融合星地多源数据资料的长三角地区高分辨率时空无缝PM2.5浓度数据

大气污染物浓度全方位动态监测是进行区域大气污染精细化防控的重要前提。为开展长三角地区小时分辨率PM_2.5浓度无缝制图,本研究通过耦合AOD缺失信息重建与多模数据融合技术,建立了一套能够有效集成卫星遥感、地面观测、数值模拟等多源异构数据资料的近地面PM_2.5浓度无缝制图方案,并据此生产了2015年—2020年长三角地区小时分辨率无缝PM_2.5浓度格点数据产品。结果表明：本研究生产的PM_2.5浓度无缝格点产品与国控站点观测数据的交叉验证相关系数达0.9,平均偏差不超过10 μg·m^-3。较于空间分布不均且相对稀疏的站点观测PM_2.5浓度资料,面域无缝PM_2.5浓度格点数据更能有效揭示长三角地区PM_2.5污染的时空变化特征;在2015年—2020年研究期内,其平均下降速率超过3 μg·m^-3·a^-1。本研究发展的PM_2.5浓度无缝制图方法和生产的相关数据产品有望为区域灰霾污染防控和PM_2.5暴露健康风险评估研究提供方法参考和基础数据支撑。     

地球静止卫星和网格化站点支持下的PM2.5精细制图

许多城市建立的相对稠密的网格化监测站点,为精细化监管城市空气质量奠定了基础。本文选用徐州市网格化监测数据、地球静止卫星Himawari-8/AHI及COMS/GOCI的表观反射率和气溶胶光学厚度数据、气象和其他辅助数据,开展了徐州地区0.005°空间分辨率网格的PM_2.5浓度精细化制图研究。本文使用了极端梯度提升（XGBoost）、随机森林（RF）及时空加权回归（GTWR）等3种方法,并选用多种特征参数组合进行对比分析。综合分析模型精度和过拟合程度,结果表明XGBoost模型表现最好,其R²为0.90,RMSE为11.65 μg/m³。进一步将本文结果与国控站点、清华大学的TAP数据集和马里兰大学的CHAP数据集的对比分析,结果表明基于网格化站点的PM_2.5制图结果能更好地反映城市内部不同区域的PM_2.5浓度分布差异性,弥补因国控站点稀疏带来的缺陷,更好地服务于城市空气质量精准管控。     

基于卫星遥感的近地面PM2.5浓度反演进展

细颗粒物PM_2.5（Fine Particulate Matter）是影响空气质量和公共健康的关键因素之一。高时空分辨率的PM_2.5数据是公共健康风险评估和流行病学研究的基本需求。相较于地面站点,卫星遥感技术具有连续观测、宽覆盖和低成本的优势,基于卫星气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）反演PM_2.5质量浓度的方法已成为热点。本研究概述了卫星AOD产品反演PM_2.5浓度的原理,介绍了用于PM_2.5反演的主要卫星AOD产品及其反演精度;总结了现有的PM_2.5估算方法及其优缺点,指出目前PM_2.5反演研究存在的问题;提出未来PM_2.5反演方向主要集中在高时空分辨率的PM_2.5浓度重建、基于激光雷达数据的三维PM_2.5浓度反演及PM_2.5化学组分反演等方向。比例因子法、物理机理模型和统计模型这3种方法都能在不同时期不同程度地准确估算PM_2.5浓度,代表了那个时期较为前沿的研究热点,但比例因子法和物理机理模型因其自身的局限性而应用较少,而统计模型因其独特的时间或时空异质性的可描述性和强大的非线性描述能力的优势而被广泛应用并不断改进。目前PM_2.5反演研究存在的问题主要有3种：（1）卫星AOD的非随机缺失问题造成估算的PM_2.5数据缺失;（2）反演模型的精度问题;（3）PM_2.5的化学成分估算问题。基于此,本文为了准确揭示近地面PM_2.5的时空变化趋势,提高基于卫星AOD产品的近地面PM_2.5反演研究的准确性,提出了几点未来的研究方向：首先,新型的高空间（如风云四号、高分五号）、高时间分辨率（Himawari-8/9）卫星AOD产品在PM_2.5的精细化估算研究上具有很大优势,这对于高时空分辨率的PM_2.5浓度重建具有重要意义;其次,随着大气探测技术的发展,星载、机载及地基激光雷达都能够获取垂直分布信息,搭载在无人机上的颗粒物传感器可实现PM_2.5垂直方向上的监测,将其与光学遥感卫星数据及地面监测数据结合,可实现三维的PM_2.5浓度反演;最后,PM_2.5化学组分信息对于分析污染成因、暴露特征等尤其重要,其时空变化趋势研究是一个重要的发展方向,然而,地面PM_2.5组分观测站网仍不完善,如何克服卫星遥感估算中对地面站网的依赖,实现PM_2.5化学成分的高精度反演需要进一步研究。通过本研究,有助于进一步了解不同PM_2.5估算方法的原理机制及其优缺点,为基于卫星AOD产品反演近地面PM_2.5浓度的新的发展方向提供启示,提升近地面PM_2.5浓度反演的精度及时空分辨率。     

