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京津冀城市群建设用地扩张多情景模拟及其对生态系统碳储量的影响

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环境科学 2024年第5期45卷 2828-2839页

作者：武爱彬陈辅国赵艳霞秦彦杰刘欣郭小平北京林业大学水土保持学院北京100083 河北省科学院地理科学研究所河北省地理信息开发应用工程技术研究中心石家庄050011 河北地质大学土地科学与空间规划学院石家庄050031

量化分析建设用地扩张对陆地生态系统碳储量的影响,探索模拟建设用地扩张的优化方案以提高未来生态系统碳储量,对区域可持续发展和生态文明建设具有重要的现实意义.基于土地利用和地理空间数据,利用生态系统服务与权衡综合评估(InVEST)... 详细信息

量化分析建设用地扩张对陆地生态系统碳储量的影响,探索模拟建设用地扩张的优化方案以提高未来生态系统碳储量,对区域可持续发展和生态文明建设具有重要的现实意义.基于土地利用和地理空间数据,利用生态系统服务与权衡综合评估(InVEST)模型和基于栅格的斑块生成土地利用模拟(PLUS)模型,以2 km网格为基本单元,核算分析了京津冀城市群2000~2020年生态系统碳储量和格局演变,拟合回归了建设用地变化和碳储量变化两者关系,设置不同城市扩张发展情景对京津冀城市群2030年土地利用格局进行了模拟并分析了不同发展情景下2020~2030年建设用地扩张对碳储量的影响.结果表明:①京津冀城市群2000、2010和2020年生态系统碳储量(以C计)分别为2088.02、2106.78和2121.25 Tg,其中林地碳库占比最大.研究期间碳储量减少的网格单元集中分布在北京、天津、石家庄和唐山等大城市周边,建设用地扩张的区域是碳储量变化最为剧烈的区域.②在建设用地占比10%以上的各等级网格单元区域,建设用地扩张和碳储量变化回归拟合关系良好,两者回归系数均呈现波动上升趋势.③在自然发展、建设用地扩张增速减少15%和建设用地扩张增速减少30%这3种发展情景下,2030年生态系统碳储量(以C计)分别为2129.12、2133.55和2139.10 Tg.2020~2030年建设用地扩张和碳储量变化两者回归拟合效果均明显优于2000~2010年和2010~2020年,回归系数随着建设用地占比等级的增加均呈现波动增加的趋势.在各建设用地占比等级区域,回归系数值均呈现:自然发展情景<建设用地扩张增速减少15%发展情景<建设用地扩张增速减少30%发展情景.在“双碳”目标下,京津冀城市群应优先选择建设用地扩张增速降低发展情景,对建设用地的扩张应优先控制在建设用地占比较高的区域.

关键词：碳储量建设用地扩张 InVEST模型 PLUS模型京津冀城市群

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基于改进YOLOv8的光伏电池缺陷检测

激光与光电子学进展 2024年第8期61卷 235-245页

作者：周颖颜毓泽陈海永裴盛虎河北工业大学人工智能与数据科学学院天津300130 河北省控制工程技术研究中心天津300130

针对光伏(PV)电池缺陷检测中存在的数据不均衡、缺陷尺度不一和背景纹理复杂多变等因素导致的误检、漏检问题,提出一种基于YOLOv8的缺陷检测算法YOLOv8-EL。首先,使用GauGAN进行数据增强,处理数据集的类内和类间不均衡的问题,提高模型... 详细信息

针对光伏(PV)电池缺陷检测中存在的数据不均衡、缺陷尺度不一和背景纹理复杂多变等因素导致的误检、漏检问题,提出一种基于YOLOv8的缺陷检测算法YOLOv8-EL。首先,使用GauGAN进行数据增强,处理数据集的类内和类间不均衡的问题,提高模型泛化能力,降低模型过拟合的风险;其次,在主干网络和特征融合网络之间嵌入上下文聚合模块,自适应地融合不同层次的语义信息,对齐局部特征,减少微小微弱缺陷信息的丢失,抑制无关背景信息的干扰;最后,构建多注意力检测头以替换解耦头,引入不同的注意力机制细化分类和定位任务,提取空间和通道层面上的关键信息,减少特征混淆。实验结果表明,该模型在扩充后的PV电池EL数据集上的平均精度达到89.90%,模型参数量为13.13×10^(6),在提升精度的基础上兼顾了后续部署时轻量化的要求。在PASCAL VOC数据集上进行泛化性实验,证明了改进算法的泛化性能。

