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融合自注意力机制的双向LSTM时空插值模型

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地球信息科学学报 2024年第8期 1827-1842页

作者：周啸宇王海起王琼单宇飞闫峰李发东刘峰曹元昊欧雅玟李雪莹中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院南京生兴有害生物防治技术股份有限公司

时空插值可以捕获时空数据中的依赖关系，估计地理现象随时间的几何和属性数据变化。现有的时空插值方法大多未同时考虑数据的长期时间相关性以及全局空间信息，本文结合长短时记忆网络LSTM (Long Short Term Memory)与数据的空间特性... 详细信息

时空插值可以捕获时空数据中的依赖关系，估计地理现象随时间的几何和属性数据变化。现有的时空插值方法大多未同时考虑数据的长期时间相关性以及全局空间信息，本文结合长短时记忆网络LSTM (Long Short Term Memory)与数据的空间特性构建了时空插值模型：(1)模型利用空间层剔除弱相关性的信息，提取相关性更强的空间信息输入LSTM网络；(2)由于传统人工神经网络ANN (Artificial Neural Network)模型无法考虑时间对插值的影响以及单向LSTM模型仅能考虑过去时刻对当前时刻的影响而不能利用未来时刻的信息，本文使用双向LSTM模型BiLSTM(Bi-directional LSTM)体现时间相关性；(3)为了有效提取全局空间特征并保留BiLSTM双向建模的优势，本文将自注意力机制引入BiLSTM中，构建了融合自注意力的双向LSTM插值模型SL-BiLSTM-SA (BiLSTM Model Fused with Spatial Layer-Self attention)。在实验设计阶段，模型被应用于山东省PM2.5浓度数据集进行插值效果研究，并与其它模型进行性能比较。实验表明，SL-BiLSTM-SA模型有着更低的误差度量，相较时空普通克里金STOK (Spatio-Temporal Ordinary Kriging)和遗传算法优化的时空克里金GA-STK (Genetic Algorithm-optimized Spatio-Temporal Kriging)精度分别提高了39.83%、36.63%，且能较准确地预测高值和低值。本文融合空间信息，结合BiLSTM和Self-attention构建了时空插值模型，扩展了时空数据的插值手段，为时空数据分析提供了一定的理论和方法支撑。

关键词：时空插值时空相关性空间层长期相关性双向长短期记忆网络自注意力机制 PM2.5

基于机器学习和未来气候变化模式的埃塞俄比亚粮食产量预测

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中国生态农业学报（中英文） 2024年第3期32卷 490-504,I0001,I0002页

作者：徐宁李发东张秋英艾治频冷佩芳舒旺田超李兆陈刚乔云峰中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学中丹学院北京100049 中国环境科学研究院北京100012 美国佛罗里达州立大学塔拉哈西32306

对于以农业产业为支柱的埃塞俄比亚,粮食供应和安全对国家安全和人民的生计尤为重要。由于作物生长和气候因素之间的复杂耦合关系,预测气候变化对农作物产量影响具有较大难度,机器学习技术为这种复杂系统变化的预测提供了一种有效途径... 详细信息

对于以农业产业为支柱的埃塞俄比亚,粮食供应和安全对国家安全和人民的生计尤为重要。由于作物生长和气候因素之间的复杂耦合关系,预测气候变化对农作物产量影响具有较大难度,机器学习技术为这种复杂系统变化的预测提供了一种有效途径。本研究利用37个全球气候模式(GCM)的数据以及土壤数据,基于机器学习模型,预测了埃塞俄比亚2021年至2050年5种主要粮食作物在SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下的产量变化。经GCM和变量的筛选后,利用梅赫季和贝尔格季中5种主要粮食作物的10个产量数据对直方图梯度提升决策树、极端梯度提升随机森林、轻梯度提升决策树、随机森林、极限树以及K近邻6种机器学习模型进行训练。经过模型评估,选择表现良好的3个模型,采用线性回归算法进行堆叠,然后使用堆叠模型进行预测。研究结果表明,未来30年埃塞俄比亚梅赫季5种主要粮食作物产量变化以增产<2 t·hm^(-2)为主;SSP126情景下的贝尔格季将出现更明显的减产现象,这可能是由于温室效应的减缓降低了CO_(2)的施肥效应。随着人类活动造成的生态环境恶化,研究区农业生产对粮食结构改变和重新分配生产力的需求不断增长,导致农作物生产力向新的适宜地区转移。研究区在SSP126和SSP585情景下将分别因为干旱缓解和温室效应加剧而获得更高的粮食作物生产力。

