地球信息科学学报

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陆地表层系统模拟

近30年来中国陆地蒸散量和土壤水分变化特征分析

邴龙飞, 苏红波, 邵全琴, 刘纪远

2012, 14(1): 1-13. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00001

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对NOAH陆面模式模拟的近30年中国陆地蒸散量和土壤含水量,按照6大片区和5种生态系统类型进行了统计分析。讨论全国以及各大区不同生态系统类型蒸散和土壤含水量的变化,研究不同类型蒸散和土壤含水量的关系。中国陆地蒸散量总体呈增加的趋势,年内蒸散量最大的月份是7月,年末和年初蒸散量较小。而我国中南、西南、华东、东北和西北蒸散量变化趋势和全国的总趋势一致,呈增加的趋势。华北地区蒸散量近30年来总体趋势是下降的,华北蒸散量最大的年份是上世纪90年代。在所有生态系统类型中,林地蒸散最大的有东北、华东、西南和中南4区;而华北和西北草地在各类型中蒸散量所占比例最高。6大片区对比,林地蒸散水量最大的地区是西南和中南,最小的西北;草地蒸散水量最大的地区是西南,最小的是东北区;农田蒸散水量最高的是华东,最低的是西北;荒漠蒸散量最大的片区是西北;湿地蒸散最大的是东北。80年代以来,全国土壤含水量总体呈下降的趋势。从各片区的情况看,仅西北地区稍有增加,其余5区土壤含水量皆是下降的。植被覆盖度和土壤水分是影响蒸散量最重要的因子,在植被覆盖较差时,土壤水分和蒸散量相关性较好。

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陆地表层系统模拟

近40年来中国大陆地表气温变化估算

孙朝阳, 邵全琴, 刘纪远

2012, 14(1): 14-21. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00014

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本文对近20年来中国地表气温变化估算方法进行了全面的总结,并对不同研究者所采用的资料、时间尺度及研究结果进行了对比分析。结合当前国际上应用较多的几种升温估算方法,本文以1970-2007年的气温数据为基础,分别应用直接算术平均法、逐站计算法、区域面积加权法、一级差分法和空间插值法,对中国大陆近40年的升温幅度分别进行了估算,从结果的对比分析中揭示中国地表气温变化估算中存在的不确定性:中国大陆地区近40年来的增温趋势在0.30~0.43℃/10a之间,升温幅度在1.16~1.56℃之间;冬季升温最为显著,夏季升温最少;整体上北方升温幅度高于南方。不同计算方法计算得到的增温速率在绝对值上有着一定差异,但整体趋势是相同的。

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陆地表层系统模拟

近20年来黄土高原地区的经济增长时空分异特征

刘艳华, 徐勇, 刘毅

2012, 14(1): 22-31. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00022

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经济不均衡增长是区域发展的一种常态。分析区域经济增长时空差异及成因,对于认识和加快落后地区的经济发展具有重要的意义。本研究在GIS技术的支持下,对黄土高原地区近20年来以县市为单元的经济增长时空分异特征进行了系统的分析。主要结论有:改革开放以来,黄土高原地区的GDP水平呈现出持续的快速增长态势。近20年来,陕北和内蒙古鄂尔多斯地区增长最为迅速;人均GDP的空间分布整体上呈现出"两高一低"的带状分布格局,且这种格局明显地受到极化增长的扰动和重塑;经济增长表现出显著的极化增长特征,且经济增长极的极化作用与增长极之间地位的调整是同时进行的;与常态化的城市产业集聚推动型经济相比,机遇性的资源开发拉动型经济对人均GDP的拉动速度更快,但可持续性较差。未来,黄土高原地区应走以中心城市带动为主,以能矿产资源开发拉动为辅,两者相互促进,共同带动整个区域经济更快、更好、更可持续地发展的道路。

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陆地表层系统模拟

2010年中国西南旱情的时空特征分析——基于MODIS数据归一化干旱指数

白开旭, 刘朝顺, 施润和, 高炜

2012, 14(1): 32-40,48. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00032

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近年来,干旱灾害频繁发生,对区域内农业生产和生态环境造成了极大的破坏。为了快速准确地获取大面积地表土壤水分信息用以评估地表受旱程度,本文以2010年年初中国西南大旱为例,运用MODIS可见光-红外波段数据以及像元可信度综合生成了归一化干旱指数(NDDI)。同时,结合研究区内地面气象站点实测的土壤湿度数据验证了NDDI对地表土壤湿度的敏感度。结果表明:相比于植被状态指数(VCI)干旱监测模型,NDDI能更加灵敏地对浅层地表干湿变化做出迅速响应。最后,本文利用NDDI分析了2010年年初中国西南大旱旱情发展的时空演变过程,宏观上重现了此次旱情的发展历程,并使用该指数统计了不同时间节点、不同干旱等级下的贵州省土地受旱面积。结果显示:2010年1月-2010年4月为贵州省旱情最为严重的4个月,平均受旱面积达103 352km²,最大受旱面积达132 257km²,占贵州省总面积的75%以上。同时,旱情等级为重旱的土地面积最大达到88 246 km²,占贵州全境土地面积的50%以上。

