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可变光阑对焦深影响的探究

激光与红外 2024年第1期54卷 116-121页

作者：石琛琛天津师范大学物理与材料科学学院天津300387

传统的标量光场其偏振态空间均匀分布,而矢量光场相较于标量光场其偏振态是空间变化的。这个空域变化的偏振特性使得矢量光场具有更大的调控自由度,在焦场设计、光学微操纵、微加工、以及量子信息领域有着潜在的应用。本文基于Richards-... 详细信息

传统的标量光场其偏振态空间均匀分布,而矢量光场相较于标量光场其偏振态是空间变化的。这个空域变化的偏振特性使得矢量光场具有更大的调控自由度,在焦场设计、光学微操纵、微加工、以及量子信息领域有着潜在的应用。本文基于Richards-Wolf矢量衍射理论,研究了可变光阑以及透镜数值孔径对双环角向偏振光束聚焦特性的影响。结果表明,通过改变光阑大小以及透镜数值孔径,不仅可以改变焦斑光强、焦斑大小,也可以显著改变焦场暗通道的长度,从而生成较长的暗通道。生成的可变焦场暗通道未来可用于光学微操纵以及微加工的应用中。

关键词： Richards-Wolf积分双环角向偏振光束焦深拉盖尔高斯光束

双核心木壳屈曲约束支撑的抗震性能分析与应用

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双核心木壳屈曲约束支撑的抗震性能分析与应用

作者：曹宏琛广州大学

学位级别：硕士

碳中和是当今重要的环保策略,旨在应对气候变化和减少温室气体排放。通过在自重敏感型的单层网壳结构中引入木材,并使用消能减震技术,将木壳屈曲约束支撑发展为大跨空间结构中抗震可选措施之一。本文提出一种双核心木壳屈曲约束支撑(dou... 详细信息

碳中和是当今重要的环保策略,旨在应对气候变化和减少温室气体排放。通过在自重敏感型的单层网壳结构中引入木材,并使用消能减震技术,将木壳屈曲约束支撑发展为大跨空间结构中抗震可选措施之一。本文提出一种双核心木壳屈曲约束支撑(doublecore timber buckling-restrained braces,简称DTBRB),对DTBRB的构造合理性、双核心的优势、重要设计参数、内衬钢板的作用机理等方面通过理论分析和有限元模拟进行探索研究,总结DTBRB的相关理论,将DTBRB替代单层网壳结构中的杆件并进行地震时程模拟,得到消能减震效果。主要工作内容与结论如下:(1)在单核心与双核心性能差异、约束单元加固方式、核心单元厚度影响、核心单元与约束单元接触宽度四个方面对DTBRB进行分组,基于ABAQUS有限元软件检验DTBRB的合理性及构造可靠性,结果指出:DTBRB两块核心板协同工作时,相对于单核心木壳屈曲约束支撑试件的受力更加稳定可靠;DTBRB的滞回曲线无明显“捏拢”现象,骨架曲线、耗能性能表现良好,相比于等屈服力单核心试件,其滞回往复耗能效率更高;DTBRB核心单元外伸段的抗弯承载力较大,端部较难失稳。(2)根据核心单元高阶屈曲时与约束单元接触的挤压力,分析约束单元对核心单元的接触刚度,对内衬钢板对约束单元的贡献进行评价,结果表明,内衬钢板对于整体稳定性不足的约束单元会放大失稳效应,对于整体稳定性较好的约束单元可以很好地增强局部稳定性。(3)通过理论分析和有限元模拟,所得到以上的结果总结为TDBRB相关力学参数,对TDBRB的初始刚度、等效塑性刚度、间隙控制值、整体与局部稳定等进行理论分析和相关公式的推导(4)选取某一单层球面网壳,将DTBRB作为原结构的杆件替代,通过结构计算软件SAP2000对无控网壳和有控网壳进行地震时程分析,分析并评价支撑对网壳结构的减震耗能贡献,为DTBRB的实际应用和网壳结构的消能减震设计进行铺垫。

