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基于卷积神经网络的沙丘形态自动分类方法

干旱区资源与环境 2024年第5期38卷 121-129页

作者：李明燕洁华叶汪忠董帅杨泽坤内蒙古农业大学能源与交通工程学院呼和浩特010018

为探究沙丘形态数据集构建及自动分类方法,解决沙丘形态信息数据库缺失等问题,以内蒙古西部典型沙丘为研究对象,通过无人机正射影像技术采集6种典型沙丘形态数据,并结合GF-2号遥感数据采用数据增强方式构建沙丘形态数据集。通过迁移学... 详细信息

为探究沙丘形态数据集构建及自动分类方法,解决沙丘形态信息数据库缺失等问题,以内蒙古西部典型沙丘为研究对象,通过无人机正射影像技术采集6种典型沙丘形态数据,并结合GF-2号遥感数据采用数据增强方式构建沙丘形态数据集。通过迁移学习策略的VGGNet和ResNet模型对沙丘形态的深层语义特征进行解析与学习,自动获取更具有代表性的图像纹理特征,以此提出一种基于卷积神经网络(CNN)提取不同沙丘形态特征自动分类的方法。结果表明,基于迁移学习的VGG16模型在四种模型中分类准确率最高,达到88.14%;优化后的ResNet18模型与ResNet50模型的分类精度分别从84.04%、85.25%提升到92.79%、88.91%;优化后的ResNet18+模型表现出最佳的分类效果,准确率达到92.79%,更适用于沙丘形态的高精度自动分类。

关键词：沙丘形态卷积神经网络自动分类 VGGNet ResNet

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台风群后海岸爬坡沙丘形态变化特征

中国沙漠 2020年第2期40卷 1-8页

作者：杨林董玉祥黄德全韶关学院旅游与地理学院广东韶关512005 中山大学地理科学与规划学院/广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室广东广州510275 中山大学新华学院资源与城乡规划系广东广州510520

依据福建平潭岛海岸爬坡沙丘在2016年夏秋季台风"尼伯特""莫兰蒂""鲇鱼"组成的台风群登陆前后一年内8次形态高精度测量数据,探究典型海岸爬坡沙丘在台风群登陆后的年内形态变化过程及其特征。结果表明:(1)台风群造成海岸爬坡沙丘体积减... 详细信息

依据福建平潭岛海岸爬坡沙丘在2016年夏秋季台风"尼伯特""莫兰蒂""鲇鱼"组成的台风群登陆前后一年内8次形态高精度测量数据,探究典型海岸爬坡沙丘在台风群登陆后的年内形态变化过程及其特征。结果表明:(1)台风群造成海岸爬坡沙丘体积减少了0.13%、沙丘高度最大降低1.43 m,且不同部位高度变化存在一定差异,特别是后缘因地表植被破坏高度变化最明显。(2)台风群中单个台风作用下海岸爬坡沙丘形态变化虽明显,但未发现存在累积效应。(3)海岸爬坡沙丘形态在台风群后的近一年内以体积增加、沙丘高度增加为主,特别是爬坡沙丘前缘部位有明显的变化规律。(4)海岸爬坡沙丘形态对台风群的响应特征是台风群(强度、数量)、海岸爬坡沙丘原形态、植被盖度、海滩类型及周边环境等因素综合作用的结果,而台风群过后爬坡沙丘形态恢复变化与其形成发育因素相类似,其中海滩沙源和风况是关键性因素。

关键词：海岸爬坡沙丘台风群沙丘形态平潭岛

台风“麦德姆”后海岸横向沙丘年内形态变化的观测

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中国沙漠 2018年第6期38卷 1136-1143页

作者：杨林董玉祥黄德全黄尚武李家会中山大学地理科学与规划学院/广东省城市化与地理环境空间模拟重点实验室广东广州510275 中山大学新华学院广东广州510520

基于2014年第10号强台风"麦德姆"登陆前后一年内不同时间的福建平潭岛长江澳海岸横向沙丘形态高精度观测数据,分析了台风后典型海岸横向沙丘的年内形态变化过程及其特征。结果表明:(1)台风"麦德姆"造成海岸横向沙丘的体积减小、高度降低... 详细信息

