“一带一路”经济走廊资源环境信息开发利用研究进展与展望

六大经济走廊是“一带一路”倡议的战略支柱,该区域横跨亚、欧、非大陆,涉及国家众多,地理条件千差万别,资源环境本底复杂。通过对沿线区域资源环境信息进行系统性、全面性的揭示,能够为科学推进“一带一路”倡议实施提供至关重要的决策支持作用。本文提出了面向协同创新的“一带一路”空间信息服务系统框架,综述了“一带一路”经济走廊地区在资源环境信息开发利用进展,具体包括资源环境格局与时空演变、联合国可持续发展目标监测与评价、防灾减灾知识服务关键技术应用、资源环境信息集成与共享、新冠疫情对经济社会发展影响,进而展望了其发展趋势和潜在的研究方向,为“一带一路”经济走廊的可持续发展提供决策支持。     

“一联三生”体系下粤港澳大湾区智慧城市群的构建

自1978年以来,我国城镇化经历了外延粗放扩张式的快速发展模式,不具有可持续性。城市群作为推进后城镇化发展阶段的主体形态,其智慧化建设成为重要的研究内容。但智慧城市群建设如果缺乏理论指导,会陷入一定的盲目性。因此,本文力图通过对城市的“智慧”和城市群的空间概念体系的本质认知,构建“互联互通、生产、生活、生态”（简称为“一联三生”）体系下的智慧城市群理论框架。结果表明：① 智慧城市与智慧城市群的建设需要“命运共同体”的灵魂引领。在对心理学领域“智慧”充分认知的基础上,提出“以人为本的自主调节”的智慧城市灵魂。自主调节包括实时的智慧感知、智慧评估和智慧优化;② “一联三生”构成城市群空间概念体系,包含“一联”和“三生”等4个主题内容;③ 实现“一联三生”的智慧感知、智慧评估和智慧优化是智慧城市群构建的核心内容。结合粤港澳大湾区实际,提出了粤港澳大湾区智慧城市群的建设目标与内容,并探讨了地理空间信息在粤港澳大湾区智慧城市群建设中的支撑作用,为我国智慧城市群的框架构建提供理论参考。     

山西省城镇空间分布特征Voronoi图建模分析

随着我国新型城镇化规划的实施,如何识别城镇发展的不均衡,以及产生这些差异的原因已成为城镇化建设亟待解决的问题。本文利用Voronoi图的空间剖分特性,将城市中心性强度作为权重引入模型,建立山西省地级市加权Voronoi图,分析其空间影响范围,以判断山西省地级市发展的合理性和局限性;利用Delaunay图发现城市“空洞”,结合道路河流等矢量信息,通过叠加分析识别出待优先发展城镇;通过常规Voronoi图和变异系数C_v值判断本文模型的合理性和可行性。研究发现,山西省太原市的空间影响范围较大,导致周边地级市东西部发展较为不均衡;繁峙县、灵石县、新绛县条件较好,可以优先发展;通过常规Voronoi图和C_v值验证表明,本文所得结论与实际检验相符合。     