关键词：粮食产量机器学习气候变化全球气候模式埃塞俄比亚

降雨对河流水质影响及污染源解析：以鉴江茂名段为例

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环境科学 2024年

作者：王登超李发东李曹乐吴坤王凡刘山宝李兆魏潇淑王一喆姜菁秋张秋英中国环境科学研究院中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院大学资源与环境学院茂名市生态环境局

为探究降雨对工业农业混合型城市地区河流水质的影响并解析其污染源，以珠江水系粤西诸河的最大支流鉴江为例，选取鉴江茂名段的6个河流监测断面和3个气象站为研究对象，采用箱线图、相关性分析和绝对主成分-多元线性回归模型分析鉴江... 详细信息

为探究降雨对工业农业混合型城市地区河流水质的影响并解析其污染源，以珠江水系粤西诸河的最大支流鉴江为例，选取鉴江茂名段的6个河流监测断面和3个气象站为研究对象，采用箱线图、相关性分析和绝对主成分-多元线性回归模型分析鉴江茂名段的降雨与水质关系，解析污染源对水质的贡献。结果表明：①流水质春冬季节优于夏秋季节。河流水质总体表现为，镇盛、江口门和罗江桥断面水质优于地表水Ⅲ类，而石碧、米急渡和塘口断面水质在夏秋季节面临较高超标风险。夏秋季节的DO、COD、WT和TP等随降雨强度增强而增加，而EC、AN和TN呈相反的趋势。其中石碧、米急渡和塘口断面水质pH、DO、EC和TN随降雨强度增加而降低，而COD、AN和TP呈相反趋势。②河流水质受季节、气象因子和降雨强度影响，降雨对WT、AN和TP的影响较大。在夏秋季河流水质在夏季和秋季随降雨量的增加而恶化，此外，随着降雨强度增加，季节和空间位置与水质指标和气象要素的关系减弱，气象要素和水质间的耦合关系加强。③无雨时，城镇污染源和气象因子对河流水质的贡献率最高，其中，城镇污染源对EC和COD贡献率为66.25%和51.94%，其他源贡献相对较低，而随着降雨强度增加，其他源贡献呈增加趋势，农业面源贡献总体呈现先增加后减少趋势。大暴雨时，其他源对水质贡献率介于35.17% ～ 93.46%。综上表明夏季和秋季的强降雨是鉴江茂名段水质超标的重要原因，未来亟需加强对城市污染物、农业面源和其他源（工业、养殖和内源释放等）的管理。

关键词：降雨水质污染源绝对主成分-多元线性回归(APCS-MLR) 鉴江

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艾比湖流域典型荒漠植被水分利用来源研究

Journal of Geographical Sciences 2022年第6期32卷 1103-1118页

作者：郝帅李发东 College of Geographic Science and Tourism Xinjiang Normal UniversityUrumqi 830054China Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid AreaUrumqi 830054China Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling Institute of Geographic Sciences and Natural Resources ResearchCASBeijing 100101China College of Resource and Environment University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100190China

In arid and semi-arid environments,desert vegetation plays an important role in preventing soil erosion by wind and helps maintain the stability of desert and oasis ecosystems.Four types of typical desert vegetation,namely Populus euphratica,Haloxylon ammodendron,Nitraria sibirica,and Halostachs caspica,corresponding to different habitats(i.e.,river bank,sand dune,desert,and salt marsh)were chosen as the model vegetation in this research.Theδ^(2)H andδ^(18)O for rainwater,soil water,and plant water were applied to identify the water sources and quantify the proportions of different water sources used over the entire plant growth period(from March to October).The results showed that the precipitationδ^(2)H andδ^(18)O in the Ebinur Lake basin varied from-142.5‰to-0.6‰and from-20.16‰to 1.20‰,respectively.The largestδ^(2)H andδ^(18)O values occurred in summer and the smallest in winter.The soil waterδ^(2)H andδ^(18)O of the four habitats decreased gradually with increasing depth.Theδ^(2)H andδ^(18)O values of water extracted from the stems of the four plants had similar variation trends,that is,the maximum was observed in spring and the minimum in summer.Among the four plants,H.caspica had the highest stable isotopic values in the stem water,followed by N.sibirica,H.ammodendron,and P.euphratica.The water sources and utilization ratios of desert vegetation varied across different growth stages.Throughout the growing period,H.ammodendron mainly used groundwater,whereas the water source proportions used by N.sibirica varied greatly throughout the growing season.In spring,plants mainly relied on surface soil water,with a contribution rate of 80%-94%.However,in summer,the proportion of deep soil water used was 31%-36%;and in autumn,the proportion of middle soil water used was 33%-36%.H.caspica mainly relied on topsoil water in spring and autumn,and the proportion of soil water in the middle layer slightly increased to 20%-36%in summer.P.euphratica mainly used intermediate soil water in spring with a utilization rate of 53