基于2014年第10号强台风"麦德姆"登陆前后一年内不同时间的福建平潭岛长江澳海岸横向沙丘形态高精度观测数据,分析了台风后典型海岸横向沙丘的年内形态变化过程及其特征。结果表明:(1)台风"麦德姆"造成海岸横向沙丘的体积减小、高度降低,其中体积减少了1.3%、丘顶高度最大降低1.43 m,且不同部位的变化程度亦非完全一致。(2)海岸横向沙丘形态在台风"麦德姆"后的一年内主要以体积增加、高度增大为特征,半年内海岸横向沙丘的体积与高度即已超过台风登陆前,丘顶高度最大月均升高0.39 m,沙丘迎风坡基本恢复到台风登陆前状态,背风坡以堆积为主且高度超过台风之前。(3)海岸横向沙丘的形态特征是由丰富的海滩沙源、强劲的常态向岸风、沙丘原形态及植被盖度等因素相互作用的结果,其中丰富的海滩沙源和强劲的常态向岸风是决定性因素,台风对海岸横向沙丘形态的影响应是暂时性的,较长时间尺度而言低频高能的台风对海岸横向沙丘形态的塑造作用相对有限。

关键词：海岸横向沙丘台风“麦德姆” 沙丘形态平潭岛

雷州半岛东海岸灌丛沙丘形态、沉积物及空间分布特征研究

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雷州半岛东海岸灌丛沙丘形态、沉积物及空间分布特征研究

作者：冯淼彦陕西师范大学

学位级别：硕士

灌丛沙丘是沙质海岸地区常见的风积地貌类型,其产生、发育和演化与海岸植被状况、动力条件和沉积环境的变化有着密切联系。对海岸灌丛沙丘的研究不仅有地貌学意义,还对反映海岸风沙环境与生态环境特点有重要意义。本文以雷州半岛东海岸... 详细信息

灌丛沙丘是沙质海岸地区常见的风积地貌类型,其产生、发育和演化与海岸植被状况、动力条件和沉积环境的变化有着密切联系。对海岸灌丛沙丘的研究不仅有地貌学意义,还对反映海岸风沙环境与生态环境特点有重要意义。本文以雷州半岛东海岸老鼠艻和海马齿灌丛沙丘为研究对象,对其形态特征、沉积物粒度特征及空间分布特征进行研究,分析灌丛沙丘发育过程的影响因素,探究海岸灌丛沙丘演化过程的物质来源和沉积环境,以期解释热带海岸地区灌丛沙丘的发育过程和影响因素。本文的主要结论如下:1.雷州半岛东海岸的海马齿和老鼠艻灌丛沙丘高度均值约0.5m,水平尺度均值约4m,形状主要为椭圆锥状,少数呈蝌蚪状和不规则状。老鼠艻植株高度均值为0.16m,海马齿为0.05m。海岸灌丛沙丘的植被高度不是控制灌丛沙丘发育的关键因素。灌丛沙丘整体形态的发育很大程度上取决于灌丛的覆盖面积,形态在长、宽、高三者协同控制下形成,发育阶段与植被生长状况有关。灌丛沙丘背风坡对长轴有重要影响,迎风坡则利于高度的增加。实地考察发现植被主要生长于灌丛沙丘迎风坡一侧。风沙流沿迎风坡跃移爬升,沙粒被植被拦截,使迎风坡增长和高度增高;没被拦截的沙粒越过顶部后,在沉降作用下沿下风向沉积,使背风坡增长。2.三样地不同类型沉积物都是以细沙或中沙为主。海马齿灌丛沙丘沉积物中60%以上是细沙,老鼠艻灌丛沙丘沉积物50%以上是中沙。所有沉积物平均粒径为2.12Φ（细沙）,粒径分选较好及分选很好,近对称分布,中等峰态。灌丛沙丘丘间地、迎风坡、沙丘顶、背风坡沉积物平均粒径依次减小,沿顺风方向逐渐变细。自海边向内陆,沉积物平均粒径由粗到细,分选变好,灌丛沙丘的物质来源于临近的海滩。不同样地的灌丛沙丘和不同地貌部位的沉积物组成存在差异。灌丛沙丘与海岸前丘沉积物粒度特征高度一致,一灌丛沙丘可能是海岸前丘的雏形,海岸前丘由灌丛沙丘不断沿后滨发育继而相互拼接而成。二可能是风沙流借灌丛沙丘为“跳板”,向内陆不断输送,到达海岸前丘并被海岸前丘的植物所固定。3.三个样地的灌丛沙丘分布密度,新寮岛111.11＞东海岛90.9＞南三岛64.58（个/hm2）。海马齿和老鼠艻灌丛沙丘空间分布模式为离散或随机。海滩宽度和坡度决定灌丛沙丘分布的范围。灌丛沙丘分布于海滩后缘最大高潮高度（2.22m）以上的区域,该区域海水难以作用,沙物质长时间暴露在空气环境中,在向岸风的作用下容易起沙随后被生长于该处的沙生植物拦截,形成灌丛沙丘。

