末次冰期东海嵊山岛黄土粒度端元分析及其环境意义

【目的】东海岛屿晚更新世风尘黄土堆积是我国黄土在东部长三角及外延海域重要的拓展,深化这一区域风尘黄土沉积的物源特征和后期演化问题研究,对于认识晚更新世区域古环境变化尤为重要。【方法】在OSL测年和磁化率测试基础上,基于东海岛屿典型风尘黄土剖面(嵊山岛黄土)的粒度分析,开展了粒度组成的端元分析,探讨了其蕴含的古环境信息。【结果与结论】嵊山岛黄土沉积可提取出3个粒度端元(EM1~EM3),进一步分析发现EM1可能代表通过高空西风气流传输的远源黏粒组分,EM2可能代表以浮尘形式远距离悬浮搬运并随风力减弱而沉降堆积的细粉砂组分,EM3可能代表冬季风驱动下的近地表短距离搬运堆积的粗粉砂组分。粒度端元分析结果表明,高空西风输送的黏粒端元组分和远距离悬浮运移的浮尘端元组分可能是沉积剖面主要粉尘来源;综合年代学结果、百分频率磁化率和颗粒中值粒径等参数分析,认为东海嵊山岛黄土沉积过程在MIS3阶段先后经历暖湿—冷干—暖湿的旋回波动;并且,所记录的MIS3阶段气候波动以及MIS2阶段末次冰盛期和冰消期的古环境变化同深海氧同位素和古海平面变化趋势相对应,说明东海陆架区域该时期环境演变与全球性气候波动相协同。

长江武汉段天兴洲低滩沉积物粒度端元对河流-风成沙丘沉积环境的指示意义

河床沙波向风成沙丘演变的过程具有特殊的沉积动力机制。笔者等以68份长江武汉段天兴洲洲头低滩沉积物的粒度分布数据为例,利用端元分析方法从每个粒度分布中分离提取4个粒度端元组分(EM1、EM2、EM3和EM4),探讨了河流—风成沙丘不同沉积环境中粒度端元的异同。研究结果表明:EM1和EM3组分在粒度分布中占比与沉积物粒度中值分别呈较好的线性正相关和负相关;河流沉积物主要由EM1、EM2和EM3组成的跳跃方式搬运,对应滚动次总体的EM4组分占比5%~10%,少悬浮搬运;风成沙纹沉积物主要包括两段跳跃次总体,以EM2组分为主、EM1和EM3组分为辅,少EM4组分;沙丘背风面沉积物主要靠颗粒流顺坡滑塌,以EM2组分为主、EM1和EM3组分为辅,含占比约为5%的EM4组分;未被风成沙纹覆盖的沙丘波谷沉积物记录了河流和小型滞水洼地的沉积特征,代表滚动次总体的EM4组分占比7%~15%,悬浮次总体占比可达20%。本文提取的沉积物粒度端元为弱风环境中河道内局部小型河流—风成沙丘的沉积环境和演化过程研究提供了参考。

基于HySime算法的端元个数估计

基于最小误差的高光谱信号识别(hyperspectral signal identification by minimum error,HySime)是一种估计高光谱端元个数的算法,该算法首先使用多元回归估计信号和噪声相关矩阵,然后使用信号相关矩阵的特征向量子集来表示信号子空间。为了科学评估HySime算法,分别对不同信噪比的高斯白噪声、高斯有色噪声模拟高光谱数据以及马蹄湾村真实高光谱数据的端元个数进行估计。实验表明HySime算法自适应性强,稳定性好,在解算过程中不需要输入任何参数,就能准确估计高光谱数据的端元个数。

多端元光谱混合分析综述

多端元光谱混合分析是一种端元可变的线性光谱混合分析方法,通过由不同种类和数量的纯净像元(端元)构成的端元组合,对混合像元进行分解。针对每类地物,该方法可以采用多条同种端元光谱进行解混,在一定程度上克服了同种地物的光谱变异问题,能够提高解混的精度。本文对多端元光谱混合分析的具体方法进行综述。首先,基于对多端元解混研究现状的深入分析,归纳了多端元光谱混合分析的基本流程。其次,对多端元解混涉及的端元选取方法进行总结,分别概述了图像端元和参考端元扩充的策略及优化的指标;在此基础上,系统论述了端元光谱库构建主要途径及其优缺点,并指出针对特定的研究区域最佳端元模型确定的方法。最后,提出多端元光谱混合分析存在的问题并给出相应的解决方案。

