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黄河流域景观结构对水质影响的混合尺度效应研究

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黄河流域景观结构对水质影响的混合尺度效应研究

作者：豆荆辉西北大学

学位级别：硕士

黄河是我国的母亲河,过去很长一段时期受高强度人类活动影响下,流域水环境退化问题较为严重。土地作为污染物的载体,其利用方式和空间格局对水质都有显著的影响,如何探求人类活动影响下的景观结构变化对大尺度流域地表水质量的影响,从... 详细信息

黄河是我国的母亲河,过去很长一段时期受高强度人类活动影响下,流域水环境退化问题较为严重。土地作为污染物的载体,其利用方式和空间格局对水质都有显著的影响,如何探求人类活动影响下的景观结构变化对大尺度流域地表水质量的影响,从而更加科学的规划土地和空间的管理成为当前国家的生态文明建设的重要需求。然而,大尺度流域的水环境退化成因机制十分复杂,人类干扰下的土地利用变化影响的尺度效应定量识别仍然是当前地理与环境交叉学科难点。本研究面向新时期黄河生态保护修复国家战略需求,以黄河全流域为研究对象,采用2018年黄河干支流113个监测站(678组)水质数据,发展了一种以“混合缓冲区的划分-驱动因子识别-非线性分析”为主线的综合研究方法,在28个不同尺度建立了水质与45个景观格局指数的响应关系,采用冗余分析和广义相加模型分析不同缓冲区划分方式下景观结构对水质的影响,定量揭示了黄河流域导致主要水污染变化的景观结构主要驱动因子及尺度效应。本研究相关成果和结论如下:(1)辨识黄河水质在旱季和雨季的空间差异特征。黄河流域水质主要污染指标为总氮(TN),在空间上水质由差到好依次为中游>下游>上游;水质在旱季和雨季的变化不仅受降雨的影响,也和景观结构紧密联系。大部分站点在雨季水质浓度降低,在农业畜牧业发达的地方,以及一些支流的上游的水质站点在雨季水质更差,化学需氧量(COD)是雨季水质变差的敏感指标。(2)揭示黄河流域不同尺度下景观结构特征。通过对各站点进行了子流域、河岸宽度(stream buffer,bs)=200m,500m,1000m河岸带缓冲区,以及半径(circular buffer,bc)=1km,5km,10km,15km,20km,25km的圆形缓冲区相交组成的28个混合缓冲区的划分与景观指数的量化。黄河流域的景观组成以林地、耕地和建设用地为主,且在空间上表现为自上游到下游林地面积占比逐渐降低,耕地和建设用面积占比逐渐升高的趋势。随着缓冲区划分范围的增大,景观格局在不同尺度上呈现出离散性增强(景观分割度和分离度增大),景观越破碎的趋势(最大斑块面积占比和斑块密度减小)。相对圆形缓冲区尺度及子流域尺度,河岸带尺度的景观组成多样性更高。(3)阐明了混合缓冲区划分方式下流域景观结构对与水质影响的最佳尺度范围。总体来看,相比于旱季,景观结构对黄河流域水质的影响具有在雨季影响范围更集中,影响程度更大的趋势。然而,在不同尺度上,对于水质影响最大的景观指数不同。在45个景观格局指数中筛选得到的对雨季水质影响最大的景观变量组及对应最佳尺度分别为;建设用地面积B-CA(子流域),建设用地最大斑块面积占比B-LPI(bc=1km,bs=200m),农业用地面积A-CA(bc=20km,bs=1000m),农业用地最大斑块面积占比A-LPI(bc=25km,bs=1000m),林地分离度F-Split(bc=1km),未利用地分离度U-Split(bc=margin),水域分离度W-Split(bc=5km,bs=500m),草地分割度G-Division(bc=20km,bs=500m)。(4)定量揭示了黄河主要污染物水质指标对景观变量组的非线性响应关系。相同景观指数对不同水质指标的贡献度不同。关键景观变量组对TN、TP和COD的解释率均达到了80%以上。对水质变化有显著影响的景观指数主要以建设用地和农业用地面积相关,其次为水域分离度。其中B-CA对COD的解释率最大为43.7%,且当B-CA>50000ha时对营养物质和有机物的影响迅速增大。对TN变化有显著贡献的指标农业用地面积A-CA(50.2%),对TP变化有显著贡献的指标为A-LPI(41.7%)。当A-LPI<50%时,该指标对TP,COD的影响波动上升,随后对水质的影响呈现波动下降的趋势。进而发现了农业用地变化是导致黄河流域水质变差的主要原因,探索揭示了黄河流域水环境退化的主要关键因素和影响控制范围,为黄河流域水环境管理与土地资源可持续利用提供了科学参考。(5)提出了黄河流域水环境治理与土地资源可持续利用管理建议。基于大量数据和多种分析手段研究结果,发现了人类活动是导致黄河流域水环境质量变化的主要原因,聚焦农业用地等主要制约因素,综合提出了面向新时期黄河流域的水环境治理与空间发展管控建议,包括针对源景观应科学管控集约农业,控制子流域内建设用地发展规模,落实生态红线。严控监测断面较近的灰水排放。农业用地面源污染负荷应着重减少,发展科学农业。针对汇景观应合理开发规划河岸带内的土地利用,减少未利用土地的面积,增强林地的连通性。

