空间信息是工程项目建设的基础。测绘、遥感、GPS和GIS等空间信息采集技术在支撑工程项目向更高、更大、更安全等方向发展中发挥了重要作用。随着信息采集技术的迅速发展,大数据技术推动了各行各业迈入了新台阶。海量的空间信息正促进工程项目建设向更智能、更科学、更环保发展。在大数据时代,如何开展工程项目的大数据监测与分析成为了工程遥感监测领域新的研究方向。与此同时,“一带一路”倡议提出以来,迅猛发展的我国境外工程项目对工程项目的投资决策、建设与运营管理都提出了更高的要求。地球大数据技术可以为境外工程项目的前期规划、可行性研究、设计、安全风险评估、施工、后期运营管养及监管提供新技术、新方法和新手段。围绕工程项目大数据监测与分析的理论方法体系与科学问题,面向我国境外工程项目建设中对大数据分析技术的迫切需求,本文系统性的阐述了工程项目地球大数据监测与分析的概念、用户需求、研究内容、主要技术方法和远景目标,以期为未来相关研究工作提供指引。在此基础上,总结了工程项目地球大数据监测与分析的研究进展。研究发现：① 空间信息采集技术的快速发展,使得工程建设比任何时候都能获得更准确、更及时、更丰富的空间信息,工程项目的大数据监测与分析这一新的研究方向应孕而生,可促进工程项目向更智能、更科学、更环保发展;② 工程项目的现状调查、规划、可行性研究、勘察设计、施工和运营与监管等各个环节都对地球大数据监测技术有大量的需求;③ 地球大数据技术在我国工程项目建设中应用的相关研究还处于较为初级的具体技术服务阶段,还难以为工程项目投资决策提供支持,特别是境外工程项目的相关研究尚处于起步阶段,而我国境外工程项目建设存在基础数据匮乏、项目总体规划和模拟水平较低、监管能力弱和人文政治鸿沟风险高等问题,迫切需要开展地球大数据监测与分析,提高投资决策科学水平,降低境外投资风险。
为实现“一带一路”区域可持续发展,我国倡导绿色、低碳、循环、可持续的生产生活方式,建设绿色“一带一路”。遥感技术在生态环境监测与评价方面具有重要作用。本文以“一带一路”区域中国援建的水电站工程为研究对象,基于陆地系列卫星(Landsat)、哨兵2号（Sentinel-2）等遥感对地观测数据,利用决策树与缓冲区分析等方法,从水电站库区概况、水电站对植被生长状况与生态资源影响等方面,开展“一带一路”区域水电站项目建设对当地经济发展和生态环境影响的遥感监测及分析。本文首先根据遥感影像与DEM确定库区及库容,结合最小外接正方形面积比及平均宽度等指标确定各水电站缓冲区类型和范围。利用NDWI及NDVI构建决策树模型,提取各缓冲区土地利用类型,分为水体、林地、草地、耕地和其它5类;结合区域植被覆盖度,估算库区生态占用并对水电站建成前后的土地利用类型和植被变化进行分析。研究结果表明：① “一带一路”沿线10座水电站造成的生态损失与库区面积呈正相关,不同工程间,在水体、林地、草地、耕地和其它方面的损失面积大小存在较大差异;② 土地利用类型与植被覆盖度年均变化幅度约为0.35%、1.27%,水电站修建对周边生态资源与植被生长状况影响较小,同时在植被覆盖度较低的地区水电站的修建会明显改善周边环境;③ 各水电站周边的植被覆盖度差异较大,大部分水电站周边植被生长状况良好;④ 水电站建设始终坚持工程建设与环境保护并重,从施工设计到水电站后期维护期间,积极采取环保措施,减少占用,保护生物多样性,生态风险防范得当;⑤ 水电站提供了优质的清洁能源,促进了当地经济和社会发展。
自“一带一路”倡议提出以来,中国企业在“一带一路”沿线国家投资、承建了大量基础设施项目,这些项目在促进当地经济发展的同时,不可避免地给当地生态环境带来一定的影响。目前国内主要采用统计调查等方法进行监管,缺乏直接的境外工程监管手段。遥感技术能为境外工程项目监管提供新方法、新手段,但地面调查数据难以获取是境外项目监管面临的重要问题。针对该问题,本文以迪拜哈翔清洁能源电站项目为例,结合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS）的优势,提出了一种境外工程的遥感监管方法。