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基于XGBoost融合多维度时空数据的干旱遥感建模及应用研究

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地球信息科学学报 2024年第6期26卷 1531-1546页

作者：晏红波梁雨豪卢献健王佳华吴思怡桂林理工大学测绘地理信息学院桂林541004 广西空间信息与测绘重点实验室桂林541004

西南地区是我国重要的生态环境保护区,复杂的气候与地理条件导致干旱事件频繁发生,准确掌握干旱的空间分布情况及变化趋势对保护西南地区生态环境具有重要意义。本研究基于极端梯度提升算法,利用表征多维度特征变量的遥感干旱指标,构建... 详细信息

西南地区是我国重要的生态环境保护区,复杂的气候与地理条件导致干旱事件频繁发生,准确掌握干旱的空间分布情况及变化趋势对保护西南地区生态环境具有重要意义。本研究基于极端梯度提升算法,利用表征多维度特征变量的遥感干旱指标,构建了一种考虑植被状态、地表状态、气候状态及环境因素的干旱遥感监测模型(eXtreme Gradient Boosting Drought Monitor,XGBDM)。利用该模型对西南地区2001—2020年干旱情况进行监测,选取典型干旱事件与土壤墒情数据对模型精度进行评价,并结合Theil-Sen Median趋势分析、Mann-Kendall显著性检验、Hurst指数、重心迁移模型,揭示了西南地区干旱时空演变特征、未来变化趋势及干旱重心迁移情况。结果表明:①在不同季节中,XGBDM模型均能准确监测西南地区干旱事件,模型精度指标R^(2)为0.816~0.897,MAE为0.200~0.283,RMSE为0.296~0.424,模型与土壤墒情相关性为-0.60~0.86。相比于站点SPEI-3监测方法,XGBDM模型监测结果与土壤墒情相关性更高,且更能准确反映旱情的空间分布细节特征;②时间上,2001—2020年西南地区XGBDM年均值整体呈波动下降趋势,表明干旱情况呈加重趋势,其中春季和夏季干旱呈加重趋势,秋季和冬季干旱呈减轻趋势。空间上,西南地区XGBDM值变化斜率在春季和夏季呈“北高南低”的空间分布格局,在秋季和冬季呈“南高北低”的空间分布格局,其中不同季节干旱呈加重趋势的面积占比分别为春季69.17%、夏季76.02%、秋季34.43%、冬季47.5%;③西南地区XGBDM值整体呈弱反持续性变化,春季、夏季以及冬季未来旱情以减轻为主,旱情由加重转为减轻的区域面积在不同季节占比为28.44%~63.82%。旱情持续加重面积在春季最高,占比为17.97%,持续减轻情况在冬季占比最高,为15.92%;④2001—2020年干旱重心主要分布于研究区中部,呈西北至东南的分布格局,未来干旱重心在西北至东南方向进行迁移的概率更高。研究结果可为西南地区干旱监测及治理提供理论依据。

关键词：西南地区 SPEI-3 干旱遥感监测 XGBoost 时空变化重心迁移模型土壤墒情

顾及随机特征的GNSS连续站坐标时间序列建模方法

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地球物理学报 2024年第6期67卷 2110-2124页

作者：石睿娟苏小宁鲍庆华李毓照兰州交通大学测绘与地理信息学院兰州730070

GNSS观测技术为研究板块运动、地震同震和震后形变以及无震慢滑移等地壳物理现象提供了重要的观测数据,其中的关键步骤是在充分考虑时间序列随机特征的基础上,精准提取时间序列的构造运动信息和非构造运动信息.本文提出一种基于贝叶斯... 详细信息

GNSS观测技术为研究板块运动、地震同震和震后形变以及无震慢滑移等地壳物理现象提供了重要的观测数据,其中的关键步骤是在充分考虑时间序列随机特征的基础上,精准提取时间序列的构造运动信息和非构造运动信息.本文提出一种基于贝叶斯框架的GNSS连续站坐标时间序列建模方法,顾及随机特征精准提取出模型参数的最优解及其误差.首先,引入基于贝叶斯框架的参数解算方法,获得模型参数的最优解及误差;其次,系统分析观测数据噪声随机特征和模型参数随机特征对模型解算结果的影响;最后,将该方法应用于青藏高原东北隅GNSS观测数据构造运动与非构造变形的有效提取.相比基于最小二乘拟合的GNSS连续站坐标时间序列建模传统方法,本文引入基于贝叶斯框架的参数最优解解算的GWMCMC算法,顾及随机特征精准高效提取出GNSS坐标时间序列中测站的构造运动趋势与非构造运动信息,能够更加准确获取参数的最优解及误差.同时相较传统的MCMC算法,GWMCMC算法通过并行计算改进算法的性能并提高了计算效率.本文的研究成果为后续利用构造变形开展地壳形变运动学特征和动力学机制提供数据支撑.