关键词：缺陷检测 YOLOv8 生成对抗网络特征融合注意力机制解耦头

顾及地理环境各向异性的PM2.5浓度时空预测模型

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地球信息科学学报 2024年第9期26卷 2106-2122页

作者：王军杰王达丁晨唐建波石岩杨学习中南大学地理信息系湖南省地理空间信息工程技术研究中心

PM2.5浓度预测对于空气污染的防控和治理具有重要意义。传统图卷积神经网络（Graph Convolutional Network, GCN）等时空预测模型主要通过监测站点间的欧氏距离来度量PM2.5分布的空间相关性，未顾及地形和风向等因素对大气污染物传输过... 详细信息

PM2.5浓度预测对于空气污染的防控和治理具有重要意义。传统图卷积神经网络（Graph Convolutional Network, GCN）等时空预测模型主要通过监测站点间的欧氏距离来度量PM2.5分布的空间相关性，未顾及地形和风向等因素对大气污染物传输过程的各向异性影响，导致地形复杂区域内的预测结果精度偏低。为此，本文提出了一种顾及地理环境各向异性的PM2.5浓度时空图卷积网络预测模型。首先，考虑地理环境的各向异性特征，利用地形和风向等对站点间PM2.5传播的各向异性影响构建GCN的边，将站点PM2.5浓度、土地利用和其他气象因子建模为GCN的节点特征。其次，通过GCN提取站点PM2.5浓度的空间特征。最后，通过门控循环单元（Gate Recurrent Unit, GRU）建模站点PM2.5浓度的时间特征并进行预测。本文以山地型省份贵州省2017年逐小时PM2.5浓度记录进行实验，并采用一系列时空预测基线模型（GTWR、STSVR和GCN+GRU）与本文模型进行对比。实验结果表明：（1）本文模型的PM2.5浓度预测结果的RMSE、MAE别为10.047、6.848，相比基线模型平均下降了11.29%和12.16%;R2为0.883，比基线平均提升了3.72%；（2）通过不同地形对站点PM2.5浓度相关性影响分析，论证了山脉沟谷等地形会显著影响站点间的PM2.5浓度的相关性，进而影响站点PM2.5浓度预测结果；（3）充分考虑地形和风向对PM2.5传播产生的各向异性影响，能够显著提升存在山脉和沟谷地形区域内PM2.5预测精度。

关键词： PM2.5浓度预测时空图卷积网络空间相关性地理协变量地形距离风向各向异性地理环境特征

中国建设用地扩张未来情景模拟及其对景观格局演化的影响

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地理研究 2024年第4期43卷 843-860页

作者：支俊俊韩陈勖王雪婷张立康褚超群安徽师范大学地理与旅游学院芜湖241002 资源环境与地理信息工程安徽省工程技术研究中心芜湖241002

对中国建设用地的未来扩张趋势及时空格局进行模拟预测,可为科学编制国土空间规划和合理调控城乡发展提供科学依据。本研究对未来30年中国建设用地扩张进行多情景模拟预测,并分析不同区域建设用地扩张的时空演化特征及其对景观格局演化... 详细信息

