基于RBF神经网络的鄱阳湖表层水体总悬浮颗粒物浓度遥感反演

为进一步提高湖泊总悬浮颗粒物浓度遥感反演的准确性,引进适应复杂非线性映射的RBF神经网络模型,以鄱阳湖通江湖体为例进行了实证分析,根据实测水体悬浮颗粒物浓度和MODIS遥感数据,对遥感数据进行预处理,建立了RBF神经网络悬浮颗粒物浓度反演模型,神经元个数为8个,误差性能目标值为0.001,对悬浮颗粒物浓度进行反演。研究结果表明,验证样本相关系数R2=0.956 8,均方根误差RMSE=0.54。利用神经网络模型反演水悬浮颗粒物浓度是有效的,其反演结果优于非线性回归模型的结果。     

基于实测高光谱数据的太湖悬浮物浓度与透明度分区

通过实地测量太湖水体的反射光谱和表层水质,利用实测数据以及水-气界面辐射传输模型计算其遥感反射率,并根据太湖的实际水质状况将其划分为3个区域,分别分析太湖总体和分区的反射光谱曲线,建立太湖不同区域水体悬浮物浓度和透明度的反演模型。结果表明,就悬浮物浓度和透明度而言,太湖3个区域中以东太湖水质最佳,贡湖、梅梁湖和竺山湖次之,南部和西部最差;对太湖进行分区研究能够更好地反应太湖水质的差异性,拟合各区域的水质状况,分区模型精度较全湖区模型高,误差也普遍较小,能够提高研究结果的可信度和可行性。     

艾比湖流域地表水水体悬浮物、总氮与总磷光谱诊断及空间分布特征

水体悬浮物(SS)、总氮(TN)和总磷(TP)是衡量水质的一个重要指标。选择新疆艾比湖流域为靶区,基于2015年10月实测光谱数据,采用微分法和反射率变换法以及偏最小二乘法估算水体中的SS、TN和TP的质量浓度。结果表明,(1)水体悬浮物的自然对数(ln SS)的显著性波段出现在350、410、520、570、655和940 nm处,基于偏最小二乘法的ln SS均方根一阶拟合效果最好,P0.01水平下拟合系数r~2=0.3562。此外,ln SS与总氮、总磷存在显著性正相关,相关系数分别为0.506和0.505(P0.01)。(2)水体TN的显著性波段出现在393~399 nm与674~678 nm范围内,水体TN的倒数一阶拟合效果最好,P0.01水平下拟合系数r2=0.438 9;(3)水体TP的显著性波段出现在333、349、862、882和905 nm处,水体TP的倒数一阶拟合最优,P0.01显著性水平下拟合系数r~2=0.634 8。从水体SS、TN和TP浓度的空间分布可知,水体SS、TN和TP含量高值点位于艾比湖的北岸,基于最优模型反演的SS、TN和TP的浓度整体偏高,且与原始数据的空间分布相差不明显。综上所述,利用光谱数据可以精准、快速的估算水体悬浮物、总氮和总磷,可为水质的评价提供科学依据,亦可为今后利用星载高光谱传感器对艾比湖流域水质参数进行大面积估算提供新思路。     

降水pH值的支持向量回归预测模型构建

将支持向量回归用于降水pH值预测模型的构建,结果表明,该模型具有较好的稳定性和较高的预测精度,降水的pH值主要受大气中碱性离子浓度的影响,起主导作用的是碱性离子的中和作用;其预测结果优于多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回归和投影寻踪回归等模型.     

有机磷农药化学结构与色谱保留值定量关系研究（Research on the Relation between Chemical Structures of Organophosphorus Pesticide Residues and Their Chromatography Retention）

利用开放源代码软件CDK(Chemistry Development Kit)描述符和GC-MS以及GC-FPD测定值,对人参根部101种残留有机磷农药进行结构表征,分别以多元线性回归和偏最小二乘回归法建立定量结构色谱保留值关系模型.逐步线性回归模型的相关系数为R=0.942(R2=0.893),交互检验的复相关系数为R=0.912(R2cv=0.832).偏最小二乘模型的相关系数为R2=0.720,交互检验的复相关系数Q2=0.552.结果表明,原子极化率和电荷偏面积等分子属性具有表征能力强等优点,所建模型具有良好的稳定性和估计能力.     

