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基于面向对象孪生神经网络的高分辨率遥感影像建筑物变化检测

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遥感学报 2024年第2期28卷 437-454页

作者：刘宣广李蒙蒙汪小钦张振超福州大学数字中国研究院(福建) 福州350108 福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室福州350108 信息工程大学地理空间信息学院郑州450001

建筑物变化检测在城市环境监测、土地规划管理和违章违规建筑识别等应用中具有重要作用。针对传统孪生神经网络在影像变化检测中存在的检测边界与实际边界吻合度低的问题,本文结合面向对象图像分析技术,提出一种基于面向对象孪生神经网... 详细信息

建筑物变化检测在城市环境监测、土地规划管理和违章违规建筑识别等应用中具有重要作用。针对传统孪生神经网络在影像变化检测中存在的检测边界与实际边界吻合度低的问题,本文结合面向对象图像分析技术,提出一种基于面向对象孪生神经网络(Obj-SiamNet)的高分辨率遥感影像变化检测方法,利用模糊集理论自动融合多尺度变化检测结果,并通过生成对抗网络实现训练样本迁移。该方法应用在高分二号和高分七号高分辨率卫星影像中,并与基于时空自注意力的变化检测模型(STANet)、视觉变化检测网络(ChangeNet)和孪生UNet神经网络模型(Siam-NestedUNet)进行比较。结果表明:(1)融合面向对象多尺度分割的检测结果较单一尺度分割的检测结果,召回率最高提升32%,F1指数最高提升25%,全局总体误差(GTC)最高降低7%;(2)在样本数量有限的情况下,通过生成对抗网络进行样本迁移,与未使用样本迁移前的检测结果相比,召回率最高提升16%,F1指数最高提升14%,GTC降低了9%;(3) Obj-SiamNet方法较其他变化检测方法,整体检测精度得到提升,F1指数最高提升23%,GTC最高降低9%。该方法有效提高了建筑物变化检测在几何和属性方面的精度,并能有效利用开放地理数据集,降低了模型训练样本制作成本,提升了检测效率和适用性。

关键词：遥感变化检测孪生神经网络面向对象多尺度分析模糊集融合生成对抗网络高分辨率遥感影像

2001—2021年福建省生态健康状况变化分析与评估

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生态学杂志 2024年

作者：陈建辉汪小钦林梦婧孙为静中国科学院城市环境研究所中国科学院大学福建省生态环境信息中心福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室数字中国研究院(福建)

福建省作为首个生态文明先行示范区和生态文明试验区，对其进行生态健康评价有助于生态文明进程的推进。目前，在生态健康评价领域中如何构建合理的指标体系及如何客观筛选出符合研究区的重要评价指标，是决定生态健康评价结果的关键问... 详细信息

福建省作为首个生态文明先行示范区和生态文明试验区，对其进行生态健康评价有助于生态文明进程的推进。目前，在生态健康评价领域中如何构建合理的指标体系及如何客观筛选出符合研究区的重要评价指标，是决定生态健康评价结果的关键问题。本文以压力-状态-响应（PSR）框架和生态等级网络框架（EHN）为基础，结合基于目标优化理论的网状指标定量化筛选模型，计算了福建省2001—2021年的生态健康综合指标（EHCI），分析了自生态省战略实施21年来其空间分布及时间变化趋势。结果表明：（1）利用指标体系和指标筛选模型获得的最终指标能够较好体现研究区的生态系统特点，且所计算的生态健康状况的空间分布与现有文献和实际情况相符，说明所构建的指标体系和指标筛选模型是合理的；（2）福建省多年来生态健康状况良好，优良面积超过82%；空间分布总体呈现出内陆高、沿海低的特征，全省生态健康状况的空间分布与人文和自然都有着显著的相关性；（3）福建省实施生态省建设21年来，全省生态健康状况趋于改善，生态改善区域面积远高于退化区域，其中漳州市、龙岩市与泉州市改善最为明显，生态改善主要得益于水土流失治理成效及生态环境相关政策和项目的推进。

关键词：生态健康评价网状指标定量化筛选模型生态等级网络框架(EHN) 权重分配

气候和土地利用变化情景下闽江流域水沙变化模拟

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水土保持学报 2024年第2期38卷 216-233,245页

