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矿山生态环境定量遥感监测与智能分析系统设计与实现

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煤炭科学技术 2024年第4期52卷 346-358页

作者：刘举庆李军王兴娟张成业杜梦豪冉文艳王金阳胡靖宇中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

矿山生态环境监测与治理是国家生态文明建设和“双碳”目标下的重中之重,其信息化、智能化建设在新一代信息技术革命的助推下成为数字中国建设的重要一环,也是当下时代发展的必然趋势。然而,现有矿山生态环境监测系统仍然停留在单一专... 详细信息

矿山生态环境监测与治理是国家生态文明建设和“双碳”目标下的重中之重,其信息化、智能化建设在新一代信息技术革命的助推下成为数字中国建设的重要一环,也是当下时代发展的必然趋势。然而,现有矿山生态环境监测系统仍然停留在单一专题、要素不全、基础量测、本地管理的初级阶段,无法满足现实环境中对矿山生态环境多要素、长时序、高频次监测与分析的需求。基于此,提出一种B/S架构下的矿山生态环境定量遥感监测与智能分析系统——矿山生态天眼,并详细介绍了其研发需求、技术架构、关键技术及核心功能。系统依托卫星遥感技术及其他监测手段,获取并聚合不同来源、信息丰富的矿山生态大数据,形成矿山分布一张图和数据资源服务;进而基于定量遥感反演矿山生态环境各生态参数,形成一套长时序、多要素的矿山生态监测产品,涵盖人类活动、自然地理条件和“植−土−水−气”各生态要素;在此基础上,系统提供GIS时空分析、统计分析及综合定量评价等工具集,分别实现对矿区土地利用、归一化植被指数(NDVI)等参数伴随采矿活动在空间上的变化监测,对土壤含水量、水体悬浮物浓度等生态要素历史统计值在不同时空位置和区域下的查询与可视化,对顾及多项生态因子的矿山生态环境质量综合定量评价,并最终形成矿山生态扰动与治理监测报告。矿山生态天眼的应用将服务于矿山生态环境全过程变化监测、数据管理、智能分析和决策应用,有望提高矿山生态环境监测与治理的效率和智能化水平,为推动生态文明信息化建设提供参考方案。

关键词：矿山生态环境治理变化监测生态大数据定量遥感智能分析网络地理信息系统

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联合ALOS-2和Landsat 8的绿洲土壤水分反演模型研究

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武汉大学学报(信息科学版) 2024年第9期 1630-1638页

作者：王宇杨丽萍任杰张静孔金玲侯成磊长安大学地质工程与测绘学院山东农业工程学院国土资源与测绘工程学院

机器学习和多源数据融合是土壤水分反演研究的热点方向，但对L波段合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）数据的研究较少。以额济纳绿洲为研究区，利用ALOS-2 PALSAR-2和Landsat 8影像提取雷达和光学特征参数，通过参数重要性... 详细信息

机器学习和多源数据融合是土壤水分反演研究的热点方向，但对L波段合成孔径雷达（synthetic aperture radar,SAR）数据的研究较少。以额济纳绿洲为研究区，利用ALOS-2 PALSAR-2和Landsat 8影像提取雷达和光学特征参数，通过参数重要性评分进行特征筛选，采用随机森林方法建立基于雷达、光学以及雷达-光学特征参数协同的土壤水分反演模型，对比模型精度，反演绿洲土壤水分。结果表明，与C波段相比，L波段SAR数据对干旱荒漠绿洲区土壤水分含量敏感性更高；雷达特征参数中重要性较高的为表面散射和体散射分量，二面角散射和螺旋体散射分量相对偏低；光学特征参数中植被供水指数重要性最高，增强型植被指数重要性最低。雷达特征参数方案最优模型决定系数R2、均方根误差（root mean square error,RMSE）分别为0.67、2.16%，光学特征参数方案模型精度普遍较低且精度相当，R2、RMSE分别为0.5、2.47%；雷达-光学参数协同反演的最优模型R2、RMSE分别为0.72、1.99%，相比单一数据源，R2分别提升7.46%、38.4%,RMSE分别降低8.54%、22.6%。研究证明，基于多源数据融合的随机森林模型在干旱荒漠绿洲区具有较高的预测精度和良好的适用性。