分子电性距离矢量用于多氯代二苯并呋喃光解半衰期的QSPR研究（Molecular Electronegativity Distance Vector（MEDV）Applied to Quantitative Structure-Property Relationship Study on Photolysis Half-Lives of PCDFs）

多氯代二苯并呋喃(PCDFs)是一种典型的持久性有机污染物(POPs),光解是其在环境中转化的主要途径.以分子电性距离矢量(Molecular Electronegativity Distance Vector,MEDV)为参数,应用多元线性回归(Multiple Linear Regression,MLR)和偏最小二乘回归(PLSR)对48种PCDFs在云杉针叶和飞灰表面的光解半衰期(t1/2)进行模拟分析,均获得由2个变量所建的定量结构-性质相关(QSPR)模型.多元线性回归结果:建模相关系数(R)分别为0.860和0.836,标准偏差(SD)分别为0.052和0.053,交互检验复相关系数(Rcv)分别为0.839和0.807,外部检验相关系数(Qex)t分别为0.939和0.853;偏最小二乘回归结果:建模相关系数(R)分别为0.857和0.829,交互检验复相关系数(Rcv)分别为0.849和0.807.结果表明,MEDV能较好地表征该类分子的结构信息,所建QSPR模型具有良好的稳定性和预测能力.     

基于遥感估算的上海城市森林碳储量空间分布特征

城市森林在固碳释氧、应对气候变化方面发挥着重要作用,对其碳储量的估算为中国城市做好碳达峰、碳中和工作提供重要数据基础。以上海城市森林为研究对象,采用样地调查数据与Landsat OLI遥感影像,分别计算样地碳储量和遥感参数变量(波段数据、植被指数数据和纹理数据),构建基于多元逐步回归模型和普通克里格残差矫正相结合的估算模型,分析区域尺度城市森林碳储量和碳密度的空间分布特征。结果表明,(1)81个样地的碳储量范围为0.09—7.10 t,均值为2.14 t,数据有右偏分布和瘦尾特征,变异系数为0.75,样地类型多样;上海城市森林总碳储量为2.87 Mt,碳密度主要集中在13—40 t·hm~(-2)之间,均值为25.09 t·hm~(-2),整体呈现中部较低,东西部较高的态势,与土地利用强度及城市森林分布有关。(2)主城区碳储量为0.37 Mt,碳密度为1—69 t·hm~(-2),均值为21.77 t·hm~(-2);非主城区碳储量为2.50 Mt,占上海城市森林碳储量的87.11%,碳密度范围为0—89 t·hm~(-2),均值为25.66 t·hm~(-2)。(3)在选择波段反射率和遥感植被指数的同时,提取影像纹理特征并纳入模型,提高了影像的分类精度;采用多元逐步回归模型结合残差矫正的方法估算城市森林碳储量,使估算结果的均方根误差降低了10.29%,平均绝对误差降低了5.5%,提高了估算精度。     

城市热环境季相变异及与非渗透地表的定量关系分析——以广州市中心区为例

基于遥感卫星影像的热环境时空格局及与地表特征相关性分析是目前城市热环境研究的主要内容,但此类研究针对季相变异特征的分析较为缺乏。以广州市中心区2005年下半年3期不同季相的Landsat TM影像为数据源,提出一种面向对象分割的方法提取城市热岛/冷岛分布,并利用重心模型定量其季相变化移动轨迹;采用回归树模型构建地表温度(Land surface temperature,LST)与非渗透地表的关系方程,旨在揭示城市热环境季相变异性规律。结果表明:(1)随夏季到深秋,热岛呈现从中心区退出的态势,南部冷岛大面积消失,7月18日至10月22日热岛重心向东移动2.5 km,冷岛重心向西北移动3.4 km。10月22日至11月23日冷岛重心向西北移动9 km,热岛重心向东南移动8 km;(2)随季相变化,地表温度与非渗透地表的正相关关系趋于复杂,二者相关性从7月18日的0.994 1降至11月23日的0.869 1,对于11月23日数据,使用二次多项式方程更能表达二者的关系;(3)与传统的线性回归模型相比,回归树模型能更好地模拟地表温度的空间异质性,非渗透地表的增温作用存在非线性趋势,并且二者的关系模型存在明显的空间异质性。     