三江源地区“三区空间”时空演化及驱动机制分析（1992―2020年）

三江源地区是国家重要生态安全屏障和生态文明先行示范区。科学认知三江源地区生态空间、农业空间、城镇空间的空间格局演变特征及驱动机制,对于促进国土空间格局优化具有重要意义。首先从单一土地利用类型入手,分析1992―2020年的变化特征;然后结合土地分类和量化评价辨识出农牧空间,进而界定出“三区空间”并对其演变特征进行分析;最后,利用地理探测器分析变化背后的驱动机制。结果表明：① 三江源地区城镇空间增幅达774.56%;生态空间和农业空间以2005年和2015年为转折点,分别呈“U”字型和倒“U”字型变化趋势;② 研究区仅发生了4种交叉转换：生态空间转农业空间规模为1154.1 km²,多发生在气候变化主导区,转化量大但速度在逐步放缓;农业空间转生态空间规模为1140.8 km²,多分布在气候与人类活动共同作用区,转化速度呈明显变快趋势;农业空间和生态空间转为城镇空间的总量分别为41.0 km²和12.3 km²,多分布在县（市）驻地镇附近,转化速度在三个阶段表现为“缓慢增长―变快―减缓”的态势;③ 地理基础条件是“三区空间”格局演化的基本动力和前提,制约着交叉转换的位置和方向;社会经济因素是演化的关键驱动力,对交叉转换规模和速度均具有显著影响;生态保护政策在2005年之后驱动作用显著,尤其在“生态―农业”空间的相互置换过程中发挥着稳定作用。本研究可为牧业地区主体功能降尺度传导和国土空间用途管制提供新思路,可应用于三江源地区生态环境保护决策和各级国土空间规划编制工作。     

基于POI数据及四叉树思想的“三生空间”识别方法

城市区域内部建筑物较密集,外围建筑物逐渐稀疏,因此大多存在内部区域POI数据密度大,外围区域POI数据密度逐渐减小的现象,在使用均等网格作为识别单元进行城市“三生空间”的识别的过程中,就会出现网格尺度较大导致识别准确率较低或网格尺度较小导致无数据区较多两种情况。针对以上问题,本研究提出一种基于POI数据及四叉树思想的”三生空间”识别方法：综合利用互联网地图POI、行政区划、遥感影像等数据,引入四叉树思想对网格识别单元进行分级;将POI数据与城市建设用地分类和土地利用现状分类进行衔接,对POI进行重分类;综合各类POI的功能和面积,构建POI分类“三生功能”赋分体系,定量识别“三生空间”。以西安市中心城区为实验区进行实例验证,结果显示正确率在95%左右。通过与均等格网识别结果的对比,进一步证明引入四叉树思想对网格进行分级一方面能有效减少无数据区的存在,另一方面能使识别结果准确率大幅提高,为基于POI数据的城市三生空间的识别提供了一种新思路。     

中国近地面PM2.5浓度与排放的时空分布及其关联分析

PM_2.5是威胁人体健康的主要大气污染物之一。大量研究关注近地面PM_2.5浓度的监测及其时空分布,但目前针对PM_2.5排放及其与近地面浓度之间的关联研究较为缺乏。本文通过2000—2014年近地面PM_2.5浓度格网数据和PM_2.5排放格网数据,采用长时间序列分析法对PM_2.5浓度和PM_2.5排放从定性和定量两个角度进行时空变化趋势对比研究,并进一步结合标准差椭圆法和趋势分析法,分析了我国近地面PM_2.5浓度和PM_2.5排放的时空变化特征及其关联。结果表明,从总体时间序列趋势上,近地面PM_2.5浓度和PM_2.5排放之间在空间分布上基本呈现一致性,集中在胡焕庸线以东的人口密集区,但在时间上,PM_2.5浓度和排放之间存在动态变化时间差。且PM_2.5浓度的变化更为明显,2000—2007年高于35 μg/m³的国土面积占比增加了14.26%,2007—2014年减少了2.84%;从标准差椭圆分析来看,PM_2.5浓度椭圆和排放椭圆在覆盖面积和方位角上与人口和经济分布吻合,但前者面积更大,长轴更接近于东西方向,二者存在约17°差异,而两类椭圆的中心位置随时间变化呈现出较一致的轨迹特征并呈现出滞后特点;此外,受大气扩散、点源排放等因素影响,PM_2.5浓度变化趋势与排放变化趋势在胡焕庸线以东并不完全一致,部分区域排放呈降低趋势而浓度则反而呈升高趋势。因此,从全国层面来看,减排政策对浓度降低在时间上虽存在滞后,但边际效益显著,并已显露成效;而从局地来看,受地形、气象条件和大气化学过程等复杂影响,二者的变化在空间上仍会存在差异,有待进一步深入研究;从防控措施来看,在继续加强落实本地减排政策的同时,应考虑污染物的扩散迁移规律,加强联防联控,有效改善空气质量。     

