最小二乘法估算Pearson-Ⅲ型分布参数的改进

Pearson-Ⅲ曲线分布在气象、水文和农业等领域有广泛的应用,其概率密度函数包含形状参数\begin{array}{c}\left(\alpha \right)\end{array}、尺度参数\begin{array}{c}\left(\beta \right)\end{array}和起始值\begin{array}{c}\left({\alpha }_0\right)\end{array}3个待估计参数。应用Pearson-Ⅲ分布来估算强度的关键在于这3个参数估算的精度。由于原有最小二乘法在估算参数时未考虑各参数的有效区间,参数\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}可能小于0,并导致估算强度出现负值,从而使雨强、水速、水位等强度估算出现异常值。经理论推导证明,若Pearson-Ⅲ概率密度函数中的参数\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}非负,则估算出的强度值不会出现负值。以该推导为基础,提出了一种改进的Pearson-Ⅲ分布三参数估算算法。首先根据最小二乘法估算迭代计算一系列参数组合;然后按离差平方和的大小排列各组参数;接着利用各组参数分别计算\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}值,过滤使\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}小于0的参数组合;最后在剩下的参数中选取离差平方和最小的一组作为最优参数。以估算暴雨风险值作算法测试实验,结果表明改进算法模拟得到的\begin{array}{c}{\alpha }_0\end{array}值始终大于等于0,估算出的暴雨风险值均在合理范围之内。对比改进算法与传统算法的参数分布拟合检验结果,发现改进算法能使更多的气象站点通过了置信度为0.05的分布拟合检验。因此,利用改进后的算法估算出的Pearson-Ⅲ概率密度函数参数更合理,且强度估算结果更准确,对编制城市暴雨强度公式有一定的参考价值。     

乌江上游地区森林生态系统水源涵养功能评估及其空间差异探究

乌江流域是西南地区重要经济中心的生态和安全屏障,其上游地区长年面临水土流失和土地石漠化等问题,严重影响到当地和长江沿岸人民的生产生活。本文基于贵州省毕节地区2010年森林二类调查小班数据,运用综合能力蓄水法对乌江上游地区森林生态系统水源涵养量进行估算,分析了水源涵养能力的空间分异特征,并使用线性回归和相关分析法对森林水源涵养能力与林地海拔、坡度和土地退化类型之间的关系进行了深入探讨。结果表明：（1）2010年,研究区森林生态系统的水源涵养总量为563.05\begin{array}{c}\times \end{array}10⁶ m³,单位面积水源涵养量达774.73 t/hm²,水源涵养能力分布表现为东部地区自东北向西南逐渐减弱、西部地区强弱相间的碎片化分布特征;（2）随着林地海拔的升高,森林单位面积水源涵养量表现出显著的下降趋势,海拔平均每上升1000 m,单位水源涵养量相应减少90.56 t/hm²左右;（3）森林水源涵养能力与坡度呈显著的负相关,坡度平均每增加1°,单位水源涵养量相应减少2.44 t/hm²;（4）土地退化对森林水源涵养功能的影响较大,退化土地的森林水源涵养能力较非退化土地平均下降23.50%。正确认识森林生态系统的水源涵养功能及其空间差异,对了解当地森林生态系统现状,以及制订实施更有针对性、更高效的水资源可持续利用和生态环境恢复及建设等相关政策具有重要意义。     

基于SVR的旱区稀疏植被覆盖下土壤水分遥感反演

中国西北半干旱区降水稀少、蒸散强烈,土壤水分作为重要的生态因子,影响着土壤-大气界面的能量平衡。支持向量回归模型具有估算精度高、可处理非线性问题、泛化能力强等优点,近年来被应用于土壤水分反演研究中,但已有模型极少考虑地表粗糙度因素的影响,导致反演精度受到一定限制。因此,本文以内蒙古乌审旗为研究区,采用水云模型去除地表稀疏植被覆盖的影响,提取全极化Radarsat-2 SAR影像裸土后向散射系数（ {\sigma }_{\mathrm{soil}}^0 ）,并利用AIEM模型和Oh模型建立后向散射系数数据库,采用LUT法模拟地表有效粗糙度参数,构建基于支持向量回归的土壤水分反演模型,并系统地对比分析了不同极化方式的后向散射系数作为数据源的土壤水分反演结果。研究结果表明：不考虑粗糙度参数的单数据源作为模型参数时,同极化数据反演结果比交叉极化具有更高的反演精度;当模型参数为考虑粗糙度的多源数据时,不同极化数据的反演精度均有所提高,其中数据源为 {\sigma }_{\mathit{vv}}^0 和粗糙度参数时,反演结果最好（R ²=0.917,MAE=3.980%,RMSE=5.187%）。研究结果可为旱区稀疏植被覆盖地表土壤水分的遥感监测提供技术支持。     