关键词： desert vegetation water use stable isotopes of hydrogen and oxygen Ebinur Lake basin

钽酸盐基红色-近红外发光材料的合成与性能调控

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钽酸盐基红色-近红外发光材料的合成与性能调控

作者：李发东贵州大学

学位级别：硕士

钽酸盐荧光粉以其优异的物理化学性质被广泛应用于室内照明和植物生长领域。本文就BaLaTaO掺杂稀土Eu离子和Mn过渡金属离子的红色荧光粉展开了研究,主要研究了荧光粉的最佳掺杂浓度和荧光粉的性能,最后用荧光粉进行白光发光二极管（W-LE... 详细信息

钽酸盐荧光粉以其优异的物理化学性质被广泛应用于室内照明和植物生长领域。本文就BaLaTaO掺杂稀土Eu离子和Mn过渡金属离子的红色荧光粉展开了研究,主要研究了荧光粉的最佳掺杂浓度和荧光粉的性能,最后用荧光粉进行白光发光二极管（W-LED）和植物照明用红光发光二极管（LED）的封装,实现了荧光粉的实际应用。也为后续针对荧光粉的性能调控提供了研究思路。主要的研究有:1.使用高温固相法制备了一系列的BaLaTaO:Eu荧光粉,发现荧光粉在393 nm的激发下在593 nm处发出橙红光,最佳掺杂浓度为0.35 mol。荧光粉的变温光致发光光谱呈现出反常热猝灭的现象,即随着温度的升高先升高后降低。在温度T=473 K时荧光粉的发光强度为室温下的80.62%,封装了基于BaLaTaO:0.35Eu橙红色荧光粉的W-LED器件,W-LED的色度坐标为（0.3097,0.3131）,接近标准白光的色度坐标（0.3333,0.3333）,说明荧光粉可以很好的应用于三基色W-LED。2.使用高温固相法制备了一系列的BaLaTaO:Mn红色荧光粉,荧光粉在358 nm的紫外光的激发下在678 nm处发出深红光,最佳掺杂浓度为0.003 mol,Mn主要受到强晶体场的影响。此外,荧光粉在T=398 K时的发光强度为室温下的47.5%,量子产率达到了30.6%。最后,封装了基于BaLaTaO:Mn荧光粉的红光LED以供评估荧光粉是否可用于植物照明领域。3.为提升BaLaTaO:0.003Mn红色荧光粉的发光强度、热稳定性及量子产率使用高温固相法制备了一系列BaLaTaO:0.003Mn,M（Li,Na,K）荧光粉,其中K离子对荧光粉有极大的提升,在掺杂K离子后,荧光粉的发光强度提升到了原来的176%,荧光粉在T=398 K时的发光强度为室温下的74.7%。量子产率提升到了68.6%。分别封装了基于BaLaTaO:0.003Mn荧光粉和BaLaTaO:0.003Mn,0.009K荧光粉的红光LED,发出的光都可以被植物叶绿素a和植物光敏色素P吸收,说明荧光粉可以很好的应用于植物照明领域。

关键词：红色荧光粉高温固相法白光发光二极管植物照明碱金属掺杂

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融合半变异函数的空间随机森林插值方法

中国生态农业学报（中英文） 2022年第3期30卷 451-457页

作者：王铭鑫范超高秉博任周鹏李发东中国农业大学土地科学与技术学院北京100193 武汉大学遥感信息工程学院武汉430079 中国科学院地理科学与资源研究所北京100011

土壤环境变量具有较强空间异质性,为空间插值精度的提升带来了困难,仅基于空间相关性和空间异质性的空间插值方法难以获得较高的插值精度。机器学习方法能够融合多维辅助变量的信息,提高土壤属性的插值精度,但是不能有效融合空间位置关... 详细信息

