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基于Sentinel数据和机器学习的高分辨率水稻种植范围提取方法研究

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基于Sentinel数据和机器学习的高分辨率水稻种植范围提取方法研究

作者：桑国庆湖南科技大学

学位级别：硕士

水稻是发展中国家主要的粮食作物之一,对缓解人口增长对粮食需求的压力、维持区域及全球粮食安全具有重大意义。准确、及时获取高分辨率水稻种植时空分布信息可为发展智慧农业、保障国家粮食安全、调整优化农业生产结构、合理利用水资... 详细信息

水稻是发展中国家主要的粮食作物之一,对缓解人口增长对粮食需求的压力、维持区域及全球粮食安全具有重大意义。准确、及时获取高分辨率水稻种植时空分布信息可为发展智慧农业、保障国家粮食安全、调整优化农业生产结构、合理利用水资源提供重要数据支持。本文利用Google Earth Engine遥感云计算平台的优势,协同10 m分辨率的Sentinel-1SAR和Sentinel-2 MSI数据,在建立湖南省水稻生长期光谱、极化特征等先验知识的基础上,构建水稻遥感识别经验决策树模型和基于机器学习算法(随机森林、支持向量机和分类回归树)的高分辨率水稻种植范围提取模型。为实现水稻种植大范围、高精度提取,在机器学习提取模型构建过程中,对影像合成的时间窗口、特征组合进行优化。并从不同分类算法、混合像元和尺度效应3个方面综合分析水稻种植范围遥感估算的不确定性,实现水稻种植范围遥感估算精度的综合评估。建立湖南省2017—2021年高分辨率水稻空间分布数据集,并分析其时空分布特征。得出如下主要结论:(1)协同Sentinel-1 SAR、Sentinel-2 MSI时序遥感影像基于水稻生长期光谱特征、极化特征等先验知识构建的水稻种植范围经验决策树模型,总体精度为93.97%,Kappa系数为0.908,整体达到了水稻种植范围高精度提取的要求。对经验决策树模型中2种方法进行比较,发现EVI光谱特征法的水稻提取精度优于VH极化特征法,但光谱特征法因受云覆盖影响难以完全提取水稻种植范围。(2)针对水稻种植大范围且高精度提取的应用需求,对Sentinel-1/2影像合成的时间窗口大小进行率定,确定了水稻提取的最佳影像合成时间窗口。相比其它特征组合方式,融合光谱、指数、极化和地形特征的水稻识别效果最佳,总体精度、Kappa系数分别可达96.70%、0.945。基于最佳时间窗口影像合成、最优特征组合,对比不同分类算法的水稻提取性能,表明随机森林>支持向量机>经验决策树模型>分类回归树。(3)综合分析不同分类算法、混合像元对水稻种植范围遥感估算的不确定性,结果表明发展的经验决策树模型和随机森林分类算法对混合像元分类表现出较强的能力,水稻提取精度高于支持向量机和分类回归树算法。在空间分辨率相同的情况下,水稻种植范围遥感估算的平均区域精度随空间范围的扩大而提高;在空间范围相同的情况下,平均区域精度随空间分辨率的降低而下降;水稻种植越密集,平均区域精度越高;水稻种植密集程度相同的情况下,空间分辨率越高,平均区域精度越高。(4)湖南省水稻种植空间分布呈现单-双季水稻混合种植的结构特点,单季稻分布范围较广,双季稻集中分布在岳阳、益阳和常德三市。水稻种植面积年际间变化较小,但双季稻种植面积整体呈减少趋势。单、双季水稻分布与高程、坡度和气温的关系显著,分布指数随高程和坡度的增大逐渐下降,随气温的升高逐渐上升;水稻主要分布在海拔200 m以内、坡度小于6°、年均气温大于17℃的区域;双季稻更倾向于种植在海拔较低、地势平缓和年平均气温较高的区域。

关键词：水稻遥感提取 Sentinel-1/2 Google Earth Engine 机器学习物候特征

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区域干旱风险管理研究

区域干旱风险管理研究

作者：桑国庆山东大学

学位级别：硕士

干旱是一种常见的自然灾害，同时具有自然和社会属性。随着人类社会的进步和发展，干旱带来的危害越来越大，它是未来人类所必须关注的灾害之一。以往干旱常被视为极值事件，属于突发事件的范畴。由此形成的干旱应对模式也属于应急性... 详细信息