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陆地表层系统模拟

黑河山区流域平均坡长的计算与径流模拟

余文君, 南卓铜, 李硕, 李呈罡

2012, 14(1): 41-48. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00041

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流域平均坡长是侧向流和汇流时间计算的重要参数,其会影响地表径流的计算。应用SWAT 2005和ArcView GIS 3.2集成的AVSWAT模型,对黑河干流上游山区流域莺落峡出山口径流进行模拟,发现其计算的流域平均坡长存在较大误差,进而影响到模拟结果。利用子流域内已知的平均坡度和平均坡长建立回归方程,计算各子流域的平均坡长,替换AVSWAT计算的不合理值,在保持其他参数不变的情况下,模拟的月径流纳什系数从0.60提高到0.75,模拟结果得到显著提高。敏感性分析结果和径流曲线数(CN2)的分析也间接验证了流域平均坡长修正方法的可行性。在修正流域平均坡长后,对AVSWAT模型的其他参数CN2等进行优化,模拟的月径流的纳什系数达到0.81,表明本文建议的流域平均坡长计算方法是可以应用到实际的干旱区黑河流域并取得较好模拟效果。

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地球信息科学理论方法

稀疏格网样点的国家尺度土壤属性制图方法与应用

余万里, 李宝林

2012, 14(1): 49-54. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00049

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国家尺度土壤属性数据是地球生物化学循环及水循环等领域研究的重要数据,目前,该尺度土壤属性数据的获取方法主要有两类:土壤属性-空间数据连接法和空间插值。为了确定哪一类方法更适合稀疏样点的国家尺度土壤属性制图,本文以中国吉林省的土壤有机质含量制图为例,采用8~32km格网样点和1∶100万土壤图,对这两类方法进行对比分析。独立样本验证结果表明,土壤属性-空间数据连接法的平均误差(ME)大于距离反比加权(IDW)插值,而平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)都小于IDW插值。IDW插值获得的土壤属性图虽然能大致反映土壤属性空间分布的基本规律,但出现了类似"牛眼睛"的空间结构,且存在无样点区估计值不准确等问题;土壤属性-空间数据连接法尽管忽略了同种土壤类型内部的差异,保留了不同土壤类型边界处的属性值突变,但获得的土壤属性图更能反映土壤属性分布的基本规律,也具有比较详细的土壤属性空间结构。因此,在基于稀疏样点的国家尺度土壤属性制图中,土壤属性-空间数据连接法的制图效果要优于IDW空间插值法。

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地球信息科学理论方法

面向D-TIN并行构建的动态条带数据划分方法与实验分析

齐琳, 沈婕, 郭立帅, 周侗

2012, 14(1): 55-61. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00055

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数据划分是并行算法设计的重要步骤,其结果的均衡性与高效性是提高并行算法性能的重要前提。对于集聚分布的点集数据,传统的D-TIN(Delaunay Triangulation)并行算法尚未给出划分结果均衡、划分效率高效的理想解决方案。针对上述问题,本文在传统D-TIN并行算法规则条带划分方法的基础上,提出采用动态条带实现针对集聚分布点集数据的均衡、高效划分方法。首先,获取点集的最小外接矩形,并使用规则矩形条带按照同一方向进行点集粗分,然后,按顺序进行相邻条带的合并,必要时需动态调整合并区域边界以达到满足负载均衡的要求。为了提高划分效率,尽量减少边界移动次数,采用了对半移动的规则进行边界的动态调整。为了验证动态条带划分方法的适用性,本文使用人工模拟点集数据,进行加速比测试,使用实验区域真实数据进行D-TIN并行构建效率的统计,实验证明,采用该数据划分方法可以获得更高、更稳定的并行加速比,并且数据分布形态和数据规模对加速比的影响较小,进行D-TIN构建可以获得更好的执行效率,并且加速效果更加明显。