关键词： GNSS坐标时间序列贝叶斯框架精准提取构造运动非构造变形

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GIS技术在矿山应急管理中的应用现状

中国矿业 2024年第6期33卷 143-147页

作者：李烨山西省测绘地理信息院山西太原030001

矿山作业面临的安全风险源多且复杂,应急管理尤为重要。地理信息系统(GIS)作为有效的空间数据管理与分析工具,可在矿山应急管理中发挥有效作用。本文综述了GIS技术在矿山灾害应急管理中的应用进展,从应急准备、应急响应与应急恢复三个阶... 详细信息

矿山作业面临的安全风险源多且复杂,应急管理尤为重要。地理信息系统(GIS)作为有效的空间数据管理与分析工具,可在矿山应急管理中发挥有效作用。本文综述了GIS技术在矿山灾害应急管理中的应用进展,从应急准备、应急响应与应急恢复三个阶段,分析了GIS技术的应用场景。研究结果表明,GIS技术能够集成矿山多源数据,通过空间分析为风险监测评估与预警提供科学依据;可发挥其资源统筹优势,辅助人员与设备定位,实现救援车辆和人员的实时监控,优化救援路径,提高救援效率。伴随着当前人工智能的发展与智慧矿山的建设,GIS技术在矿山灾害应急救援中的应用将更加广泛和深入。GIS数据治理将是制约应用的关键要素,矿山企业应提前布局。

关键词： GIS 矿山安全风险应急管理

多源数据协同的城市建成区变迁及景观生态安全格局演变分析: 以辽宁省为例

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生态学杂志 2024年

作者：刘浦东黄丽刘建涛张冬王凌翔山东建筑大学测绘地理信息学院齐鲁空天信息研究院潍坊河海水文科技有限公司

掌握建成区变迁并构建省域尺度生态安全格局，是维持地区生态安全的重要手段。基于Google Earth Engine云平台获取的夜间灯光数据及土地利用数据、兴趣点数据，使用融合算法提取辽宁省各地级市建成区，并结合省域尺度生态安全格局、城... 详细信息

掌握建成区变迁并构建省域尺度生态安全格局，是维持地区生态安全的重要手段。基于Google Earth Engine云平台获取的夜间灯光数据及土地利用数据、兴趣点数据，使用融合算法提取辽宁省各地级市建成区，并结合省域尺度生态安全格局、城市扩张方向等探索辽宁省景观生态安全格局的时空变化特征。结果表明：（1）融合提取法可弥补单一数据源在省域尺度建成区提取中的不足，建成区提取精度平均为88%，较单一夜光数据提取精度平均提高了33%；（2）基于形态学空间格局分析模型及最小累积阻力模型提取核心区域，筛选出28块生态源地，共识别58条生态廊道，并建立不同半径为缓冲区的生态安全距离，构建省域生态安全格局；（3）以建成区面积、人口及GDP为指标建立城市重心，以2012年为基准，城市总体重心向西南方向小角度偏移。将建成区长时序变迁与生态源地、生态廊道及生态缓冲区构建的生态安全格局作为城市生态规划，对提升省域尺度城市规划和生态协同具有重要意义。

关键词：城市化省级生态安全格局形态学空间格局分析最小累积阻力模型生态廊道

基于EBK-GWR方法的区域PM_(2.5)浓度估算

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桂林理工大学学报 2024年第3期44卷 489-494页

作者：唐友兵谢劭峰潘梦清魏朋志张亚博张继洪桂林理工大学测绘地理信息学院广西桂林541006 桂林市测绘研究院广西桂林541100

针对我国现有的空气监测站点数量有限且分布不均、获取连续的区域PM_(2.5)数据困难的问题,依据由两广地区气象站获取的气压(PRS)、温度(TEM)、相对湿度(RHU)以及所属和相邻探空站获取的大气可降水量(PWV)数据,通过反距离加权插值得到201... 详细信息

针对我国现有的空气监测站点数量有限且分布不均、获取连续的区域PM_(2.5)数据困难的问题,依据由两广地区气象站获取的气压(PRS)、温度(TEM)、相对湿度(RHU)以及所属和相邻探空站获取的大气可降水量(PWV)数据,通过反距离加权插值得到2019年两广地区不同季节的TEM、 PRS、 RHU和PWV数据,综合分析其与PM_(2.5)的相关性,进一步构建地理加权回归模型(GWR)和经验贝叶斯克里金-地理加权回归模型(EBK-GWR),对2019年两广地区PM_(2.5)浓度空间分布进行估算。结果表明:EBK-GWR模型在不同季节的PM_(2.5)浓度估算效果明显优于GWR模型,其中春、秋两季均方根误差RMSE和平均绝对误差MAE提升最为显著;相比于GWR模型,春季分别提升了16.67%和13.88%,秋季提升了14.13%和13.04%;夏、冬两季提升效果较春、秋两季有所降低,但较于GWR提升均保持在10%左右,且不同季节估算的RMSE和MAE均小于4μg/m3。