干旱是一种常见的自然灾害，同时具有自然和社会属性。随着人类社会的进步和发展，干旱带来的危害越来越大，它是未来人类所必须关注的灾害之一。以往干旱常被视为极值事件，属于突发事件的范畴。由此形成的干旱应对模式也属于应急性的，即危机管理模式，其更多侧重于灾害发生后的应急管理和灾害恢复，很少在干旱发生前作出有效反应，没有从根本上降低干旱发生的可能性及随后可能的损失和影响。因此，社会总是从“一次干旱灾害走向下一次干旱灾害”。而实际上，干旱灾害不只是“一次性突发事件”，过去干旱经常发生，未来也必将经常发生。干旱本身是一种风险，一直存在于我们身边，属于社会常态问题。在一定的情况下这种风险将会转化为灾难性的损失。随着干旱对社会可持续发展造成的影响越来越大，频繁发生的严重干旱灾害使人们认识到危机管理模式在应对干旱及反应方面的不足。这就促使我们将工作重点更多的放在干旱发生前的预防和准备工作上来，以寻求一种更为积极的干旱管理方式，即干旱风险管理模式。风险管理最早起源于商业领域，并且已经在企业经营管理中得到了很好的应用和发展。企业风险管理是指企业运用各种金融或非金融的工具和手段，按照一定的方法和程序对风险进行评估、监测和控制，以降低风险、规避风险、消除风险或减少风险，其目的是要将风险可能造成的影响和损失控制在可接受范围内。本文将风险管理引入区域干旱管理中来，提出了区域干旱风险管理理念。区域干旱风险管理是指政府和各职能部门运用各种手段，按照一定的方法和程序对干旱风险进行评估、监测和控制，以降低干旱发生的可能性，并将干旱可能造成的影响和损失控制在可接受范围内的一种管理模式。区域干旱风险管理强调在干旱灾害发生前着手准备、监测和预测和干旱的发生、并确定相应的抗旱措施，目的是降低随后而来的干旱事件的影响。其主要流程可分为三个步骤：干旱风险评估、干旱监测及预测和干旱风险控制。本文将该管理模式应用于济南市和山东省的干旱管理工作中，分别对其各自干旱风险进行评估，建立监测和预测体系以监测干旱的发生发展、预测评价干旱趋势，并提出有针对性的降低干旱风险的措施，力求降低干旱发生的可能性，并将随后的损失和影响控制在可接受的范围。

关键词：干旱风险评估预测控制

考虑顶托效应的山丘区洪水模拟及水力特征分析

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济南大学学报(自然科学版) 2024年

作者：张雪羿桑国庆刘阳济南大学水利与环境学院

针对山丘区河道山洪频发，干支流顶托条件下放大山洪效应，增大山洪灾害风险的现状，以浔河、沭河为研究对象，构建一-二维耦合水动力学模型模拟洪水演进及淹没情况，分析干、支流洪水遭遇概率并设定顶托组合工况，选取壅水距离、壅水... 详细信息

针对山丘区河道山洪频发，干支流顶托条件下放大山洪效应，增大山洪灾害风险的现状，以浔河、沭河为研究对象，构建一-二维耦合水动力学模型模拟洪水演进及淹没情况，分析干、支流洪水遭遇概率并设定顶托组合工况，选取壅水距离、壅水高度、流量、淹没面积、淹没历时等指标，分析干支流顶托工况下洪水水力特征变化规律。结果表明：浔河受沭河顶托工况下，山洪放大效应明显，且与沭河洪水量级成正比；浔河上游来水条件一定时，沿程壅水距离、壅水高度、流量降幅随着沭河洪水量级的增大而增加，在浔河洪水重现期20 a、沭河洪水重现期200 a的工况下，较非顶托工况沿程壅水高度达3.9 m，最大影响范围距交汇口8.48 km，沿程平均流量减小15.6%；当浔河与沭河洪水量级相对增大时淹没指标影响显著增加，在浔河洪水重现期50 a、沭河洪水重现期200 a的工况下，淹没范围达17.46 km2，淹没历时达26.7 h，分别较同量级浔河洪水的非顶托工况增加了90%、55%。