关键词：黄河流域水环境质量景观结构混合缓冲区广义相加模型

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非参数模型在河湖富营养化研究领域应用进展

环境科学研究 2021年第8期34卷 1928-1940页

作者：豆荆辉夏瑞张凯邹磊宋进喜塔拉西北大学城市与环境学院陕西省地表系统与环境承载力重点实验室陕西西安710127 中国环境科学研究院水生态保护修复研究室北京100012 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程院重点实验室北京100101

河湖富营养化过程受流域水污染、生境破坏和闸坝控制等多因素非线性叠加影响,在一定程度上限制了常规水生态机理模型的模拟精度.非参数模型以其强大的数据分析能力在河湖水生态问题诊断和预测方面得到了广泛应用,该文系统梳理了国内外... 详细信息

河湖富营养化过程受流域水污染、生境破坏和闸坝控制等多因素非线性叠加影响,在一定程度上限制了常规水生态机理模型的模拟精度.非参数模型以其强大的数据分析能力在河湖水生态问题诊断和预测方面得到了广泛应用,该文系统梳理了国内外近20年来河湖富营养化非参数模型的相关研究成果,通过Citespace开展基于WoS与CNKI数据库的相关文献大数据可视化分析,全面阐明了结构方程模型(SEM)、贝叶斯网络(BN)、支持向量机(SVM)、人工神经网络(ANN)、随机森林(RF)、梯度推进机(GBM)、广义相加模型(GAM)等主流非参数模型在河湖富养化营研究中的适用性与局限性,对具有相似特征的模型进行对比分析并提出展望,以期为水生态模拟相关研究提供科学有效的方法支撑.结果表明:非参数模型在河湖富营养化研究领域中的应用呈指数增长趋势,其中SEM、BN、RF、GBM和GAM模型适用于河湖富营养化问题的诊断和驱动要素识别,BN、ANN、SVM、RF、GBM和GAM具有良好的非线性拟合预测能力.非参数模型将是今后一段时期内开展水生态大数据分析诊断和预测管控的关键技术手段.综合考虑区域异质性与多重环境因子在不同时空尺度上响应关系及强人类活动干扰下的河流水生态退化风险,利用生态机理模型与非参数模型耦合求解与优化算法引入,精准识别水生态健康退化的环境压力阈值,开展变化环境下的水生态退化风险预测预警,将是未来非参数模型在河湖富营养化应用研究的重要方向.

关键词：富营养化非参数模型问题诊断预测预警对比分析

GIS和RS技术应用于流域水生生物时空分析的研究进展

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环境科学研究 2021年第11期34卷 2674-2685页

作者：黄彤辉夏瑞后希康邹磊宋进喜任源鑫孙浩豆荆辉中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012 西北大学城市与环境学院陕西省地表系统与环境承载力重点实验室陕西西安710127 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101

近年来地理信息系统(GIS)和遥感系统(RS)(简称“2S技术”)在水文和环境领域得到了较为广泛的应用,但是如何在大流域尺度开展水生生物时空分析和退化诊断仍然是当前水生态学科的难点问题.本文面向新时期国家水生态质量管理重要需求和水... 详细信息