作者：余文广陈芸芝唐丽芳汪小钦福州大学数字中国研究院(福建) 福州350108 福建省水土保持实验站福州350001 福州大学空间数据挖掘和信息共享教育部重点实验室福州350108

[目的]模拟未来土地利用和气候影响下的流域水沙变化有利于制定适合的流域管理计划。[方法]基于土地利用和气象数据,结合CMIP6气候模式数据、PLUS模型和SWAT模型,定量模拟2030年土地利用及不同气候情景下径流和泥沙的时空变化。[结果](1... 详细信息

[目的]模拟未来土地利用和气候影响下的流域水沙变化有利于制定适合的流域管理计划。[方法]基于土地利用和气象数据,结合CMIP6气候模式数据、PLUS模型和SWAT模型,定量模拟2030年土地利用及不同气候情景下径流和泥沙的时空变化。[结果](1)SWAT模型在闽江流域月尺度模拟精度较好,其中径流模拟的R 2范围为0.80~0.95,NSE范围为0.75~0.91;泥沙模拟的R 2范围为0.75~0.98,NSE范围为0.64~0.94。(2)利用2020年土地利用数据对PLUS模型进行精度评估的Kappa系数为0.77,模拟2030年闽江流域建设用地和耕地将分别增加325.64,1157.51 km^(2)。(3)SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下,2025-2035年平均降水量分别增加0.15%和2.18%,年平均气温分别增加0.23,0.62℃。(4)低碳情景和高碳情景下,仅土地利用变化导致年平均径流量相较于基准期分别增加0.08%和0.07%,年平均输沙量分别增加0.24%和减少0.05%;仅气候变化导致年平均径流量相较基准期分别减少4.76%和4.11%,年平均输沙量分别增加18.12%和0.13%;土地利用和气候综合影响导致年平均径流量相较于基准期分别减少4.57%和3.93%,年平均输沙量分别增加18.28%和0.33%。(5)未来气候和土地利用综合变化情景下,地表径流和产沙量较高且增幅较大的区域集中在以南平邵武市为中心的流域西北部和以三明将乐县为中心的流域西南部。[结论]研究结果为未来闽江流域的合理开发建设提供一定参考依据。

关键词：闽江流域气候情景土地利用变化径流输沙量模拟

基于流域系统模拟一情景优化的精细治理决策支持方法

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地理学报 2024年第1期79卷 58-75页

作者：秦承志朱良君申申吴彤肖桂荣吴升陈芸芝汪小钦冯险峰朱阿兴陆锋中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049 数字中国研究院(福建) 福州350108 福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室福州350108 南京师范大学地理科学学院南京210023 威斯康星大学麦迪逊分校地理系美国麦迪逊WI 53706

面向美丽中国生态文明建设所需,亟待有效实现流域精细治理的科学决策,以根据流域综合治理愿景目标,优化流域管理措施(BMP)的空间布局方案(即BMP情景)、制定符合实际需求的实施路线图。对此,“流域系统模拟—情景优化”方法框架近年展现... 详细信息

面向美丽中国生态文明建设所需,亟待有效实现流域精细治理的科学决策,以根据流域综合治理愿景目标,优化流域管理措施(BMP)的空间布局方案(即BMP情景)、制定符合实际需求的实施路线图。对此,“流域系统模拟—情景优化”方法框架近年展现出广阔应用前景。本文介绍了该框架在应对实际应用需求中尚存的一系列问题,开展了体系性的方法研究:①提出新的流域过程建模框架,以兼顾建模灵活性和高性能计算、高效实现流域系统模拟;②提出以坡位单元作为BMP空间配置单元、并在情景优化过程中可进行单元边界动态调整的BMP情景优化方法,可有效考虑流域综合治理的经验知识,保障优化结果合理性;③提出考虑分阶段投资约束的BMP情景实施次序优化方法,可推荐出符合实际落地需求的实施路线图;④设计研发用户友好的参与式流域规划系统,供各方利益相关者协商决策。通过典型小流域应用案例验证了上述新方法、工具和原型系统的有效性和实用价值。

关键词：流域系统模拟流域管理措施情景分析智能优化决策支持

基于面向对象CNN和RF的不同空间分辨率遥感影像农业大棚提取研究

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遥感技术与应用 2024年第2期39卷 315-327页

