基于WPF数字地球的地理空间算法研究

为在数字地球上准确地测量出线条和路径的距离,对传统的基于球面模型的地理空间算法进行了改进.并在WPF数字地球上进行三维路径可视化模拟和计算,取得很好的展示效果和测量精度.重点介绍了虚拟地球模型、瓦片金字塔模型、WPF数字地球技术和地理空间算法的对比分析和改进,最后与Google Earth地理空间测量模块作对比,证明了该改进在不降低精确度的情况下,大幅度地提高了计算性能.

问渠哪得清如许,为有源头活水来--《中国科学数据》发刊词

人类正在进入大数据时代。作为科学生产力认识的革命性创新,大数据为科学研究带来了新的方法论;作为科学研究的新范式,大数据正在催生人们用全新的思维追求科学发现。在全球大数据浪潮涌动、我国将大数据列为国家战略的时代背景下,《中国科学数据》问世了。

近十年中国东北森林植被物候遥感监测

基于归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI),提出了一种新的物候遥感监测方法,基于森林植被的年NDVI时间累积曲线,利用Logistic模型对NDVI累积曲线进行拟合,依据曲率极值方法提取森林植被物候期的关键参数(生长季开始日期,SOS;生长季结束日期,EOS),并对森林植被的生长季长度(length of season,LOS)进行分析,探讨近10年东北森林物候的时空变化。主要结论为:(1)2001年~2010年间,东北森林生长季开始日期集中在110~140天但在10年间没有明显变化;(2)第260~290天,森林逐渐停止生长,生长季结束日期从北向南逐渐推迟,但在十年间几乎没变化;(3)与生长季开始和结束日期相对应,东北森林生长季长度集中在120~160天之间,但存在空间差异,大兴安岭地区森林生长季长度较短,集中在120~140天之间,小兴安岭、长白山、辽东半岛地区的森林生长季长度可达到160天,对整个研究区来讲,近10年间变化的区域仅占研究区的14.9%,变化趋势集中在1d/10年。研究结果与物候观测数据及已有的研究具有较好的一致性,说明利用遥感数据动态监测东北森林植被物候期具有一定的可靠性。

新疆可可托海稀有金属矿床成因和南部地区隐伏矿预测——来自地质、遥感和地球物理的证据

新疆可可托海是世界著名的伟晶岩型稀有金属矿床,该矿床的成因长期存在争议,资源已枯竭多年,其成矿理论及找矿工作均亟待突破。我们对矿区中—上奥陶统哈巴河群变质岩和三叠纪稀有金属花岗岩进行了地质和地球化学研究,并开展了矿区遥感数据解译和地球物理测量工作。结果表明,哈巴河群变质岩以云母片岩为主,与大陆上地壳微量元素含量相似,若以此作为花岗质岩浆的源岩,很难通过部分熔融直接形成含矿熔体;三叠纪稀有金属花岗岩由白云母钠长花岗岩和少量钠长花岗岩组成,其岩浆源于地下深处,在向上运移过程中,经过结晶和流动分异作用,形成富挥发分的含矿岩浆,异地侵位形成稀有金属花岗岩岩枝,矿区存在花岗岩-伟晶岩成矿系统。遥感数据解译显示,矿区发育多个环形影像,这些影像是深部环形构造在浅部的反映,已知的伟晶岩脉及稀有金属花岗岩均赋存其中,指示矿区含矿岩浆活动可能与深部环形构造有关。大地电磁测深显示,在矿区15km以下深处发育低电阻率异常体,反映深部可能存在残余的岩浆房或局部熔融带,矿区花岗质岩浆源于此处;音频大地电磁测深显示,在矿区南北环形构造的深部均存在低电阻率异常。基于上述地质-遥感-地球物理的研究结果,我们预测在矿区之南的环形构造深部有断裂构造及含矿岩浆活动,其中可能有隐伏稀有金属矿体的存在。