关键词：双核心木壳屈曲约束支撑接触刚度滞回曲线地震时程分析

植被-梯田措施配置对坡面侵蚀及连通性的影响研究

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植被-梯田措施配置对坡面侵蚀及连通性的影响研究

作者：杨卓琛西安理工大学

学位级别：硕士

水沙连通性的动态变化是全面了解坡面侵蚀源汇区之间物质输移的重要一步,近年来随着数字高程模型（DEM）精度的不断提升、图像处理技术的快速进步以及计算能力的显著提高,水沙连通性研究逐年成为国内外土壤侵蚀研究的热点。前人的研究... 详细信息

水沙连通性的动态变化是全面了解坡面侵蚀源汇区之间物质输移的重要一步,近年来随着数字高程模型（DEM）精度的不断提升、图像处理技术的快速进步以及计算能力的显著提高,水沙连通性研究逐年成为国内外土壤侵蚀研究的热点。前人的研究更多从流域尺度对水沙连通性变化进行计算和评估,而坡面水沙及细沟变化对坡面水沙连通性的影响研究相对较少。因此,本研究以六道沟小流域典型坡面为研究对象,通过野外模拟降雨试验,分析不同措施配置坡面下产水产沙特征及坡面细沟发育规律,研究坡面水沙变化及细沟变化对坡面水沙连通性的影响,取得的主要结论如下:（1）基于野外试验实测数据,分析了不同措施配置坡面产水产沙特征。不同措施配置的坡面产流率均随产流历时的增加呈先增大后趋于稳定的变化趋势,且不同措施配置坡面产沙率之间存在较大差异。全草坡面措施减流效益最好为62.2%,其次为上裸下草措施43.55%;全草坡面措施的减沙效益最好,为97.9%,其次为全梯田措施91.8%。不同措施配置坡面的第二场降雨的减水减沙效益均小于第一场,上裸下草措施减水减沙效益均优于上草下裸措施,全梯田措施减沙效益显著,全草措施减水减沙综合效益最好。（2）根据降雨前、后坡面地貌扫描数据,分析了不同措施配置坡面的下细沟变化规律,结果表明:裸地坡面在连续降雨中均发生明显的细沟侵蚀,梯田措施、草地措施坡面配置在降雨中基本保持稳定;在降雨过程中,坡面土壤侵蚀主要发生在细沟及细沟间;除全梯田、全草措施外,其它4种措施配置坡面均发生不同程度的细沟侵蚀,坡面沿程细沟宽深比均随产流历时的增加呈现先增大后减小的趋势。在两场降雨中,全裸地坡面的细沟水平投影面积、细沟密度、细沟割裂度（无量纲）均最大,分别为942.5cm2,2.25m/m2,1.2×10-2;在坡面细沟的沿程分布上,全裸地坡面中下位置细沟发育规模最大;在细沟发育初始阶段,坡面侵蚀主要以溯源侵蚀及侧向侵蚀为主,之后各阶段以下切侵蚀为主。（3）基于坡面阻抗系数及粗糙度,分别计算了不同措施配置坡面的水文、泥沙连通性。不同措施配置下的坡面水文、泥沙连通性均随降雨的进行逐渐增大;6种措施配置坡面降雨后水文连通性增长率分别为全裸地23.8%、全梯田5.4%、全草1.0%、上草下裸32.0%、上裸下草7.6%、上梯下裸6.3%;泥沙连通性增长率分别为:全裸地59.1%、全梯田14.5%、全草10.2%、上草下裸40.4%、上裸下草52.9%、上梯下裸26.4%。其中对于全裸地坡面措施,细沟割裂度的改变可以更好地表征坡面水文、泥沙连通性空间的变化;对于梯田及草地坡面措施,雷诺数可以更好地表征水文、泥沙连通性空间的变化。

关键词：措施配置坡面产流产沙细沟侵蚀水文连通性泥沙连通性

不同烷基取代酞菁及硅萘酞菁类电子传输材料的设计、合成及光伏应用

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不同烷基取代酞菁及硅萘酞菁类电子传输材料的设计、合成及光伏应...