基于多元线性模型、支持向量机(SVM)模型和地统计方法的地表水溶解性总固体(TDS)估算及其精度对比——以艾比湖流域为例

地表水溶解性总固体(TDS)是地表水各组分浓度的总指标,是地表水水化学特性长期演变的最终结果,也是表征水文地球化学作用过程的重要参数,TDS的高低直接影响地表水的含盐量.本研究以艾比湖流域为研究对象,结合实测地表水TDS数据;选用准同步的Landsat OLI数据,首先,利用光谱诊断指数选取与地表水TDS相关性较高的波段,其次,利用地统计方法、多元线性回归模型和支持向量机(SVM)模型对TDS进行预测,并对其结果进行精度比较.结果表明,SVM模型为最优估测模型,拟合决定系数R2为0.97,均方误差(RMSE)为50.59;多元线性回归模型的精度与SVM模型精度较为接近,拟合决定系数R2为0.9,RMSE为66.55;地统计克里格插值法预测精度最低,拟合决定系数R2为0.87,RMSE为95.73.遥感估测SVM模型预测值在大区域能较好地反映出艾比湖流域TDS的总体特征.该模型在水质遥感领域的应用中具有良好的可行性和有效性,其预测结果也与艾比湖流域水体TDS的实际分布相吻合,因此遥感估测SVM模型在水质估测中具有一定的应用潜力.     

部分含氯芳烃结构与孔雀鱼半数致死浓度(-logLC_(50))定量活性相关研究

构建了不同类型的分子顶点之间的电性关系作为结构描述符,对部分含氯芳烃化合物结构进行了参数化表征,共得到7个与化合物结构密切相关的结构描述符。逐步回归(SMR)筛选变量后,分别运用多元线性回归(MLR)和偏最小二乘回归(PLS)建立了化合物结构与孔雀鱼半数致死浓度(-log LC50)之间的关系模型,两模型建模相关系数(r2)分别为0.871、0.862;"留一法"交互检验的相关系数(Q2)分别为0.808、0.589。结果表明分子结构描述符能恰当地表征化合物结构特征,所建模型具有良好的稳定性和预测能力。     

基于超限学习机的矿区土壤重金属高光谱反演

近年来采用可见光近红外光谱反演矿区土壤重金属受到重视,但土壤中重金属含量微小,光谱特性非常脆弱,对反演模型提出了较高要求。针对复垦矿区的土壤重金属反演研究,引入超限学习机(extreme learning machine,ELM)方法进行反演建模,与传统的偏最小二乘(partial least squares regression,PLS)方法和支持向量机(support vector machine,SVM)方法进行分析比较。通过对光谱数据进行预处理和相关性分析后,对30个土壤样本数据运用3种模型进行反演,并对其中10个预测样本进行模型检验。结果表明,ELM对于重金属Zn、Cr、Cd和Cu的预测精度要高于SVM和PLS,对重金属As和Pb的预测能力与SVM基本相当。     

低水位运行对天目湖水库水质与生态的影响

2008年8月天目湖沙河水库开始进行除险加固施工,施工期间水库平均水位比2004—2008年平均值低1.73 m,对此期间水质、浮游生物等变化情况进行实地监测,研究低水位运行对沙河水库水质和生态的影响。结果表明,2008年9月—2009年8月低水位运行期间,水体对于外源营养盐输入的缓冲能力减弱,ρ(TN)浓度峰值与强降雨过程有关,1次早春暴雨(2009年2月17日—2月27日)即导致水体ρ(TN)由0.92升高到2.09 mg.L-1,直到夏季暴雨期后才回归正常;ρ(TP)主要受浮游植物生物量和悬浮物含量影响,低水位运行对其影响不大;2009年夏季浮游植物中蓝藻门比例明显高于2008年同期,说明整体藻类群落结构向偏富营养化状态转化;2009年6—8月原生动物平均丰度为1 730 L-1,轮虫为4 188 L-1,轮虫丰度较2008年同期增加近1倍,桡足类平均丰度较2008年同期下降21%,枝角类丰度变化剧烈;2009年夏季水库水体Chl-a营养状态指数高于2008年同期。总体而言,低水位运行期间整体生态系统的脆弱性增强,浮游动物、浮游植物、营养盐等生态系统基本要素的波动大大增加,环境条件变化对水库的冲击效果变...     