关键词：沙丘地貌灌丛沙丘沙丘形态粒度组成空间分布雷州半岛

海岸爬坡沙丘形态对台风响应——以2014年“麦德姆”台风为例

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中国沙漠 2016年第4期36卷 865-870页

作者：董玉祥黄德全张雪琴中山大学地理科学与规划学院广东广州510275 中山大学新华学院广东广州510520

依据2014年第10号强台风"麦德姆"登陆前后的福建平潭岛典型海岸爬坡沙丘高精度测量数据,对比分析了沙丘受台风影响的形态变化,概括了海岸爬坡沙丘形态的台风响应特征。结果表明:海岸爬坡沙丘形态对台风"麦德姆"的响应主要是以高度降低... 详细信息

依据2014年第10号强台风"麦德姆"登陆前后的福建平潭岛典型海岸爬坡沙丘高精度测量数据,对比分析了沙丘受台风影响的形态变化,概括了海岸爬坡沙丘形态的台风响应特征。结果表明:海岸爬坡沙丘形态对台风"麦德姆"的响应主要是以高度降低、体积减少为特点,研究样区内爬坡沙丘高度平均降低了0.18m、体积减少了1.95%,以爬坡沙丘前缘迎风坡中部和顶部的高度分别降低最多和最少为特点,爬坡沙丘不同部位的响应程度存在差异,爬坡沙丘形态的台风响应特征主要取决于台风的强劲侵蚀作用和爬坡沙丘的特有形态及植被覆盖分异状况。

关键词：海岸爬坡沙丘沙丘形态台风观测

基于深度学习的多源遥感影像沙丘形态分类研究——以古尔班通古特沙漠南缘为例

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基于深度学习的多源遥感影像沙丘形态分类研究——以古尔班通古特...

作者：崔博超新疆大学

学位级别：硕士

荒漠化如今已成为人类社会共同关注和面对的一个全球重大的生态环境问题,已经严重的威胁甚至影响到了人类的健康生存。在我国西北内陆大部分地区荒漠化又主要表现为沙漠化,而沙丘主要是由风力作用下的沙粒碎屑堆积而成的一种丘状或垅状... 详细信息