北京地区气溶胶粒径尺度谱与PM2.5浓度转换模型研究

大气细颗粒物（PM_2.5）质量浓度是重要的空气质量指标之一。为了促进区域PM_2.5浓度监测的研究，同时拓展利用CE318太阳光度计等光学传感器反演的大气气溶胶产品的应用领域，本文首先基于北京地区2014年—2017年大气气溶胶反演的粒径尺度谱分布产品，计算表征PM_2.5的粒子体积，并结合同一时间北京地区35个空气质量站点提供的PM_2.5质量浓度参考值计算转换系数，对样本区间进行划分以构建转换模型。其次，利用各CE318站点数据所得转换系数及其相对精度，对研究区PM_2.5质量浓度估算误差空间分布，以及转换系数偏差对估值误差贡献情况进行评价。研究结果表明，由CE318站PM_2.5粒子体积与其临近空气质量站PM_2.5质量浓度联合建立的转换系数是一种与气溶胶理化属性密切相关的参数指标，可将时间和空间维度上PM_2.5体积与PM_2.5质量浓度之间的关系映射到由理化属性主导的维度上，可用于对估值模型进行细化和分类，构建分段转换函数模型，使得各分段区间内具有较高的模型拟合精度。基于转换系数的北京地区PM_2.5浓度估值的相对误差多年均值介于12.8 %—28.7 %，而转换系数相对偏差对PM_2.5质量浓度估值相对误差的影响显著，二者之间具有“r”型结构。当转换系数相对偏差介于-16.3 %至24.5 %时，该偏差的出现概率约为66.5 %，使得PM_2.5质量浓度估值误差在20 %以内，表明采用此种方法对相应站点的PM_2.5质量浓度进行估值具有相当的精度和稳定性。以上研究结果可为地面观测站稀少区域利用卫星光学遥感开展空气质量大范围监测应用提供理论前提和技术支持。     

