森林资源的快速和精准监测提供方法借鉴。

一类变系数空间滞后的混合地理加权回归模型

为解决因变量空间滞后存在的局域性问题,对现有常系数空间滞后的混合地理加权回归模型作了具有更广泛形式的拓展,提出一类变系数空间滞后的混合地理加权回归(MGWR-VSLR)模型。MGWR-VSLR模型实现了空间相关性与空间异质性融合,涵盖了绝大多数地理加权回归的模型形式,基于重构参数化方法和似然比检验分别给出模型的系数估计方法与显著性检验以及选取变系数的判别检验。在蒙特卡罗模拟与实际应用中,MGWR-VSLR模型均表现出优异的因变量拟合与预测能力。MGWR-VSLR模型的提出为定量化研究空间效应问题设定适宜的模型形式提供了支撑依据。

基于地理加权随机森林的长三角PM_(2.5)建模

采用随机森林(RF)和地理加权随机森林(GWRF)对长三角地区2003~2019年的PM_(2.5)浓度及其驱动因素数据进行训练、校验与测试,并探讨它们之间的关系.结果表明:(1)相比RF模型,GWRF模型对PM_(2.5)浓度的训练和预测更优,其各项模型评估指标均优于RF模型,且GWRF模型残差的空间自相关性更低.(2)GWRF模型预测2019年PM_(2.5)浓度分布优于RF模型,与实际观测浓度分布基本一致,但两个模型均存在北部高估南部低估的情况,且高估区域大于低估区域.(3)RF模型在研究PM_(2.5)浓度分布最重要且显著的驱动因子方面是全局性的,而GWRF模型得到干旱、气温、温差、风速以及人类干扰对PM_(2.5)分布的影响是局部性的.在大尺度下,这种局部性的效应对于PM_(2.5)精细化防控更具实际性的指导意义.此外,在全球气候暖干化和区域气候空间异质性的背景下,把干旱融入PM_(2.5)预测并建立具有局部效应的模型有助于环境监管机构及决策者制定防控措施.

城市更新对地方政府债务影响的时空异质性分析--基于时间地理加权模型

本文使用2011年—2021年全国除港澳台及西藏自治区外30个省(区、市)的面板数据,选择城乡社区公共设施支出和保障性安居工程支出作为目前城市更新主要支出指标,采用时间地理加权模型(GTWR)分析城市更新对地方政府债务影响效应的时空异质性,得出结论如下:从全局看,城市更新会推动地方政府债务规模的扩张;在时间上,公共基础设施的更新建设对地方政府债务规模的扩张作用逐年减弱,保障性安居工程的影响存在先收缩后扩张、波动上升的变化趋势;在空间上,公共基础设施的更新建设对地方政府债务规模的扩张作用由南向北递增,由东向西递减,保障性安居工程对地方政府债务的影响效应则相反,呈现出由东向西递增的趋势,且从整体上看,经济相对欠发达地区比经济发达地区的扩张作用强,收缩作用弱,扩张作用减弱的更慢,减弱期持续时间更短。

基于多尺度地理加权回归模型的城市住宅价格影响因素空间异质性——以桂林市主城区为例

基于桂林市2022年10月二手房价格数据,结合多尺度地理加权回归(multi-scale geographically weighted regression,MGWR)模型,分析不同尺度下城市住宅价格影响因素的空间异质性。结果表明:(1)桂林市住宅价格呈显著空间自相关,局部空间自相关结果表明,桂林市住宅价格空间呈显著的集聚分布,以“高-高”和“低-低”集聚为主,“高-低”和“低-高”集聚范围较小;(2)相较于普通最小二乘法(ordinary least squares,OLS)和地理加权回归(geographically weighted regression,GWR)模型,MGWR模型的R2更高,能更准确地测度变量对住宅价格的影响程度和空间差异性;(3)住宅房龄、教育医疗和商务设施为全局变量,绿化率、公共交通设施、铁路设施配套、生活配套和旅游景点的空间异质性处于中等水平,对外交通设施的空间异质性较大,在局部范围内对住宅价格有显著影响且差异明显;(4)住宅房龄、生活配套和旅游景点对住宅价格具有负向影响,教育医疗和商务配套对住宅价格具有正向影响,其余变量在不同空间区位上对住宅价格表现出抑制或增值作用。