土壤环境变量具有较强空间异质性,为空间插值精度的提升带来了困难,仅基于空间相关性和空间异质性的空间插值方法难以获得较高的插值精度。机器学习方法能够融合多维辅助变量的信息,提高土壤属性的插值精度,但是不能有效融合空间位置关系信息进一步改善插值精度。本文基于随机森林空间预测框架,将空间半变异函数与随机森林算法融合,提出了融合半变异函数的空间随机森林插值方法。应用所提出的方法对湖南省湘潭县土壤重金属数据进行空间插值,并与随机森林方法、基于距离的随机森林空间预测方法、普通克里金方法和回归克里金方法进行对比,检验了所提出方法的插值精度。结果表明,融合半变异函数的空间随机森林插值方法相较于传统克里金方法精度提升10%以上,相较于新型机器学习空间插值方法精度提升5%以上,同时基于半变异函数的空间随机森林插值方法的插值制图结果具有更加合理的空间分布和丰富的细节信息。因此,融合半变异函数的空间随机森林插值方法能够有效结合辅助变量信息与空间位置关系信息,有效提高土壤环境变量插值精度。

关键词：空间插值随机森林半变异函数机器学习回归克里金

玛纳斯河流域不同灌区棉田土壤CO和NO排放通量

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水土保持学报 2022年

作者：张梦洁李艳红李发东何新林中国科学院大学资源与环境学院新疆维吾尔自治区重点实验室新疆干旱区湖泊环境与资源实验室新疆师范大学地理科学与旅游学院现代节水灌溉兵团重点实验室中国科学院地理科学与资源研究所石河子大学水利建筑工程学院

为探究石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区之间土壤温室气体排放的差异性,通过长期的野外观测及样品采集,采用静态箱—气相色谱法,于2019年棉花出苗期、花铃期、吐絮期对玛纳斯河流域石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区棉田土壤... 详细信息

为探究石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区之间土壤温室气体排放的差异性,通过长期的野外观测及样品采集,采用静态箱—气相色谱法,于2019年棉花出苗期、花铃期、吐絮期对玛纳斯河流域石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区棉田土壤温室气体进行日观测,应用统计学方法,并结合土壤温度、含水量、pH、有机碳、铵态氮、硝态氮等因素分析。结果表明:(1)土壤CO和NO具有明显的季节变化和日变化,土壤CO和NO排放通量的峰值出现在花铃期,分别为527.160,1.713 mg/(m~2·h)。同时,CO排放通量日变化峰值出现在13:00,NO排放通量日变化峰值出现在17:00,表现为单峰曲线。2种土壤温室气体在生育期内的排放通量在不同灌区之间有所差异,呈现出新湖总场灌区>莫索湾灌区>石河子灌区。(2)土壤CO和NO排放通量受温度影响更为显著,土壤CO和NO均与温度呈显著正相关。石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区Q10分别为1.31～1.82,1.40～2.68,1.32～1.92。(3)石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区在棉花生育期碳库储量分别为3.34,2.93,2.8Tg。

关键词：玛纳斯河流域棉田土壤温室气体

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艾比湖流域典型荒漠植被水分利用来源研究

地理学报 2021年第7期76卷 1649-1661页

作者：郝帅李发东新疆师范大学地理科学与旅游学院乌鲁木齐830054 新疆干旱区湖泊环境与资源自治区重点实验室乌鲁木齐830054 中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100049

在以风沙和干旱为基本特征的干旱、半干旱生态环境中,荒漠植被在防风固沙及维持荒漠和绿洲生态系统的稳定性方面有重要作用。选取艾比湖流域不同生境(河岸、沙丘、荒漠、盐沼)典型荒漠植被胡杨(Populus euphratica)、梭梭(Haloxylon amm... 详细信息