近年来地理信息系统(GIS)和遥感系统(RS)(简称“2S技术”)在水文和环境领域得到了较为广泛的应用,但是如何在大流域尺度开展水生生物时空分析和退化诊断仍然是当前水生态学科的难点问题.本文面向新时期国家水生态质量管理重要需求和水生生物时空诊断学术前沿,全面梳理总结了近20年来2S技术在水生生物领域的研究进展,分别从GIS和RS的技术方法和应用等方面阐明了2S技术的适用性和优缺点.结果表明:近年来国内外针对2S技术在水生生物时空分析中的应用研究成果数量呈显著上升趋势,水生植物和叶绿素是该领域的研究热点;GIS技术在流域水生生物时空分析中的常用方法包括缓冲区分析法、叠加分析法和空间插值法,可以进行缓冲带划定、水生生物时空信息获取和趋势分析;RS技术可实现长序列水生生物数据的快速获取,主要包括经验模型、半经验模型和机理分析模型,可从空间尺度实现对水生生物的反向溯源和正向模拟预测.2S技术的联合应用将是未来大尺度水生态问题诊断的重要技术手段和发展趋势,能更好地定性和定量识别流域水生生物的时空变化规律;加快研发水生生物自动监测与快速识别等智能监测设备,实现5G技术、大数据分析、云计算、AI与2S技术的深度融合将是今后大尺度水生态时空问题诊断的重要发展趋势.

关键词： GIS RS 流域水生生物时空分析

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多对象情境中一级视觉视角采择的自发性表现

心理学报 2024年第4期56卷 421-434页

作者：豆艳李晶南京师范大学心理学院南京210097 江苏开放大学教学质量管理办公室南京210036

本研究设计了3项实验探究多对象情境中一级视觉视角采择的自发性表现。实验1通过改编经典的任务范式,验证了一级视觉视角采择的过程是可以自发产生的观点。实验2增加了一个虚拟对象,结果发现存在多个对象的情况下,尤其是对自我视角进行... 详细信息

本研究设计了3项实验探究多对象情境中一级视觉视角采择的自发性表现。实验1通过改编经典的任务范式,验证了一级视觉视角采择的过程是可以自发产生的观点。实验2增加了一个虚拟对象,结果发现存在多个对象的情况下,尤其是对自我视角进行判断时,虚拟对象所看到的客体数量一致性会产生群体视角作用,影响任务绩效。实验3将虚拟对象看到的客体数量设定为不一致,证明对象间视线的一致性也会吸引被试的注意,在自我视角和他人视角条件下产生不同的影响作用。总之,在多对象情境中,无论该视角是否为目标视角,人都会高度灵活、自发地对他人视角进行采择,这一过程受到“本人-目标对象-无关对象”三者间关系的影响,呈现出基于情境的特有表现。

关键词：一级视觉视角采择自发性多对象自我中心干扰非自我中心干扰

基于专利异构数据融合的技术演化路径识别方法研究

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情报杂志 2024年

作者：侯艳辉荆明月王家坤山东科技大学经济管理学院

[研究目的]针对目前技术演化分析中多关注专利文本,忽略专利引文信息的问题,提出一种基于专利异构数据融合的技术演化路径识别方法。[研究方法]首先,使用Sentence-BERT模型提取专利文本语义特征;其次,使用图卷积神经网络模型将文本语义... 详细信息

[研究目的]针对目前技术演化分析中多关注专利文本,忽略专利引文信息的问题,提出一种基于专利异构数据融合的技术演化路径识别方法。[研究方法]首先,使用Sentence-BERT模型提取专利文本语义特征;其次,使用图卷积神经网络模型将文本语义特征与引文结构特征融合,实现异构数据融合构建专利向量;最后,划分时间窗,使用k-means算法对各时间窗进行技术主题聚类,基于相邻时间窗技术主题相似度构建技术演化路径。[研究结论]以人工智能领域为例进行实证研究,共发现4条技术演化路径。与相关权威报告进行比对,结果表明识别结果与人工智能技术领域的发展现状一致,验证了模型的有效性和科学性。

关键词：专利技术演化技术演化路径识别异构数据融合人工智能 Sentence-BERT 图卷积神经网络

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一种多指标综合最优的抗冲击轨迹规划方法

中国机械工程 2024年第2期35卷 305-316页

作者：荣誉陈刚豆天赐燕山大学车辆与能源学院秦皇岛066004 河北省特种运载装备重点实验室秦皇岛066004 河北科技师范学院机电工程学院秦皇岛066004

为提高机械臂作业效率以及抗冲击能力,提出了一种综合最优轨迹规划方法。首先通过建立3-5-3多项式曲线数学模型构造出端点运动参数可控的关节运动轨迹;然后考虑关节位置、速度、加速度等约束条件,通过加权系数法定义目标函数,使机械臂... 详细信息