中国北方地区植被覆盖度遥感估算及其变化分析

为了分析中国北方地区2000年之后植被覆盖度的时空分布及其变化,利用MODIS光谱反射率数据计算归一化植被指数,采用像元二分模型对中国北方地区2000—2012年植被覆盖度进行定量估算,分析研究区13 a间植被覆盖度的时空变化特征。研究结果表明:植被覆盖度年内变化特征体现在最大植被覆盖度一般出现在7和8月份,与中国北方地区植被的生长季相一致;整个中国北方地区年最大植被覆盖度呈现缓慢增长的趋势,其增长速率为每年0.2%;年最大植被覆盖度变化的空间分布具有较大差异,其中东北、华北和黄土高原等三北防护林工程建设区的年最大植被覆盖度有较明显的增长。

2000～2015年中国人工表面变化遥感监测分析

基于时间序列遥感数据获取的多期土地覆被数据对中国人工表面变化信息进行提取和定量评价,进一步分析中国各省市的人均人工表面面积变化趋势,以及7个主要城市群的人工表面变化情况,结果可知:①2015年中国人工表面的面积总和为29.07万km2,其中建设用地25.10万km^2、交通用地3.09万km^2、采矿场0.88万km^2;②2015年人工表面总面积较2010年年均增长为0.66万km^2,年均增速为2.57%,较2000~2010年年均增长0.55万km^2(年均增速2.70%)增速有所放缓。③总体上中国大部分行政区的人均人工表面面积近15 a持续提高。

感谢有你,照亮前行的路——纪念我的导师中国科学院院士李小文先生

十年之前,走进遥感,遇到了您,一段旅程、几番拼搏,挥洒青春,是我人生中最难忘、充实和快乐的一段时光;因为您,一个迷茫不安的孩子有了信仰和方向,学会了坚定和执着。

中国近30a耕地变化时空特征及其主要原因分析

随着中国经济的快速发展和人口的不断增加,在各项建设占用大量耕地和生态退耕与环境保护措施的双重影响下,中国的耕地面积在持续减少。对中国耕地随时间变化规律的认识以及其空间分布变化趋势的把握已成为重要的研究内容,这对于研究区域粮食安全和区域可持续发展也有重要的指导意义。该文在中国长时间序列土地利用动态时空数据库的支持下,对中国1987年到2010年的耕地变化过程进行了全面分析,揭示了中国近30 a来耕地变化的时空特征,分析了其变化的主要原因。研究表明,自1987年以来,中国原有耕地不断减少,北方地区为主的新垦耕地持续增加。以2000年为转折点,1987年到2000年耕地总面积略有增加,2000年到2010年耕地总面积逐步减少,近30 a间,耕地总量相对稳定。比较而言,2000年以前的耕地增加速度明显高于2000年以后的耕地减少速度。到2010年全国耕地总面积呈南减北增、减少速率最快的区域集中于长江三角洲、珠江三角洲地区,而增加速率最快的区域集中在新疆、黑龙江以及内蒙古部分地区。建设用地对耕地的占用持续强烈并有加强趋势,生态建设占用耕地是生态脆弱地区耕地面积减少的主要原因,对耕地的占用比例仅次于建设用地。对草地、林地的开垦是全国新增耕地的主要来源,对未利用土地的占用有增强趋势,近年来,包括盐碱地;沼泽地,甚至是沙地、戈壁等未利用土地被改造成耕地,同时也会带来区域水资源和环境等方面的一系列问题,尤应慎重。

基于支持向量机回归的冬小麦叶面积指数遥感反演

利用单一植被指数反演叶面积指数(LAI)时,存在不同程度的饱和性且每种指数只能包含部分波段的信息,该文提出利用支持向量机回归的方法进行叶面积指数的反演,可以用更多的波段信息作为输入参数以提高LAI反演精度。选取冬小麦起身期、拔节期和灌浆期的实测光谱和叶面积指数数据,用统计回归的方法分别建立NDVI-LAI和RVI-LAI模型,用支持向量机回归(SVR)方法分别建立以NDVI、RVI以及蓝、绿、红和近红外4个波段数据作为输入参数的回归预测模型,即NDVI-SVR、RVI-SVR和NRGB-SVR模型。上述5个模型分别利用对应时期的环境星HJ-CCD数据进行验证。结果表明:NDVI和RVI与叶面积指数(LAI)的回归模型预测的结果与实测值的RMSE分别为0.98与0.97;预测精度分别为59.2%与59.3%。以NDVI和RVI结合实测叶面积指数(LAI)训练并预测的结果与实测值的均方根误差RMSE分别为0.71与0.83预测精度分别为70.4%与67.1%。以蓝(B)、绿(G)、红(R)以及近红外(NIR)波段作为输入参数回归并预测的RMSE值为0.42,预测精度为81.7%。通过支持向量机回归预测具有更好的拟合效果,可以输入更多波段信息,提高了叶面积遥感反演精度,对冬小麦的多个生育期均具有较好的适用性。