耦合土地利用回归与人口加权模型的PM2.5暴露风险评估

PM_2.5已成为人群健康的重要威胁之一,科学精准的暴露评估是PM_2.5风险防控的前提,为提升PM_2.5暴露精准评估,本文利用土地利用数据、道路数据、气象数据等构建PM_2.5土地利用回归反演模型,实现了2013年12月1日-2014年2月8日（冬季）广佛都市区PM_2.5时空动态演变监测,在此基础上将PM_2.5反演结果与人口密度数据耦合,分别从PM_2.5污染浓度与人口加权PM_2.5浓度2个方面,评估广佛都市区PM_2.5污染暴露风险。研究结果表明：① 土地利用回归模型能够较好的反映研究区域内PM_2.5的空间分布特征,R²大于0.78;② 2013年12月1日-2014年2月8日,广佛都市区PM_2.5浓度平均值呈现波动变化趋势,研究时段内,最高平均浓度为97.91 μg/m³ （12月29日-1月11日）,最低平均浓度为53.40 μg/m³ （1月26日-2月8日）,全时段PM_2.5浓度超WHO健康标准的面积占比达99.8%;③ 广佛都市区PM_2.5的空间分布具有异质性规律,其高值区分别位于广州市天河区、越秀区、番禺区北部、花都区北部及佛山市禅城区、南海区中部、三水区中部,低值区主要位于广州市白云区、番禺区东南部及佛山市顺德区南部。人口加权暴露风险存在2个高值中心,分别位于广州市和佛山市的主城区;④ 耦合人口加权模型前后,广佛都市区PM_2.5暴露风险高风险区空间分布发生变化,未考虑人口加权模型时,广佛深高值区较为分散,主要位于南海区、天河区、越秀区、禅城区,考虑人口加权模型后,高值区更加集中于广州市和佛山市的主城区。     

土地利用/覆盖的空气污染效应分析

以长株潭城市群核心区为对象,运用GIS和RS技术获取研究区土地利用/覆盖和空气污染分布格局,结合景观指数移动窗口分析结果,分年均和季节时间尺度分析NO₂、PM₁₀、O₃、PM_2.5浓度空间分布特征与土地利用格局的耦合关系。结果表明：长株潭城市群土地利用/覆盖,对空气污染物浓度的变化影响显著,具有季节效应。建设用地和道路面积占比与NO₂、PM_2.5浓度显著正相关,与O₃浓度呈显著负相关;林地面积占比越大,NO₂、PM_2.5浓度越低;土地利用/覆盖对PM₁₀浓度影响相对不稳定,易受不同季节局地尺度工业生产和建筑开发活动影响。从土地利用/覆盖微观配置角度,景观破碎程度越高,PM₁₀浓度越高;散布与并列指数越大,NO₂和PM_2.5浓度越高、O₃浓度越低;多样性指数与PM_2.5浓度显著正相关。从优化土地利用降低空气污染角度创建的长株潭城市群生态绿心区的作用尚未真正展现。研究结果对明确反映土地利用/覆盖与空气污染特征间的关系,指导城市土地利用活动的合理开发具有重要的价值。     