河南省夏季臭氧生成敏感性及其驱动因素分析

明确当地臭氧生成敏感性变化的主控因子是制定有效臭氧污染控制策略的前提。采用卫星观测OMI FNR（Ratio of the tropospheric columns of Formaldehyde to Nitrogen dioxide,HCHO/NO₂）指示剂将河南省夏季臭氧生成敏感性OFS（Ozone Formation Sensitivity）划分为VOCs控制区、协同控制区和NOx控制区。基于地理探测器,量化气象条件、人为源前体物及其交互作用与OFS的关系。研究揭示：（1）河南省夏季OFS以协同控制区为主,区域内臭氧污染严重,仅次于VOC_S控制区。2005年—2015年,FNR值波动下降,OFS向协同控制区转变,主要受NO_X减排的影响。2016年之后,FNR值变大,OFS有向NO_X控制区转变的趋势。（2）人为源排放是OFS变化的主要驱动因子,平均可解释FNR变化的40.5%（q＝0.405）。若CO、PM_2.5、NOx和非甲烷挥发性有机物NMVOC（Non-methane Volatile Organic Compounds）的排放量增加,FNR减小,河南省夏季OFS向VOCs控制区转变,对NOx减排的敏感性降低。（3）地表净太阳辐射SSR（q＝0.321, Surface net Solar Radiation）和大气柱总水量TCW（q＝0.302, Total Column Water）是河南省夏季OFS变化的主要气象驱动因素。SSR增加,FNR减小,使臭氧生成对VOCs更加敏感。TCW对OFS变化的影响较为复杂,当TCW<40 kg/m²时,TCW增加,FNR减小,臭氧生成对VOCs更加敏感;当TCW>40 kg/m²时,TCW增加,FNR增大,臭氧生成对NOx更加敏感。（4）因子间的交互作用对OFS空间分布的驱动大于单一因子的独立作用,人为源前体物和气象因子的交互作用占主导地位。研究结果可加强对臭氧生成光化学过程的认识,为制定合理的污染减排措施提供依据。     

风云三号D星MERSI AOD资料的同化应用研究

为了验证风云三号D星MERSI传感器的气溶胶光学厚度（AOD）数据对地面PM_2.5的污染过程预报的效果,本文基于WRF-Chem（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry）大气化学模式和三维变分同化方法,针对2020-02-10—2020-02-12中国北方地区的一次PM_2.5重污染过程,进行了同化和预报试验研究。同化数据来自常规地面站点的PM_2.5浓度数据和风云三号D星MERSI传感器的气溶胶光学厚度（AOD）数据。控制试验不同化任何资料,3组同化试验分别为仅同化地面PM_2.5,仅同化卫星AOD,以及同时同化PM_2.5和卫星AOD两种资料。结果表明,3组同化试验都可以有效提高初始场准确率,以地面PM_2.5作为检验标准,仅同化PM_2.5、仅同化AOD、同时同化两种资料相对于控制试验,初始场的平均偏差分别降低54.9%、21.9%和49.0%,平均相关系数分别提升51.4%、16.0%和34.0%,平均均方根误差分别降低50.6%、17.2%和42.3%。以卫星AOD作为检验标准,3组同化试验相对于控制试验,初始场的平均偏差分别降低37.6%、78.4%和83%,平均均方根误差分别降低31.6%、62.2%和65.2%。同化后的初始场对预报有显著的改进,改进持续时间达24 h,以地面PM_2.5作为检验标准,同时同化两种资料的试验对24 h预报的平均偏差减少19.7%,相关系数提升8.8%,均方根误差减少17.2%;以卫星AOD作为检验标准,24 h预报的平均偏差减少40.1%,相关系数提升25.9%,均方根误差降低34.7%。试验结论为,相对于仅同化地面PM_2.5资料,同化风云卫星AOD资料可以提升后期预报效果。     

