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无人机高光谱遥感和集成深度置信神经网络算法用于密云水库水质参数反演

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光谱学与光谱分析 2024年第7期44卷 2066-2074页

作者：乔智姜群鸥律可心高峰北京林业大学水土保持学院北京100038 北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室北京100038

随工业化及社会经济迅速发展,水源地面临的水体污染、恶化不断加剧,开展有效的水质监测是水源保护的重要前提。密云水库是北京重要的地表水源地,在保护首都水源安全方面发挥着重要作用。为更精准的监测密云水库水质参数及污染程度,采用... 详细信息

随工业化及社会经济迅速发展,水源地面临的水体污染、恶化不断加剧,开展有效的水质监测是水源保护的重要前提。密云水库是北京重要的地表水源地,在保护首都水源安全方面发挥着重要作用。为更精准的监测密云水库水质参数及污染程度,采用4期无人机高光谱遥感数据,基于随机子空间的集成深度置信神经网络算法(EDBN),构建密云水库水质参数反演模型,对密云水库总氮(TN)、总磷(TP)两项水质参数进行反演。首先,采用基于递归特征消除法对高光谱影像降维处理,将光谱数据与地面水质监测数据进行叠加,通过最小化训练过程中误差来确定隐藏层数、神经节点数等网络结构参数;然后采用由知识源域向网络迁移方式逐步拓展网络,对密云水库总氮和总磷两个水质参数进行训练并对结果进行验证;最后,反演密云水库潮河大坝和白河大坝区域水质参数,揭示其主要水质参数时空演变规律。研究结果显示:(1)构建总氮、总磷反演模型R^(2)分别为0.8355、0.7703,MSE分别为0.0153、0.0008,这表明基于随机子空间的集成深度置信神经网络算法模型对密云水库水质参数反演效果较好;(2)密云水库总氮浓度变化随季节发生一定波动,在夏季浓度较低,秋季相对较高。总磷浓度变化相对平稳,表明密云水库周边区域对磷污染控制效果良好;(3)白河大坝区域水质优于潮河大坝区域,总氮浓度相对偏高,整体处于Ⅲ类水平。而总磷浓度较低,整体处于Ⅱ类水平,较好时可以达到Ⅰ类水平。整体水质可以满足饮用水源的标准,但仍需加强对氮、磷污染物有效监管。研究结果将为密云水库水质高效监测与水源保护提供重要科学依据。

关键词：无人机高光谱深度神经网络算法水质反演密云水库

作物—牲畜—生物能源综合系统对中国农业源温室气体的影响评估

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地理学报 2024年第1期79卷 28-44页

作者：张帆蔡颖邓祥征姜群鸥吴锋中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院大学北京100049 北京林业大学水土保持学院北京100083

对农作物和畜牧业生产系统中的剩余秸秆和粪便进行生物能源化利用,不仅有利于缓解作物—牲畜系统农业剩余物排放对环境造成的压力,还能通过最终产品的使用来抵消相关的温室气体排放。本文构建了一个作物—牲畜—生物能源一体化的综合系... 详细信息

对农作物和畜牧业生产系统中的剩余秸秆和粪便进行生物能源化利用,不仅有利于缓解作物—牲畜系统农业剩余物排放对环境造成的压力,还能通过最终产品的使用来抵消相关的温室气体排放。本文构建了一个作物—牲畜—生物能源一体化的综合系统框架,基于生命周期评价法估算了2010—2019年中国及各省份作物和畜牧生产系统中各过程的温室气体排放清单;对比了作物—牲畜—生物能源综合系统和传统系统在不同生产环节的排放差异,评估了综合系统对农业源温室气体排放的环境影响。研究结果显示:(1)作物秸秆管理、牲畜肠道发酵和作物生产能源消耗贡献了基准情景下中国主要的农业源温室气体排放,作物和牲畜系统中温室气体来源呈现出显著的地区差异。(2)环境影响强度在部分地区或省份呈现波动变化趋势,其中,华东地区的排放强度下降幅度较大(-0.73×10^(-2)),新疆的增幅最大(0.63×10^(-2))。(3)作物和畜牧生产系统中可利用的剩余秸秆和粪便数量可观,综合系统对农业源温室气体排放起到缓解作用,全国范围内缓解程度不同,最大时可减缓约67%的环境影响。