① 针对生态环境影响和工程建设进度两项监测内容,建立了遥感监测技术指标体系;② 基于2016—2018年30 m 分辨率的Landsat 8影像和0.5 m分辨率的WorldView-2影像,利用像元二分模型原理、基态修正模型等方法,从植被覆盖度变化、生态空间占用、自然保护区域影响、工程设施建设、施工附属设施变化5个方面对项目生态环境影响和建设进度情况进行监测;最后通过时序影像和监测产品对比,分析了工程建设对生态环境的影响和工程建设进度情况。结果表明：① 该方法能反映工程在建设过程中对周围生态环境的影响,能准确地监测出迪拜哈翔清洁能源电站的建设进度,对“一带一路”其它境外项目建设的监管具有重要参考意义;②项目建设后无大面积植被覆盖度降低的现象,植被覆盖度总体由低区间向高区间转化;③ 项目施工占用沙地1.4780 km2,港口建设填海面积达0.1246 km2,0.0604 km2的湿地被改为施工沉淀池,没有占用耕地;④ 通过转移海底珊瑚、设置防淤帘、预留海龟产卵通道等措施有效地减少了该项目对Jebel Ali海洋生态保护区的影响;⑤ 工程设施和附属设施建设进展明显,建筑面积增加了0.14 km2,港口建设围堰总长达3.785 km。
中亚各国自独立以来,先后经历了政治经济改革、俄罗斯金融危机、全球金融危机、国际原料价格浮动等多次重大事件。为研究中亚地区1992—2017年近30年的社会经济发展变化,以DMSP/OLS、NPP/VIIRS夜光数据以及年鉴数据为数据源,采用夜光总量（SNL）、夜光增长率（PNLG）等指数并结合社会经济参量对中亚社会经济的时空动态发展过程及驱动因子进行分析,研究结果表明：① 夜光可较好的反映中亚国家社会经济发展的时空变化,且夜光对社会经济发展变化的反映较GDP等社会经济参量更直观更敏感;② 独立初期的社会经济改革对中亚地区影响大、范围广,仅土库曼斯坦夜光总量（SNL）增长4.5%,其他各国夜光总量（SNL）均有下滑;③ 20世纪以来的中亚国家由于基础条件、资源禀赋等的差异,各国间差距逐渐拉大,抗风险能力差异大。如全球金融危机（2008年）对塔吉克斯坦影响最大（PNLG=-36.4%）,哈萨克斯坦影响最小（PNLG=-3.6%）;④ 中亚国家易受国际能源市场价格的影响尤其是油气价格增长。通过夜光对中亚社会经济的研究分析,能为中亚区域安全保障以及“一带一路”倡议的实施提供决策参考。
斯里兰卡是海上丝绸之路沿线重要的节点国家,其周边海域生态环境变化与经济发展、休闲生活和食品安全密切相关。利用2002—2017年的MODIS遥感反演产品对斯里兰卡岛周边海域、关键节点港口科伦坡的生态环境参数年际变化规律分别进行分析和2003—2012年的MERIS遥感反射率产品对保克海峡进行水体类型时空分析,结论如下：① 研究区内光合作用有效辐射高值出现在马纳尔湾,海域沿岸浮游植物生物量相对较高,与海表温度负相关,外海浮游植物生物量极低,与透明度负相关。② 科伦坡港附近水温（海表温度）、海面光照强度（光合作用有效辐射）、水体清洁度（海水透明度）、海洋食物网基础的浮游植物生物量（叶绿素浓度）和浮游植物净初级生产力最大值分别出现在4月、3月、3月、8月、7月,致灾因素重点关注8月潜在的赤潮。③ 保克海峡浑浊带的源头是印度的卡里梅尔角,由高韦里河携带大量泥沙造成。这有助于了解和认识高时空变化的保克海峡及斯里兰卡周边海域在不同时间-空间的海洋生态环境。
知识图谱广泛应用于人工智能领域,基于此融合多源地理空间数据并表示地理事物的语义和时空信息,实现“数据—知识”的转换成为人们关注的热点。但现有通用知识图谱的空间知识覆盖度低且存在错误,同时基于维基百科构建的地理知识图谱存在空间关系、中文属性和坐标信息等属性缺失问题。因此本文以地理空间数据和百度百科数据的特征分析为基础,提出了以地理空间数据提取地理实体为主,百度百科补充属性信息为辅的知识图谱构建方式。① 基于GeoSparql设计模式层的地理实体、要素、几何形状和空间关系的逻辑关系;② 通过地理实体提取、实体链接和属性信息填充,在数据层实现空间知识融合;③ 结合关系型数据库和图数据库,设计空间知识存储方式;④ 在实体和关系2个方面定量分析知识图谱的构建规模。结果表明,本文构建的知识图谱中地理实体覆盖度和链接百科成功率相对较高,扩充了地理实体的概念描述信息,并将地理坐标的覆盖率提高到100%,对地理数据到地理知识的拓展具有重要意义。