基于中国大气环境监测站点的2015—2019年大气质量状况时空变化分析

2013年以来几次严重的雾霾污染事件引起了公众的广泛关注,此后中国实施了一系列有关大气污染防治的政策、法规和措施来改善大气质量。为了分析近年来中国大气质量的时空变化特征,本文选取2015—2019年生态环境部国控站点监测的大气污染关键参数,对比分析了空气质量指数和6种大气污染物的季均、年均浓度变化结果,并利用组合指标分析法和相关分析法探讨了不同大气污染物之间的相关性。结果表明：① PM_2.5、PM₁₀、SO₂、CO和NO₂浓度和AQI均有明显下降,2019年均浓度较2015年均浓度分别下降4.5%、3.84%、7.86%、3.74%、0.95%,AQI下降了19.31%,同时,O₃浓度则上升了0.79%;② 从空间分布来看,中国北方地区PM₁₀、PM_2.5、O₃、NO₂、SO₂、CO年均质量浓度和AQI分别比南方地区高25.2%、18.73%、4.95%、17.6%,32.74%、16.17%、28.3%;③ 从季节性变化规律来看,除了O₃呈现出夏季浓度高,冬季浓度低外,其他5种污染物和AQI都呈现相反的季节变化规律;④ 总体而言,目前中国大气污染以PM_2.5和O₃为主,PM_2.5与NO₂、SO₂、CO之间有极显著的正相关关系（r>0.85,p<0.01）,而O₃与其前体物NO₂和CO之间存在显著的负相关关系（r>0.8,p<0.01）。     

基于静风期污染物的PM2.5排放清单空间精细化方法

有利气象条件之后的静风期,极大降低了PM_2.5跨区域传输的影响,能够揭示本地源的排放状况。本文尝试性引入了静风期污染物分布揭示本地源排放特征的概念,提出了一种基于遥感数据的PM_2.5排放清单空间精细化方法：首先,利用 MODIS MCD19A2反演的ChinaHighPM_2.5数据,构建高时空分辨率PM_2.5数据融合方法;然后,构建唐山市有利气象条件之后的静风期污染物遴选方法（合理风向和风速：有利气象条件为东风,地面10 m高度风速大于3 m/s,其他风向,持续的较大风力5~10 m/s;静风期风速小于1.5~2.0 m/s）;其次,基于遴选的静风期PM_2.5数据分配MEIC清单中的PM_2.5总排放量,同时对比传统插值方法：基于GDP、人口密度、路网、土地利用类型数据,实现清单各污染源PM_2.5的1 km×1 km空间分配;最后,利用WRF-CMAQ模拟数据和地面台站实测数据进行真实性检验。研究结果表明：① PM_2.5数据填补融合方法能够有效提高PM_2.5监测数据的时空分辨率,且与地面监测值显著相关（R²=0.94,RMSE=4.64 µg/m³,NMB=2%,NME=7%）;② 引入有利气象条件后的静风期概念,提出了静风期污染物的遴选方法,有效降低了PM_2.5跨区域传输的影响,更好地反映了本地源排放的空间分布特征;③ WRF-CMAQ模拟方法的精度验证结果表明,该方法较传统面积插值法NME降低7%,NMB降低10%,RMSE降低1.54 µg/m³,R²提高11%。该方法为排放清单的空间精细化提供了新的研究思路。     

基于移动监测数据的不同城市场景下PM2.5浓度精细模拟与时空特征解析

城市内部PM_2.5浓度分布具有明显的空间异质性,而传统方法基于遥感数据或监测站点数据进行分析,难以揭示高时空分辨率下城市内部的PM_2.5浓度分布特征,缺少不同时刻城市场景（如：道路、工业区、住宅区等）对PM_2.5浓度复杂非线性影响的解析。本研究将移动监测传感器安装于快递车上,采集福州市主城区南部不同类型场景的PM_2.5浓度,然后融合地理加权回归（Geographical Weighted Regression, GWR）和梯度提升决策树（Gradient Boosting Decision Tree, GBDT）方法,提出一种基于GWR-GBDT的PM_2.5模拟与场景解析模型,能够较好地拟合气象、场景因素与PM_2.5浓度的非线性关系,提升了城市PM_2.5污染精细监测能力;并结合部分依赖图解析不同时段不同场景因素对PM_2.5浓度的非线性作用影响。结果表明：① 基于移动PM_2.5浓度监测数据,利用GWR-GBDT模型能够较好地模拟城市场景、气象和PM_2.5浓度之间的非线性关系,能够有效精细模拟PM_2.5浓度的空间分布,十折验证R²结果为0.52~0.94;② 通过部分依赖图分析同一场景在不同时段对PM_2.5浓度响应的异质性,发现各类场景对PM_2.5浓度提升或抑制作用并不稳定;③ 解析不同时段人类活动与城市场景对PM_2.5浓度的交互作用发现,教育医疗单位和住宅区两类场景对PM_2.5浓度的提升作用都与人类通勤有密切关系,高污染场景中的建筑工地在采取的洒水降尘措施后能在数小时内有效缓解PM_2.5污染,公园文体服务区在多数时段对PM_2.5浓度具有抑制作用,工业区和道路多数时段会致使对PM_2.5浓度提升;④ 从PM_2.5浓度的空间分布来看,福州市主城区南部PM_2.5浓度总体呈现东南高-西北低的分布趋势,建筑工地、道路和工业区场景轻度以上污染面积占比明显高于其他场景,公园场景总体PM_2.5浓度较低,山体公园傍晚会受到周边工业区的影响而导致PM_2.5浓度升高,而城市陆地外围水域对沿岸PM_2.5浓度具有抑制作用;⑤ 研究结果可为不同场景下PM_2.5污染精细化治理、城市规划以及老人、儿童等高危人群的PM_2.5污染暴露风险防范提供支持。     