作者：林欣怡汪小钦汤紫霞李蒙蒙吴瑞姣黄德华福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室福建福州350108 福州大学数字中国研究院(福建) 福建福州350108 福建省地质测绘院福建福州350011

遥感技术已成为快速有效获取农业大棚覆盖信息的重要途径,但遥感影像空间分辨率大小对提取精度的影响具有双重性,选择适宜分辨率影像具有重要意义。以南方农业塑料大棚为研究对象,利用GF-1、GF-2和Sentinel-2形成1~16 m间6个不同空间分... 详细信息

遥感技术已成为快速有效获取农业大棚覆盖信息的重要途径,但遥感影像空间分辨率大小对提取精度的影响具有双重性,选择适宜分辨率影像具有重要意义。以南方农业塑料大棚为研究对象,利用GF-1、GF-2和Sentinel-2形成1~16 m间6个不同空间分辨率影像数据集,基于面向对象影像分析方法(Object-Based Image Analysis,OBIA),分别利用面向对象卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)方法和随机森林(Random forest,RF)方法开展大棚提取,分析提取精度和不同方法下的差异性。结果表明:①CNN和RF方法下,农业大棚的提取精度随着影像分辨率降低总体呈下降趋势,在1~16 m的影像上均能检测到农业大棚;②相对于RF方法,CNN方法对影像空间分辨率要求更高,在1~2 m分辨率下,CNN方法有更少的漏提和误提,但在4m及更低分辨率下,RF方法的适用性更高;③2 m分辨率影像是大棚信息提取的最佳空间分辨率,可经济有效地实现大棚监测。

关键词：农业大棚提取面向对象CNN方法随机森林空间分辨率高分辨率遥感数据

基于潮汐动态淹没过程的长江口潮滩地形信息反演研究

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地球信息科学学报 2022年第3期24卷 583-596页

作者：章敏吴文挺汪小钦孙玉福州大学数字中国研究院(福建) 福州350108 空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室福州350108 卫星空间信息技术综合应用国家地方联合工程研究中心福州350108

潮滩是陆地与海洋之间重要的生态过渡地带,具有复杂的生态过程和重要的服务功能。受陆海交互作用及人类活动的影响,潮滩处于高度动态变化过程中,而传统测绘技术受到潮滩可达性影响无法快速获取潮滩地形信息。为解决潮滩高程数据获取困... 详细信息

潮滩是陆地与海洋之间重要的生态过渡地带,具有复杂的生态过程和重要的服务功能。受陆海交互作用及人类活动的影响,潮滩处于高度动态变化过程中,而传统测绘技术受到潮滩可达性影响无法快速获取潮滩地形信息。为解决潮滩高程数据获取困难的问题,本文提出一种基于潮汐动态淹没过程和时序遥感影像的潮滩地形信息提取算法,利用K-means++聚类方法实现水域提取,并通过时序淹没特征计算潮滩淹没频率提取潮滩范围信息,最终综合区域潮汐特征反演潮滩地形。研究以崇明东滩为例,利用2016—2020年所有可用Sentinel-2和Landsat-8时序遥感影像,实现潮滩范围提取与高程反演,并通过实测高程数据进行精度验证。研究结果表明,潮滩范围提取总体精度为97.73%,F1_score为0.98;高程反演平均绝对误差为0.15 m,潮滩高程的反演精度与可用影像的数量呈正相关。研究利用该算法进一步反演长江口地区主要潮滩地形特征,结果表明区域内潮滩面积为346.93 km^(2),高程范围为1.00~3.84 m,且与现有潮滩范围数据集相比,本研究提取的长江口潮滩范围更为完整。该算法为潮滩地形的快速反演提供了可能,对潮滩资源动态监测和管理具有重要意义。

关键词：潮滩时序遥感影像 K-means++ 潮滩淹没频率 Sentinel-2 Landsat-8 潮滩范围提取地形反演长江口

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基于多传感器融合的时空连续AOD重构模型

环境科学学报 2023年第5期43卷 353-365页

作者：张晨汪小钦邬群勇郑汉捷王涵菁尹延中福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室福州350108 福州大学数字中国研究院(福建) 福州350108 卫星空间信息技术综合应用国家地方联合工程研究中心福州350108