作者：汪琪琛南昌大学

学位级别：硕士

体相异质结有机太阳能电池是一种由有机材料构成,通过光伏效应产生电流,实现太阳能发电的器件。最近10年来,体相异质结有机太阳能电池迅速发展,主要原因是高性能材料的出现。而相比于性能优异、种类齐全的空穴传输材料,电子传输材料的... 详细信息

体相异质结有机太阳能电池是一种由有机材料构成,通过光伏效应产生电流,实现太阳能发电的器件。最近10年来,体相异质结有机太阳能电池迅速发展,主要原因是高性能材料的出现。而相比于性能优异、种类齐全的空穴传输材料,电子传输材料的发展滞后,因此开发优秀的电子传输材料十分重要。酞菁（Pc）、萘酞菁（Nc）具有较大的共轭体系、良好的化学稳定性、较高的摩尔消光系数,由于酞菁、萘酞菁母体的溶解性较差,未经修饰无法用作于有机太阳能电池的半导体材料。因此在课题组前期得到的酞菁类酰亚胺母体上,引入不同的烷基链,既能调控分子堆积及其在极性溶剂中的溶解性,又能保留酰亚胺基团的吸电子性,降低最低未占分子轨道（LUMO）能级,从而能够有效地应用于新型有机太阳能电池的有机半导体材料。具体研究内容涵盖以下两个方面:1)硅萘酞菁阴极界面层材料的设计、合成与光伏应用研究。以邻二甲苯为起始原料,经过光催化溴化、亚胺化反应、Diels-Alder反应、脱羧、氰基取代反应,最终合成了两个硅萘酞菁酰亚胺化合物12和14。该类化合物具有较低的LUMO能级（-3.79～-3.86 e V）、很高的摩尔消光系数(2.08×10～5M-1 cm-1)、较宽的薄膜吸收范围（600～880 nm）,在甲醇中具有较好的溶解性（约为1mg/m L）。将目标分子作为阴极界面材料,应用于以PM6:Y6作为活性层材料的体相异质结太阳能电池,与未加电子传输材料的太阳能电池（PCE=10.34%）相比,其光电转化效率达到13.13%。2)酞菁酰亚胺受体材料的设计、合成与光伏应用研究。以邻二甲苯为原料,经过光催化溴化、脱水缩合、亚胺化反应、氰基取代六步反应合成了带有3-戊胺和半氟烷基链的酰亚胺空心酞菁化合物18和21。这类化合物具有良好的溶解性,很高的摩尔消光系数(5.92×10～5M-1 cm-1)、较好的LUMO能级以及良好的热稳定性（Td>345℃）,可以作为一类有效的受体材料应用于体相异质结有机太阳能电池。

关键词：酞菁酰亚胺萘酞菁酰亚胺受体材料阴极界面层有机太阳能电池

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基于机器学习的股票趋势预测和投资策略研究

基于机器学习的股票趋势预测和投资策略研究

作者：马美琛河北经贸大学

学位级别：硕士

随着机器学习研究的不断深入,研究者们越来越关注其在金融领域的应用。证券市场是金融投资和融资的主要渠道,股票趋势和投资策略的研究是证券研究的重要内容。而股票数据具有复杂性、相似性等特点而较难预测的问题,且选股方面大多数为... 详细信息

随着机器学习研究的不断深入,研究者们越来越关注其在金融领域的应用。证券市场是金融投资和融资的主要渠道,股票趋势和投资策略的研究是证券研究的重要内容。而股票数据具有复杂性、相似性等特点而较难预测的问题,且选股方面大多数为单一选股或单一择时的模型策略,投资收益并不理想。因此本文利用机器学习相关算法对相关领域进行了一系列研究。针对股票数据较难预测的问题,本文提出一种基于RF-MIC-PCA的股票趋势预测模型。首先对股票因子与类别间的关系强弱进行分析,通过基尼指数构建一种重要性评分规则,对得分较低的因子进行删除;其次,考虑到因子内部存在相互影响,利用最大信息系数构建因子间的相关性评价方法,并融合主成分分析法对冗余因子进行合成,在尽量保留重要信息的基础上减少因子冗余度;最后,通过随机森林算法预测的分类准确率作为衡量标准,对模型进行修正,建立股票趋势预测模型。为验证模型的有效性,通过对沪深300指数、上证50指数以及个股进行实验,结果显示本文提出的模型在数据集维度降低的同时有效提升了模型的预测性能。为构建优质投资组合提高投资收益,本文以XGBoost模型为基础,结合LSTM和注意力机制,提出了一种基于注意力机制的投资策略。首先利用XGBoost模型来预测股票序列的涨跌概率;同时将LSTM模型与注意力机制融合,对沪深300指数的收盘价进行预测,以预测结果来判断市场是否适合进行交易;最后根据交易时机将XGBoost预测结果用于选股,通过排名构建不同投资组合,并进行回测检验模型效果。实验结果表明本文构建的基于注意力机制的投资策略在能够获取高于沪深300指数的超额收益的前提下,也高于其他算法的回测收益,并具有一定的抗风险能力,验证了本文模型的可行性和收益性,为日后学者们的研究工作和股民们的投资策略提供了新的思路和参考作用。