耦合卡尔曼滤波和多层次聚类的中国PM2.5时空分布分析

近年来,细颗粒物污染尤其是PM_2.5受到人们越来越多的关注,研究PM_2.5的时空分布规律也具有越来越重大的意义。传统的遥感反演方法模型复杂,且不能揭示近地表面的PM_2.5分布规律。地面监测站的建设为PM_2.5的研究提供了更实时的观测数据,但由于测量噪声的影响,观测数据存在不准确的极端异常值。为了揭示中国PM_2.5的时空分布特征,本研究采用Kalman滤波对2015年中国338个城市的空气质量监测网络大数据进行最佳估计,并分析其时空特征。同时,根据中国各城市的PM_2.5浓度的时序分布,采用基于DTW的K-Medoids聚类方法将其分为4个等级,并采用q统计量来评估PM_2.5浓度分布的空间分层异质性。结果表明,采用Kalman滤波能有效去除数据噪声,峰值信噪比（PSNR）明显增大。在时空分布上,中国PM_2.5时间分布曲线呈现“U”形,冬季PM_2.5浓度明显高于夏季,且日变化曲线呈现“W”形;秋冬季PM_2.5浓度的空间分层异质性非常显著,且空间分布呈现“双核分布”,重污染区主要分布在华北平原、新疆等地,西藏、广东、云南等地是稳定的空气质量优良区。     

中国城市群臭氧污染时空分布研究

随着中国城市建设进程的加快,中国的臭氧（O₃）污染逐渐受到重视。城市群是人口大国城镇化的主要空间载体,是城镇化的主体形态。截至2017年3月底,国务院共先后批复了6个国家级城市群,并提出要优化提升东部地区城市群,培育发展中西部地区城市群。另外,新的城市规模划分标准以城区常住人口为统计口径,将城市划分为5类7档。为了研究中国O₃污染的时空分布特征以及O₃污染与城市群之间的关系,利用地理探测器（Geographical detector）和演化树模型对2014年6月到2017年5月共36个月的O₃监测数据进行时空分析。结果表明：中国O₃污染水平呈现上升趋势,并在2017年迅速增长,O₃已成为仅次于PM_2.5的第二大污染因子,且与PM_2.5在时间上呈“交错污染”的态势;O₃污染超标城市绝大多数集中在城市群区域,其中长江三角洲城市群、京津冀城市群、山东半岛城市群和中原城市群相对突出;O₃和PM_2.5均不超标的城市主要集中在北部湾城市群和海峡西岸城市群;城市群中人口规模大的城市O₃污染较为严重。     