地理加权机器学习模型在单木地上碳储量估测中的应用

2021年7—8月份,在陕西省延安市黄陵县双龙林场,以栎类次生林为研究对象,设置21块20 m×30 m的固定样地,调查样地内胸径5 cm及以上所有乔木树种种名、胸径、树高、株数、冠幅、第一活枝高等因子以及样地内每株乔木的坐标等数据;依据对21块样地调查的数据,以单木地上碳储量为评价指标,以林分因子、单木因子、立地因子为影响因素,分别构建普通最小二乘模型(OLS)、地理加权回归模型(GWR)、地理加权随机森林模型(GRF)、地理加权神经网络模型(GWANN),对研究区的单木地上碳储量进行模拟估测;采用决定系数、均方根误差、平均绝对误差对4种模型的拟合效果进行评价,利用全局莫兰指数检验4种模型残差的空间自相关性,分析地理加权机器学习模型在处理林木空间非线性关系方面的应用。结果表明:使用地理加权的模型,拟合效果明显优于普通最小二乘模型,其中地理加权神经网络模型的拟合效果最好(决定系数为0.980、均方根误差为0.169,平均绝对误差为0.119)。普通最小二乘模型和地理加权回归模型的残差,表现出明显的自相关性;地理加权随机森林模型和地理加权神经网络模型的残差,则表现为随机分布。3种使用地理加权的模型(地理加权回归模型、地理加权随机森林模型、地理加权神经网络模型)大幅度降低了模型的残差自相关性,减少了残差空间上聚集分布情况的出现。综合分析研究结果,与地理加权回归模型相比,地理加权随机森林模型和地理加权神经网络模型2种地理加权机器学习模型,能够更好地反映单木地上碳储量与各影响因素间的复杂关系,预测单木地上碳储量的效果更好,具有良好的应用潜力。

基于地理加权回归的吉林省微波土壤水分降尺度研究

微波遥感是土壤水分监测的重要手段,但微波遥感土壤水分产品的空间分辨率较低,难以满足区域尺度的应用需求。使用地理加权回归模型,以1 km MODIS产品的遥感地表温度(LST)和归一化植被指数(NDVI)作为辅助数据,将空间分辨率为9 km的SMAP被动微波土壤水分数据降尺度为1 km,利用吉林省地面实测土壤水分数据,对降尺度后的SMAP数据进行了精度验证。结果表明,该降尺度方法在吉林省适用性较好,降尺度结果与SMAP数据在空间分布上保持了较高的一致性,小幅度提高了SMAP数据的精度,显著提高了SMAP数据的空间细节和纹理特征。

矿区生态监测的地理加权遥感生态指数构建及评价

矿区生态是陆地生态系统的重要组成部分,准确监测矿区生态对保护生态环境、维持生态平衡具有重要意义。遥感技术为矿区生态监测提供了有效手段,针对遥感生态指数(remote sensing ecological index,RSEI)在矿区生态监测中存在监测精度低、针对性弱和指标权重空间上均一化问题,该研究对RSEI进行了改进。首先,考虑矿区特殊的生态成因,在绿度、热度、湿度、干度的基础上加入煤尘污染因子构成矿区遥感生态指数;然后,利用地理加权主成分分析法确定各指标的空间权重,构建了地理加权遥感生态指数(geographically weighted-remote sensing ecological index,GWRSEI);最后,以山西省大同煤田为例,基于多期遥感影像对GW-RSEI在矿区生态监测中的有效性、适用性进行了验证。结果表明:GW-RSEI能准确捕捉矿区大气中的煤尘污染,从整体和局部尺度实现了矿区生态的精准监测,有效提高了矿区生态监测的精度;地理加权主成分分析法能够明确表征矿区生态的空间异质性和生态环境变化的空间连续性;2000—2020年大同煤田的GW-RSEI均值分别为0.51、0.48、0.46、0.59、0.56,整体生态环境经历了先恶化后改善的过程,其东南部生态环境变化趋势与整体一致,而西北部生态环境呈现先改善后恶化的变化趋势。研究成果为准确监测矿区生态提供了一种更加科学、有效的方法。

耦合地理加权与随机森林的地表温度降尺度

针对当前主流地理加权地表温度降尺度算法仅考虑地表温度(land surface temperature,LST)与尺度因子间线性或简单非线性关系的问题,提出了一种利用随机森林表征复杂非线性关系并与GWR耦合(geographically weighted random forest model,GWRF)的LST降尺度框架。GWRF降尺度框架从反射率、光谱指数、地形因子等多种尺度因子中筛选出最佳因子,利用地理加权随机森林方法建立LST与尺度因子间复杂的局部非线性关系,实现1000 m LST降尺度到100 m。以北京和张掖地区作为实验区,并与地理加权回归、非线性地理加权回归、随机森林回归模型进行比较。研究发现,基于GWRF的降尺度模型在所有研究区均表现良好,均方根误差和平均绝对误差均低于其他模型,并且具有更高的决定系数R 2。