关键词：作物—牲畜—生物能源系统农业源温室气体生命周期评价环境影响时空演化

中国县域多维贫困与相对贫困识别及扶贫路径研究

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地理学报 2021年第6期76卷 1455-1470页

作者：徐藜丹邓祥征姜群鸥马丰魁北京林业大学水土保持学院北京100038 中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室北京100083

当前,中国脱贫攻坚任务步入了由绝对贫困转向相对贫困、收入贫困转向多维贫困的新阶段。本文以中国31个省(直辖市)县域为研究对象,采用基于夜间灯光数据的平均夜间灯光指数以及基于脆弱性可持续生计框架的县域多维发展指数和多维相对贫... 详细信息

当前,中国脱贫攻坚任务步入了由绝对贫困转向相对贫困、收入贫困转向多维贫困的新阶段。本文以中国31个省(直辖市)县域为研究对象,采用基于夜间灯光数据的平均夜间灯光指数以及基于脆弱性可持续生计框架的县域多维发展指数和多维相对贫困识别方法,从多维贫困和相对贫困两个层面对中国多维贫困现状进行分析,并基于以上研究筛选出的贫困县,采用耦合协调模型从产业扶贫、教育扶贫、旅游扶贫和农业扶贫分析适宜县域的扶贫路径。结果表明:中国约60%县域处于多维相对贫困状态,其中47%为多维相对轻度贫困县;基于平均夜间灯光指数和县域多维发展指数分别识别出602个和611个多维贫困县,分别包含了63%和79%的国家级贫困县(截至2018年),这表明县域多维发展指数识贫机理更为精准。多维贫困县集中在甘肃、四川和云南等地;而在筛选的贫困县中,适宜产业扶贫、教育扶贫、旅游扶贫和农业扶贫的县域分别有414个、172个、442个和298个,且在4种扶贫方式中,约61%县域适宜采用多种扶贫路径共同扶贫。研究结论将为确保中国扶贫的可持续性提供重要的科学依据。

关键词：夜间灯光指数多维贫困相对贫困耦合协调模型精准扶贫

基于AEZ模型的中国农业生产力的估算及其对耕地利用变化的响应

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基于AEZ模型的中国农业生产力的估算及其对耕地利用变化的响应

作者：姜群鸥中南大学

学位级别：硕士

中国是人多地少的农业大国,粮食生产一直是困扰国计民生的重大问题。特别是近年来随着人口剧增,耕地锐减和环境退化,粮食生产显得日益迫切,成为限制农业可持续发展的重要因素。解决这一问题,除了严格控制人口增长和非农业占用耕地外,关... 详细信息

中国是人多地少的农业大国,粮食生产一直是困扰国计民生的重大问题。特别是近年来随着人口剧增,耕地锐减和环境退化,粮食生产显得日益迫切,成为限制农业可持续发展的重要因素。解决这一问题,除了严格控制人口增长和非农业占用耕地外,关键是利用现有耕地并提高耕地的生产力。估算粮食生产能力即农业生产力为土地人口承载力估算,制定国家或地区农业发展规划提供了科学依据。因此生产潜力估算在理论和实践上都有十分重要的意义。本研究应用AEZ模型和1991到2000年的气候、土壤、投入水平等历史数据估算了我国90年代的农业生产力,充分考虑了影响农业生产的气候因素、社会环境因素和经济因素,并运用HadleyCentre的HADCM3模式模拟的未来气候数据估算了2010年和2020年农业生产力的变化情况。本研究还运用DLS模型模拟了未来2010年和2020年的土地利用变化情况,估算了耕地利用变化对农业生产力的影响。研究表明:①应用AEZ模型和空间数据能有效地进行农业生产力的估算。②农业生产力90年代以来虽然年际间有波动,但整体上呈上升趋势。③2010年和2020年的农业生产力由于气候等因素的影响也有不同程度的增加。④耕地利用变化会对农业生产力产生一定程度的负面影响,但是单位面积农业生产力的提高远远大于耕地利用变化所带来的影响。⑤该研究所得出的结论为未来制定土地利用政策和农业生产措施提供科学的决策依据。在本研究中,还取得了一定的创新性成果:①将农业生产力的变化表达在了每个栅格上。②研究涉及多个学科,实现了知识和技能的综合应用。③利用IPCC预测的未来气候数据对未来的农业生产力做了估算,并分析了未来情景下耕地利用变化对农业生产力的影响。