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地球信息科学理论方法

AMMI模型的DEM内插方法不确定性研究

赵明伟, 汤国安, 田剑

2012, 14(1): 62-66. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00062

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内插模型的精度评价问题一直是DEM内插研究中的热点问题。以往较多的研究关注插值模型本身的精度评价,却忽略了插值模型与应用环境之间的交互作用,例如,普通克里金方法作DEM内插一般精度较差,但是当插值区域平坦时,该方法的插值精度却很高,这表明该方法对平坦地形的插值问题具有较好的适应性。为了分析不同插值模型在不同地形环境下的适用性,本文选取陕北黄土高原地区不同地貌类型的实验样区,应用AMMI模型对不同内插模型的精度,以及对不同地貌类型的适用性进行评价,该模型最大的特点是很好地结合了方差分析与回归分析的特点,特别适合于不同影响因素之间交互作用的分析。实验结果表明,AMMI模型可以有效地分析内插方法与地貌环境对内插精度的交互作用,不同的内插方法对不同的地貌类型区的适用性存在差异。以本文的研究为例,在陕北黄土高原地区最稳定的DEM内插方法是样条函数法,而反距离加权法与Top to Raster方法精度会更高。最后,通过对环境指数与若干地形因子的相关性分析,表明地貌类型区的坡度可以粗略地代表第一环境指数。

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地球信息科学理论方法

基于几何代数的矢量时空数据表达与建模方法

俞肇元, 袁林旺, 胡勇, 李玉, 宗真

2012, 14(1): 67-73. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00067

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针对现有矢量时空数据建模时空分离所导致的时空表达不一致、不统一的问题,运用几何代数理论和统一时空观,对时间、空间与属性进行一体化的表达与建模。构建了时空统一表达的层次体系,并基于面向对象技术和UML方法,探讨了时间、空间与属性等组件的逻辑关系。提出了矢量时空数据时空统一建模流程,定义了相应的数据组织结构与存储结构,实现了对几何代数空间的对象表达与存储,以及常见矢量数据的集成与预处理方法。对上述成果进行整合,建立了相应的原型系统。实验以中国东南地区级行政区演化序列数据为例,实验结果验证了本文提出方法在时空数据的统一建模与表达方面的可行性,能够有效支撑变化检测等时空分析方法的构建与实现,为时空GIS的发展提供理论参考与方法借鉴。

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地理信息系统技术应用

东北亚资源环境综合科学考察数据集成体系的构建

王卷乐, 宋佳, 朱立君

2012, 14(1): 74-80. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00074

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东北亚区域是一个资源相对集中,生态环境格局复杂,气候地带性多样,人地关系对比显著的区域。集成该区域的资源环境综合科学考察数据,对于支撑全球变化等前沿科学研究和区域可持续发展等具有重要意义。针对该区域数据资源缺乏的现状,研究构建了包括三大体系的东北亚资源环境综合科学考察数据集成系统,即数据资源采集与管理标准规范体系、数据分类体系、数据应用平台软件体系。其中,标准规范体系包括数据采集规范、数据管理规范和综合考察规范3类共23项;数据分类体系包括4个大类、25个小类、128个要素;数据平台软件系统包括数据目录检索管理、元数据管理、数据发布与可视化、数据浏览与获取等5个功能模块;鉴此,用地理信息技术和网络技术,实现了东北亚资源环境综合科学考察数据集成原型系统。目前,已集成144个数据集(库),数据量超过2TB,为东北亚综合科学考察数据的深度集成和应用奠定基础。

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地理信息系统技术应用

田野考古平剖面数据整合

杨林, 盛业华, 裴安平

2012, 14(1): 81-84. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00081

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基于田野考古的原始平剖面数据,面向田野考古快速制图与场景三维重建,以田野考古发掘中的空间平剖面图为研究对象,从分析田野考古现有数据记录方式的特点入手,总结其平剖面数据整合的需求。在对田野考古数据成果的表达和分析的基础上,基于面向对象的思想,确定田野考古平剖面数据整合的规则,并基于GIS技术,设计与实现原始田野考古平剖面数据的基准统一、地层剖面图的拼接与整合。提出数据整合的方法,并结合田野考古数据源类型,阐述了具体的平剖面整合过程。利用真实的田野考古发掘资料,验证了本文提出的平剖面二维数据整合方法,为田野考古快速制图和报告整理提供方法,为实现田野考古遗址三维场景虚拟再现和复原提供数据基础,为解析堆积与遗迹的时空关系提供辅助决策工具和研究支持。