对中国建设用地的未来扩张趋势及时空格局进行模拟预测,可为科学编制国土空间规划和合理调控城乡发展提供科学依据。本研究对未来30年中国建设用地扩张进行多情景模拟预测,并分析不同区域建设用地扩张的时空演化特征及其对景观格局演化的影响。研究结果表明:(1)基于斑块生成土地利用模拟模型(Patch-generating Land Use Simulation,PLUS)可以获得较高的模拟精度,各分区Kappa系数均高于0.92,总体精度均高于95%,FoM值均高于0.40,表明PLUS模型适用于全国尺度和大区域尺度的土地利用模拟。(2)影响中国建设用地扩张最主要的因素为人口、坡度和年均降水量,存在区域性差异。(3)自然发展、耕地保护、生态保护和可持续发展四种情景下模拟预测的未来土地利用的结构和特征具有明显差异,在可持续发展情景下建设用地扩张主要占用非重点保护的耕地和生态用地以及未利用地,可满足经济发展对于建设用地指标的刚性需求,有助于实现可持续高质量发展。(4)建设用地扩张对景观格局产生显著影响,在可持续发展情景下,与2020年相比,2030年、2040年和2050年建设用地预计增长分别为-0.72%、-0.51%和1.19%,中部和东部地区的优势景观面积占比持续下降,景观多样性不断上升;西部地区的景观聚集度显著下降,破碎度持续上升。本研究通过建设用地扩张的情景模拟及其对景观格局的影响分析,尝试为制定区域差别化政策提供参考,对实现经济发展、耕地保护和生态保护三者之间的均衡协调可持续发展具有重要意义。

关键词：建设用地扩张土地利用变化情景模拟影响因素景观格局中国

高光谱成像的黄瓜病虫害识别和特征波长提取方法

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光谱学与光谱分析 2024年第2期44卷 301-309页

作者：李杨李翠玲王秀范鹏飞李余康翟长远江苏大学农业工程学院江苏镇江212013 北京市农林科学院智能装备技术研究中心北京100097 国家农业智能装备工程技术研究中心北京100097

黄瓜霜霉病和斑潜蝇是制约黄瓜产业发展的严重病虫害。为实现黄瓜病虫害快速在线识别,采用高光谱成像和机器学习研究快速识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害的方法,为开发实用的基于多光谱成像的黄瓜病虫害快速识别设备奠定基础。使用高光谱成... 详细信息

黄瓜霜霉病和斑潜蝇是制约黄瓜产业发展的严重病虫害。为实现黄瓜病虫害快速在线识别,采用高光谱成像和机器学习研究快速识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害的方法,为开发实用的基于多光谱成像的黄瓜病虫害快速识别设备奠定基础。使用高光谱成像系统采集黄瓜无症状叶片、霜霉病叶片、斑潜蝇虫害叶片的高光谱图像,在病斑区域选择若干个感兴趣区域(ROI),计算每个ROI的平均反射率数据作为叶片原始光谱数据。使用Kennard-Stone算法将光谱数据按照3∶1的比例划分为训练集和测试集。使用直接正交信号校正(DOSC)、多元散射校正(MSC)、移动窗口平均平滑(MA)3种方法对原始光谱数据进行预处理。采用空间迭代收缩法(VISSA)、竞争性自适应重加权算法(CARS)、迭代保留信息变量法(IRIV)、随机蛙跳算法(SFLA)对MA预处理后的光谱数据进行特征波长提取,分别提取出53、20、26、10个特征波长。然后使用连续投影算法(SPA)分别对特征波长光谱数据进行二次降维,最终VISSA-SPA提取的特征波长为455、536、615和726 nm;CARS-SPA提取的特征波长为452、501、548和578 nm;IRIV-SPA提取的特征波长为452、513、543和553 nm;SFLA-SPA提取的特征波长为462、484、500和550 nm。分别对全波段光谱数据、一次降维光谱数据、二次降维光谱数据进行支持向量机(SVM)、Elman神经网络、随机森林(RF)建模,结果表明,MA预处理后的全波段光谱数据所建模型识别效果最好,其中MA-RF模型测试集总分类精度(OA)达到97.89%,Kappa系数为0.97。采用一次降维光谱数据所建模型中,MA-VISSA-RF模型效果最好,测试集OA为98.19%,Kappa系数为0.97。采用二次降维光谱数据所建模型中,MA-IRIV-SPA-SVM模型效果最好,测试集OA为96.23%,Kappa系数为0.95。研究结果表明,使用高光谱成像技术识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害具有良好的效果,452、513、543和553 nm可以作为识别黄瓜霜霉病和斑潜蝇虫害的特征波长,为开发黄瓜病虫害快速识别设备提供了理论依据。