关键词： ALOS-2 PALSAR-2 Landsat 8 土壤水分随机森林特征参数

基于激光雷达与遥感数据的地理空间要素识别方法

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激光杂志 2024年第2期45卷 245-249页

作者：孙敏长春工程学院长春130021

通过地理空间要素识别实现地理测绘和环境有效监测,提出基于激光雷达与遥感数据的地理空间要素识别方法。采用激光雷达的遥感监测方法实现对地理空间特征的对象集变化检测,根据地理空间测绘对象的纹理、形状、空间关系,采用遥感数据融... 详细信息

通过地理空间要素识别实现地理测绘和环境有效监测,提出基于激光雷达与遥感数据的地理空间要素识别方法。采用激光雷达的遥感监测方法实现对地理空间特征的对象集变化检测,根据地理空间测绘对象的纹理、形状、空间关系,采用遥感数据融合和空间信息表达方法实现对地理空间要素特征的专家知识融合,构建地理空间要素识别的遥感专家数据库。仿真结果表明,采用该方法进行地理空间要素识别的决策融合性较好。该方法也实现了对土地利用自然特征变化的检测,使得识别准确率的最大值可达到0.925,且识别耗时始终处于2.5 s以下。

关键词：激光雷达遥感数据地理空间要素识别遥感专家数据库

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面向6G全域融合的智能接入关键技术综述

电子与信息学报 2024年第5期46卷 1613-1631页

作者：王雪孟姝宇钱志鸿吉林大学通信工程学院长春130012

针对空天地一体化接入网络,该文在总结相关研究的基础上,阐述了未来空天地一体化接入架构的关键技术,分析了空口技术、多址技术、干扰分析、计算技术和人工智能(AI)技术等几个重点方向的研究进展,提出了多种接入形式并存的灵活性网络架... 详细信息

针对空天地一体化接入网络,该文在总结相关研究的基础上,阐述了未来空天地一体化接入架构的关键技术,分析了空口技术、多址技术、干扰分析、计算技术和人工智能(AI)技术等几个重点方向的研究进展,提出了多种接入形式并存的灵活性网络架构。针对6G全域融合网络接入的重点研究问题,结合用户的服务质量需求,构建了一体化AI赋能架构,提出了大规模混合多址接入及弹性资源适配策略。基于网络架构立体化、网络协同传输、一体化网络资源管理、未来空天地接入技术以及网络协同计算等未来重点研究方向进行了讨论和展望。

关键词： 6G 网络架构接入技术空天地一体化接入网络空口技术

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基于在线压缩重构的非侵入式电力负荷监测

吉林大学学报（工学版） 2024年第6期54卷 1796-1806页

作者：周求湛冀泽宇王聪荣静吉林大学通信工程学院长春130012

对家庭场景下电力负荷的精确监测常依赖复杂庞大的算法模型,难以在边缘设备中部署。同时,海量电力数据给电力网络通信带来了巨大的挑战。本文针对以上问题,提出了一种分布式非侵入式电力负荷监测方法。通过基于注意力机制的长短时记忆网... 详细信息