关键词：股票趋势预测最大信息系数长短期记忆网络注意力机制投资策略

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基于超材料的红外宽带吸收器研究

基于超材料的红外宽带吸收器研究

作者：李美琛黑龙江大学

学位级别：硕士

基于超材料的吸收器在光电探测、太阳能电池等领域有很好的应用前景,得到了广泛关注。红外波段作为电磁波的重要组成部分,在热成像、温度检测等领域扮演着重要角色,因此,对红外波段的超材料吸收器的研究具有重要意义。但是当前的红外超... 详细信息

基于超材料的吸收器在光电探测、太阳能电池等领域有很好的应用前景,得到了广泛关注。红外波段作为电磁波的重要组成部分,在热成像、温度检测等领域扮演着重要角色,因此,对红外波段的超材料吸收器的研究具有重要意义。但是当前的红外超材料吸收器仍存在吸收带宽不够宽、平均吸收率不够高等问题,限制了其在实际中的应用。本文设计了基于超材料的红外宽带吸收器,利用时域有限差分法对其进行了理论研究,获得了超宽带、高吸收率的红外吸收。具体工作如下:（1）提出了一种金属-介质-金属结构的近红外宽带吸收器,研究了吸收器的吸收特性并分析了结构参数以及不同材料对吸收性能的影响。根据电磁场分布阐明了超宽带吸收的物理机制,此外,分析了不同入射角度对吸收性能的影响,证明了其具有良好的入射角鲁棒性。（2）提出了一种工作在中远红外非大气窗口波段的超材料吸收器。分析了产生完美吸收的物理机制并评估了吸收器在不同温度下的红外隐身性能。此外,为了拓宽吸收器的工作范围,提出了一种远红外宽带吸收器,结合电磁场分布与阻抗匹配理论,解释了产生宽带吸收的物理机制,并分析了结构参数、介质材料以及入射角度对吸收性能的影响。（3）提出了一种基于相变材料Ge2Sb2Te5（GST）的中远红外可调宽带吸收器。当GST处于非晶态时,其在两个大气窗口波段具有高吸收,而当GST转变为晶态时,其在非大气窗口波段内的吸收率更高。根据GST在不同结晶态情况下的电磁场分布,分析了产生可调吸收的物理机理,并且给出了不同晶化比例下吸收器的吸收光谱。

关键词：超材料吸收器红外宽带可调吸收隐身

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振动辅助微织构乳腺穿刺针的设计及性能研究

振动辅助微织构乳腺穿刺针的设计及性能研究

作者：冯绪琛烟台大学

学位级别：硕士

病理组织学检查结果是乳腺癌诊断的金标准,而活检穿刺是早期获取病理组织最常用的方法。针对现在乳腺活检穿刺过程中穿刺力较大而造成的穿刺损伤及导致的疼痛问题,本文利用仿生微织构与振动辅助相结合的减摩思想,分析了穿刺针与乳腺组... 详细信息