联合星载高光谱影像和堆栈集成学习回归算法的红树林冠层叶绿素含量遥感反演

红树林是世界上生产力最高、价值最高的湿地生态系统之一。冠层叶绿素含量CCC（Canopy Chlorophyll Content）作为红树林重要的生物物理参量,是估算其生产力和评价其健康状况的重要指标。本文利用珠海一号高光谱卫星（OHS）影像与Sentinel-2A多光谱数据计算传统植被指数与组合植被指数并构建了高维数据集,综合利用正态分布检验、最大相关系数法与变量重要性评价进行数据降维和变量优选;分别基于单一线性回归算法、机器学习回归算法和堆栈集成学习回归算法构建了红树林CCC遥感反演模型,探明北部湾红树林CCC的最佳遥感反演模型,验证OHS高光谱影像与Sentinel-2A数据反演红树林CCC的精度差异,评估SNAP-SL2P算法反演红树林CCC的适用性。研究结果表明：（1）通过数据降维和变量选择处理,从高维度OHS数据集选取了8个特征变量,其中RSI_（12,17）、DSI_（12,18）和NDSI_（6,12）组合植被指数对红树林CCC反演精度的贡献率较高;（2）联合OHS数据和最优堆栈GBRT集成学习回归模型（Score=0.999,RMSE=0.963 μg/cm²）的训练精度优于最优RF机器学习回归模型（RMSE降低了7.531 μg/cm²）,明显优于最优Lasso线性回归模型（RMSE降低了19.383 μg/cm²）;（3）在最优堆栈集成学习回归模型下,OHS数据反演红树林CCC的精度（R²=0.761,RMSE=16.738 μg/cm²）高于Sentinel-2A影像（R²=0.615,RMSE=20.701 μg/cm²）;（4）联合OHS和Sentinel-2A数据的最优堆栈集成学习回归模型反演红树林CCC的精度都明显优于SNAP-SL2P算法（R²=0.356,RMSE=49.419 μg/cm²）。研究结果论证了正态分布检验、最大相关系数法和基于XGBoost的特征选择方法有效降低了高维数据集的维度,并得到了最优特征变量;OHS数据的最优堆栈GBRT集成学习回归模型训练精度最高,是估算红树林CCC的最优反演模型;OHS和Sentinel-2A数据都能有效反演红树林CCC（R²均大于0.61）,而OHS数据的估算精度更高（R²大于0.75）;SNAP-SL2P算法不能有效反演红树林CCC（R²小于0.4）,且对红树林CCC数值存在系统性低估。     

基于垂直订正和湿度订正方法估算川渝地区逐小时PM2.5

针对PM_2.5污染比较严重的川渝地区，本研究利用日本静止葵花卫星（Himawari-8）反演的气溶胶光学厚度（AOD）进行垂直订正和湿度订正估算川渝地区2017年—2018年09：00—16：00时的PM_2.5浓度。首先，基于气象观测的能见度（vis）数据与消光系数σa(λ)之间的关系，引入“标高（Ha）”对气溶胶光学厚度进行垂直订正；其次，根据匹配的气象和环境监测数据对每一个站点逐一拟合1—12月份的吸湿增长因子，并采用反距离加权空间插值（IDW）方法构建吸湿订正因子网格，从而进行湿度订正估算。研究结果表明，经垂直订正和湿度订正后，相比AOD与PM_2.5之间的相关性，“干”消光系数σdry与PM_2.5的相关性显著提高，相关系数（r）由0.12—0.45提高至0.32—0.69；验证09：00至16：00时卫星估算结果，相关系数（r）均大于0.7，均方根误差（RMSE）为18.59±2.26 μg/m³；提取所有观测站点进行验证，r=0.82，RMSE=18.64 μg/m³。     

基于AERONET数据的气溶胶光学特性分析

大气气溶胶的监测对全球气候变化、区域空气质量和公共健康等研究具有重要的意义,而中国台湾岛四面环海,地理位置特殊,若忽略其大气环流和局地排放源造成的气溶胶特征时空异质性将会导致气溶胶参数反演误差。因此本研究使用中国台湾岛多个具有代表性的AERONET（AErosol RObotic NETwork）观测站历史数据和MODIS气溶胶光学厚度AOD（Aerosol Optical Depth）反演产品,分析5个典型站点气溶胶参数及其类型的时空变化特征及差异,分析结果表明：（1）各站点AOD年平均值逐年下降,呈现春季最高（0.5257）的季节变化特征和双峰结构的日变化规律,主导气溶胶类型为城市工业型（仅鹿林站点为海洋型）。（2）中国台湾地区风向多为东北风,风速越大,AOD值越低,海洋型气溶胶占比越高;反之则以城市工业型气溶胶为主。（3）?ngstr?m波长指数（AE）、单次散射比（SSA）、复折射指数虚部、不对称因子平均值分别为1.3283、0.9564、0.0054、0.7292;相比于北京（39.9768°N,116.3813°E）站,台湾“中央大学”AOD年平均值、季节变化、主导气溶胶类型均存在较大的差异。（4）MODIS AOD分站点验证精度较高,而在高山鹿林站的验证精度稍低（R²=0.5925）;而利用不同气溶胶类型的分类验证结果显示,城市工业（R²=0.7238）、生物质燃烧（R²=0.6161）和次大陆型（R²=0.5116）精度较高,但海洋型（R²=0.1585）、大陆型（R²=0.1111）AOD验证精度显著降低。本研究表明,中国台湾岛气溶胶类型呈现西南沿岸站点秋冬季次大陆型占比上升,西北沿岸大陆型上升的时空特征差异,细化气溶胶参数的时间差异和时间动态变化信息将对气溶胶卫星反演算法在环流特征明显的近海区域有着重要指导作用。     