气溶胶光学厚度(AOD)是气溶胶最重要的参数之一,现有的遥感AOD产品受云、积雪等因素的影响空间缺失严重,因此,生成空间覆盖完整的AOD具有重要意义.本文融合MODIS的MAIAC AOD和Himawari-8的AHI AOD,结合气象数据和高程数据,提出一种集成... 详细信息

气溶胶光学厚度(AOD)是气溶胶最重要的参数之一,现有的遥感AOD产品受云、积雪等因素的影响空间缺失严重,因此,生成空间覆盖完整的AOD具有重要意义.本文融合MODIS的MAIAC AOD和Himawari-8的AHI AOD,结合气象数据和高程数据,提出一种集成反距离权重插值(IDW)和CatBoost模型的时空连续AOD重构方法(命名为IDW-CatBoost).将此方法应用于京津冀和台湾岛的AOD重构,并与IDW、CatBoost方法对比,重构结果利用地基监测AERONET AOD进行验证,其中,京津冀的验证数为352个,台湾岛的验证数为641个.结果表明:在空间分布上,IDW AOD存在星点状特征,CatBoost、IDW-CatBoost的AOD具有空间连续分布的纹理特征;精度上,经地基监测AERONET AOD验证,京津冀地区IDW AOD与IDW-CatBoost AOD接近;台湾岛IDW-CatBoost AOD相比于IDW、CatBoost结果,R^(2)分别提高了10%和5%.经过多传感器AOD融合,与单传感器AHI L2、L3、MAIAC AOD相比,IDW-CatBoost重构AOD精度显著提升,在京津冀地区,R^(2)分别提高了15%、35%和12%,RMSE分别下降了25%、38%和22%;在台湾岛,R^(2)分别提高了14%、76%和76%,RMSE分别下降了6%、24%和24%.因此,基于多传感器AOD融合的IDW-CatBoost模型用于重构AOD产品,不仅空间覆盖完整,而且具有更高的精度.

关键词：气溶胶光学厚度(AOD) 多传感器融合 AOD重构 CatBoost 时空连续分布

基于EnKS和SWAT模型的闽江流域径流数据同化

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水资源与水工程学报 2023年第4期34卷 66-75页

作者：项勇陈芸芝唐丽芳汪小钦福州大学数字中国研究院(福建) 福建福州350108 福州大学空间数据挖掘和信息共享教育部重点实验室福建福州350108 福建省水土保持实验站福建福州350001

地表水文过程中观测变量对状态变量的响应存在时间滞后性,为提高径流数据同化的精度,以闽江流域为研究区,基于集合卡尔曼平滑器(EnKS)和SWAT模型,构建径流数据同化方案,并与集合卡尔曼滤波(EnKF)方法进行对比,评价不同同化模型的精度,... 详细信息

地表水文过程中观测变量对状态变量的响应存在时间滞后性,为提高径流数据同化的精度,以闽江流域为研究区,基于集合卡尔曼平滑器(EnKS)和SWAT模型,构建径流数据同化方案,并与集合卡尔曼滤波(EnKF)方法进行对比,评价不同同化模型的精度,分析数据同化对不同径流分量的影响。结果表明:EnKS最优时间窗口长度在不同水文周期、流域存在差异;考虑水文模型的时间滞后性可以有效提高模型的同化精度,对比EnKF方法,EnKS方法的纳什效率系数(NSE)在七里街、沙县、竹岐3个站点上分别提升了0.03、0.12、0.03,均方根误差(RMSE)分别减小了7.43%、26.81%、4.25%;数据同化方法对不同径流分量的改进程度存在空间异质性和时间异质性,在高渗透率土壤和陡坡区域EnKS方法能使壤中流获得更显著的改进,丰水期EnKS方法对地表径流的改进较枯水期更明显。

关键词：径流数据同化 EnKS法 SWAT模型滞后性闽江流域

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GIS与大气质量模型结合的探讨

环境科学研究 2000年第4期13卷 50-52,58页

作者：汪小钦福州大学环境与资源工程系福建福州350002

从GIS与大气环境质量模型结合的必要性入手 ,对GIS在大气环境质量模型中的应用、所起作用进行了回顾 ,同时就二者结合的基本方式、步骤、框架等作了一些探讨 ,并指出了其未来的发展趋势。

关键词： GIS 大气质量模型模型结合环境质量