连续变量的自适应局部空间同位模式挖掘算法

目前,局部空间同位模式挖掘方法存在需要预设定邻域范围、挖掘的结果无统计显著性意义而难以对结论进行科学地判定等问题,如当前常用的\begin{array}{c}K\end{array}近邻方法难以确定合适的搜索圆半径,而固定距离法由于空间数据集的多尺度特性,距离阈值的设定对结果的影响较大。因此,针对连续变量的空间采样点数据集,本文提出了一种自适应局部空间同位模式挖掘算法。首先,定义了连续变量的空间同位模式兴趣度函数、模式指示器函数及Voronoi邻域,并通过构建Voronoi邻域矩阵避免了预设定邻域阈值的问题,最后采用\begin{array}{c}{G_i}^{*}\end{array}统计量进行局部空间同位模式及其区域的发现,使挖掘的结果具有统计显著性意义,进而帮助专家对挖掘结果做出更科学的判定。通过使用真实的连接了烟草适应性评价结果的耕地地力样点调查数据和水污染数据,对开发的算法进行测试。实验结果表明,算法无需预设邻域范围,可查找同区域内的不同空间同位模式。实验所发现的局部空间同位模式发现了实验数据研究区域存在的特有现象,对耕地地力调查工作具有实际的指导作用。     

融合多源大数据的武汉城市空置区域评估与分析

在城市不断发展与扩展的同时,许多建成区可能会出现空置,表现为人口、企业稀少,生产水平严重低下,对城市空置区域的评估能够反映当前城市内部各区域发展状况,能够作为城市改造更新的依据。本文提出了一个以空置指数来量化评估城市内部层面空置现象,并对其影响因素进行探究的方法。根据“空城”的外在特征：建筑水平与社会活动水平,空置指数通过较高分辨率夜光遥感影像（Luojia1-01）和土地覆盖信息得到;同时依据城市空间活力营造原则,通过社会感知数据与路网数据量化产生空置现象的内在影响因素;并通过随机森林模型对空置指数精细化以及对影响因素重要性排序。以武汉市城区为例,用该方法对空置指数可视化,可识别出空置现象严重的区域,主要为老旧城区、工厂库房、单一功能的公共设施区域等,同时道路的可达性与人流密度对空置现象影响较大,且建立的随机森林模型精度 R^2 可达84.6%,对空置指数通过随机森林拟合后,其可视化分辨率由130 m优化至25 m。本研究结果可为城市中空置现象的改进提供依据。     

北极海冰范围时空变化及其与海温气温间的数值分析

本文利用美国国家冰雪中心提供的1989-2014年海冰范围资料,分析了北极海冰范围的年际变化和季节变化规律。分析发现,北极海冰范围呈减少趋势,每年减小\begin{array}{c}5.91\times {10}^4\mathit{k}{m}^2\end{array},夏季减少趋势显著,冬季减少趋势弱。北极海冰范围显现相对稳定的季节变化规律,海冰的结冰和融化主要发生在各个边缘海,夏季期间的海冰具有融化快、冻结快的特征。结合海温、气温数据,进行北极海冰范围与海温、气温间的数值分析,结果表明北极海冰范围变化通过影响北极海温变化进而影响北极气温变化。海冰范围的季节变化滞后于海温和气温的季节变化。基于北极考察走航海温气温数据,进行楚科奇海海冰范围线与海温气温间的数值分析,发现楚科奇海海冰范围线所在区域的海温、气温与纬度高低、离陆地远近有关。     

微波与光学遥感协同反演旱区地表土壤水分研究

土壤水分是水文循环中的关键因素,尤其对旱区的生态环境具有十分重要的意义。微波遥感是反演土壤水分的有效手段,而植被是影响土壤水分反演精度的重要因素。因此,对土壤水分的反演需要考虑植被的影响。本文以内蒙古乌审旗为研究区,利用Radarsat-2雷达数据与TM光学数据,对旱区稀疏植被覆盖地表土壤水分反演进行研究。利用TM数据,分别选取NDVI和NDWI指数对植被含水量进行反演,通过水云模型消除植被层对土壤后向散射系数的影响;在此基础上,根据研究区地表植被特性,提出一种基于AIEM 模型的反演土壤水分的改进算法,反演了不同粗糙度参数、不同极化（VV极化和HH极化）条件下的研究区土壤水分。反演结果与野外实测数据的对比结果表明,本文提出的基于地表植被特性的土壤水分改进算法,具有更好的适应性;土壤水分反演模式\begin{array}{c}M{v}_{\mathit{\sigma vv}\left(1\right)}^{\mathit{lh}}\end{array}（VV极化方式下采用NDVI去除植被影响的反演模式）更适合于旱区考虑稀疏植被覆盖影响的地表土壤水分的反演。     