关键词： AEZ模型生产潜力农业生产力耕地利用变化

潮白河流域土地利用/覆被变化对土壤侵蚀的影响

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中国水土保持科学 2019年第3期17卷 121-132页

作者：冯精金史明昌姜群鸥北京林业大学水土保持学院

为探讨北方土石山区土地利用/覆被的变化对土壤侵蚀的影响,作者基于RUSLE和土壤侵蚀强度指数,分析1990—2015年北京市潮白河流域土地利用/地表覆被变化特征,模拟区域内不同时期不同土地利用/覆被情况下的土壤侵蚀变化规律。结果表明:199... 详细信息

为探讨北方土石山区土地利用/覆被的变化对土壤侵蚀的影响,作者基于RUSLE和土壤侵蚀强度指数,分析1990—2015年北京市潮白河流域土地利用/地表覆被变化特征,模拟区域内不同时期不同土地利用/覆被情况下的土壤侵蚀变化规律。结果表明:1990—2015年,在相同的植被盖度等级下,耕地—林地转化区和耕地—草地转化区的土壤侵蚀模数呈减少趋势,均值分别减少362. 32 t/(km2·a)和259. 54 t/(km2·a),而林地—草地转化区的土壤侵蚀模数均值呈增加的趋势,为230. 94 t/(km2·a)。总体来看,北京市潮白河流域内林地和草地的土壤侵蚀强度指数大于耕地,并在2005年达到最大值,分别为201. 57和190. 10。这主要是林草地质量退化致使土壤侵蚀等级较高区域的面积较大,尽管耕地向林草地转移减少了部分侵蚀,但林草地区域的土壤侵蚀防治仍不可忽视。该研究成果有望为北京市山区土地资源的优化配置和有效控制土壤侵蚀提供一定的应用参考。

关键词：土壤侵蚀土地利用/覆被变化 RUSLE 潮白河流域

气候情景下典型开垦与退耕区耕地动态变化的定量模拟

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农业工程学报 2015年第9期31卷 271-280页

作者：姜群鸥谭蓓薛筱婵齐元静邓祥征北京林业大学水土保持学院北京100038 中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院农业政策研究中心北京100101

全球气候变化是当前关注的热点问题,研究气候情景下中国典型开垦与退耕区耕地动态变化对保障中国粮食安全具有重要意义。该研究以东北地区作为典型区,基于设计的土地利用规划情景和RCPs(representative concentration pathways)气候情景... 详细信息

全球气候变化是当前关注的热点问题,研究气候情景下中国典型开垦与退耕区耕地动态变化对保障中国粮食安全具有重要意义。该研究以东北地区作为典型区,基于设计的土地利用规划情景和RCPs(representative concentration pathways)气候情景,采用土地利用变化动态(DLS,dynamics of land system)模型模拟了在规划情景和RCPs气候情景下开垦与退耕区2010-2030年耕地的空间分布格局,分析不同耕地类型未来的变化趋势。研究结果表明:规划情景下水田呈持续减少的态势,而旱田在2000-2010年有小幅增长的态势,而后出现大面积减少;AIM(Asia-Pacific integrated model)气候模式情景下旱田增长趋势也较明显,水田则保持小幅减少的态势;MESSAGE(model for energy supply strategy alternatives and their general environmental impact)气候模式情景下,耕地面积呈减少的态势。从不同用地类型之间的转移分析得出,该区域开垦与退耕相逆的现象在未来情景下仍会延续,但是发生的频率却随时间的推移逐渐降低。该研究为开垦与退耕区应对气候变化,合理进行农业规划和耕地保护提供参考。