基于参数法的西汉帝陵封土土壤粒度端元分析

利用土壤粒度分布特征和端元模型法,对西汉帝陵封土土壤粒度数据进行了分析。研究结果表明,帝陵封土土壤粒度频率图和累积图与典型黄土的基本相似,且各土壤粒度参数都在典型黄土对应的参数值范围内。在土壤粒度数据中分离出四个端元组分,分别为EM1(0.88μm)、EM2(3.96μm)、EM3(8.50μm)和EM4(22.43μm)。其中,EM1为成壤组分;EM2和EM3对应西风气流作用下高空长距离悬浮粉尘堆积,但EM2和EM3百分比呈极显著负相关关系,表明二者沉积方式不同;EM4则对应冬季风作用下近地面短距离悬移粉尘堆积。EM4百分占比最高,表明近地层冬季风是粉尘搬运的主要机制。西汉康陵封土在2000多年来,有不到5%的风成粉粒受到了风化成土作用,但可能由于地表径流的侵蚀作用而低估了成土作用。本研究进一步证实了帝陵封土是由地质历史时期形成的风成黄土夯筑而成。

两种基于异常权重的N-FINDR端元提取算法

有效分离高光谱影像中的异常与干扰信息,提高端元提取的质量,是当前研究的热点。N-FINDR算法通过降维获取高光谱点云数据体积最大化,能够准确地的找出端元,但其中包含的异常目标,不仅对后续工作没有意义,而且会降低后期的解混精度。为了提高端元提取的质量,降低异常端元的影响,基于N-FINDR算法,提出了两种异常权重的N-FINDR端元提取算法。首先,运用最小噪声旋转变换(MNF)对原始影像进行降维与去噪处理,然后在此基础上将RXD探测算子以权重的形式加入到N-FINDR算法中,此算法称为RXD权重的N-FINDR端元提取。同样在降维的基础上,偏度算法加入到N-FINDR算法之中,称为高阶权重的N-FINDR端元提取。实验表明:加入异常权重的N-FINDR算法不仅利用了基于体积的N-FINDR算法,提高了程序的运行效率,同时利用了子空间异常探测算子,降低了异常端元的影响。

光谱解混误差分析下的端元数目估计算法

确定端元数目是混合像元分解中端元提取的前提。目前端元数目主要还是通过判读人员根据经验或者估计最优子空间的方法来确定,这些方法都没有从提高混合像元分解精度的角度出发进行端元数目估计。在分析漏选、多选端元时光谱解混误差的基础上,提出了一种基于光谱解混误差的端元数目估计算法,该算法在估计端元数目的同时可以实现端元提取。实验结果表明,该方法在低信噪比情况下仍能正确地估计端元数目,并且可以正确地提取端元。

美国Bryce峡谷Claron组粒度端元指示的风尘沉积及意义

美国犹他州西南部广泛出露的古新世—始新世Claron组是研究该时期气候环境变化的优质材料。已有研究认为Claron组为河湖相沉积地层,但是野外考察结果显示一些层位存在显著的风尘沉积特征,因此有必要对该地层的沉积环境进行重新探讨。以Bryce峡谷国家公园的Claron组为研究对象,野外沉积特征和石英颗粒表面结构特征均指示地层红色层以风尘沉积为主。采用非参数粒度端元分析模型对其进行粒度组分分解,得到6个具有不同沉积意义的端元,分别代表成土组分、积水洼地/临时性湖泊静水沉降组分、冲—洪积组分以及风尘沉积组分。其中端元3、4、6(第一众数粒径分别为5.33μm、11.93μm、42.34μm)均被识别为风尘沉积组分,在地层中的平均含量近50%,表明地层一半以上物质来自风尘沉积,且风尘沉积组分在各时期均占有较大比例,是该地层稳定的物质来源。各端元在地层中的比例变化表明地层由风尘沉积、冲—洪积和积水洼地/临时性湖泊交替沉积形成。在冲—洪积和积水洼地/临时性湖泊沉积为主的时期,气候环境湿润;而风尘沉积和成土占据主导的时期,气候相对干旱。

