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协同随机森林方法和无人机LiDAR空谱数据的盐沼植被“精灵圈”识别

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光电工程 2024年第3期51卷 76-84页

作者：韩江涛谭凯张卫国周若彤刘帅华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200241

“精灵圈”作为一种典型的空间自组织结构,对盐沼植被生态系统及其功能有重要影响。获取“精灵圈”的空间格局及时空变化,可为厘清其生态演化机理提供重要科学支撑。本文基于随机森林机器学习方法,结合无人机激光雷达(LiDAR)点云的空间... 详细信息

“精灵圈”作为一种典型的空间自组织结构,对盐沼植被生态系统及其功能有重要影响。获取“精灵圈”的空间格局及时空变化,可为厘清其生态演化机理提供重要科学支撑。本文基于随机森林机器学习方法,结合无人机激光雷达(LiDAR)点云的空间信息与光谱信息,对盐沼植被“精灵圈”进行智能识别与提取。首先,利用激光雷达方程和Phong模型,消除距离、入射角以及镜面反射效应对强度数据的影响,并且通过校正后强度数据滤波分离植被点云与地面点云。然后,构造系列空间特征及几何变量,利用随机森林算法,对植被点云中的正常植被和“精灵圈”进行分类。结果表明:该方法无需人工经验设置参数,能够精确地从无人机LiDAR三维点云数据中快速自动识别“精灵圈”,总体精度为83.9%。本文为“精灵圈”时空分布反演提供了一种高精度的方法,也为基于机器学习的三维点云数据处理提供了技术借鉴。

关键词：随机森林无人机激光雷达空间自组织点云分类

长三角生态绿色一体化发展示范区鱼类物种多样性特征

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生态学杂志 2024年

作者：马程浩童春富华东师范大学河口海岸学国家重点实验室

鱼类是区域水生生态系统的重要组成部分，其多样性特征及其维持对示范区生态保护和可持续发展具有重要意义。2022年9月和11月在位于长三角生态绿色一体化发展示范区（以下简称“示范区”）内的元荡和大莲湖各设置10个固定站位对鱼类群... 详细信息

鱼类是区域水生生态系统的重要组成部分，其多样性特征及其维持对示范区生态保护和可持续发展具有重要意义。2022年9月和11月在位于长三角生态绿色一体化发展示范区（以下简称“示范区”）内的元荡和大莲湖各设置10个固定站位对鱼类群落进行调查。结果表明：元荡采集鱼类18种，分属6目6科，主要优势种为刀鲚（Coilia ectenes）和翘嘴鲌（Erythroculter alburnus）（IRI>20），子陵吻虾虎鱼（Rhinogobius giurinus）具有一定的优势特征（20>IRI>10）；大莲湖采集鱼类17种，分属6目6科，主要优势种为鲫（Carassius auratus）（IRI>20），斑条鱊（Acheilognathus taenianalis）和子陵吻虾虎鱼具有一定的优势特征（20>IRI>10）；元荡在多度和生物量上均以中上层、肉食性和江海洄游型鱼类为主；大莲湖在多度和生物量上均以中上层、淡水定居型鱼类为主，食性上杂食性鱼类多度占优，生物量上浮游生物食性鱼类占优；元荡与大莲湖Margalef物种丰富度指数（D）和Shannon多样性指数（H′）存在显著差异（P0.05）；元荡、大莲湖以及淀山湖群其他水系之间优势鱼种和鱼类生态类型组成存在明显差异；湖泊鱼类群落组成及其物种多样性特征受渔业捕捞、增殖放流、施工等人类活动和鱼类自身的生物学特征以及水位、水质、水文连通性、局部生境复杂程度等环境因素的综合影响；鱼类调查要考虑多种网具的优化组合和季节性连续监测，要有效协调增殖放流和渔业捕捞强度，以保障示范区内湖泊鱼类群落结构和水生生态系统的稳定。未来还需要加强示范区生态建设和人类活动的监管与引导，促进示范区生态条件的良性发展。

关键词：长三角生态绿色一体化发展示范区元荡大莲湖鱼类群落物种多样性

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上海淀山湖表层沉积物中卤代阻燃剂时空分布

中国环境科学 2024年第6期44卷 3376-3386页

作者：杨静邬言李月刘霞金芮合杨丁业王余意丁方方刘敏华东师范大学地理科学学院教育部地理信息科学重点实验室上海200241 华东师范大学河口海岸科学研究院河口海岸学国家重点实验室上海200241