荒漠化如今已成为人类社会共同关注和面对的一个全球重大的生态环境问题,已经严重的威胁甚至影响到了人类的健康生存。在我国西北内陆大部分地区荒漠化又主要表现为沙漠化,而沙丘主要是由风力作用下的沙粒碎屑堆积而成的一种丘状或垅状的地貌,是沙漠和沙地的主要地貌类型。沙丘占我国沙漠及沙地面积的96%,沙区资源的开发、生态环境资源保护等各个方面均需要了解和掌握沙丘的主要区域形态特征和区域特征形成和演化规律。因此,采用高效合理的方法对沙丘形态进行监测是保护绿洲生态环境必要举措,对研究风沙地貌的区域特征、形成演化环境和过程以及为防沙治沙措施的合理配置都有积极意义。在沙丘形态分类的研究中,大多研究都通过目视解译的方法对沙丘形态进行分类,这种方法虽然精度较高,但却费时费力。此外,对于不同沙丘形态的交界处的区分相对较难,有些类型间的特点极为相似,边界模糊,反映在遥感影像上的特征相差较小,这给分类工作也带来了难度。针对以上问题,本文开展了下述的工作:首先围绕遥感影像分类和深度学习的内容,系统查阅当前国内外研究现状和研究进展,并分析和总结了相关研究的工作和方法,提出以多源高空间分辨率遥感影像为数据源结合深度学习进行沙丘形态分类研究。首先以Sentinel-2A、GF-1和Google Earth遥感影像数据为基础,结合野外实地调查,采用图像级影像分类的CNN网络Res Net-50结合Sentinel-2A多尺度样本数据对古尔班通古特沙漠南缘的沙丘形态进行分类,而后结合多源多尺度样本数据对沙丘形态进行分类,接着对两种方法进行精度评价,检验方法的适用性。紧接着,基于Sentinel-2A数据,采用像素级影像分类的FCN网络FCN-VGG对古尔班通古特沙漠南缘的沙丘形态进行分类。随后运用面向对象的多尺度分割方法对沙丘边界交错区域进行尺度分割,选取合适的参数和分割尺度,得到新一批的样本集后与FCN-VGG相结合,以提高分类器性能,解决沙丘形态边界语义分割的问题。得到结论如下:(1)卷积神经网络在沙丘形态分类的研究中能够在大面积范围上实现对沙丘形态的精确提取。实验结果表明,在沙丘形态分类的问题上,采用多尺度样本数据集对模型进行训练,能够解决小样本在深度学习中的适用问题。此外,运用多源数据对预训练模型进行微调,表明迁移学习对于克服传感器不同所带来的影像差异问题是有效的,相较于微调前的模型,总体精度提升了2.4%,kappa系数提高了0.0288。(2)全卷积神经网络在沙丘形态分类的研究中能够在局部解决沙丘交界处难以精确提取边界的问题。实验结果表明,在沙丘形态分类的问题上,FCN-VGG结合面向对象的多尺度分割,能够有效的提升沙丘交界处的分类精度。相较于未采用面向对象方法的FCN,总体分类精度和kappa系数分别高出了2.45%和0.0314,证明了这一方法能够提高全卷积神经网络在提取沙丘形态边界信息时的准确性。(3)面向对象的多尺度分割效果受分割尺度、形状参数、紧凑度指数影响较大,本文采用ESP对分割效果进行了量化评价,最终确定了在50～200尺度的不同沙丘形态间的最优分割尺度及最优参数。

关键词：多源遥感影像沙丘形态卷积神经网络全卷积神经网络面向对象

黄河乌兰布和沙漠段沿岸沙丘形态及其运移特征

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水土保持研究 2016年第6期23卷 40-44页

作者：郭建英董智李锦荣珊丹梁占岐田世民陈新闯水利部牧区水利科学研究所呼和浩特010020 山东农业大学林学院山东泰安271018 黄河水利科学研究院郑州450003

为更合理、精确地计算黄河乌兰布和沙漠段的入黄沙量,探明其对黄河沿岸植被造成的影响程度,以黄河乌兰布和沙漠段沿岸沙丘为研究对象,通过野外地貌调查、沙丘形态测量和遥感解译对其沙丘的形态特征及其运移特征进行了系统研究。结果表明... 详细信息

为更合理、精确地计算黄河乌兰布和沙漠段的入黄沙量,探明其对黄河沿岸植被造成的影响程度,以黄河乌兰布和沙漠段沿岸沙丘为研究对象,通过野外地貌调查、沙丘形态测量和遥感解译对其沙丘的形态特征及其运移特征进行了系统研究。结果表明:乌兰布和沙漠沿黄段沙丘以走向西南—东北的新月型沙丘和新月型沙丘链为主,沙丘剖面形态不对称,具有明显落沙坡;在发育过程中同时受到了西南风和西北风的显著影响,5年内以沙丘整体向河道推进为主,共移动19.45m,具有单向快速运移的特点,且沙丘不断向黄河侵袭,应采取措施予以遏制。