激光-筛分联合法粒度分析结果的表达及粒度端元的沉积动力学意义

河口海岸沉积动力环境复杂,沉积物粗细组分皆有。对于粗细混杂(同时含有砂砾质和泥质成分)的沉积物样品,单一的粒度分析方法不能覆盖整个粒度分布范围,常采用激光-筛分联合法进行粒度分析。由于两种方法的分析原理不同,经常出现细部的激光法结果与粗部的筛分结果部分重合现象,这会影响整个样品的粒度分布计算。石油天然气行业标准《碎屑岩粒度分析方法》(SY/T 5434-2018)对此问题给出了新的解决方案,但是只有文字描述,没有可操作的计算方法。本研究根据该行业标准提出的方案,推算出激光-筛分联合法粒度分析结果的修正计算公式。以浙江舟山群岛潮间带197个粗细混杂样品为例,采用激光-筛分联合法进行了粒度分析,分别采用直接拼接算法及SY/T 5434-2018算法计算了粒度分布,在此基础上对两套算法所得组分含量和粒度参数进行了比较。结果表明,SY/T 5434-2018算法相较于直接拼接算法,扩大了粗颗粒的体积百分比,减少了细颗粒的体积百分比。两种算法得到的组分含量具有显著的线性相关关系,且砾、砂、粉砂、黏土等组分含量的差异从粗到细依次减少。用两种算法的结果分别计算粒度参数,同样具有显著的线性相关关系,且平均粒径、分选系数、偏度与峰态等粒度参数的差异渐次减小。两种算法得到的组分数据的相似度整体优于粒度参数的相似度,均具有高度一致性,可根据工作需求选择适合的算法,无须对两种算法之间的误差再作验证。借助粒度端元分解模型,将舟山潮间带的沉积物划分出不同的粒度端元,其中泥质端元主要是长江泥沙向浙闽沿岸输送的产物;而砾和砂的成分,多是当地物源或当地波浪分选的结果。

九江市蓼花剖面末次冰期中晚期沉积的粒度端元特征与气候变化

鄱阳湖湖滨地区广泛分布着晚第四纪风沙沉积序列。在星子县沙岭沙山进行野外调查后选择蓼花剖面开展工作,测试了地质时代和粒度,对粒度结果使用端元分析模型进行研究,探讨该区域末次冰期中晚期的气候变化规律。结果显示:该剖面由湖相-古土壤-沙丘砂等沉积相叠覆堆积组成,形成于末次冰期中晚期(48.8—17.1 ka)。端元分析模型将粒度数据分解出3个不同的粒度端元,不同端元组分在垂向上呈峰谷交替的旋回变化,EM1代表粉砂端元组分,峰值对应湖相和古土壤发育时期;EM2和EM3代表中砂—粗砂端元组分,峰值对应沙丘砂发育期,这些峰谷交替变化的规律指示了末次冰期的季风演变以及气候波动变化,万年尺度上表现为LH10(48.8—39.9 ka)和LH3~LH5(28.1—17.1 ka)的冬季风强盛期,分别对应深海氧同位素的MIS3b和MIS2阶段。LH6~LH9(39.9—28.1 ka)为温暖的夏季风时期,对应深海氧同位素的MIS3a阶段。这些变化与YZ洞石笋氧同位素以及格陵兰冰心有良好的对应,与全球气候变化基本一致。