通过方差分析、主成分分析和商值法探究了上海淀山湖28个表层沉积物中56种卤代阻燃剂(HFRs)的时空分布特征、污染源及潜在生态风险.结果表明,上海快速工业化和城市化进程导致典型水源地淀山湖表层沉积物中3种HFRs出现明显累积,其中替代... 详细信息

通过方差分析、主成分分析和商值法探究了上海淀山湖28个表层沉积物中56种卤代阻燃剂(HFRs)的时空分布特征、污染源及潜在生态风险.结果表明,上海快速工业化和城市化进程导致典型水源地淀山湖表层沉积物中3种HFRs出现明显累积,其中替代型溴代阻燃剂(Σ_(22)ABFRs,21.418ng/g)浓度已超出传统溴代阻燃剂(Σ_(23)PBDEs,10.344ng/g)约2倍.十溴联苯醚(BDE209,7.890ng/g),十溴二苯乙烷(DBDPE,17.990ng/g)和得克隆(Σ_(Syn+Anti)DP,1.176ng/g)是最主要的同系物.这些HFRs的高值点主要出现在环湖生活生产活动较密集的淀山湖西南区域,季节性差异不显著.主成分分析法揭示出商用十溴、五溴和八溴二苯醚及其替代品的使用,以及含新型阻燃剂的塑料制品的使用是主要来源.基于商值法的风险评估揭示出五溴联苯醚、BDE209、DBDPE、2,4,6-三溴苯氧基乙烷(BTBPE)和2-乙基己基-2,3,4,5-四溴苯甲酸酯(TBB)在绝大多数沉积物中对底栖生物均呈现中等风险,BDE209在个别采样点出现高风险,表明未来对这些卤代阻燃剂的环境监管仍需加强.

关键词：湖泊沉积物卤代阻燃剂分布源解析风险评估

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特大洪水期间长江口浑浊带分粒级输沙特征

海洋通报 2024年第3期43卷 335-345页

作者：朱春燕董坚谢卫明郭磊城何青华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200241

基于2020年7月特大洪水期间长江口浑浊带南槽、北槽和北港多站位同步实测水沙动力数据,研究了河口浑浊带分粒级输沙时空特征及其对泥沙来源响应的指示意义,结果表明:(1)北港和北槽是流域泥沙净向口外输移的主要输沙通道,南槽是海域泥沙... 详细信息

基于2020年7月特大洪水期间长江口浑浊带南槽、北槽和北港多站位同步实测水沙动力数据,研究了河口浑浊带分粒级输沙时空特征及其对泥沙来源响应的指示意义,结果表明:(1)北港和北槽是流域泥沙净向口外输移的主要输沙通道,南槽是海域泥沙净向口内输移的主要输沙通道,主槽内粉砂是主要输沙组分,占比63.2%,口外粉砂和黏土是主要输沙组分,分别占比43.2%、40.9%;(2)大潮粉砂输运占比高于小潮,黏土输运占比低于小潮,口外测站砂组分在大小潮期间于横沙浅滩和九段沙间沿岸输移,横沙浅滩附近大、小潮离岸输沙分别是北港口外的1.7倍和8倍,不利于横沙浅滩淤涨;(3)当前流域减沙高达70%,此次特大洪水期间黏土、粉砂和砂三组分近底净向口内输移为减沙背景下的口外供沙提供了有力的佐证。

关键词：长江口浑浊带特大洪水分粒级输沙泥沙来源流域减沙

结合SAM视觉分割模型与随机森林机器学习的无人机影像盐沼植被“精灵圈”提取

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海洋学报 2024年第5期46卷 116-126页

作者：周若彤谭凯杨建儒韩江涛张卫国华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200241

“精灵圈”是海岸带盐沼植被生态系统中的一种“空间自组织”结构,对盐沼湿地的生产力、稳定性和恢复力有重要影响。无人机影像是实现“精灵圈”空间位置高精度识别及解译其时空演化趋势与规律的重要数据源,但“精灵圈”像素与背景像素... 详细信息