2019年北京市PM2.5人群暴露剂量特征分析

近年来,PM_2.5已成为雾霾爆发的主要污染物之一,人口长期暴露在高浓度的PM_2.5中可能会大大的提高居民患病的几率,危害居民身心健康。本研究以空气污染严重且人口高度集中的北京市作为研究区,以2019年北京市的PM_2.5浓度监测数据、人口空间分布栅格数据及不同人群的长期呼吸量等为数据基础,构建了“污染物浓度—暴露人口—呼吸量”的PM_2.5人口暴露剂量评估模型,进而对北京市2019年的PM_2.5人口暴露强度空间分异特征及不同人群的暴露剂量差异进行分析。结果表明：① 2019年北京市的PM_2.5浓度在冬季时最高,日均浓度达48.89 μg/m³,并均呈现出北低南高的整体态势;② PM_2.5人口暴露量存在显著的空间分异特征,不同人群的PM_2.5暴露量均呈现出由城中心向周边减弱的整体态势,高暴露区主要集中于城区地带;③ 不同性别、年龄组人群的PM_2.5人口暴露强度存在明显的空间分异特征,且城市内部不同人群的PM_2.5暴露剂量也存在明显差异;④ PM_2.5的暴露风险并非完全取决于污染物浓度的大小,而是由污染源浓度和暴露受体的空间分布特征等多方面共同决定,北京城区的高PM_2.5人口暴露区才是高风险区,是未来政府有效防控污染物危害的核心区。     

时间尺度重构EEMD-GRNN改进模型预测PM2.5的研究

合理构建PM_2.5浓度预测模型是科学、准确地预测PM_2.5浓度变化的关键。传统PM_2.5预测EEMD-GRNN模型具有较好的预测精度,但是存在过于关注研究数据本身而忽略其物理意义的不足。本研究基于南京市2014-2017年PM_2.5浓度时间序列数据,分析PM_2.5浓度多尺度变化特征及其对气象因子和大气污染因子的尺度响应,基于时间尺度重构进行EEMD-GRNN模型的改进与实证研究。南京市样本数据PM_2.5浓度变化表现为明显的天际尺度和月际尺度,从重构尺度（天际、月际）构建GRNN模型更具有现实意义;同时,PM_2.5对PM₁₀、NO₂、O₃、RH、MinT等因子存在多尺度响应效应,以其作为GRNN模型中的输入变量更具有时间序列上的解释意义。改进后的EEMD-GRNN模型具有更高的PM_2.5浓度预测精度,MAE、MAPE、RMSE和R²分别为6.17、18.41%、8.32和0.95,而传统EEMD-GRNN模型的模型有效性检验结果分别为8.37、27.56%、11.56、0.91。对于高浓度天（PM_2.5浓度大于100 μg/m³）的预测,改进模型更是全面优于传统EEMD-GRNN模型,MAPE为12.02%,相较于传统模型提高了9.03%。     

集成多源遥感数据的PM2.5浓度空间分布制图

针对传统地面稀疏站点监测PM_2.5浓度以点带面的缺陷,本研究拟借助多源遥感数据开展了地面大气细颗粒物PM_2.5浓度空间分布模拟研究。以京津冀地区2013年的年均、季均PM_2.5浓度模拟图为例,用简化的气溶胶反演算法（SARA）反演了 1 km高分辨率AOD,并结合高分辨率遥感提取污染相关地理要素,对研究区PM_2.5浓度空间分布进行地理统计模拟及优选。结果表明：① SARA算法反演的AOD与地基AERONET相关性达0.99,能准确地反映研究区AOD的时空分布特征;② 集成多源遥感数据的地理加权回归模型拟合度高（平均R²-0.66）,其空间模拟显示研究区平均PM_2.5污染南部城镇最重,中东部城区次之,西北山区较轻;③ 研究区PM_2.5污染程度高,全年平均模拟浓度高达75 μg/m³,在气候环境及主要污染源季节性差异驱动下,浓度分布季节性特征显著,冬季污染最严重,而夏、秋季相对较轻。该成果对于精细把握PM_2.5污染特征,指导污染防控具有重要意义。