关键词：高光谱成像机器学习特征波长霜霉病斑潜蝇虫害

动态地理背景下过度饮酒行为的时空特征及影响因素——以广州市中心城区为例

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地球信息科学学报 2024年第8期26卷 1794-1810页

作者：文隽永周素红李双明中山大学地理科学与规划学院广州510006 广东省公共安全与灾害工程技术研究中心广州510275 广州市急救医疗指挥中心广州510062

过度饮酒的危害是中国乃至全球面临的问题。本研究结合经典理论构建过度饮酒行为与地理环境关系的理论框架,使用广州市急救医疗指挥中心受理的公众急性酒精中毒呼叫记录、手机信令等多源时空数据,探究动态地理背景下过度饮酒行为的时空... 详细信息

过度饮酒的危害是中国乃至全球面临的问题。本研究结合经典理论构建过度饮酒行为与地理环境关系的理论框架,使用广州市急救医疗指挥中心受理的公众急性酒精中毒呼叫记录、手机信令等多源时空数据,探究动态地理背景下过度饮酒行为的时空特征及影响因素。结果显示:(1)过度饮酒行为在时间上多发于周末和夜间,在空间上集中于城市商业中心;其空间分布在日间较为均衡,而在夜间较为集聚;(2)过度饮酒行为受酒精可获得性的影响,其与社区的KTV、交通站点密集度正相关。KTV的正向影响在日间主要体现在旧城区,在夜间体现在旧城区、近郊区和开发区,夜间的影响相对明显;交通站点的正向影响主要体现在近郊区,且在日间相对明显;(3)过度饮酒行为也受部分空间失序因素的影响,其与所在社区的土地建成率正相关,但与建筑楼龄、街景脏乱度等关系不显著。土地建成率的正向影响主要体现在新城区的景观风貌核心地区以及城郊结合部的城中村社区,且在日间相对明显;(4)过度饮酒行为与社会失序的关系较为复杂且时空分异性较强,其整体上与社区的外地出生人口比例负相关,与低教育人口比例和住宅租金正相关。(5)按照日间和夜间过度饮酒行为影响因素的聚类,分别划分不同的类型区,可针对这些类型区实施差异化的干预措施,以降低过度饮酒的危害。研究揭示了动态地理背景和较小空间尺度下过度饮酒行为与地理环境的关系,弥补了以往的相关研究对动态地理背景和时空异质性考虑不足、分析尺度较大等局限,相关结果能为酒精政策制定和完善、地区治安和卫生资源配置、城乡空间规划设计和相关健康问题的环境干预措施提供参考。

关键词：健康地理犯罪地理地理加权回归急救数据过度饮酒酒精中毒动态地理背景地理环境时空特征

城市绿色空间对居民心理健康的因果效应及分层分析

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地理科学进展 2024年第1期43卷 110-124页

作者：谢波谭徐媛武汉大学城市设计学院湖北省人居环境工程技术研究中心武汉430072

快速城镇化引发城市居民生活方式与居住环境的变化,对居民心理健康产生重要影响,通过建设绿色空间促进居民接触自然环境并缓解心理压力已成为重要的健康干预措施。现有关于绿色空间与居民心理健康的关系研究大多采用横断面设计,难以识... 详细信息