关键词：山洪灾害顶托水动力学模型水力特征

黄河下游支流大汶河鱼类多样性及影响因子分析

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水资源保护 2020年第6期36卷 31-38,52页

作者：郑从奇武玮魏杰庄会波桑国庆山东省水文局山东济南250002 济南大学水利与环境学院山东济南250022 大连海洋大学水产与生命学院辽宁大连116023

为了解黄河下游支流大汶河鱼类多样性及其与环境因子的关系,分别于2017年4月和10月对大汶河24个采样点进行鱼类及环境调查,采用冗余分析方法识别了影响大汶河鱼类个体数量和多样性指数的主要环境因子。结果表明:2017年共采集到鱼类8 299... 详细信息

为了解黄河下游支流大汶河鱼类多样性及其与环境因子的关系,分别于2017年4月和10月对大汶河24个采样点进行鱼类及环境调查,采用冗余分析方法识别了影响大汶河鱼类个体数量和多样性指数的主要环境因子。结果表明:2017年共采集到鱼类8 299尾,隶属于4目16科25种,其中鲤科鱼类共15种;鱼类多样性和均匀性较差,优势种以鲫(Carassius auratus)、■(Hemiculter leucisclus)和乌鳢(Channa argus)等耐受性较强的平原性鱼类为主;大汶河鱼类物种数量、生物量和多样性指数的季节性变化不显著,但是秋季个体数量显著大于春季;影响大汶河鱼类个体数量的主要环境因子是水深和河宽,而影响鱼类多样性指数的主要环境因子是DO。

关键词：鱼类多样性物种分布环境因子黄河下游大汶河

基于时空分解的梯级泵站输水系统运行效率计算方法与应用

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农业工程学报 2017年第6期33卷 67-75页

作者：桑国庆张双虎张林宋淑馨济南大学资源与环境学院济南250061 中国水利水电科学研究院北京100038 南水北调东线山东干线有限责任公司济南250012

针对大型串并联梯级泵站输水系统存在组成复杂性和运行动态性,难以对实时运行状态进行评价和优化的问题,提出了一种基于时空分解的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法。在空间上将系统划分为并联系统、串联系统、泵站和输水子系统... 详细信息

针对大型串并联梯级泵站输水系统存在组成复杂性和运行动态性,难以对实时运行状态进行评价和优化的问题,提出了一种基于时空分解的串并联梯级泵站输水系统运行效率计算方法。在空间上将系统划分为并联系统、串联系统、泵站和输水子系统。在时间上将动态调度过程划分为若干个平衡状态,定量计算水力、水量损失等影响因素。基于能量传输、转化原理,将各变量进行归一化处理,依次建立泵站、输水子系统和串、并联系统运行效率表达式,可对各子系统及整体实时运行效率进行计算,并为后期系统运行效率优化提供了参考。结合2016年典型并联梯级泵站输水系统调度运行数据,对该方法进行了实践。结果表明,与传统运行效率计算方法相比,该方法在效率计算的实时性和全面性上有明显提升。不仅能够直观反映各级泵站实时运行情况,还可定量评估各输水渠道以及系统整体运行情况,有助于发现影响系统运行效率的薄弱环节,为实时调度提供参考。

关键词：泵优化效率梯级泵站输水系统

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梯级泵站输水系统运行效率优化模型

系统工程理论与实践 2014年第8期34卷 2179-2185页

作者：桑国庆曹升乐郭瑞官庆朔白咸勇济南大学资源与环境学院济南250022 中国水利水电科学研究院北京100038 山东大学土建与水利学院济南250061 国务院南水北调工程建设委员会办公室北京100000

大型梯级泵站输水工程是由泵站、拦污栅和渠段等设备、设施组成的复杂系统.梯级泵站输水系统运行效率是反映系统运行状态的重要指标,也是影响输水费用的主要因素.针对梯级泵站输水系统运行效率影响因素进行分析,提出梯级泵站输水系统运... 详细信息

大型梯级泵站输水工程是由泵站、拦污栅和渠段等设备、设施组成的复杂系统.梯级泵站输水系统运行效率是反映系统运行状态的重要指标,也是影响输水费用的主要因素.针对梯级泵站输水系统运行效率影响因素进行分析,提出梯级泵站输水系统运行效率指标体系及函数表达式,在此基础上建立系统运行效率优化模型,以各影响因素为决策变量,寻求梯级泵站输水系统最优运行效率,以及对应的梯级间水力优化运行方案和各级泵站优化运行方案.以南水北调东线韩庄运河输水工程为应用实例,优化结果表明,该优化模型能够有效提高系统运行效率,可为梯级泵站输水系统经济运行提供技术支撑.