对家庭场景下电力负荷的精确监测常依赖复杂庞大的算法模型,难以在边缘设备中部署。同时,海量电力数据给电力网络通信带来了巨大的挑战。本文针对以上问题,提出了一种分布式非侵入式电力负荷监测方法。通过基于注意力机制的长短时记忆网络(LSTM)负荷监测算法计算并识别负荷设备运行状态,借助云边协同技术将负荷监测任务分布式部署于云端以及边缘端中,解决边缘算力不足的问题。针对云边通信带来的高网络带宽需求,通过基于K奇异值分解(K-SVD)双稀疏在线字典学习的压缩感知方法对负荷信号进行压缩和重构,有效缓解通信资源紧张。对比不同负荷场景下监测算法的表现,结果表明:本文负荷监测算法针对不同的负荷类型均可以保持95%以上的准确率。设计实验验证了本文压缩感知方法对电力负荷信号压缩的有效性,确定负荷数据无失真压缩感知最大压缩比。

关键词：通信与信息系统非侵入式负荷监测压缩感知分布式部署长短时记忆网络

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基于支持向量机和信息量模型的长白山崩塌灾害风险评价

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基于支持向量机和信息量模型的长白山崩塌灾害风险评价

作者：程众帅长春工程学院

学位级别：硕士

长白山自然保护区位于吉林省东南部山区,旅游资源及自然资源丰富,是长吉图经济发展的重要支柱之一。但该区域崩塌灾害频发,旅游人员及居民的生命与财产安全受到了较大挑战,并且旅游经济发展受到阻碍。因此,本文以长白山自然保护区的崩... 详细信息

长白山自然保护区位于吉林省东南部山区,旅游资源及自然资源丰富,是长吉图经济发展的重要支柱之一。但该区域崩塌灾害频发,旅游人员及居民的生命与财产安全受到了较大挑战,并且旅游经济发展受到阻碍。因此,本文以长白山自然保护区的崩塌灾害为研究对象,首先通过收集的地质及气象水文资料和野外调查成果,借助GIS软件分析了地质环境条件与崩塌灾害的关系,探究该区崩塌灾害的发育特征和影响因素。其次,从危险性、暴露性和脆弱性这三个关键要素出发,接着运用基于灾害规模等级的多分类支持向量机和层次分析法及信息量法相结合而成的崩塌灾害风险评价模型,对研究区进行崩塌灾害风险评价,并且采取合理的风险管理措施。主要成果如下:(1)通过收集地质、气象水文等地理信息数据及野外调查,结合GIS和ENVI软件构建崩塌灾害点数据库,分析地形、地质及气象水文等地质环境条件和历史崩塌灾害点的关系,以此来识别该区域崩塌灾害的影响因素。(2)根据前期的分析选取危险性指标来构建崩塌灾害危险性评价指标体系,其次,按照地质灾害规模等级规范把崩塌灾害点样本分成了多类型样本,并且将样本数据集分为测试集与训练集,然后运用了基于灾害规模等级的多分类支持向量机构建危险性评价模型对研究区进行崩塌灾害危险性评价,考虑崩塌灾害点规模对危险性评价结果的影响并且通过ROC曲线检验多分类支持向量机模型的性能。(3)从人口、经济、建筑及道路设施方面,选取暴露性和脆弱性评价指标,构建暴露性和脆弱性评价指标体系,接着运用层次分析法和信息量法构建主客观分析相结合的暴露性和脆弱性评价模型,然后分别进行研究区崩塌灾害暴露性和脆弱性评价。(4)本文以长白山自然保护区为例,运用基于灾害规模等级的多分类支持向量机和层次分析法及信息量法相组合的崩塌灾害风险评价模型,进行崩塌灾害风险分区评价,结果表明,极高和高风险区占了研究区面积的24%,并且区内历史灾害点分较多,地质环境条件比较复杂,人口以及社会建筑分布集中。低风险区的灾害点分布较少,灾害规模小,地势平缓且植被覆盖度高,人口密度相对较低些,以及人类工程活动规模相对低些,因此风险等级较低。最后对风险较大的区域采取合理有效的崩塌灾害风险防范措施,并且结果能为地方政府有效开展地质灾害防治工作提供科学参考。