武汉市夏季城市热岛与不透水面增温强度时空分布

城市化的不断发展使自然地表不断被不透水面所取代,城市地表温度高于乡村,形成了显著的热岛效应。城市热岛给城市生态发展与人类健康带来了严重的负面影响,对其空间模式与背后形成机制的研究意义重大。本文以武汉市为例,基于2001、2007和2016年夏季Landsat系列影像使用辐射传导方程法反演了城市地表温度,并采用MOD11A1数据进行了验证;同时,计算了不同时期的城市温度等级和热岛比例指数,分析了城市热岛的时空变化。此外,为了探究热岛效应形成的主要原因,即不透水面与热环境的关系,全局角度使用多元线性回归分析对比了其增温效果与植被水体降温效果的强弱,空间局部角度采用地理加权回归结合地形数据得到了其增温强度的时空变化。结果表明：① 辐射传导方程法适用于实验中研究区的反演;武汉市城市热岛比例指数先增后减,但温度等级高的地区仍在不断扩张;② 多元线性回归可以准确地反映不同地表覆盖对地表温度的影响,R^2值为0.910,总体上武汉市不透水面的增温效果强于植被的降温效果,并弱于水体的降温效果; ③ 2001-2016年不透水面增温强度较高区域的分布呈现“单中心”到“多中心”的变化趋势,由单一集中于中心城区变为了分散集中于三环线附近的汉阳沌口工业区、青山工业区、阳逻开发区和东西湖区等地区。综上所述,武汉市夏季热环境问题仍然较为严重,城市外部地区的不透水面增温强度正在逐渐增大,规划治理应当给予这些地区更多的关注。     

不同人口流动模式下城市传染病时空传播模型适用性研究

空间显式传染病传播模型由于能够较好地模拟城市内部的传染病传播过程,在城市疫情防控中得到了广泛应用。但现有的空间显式模型大多按照人口随机流动模式来模拟城市人口流动行为,未考虑城市中以通勤为主的人口流动模式。本文以长沙市的2014年第1～49周手足口病传播过程为例,将4、8、24邻域扩散以及重力模型、辐射模型共5种不同的人口流动模式与周期SEIR动力学模型结合建立起五种传染病传播模型,并通过比较模型时间和空间精度来明确不同人口流动模式应用在城市内传染病时空传播模拟中的各自优势和适用范围。实验结果表明：每种人口流动模式在城市内传染病时空传播模拟中都有其使用前提和适用范围。基于24邻域扩散的传播模型对手足口病病例数拟合精度最高(RMSE_spatial＿ts=0.58,RMSE_spatial＿st=0.95),基于重力模型的传播模型对城市内部传染病时空传播模拟中的传播趋势的模拟精度最高(r_spatial＿ts=0.46,r_spatial＿st=0.39),且对长沙市人口相对稠密区域(格网常住人口数大于第三四分...     

地形扫描数据TIN模型生成DEM的误差计算方法

由地表三维空间数据生产的数字高程模型(DEM)的误差包括从数据误差传递来的误差和因数据数量不足以反映地形起伏造成的信息损失误差。本文给出了由三维空间数据的不规则三角网(TIN)模型栅格化为DEM过程中,通过线性插值将数据随机误差传递到DEM栅格上的随机误差的解析解,同时利用地基激光扫描仪测量的冲沟地形数据点云,分析得出因信息损失产生的DEM系统和随机误差的估算方法。结果显示信息损失产生的DEM平均高程系统误差和随机误差都与有效测点密度有关,其中有效测点由TIN中包含DEM栅格中心点的所有三角面的3个顶点组成;信息损失产生的DEM平均高程系统误差和随机误差除与有效测点密度相关外,还与地形特征有关,平均高程系统误差与地形整体凹度参数有关,随机误差与地形整体起伏程度参数有关。建立了分辨率为0.1 m×0.1 m的DEM误差估算模型。     