矢量瓦片体积小、生成效率高、支持动态交互,较传统栅格瓦片有诸多优势,是下一代互联网地图服务研究的重点。为了解决当前矢量瓦片研究中处理速度慢,扩展性差等问题,本文利用并行计算框架Spark进行矢量瓦片快速构建,通过自定义转换函数,将原始矢量数据GeoJson转换成mvt瓦片集;对于生成的矢量瓦片集,本文基于分布式内存文件系统Alluxio设计一个瓦片存储模型-VectorTileStore,模型以键值对进行数据存储,瓦片元数据占据前八个键值对,单个瓦片占据一个键值对,在数据写入的同时,基于键构建一个哈希索引,用于快速访问,模型兼容海量瓦片的组织存储,具有很强的扩展性。通过实验结果表明,本文提出的矢量瓦片并行构建算法较单机构建算法运行时间平均减少49.6%,分布式存储模型VectorTileStore较传统方案更适合海量矢量瓦片存储,存取时间效率更高。
机器学习结合遥感等其他数据反演土壤盐分含量（Soil Salt Content, SSC）较少关注对模型精度影响较大的建模特征变量和模型参数的优选。本文基于自适应遗传算法（Adaptive Genetic Algorithm, AGA）同步优选建模特征变量和模型参数的支持向量回归（Support Vector Regression, SVR）算法反演三工河流域2016年SSC,并分析其在不同土地利用类型的分布特征。建模特征变量和模型参数的同步优选及实验设计如下：首先基于Landsat 8 OLI和SRTM高程数据提取7类共40个盐渍化相关因子,经相关分析初步筛选出候选特征变量,分别代入AGA、遗传算法（Genetic Algorithm, GA）和格网搜索算法（Grid Search, GS）同步优选SVR的建模特征变量和模型参数,并建立盐渍化监测模型（AGA-SVR、GA-SVR、GS-SVR）。结果表明：① AGA-SVR精度最优,GA-SVR次之,GS-SVR最差,相较于GS-SVR,AGA-SVR的R2/RMSE提高了44.65%;② 三工河流域非、轻度、中度、重度盐渍地和盐土的面积占比分别为42.83%、11.02%、15.88%、9.22%、21.05%;③ 草地和未利用地主要以非盐渍地和盐土为主,耕地和林地中非盐渍地分布比例均为最大;不同土地利用类型的SSC均值和标准差均呈现未利用地>草地>耕地>林地的规律。本研究的建模特征变量和模型参数的优选方法可在一定程度上提高盐渍化监测的精度。关键词：盐渍化;遗传算法;机器学习;特征优选;参数优化;土壤盐分含量;土地利用;相关分析
在全球变化背景下,湖泊水文的动态变化不仅是评估和预测气候与环境变化的重要指示剂,同时对社会可持续发展、水资源的开发与利用、生态文明建设等产生重要影响。湖泊水文的动态变化受到湖滨及湖底地形的控制,数字高程模型（DEM）成为湖泊水文研究的重要数据源。随着遥测技术的发展,高分辨率、区域/全球大尺度DEM数据的获取手段快速发展、数据源不断丰富,DEM对推动湖泊水文动态研究进展起到了关键作用。本文首先基于Web of Science平台对DEM在湖泊水文动态研究中的相关文献进行了分析,阐述了该主题现有研究在发文时间、发文数量增减态势、研究区域与热点地区、文献所涉及的DEM数据等方面的特点。接着,围绕着DEM在湖泊水文动态的研究中4个主要方向：湖泊水域变化、湖泊水位变化、湖泊水量变化、湖泊水文灾害情势,重点总结：DEM与其他遥感观测平台、实地观测及模型模拟等多源数据的融合策略,数字地形分析与水文学分析、遥感影像分析等方法的集成策略,以及DEM数据不确定性等对湖泊水文变化研究的影响。最后,本文论述了目前DEM在湖泊水文研究中存在的关键问题,并结合技术发展趋势和研究热点问题,提出了可能的解决路径和未来的研究前景。