在以风沙和干旱为基本特征的干旱、半干旱生态环境中,荒漠植被在防风固沙及维持荒漠和绿洲生态系统的稳定性方面有重要作用。选取艾比湖流域不同生境(河岸、沙丘、荒漠、盐沼)典型荒漠植被胡杨(Populus euphratica)、梭梭(Haloxylon ammodendron)、白刺(Nitraria sibirica)和盐穗木(Halostachys caspica)为研究对象,运用稳定同位素方法分析降水、土壤水、植株水和地下水同位素组成变化特征,量化4种植被在整个生长期内吸水来源及比例。结果表明:(1)艾比湖流域降水δ2H和δ^(18)O值变化范围为-142.5‰~-0.6‰和-20.16‰~1.20‰,表现为夏季最大,冬季最小,春秋季居中的态势。(2)4类生境条件下的土壤水δ2H和δ^(18)O值沿剖面总体表现为随着深度增加逐渐减小;不同植株茎水δ2H和δ^(18)O值时间变化趋势基本一致,春季最大,夏季最小,秋季又逐渐增加;不同植株间比较,盐穗木茎水稳定同位素值最大,其余依次为白刺、梭梭和胡杨。(3)荒漠植被在不同生长期吸水来源及利用比例不同,梭梭在整个生长期主要利用地下水;白刺利用水源比例在整个生长季内变化较大,春季主要利用表层土壤水,贡献率为80%~94%,夏季利用深层土壤水的比例为31%~36%,秋季利用中层土壤水的比例达到33%~36%;盐穗木春季和秋季主要利用表层土壤水,夏季中间层土壤水比例略有提升,为20%~36%;胡杨春季主要利用中间层土壤水,利用比例为53%~54%,夏季主要利用地下水,比例达到72%~88%,河水利用比例仅为2%~5%,秋季河水利用比例升高为11%~21%。研究结果显示,干旱区荒漠植被生长季内水分利用来源差异明显。本文为了解干旱区荒漠植被的水分利用机理、水分适应策略,以及植被恢复和管理提供理论依据。

关键词：荒漠植被水分利用氢氧稳定同位素艾比湖

玛纳斯河流域不同绿洲生态系统棉田土壤水分-盐分-养分空间变异特征

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农业资源与环境学报 2022年第6期39卷 1133-1144页

作者：陈图峥李艳红李发东何新林新疆师范大学地理科学与旅游学院乌鲁木齐830054 新疆维吾尔自治区重点实验室“新疆干旱区湖泊环境与资源实验室” 乌鲁木齐830054 中国科学院地理科学与资源研究所北京100101 中国科学院大学资源与环境学院北京100190 石河子大学水利建筑工程学院新疆石河子832000

为探讨干旱区山盆体系下不同绿洲生态系统农田的土壤水盐与养分的季节变化和空间变异规律,于2019年5、8、10月在玛纳斯河流域山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带采集膜下滴灌棉田土壤,对土壤水分、盐分、铵态氮和硝态氮进行分析... 详细信息

为探讨干旱区山盆体系下不同绿洲生态系统农田的土壤水盐与养分的季节变化和空间变异规律,于2019年5、8、10月在玛纳斯河流域山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带采集膜下滴灌棉田土壤,对土壤水分、盐分、铵态氮和硝态氮进行分析。结果表明:不同区域的棉田土壤水盐与养分具有季节性变化特征,变异强度属于中等或强变异;各区域的土壤水分和盐分在垂直剖面上呈现随土层加深而增加的趋势,土壤铵态氮和硝态氮在各土层无明显规律性。不同区域的土壤性质差异较大,土壤含水量表现为绿洲与荒漠过渡带(12.89%)>人工平原绿洲(12.80%)>山前绿洲(12.55%),土壤盐分表现为人工平原绿洲(3.44 g·kg^(-1))>绿洲与荒漠过渡带(2.69 g·kg^(-1))>山前绿洲;1.93 g·kg^(-1)),人工平原绿洲和山前绿洲土壤盐分存在显著差异,人工平原绿洲土壤属于轻度盐渍化。土壤铵态氮表现为绿洲与荒漠过渡带(3.77 mg·kg^(-1))>人工平原绿洲(3.53 mg·kg^(-1))>山前绿洲(3.46 mg·kg^(-1)),土壤硝态氮表现为山前绿洲(2.02 mg·kg^(-1))>人工平原绿洲;1.90 mg·kg^(-1))>绿洲与荒漠过渡带(0.77 mg·kg^(-1))。半方差函数分析结果表明,山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带的棉田土壤水盐与养分的块金值小于0.25或等于1,表明不同区域的土壤性质空间自相关性强,但受采样和农业耕种的影响,存在恒定的变异。山前绿洲和绿洲与荒漠过渡带的土壤盐分、铵态氮和硝态氮的理论模型拟合度较高,人工平原绿洲土壤水盐与养分拟合效果欠佳。研究表明,山前绿洲、人工平原绿洲和绿洲与荒漠过渡带土壤水盐与养分变异的主导因素是土壤类型、气候和地下水位,滴灌和施肥是影响土壤水盐与养分分布的重要人为因素。

关键词：玛纳斯河流域绿洲生态系统盐分养分空间异质性