病理组织学检查结果是乳腺癌诊断的金标准,而活检穿刺是早期获取病理组织最常用的方法。针对现在乳腺活检穿刺过程中穿刺力较大而造成的穿刺损伤及导致的疼痛问题,本文利用仿生微织构与振动辅助相结合的减摩思想,分析了穿刺针与乳腺组织的交互作用形式,设计并制备了带微锯齿状针尖及微织构针轴的乳腺穿刺针,通过穿刺测试验证了微织构乳腺穿刺针的减摩有效性;为进一步降低穿刺力,提出了振动辅助的穿刺方法,通过振动辅助穿刺测试,进而验证了振动辅助微织构乳腺穿刺针对降低穿刺力的有益效果。分析了穿刺针与乳腺组织的交互作用形式,得出了针尖的刺破作用以及针轴对组织间的相对摩擦作用。结合针尖与针轴的作用形式,提出了分别在针尖和针轴设计微织构的思路。结合乳腺穿刺针的针尖几何特征,在针尖切削刃上设计了微锯齿状微织构。为降低加工难度,根据实际针尖角度及尺寸关系,采用降维法设计并制备了带有标准化锯齿(H=0.25mm、L=0.6mm、β=63°、θ=17°)的微锯齿状平面穿刺针;进行了3～7mm/s条件下微锯齿状平面穿刺针对猪肉组织的穿刺测试,得出了最优穿刺速度为5mm/s、最佳针尖形貌为后向微锯齿状。结合乳腺穿刺针的套管针轴几何特征,进行了针轴微织构的设计;针对套管针的截面周长和壁厚,初步设计了宽度为～50μm、间距为100～300μm、深度为～50μm的直线、直线交错、圆形、三角形和椭圆形微织构形貌。为了在针轴表面加工出符合设计要求的高质量微织构,首先利用316L医用不锈钢平板优化了微织构的激光加工参数。利用形状简单的直线沟槽微织构在平板上进行了激光加工参数的单因素测试,研究了激光参数对微织构宽度和深度的影响规律;以尺寸优化分数为指标,利用正交测试对激光加工参数进行了优化,确定了最优激光加工参数:扫描次数(1次)、扫描速度(300mm/s)、激光功率(15W)、调制频率(40k Hz)。得到符合设计尺寸的微织构宽度为51.87μm、深度为44.89μm。利用优化后的激光加工参数,在316L医用不锈钢平板上制备了间距分别为100μm、200μm和300μm的微织构阵列;利用水滴角测试和牵拉测试,初步确定了微织构间距和形貌;通过穿刺测试,最终确定了针轴表面最优微织构形貌。在不锈钢平板表面制备了间距不同的沟槽型和微坑型微织构阵列,发现了随微织构间距增大,表面质量升高的特性;对微织构阵列进行了水滴角测试,分析了微织构表面的浸润性,结果表明:随着微织构间距增大,微织构表面润湿性降低,并发现了润湿各向异性的特性。结合润湿各向异性情况,进一步设计并制备了YZ型、SZ型和TZ型混合微织构表面;测量了液滴铺展面积,确定了表面质量高、润湿性能好的微织构形貌为间距200μm的沟槽型和混合型微织构阵列。制备了沟槽型和混合型微织构表面,搭建了软组织-平板牵拉测试平台,对猪肉组织切块进行牵拉测试,初步确定了直线沟槽和YZ型为减摩优异的微织构形貌。结果表明:与光滑表面对比,无润湿条件下直线沟槽微织构摩擦力降低11.6%,润湿条件下YZ型微织构摩擦力降低23.5%。最后通过穿刺测试,确定了减摩性能最优的针轴表面微织构形貌为YZ型。为进一步降低穿刺力,提出了振动辅助微织构的穿刺方法,通过穿刺测试验证了振动辅助穿刺的有效性,并优化了振动参数。搭建了振动辅助穿刺平台,以微织构穿刺针为主要研究对象,进行不同振动参数辅助穿刺的单因素测试。结果表明:相比无振动条件,振动辅助条件下的刺破力整体降低约62.4%,穿刺摩擦力增长率降低约38.7%;在振幅不变的情况下,随着振动频率的增大,最大穿刺力整体呈下降趋势,降低约38.7%。同时,通过灰色关联分析法,得出了最优振动辅助参数:振动频率(250Hz)、振动幅值(20μm),最大灰色关联度值(0.843)。基于最优振动参数对微锯齿状平面穿刺针进行穿刺测试,验证了振动辅助降低穿刺力的效果。

关键词：穿刺针微织构表面润湿性穿刺力振动穿刺

激光诱导石墨烯微米结构疏水表面制备及其防除冰性能研究

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激光诱导石墨烯微米结构疏水表面制备及其防除冰性能研究

作者：李世琛中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

结冰被认定为影响当前航空器安全运行的关键气象因素之一。当前传统防除冰技术不能够满足航空器发展的需要,迫切需要开发新型复合式防除冰新技术。基于精度高、可图案化、经济高效的激光诱导石墨烯技术构建“被动防冰+主动除冰”的航空... 详细信息