基于地理加权回归模型的凉水自然保护区红松空间分布分析

依据凉水国家级自然保护区的671块随机样地的标准地调查数据及landsat9遥感影像,分别建立以最小二乘为基础的泊松回归(Poisson)模型、逻辑斯蒂回归(Logistic)模型和高斯回归(Gaussian)模型3种全局模型,以及以地理加权回归模型(GWR)为基础的地理加权泊松(GWPR)模型、地理加权逻辑斯蒂(GWLR)模型和地理加权高斯(GWGR)模型3种局部模型来预测凉水国家级自然保护区的天然红松分布情况。结果显示,对该地区天然红松分布影响最为显著的因子为坡度和海拔;通过对比全局模型和GWR模型的残差空间相关性发现,GWR模型能够产生更为理想的模型残差,模型残差的空间相关性明显小于全局模型,因此,可以使用GWR模型来解决样地间存在的空间异质性问题,有利于提高红松分布的预测精度;全局模型和GWR模型均有不错的拟合效果,但GWR模型的各个评价指标要优于全局模型,拟合结果更好;天然红松在凉水国家级自然保护区的北部分布最多,在中间条状带区域分布最少。研究结果可为大区域森林经营中的天然红松分布估测提供理论依据。

空间多观测样本的地理加权回归模型

地理加权回归(GWR)以及GWR改进模型无法处理空间点上多个观测样本的情况,本文对GWR进行了拓展,构建了一种可以处理多观测样本的地理加权回归模型(MRGWR)。MRGWR在估计回归系数时,充分利用了回归关系在邻近点上具有相似性的特点,对邻近空间点的观测样本施加不同权重。通过数值实验评估了MRGWR的估计性能,并与普通最小二乘回归和GWR模型进行了比较。采用MRGWR模型探究了物理海洋学中海洋中尺度涡旋热反馈问题,揭示了北太平洋中尺度海面净热通量异常对中尺度海面温度(SST)异常的响应关系。研究结果表明,中尺度海面净热通量异常对中尺度SST异常的响应关系存在显著的季节和空间变化。

异方差混合地理加权回归模型的正交投影估计

文章针对误差项存在空间异方差的混合地理加权回归模型,提出了一种新的估计方法。该方法将正交投影、局部线性估计和广义最小二乘估计的思想相结合,能够单独对模型中的常数系数、系数函数和方差函数进行估计。通过数值模拟对所提方法的性能进行验证。模拟结果表明,所提方法比现有的再加权估计方法更具优势。最后,基于城镇居民文化消费水平及其影响因素的实证分析验证了所提方法的实用性。

时空可达性视角下公共服务设施对住宅价格的影响——基于多尺度地理加权回归(MGWR)的研究

城市住宅价格由多种因素共同作用决定。住宅的建筑特性能够决定其基本价值,但不同的区位条件也会使住宅价格产生差异。区位差异带来的交通、教育、医疗、休闲娱乐等服务的不同,会影响居住便利性,从而影响住宅价格。因此,研究到达公共服务设施的便利程度对住宅价格的影响,能够揭示住宅价格波动的内在规律,为城市规划和政策制定提供依据。文章研究了南京市6个老城区和2个新城区住宅价格的空间分异特征及其影响因素。通过收集2024年1月各小区的平均住宅价格,运用克里金插值法分析住宅价格的空间特征,再用网络分析法计算住宅到各类公共服务设施的最短时间,将住宅属性和通行时间成本纳入MGWR模型来探究公共服务设施可达性对房价空间分布的影响。研究结果表明:(1)南京市住宅价格由市中心向郊区递减,呈现圈层状分布,峰值出现在鼓楼区、玄武区和建邺区;(2)住宅容积率、小区绿化率、到达最近公园、公交车站、购物中心、火车站和三级甲等医院的时间对住宅价格有显著影响;(3)相同因素在不同城市空间对住宅价格的影响存在差异。

地形因子影响典型气候带植被指数的定量归因——基于地理探测与地理加权视角

对不同气候带地形因子影响归一化植被指数(NDVI)的变化进行分析研究,对于探索水土灾害、生态研究以及区域环境质量等具有重要价值。以我国7个典型气候带下的县域范围为例,基于Landsat 8遥感数据与DEM数据,从地理探测器与地理加权回归视角,探索中国典型气候带的小区域范围尺度下地形因子与NDVI变化的关系与规律。研究表明:(1)NDVI排名为:漠河市(北温带)>白沙黎族自治县(中/北热带)>浦北县(南亚热带)>鲁甸县(南亚热带)>方山县(南温带)>贵德县(高原气候带)>巴林左旗(中温带)。(2)地形因子对植被指数的解释力排名为:坡向因子<坡度因子<高程因子,地形因子之间大部分不存在显著性差异,不同研究区的地形因子对NDVI的影响并非简单独立,而是通过非线性增强的过程来起作用。(3)地形因子的局部拟合空间格局与植被覆盖空间分布格局相似,地形对植被的空间分布有着重要影响。(4)根据调整拟合优度,各研究区地形因子与植被的拟合度排名为:贵德县>方山县>白沙黎族自治县>浦北县>漠河市>鲁甸县>巴林左旗,地形因子对植被指数拟合程度随地域变化存在显著差异。