关键词：土地利用气候变化规划耕地变化定量模拟情景开垦与退耕区

基于HYSPLIT模式的西北干旱区典型沙尘事件沙源地及沙尘传输路径探析

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光谱学与光谱分析 2023年第6期43卷 1862-1868页

作者：吴芷瑜辛智鸣姜群鸥于洋王紫璇北京林业大学水土保持学院北京100083 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心内蒙古磴口015200

沙尘天气事件作为一种危害性极大的灾害天气,对我国西北干旱区生态环境影响显著。借助于地面实测颗粒物数据、MODIS影像数据、OMI传感器影像数据、CALIPSO激光雷达数据,采用HYSPLIT模式对我国西北地区2016年一次典型沙尘事件时空演变特... 详细信息

沙尘天气事件作为一种危害性极大的灾害天气,对我国西北干旱区生态环境影响显著。借助于地面实测颗粒物数据、MODIS影像数据、OMI传感器影像数据、CALIPSO激光雷达数据,采用HYSPLIT模式对我国西北地区2016年一次典型沙尘事件时空演变特征进行研究。首先,基于PM_(2.5)/PM_(10)指数判断西北地区典型城市大气污染源性质以及污染情况;然后,利用MODIS影像MCD19-A2数据产品-气溶胶光学深度AOD数据、OMI-Aura L3级OMAEROe数据产品-紫外吸水性气溶胶指数AAI数据和CALIPSO-Level1级数据,分析大气气溶胶中沙尘水平空间分布特征;最后,借助HYSPLIT模式模拟沙尘气流后向轨迹,确定区域内沙尘传送路径。研究结果显示,西北地区典型城市中西宁、兰州、银川在2016年4月30日—5月1日前后PM_(10)指数均超过200μg·m^(-3),PM_(2.5)/PM_(10)均小于0.6,且处于较低值,这表明是由于自然污染源影响导致空气中可吸入颗粒物含量上升,可推测此次为沙尘暴事件影响;大气气溶胶在沙尘事件发生期间呈现出明显水平变化特征,沙尘事件起源于南疆盆地,在5月1日至5月4日持续影响新疆南部和中部地区,青海、甘肃、宁夏以及陕西部分地区也受到影响;根据其变化可知,塔克拉玛干沙漠是本次沙尘天气事件气溶胶污染形成的中心,此次沙尘暴事件影响范围主要有新疆南部盆地和中部以及青海省北部地区;通过对气流轨迹模拟结果来看,2016年4月30日—5月1日沙尘暴事件通过偏西型路径主要影响新疆以及青海部分地区,经分析可得其沙尘物质可能来源于南疆盆地、新疆北部位于准噶尔盆地内部古尔班通古特沙漠以及境外哈萨克斯坦等地区。这些研究结果将为抑制西北地区沙尘源地起沙过程、保护生态环境可持续发展提供重要科学依据。

关键词：沙尘天气遥感影像大气气溶胶沙尘运移西北干旱区

荒漠绿洲区带状防护林遥感提取方法研究——以磴口为例

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光谱学与光谱分析 2022年第12期42卷 3896-3905页

作者：高峰姜群鸥辛智鸣肖辉杰律可心乔智北京林业大学水土保持学院北京100083 北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室北京100083 北京林业大学水土保持学院重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站北京100083 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心内蒙古磴口015200