利用AMSR2和MODIS数据的土壤冻融相变水量降尺度方法

本文基于站点实测土壤温度和土壤湿度数据分析,发现温度指数TI(Temperature Index)和土壤冻融相变水量呈现幂函数关系,温度指数能够反映相变水量的变化。使用MODIS地表温度产品计算温度指数,在AMSR2卫星观测尺度上与相变水量建立了关系,从而对土壤冻融相变水量进行了降尺度研究。采用CTP-SMTMN数据采集仪观测网络上的站点观测到土壤水分对土壤冻融相变水量降尺度结果进行了验证。结果表明,土壤冻融相变水量降尺度结果与实测值较为接近,在土壤相变水量大于0.01(m³/m³)时,RMSE为0.0085(m³/m³),MAE为0.0059(m³/m³)。这种通过温度指数对土壤相变水量进行降尺度的方法具有简便,可行,可靠的优势,适合在冻融交替期计算较湿润土壤在冻融过程中产生的相变水量。同时,这种降尺度方法能够生成小尺度上的相变水量产品,实现了热红外遥感和被动微波遥感的优势整合,对研究地气水热平衡,气候变化,土壤冻结强度以及冻融侵蚀强度等具有重要意义。     

阿克苏河-塔里木河水系水质污染遥感监测与评价

 采用Landsat TM数据分析了阿克苏河—塔里木河断面水质污染状况,通过波段的DN值和常规监测数据建立能反映水质状况的 污染物监测模型。结果发现,将2000年常规监测数据代入模型后,与遥感数据的结果基本吻合| 重建阿克苏河—塔里木河的连续水体 污染变化曲线,得出污染物浓度随着远离上游而增加。     

Monitoring drought dynamics in the Aravalli region (India) using different indices based on ground and remote sensing data

The hard-rock hilly Aravalli terrain of Rajasthan province of India suffers with frequent drought due to poor and delayed monsoon, abnormally high summer-temperature and insufficient water resources. In the present study, detailed analysis of meteorological and hydrological data of the Aravalli region has been carried out for the years 1984–2003. Standardised Precipitation Index (SPI) has been used to quantify the precipitation deficit. Standardised Water-Level Index (SWI) has been developed to assess ground-water recharge-deficit. Vegetative drought indices like Vegetation Condition Index (VCI) and Temperature Condition Index (TCI) and Vegetation Health Index (VHI) have been computed using NDVI values obtained from Global Vegetation Index (GVI) and thermal channel data of NOAA AVHRR satellite. Detailed analyses of spatial and temporal drought dynamics during monsoon and non-monsoon seasons have been carried out through drought index maps generated in Geographic Information Systems (GIS) environment. Analysis and interpretation of these maps reveal that negative SPI anomalies not always correspond to drought. In the Aravalli region, aquifer-stress shifts its position time to time, and in certain pockets it is more frequent. In comparison to hydrological stress, vegetative stress in the Aravalli region is found to be slower to begin but quicker to withdraw.     