关键词：崩塌灾害支持向量机信息量法 ArcGIS 风险评价

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基于GEE云平台的洞庭湖时空变化分析

基于GEE云平台的洞庭湖时空变化分析

作者：徐乔长春工程学院

学位级别：硕士

作为广布于各地的水源之一,湖泊不仅参与了自然界的循环过程,还为社会进步做出了贡献;由于受到天气条件和人类活动的干扰,其形态也在迅速转变并对周围的环境产生了不良效应。所以,高效且精确获取有关水体的数据以实时了解其变动情况是... 详细信息

作为广布于各地的水源之一,湖泊不仅参与了自然界的循环过程,还为社会进步做出了贡献;由于受到天气条件和人类活动的干扰,其形态也在迅速转变并对周围的环境产生了不良效应。所以,高效且精确获取有关水体的数据以实时了解其变动情况是非常必要的,对环保科学的研究与长期的发展具有重大意义。本文利用Google Earth Engine(GEE)云平台,以洞庭湖为研究区,通过分析Landsat7、8影像数据,监测了近20年来洞庭湖水体的动态变化。研究结果如下:1.选取了单波段阈值法、NDWI指数法(Normalized Difference Water Index)和MNDWI指数法(Modified Normalized Difference Water Index),来提取洞庭湖的水体信息。通过对比三种方法对年际最大水域规模的提取结果,研究发现MNDWI指数法的提取精度最高,达到了97.34%。2.对湖泊水域面积进行时空变化分析研究,发现在2000年至2020年期间,洞庭湖的水域规模呈萎缩趋势,动态变化率为-0.27%。此外,通过对洞庭湖水位时间序列的分析,发现水位变化呈现大约1.8年的周期性,湖泊质心呈现向西南方向迁移的趋势,整体水域规模减小。3.根据对年均气温、年均降水量、年均入湖泥沙量等气候条件及围湖造田面积和农田灌溉用水量等人为因素的研究发现:洞庭湖的年际最大水域规模与其温度的变化呈现显著的反比关系(相关系数为0.6197),而降水量则显示了明显的正向关联(相关系数达0.7369)。同样地,对于湖泊水体的扩张而言,泥沙的输入也起到正相关的作用(相关系数为0.4458)。围湖造田面积和农田灌溉用水量与水域规模呈现明显的负相关(相关系数分别为0.7953,0.8276)。综合来看,农田灌溉用水量是影响湖泊演变的核心因素。这对于了解洞庭湖的水体动态、分析影响因素以及制定相应的环境保护措施具有重要意义。通过及时了解湖泊的变化情况,可以为生态系统保护和社会可持续发展提供科学依据。

关键词： Google Earth Engine MNDWI 洞庭湖相关性分析演变因素

基于日光诱导叶绿素荧光的东北林区森林碳汇估算

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自然资源遥感 2024年

作者：赵子方梁艾琳南京信息工程大学遥感与测绘工程学院

森林碳汇是维持地球生态平衡和应对气候变化的重要因素。森林碳汇在全球碳循环中扮演着关键角色,通过吸收大量二氧化碳并储存碳元素,有助于减缓气候变化。同时,森林碳汇也提供了生物多样性保护、水资源调节和土壤保持等重要生态服务。... 详细信息

森林碳汇是维持地球生态平衡和应对气候变化的重要因素。森林碳汇在全球碳循环中扮演着关键角色,通过吸收大量二氧化碳并储存碳元素,有助于减缓气候变化。同时,森林碳汇也提供了生物多样性保护、水资源调节和土壤保持等重要生态服务。因此对于森林碳汇的估算就显得十分重要。选取我国东北林区为研究区域基于日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)运用植被总初级生产力(gross primary productivity,GPP)作为中间变量来估算2011—2020年6—9月植被生长期的森林碳汇。结果显示:东北林区森林碳汇与SIF在空间上存在较强相关性。东北林区的SIF值和碳汇分布相似,长白山地区的碳汇能力较强,而大兴安岭地区的碳汇能力较弱。在时间分布上,植被生长期的6—9月,碳汇能力总体呈先递增后递减的趋势。总的来说,利用SIF来估算碳汇在东北林区具有较高的可行性。