防护林是我国荒漠绿洲区主要植被类型,可为该地区防风固沙、水盐调控、水热平衡提供有力保障,调查防护林空间分布信息十分重要。然而荒漠绿洲防护林条带较窄、斑块面积小、分布广且零散,不易大尺度准确提取。为解决此难点,以磴口县荒漠... 详细信息

防护林是我国荒漠绿洲区主要植被类型,可为该地区防风固沙、水盐调控、水热平衡提供有力保障,调查防护林空间分布信息十分重要。然而荒漠绿洲防护林条带较窄、斑块面积小、分布广且零散,不易大尺度准确提取。为解决此难点,以磴口县荒漠绿洲为研究区,基于GF-2号遥感影像,采用面向对象分类技术提取防护林空间分布信息。分类前,首先基于局部方差(LV)和LV变化率(ROC)曲线,选取分割防护林的最优分割尺度。然后采用随机森林(RF)算法的袋外误差率(OOB error)及基尼系数(Gini)对包含光谱、形状和纹理的分类特征进行重要性评估并筛选特征、优化模型参数;最后,基于随机森林、CART决策树、支持向量机(SVM)、K近邻(KNN)四种分类器提取防护林空间分布信息并对比验证。结果表明:(1)采用ROC-LV曲线方法相比于遍历分割参数,可更客观更高效地筛选最优分割参数的可能值;(2)基于RF算法计算的袋外误分率和基尼系数可以有效筛除冗余特征,配合分类器参数优化,在保证分类精度的同时,有效提高分类器性能,大幅提升数据处理速度;(3)基于实测数据集对分类结果进行验证,结果显示基于随机森林算法的特征优化结合SVM分类器提取的防护林空间分布信息精度最高,生产者精度达到97.14%,总体防护林面积为208.99 km^(2),与实际210 km^(2)接近,在小区块中,SVM分类器的分类效果优于其他三种分类器;(4)因GF-2影像分辨率高,并且含有近红外波段,通过波段合成得到亚米级信息,故基于面向对象的方法能够以单条林带为基本单位研究防护林林网属性,例如提取断带信息等林网结构特征。研究结论可为荒漠绿洲区带状防护林提取提供重要技术支撑。

关键词：防护林带识别 GF-2遥感影像随机森林面向对象

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土地利用动态变化定量模拟方法的适用性评价

应用基础与工程科学学报 2019年第2期37卷 295-311页

作者：姜群鸥孙驷阳邓祥征王美林肖玲北京林业大学水土保持学院北京100038 中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院农业政策研究中心北京100101

随着土地利用变化定量模拟模型的不断增加,模型的适用性也成为土地利用变化研究的重要问题之一.本研究选取林地和草地动态变化的典型区为研究案例,分别应用CLUE模型、元胞自动机模型和DLS模型3类模型模拟了不同典型区土地利用变化过程.... 详细信息

随着土地利用变化定量模拟模型的不断增加,模型的适用性也成为土地利用变化研究的重要问题之一.本研究选取林地和草地动态变化的典型区为研究案例,分别应用CLUE模型、元胞自动机模型和DLS模型3类模型模拟了不同典型区土地利用变化过程.然后依据采用人机交互解译方式提取出的土地利用数据,进行叠加分析,基于各类型正确模拟的栅格数除以该类型总栅格数,分别从栅格尺度和县域尺度,以对不同典型区土地利用变化过程模拟结果进行精度验证,从而综合评价不同类型土地利用变化过程模拟模型的适宜性和精度.结果表明,在对单种用地类型进行土地利用模拟,特别是建设用地的模拟时,元胞自动机模型的适宜度更高;对于综合模拟所有用地类型时,尤其是需要模拟林地和草地二级分类变化时,DLS模型和CLUE模型均可,但是DLS模型的精度相对较高;对于需要考虑土地转移的时间长短时,尤其是有林地形成,CLUE模型相对更为适宜.这些研究结论将为不同区域土地利用规划和管理决策者提供重要的信息参考.

关键词：土地利用变化定量模拟精度验证适用性评价