基于农户调研的中国农村居民点空心化程度研究

基于中国范围的乡村人居环境调研数据,分析了中国农村宅基地空心现象。结果表明:1中国农村宅基地空心化严重,93.5%的调研村庄有空心化现象,平均空心化率达到10.2%。2省域农村宅基地空心化差异明显,其中华北、华东、华中地区普遍较高;3多种因素导致农村宅基地空心化,认为是"外出务工"、"户口迁移"、"房屋年久失修"及"一户多宅"的受访者分别占39.94%,19.51%,25.73%和14.82%。4中国农村空心化宅基地再利用潜力巨大,但再利用难度大,需要从改革城乡二元体制和乡村空间重构的角度进行空心村整治。

卫星遥感监测近地表细颗粒物多元回归方法研究

对地基监测PM2.5和气象数据、MODISAOD卫星数据与NCEP FNL数据进行了处理分析,在与一元简单线性模型(模型1)进行对比的基础上,建立了适应于北京及其附近地区遥感监测近地面颗粒物(PM2.5)浓度的多元线性(模型2)和非线性(模型3)回归模型,并对模型进行了评价验证和遥感监测初步应用.结果表明:模型1,2,3分别能够解释PM2.5 32.5%,56.1%,62.7%的变异.反演的PM2.5浓度与站点监测值相关性分别为0.5488(R2=0.3012),0.7449(R2=0.5549),0.7431(R2=0.5523).对于站点监测PM2.5浓度63.1652μg/m3的均值,反演均方根误差RMSE分别为43.5562,35.3321,36.8450μg/m3.模型2和3中气象因子分别能够解释PM2.5 23.6%和12.6%的变异,说明了气象因子影响北京地区春季PM2.5-AOD关系的显著性.3种模型整体上都不同程度地存在着低值高估和高值低估的现象.

科学大数据与数字地球

大数据研究正发展为科技、经济、社会等各领域的关注焦点,诸多国家已将大数据研究上升至国家战略层面.本文从时空角度论述了大数据的缘起、内涵与发展势态,分析了科学大数据成为科学研究新途径的历程——科学范式开始从模型驱动向数据驱动发生转变.给出了科学大数据的定义及科学大数据计算的应对策略.进一步地论述了数字地球学科的基本理论框架和数字地球中的数据系统,指出了数字地球学科具有大数据的鲜明特点.最后以"胡焕庸线"形成机理的空间认知研究为例,具体阐述了数字地球学科中的大数据研究的理论和方法.

基于拟合物候参数的植被遥感决策树分类

针对目前遥感分类较少利用植被物候特征参数的现状,该研究以内蒙古自治区额尔古纳、根河两市作为试验区,基于2012年根河土地覆盖数据,采用双Logistic函数拟合的方法对跨度范围为2011年7月下旬至2013年7月下旬的时间序列MODIS EVI数据进行植被物候参数的分析与提取,并依据物候参数特征构建决策树对试验区土地覆盖进行分类。研究表明,不同植被的物候有较明显的特征,森林、草原与作物的生长季开始时间依次滞后,作物的生长季最短,森林与草原生长季基本持平;利用植被物候特征参数进行决策树分类,作物和森林2种植被类型取得较好分类效果,分类的总体精度达到73.67%,优于该区域MODIS土地覆盖产品的总体精度(66.08%)。该研究可为呼伦贝尔地区生态环境评价和农、牧、林业生产活动提供一定的参考。