现代黄河三角洲沉积物粒度端元特征及其对河道变迁和人类活动的响应

黄河三角洲沉积物记录了长时间尺度黄河流域环境变化,对流域河流改道和水库建设等自然和人类活动响应敏感。本研究以黄河1976年以来入海口附近陆上三角洲YDC钻孔为研究对象,采用参数化端元(EM)分析模型对YDC钻孔的粒度数据进行分析,结果表明:①EM1和EM2由粒径较细的黏土和细粉砂组成,为黄河长距离搬运弱水动力条件下沉积,EM3和EM4为粗粉砂组分,为较强动力条件下波浪和潮流作用沉积;②对比河道变迁和人类活动等资料,结合前人黄河口沉积速率研究数据,表明YDC钻孔粒度特征变化显著的界面可以作为黄河口沉积物定年的参考点;③YDC钻孔粒度参数和端元数据敏感地响应于1976年以来黄河改道清水沟入海、龙羊峡水库建设、黄河改道清8汊入海等自然和人类活动。研究结果对黄河三角洲河口治理和沿岸工程建设具有重要现实意义,并可为黄河流域生态保护与高质量发展提供科学依据。

陕西榆林柳树峁剖面L_(3)与S_(3)层位粒度端元特征与古环境研究

本文选取榆林市横山区柳树峁剖面,对其第3层黄土(L_(3))、第3层古土壤(S_(3))层位粒度数据进行分布特征分析和参数化端元分析,以此探讨沉积动力及其所代表的环境特征。结果表明:柳树峁剖面L_(3)、S_(3)层位粒度组成以粗粉砂(42.65%)和极细砂(32.40%)为主,中值粒径为47.11μm。剖面L_(3)、S_(3)层粒度数据可分为4个端元:EM1组分(众数粒径7.42μm)为大气中长期存在的、经过远距离携带搬运的细粒组分,EM2(众数粒径43.66μm)和EM3(众数粒径76.43μm)组分是由冬季风或沙尘暴所携带的近源组分,EM4(众数粒径161.20μm)组分为风成沙,物源来自于北部的毛乌素沙地,该组分含量变化可作为指示强冬季风或强沙暴的替代性指标。柳树峁剖面记录了L_(3)黄土沉积时期存在1个极冷期、2个冷期和1个较暖期,S_(3)古土壤发育时期存在2个暖期和1个冷期。同时,剖面也记录了L_(3)、S_(3)层位沉积发育时期毛乌素沙地的两次扩张事件和两次收缩事件。

基于多模态多目标优化的端元束提取方法研究

为解决高光谱影像受传感器及分辨率的影响所产生的光谱变化给解混造成的困扰,提出基于多模态多目标优化的端元束提取方法(MOPSOSCD)。对高光谱图像进行标号编码,采用基于索引的环形拓扑结构进行邻域的个体交互,通过邻域最优改进粒子群速度更新方式并整数化粒子位置更新。同时,根据高光谱图像空间特征,通过改进决策空间拥挤距离提高决策空间的多样性,再结合目标空间的拥挤距离进行综合排序,实现多模态多目标优化的粒子筛选。当粒子定向移动概率pm为0.2、粒子数P为30及迭代次数M为400时,算法在MUUFL数据集上均方根误差(RMSE)及平均光谱角距离(mSAD)分别为0.0088、0.1112。通过对比试验,本文方法相较于VCA、DPSO等方法具有更高的提取精度和效率,为高光谱解混提供了更加准确的端元束提取方法。

近百年来二龙湾沉积物粒度端元分析及其环境意义

沉积物粒度蕴含着区域降水强度、湖泊水位波动、沉积物物源等古环境信息。文章以二龙湾2个沉积物岩芯为研究对象,利用GMX30P-A高纯Ge同轴探测器和英国Mastersize2000型激光粒度仪对样品进行137Cs比活度和粒度测试,运用参数化EMA端元模型对沉积物样品的粒度数据集进行端元分解,探讨二龙湾近百年来沉积物质来源和沉积环境特征。二龙湾沉积物主要为水成沉积,含少量风成沉积,EM1和EM2指示水动力较弱的封闭湖泊沉积环境,EM3指示强地表径流搬运过程。坡面径流挟带的流域碎屑颗粒物是沉积物的主要物源,高空西风携带的远源粘粒级颗粒和中尺度区域风搬运的近源粉尘物质对沉积物有一定的贡献。近百年来二龙湾经历封闭湖泊沉积过程,沉积环境较为稳定,湖心沉积速率小于近岸沉积速率。1963年后沉积物中细颗粒物质含量增加,粗颗粒物质占比大幅下降,表明吉林龙湾国家级然保护区的建成对流域的水土保持有重要作用。