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地理信息系统技术应用

基于列车运行网络的中国城市中心性分析

钟柯, 肖昱, 许珺, 马福光, 刘瑜, 邬伦

2012, 14(1): 85-93. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00085

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本文基于铁路运行网络,利用复杂网络分析方法中的中心性评价指标,对城市在铁路网络中的中心性进行了分析。我们根据列车时刻表基于L空间模型,构建了铁路运营网络,计算了铁路运营网络中节点城市的不同中心性指标,包括度中心性、邻近中心性和介中心性。这3个指标从不同角度衡量了城市在铁路运输网络中的地位和功能,我们分析了这3个中心性指标的空间分布特征及相关性,并探讨了中心性指标与城市发展之间的关系,进一步揭示铁路网络结构对城市发展的影响。

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地理信息系统技术应用

基于数字高程模型的城市地表开阔度研究——以南京老城区为例

贺文慧, 杨昕, 汤国安, 周毅

2012, 14(1): 94-100. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00094

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城市地表开阔度是对地表形态开阔程度的定量描述,间接反映了通风、日照等城市物理性能。本文基于城市数字高程模型,以自然地形较为起伏的丘陵城市——南京为例,采用以光线追踪算法为核心的栅格计算模型,对南京老城区的地表开阔度进行了计算,并以典型样区分析和街区统计为方法,综合分析了建筑与自然地形对城市地表开阔度的影响,结果表明:南京老城区公共绿地、广场以及文物古迹用地的地表开阔度相对较高,均大于0.8,社区中心和居住用地的地表开阔度相对较低,均小于0.6,突出特点是居住用地地表开阔度小于金融商业用地。地表开阔度相对较低的街区主要临近主干道,形成较为明显的西北——东南方向分布的条带状特征,整体呈现出中心条带低四周高的宏观特征。

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遥感技术与应用

一种以CCD拼接结构的航空相机智能调焦方法

李珊珊, 宫辉力, 刘杨, 胡卓玮

2012, 14(1): 101-108,122. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00101

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航空相机在执行对地观测任务时, 需要精确地调焦控制系统实时调整镜头焦距以获得清晰的图像。本文以航空成像运行模式下的CCD拼接结构的特点,提出了一种智能的航空相机小波调焦方法。将图像处理的清晰度评价方法引入航空相机调焦系统,并考虑人类视觉系统(HVS)的特点设置权值,使评价效果更符合人类的主观感受。本文分析了小波基函数的性质,通过比较得出了采用symlet2小波进行三层分解构造的清晰度评价函数,对不同细节丰富程度的图像具有适应性,得到了灵敏度鲁棒性好的评价函数。并选取细节丰富的区域作为评价函数,详细地介绍了结合航空成像设备CCD拼接结构的特点,进行智能调焦的实现原理及方法。理论分析及仿真试验证实了该算法的可行性及有效性。相比传统评价方法具有较高的灵敏度,小波调焦方法的效率能够满足航空相机实时调焦的需求。

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遥感技术与应用

网络环境下的遥感影像金字塔纹理压缩算法与实验

李艳红, 庞小平, 李海亭

2012, 14(1): 109-115. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00109

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建立不同分辨率的遥感影像金字塔模型是现阶段虚拟地球平台的主要技术手段,遥感影像数据的高效压缩是模型应用的基础。论文在分析多种图像压缩技术的基础上,提出以小波变换的JPEG2000标准来压缩网络环境中遥感影像金字塔的纹理瓦片数据。首先,介绍了小波变换的JPEG2000标准的基本原理和EBCOT算法特点,然后,结合实例实现了网络环境中遥感影像金字塔纹理压缩/解压缩的具体过程,对4幅影像图像进行5级离散小波变换,分别对在1024×1024、512×512、256×256、128×128、64×64不同分块大小和1∶15、1∶30、1∶60不同压缩倍率情况下进行图像压缩和重构耗时实验,通过改变分块大小参数和压缩倍率,对压缩性能进行了对比分析,最后,从主观视觉质量和客观辐射质量,对JPEG2000压缩、DXT压缩和JPEG压缩几种方法的压缩图像进行了评价与对比分析。实验结果表明,小波变换的JPEG2000具有高质量、高压缩率、良好的抗误码能力等特性,重构图像的视觉质量与原始图像相比人眼看不出失真,而峰值信噪比较好,是一种简单有效、易于快速实现的压缩方法,更适合于网络环境下空间遥感图像数据的近无损实时压缩。