基于遥感技术的全国生态系统分类体系

随着遥感技术的发展,以遥感数据作为生态系统监测与评价的基础已成为宏观生态学研究的重要手段。遥感数据要求每一数据集都要有相应的地物分类体系与之匹配,这也造成不同遥感数据及分类体系之间相互独立。虽然体系间多有联系和相似之处,但不同数据集的分类体系难以直接使用或替换,制约了多元数据在生态系统评价中的使用效果。为尝试解决这一问题,提高多源遥感数据的使用效率,提出了一套基于中分辨率遥感数据的生态系统分类体系。这套体系共有9个一级类、21个二级类、46个三级类,该体系主要依据类别内生态系统特征的相似性,并考虑了气候、地形等因素。最后以海南岛、内蒙古和甘肃3个省为例,探讨了以遥感数据为基础的区域生态系统构成分析方法与应用效果。研究表明,该分类体系有较好的生态学依据,可以支持更加深入的生态系统评估。但分类体系中还存在遥感数据与生态因子数据尺度不匹配、不能满足小尺度研究中对三级类进一步细分的要求以及当前数据质量和模拟技术不足以完全支持植被覆盖率反演精度要求等问题。

赣南稀土矿开发区生态环境遥感动态监测与评估

稀土矿业的发展在促进区域经济发展的同时,也对生态环境带来影响。为研究江西赣南稀土矿产开发及其对生态环境的影响,采用SPOT1/2/5、Landsat7和ALOS等多源遥感数据,对该区域2000—2010年稀土矿开发进行遥感动态监测。采用面向对象的方法对研究区进行生态系统分类,同时结合回溯法可较好地减少伪变化,并可快速地提取稀土矿开采区的变化信息。通过分析发现赣南稀土矿开采集中分布在几个主要的乡镇,从2000年至2010年这10年间整体上呈增加的趋势,但前5年主要体现为扩张,后5年复垦的力度在加强。新增的稀土矿矿区在开发过程中破坏的生态系统类型主要为林地,而废弃稀土矿区通过治理后主要恢复成耕地。稀土矿开采对植被覆盖、生物量、土地退化以及景观的破碎化都有一定的影响。同时稀土矿开采可能引发水体流失、山体滑坡等环境问题和风险。

新疆干旱区湿地景观格局遥感动态监测与时空变异

为了解和掌握全球变化环境下中国干旱区湿地的分布现状、变化过程和时空格局特征,该文通过多源遥感技术手段,采用面向对象分类方法和目视解译相结合,完成了干旱区湿地信息的多期监测,实现了新疆地区2000、2005和2010年的湿地分布制图,并利用动态度模型和地统计方法计算了近10 a时空变化情况,分析了湿地变化的时空特征。研究结果表明:1)近10 a来全疆干旱区湿地约增加了10.1%,2010年新疆湿地总面积达到22 438 km2,较2000年约增加了2 065 km2;2)在类型构成上,2010年河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地和人工湿地所占比例分别为42.73%、29.43%、17.98%、8.92%和0.94%;3)在空间分布上,南北疆呈现不均衡,南疆湿地约占总体的76%,北疆湿地仅占24%;主要分布在塔里木流域,以河流湿地为主,空间分布差异显著;4)新疆湿地面积总体上呈增多的趋势,不同类型的湿地面积变化幅度差异较大。沼泽湿地和人工湿地的动态度分别为:2.58%、2.43%,河流湿地与湖泊湿地的动态度为:0.59%、0.43%;净增量最大的是沼泽湿地和河流湿地,分别增加了827.92和531.86 km2,占湿地净增量的65.85%。在变化原因上,全球变暖、新疆区域气温升高和降水增多是湿地近年来增加的主要原因;人类活动的干扰,加剧了湿地变化的复杂性和空间差异性。研究结果可为区域生态环境变化研究以及湿地资源的保护规划提供数据支持和结论参考。

核电站温排水分布卫星遥感监测及验证

以大亚湾核电站附近海域为研究区,基于HJ-1B卫星热红外遥感数据IRS4,对核电站温排水空间分布特征进行了识别与验证。首先利用时空插值后的NCEP大气廓线数据,结合近地面气象观测信息对IRS4数据进行大气订正;其次查找表数据建立IRS4宽通道辐亮度与辐射温度转换公式,完成研究区海表温度反演。利用温盐深测量仪,与卫星同步采集了84个离散点的水温,经空间插值获得地面调查海水"体温度"(bulk temperature,BT)的分布,并与海表温度(sea surface temperature,SST)反演结果进行了对比。结果表明,调查区平均BT比平均SST高0.47℃。在远离热排放口区域,SST高于BT,两者差异在1.0℃以内;在靠近热排放口区域,SST低于BT,并且越接近排放口两者之间差距越大。遥感与地面调查两种手段获得的温升分布基本一致,总温升区域面积相近。遥感手段获得的温升等级较少(小于4级),地面调查获得温升等级较多(大于5级);后者高温升等级(2级以上)区域面积较大,但对于1级温升区面积而言,两种手段差异较小。上午10时左右海表BT与SST差异较小,"肤-体"温差效应可以忽略,在IRS4业务化SST应用中,这一时段的卫星遥感可以作为核电站温排水分布监测的常规手段。