关键词：梯级泵站输水系统运行效率优化模型

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落差指数在线推流在小柳巷水文站的应用

人民黄河 2022年第S01期44卷 10-11页

作者：桑泽栋桑国庆安徽省滁州水文水资源局安徽滁州239000 济南大学水利与环境学院山东济南250000

小柳巷水文站测流断面受上游来水以及下游洪泽湖变动回水顶托的综合影响。由于该站断面水位流量关系呈逆时针绳套曲线,水文定线规律难以率定,因此不能采用单一的水位流量关系线,给测站日常流量测验、水文资料整编和水文情报预报工作带... 详细信息

小柳巷水文站测流断面受上游来水以及下游洪泽湖变动回水顶托的综合影响。由于该站断面水位流量关系呈逆时针绳套曲线,水文定线规律难以率定,因此不能采用单一的水位流量关系线,给测站日常流量测验、水文资料整编和水文情报预报工作带来一定难度,传统的人工流速仪测流耗时长,随着时代进步无法满足日常高效快捷的测验要求,无法准确、高效、快捷地为防洪调度提供数据决策支撑。本文以小柳巷水文站20210702、20210716两场洪水实测流量资料为基础,利用水位落差指数法(本文采用临淮关水位站水位),借用落差方程建立新型水位流量关系进行推流计算,与实测流量对比分析表明,该方法误差小、精度较高,可为水文站流量定线推流、水文资料整编、水文预警预报提供数据支撑。

关键词：落差指数法水位流量关系水文测验在线推流

基于遥感生态指数的济南市生态环境质量动态监测

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生态科学 2024年第5期43卷 175-182页

作者：郑彩之边振桑国庆济南大学水利与环境学院济南250022

城市的快速发展往往会引起生态环境质量的变化,为了促使区域社会经济稳健可持续发展对其生态环境质量评估是非常必要的。以济南市作为研究对象,利用2002—2021年Landsat遥感影像数据,通过计算WET、NDVI、LST、NDBSI,运用主成分分析法对... 详细信息

城市的快速发展往往会引起生态环境质量的变化,为了促使区域社会经济稳健可持续发展对其生态环境质量评估是非常必要的。以济南市作为研究对象,利用2002—2021年Landsat遥感影像数据,通过计算WET、NDVI、LST、NDBSI,运用主成分分析法对各个分量指标进行分析进而构建RSEI模型。结果表明:(1)2002—2021年济南市RSEI均值分别为0.529、0.502、0.565、0.591,呈先下降后上升趋势,总体处于中等水平;(2)生态环境改善地区主要分布在济南市西北部,生态环境退化地区主要分布在中部、北部、东南部;(3)济南市生态环境变化与NDBSI关系最密切,4年平均相关度为0.715,为进一步分析NDBSI指标对环境质量的影响,对其分量指标IBI和SI指标进行数值分析以及空间分析,IBI指标和SI指标4年平均值为0.565、0.356,通过空间分析IBI指标值较高区域范围与RSEI指标较低区域范围具有高度的吻合度,在NDBSI指标中IBI指标是对济南市生态环境质量产生负面影响的主要因素,表明城镇化的快速发展对生态环境造成一定程度的破坏。

关键词：遥感生态指数生态环境质量主成分分析济南市

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SCS-CN模型在小流域产流计算中的应用

人民黄河 2022年第5期44卷 35-39,45页

作者：张晓涵桑国庆济南大学水利与环境学院山东济南250022

山洪灾害的发生与流域产流特性密切相关,科学准确预测流域径流对山洪预警具有重要意义。SCS-CN模型因其计算过程简单、所需参数较少而广泛应用于小流域径流估算,径流曲线数CN和初损率λ是SCS-CN模型中的两个主要参数。选取沂源县为研究... 详细信息

山洪灾害的发生与流域产流特性密切相关,科学准确预测流域径流对山洪预警具有重要意义。SCS-CN模型因其计算过程简单、所需参数较少而广泛应用于小流域径流估算,径流曲线数CN和初损率λ是SCS-CN模型中的两个主要参数。选取沂源县为研究区,运用ArcGIS软件计算沂源县24个小流域的CN值,并根据实测降雨径流资料优化初损率λ,确定适用于高村河小流域的初损率λ为0.13,其模型效率系数E为0.789 7,研究得出的径流曲线数和初损率取值可用于沂源县小流域的地表径流预测。

关键词： SCS-CN模型小流域径流曲线数初损率