Landslide risk analysis between Giri and Tons Rivers in Himachal Himalaya (India)

The area around Sataun in the Sirmur district of Himachal Pradesh, India (falling between the rivers Giri and Tons; both tributaries of the Yamuna River) was studied for landslide vulnerability on behalf of the inhabitants. The study was made using extensive remote sensing data (satellite and airborne). It is well supported by field evidence, demographic and infrastructural details and aided by Geographic Information System (GIS) based techniques. Field observations testify that slope, aspect, geology, tectonic planes, drainage, and land use all influence landslides in the region. These parameters were taken into consideration using the statistical approach of landslide hazard zonation. Using the census data of 1991, vulnerability of the populace to the landslide hazard was accessed. As most of the infrastructure in the region is concentrated around population centres, population data alone was used for vulnerability studies.     

Gravity Changes Before Large Earthquakes in China: 1998-2005

Although it is well known that coseismic gravity changes take place during an earthquake, previous research has not yielded convincing evidence demonstrating that significant gravity changes occur before large earthquakes. Furthermore, even if we suspect that gravity changes occur before large earthquakes, we have yet to demonstrate how to consistently observe these changes for useful earthquake forecast that would bring benefits to society. We analyzed ground gravity survey data obtained in 1998, 2000, 200...     

GNSS系统及其技术的发展研究

阐述了国际上卫星导航系统的总体发展,对美、俄、欧、中的四大全球系统,以及相关的区域系统和增强系统进行了简单的介绍,研究分析了GNSS系统及其技术的发展趋势,同时分析了我国Compass全球系统面临的机遇和挑战,并提出了我国未来工作的建议.     

“4D”技术及其应用

介绍“４Ｄ”（即数字地面模型、数字正射影像、数字栅格地图和数字线划地图）系列产品的生产流程、关键技术、及其在耕地保护、防灾减灾救灾和城市规划等方面的应用方法。     

Virtual Australia: its key elements – know,think, communicate

Abstract

Virtual Australia is not a well-defined or agreed concept. This discussion paper conceptualises Virtual Australia as a ‘virtual [digital] model containing and representing all non-trivial objects and their contextual environment – from blue sky to bedrock – in real world Australia’. It describes a scenario for Virtual Australia, one or two decades from now, in which the locations and conditions of non-trivial objects and their environment are updated automatically through a combination of remote sensing and wireless communication technologies in support of a ‘Supranet’. It then examines the concept of the ‘Supranet’ – a pervasive information network based largely on wireless technology linking the physical world to a virtual model in real time – and develops and discusses three principal characteristics of the Supranet: the ability to have or collect specific information (know); the ability to process information (think); and the ability to communicate that information. If, in the near future, any or all non-trivial devices are to some extent able to know, think and communicate, the potential for object autonomy will be realised.     

Toward seamless indoor-outdoor applications: Developing stakeholder-oriented location-based services

Location-Based Services (LBS),an emerging new business based on smartphone and mobile networks,are becoming more and more popular.Most of these LBSs,however,only offer non-seamless indoor/outdoor applications and simple applications without giving stakeholders the chance to play an active role.Our specific aim is to solve these issues.This paper presents concepts to solve these issues by expanding the Open Location Services Interface Standard (OpenLS) to allow seamless indoor/outdoor positioning and to extend the content of the services to include information recommended by stakeholders.     

GIS空间数据的采集误差及其分析

本文详细阐述了GIS数据采集过程中的误差来源，重点分析了通过地图、遥感和摄影测量等方式采集数据所产生的误差及其特性，分析了其对GIS数据的影响与消减方法。     

地理数据库的关系模型及其实现

本文从以图论观点分析地理实体入手,系统阐述了地理数据库关系模型的设计法和过程。作者于1984年4～9月间在微型机上设计建立了关系型地理数据库的实方验系统(RGDB)。该系统采用了本文提出的关系模型,采用了可动态扩库的子库组合结构,这种结构具有灵活性和提高空间利用率的优点。RGDB含有多种功能的数据操作命令,除了具有一般检索功能外,还能进行“开窗”选取和十分“自由”的映象选取。本文对RGDB系统的主要性能和实现途径作了扼要介绍。