城市土地整治是促进城市土地利用系统正常运转、城市内部要素和谐共生的重要手段。目前对城市土地整治潜力及分区的研究均未能从城市角度建立一个综合的指标体系。立足于城市土地整治的需求,基于“潜力评价—类型划分—-问题识别—提升路径”的框架,开展了全国289个地级以上城市的土地整治综合潜力评价、分区问题识别及提升路径的研究。结果显示：① 中国城市整治综合潜力水平总体上处于中等的水平,不同等级城市之间的整治潜力差异明显;② 中国城市整治综合潜力水平存在显著的地域差异与集聚特征：地域差异总体表现为西部地区>东部地区>中部地区>东北地区;集聚特征表现为高整治潜力区集聚于中国的西南部地区,大规模低整治潜力区集聚于东北地区及内蒙古北部地区;③ 通过对因素层之间及因素层与潜力分级之间的决策分类判断,划定了包括S-NULL综合发展型高潜整治区、M-N自然限制型中潜整治区、L-NE良性发展型低潜整治区、L-NEC暂不适宜型低潜整治区等15个城市土地整治类型区;④ 针对各类型区的限制性因素,进行分区域的问题识别,主要分为综合发展型、集约发展型、经济投入型等八类,并因地制宜地提出目标导向的提升路径。研究方法及结果可作为全国开展城市土地整治的理论参考。
海南岛独特的区域和国家战略位置,使得了解和掌握该地区气溶胶时空格局特征及其大气污染物传输来源是海南大气环境质量监测和污染防治中重要的关注问题。选取MODIS 3 km分辨率气溶胶光学厚度（AOD）产品MOD04_3K,对海南岛2003—2017年AOD时空变化特征进行分析;以海口市为起始点,采用HYSPLIT模式对8次典型大气污染事件在10、500、1000 m 3个相对地面高度上进行48 h后向轨迹计算,以探究该区域大气污染物来源。结果表明：① 海南岛AOD在空间上呈较为明显的三级阶梯状分布,从西北方向向东南递减,2003—2017年在不同阶梯的空间变化趋势差异十分显著;② 2003—2017年海南岛AOD年均值为0.095,各年均值整体呈轻微升高趋势;季节均值差异表现为“春季>秋季>冬季>夏季”,此差异除受区域天气系统与地方风向特征的影响外,本区旅游业发展造成的大气污染物排放也不可忽视;③ 海南岛（海口市）2013—2017年典型大气污染事件发生期间大气污染气流在3个高度上（10、500、1000 m）的后向轨迹基本保持一致,均主要来自于海南岛东北方向。据此,位于该方向毗邻的珠江三角洲地区陆源大气污染物在东北盛行风的影响下被输送至海南岛,在区域天气系统（如大陆冷高压）和局部天气系统（如海风辐合）共同作用下,是促成该地区大气污染事件发生的重要因素。研究结果对深入理解海南岛近十多年来大气环境状况的变化规律、完善该区域大气污染联防联控机制具有重要的意义。
西藏自治区特殊的高寒生态系统对人类活动具有高度敏感性,定量评估系列政策实施下西藏生态系统调节服务对人类活动强度变化的响应有助于西藏生态政策和空间规划的调整完善。本研究基于西藏1980年和2015年土地利用现状数据及1992—2013年DMSP/OLS夜间灯光指数数据,借助GIS空间分析功能分析了居民点用地和夜间灯光强度的变化;并结合生态系统调节服务空间数据,利用相关分析对居民点用地和夜间灯光变化所反映的人类活动强度变化对西藏生态系统水土保持和防风固沙服务的影响进行研究。结果表明：① 1980—2015年,西藏新增居民点用地212.06 km2,减少居民点用地44.99 km2,其中,新增居民点用地中62%为城镇用地,减少的居民点用地中95.88%为农村居民点;居民点用地变化主要发生在藏南河谷区;② 自治区内居民点用地扩张一定程度上直接导致夜间灯光强度增加,“一江两河”流域土地整治工程和农牧民安居工程等促进了当地人类活动强度增加,区内部分乡镇因进城务工和易地扶贫搬迁造成了当地人类活动强度的下降;③ 西藏2015年防风固沙服务较1990年有整体增强趋势,水土保持服务除藏东高山峡谷区外均有大幅度退化趋势;④ 对居民点用地进行的还林、还草整治工程等人类活动有利于促进生态系统防风固沙服务的恢复;人类活动强度的增加极易导致水土保持服务的退化,“一江两河”流域体现最为明显。研究能为西藏国土空间规划和生态政策的制定和调整提供参考。