基于GF-1卫星数据的农作物种植面积遥感抽样调查方法

GF-1号卫星是中国2013年4月26日发射的一颗高分辨率遥感卫星,为解决该新型卫星数据在农作物对地抽样遥感调查中的应用技术方法问题,该文针对GF-1号卫星数据的特点,研究了基于GF-1号卫星16m WFV传感器和2m/8m PMS传感器卫星数据的农作物种植面积遥感抽样调查方法。根据研究区物候历,选择农作物识别关键期的16m WFV传感器数据进行多时相农作物种植面积的中分辨率遥感提取;在中分辨率农作物面积遥感分类图基础上,计算研究区域的MORAN I指数,确定格网抽样单元的大小,进行多目标农作物的MPPS(multivariate probability proportional to size)抽样;对抽样单元采用2m/8 m PMS传感器卫星数据进行高分辨率农作物面积制图;最后根据MPPS抽样方法进行总体农作物种植面积的推断,并计算CV值,评价抽样精度。以江苏省东台市为研究区对GF-1号卫星数据进行了应用研究。研究结果表明,GF-1号卫星数据完全可以应用于县级农作物种植面积的提取,农作物种植面积提取精度优于90%。

基于多尺度分割和决策树算法的山区遥感影像变化检测方法——以四川攀西地区为例

山区遥感影像变化检测面临地形效应明显、空间异质性高等不利因素的影响,构建适用于复杂地形条件的变化检测方法一直是遥感应用研究的难点。在对影像进行多尺度分割的基础上,构建对象的多种光谱、形状及地形特征,将地形阴影、物候等造成的虚假变化当作"未变化"训练样本,利用决策树算法自动提取检测规则,建立复杂地形条件下面向对象的遥感影像变化检测方法,并将该方法用于四川攀西山区1989年和2009年TM影像的检测试验,最后对方法的不足和改进措施进行了讨论。主要结论包括:(1)文中构建的方法能够有效减弱山区复杂地形条件对遥感影像变化检测的不利影响,采用地面调查数据和分层随机采样的总体验证精度为93.57%,Kappa系数为0.8706。(2)C5.0决策树算法对于只有"变化"和"未变化"两种类别且同类间训练样本高度异质化的影像分类仍能取得较好的效果,具有较好的鲁棒性和适应能力。通过将地形、物候等引起的虚假变化当作"未变化"训练样本可以有效提高检测精度。(3)光谱特征仍是TM影像遥感分析的主要信息源,影像间NDVI的差值对于植被覆盖区域土地覆盖格局变化的检测具有良好的表征作用。(4)攀西地区1989—2009年间土地覆盖格局变化明显且与人类活动关系密切,典型的驱动方式包括退耕还林(草)工程、水利工程建设和矿山开采等。共检测出变化面积740.2km2,占影像总面积的2.49%。

基于遥感和GIS的巢湖流域生态功能分区研究

生态功能分区是区域自然资源科学管理及可持续发展利用的基础。基于生态功能分区原则,考虑流域——子流域完整性进行巢湖流域生态功能分区。在综合分析巢湖流域生态环境基本特征的基础上,确定生态功能分区原则、依据、方法及命名,基于遥感与GIS在数据采集方面及多层面叠加功能的优势,通过遥感数据对研究区土地利用信息的提取以及利用DEM空间分析进行子流域划分等技术手段,探讨了遥感和GIS技术支持下的研究区子流域生态功能划分方法,形成了巢湖流域生态功能分区方案,将全流域分为5个生态功能区和12个生态功能亚区,并阐明了不同生态功能区的生态保护重点与经济社会发展约束。对于新调整行政区划的巢湖流域生态环境综合治理具有重要的现实意义,可为流域产业布局、生态防灾减灾、环境保护与建设规划等提供科学依据。