广西三娘湾准残留沉积——来自端元分析和稀土元素地球化学的证据

残留沉积能够记录海进海退的关键信息,也是恢复古地理的有力证据。在2019年10月的海洋地质调查中,在三娘湾海域>10 m水深区域识别出一套含砾的沉积物。在粒度分析和地球化学测试的基础上,利用端元分析模型和稀土元素判别图解分析其形成原因及物质来源。结果表明,三娘湾沉积物的信息可以由4个端元(EM)来表示,EM1代表了钦州湾往复潮流的特征,EM2为大风江河口高能的冲刷环境,EM3代表了残留沉积与波浪的混合作用,EM4代表了残留沉积的原始河流沉积。稀土元素特征表明,残留沉积具有低稀土总量、高ΣLREE/ΣHREE的特点。经过上地壳稀土元素标准化后,显示出明显的δCe正异常和δEu负异常,表现出砂页岩、砂岩来源的特征,与钦州湾东北部的近岸沉积具有相似的特征。综合分析表明,三娘湾准残留沉积是北部湾地区最后一次大规模海进的残留产物,受到海流和潮流的后期改造,这为北部湾地区古海岸线识别和演化研究,提供了关键信息。

多端元模式下高光谱图像解混的不确定性问题

为了探究多端元解混造成解混结果不确定性的原因,并进一步在解混中克服与降低该不确定性,详细分析了在二分类解混中,解混不确定性的两种表现形式,丰度固定时像元位置的不确定性和像元位置固定时丰度的不确定性,探究解混端元与不确定性的相互作用关系,进而提出一种可降低解混丰度不确定性的端元加权多端元解混方法。实验表明:混合丰度不确定性的存在,同时在保证解混精度的前提下验证了所提出的降低不确定性方法的有效性。

粒度端元分析在环境演变中的应用——以克里雅河尾闾KYN22剖面为例

基于AnalySize软件包中的参数化(Gen.Weilbull分布函数)EMA、非参数化EMA以及基于遗传算法提出的BasEMMA 3种粒度端元法对塔里木盆地内部克里雅河尾闾圆沙三角洲古河道剖面(KYN22)沉积物粒度分布进行端元分离及解释。结果表明,参数化EMA端元分析法结果更适合该剖面;克里雅河尾闾圆沙三角洲古河道剖面沉积物粒度组分可分为3个端元,EM1代表在河流水量较少、河流流速很慢或者发生静水沉积的组分;EM2代表在河流水量和流速相对于EM1较大的环境下沉积的组分;EM3代表风沙环境沉积的组分。说明克里雅河尾闾KYN22剖面底部为风沙环境,其他部分为河流沉积与风沙堆积共存且以河流沉积为主的环境。

遥感影像混合像元分解中的端元选择方法综述

端元选择是进行遥感影像混合像元分解的首要步骤,也是最关键的步骤,其直接影响混合像元分解的精度。该文对遥感影像混合像元分解中端元产生的特定背景、当前存在的端元选择途径和端元选择方法进行综述,并通过对当前端元选择方法的分析,提出了选择或构造端元选择方法应遵循的几个原则。

以凸面单体边界为搜索空间的端元快速提取算法

提出了以凸面单体边界为搜索空间的端元快速提取算法,其核心包括凸面单体边界的确定和以凸面单体边界为基础的端元搜索两部分。实验表明:该算法不仅能够准确地寻找到端元,而且端元提取速度明显快于现有的端元提取算法。

图像端元全自动提取方法研究

传统端元提取算法一般需要人工指定端元数目,易导致多选或漏选端元。提出了一种端元全自动提取方法,通过研究分类结果的均方根误差、端元间光谱相关性与端元数目的关系,设置两种循环结束条件,当分类结果的均方根误差最小或端元间恰未出现强相关现象时,获得最佳端元数。实验表明,该方法是正确有效的,能够克服现有方法的不足,提高了端元提取自动化程度。