如何揭示不同地貌形态类型区土壤侵蚀强度变化,尤其是在生态环境比较脆弱的喀斯特区域,是地方生态保护战略实施亟需研究的关键问题之一。本文基于ALOS、ZY-3、GF-1、Landsat和GDEMV2遥感影像数据,以及2762条野外采样验证数据,参照国家在喀斯特与非喀斯特地区土壤侵蚀不同分类标准,实现10 m×10 m分辨率的贵州省2010年和2015年土壤侵蚀空间信息数据提取。进而结合贵州省地貌数据,通过构建贵州省土壤侵蚀的时空分析模型,实现对不同地貌形态类型,尤其是喀斯特区域和非喀斯特区域的土壤侵蚀强度的时空变化进行定量分析。结果显示：在2010—2015年,贵州省中—高海拔区域土壤侵蚀变化的动态度高于低海拔区域,土壤侵蚀强度总体呈下降趋势,下降总面积达6468.13 km2。喀斯特区域的土壤侵蚀变化广度高于非喀斯特区域的土壤侵蚀变化广度,而且变化趋势基本上是从高一级的侵蚀强度向低一级的侵蚀强度变化。高盆地、中山、高中山土壤侵蚀强度减弱趋势明显高于其他地貌类型的趋势,但高中山仍是喀斯特与非喀斯特区土壤侵蚀增强变化较为明显的区域。这说明自21世纪以来,在贵州喀斯特区域实施的生态修复工程和生态环境保护政策在土壤侵蚀防治过程中发挥了主导性作用,在今后贵州省进行土壤侵蚀防治的过程中,除了喀斯特区域的防治外,还需要同时注意非喀斯特区域的防治。
遥感水深反演具有非接触测量和省时省力等优点,能够为航海、岛礁工程与珊瑚礁生态调查等活动提供重要参考。随着高光谱遥感卫星数量的增长,基于高光谱遥感影像的水深反演具有良好的发展与应用潜力。HOPE（Hyperspectral Optimization Process Exemplar）算法是比较常用的高光谱水深反演算法。鉴于HOPE算法在低遥感反射率海域会出现水深被高估的问题,本文基于Hyperion高光谱遥感影像提出一种改进的水深反演算法。该算法针对危险或难以到达海域往往具有水体光学性质较为均一的特点,利用深水区遥感反射率的观测值来估计整个研究区域内的水体光学性质参数并将其固定,以便减少未知参数数量,解决水深被高估的问题,最终达到提高水深反演整体精度的目的。塞班岛和中业岛的实验结果表明,改进算法能够有效克服常规HOPE算法在低遥感反射率水域高估水深的问题。改进算法能够将平均遥感反射率小于0.0075sr-1（塞班岛）和0.001 sr-1（中业岛）范围内的水域的水深反演平均绝对误差从常规HOPE算法的2.94 m和6.44 m分别降低至2.56 m和4.99 m,从而能够相应地将整体的均方根误差从3.18 m和5.39 m分别降低至2.30 m和3.32 m,而将整体的平均相对误差从32.4%和27.1%分别降低至30.6%和23.9%。因此,改进算法在提高卫星高光谱遥感影像水深反演效果方面具有可行性和有效性。
农作物保险是国内外减少灾害造成的种植户经济损失,保障农民基本生产收入的重要手段。国内传统的农作物保险费率是基于行政单元的统计数据厘定的,忽略了行政单元内部灾害的空间风险差异,因此如何获得行政单元内部农户级农作物纯保险费率,成为精细化农作物保险的关键问题。本文针对农户级的冬小麦纯保险费率,以河南省周口市为实验区,利用2005—2015年MODIS MOD17 A2 GPP总初级生产力数据产品生成2005—2015年冬小麦生长季的GPP数据,同时利用Landsat5/7/8 TM/ETM/OLI数据计算2005—2015年公里级的冬小麦种植面积比。通过Bühlmann-Straub模型和经验费率法厘定得到2016年实验区基于格网单元的冬小麦纯保险费率。研究表明：遥感数据可以为农作物保险空间精细费率厘定提供数据保障,利用遥感数据可以得到公里级格网单元的冬小麦纯保险费率。将利用遥感数据得到的农作物纯保险费率用于农作物保险中,提高了农作物保险的空间精细水平,可以进行基于地块的空间差异化农户投保,有利于政府针对不同农户制定合理的农作物保险政策,保险公司合理的收取保费。