为提高机械臂作业效率以及抗冲击能力,提出了一种综合最优轨迹规划方法。首先通过建立3-5-3多项式曲线数学模型构造出端点运动参数可控的关节运动轨迹;然后考虑关节位置、速度、加速度等约束条件,通过加权系数法定义目标函数,使机械臂的动作时间、冲击和灵巧度达到综合最优,在目标函数的设计中采用动态加权方法来处理关节速度与冲击之间的矛盾;最后,针对标准粒子群算法,利用拉丁超立方抽样函数均匀化种群,并提出随机惯性权重更新策略,得到改进粒子群算法,利用该算法对目标函数进行优化,得到综合最优运动轨迹。进行了仿真和样机实验,实验结果证明所提方法具有可行性。

关键词：工业机器人轨迹规划多目标优化粒子群算法

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新课改下初中道德与法治教育改革探索

中国科技经济新闻数据库教育 2024年第3期 21-24页

作者：豆晓辉河北省邯郸市永年区教育体育局河北邯郸057150

随着时代的发展,我国新课改不断深入,初中道德与法治教育改革亟待探讨。本文将以新课改背景为核心,详细阐述初中道德与法治教育改革的重要性。当前,全球社会正面临着复杂多变的环境,道德观念的碎片化和价值观的多元化变得尤为明显,在这... 详细信息

随着时代的发展,我国新课改不断深入,初中道德与法治教育改革亟待探讨。本文将以新课改背景为核心,详细阐述初中道德与法治教育改革的重要性。当前,全球社会正面临着复杂多变的环境,道德观念的碎片化和价值观的多元化变得尤为明显,在这种背景下,深化道德与法治教育对于培养有理想、有道德、有文化、有纪律的初中生具有重要意义,同时,在改革过程中应关注提高教学质量和创新方法,以助推初中生养成健全的人格和价值观。

关键词：初中生新课改道德与法治教学内容立德树人

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探究式学习在初中道德与法治教学中的应用

中文科技期刊数据库（引文版）教育科学 2024年第4期 64-67页

作者：豆晓辉河北省邯郸市永年区教育体育局河北邯郸057150

近年来,国家教育政策不断推动课程改革,提倡以学生为中心,实行素质教育。采用探究式学习模式,有助于培养学生的道德品质和法规意识。初中生正处于身心发育的关键时期,通过探究式学习相辅相成地强化初中思想政治、道德品质、法制教育,将... 详细信息

近年来,国家教育政策不断推动课程改革,提倡以学生为中心,实行素质教育。采用探究式学习模式,有助于培养学生的道德品质和法规意识。初中生正处于身心发育的关键时期,通过探究式学习相辅相成地强化初中思想政治、道德品质、法制教育,将激发学生兴趣,提高教学质量,促进他们全面发展。本文旨在探讨探究式学习在初中道德与法治教学中的应用及其优势,助力实施素质教育,为培养有责任感、自律、能判断是非的未来公民奠定基础。

关键词：探究式学习初中道德与法治实践情境教学质量

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初中道德与法治课教学中情境创设方法浅析

中国科技期刊数据库科研 2024年第2期 34-37页

作者：豆晓辉河北省邯郸市永年区教育体育局河北邯郸057150

伴随着新的课程改革的持续推进,对于道德与法治教学有了更高的期待,教师的角色已经不仅仅是简单地向学生灌输知识,而是需要鼓励学生积极参与学习,以培育学生的核心素养。但是,根据现实状况,传统的单向灌输的教学方式很难引起学生的学习... 详细信息

伴随着新的课程改革的持续推进,对于道德与法治教学有了更高的期待,教师的角色已经不仅仅是简单地向学生灌输知识,而是需要鼓励学生积极参与学习,以培育学生的核心素养。但是,根据现实状况,传统的单向灌输的教学方式很难引起学生的学习热情,导致教学成果并未达到预期。而情境教学方法作为一种高效的教育手段,现如今在初中道德与法治课程中得到了广泛运用,并且对于提高教学成果具有积极地推动作用。基于此,本文依据实际教学经验,对初中道德与法治课教学中情境创设方法的运用价值与策略展开探讨与分析,期望能够为相关教师提供一些工作启发。

关键词：初中道德与法治课堂教学情境创设方法