武汉市不同站域建成环境与轨道交通站点客流特征关系分析

中国已经成为全世界城市轨道交通建设里程最长、建设速度最快的国家,合理识别城市轨道站点类别与影响不同类别站点客流特征的建成环境因素对轨道交通的建设具有十分重要的作用。因此,本文以武汉市为例,通过轨道交通刷卡数据,运用引入客流特征的EM聚类方法,将轨道交通站点分为职住错位型、居住导向型、就业导向型、居住综合型、就业综合型、综合型6类。并在此基础上,建立无序多分类logistic回归模型,定量分析站点客流吸引范围内建成环境因素对不同类型站点轨道交通客流特征的影响。结果表明：以综合型站点为对照组,路网密度和交叉口密度对所有类型站点的客流特征有显著影响,低路网密度高交叉口密度更有利于职住平衡;公交车站密度与就业导向型站点的客流特征存在负相关;商务用地占比对职住错位型、居住导向型、居住综合型站点有负向关系;服务业设施用地占比与职住错位型、居住导向型和就业综合型站点的客流特征负相关;科研教育用地占比与居住导向型和就业导向型站点客流特征负相关;土地利用混合度与居住导向型和就业综合型站点的客流特征负相关。研究结论将对武汉市轨道交通建设、轨道交通和土地利用协调发展等具有重要意义。     

利用多源城市数据划定地铁站点吸引范围

随着时代的发展,世界城市规模不断扩大,各大城市的交通需求陡然增加,而地面出行所带来的堵塞和环保问题导致政府部门把目光转向地下交通发展,其中地铁是地下交通发展中最重要的交通工具。准确划定地铁站点吸引范围,分析影响地铁站点吸引范围主要因素,不仅对于优化地铁交通服务和规划地铁周边建成环境具有重要意义,同时对于新建地铁站点设施规划具有参考价值。传统的地铁吸引范围划定方法大多依赖于居民日常出行活动的调查和经验意见,存在时间周期长且耗费巨大和吸引范围划定不准确的问题;而多源城市数据的涌现为量化地铁站点周边建成环境及客流空间分布、合理划定地铁站点提供了全新的解决方案。TOD（Transit Oriented Development,TOD）是高密度城市（如深圳、北京等）寻求的城市和交通和谐发展的重要选择,也是未来交通建设的主要参考理念。因此,从公共交通导向的开发视角出发,本文利用2017年的兴趣点、道路网络、公共交通线路等多源城市数据刻画地铁站点周围的TOD信息指标,利用K均值聚类进行地铁站点聚类,结合TOD指标的空间变化趋势,确定深圳市不同类型地铁站点的吸引范围。研究结果表明：① 基于TOD密度指标划定的地铁站点吸引范围能够揭示地铁站点的吸引范围的差异,且就业地点密度和土地混合利用度对地铁站点吸引范围的影响较大; ② 与城市非中心区域相比,城市中心区域的地铁站点吸引半径较小但出行需求较高,其凸显了地铁站点规划在空间服务密度和居民出行需求之间的取得均衡;③ 深圳市地铁站点吸引范围重叠与城市区域发展程度相关程度较高,可为利用现有地铁站点空间覆盖,发展城市功能集中区域提供参考。     

阴影消除植被指数(SEVI)去除地形本影和落影干扰的性能评估与应用

地形校正是崎岖山区遥感图像预处理的关键步骤。为了评估基于DEM数据的经验校正模型、山地辐射传输模型和波段组合优化计算模型在去除地形阴影效应方面的性能,并将其应用于福州市植被覆盖监测,本文采用C模型（和SCS+C模型）、6S+C模型和阴影消除植被指数（SEVI）进行评估、比较。采用1999年和2014年两期Landsat 5 TM卫星数据和相关的 30 m ASTER GDEM V2高程数据,分别计算了C校正（和SCS+C校正）和6S+C校正后的归一化植被指数（NDVI）和比值植被指数（RVI）以及基于表观反射率数据的SEVI。通过目视比较、光谱特征比较以及太阳入射角余弦值（cos i）与植被指数的线性回归分析,可以看出C模型和SCS+C模型对本影具有较好的校正效果,但对落影的校正效果欠佳。NDVI和RVI的本影与邻近无阴影阳坡的相对误差分别从71.64%、52.57%降至4.80%、6.43%（C模型）和0.50%、9.94%（SCS + C模型）,而落影与邻近无阴影阳坡的相对误差分别从62.01%、47.57%降至31.05%、24.40%（C模型）和33.42%、16.01%（SCS + C模型）。在NDVI的落影校正效果上,6S+C模型比C模型和SCS+C模型有一定的提升,本影与邻近无阴影阳坡之间的相对误差为8.63%,落影与邻近无阴影阳坡之间的相对误差为14.27%。而SEVI在消除本影和落影方面整体效果更好,本影和落影与邻近无阴影阳坡的相对误差分别为9.86%和10.53%。最后,基于SEVI对福州市1999-2014年的植被覆盖变化进行了监测。监测结果表明： ① 1999-2014年植被覆盖增加了893.61 km ²,植被增加区域主要分布在海拔250~1250 m范围内;② SEVI均值在坡度40°附近达到峰值。     