“精灵圈”是海岸带盐沼植被生态系统中的一种“空间自组织”结构,对盐沼湿地的生产力、稳定性和恢复力有重要影响。无人机影像是实现“精灵圈”空间位置高精度识别及解译其时空演化趋势与规律的重要数据源,但“精灵圈”像素与背景像素在色彩信息和外形特征上差异较小,如何从二维影像中智能精准地识别“精灵圈”像素并对识别的单个像素形成个体“精灵圈”是目前的技术难点。本文提出了一种结合分割万物模型(Segment Anything Model,SAM)视觉分割模型与随机森林机器学习的无人机影像“精灵圈”分割及分类方法,实现了单个“精灵圈”的识别和提取。首先,通过构建索伦森-骰子系数(S?rensen-Dice coefficient,Dice)和交并比(Intersection over Union,IOU)评价指标,从SAM中筛选预训练模型并对其参数进行优化,实现全自动影像分割,得到无属性信息的分割掩码/分割类;然后,利用红、绿、蓝(RGB)三通道信息及空间二维坐标将分割掩码与原图像进行信息匹配,构造分割掩码的特征指标,并根据袋外数据(Out of Bag,OOB)误差减小及特征分布规律对特征进行分析和筛选;最后,利用筛选的特征对随机森林模型进行训练,实现“精灵圈”植被、普通植被和光滩的自动识别与分类。实验结果表明:本文方法“精灵圈”平均正确提取率96.1%,平均错误提取率为9.5%,为精准刻画“精灵圈”时空格局及海岸带无人机遥感图像处理提供了方法和技术支撑。

关键词：盐沼植被精灵圈 segment anything model(SAM) 无人机影像机器学习

长江口M_(2)内潮生成、传播和耗散的机制研究及其季节性特征

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海洋与湖沼 2024年第4期55卷 853-863页

作者：蓝鑫张凡汪亚平华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200241

河口海域,冲淡水可造成强烈的水体层化,而潮流在层化海水中经过复杂地形时可形成活跃的内潮;内潮引起的输运与混合可对河口海域的物质交换造成重要影响,然而过去对该海域内潮的形成演变机制鲜有研究。为了研究河口海域内潮的形成演变机... 详细信息

河口海域,冲淡水可造成强烈的水体层化,而潮流在层化海水中经过复杂地形时可形成活跃的内潮;内潮引起的输运与混合可对河口海域的物质交换造成重要影响,然而过去对该海域内潮的形成演变机制鲜有研究。为了研究河口海域内潮的形成演变机制,利用高分辨率数值模型深入探讨了长江口及其邻近海域M_(2)内潮的时空特征。结果表明,在20 m等深线、岛屿周边以及水下河谷等区域,正压潮强迫力尤为显著,正压至斜压的能量转换率高,斜压动能强。能量收支分析表明,M_(2)内潮动能主要从近岸区域向外传播,当能量传播至20 m等深线或岛屿周边地形陡峭区域时会发生显著的能量耗散。此外,M_(2)内潮呈现出显著的季节性变化,总体看来斜压动能在夏季最高,秋季在舟山群岛附近较强,而冬季则变得非常微弱,这种季节性变化与长江口海域的季节性层化紧密相关。长江口内潮的时空变化特征可对该海域物质的输运与混合有重要的影响,研究结果可为理解该海域的生态、沉积等过程提供理论依据。

关键词：长江口 M_(2)内潮季节性变化混合

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长江口潮滩高分辨率波流耦合模型

海洋通报 2024年第5期 569-581页

作者：邓珂彭忠于海升赵颖朱植阳何青华东师范大学河口海岸学国家重点实验室华东师范大学崇明生态研究院

海岸带潮滩地区在潮汐的影响下呈现出复杂的地貌形态和波浪-水流的相互作用。建立高分辨率的潮滩波流耦合模型，以模拟潮滩中的精细波浪水动力过程，对于海岸防护设施设计和滨海湿地生态修复工程至关重要。本文以长江口南汇潮滩为研究... 详细信息