关键词：沙丘形态运移特征移动距离输沙量乌兰布和沙漠

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基于无人机技术的不同措施沙丘形态特征研究

基于无人机技术的不同措施沙丘形态特征研究

作者：张驰内蒙古农业大学

学位级别：硕士

沙丘是风沙地貌学的主要研究对象,关于沙丘形态基本特征是其重要的研究内容之一。本研究以库布齐沙漠北缘流动沙丘和布设不同沙障的沙丘为研究对象,采用无人机遥感技术、RTK测量技术,获取沙丘的基本空间信息数据,对比无人机航测数据和RT... 详细信息

沙丘是风沙地貌学的主要研究对象,关于沙丘形态基本特征是其重要的研究内容之一。本研究以库布齐沙漠北缘流动沙丘和布设不同沙障的沙丘为研究对象,采用无人机遥感技术、RTK测量技术,获取沙丘的基本空间信息数据,对比无人机航测数据和RTK测量数据,开展无人机在沙丘形态测量的精度研究,探究其可行性和准确程度;在此基础上,利用无人机航拍数据,开展不同沙障措施的沙丘的形态特征变化和沙丘移动规律研究。从而实现快速、准确、便捷地获取沙丘形态数据及了解其变化情况,为风沙地貌监测提供支撑。主要结果如下:(1)通过对比无人机数据和RTK测量数据,发现两种数据测量的沙丘高度长度相差0～0.5m内,体积相差3000～7000m3内,坡度坡向基本一致,说明无人机技术适用于研究区内沙丘形态测量。(2)基于无人机技术测量的沙丘形态特征研究发现,在沙丘迎风坡中下部铺设沙障的沙丘得到有效控制,沙丘顶部被吹蚀,体积减小。沙丘B(布设0.5mX0.5m、1m×1m和2m×2m三种规格的PLA网格状沙障)体积减少了 9.5%,高度减少了15.4%;沙丘C(PLA沙袋沙障(1m×1m)、芦苇沙障(1m× 1m)和沙柳沙障(1m× 1m和2m×2m))体积减少3.6%,高度减少6.2%。(3)基于无人机技术进行沙丘的移动速度研究得出:沙丘移动速度与高度呈负线性相关:v=-0.3869H+4.861(5≤H≤11),决定系数 R2=0.846,三个沙丘(A、B、C)2 年的移动分别为5.25m、3.75m和2.54m,在沙丘迎风坡中下部布设沙障的沙丘的移动速度与流动沙丘相比降低45%。

关键词：沙丘形态沙障 DEM RTK技术无人机遥感技术

包兰铁路沙坡头段防护体系前沿栅栏沙丘形态与近地面流场

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中国沙漠 2013年第3期33卷 649-654页

作者：马晓洁张春来张加琼王焕芝周娜北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室/防沙治沙教育部工程研究中心北京100875

防护体系前沿阻沙栅栏不仅是维持栅栏沙丘形态、阻挡流沙进入防护带内的重要屏障,还是栅栏沙丘这一独特沙丘类型形成发育的首要条件。形态测定与流场观测表明,在沙坡头铁路防护体系前沿地带,栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘,背风坡... 详细信息

防护体系前沿阻沙栅栏不仅是维持栅栏沙丘形态、阻挡流沙进入防护带内的重要屏障,还是栅栏沙丘这一独特沙丘类型形成发育的首要条件。形态测定与流场观测表明,在沙坡头铁路防护体系前沿地带,栅栏沙丘迎风坡平均坡度大于天然沙丘,背风坡坡度小于天然沙丘,背风坡水平长度与迎风坡水平长度之比约为0.7,远大于天然沙丘(0.3)。阻沙栅栏显著影响沙丘表面流场,但栅栏缺失或沙埋后栅栏沙丘与天然沙丘表面流场结构具有很大的相似性。沙丘迎风坡剪切风速均沿坡面至丘顶呈先增大、后减小的趋势,但栅栏沙丘迎风坡脚至中上部剪切风速增长速度较快,中上部至丘顶剪切风速迅速降低而且幅度较大,这种变化对栅栏沙丘的成长具有重要意义。

关键词：栅栏沙丘沙丘形态近地面流场