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遥感技术与应用

面向城市应用的多源遥感影像服务平台设计与实现

钟九生, 江南, 胡斌, 王俊淑

2012, 14(1): 116-122. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00116

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本文对面向城市应用的多源遥感影像服务平台的系统目标、系统流程、功能模块和关键技术进行了分析。通过遥感影像数据源、管理方式和业务流程的分析,设计了多源遥感影像数据的逻辑组织模型,建立了海量多源遥感影像库。本文详细阐述了系统的影像预处理、影像数据管理、影像数据应用服务和安全权限控制四大功能模块,并分析了系统架构、多源遥感影像元数据的自动抽取、影像数据的快速检索和影像数据高效在线应用服务的关键技术。为保证系统的高安全性、实时性与可靠性,采用部署在局域网内的客户机/服务器与浏览器/服务器的混合体系结构。实验表明,本文的研究成果实现了海量多源遥感影像数据的统一高效管理、快速检索、高效浏览及与其他子系统的无缝集成,为城市应用提供了便捷的影像数据服务,有利于进一步发挥影像资料的作用。

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遥感技术与应用

巴什布拉克铀矿区褪色蚀变Quickbird高分图像地学分析

叶发旺, 刘德长

2012, 14(1): 123-127. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00123

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位于新疆塔里盆地西北缘的巴什布拉克铀矿床是与油气还原褪色蚀变密切相关的铀矿床,但有关油气还原褪色蚀变的依据大多是地质和地球化学方面的微观依据。本文在分析巴什布拉克铀矿化褪色蚀变岩石地质特征的基础上,根据Quickbird高空间分辨率卫星遥感数据的特点,开展了数据的增强处理,进一步提高了Quickbird数据对褪色蚀变岩石的分析和解译能力,并利用经过增强的Quickbird数据,对铀矿区出露的油气还原褪色蚀变岩石的空间形态和分布特征进行了分析:(1)从铀矿区及周围地区的较大视野,分析了油气还原褪色蚀变岩石的总体分布特征;(2)从整个铀矿区的尺度,分析了未发生褪色蚀变的紫红色砂岩残留体的形态特点、空间展布特征等;(3)从东矿区段更大尺度,分析了处于大片未蚀变紫红色砂岩内部的灰黄色褪色蚀变砂岩的形态特点和空间展布特征。上述分析,从正反两个方面,为铀矿化褪色砂岩的油气还原成因提供了大尺度的宏观依据,并为外围找矿提供了重要信息,充分展示出Quickbird高空间分辨率遥感技术在铀矿找矿中的应用潜力。

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遥感技术与应用

夜间灯光遥感数据的GDP空间化处理方法

韩向娣, 周艺, 王世新, 刘瑞, 姚尧

2012, 14(1): 128-136. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00128

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随着夜间灯光遥感数据的应用日渐成熟和资源环境研究领域,对空间型社会经济数据的需求增加,利用相关分析和回归分析的方法,首次定量探讨夜间灯光数据与统计型的社会经济数据的空间关系。为提高模型精度,按照我国省级行政边界分区建模,分析全国县级的地区生产总值、第一产业、第二产业、第三产业分别与夜间灯光指数的空间相关关系,最终建立全国的1km GDP密度图。结果表明,全国范围的夜间灯光数据与第一产业的相关性不明显,相关系数0.554,模型拟合效果差,R²为0.306;夜间灯光数据与地区生产总值、第二产业、第三产业均有明显的对数线性关系,尤其是与第二产业和第三产业之和,相关系数为0.824,R²为0.679。利用分区模型估算,生成的GDP密度图能较完整地反映全国社会经济分布详况,以及宏观分布特征。

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遥感技术与应用

官司河流域景观稳定性的研究

刘延国, 王青, 王军

2012, 14(1): 137-142. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2012.00137

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以1995年和2005年官司河流域两个时期的TM遥感数据作为基本信息源,采用GIS和数理统计的方法提取景观类型,通过基质比例、斑块数量和面积变化率、斑块密度变化率3个指标,以及景观类型转化规律对流域的景观稳定性进行了初步研究。结果表明:(1)耕地是整个流域人工景观的基质,处在频繁耕作及动态变化中,稳定性不高,马尾松林地作为半自然景观的基质,稳定性亦较低,但有所提高;(2)城镇及水域的斑块稳定性最高,马尾松林地、栎类林地和柏木林地次之,耕地与村庄的稳定性最低;(3)耕地与水域及有林地的转化最为剧烈,这与1998年以来,流域实施的退耕还林工程密切相关,但水域及有林地的稳定性仍然取决于其自然稳定性,且景观格局呈现良好发展趋势;(4)中小斑块的马尾松林地及柏木林地的稳定性对流域的景观稳定性具有重要作用,须以合理的保护、规划及建设。

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