干旱区典型城市下垫面特征及其与地表热环境的关系研究

基于2011年8月11日Landsat TM遥感影像,利用混合光谱线性分解模型提取乌鲁木齐市建成区下垫面不透水面丰度和植被覆盖度信息,利用单窗算法定量反演建成区地表温度,并通过分级方法分析两个要素的空间分布特征;在此基础上,利用回归模型对乌鲁木齐市建成区不透水面丰度、植被覆盖度与地表热环境之间的关系进行相关性分析。结果表明:(1)利用混合光谱线性分解方法,基于中等分辨率TM影像提取干旱区城市乌鲁木齐建成区不透水面,成本低,精度高(精度检验总体均方根RMS为0.003,远小于精度规定值0.02),且该方法可较好地区分光谱特性相似的城市建设用地和裸地,对干旱区城市用地信息提取具有一定的借鉴意义;(2)乌鲁木齐市建成区不透水面丰度与地表温度呈线性正相关,R~2为0.69,植被盖度与地表温度呈线性负相关,R~2为0.74;(3)裸地因具有极高的地表温度,形成局部的热岛中心,对干旱区城市地表热环境具有重要影响,因此减少和改变裸地对于缓解干旱区城市热岛效应,改善城市热环境具有重要意义。     

取代苯酚类化合物生物毒性的模拟预测

以化合物中的非氢原子及非氢原子之间的关系为结构描述符,对部分取代苯酚类化合物结构进行了参数化表征.通过多元线性回归(MLR)和偏最小二乘回归(PLS)建立了化合物结构与毒性关系模型,分析了影响化合物毒性的结构参数,并将结果与文献进行了对比.2个模型的相关系数分别达0.984和0.988,模型具有良好的拟合能力与预测能力;化合物苯环上的取代基越多,该化合物可能具有较大的毒性值;本文取得的结果明显优于文献结果.本文对于环境中的有机污染物的结构与生物毒性关系研究具有一定的参考价值.     

污水处理厂暴露模型参数及对化学品归趋的影响

污水处理厂(STP)暴露预测模型是评估化学品环境归趋的重要手段。调研和实际测定了中国典型污水处理厂的处理工艺、污水特征及环境条件等参数,结果显示,中国STP进水的生化需氧量(BOD5)和悬浮颗粒浓度(SS)普遍低于欧盟。应用欧盟Simple Treat模型,比较了2,6-二叔丁基苯酚、2,4-二叔戊基苯酚和1-萘酚3种化学品在中国和欧盟场景参数下的归趋差异。结果显示,中国场景参数下3种化学品进入污泥的比例较低,向水体中排放比例较高,水环境风险较大。模型灵敏度分析结果表明,进水BOD5、进水SS、活性污泥有机碳含量和环境温度是影响化学品环境归趋的主要因素。     

辽东湾双台子河口湿地翅碱蓬（Suaeda salsa）生物量遥感反演研究

通过现场采集辽东湾双台子河口翅碱蓬（Suaeda salsa）光谱数据,收集标准样方（1 m×1 m）的翅碱蓬生物量（Biomass）,建立相关植被指数与翅碱蓬生物量的遥感反演回归算法,发现辽宁双台子河口湿地翅碱蓬生物量与植被指数PVI、SAVI和MSAVI的相关系数R2较高,直线回归方程相关系数分别达到0.626、0.698和0.679。同时,利用得到的估算模型,结合1990—2005年的双台子河口的TM影像数据,反演该区域翅碱蓬分布面积和生物量。结果发现：辽东湾双台子河口湿地翅碱蓬面积变化呈先降后升的趋势。通过植被指数（NDVI、RVI、PVI和MSAVI）和生物量的算法反演,发现翅碱蓬生物量曲线与分布面积曲线的变化趋势一致。     

基于Landsat TM的澳门城市热场影响因素分析

利用2004年10月19日Landsat TM数据提取澳门城区城市用地类型信息,反演城市地表温度,在此基础上通过主成分回归方法分析澳门城市热场的影响因素.结果表明,澳门城市热场受到硬化地表指数的影响较大,其次为植被比例.地表温度与硬化地表指数、道路密度呈显著正相关(P＜0.05),与归一化植被指数、植被比例及水体比例呈显著负相关(P＜0.05).     