关键词：森林碳汇 SIF GPP

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堤防逐渐溃决水流特性及溃口封堵模拟研究

堤防逐渐溃决水流特性及溃口封堵模拟研究

作者：高艺长春工程学院

学位级别：硕士

随着全球气候变化的不断加剧,极端气候事件的发生频率与强度持续增加,加剧了河流、湖泊周边地区的洪涝风险。堤防作为防洪工程的核心组成部分,在保障人们生命财产安全和促进地区可持续发展方面发挥着至关重要的作用。天然的河流走势曲折... 详细信息

随着全球气候变化的不断加剧,极端气候事件的发生频率与强度持续增加,加剧了河流、湖泊周边地区的洪涝风险。堤防作为防洪工程的核心组成部分,在保障人们生命财产安全和促进地区可持续发展方面发挥着至关重要的作用。天然的河流走势曲折,堤防可能与主流方向平行或形成一定的角度,特别是在弯曲河段的凹岸顶端会受到水流顶冲和横向环流的影响,在洪水条件下导致堤防溃决。因此,深入研究不同类型堤防逐渐溃决过程中的水流特性及封堵过程至关重要。通过模拟溃口逐渐展宽的水力学过程,能够预测堤防在洪水过程中可能产生的情况。建立堤防溃口的封堵模型,可以为制定全面的应急管理预案、紧急溃口封堵方案提供技术参考,从而最大限度地减少洪涝灾害的损失。本文采用三维数值模拟的方法,对实际河流在洪水条件下的堤防逐渐溃决过程和溃口封堵过程进行研究。主要有以下几个方面:（1）建立非黏性土堤漫溢溃决模型,将堤防溃口的演变过程及宽度随时间变化的数值与典型的非黏性土堤溃决物理试验结果进行对比,并进行误差分析,验证本文数值模型的合理性,确保能够准确地模拟实际堤防的溃决过程。（2）本文依据河流流动方向对溃口造成的不同影响,选取了某河流中具有代表性的河道类型,包括河流流动方向与堤防平行的直线段、流动方向与堤防形成一定角度的斜交段、弯曲段的堤防进行研究。建立相应的三维溃决模型,深入研究溃口的演变过程以及溃口区域的水流特性。最终,弯曲段、斜交段、直线段堤防的溃口顶部宽度分别扩展至75.01m、73.81m和70.95m;弯曲段堤防溃口中心处最大流速、横断面平均流速、横断面平均流量均为三者中最大,对应的值分别为4.67m/s、3.01m/s、246.13m/s。而斜交段堤防的溃口中心水深为三者中最大,为1.87m。通过细致分析溃口区域的流速、水深、断面平均流速和流量等数值的变化,得出河流堤防逐渐溃决中水力要素的变化规律,为相关工程应用提供了重要的理论支撑。（3）通过已有河流堤防溃决后的溃口封堵方案以及溃口材料的选择,针对较为薄弱的弯曲段堤防,选择立堵法单侧进占和双侧进占投放块石的封堵方案对堤防溃口进行封堵模拟,研究不同方案的封堵过程中溃口区域的水流特性。封堵完成后,溃口区域水流量减少,主河道内水深增加,流速减小。单侧进占和双侧进占方案的溃口迎水侧水深分别达到2.33m、2.18m,背水侧水深分别减至1.00m、0.93m,横断面平均流速分别为1.1m/s、1.05m/s,横断面平均流量分别为103.78m/s、100.83m/s。若环境和运输条件允许,优先考虑双侧进占封堵方案,以缩短封堵所需时间,减少洪水对周边耕地和村庄的影响,这一研究可为实际堤防抢险提供参考。

关键词：堤防溃口数值模拟水流特性溃口封堵