快速城镇化引发城市居民生活方式与居住环境的变化,对居民心理健康产生重要影响,通过建设绿色空间促进居民接触自然环境并缓解心理压力已成为重要的健康干预措施。现有关于绿色空间与居民心理健康的关系研究大多采用横断面设计,难以识别两者的因果关系,且缺乏探讨绿色空间对不同社会群体的心理健康效应的差异性。论文以武汉东湖绿道为例,基于2016年和2019年跟踪调查的1020份东湖绿道周边居民的问卷数据,在控制邻里环境特征的基础上,运用自然实验方法和双重差分模型探究绿色空间干预与居民心理健康变化的因果关系,并结合分层分析方法揭示绿色空间对于不同社会群体心理健康的因果效应的差异性。研究发现:①绿色空间干预显著促进了实验组居民心理健康水平的提升;②绿色空间干预对心理健康的因果效应在不同性别和教育程度的群体中无显著差异,而在不同职业和收入水平的群体之间存在显著差异,表现为绿色空间干预仅显著提升了未就业群体、低收入和中低收入群体的心理健康水平。总体而言,大型绿色空间的建设显著改善了周边居民的心理健康水平,尤其对于未就业、低收入和中低收入等弱势群体的心理健康促进作用更显著。绿色空间干预对于改善居民心理健康、缓解由社会经济地位差异造成的心理健康受益不均等问题具有重要意义。

关键词：绿色空间心理健康因果效应健康受益不均等自然实验

基于时-空-人耦合的城市时空行为景观:理论构建与应用研究

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地理研究 2024年第9期43卷 2271-2283页

作者：周素红郑重中山大学地理科学与规划学院/广东省公共安全与灾害工程技术研究中心广州510006 北京师范大学珠海校区地理系珠海519087

物质空间与人类活动互动产生的人地关系是人文地理学和城乡规划学共同关注的对象,基于时-空-人耦合的时空行为研究是揭示和解释这对关系的重要基础。本文梳理了从城市空间结构到城市时空间结构、再到城市时空行为景观的相关研究脉络,强... 详细信息

物质空间与人类活动互动产生的人地关系是人文地理学和城乡规划学共同关注的对象,基于时-空-人耦合的时空行为研究是揭示和解释这对关系的重要基础。本文梳理了从城市空间结构到城市时空间结构、再到城市时空行为景观的相关研究脉络,强调从时-空-人耦合的角度理解和认识城市,构建城市时空行为景观的理论和应用研究框架,探讨时空行为景观的内涵、测度、形成机制与主要效应,在此基础上,展望未来研究方向及主要应用潜力,包括面向宜居城市的城市时空行为景观规划、面向健康生活的个体时空行为规划以及面向智慧社会的城市时空协同治理等。

关键词：时空行为行为地理时空行为景观空间规划行为规划

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专利数据辅助的新产品概念设计方案生成方法

计算机集成制造系统 2024年第3期30卷 992-1010页

作者：杨雯丹曹国忠河北工业大学机械工程学院天津300401 河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心天津300401

在生成新产品概念设计方案的过程中,企业常缺乏辅助新产品功能描述、分解及创新的设计知识,且存在功能实现技术检索结果可用性不高、难以有效转化为概念设计方案技术特征的问题。为此,提出一种专利数据辅助的新产品概念设计方案生成方... 详细信息

在生成新产品概念设计方案的过程中,企业常缺乏辅助新产品功能描述、分解及创新的设计知识,且存在功能实现技术检索结果可用性不高、难以有效转化为概念设计方案技术特征的问题。为此,提出一种专利数据辅助的新产品概念设计方案生成方法。首先,使用文本相似度算法,检索国际专利分类表中与设计任务相关的分类号文本,辅助描述新产品的主功能。其次,引入C-K理论将下级分类号释义视为K空间中的元素,新产品子功能视为C空间中的元素,通过元素间转化辅助完成主功能分解。再次,结合专利技术成熟度分析和功能创新策略,确定新产品的功能创新方向,并依据共现分类号释义预测新产品的集成功能,辅助实现新产品的功能创新。接着,应用专利文献跨域特征分析模型,引入技术领域融合度的概念,量化专利技术的知识广度和流动性,辅助优选功能实现技术,并利用语义解析技术自动提取专利独立权利要求中的技术特征,辅助生成新产品概念设计方案。最后,将该方法应用于重型汽车底盘预装设备领域的新产品开发,证明了方法的有效性。

关键词：概念设计专利数据功能设计专利技术优选语义解析