地图点要素注记自动配置中聚类分组的蚁群算法应用

大规模点要素注记自动配置问题是地图注记的难点之一,主要受限于时间效率和注记配置质量。针对该问题,本文首先提出一种椭圆形多方位多级注记待选方位配置方案,使其参数化、多元化。其次,结合点要素空间分布特征,提出一种以聚类分组的蚁群算法,并讨论和优化核心参数,实现大规模点要素的注记快速配置。实验表明,该算法计算效率明显提升,算法性能稳定。针对注记密度在5%~30%随机分布点要素的地图,其相比传统蚁群算法算法效率提高73.2%;同时,该算法的注记结果质量比传统蚁群算法注记结果质量好,注记适应度提升8.0%。实验采用抚顺县集体土地所有权界址点数据进行验证,结果表明效率提升86.7%,且注记适应度提升14.6%。本算法适用于点要素规模大、点簇疏密变化差异大的点要素注记自动配置问题的快速求解。     

顾及轨道交通影响的浙中城市群土地利用多情景模拟与分析

土地利用变化受到地形地貌、自然环境、城市规划和经济发展等的影响,预测其未来情景对政策调整具有重要的参考意义。元胞自动机模型是模拟和预测不同规划政策下土地利用变化的常用方法。本文基于GlobeLand30数据集,利用浙中城市群2000-2010年土地利用变化校准FLUS模型,并模拟2010年土地利用格局,其总体精度、Kappa系数和图形优化(FOM)分别为89.74%、82.69%和29.86%。采用马尔可夫链预测2030年各类型土地总量,利用FLUS预测一般条件下(常规情景)和城市轨道交通规划站点影响下(轨交情景)浙中城市群未来土地格局。结果表明,在5 km范围内城市轨道交通站点对建设用地增长影响较大,在该区域轨交情景比常规情景面积增加45.25 km^2、且主要发生在城市边缘区。建设用地扩张主要通过侵占优质农田实现,轨交情景5 km范围内农田转化为建设用地比常规情景增加33.34 km^2,建设用地扩张强度高于常规情景,其中最低扩张强度以上占比高于常规情景3.70%。景观指数表明,2种情景中林地、草地和水域格局具有较高相似性。本研究表明,综合使用FLUS、遥感、GIS等技术方法,能够准确模拟和预测不同规划条件下未来土地利用格局,并为规划和政策调整提供高可信空间数据。     

北京对外交通枢纽乘客OD时空分布特征

对外交通枢纽对城市内部的客流交通有重大影响,研究其乘客在市内的OD分布对优化设计地面接驳线路、沿线站点等有重要意义。本文基于北京出租车GPS数据,选取具有代表性的3类对外交通枢纽（机场、火车站、汽车客运站）,采用标准差椭圆分析、核密度估计以及分时点统计等方法,研究了北京对外交通枢纽乘客OD时空分布特征。结果表明：（1）机场、火车站客流量远大于汽车客运站,其中首都国际机场与北京西站的对外出行客流量最大,南苑机场和北京北站的对外出行客流量较少;（2）机场乘客主要分布在四环以里大部分地区以及五环以里部分地区,时间上主要分布在除凌晨1-4时的各个时间段;火车站乘客主要分布在四环以里区域,时间上主要分布在6-21时;汽车客运站乘客主要分布在各客运站周边区域,时间上主要集中在6-17时;（3）北京南站与北京西站、北京站间的客流联系较多,可考虑开通北京南站与二者间的地面接驳专线。此外,抵离首都国际机场、南苑机场的乘客主要分布区域与新开通的机场往返市区的巴士线路站点较为一致,说明采用出租车数据进行乘客OD分析可为决策部门进行相关交通规划提供依据。