关键词： EBK-GWR GWR PM_(2.5)浓度空间分布广西广东

利用独立成分分析法研究新疆地区陆地水储量及其地壳垂向变化

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第5期49卷 794-804页

作者：李婉秋郭秋英章传银王伟钟玉龙李伟徐鹏飞山东建筑大学测绘地理信息学院山东济南250101 中国测绘科学研究院北京100830 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院湖北武汉430074 兰州交通大学测绘与地理信息学院甘肃兰州730070 山东理工大学建筑工程与空间信息学院山东淄博255000

中国新疆地区水文气候变化复杂,其水储量变化及其负荷形变特征的精确提取极为重要。采用卫星重力数据GRACE(gravity recovery and climate experiment)反演新疆地区2010—2014年陆地水储量变化,利用独立成分分析法(independent componen... 详细信息

中国新疆地区水文气候变化复杂,其水储量变化及其负荷形变特征的精确提取极为重要。采用卫星重力数据GRACE(gravity recovery and climate experiment)反演新疆地区2010—2014年陆地水储量变化,利用独立成分分析法(independent component analysis,ICA)分解时空模式,提取时空特征信号。在此基础上,反演陆地水负荷迁移引起的地壳垂向变化,引入重力位系数与负荷勒夫数一阶项改正,回加非潮汐大气与海洋信号,结合尺度因子法校正GRACE反演结果,引入全球降水气候计划月降水资料分析形变影响,将其与测区12座连续运行参考站形变位移进行定量比较,重点分析各测站陆地水负荷信号与全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)垂直位移的相关关系。结果表明,经ICA方法分解的新疆地区陆地水储量呈现多时间尺度特征,表现为明显的周年与长期变化;周年信号在西部帕米尔高原附近尤为显著;长期变化以逐年减少为主,在乌鲁木齐西部、天山一带信号较强;总体上,陆地水负荷垂直形变的时间序列波动幅度相对较小,幅值为-1.5~1.5 mm,与WGHM(WaterGAP global hydrology model)模型结果比较一致;形变时序与降水量变化除了存在明显的时间滞后之外,总体趋势相吻合;经非潮汐大气与海洋信号(non-tidal atmospheric and ocean model,GAC)改正后,GRACE结果与GNSS垂直位移的相关程度有所提升,各测站相关系数为0.63~0.91,加权均方根误差达16.18%~58.97%,相位延迟约为0.5~2个月。该研究方法可揭示新疆地区更为精细的水文信号特征,为区域参考框架精确维护提供重要技术支撑。

关键词：独立成分分析法 GRACE 全球导航卫星系统陆地水储量地壳垂向变化

融合多源海洋大地测量数据的南海海底地形多层感知机反演

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地球物理学报 2024年第4期67卷 1368-1382页

作者：周帅刘新李真祝程程袁佳佳李静静郭金运孙和平山东科技大学测绘与空间信息学院青岛266590 山东建筑大学测绘地理信息学院济南250101 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院安徽淮南232001 地理信息工程国家重点实验室西安710054 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院武汉430077

本文融合SIO(Scripps Institution of Oceanography)发布的垂线偏差、重力异常和垂直重力梯度数据及NCEI(National Centers for Environmental Information)发布的船载测深数据,利用多层感知机神经网络(Multi-Layer Perceptron,MLP)建立南海海域(108°E—121°E,6°N—23°N)分辨率为1'×1'的海底地形模型(MLP_Depth).首先,将642716个船载测深控制点的位置信息与周围4'×4'格网点处的地球重力信息(垂线偏差、重力异常、垂直重力梯度)作为输入数据,将船载测深控制点处实测水深值作为输出数据,训练MLP神经网络模型,训练结束时决定系数R2为99%,平均绝对误差MAE为39.33 m.然后,将研究区域内1'×1'格网正中心点处的输入数据输入于MLP模型中,可得格网正中心点处的预测海深值.最后,根据预测海深值建立研究区域范围内分辨率为1'×1'的MLP_Depth模型.将MLP_Depth模型预测水深与160679个检核点处实测水深对比,其差值的标准差STD(75.38 m)、平均绝对百分比误差MAPE(5.89%)与平均绝对误差MAE(42.91 m)皆优于GEBCO_2021模型、topo_23.1模型、ETOPO1模型与检核点实测水深差值的STD(108.88 m、113.41 m、229.67 m)、MAPE(6.11%、6.94%、18.37%)与MAE(47.33 m、52.24 m、130.08 m).同时,为了研究不同区域内利用该方法建立的海底地形模型的精度,本文在研究区域内分别建立了A、B区域的海底地形模型(MLP_Depth_A、MLP_Depth_B).经过验证得:MLP_Depth_A、MLP_Depth_B相比于MLP_Depth模型具有更高的精度,更能反应海底地形的变化趋势.