海岸带潮滩地区在潮汐的影响下呈现出复杂的地貌形态和波浪-水流的相互作用。建立高分辨率的潮滩波流耦合模型，以模拟潮滩中的精细波浪水动力过程，对于海岸防护设施设计和滨海湿地生态修复工程至关重要。本文以长江口南汇潮滩为研究区域，通过提出基于无人机RTK数据的潮滩高程反演技术，构建考虑潮滩干湿界面交替变化的波浪-水流耦合方法，开展潮滩波浪和水流现场观测等手段，借助Delft3D软件包建立了长江口潮滩高分辨率波流耦合模型。该模型嵌套长江口大尺度模型和潮滩小尺度模型，整合了海图水深数据、船测水深数据以及无人机高程反演数据，模型的边界条件包括天文潮汐、风场、径流和二维波浪谱等时序数据。研究结果表明，该模型不仅成功重现长江口水位、波浪和水流等关键参数，还能够精准模拟潮滩上的非线性波流耦合过程，模型模拟的潮滩水位、流速流向、波高等方面与实际观测数据具有较强的一致性。该模型不仅可为海岸水动力-结构相互作用模型提供边界条件，还能为滨海湿地生态修复和河口海岸管理提供精准的水动力支持。

关键词： Delft3D 潮滩降尺度模型非线性波流耦合

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黄河三角洲近岸潮汐动力对地貌演变的响应及其沉积效应

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海洋学报 2024年第2期46卷 64-78页

作者：龚雪雷姬泓宇李鹏陈沈良华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200241 集美大学港口与海岸工程学院福建厦门361021

近年来自然过程和人类活动显著改变了黄河入海流路以及近岸地貌格局,而剧烈的地貌演变对近岸水动力环境的影响尚未得到充分研究。为厘清近30年来黄河三角洲近岸水文动力格局对地貌演变的响应过程,本文基于Landsat系列遥感影像和多期测... 详细信息

近年来自然过程和人类活动显著改变了黄河入海流路以及近岸地貌格局,而剧烈的地貌演变对近岸水动力环境的影响尚未得到充分研究。为厘清近30年来黄河三角洲近岸水文动力格局对地貌演变的响应过程,本文基于Landsat系列遥感影像和多期测深数据,分析了1992-2020年黄河三角洲岸线和地形变化,并采用TELEMAC-2D建立了多套覆盖整个渤海的数值模型,研究了地貌演变对黄河三角洲邻近海域潮汐动力的影响及其沉积效应。结果表明,黄河三角洲近岸冲淤格局呈现显著的时空异质性,分布多个淤积和侵蚀中心,且2000-2020年南侧老清水沟外侵蚀中心向南移动9.6 km,1992-2015年北侧刁口河口外侵蚀中心东移6.4 km。中长时间尺度黄河三角洲岸线和地形变化主导了潮汐动态,三角洲北部刁口河口近岸潮差减小,清水沟河口外潮差增大,5 m水深处的潮差变化增大幅度达0.27 m;黄河口近岸K_1分潮振幅显著增加,M_2分潮振幅明显减小,东营港附近无潮点向东迁移3.8 km。刁口河口和老河口外高流速区持续减弱,现行河口外逐渐发育形成另一高流速区,持续稳定的高流速区造成了水下三角洲的冲刷,南北侧高流速区沉积物粗化。

关键词：黄河三角洲数值模型地貌演变潮汐动力沉积效应

基于OpenFOAM求解器的内部造流系统开发

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海洋工程 2024年

作者：朱植阳彭忠李徜徉邓争志浙江大学海洋学院华东师范大学河口海岸学国家重点实验室华东师范大学崇明生态研究院

采用开源计算流体力学软件包OpenFOAM，通过质量源造流方程的推导、源区参数设计以及数值水槽边界条件的改进等方法，成功开发了一种基于质量源法的域内源造流的数值水槽sklec-Foam。该模型被用于探讨恒定流和非恒定流的生成效果，并与... 详细信息

采用开源计算流体力学软件包OpenFOAM，通过质量源造流方程的推导、源区参数设计以及数值水槽边界条件的改进等方法，成功开发了一种基于质量源法的域内源造流的数值水槽sklec-Foam。该模型被用于探讨恒定流和非恒定流的生成效果，并与理论值以及olaFlow模型的边界造流法进行了比较。结果表明，基于质量源法的数值水槽模型在造流的精度和稳定性方面表现出色。这一模型为海岸水动力—结构物相互作用研究以及潮滩的保护和服务功能提升提供了科技支撑。

关键词： OpenFOAM 内部造流系统质量源恒定流非恒定流数值水槽