基于迪氏指数分解与地理加权回归的长三角碳排放研究

温室气体的排放在一定程度上阻碍了中国经济的可持续发展,研究碳排放的空间特征与影响因素对于“双碳”目标的实现有重要意义。文章基于迪氏指数分解法与地理加权回归模型,研究长三角城市群的碳排放空间分布特征与影响因素,以期为长三角实现高质量发展提供参考。研究结果表明,长三角城市群的碳排放量呈现西北沿海地区高于东南沿海地区高于未沿海地区的空间特征,主要受人口规模、经济发展、能源消费结构、能源消费强度的影响,碳排放量的增速与城市的经济、工业、人口等密切相关,减少使用化石能源能有效降低碳排放。

基于时空地理加权回归模型的南宁历史城区活力影响因素研究

本文以南宁历史城区为研究对象,通过基于多源数据的定量测度方法,描述活力时空变化特征,筛选活力影响因素指标,并构建时空地理加权回归模型,从时间和空间两个维度讨论指标对历史城区活力的影响。回归模型结果显示:街道环境、功能业态和交通可达性对历史城区活力的影响有时空异质性。可步行性、餐饮、文化休闲和生活住宿密度与历史城区活力呈正相关。餐饮、生活住宿、购物、医疗保健密度和距公交站点距离对工作日的活力影响程度更为显著,而在周末,可步行性、天空视率、绿视率和行政办公密度对活力的影响程度更强。最后提出了提升历史城区活力的规划设计启示。

成分数据的变系数地理加权空间滞后模型

针对已有模型无法刻画面类型空间依赖下成分数据的空间异质性,提出模型参数可变的成分数据空间自回归模型。通过假定空间滞后参数、成分型系数、数值型系数为位置坐标的函数,允许空间效应和变量关系在全局空间上非均匀分布。基于等距对数比(ilr)变换、工具变量法和局部线性地理加权法,对模型参数进行估计。数值模拟实验表明:所提出模型的表现优于已有的成分数据空间自回归模型,并且参数估计量是有效的。基于一组实际数据,说明所提模型的实用性。

中国代际流动形成机制的空间异质性——基于地理加权回归模型的实证研究

本文以中国综合社会调查(CGSS)多年度数据中的73个样本城市为例,分析中国代际流动形成机制的空间异质性。通过构建代际地位关联度来表示代际流动水平,利用地理加权回归模型(GWR)探索各社会结构因素在不同地区对代际流动的影响差异,发现我国代际流动形成机制具有明显的空间异质性。具体而言:第一,工业化水平、收入差距、社会福利水平是影响代际流动的主要因素,但在不同城市中,上述因素的影响程度,甚至影响方向会发生变化;第二,决定不同地区代际流动水平的主导因素各不相同,必须因地制宜,采取针对性的空间治理举措。

武汉市主城区建成环境对街道活力影响的时空特征----基于多尺度地理加权回归

探究建成环境对街道活力的影响效应是城市公共空间品质提升的关键。文章以武汉市主城区为例,首先基于人口热力数据测度多时段街道活力,其次利用街景数据、POI数据及OSM路网数据构建基于宏观街区构成和微观街道特质的多维度建成环境指标体系,最后引入多尺度地理加权回归模型探讨不同建成环境对街道活力影响的时空差异。结果表明:(1)时间上,武汉市主城区内中高活力街道在9:00-18:00间整体占比最多。空间上,街道活力在各时段整体呈“东核西带、多点聚集”分布。(2)基于宏观街区构成的二维建成环境对街道活力的影响整体较微观三维街道建成环境更为明显。(3)各建成环境要素对街道活力影响的时空异质性显著。距娱乐休闲设施最近距离和围合度对街道活力的影响整体具有稳健的时空变化特征,接近度、功能混合度、功能设施密度和天空开敞度次之,距综合商场最近距离、街道高宽比和交通安全设施占比则表现了明显的时空局部显著效应。

基于时空地理加权协同区位商的犯罪时空关联模式研究

犯罪是典型的时空事件数据,各类犯罪事件在时空上存在相互影响和相互关联的关系。为挖掘不同犯罪事件的时空关联,利用时空地理加权协同区位商模型,分析了英国曼彻斯特各个城市犯罪时空关联模式的总体特征和局域空间关联。结果表明,在全局特征上,各城区同类犯罪在时空上均表现出不同程度的聚集模式,不同类犯罪之间的相互时空关联关系存在显著差异;在局部特征上,自行车盗窃和抢劫在各城区分布模式的时空异质性较小,而毒品和个人盗窃在各城区的时空异质性较大。研究成果有助于治安管理部门重点监控犯罪行为和合理部署警力资源。