关键词：多层感知机海底地形南海垂线偏差重力异常垂直重力梯度

UAV高光谱影像联合SULOV_XGBoost算法的柑橘果树精细分类方法

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 548-557页

作者：肖斌何宏昌窦世卿范冬林付波霖张洁熊远康史今科桂林理工大学测绘地理信息学院广西桂林541006 珠江水利委员会珠江水利科学研究院广东广州510610

精准、动态监测经济作物种植信息是农业精细化管理面临的迫切需求。为实现不同果树品种的精细分类,以桂林市六塘默科特柑橘试验基地为研究区,获取机载高光谱影像数据,深度挖掘不同柑橘果树品种的光谱信息,构建多维数据集,提出一种利用SU... 详细信息

精准、动态监测经济作物种植信息是农业精细化管理面临的迫切需求。为实现不同果树品种的精细分类,以桂林市六塘默科特柑橘试验基地为研究区,获取机载高光谱影像数据,深度挖掘不同柑橘果树品种的光谱信息,构建多维数据集,提出一种利用SULOV结合极端梯度提升(eXtreme gradient boosting,XGBoost)算法进行优选特征,并采用XGBoost分类算法进行柑橘果树品种精细分类的方法,最后,与随机森林(random forest,RF)和支持向量机(support vector machine,SVM)的分类结果的精度进行对比分析。结果发现:(1)所提的SULOV结合XGBoost算法(SULOV_XGBoost)柑橘果树精细分类算法能够有效进行特征差距较小场景的果树作物不同品种间的精细分类,算法整体分类效果优于传统的常用机器学习方法(RF与SVM);(2)一阶微分拐点处值与原始波段值的融合特征对提升精细分类精度具有极大作用;另外加入不同波长范围波段组合也能够显著提高柑橘果树精细分类结果;(3)SVM在地物可辨性较高的条件下其分类性能更佳,且抗干扰能力强。研究成果可为同一物种不同品种作物的精细分类提供新的思路和方法,亦可为作物种植信息精准普查、精细化管理以及农业产业结构布局、调整和动态监测等提供参考。

关键词：柑橘果树无人机高光谱 SULOV_XGBoost 精细分类

联合多时相Sentinel-2和DeepLabV3+的县域柑橘信息提取

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航天返回与遥感 2024年第3期45卷 118-130页

作者：玉林海韦凯耀窦世卿丁柏瀚韩冰桂林理工大学测绘地理信息学院桂林541000

针对传统分类方法识别柑橘种植空间信息准确率不高的问题,文章提出一种联合多时相Sentinel-2与DeepLabV3+的县域柑橘种植空间信息提取方法。首先采用优化后的轻量化网络MobileNetV2作为DeepLabV3+的骨干网络,并嵌入CBAM(Convolutional B... 详细信息

针对传统分类方法识别柑橘种植空间信息准确率不高的问题,文章提出一种联合多时相Sentinel-2与DeepLabV3+的县域柑橘种植空间信息提取方法。首先采用优化后的轻量化网络MobileNetV2作为DeepLabV3+的骨干网络,并嵌入CBAM(Convolutional Block Attention Module)注意力机制模块构建改进DeepLabV3+模型;然后利用多时相Sentinel-2影像整合原始波段与光谱指数构建特征数据集,并通过实验对比分析确定模型分类的最佳特征组合与时相;最后将研究区影像分割为具有重叠度的待预测影像集,结合最优分类模型进行预测后拼接得到柑橘园地提取结果。结果表明:1)改进DeepLabV3+提取精度均高于DeepLabV3+、随机森林模型,在B2~B8A波段添加红边指数RESI的特征组合中总体精度值可达91.1%,最佳提取时相为11月;2)改进DeepLabV3+结合重叠预测方法提取效果优于直接预测方法,且全实验数据集区的提取面积与统计数据的相对误差均保持在±0.04%以内。文中所提出的方法可为南方地区县域范围的柑橘园地自动化监测与种植规划提供参考。

关键词：柑橘植被指数多时相Sentinel-2影像 DeepLabV3+ MobileNetV2 注意力机制