基于MODIS模拟的辽东湾叶绿素a的遥感反演模型

叶绿素a浓度对于水质和富营养化评价、赤潮探测及海洋生产力研究有重要意义.利用卫星遥感反演获取叶绿素a浓度弥补了传统采样方法的数据离散化、耗时长且费用高的缺陷,可以实时和全面地观测大尺度海洋叶绿索a分布.通过实测光谱模拟卫星波段,可以在一定程度上削除大气干扰,有助于准确地确定特征波段和建立遥感反演模型.本文以辽东湾为研究区,利用现场实测光谱模拟了MODIS波段,并在光谱特征分析基础上进行叶绿素a的特征波段选择,通过比较单波段和波段比值法等算法,建立了2个具有区域特色的叶绿素a遥感反演模型,并进行了模型验证.结果表明:在辽东湾海域,运用红光附近特征波段667和678 nm来反映叶绿素特征比传统蓝绿光波段(440和550nm)似乎更能削弱其它水体组分的干扰,突出辽东湾水体的特点.利用667、678和551nm的三波段模型要比单纯考虑667和678nm波段比值的模型要好一些,该模型r为0.856,标准差为0.190.模型验证预测值和实测值的相关系数为0.93(p<0.01),表明了模型良好的预测能力.模型具有明显的区域特色,结果是否具有普适性,还需进一步验证.     

基于高光谱的邯郸市土壤重金属统计估算模型研究

土壤重金属富集严重制约城市发展,对居民健康造成潜在威胁。该研究旨在定量估算土壤重金属含量,提高土壤重金属监测时效性,从而为土壤保护管理工作提供决策参考和理论支持。该文依据化学检测所得土样重金属含量与地物光谱仪(ASD)获取的土壤反射光谱数据,通过对土壤重金属光谱特性的分析,确定光谱反演特征波段,研究并建立了邯郸市土壤重金属基于不同光谱变换指标的多元逐步回归(SMLR)和偏最小二乘回归(PLSR)统计估算模型,通过模型验证与对比,探索邯郸市土壤各重金属含量的最优反演模型。结果表明:(1)微分处理能普遍改善模型预测效果,二阶微分指标的PLSR与MLSR模型效果较佳;(2)PLSR与SMLR两种建模方法相比,总体上PLSR建模和预测的均方根误差RMSE较小、模型修正系数Adjust R~2较大,表明PLSR模型预测效果更好;(3)基于反射率倒数对数的二阶导数的PLSR模型反演效果较优,其中Cu、Ni、Zn、Hg,检验精度Adjust R2均超过0.8。     

基于BP神经网络算法的密云水库水质参数反演研究

密云水库是北京市重要的地表饮用水源地,在保障首都水源安全方面起着重要作用,而密云水库水质参数的区域监测已成为当前亟待解决的问题。为了实现密云水库水质参数大范围、实时获取,该文基于遥感和GIS技术,采用BP神经网络算法,结合地面监测数据和Landsat 8遥感影像,分别建立了反演总磷、总氮、氨氮和COD(化学需氧量)4个水质参数的BP神经网络模型,并反演了密云水库2013-2018年非结冰期主要水质参数,分析了密云水库主要水质参数的年际变化特征、季节变化特征和空间分异特征。结果表明,(1)水质参数的Landsat 8敏感波段分别为:总氮为1、4波段,氨氮为1-7波段,总磷为1、3-7波段,COD为2-5波段。(2)密云水库主要水质参数在2013-2018年总体呈下降趋势,氨氮和COD为Ⅰ类水质,总磷为Ⅱ类水质,总氮为Ⅲ类水质。(3)4个水质参数指标春季最高、秋季次之、夏季最低,总氮、总磷、氨氮和COD的春季值分别是夏季值的1.08、1.36、1.6、1.45倍。(4)密云水库不同水质参数的空间差异性较大,总体来看,水库北部和东部的4个水质参数含量相对较高,这种分布与北部和东部村庄密集以及密云水库两大入库河流有关。综上所述,基于BP神经网络算法的密云水库水质反演研究是可行的,且得到了较为可信的研究结果,该研究可为密云水库水质管理与政策制定提供重要的科学依据。