结冰被认定为影响当前航空器安全运行的关键气象因素之一。当前传统防除冰技术不能够满足航空器发展的需要,迫切需要开发新型复合式防除冰新技术。基于精度高、可图案化、经济高效的激光诱导石墨烯技术构建“被动防冰+主动除冰”的航空器复合型防除冰新技术开拓了新思路。本文基于激光诱导石墨烯技术开展复合型防除冰表面设计与优化,利用模拟仿真筛选较优激光参数组合;通过线阵列图案设计和激光功率参数调整初步构建疏水石墨烯表面;进行扫描速度、阵列线间距参数的优化,提高表面防除冰性能,最终实现疏水/超疏水/电热功能耦合的防除冰表面。主要研究:(1)利用COMSOL Multiphysics软件建立“光-热-力”耦合模型,研究激光参数对基底温度和热应力的影响,优化激光参数组合;(2)对激光扫描轨迹进行周期性线阵轨迹设计,探究激光功率对石墨烯生成物质量的影响规律,初步形成疏水/电热表面;(3)分析扫描速度和线间距对石墨烯表面结构的影响规律,通过优化提升延迟结冰/电热除冰性能,形成疏水/超疏水/电热功能耦合防除冰表面。仿真模拟和实验验证结果表明:(1)激光功率是影响光热效应和石墨烯生成的主要因素,光斑直径与扫描速度为次要因素,影响规律与激光能量分布密切相关;(2)功率偏小(3 W)或过大(7 W)会导致石墨烯表面出现缺陷结构,功率为5 W功率时制备的石墨烯表面表现疏水性和稳定焦耳热效应;(3)扫描速度的适当提升,有助于接触角的增大(134.5°-147.7°),形成了延迟结冰效果(延长1.80-2.36倍)和低能耗(0.09 W-1.82 W)的电热效果(45℃-246.9℃),实现了疏水防冰功能;(4)线间距增加至200μm,获得扫描速度与石墨烯线宽之间呈线性负相关关系,实现了超疏水性能(151°)和延迟结冰效果提升(延长2.23-2.61倍),验证了电热效应的除冰效果,实现了稳定防冰和高效除冰功能的耦合。综上所述,激光诱导石墨烯技术在主动/被动复合型防除冰功能一体化制造方面具有优势和潜力,且能够实现结构的精准调控和稳定的性能,为复合型防除冰表面设计与制备提供了新思路、新方法。

关键词：激光诱导石墨烯线阵列疏水表面防除冰延迟结冰电热除冰

济南市主城区空间形态对地表温度影响的交互关系及空间效应

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干旱区资源与环境 2024年第3期38卷 65-74页

作者：沈中健赵亚琛山东大学土建与水利学院济南250061 山东大学城乡人居环境研究中心济南250061

基于济南市主城区的三维建筑数据、Landsat遥感影像等多源数据,运用地理探测器、空间杜宾模型等方法,分析空间形态对地表温度影响的作用关系及空间效应。结果表明:1)研究区域地表温度呈显著的空间正相关性,高值区主要位于城市中心区域,... 详细信息

基于济南市主城区的三维建筑数据、Landsat遥感影像等多源数据,运用地理探测器、空间杜宾模型等方法,分析空间形态对地表温度影响的作用关系及空间效应。结果表明:1)研究区域地表温度呈显著的空间正相关性,高值区主要位于城市中心区域,低值区多位于南、北边缘地带。2)局部区域地表温度同时受到该区域形态因子的交互作用及邻近区域空间形态的影响。绿地比例、水域比例、农田比例对地表温度呈负向影响,不透水面比例、建筑均匀指数普遍呈正向影响。局部地区至道路、工业区、蓝绿空间的距离对本地区地表温度的影响显著,而对邻近区域的影响较弱。3)各形态因子对地表温度的影响在不同空间形态分区中存在空间分异。在空间开敞的建成区,地表温度易受周边道路、工业区、蓝绿空间及建筑格局的影响。在建筑密集区域,不透水面比例与建筑形态因子的交互作用较强,建筑密度、建筑高度的负向作用凸显。在自然地表密集区域,绿地比例、水域比例、农田比例、至工业区距离对地表温度的影响显著。根据研究结论,建议采取多维形态因子协同优化及空间联动的策略,并因地制宜、分类施策,以减缓热岛效应。

关键词：地表温度空间形态城市热岛地理探测器空间杜宾模型济南