地理时空三向聚类分析方法的构建与实践

随着地理数据获取能力的不断提升,地理数据体量呈指数增长,数据种类、数据性质更加多元化。对数据的有效甄别和归类成为理解地理现象时空特征、演化过程和行为机制的关键。传统聚类方法面临数据体量大、维数高、质量差的挑战,加之对地理空间与时间关联分析的需求,对聚类方法改进和提升研究的要求越来越迫切。本文介绍了从单向到三向聚类构建思路的变革。单向聚类是仅在样本或属性方向上进行聚类,易忽视非常相似的局部特征、易犯“横看成岭侧成峰”的错误。双向聚类是基于数据矩阵内元素值的相似性,形成一个子矩阵分割方案,使子矩阵内元素相似度尽可能高,子矩阵间元素相似度尽可能低,从而实现行列两方向的同时聚类,避免了单向聚类的不足。鉴于双向聚类难以满足地理研究超出双向的解译需求,本文提出并研发了一个全新的三向聚类方法,给出了运用该方法开展地理时空格局过程探测的流程,总结了如何根据研究涉及的“空间—时间—尺度—属性”构建三维数据体;最后,展示了三向聚类的地理实践案例。结果表明：① 三向聚类是一种大数据时代探测地理数据时空分异规律的有效方法,可以解决数据维度高、质量低等问题;② 面对不同的地理问题,三向聚类在算法层面上是通用的,不同之处仅在于：根据不同问题涉及的空间、时间、尺度、属性的不同,构建不同的数据体;不同数据体聚类得到的不同结果回答不同的地理问题;③ 三向聚类可以实现地理数据的时空分异规律多方向、多尺度、多层次的联合解译,揭示地理特征时空尺度叠加效应。最后,论文强调根据地理问题组织数据的重要性,期待未来能够提升三向聚类在多空间尺度、多属性方面的地理研究实践。     

全球气候变化下南海诸岛保护优先区识别分析

全球变化下,珊瑚礁保护区是保护生物多样性、增强珊瑚礁对气候变暖抵抗力的有效方式,而维持珊瑚礁弹性是其核心内容。针对珊瑚礁最具有威胁性的热压力因子,基于南海1982—2009年卫星观测海表面温度（SST）数据和CMIP5加拿大地球系统模式CanESM2模型预估的2006—2100年南海SST数据构建热压力强度模型,从维持珊瑚礁弹性的角度识别IPCC RCP 4.5和RCP 8.5情景下南海诸岛保护优先区。结果表明：RCP 4.5和RCP 8.5情景下13%左右的南海诸岛珊瑚礁识别为保护优先区。根据热压力强度与珊瑚抵抗力及避难所关系,西沙群岛七连屿和晋卿岛近年观测与未来预估的热压力强度均比较低,在保障其服务功能的基础上建议实施完全保护;东沙群岛东沙环礁和中沙环礁排洪滩近年观测急性热压力强度较高但未来预估热压力强度较低,建议实施50%禁止利用保护;中沙群岛黄岩岛近年观测和未来预估的急性热压力强度均比较低,建议实施50%多用途保护。南沙群岛有14%左右的珊瑚礁识别为保护优先区,根据其热压力强度可实施30%~100%禁止利用保护或30%~50%多用途保护。RCP 4.5和RCP 8.5情景下的南海诸岛保护优先区及保护对策,可为维持珊瑚礁生态弹性及应对全球气候变化提供重要的参考价值。     

喜马拉雅山脉中段土地覆被的垂直分异特征

喜马拉雅山脉中段的珠穆朗玛峰等地,海拔高差巨大、生境复杂多变、土地覆被类型多样且植被垂直带谱完整,是全球范围内研究土地覆被垂直变化的理想场所。本文基于30 m空间分辨率的土地覆被数据（2010年）和DEM数据,在ArcGIS和Matlab平台的支持下,提出并运用脊线法、样带法和扇区法3种山地南北坡划分方法,研究了喜马拉雅山土地覆被垂直分布与结构差异。结果表明：① 山地土地覆被分布具有明确的垂直地带性结构特征,喜马拉雅中部土地覆被垂直带谱为南六北四式,土地覆被垂直带谱中具有人类活动的特点。② 南北坡之间的土地覆被垂直带谱差异明显,南坡土地覆被类型完整多样,北坡相对简单;对同类型土地覆被而言,南坡较北坡分布高程低、幅度宽。③ 依据各类型分布面积比随海拔变化情况,土地覆被类型在南北坡上的垂直分布可分为4种模式：冰川雪被、稀疏植被和草地为单峰分布型,裸地为南单峰北双峰分布型。④ 3种划分方法中,南坡的土地覆被垂直带结构具有相似性,而北坡的土地覆被垂直带结构存在差异,扇区法较好地反映了土地覆被自然分布格局。     

1949—2019年中国自然地理学与生存环境应用研究进展

自然地理学是一门以基础研究见长的自然科学,其研究对象是与人类生存和发展密切相关的自然环境。中国的自然环境复杂多样,自然地理学家根据国家需求和区域发展在应用基础和应用研究方面同样取得显著成效,为国家重大经济建设、社会发展的规划,宏观生态系统与资源环境保护及区域可持续发展做出了重要贡献。本文总结了1949—2019年中国自然地理学在自然环境区域差异与自然区划、土地利用与覆被变化、自然灾害致灾因子和风险防控、荒漠化过程与防治、黄淮海中低产田改造、冻土区工程建设、地球化学元素异常和地方病防治、自然地理要素定位观测、地理空间分异性识别和地理探测器等方面的实践与应用,指出了未来自然地理学的应用研究方向。     

发展地理学视角下中国多维贫困测度及时空交互特征

探索贫困监测评估指标体系及区域间贫困时空交互动态特征对当前中国可持续减贫研究具有重要意义。基于发展地理学视角,引入面板向量自回归（PVAR）模型并结合人类发展分析路径与SDGs全球指标框架识别影响中国贫困的致贫和减贫因素,以此测度多维贫困指数,进而采用探索性时空数据分析（ESTDA）方法揭示多维贫困的时空交互特征。结果表明:① 中国当前贫困监测评估的致贫因子包括农作物受灾比和社会总抚养比,减贫因子则涉及人均GDP、人均社会保障支出、人均公共卫生支出、每万人医院数、新型农村合作医疗参合率、植被覆盖率、人均教育支出、高校数量、人均科学研究与试验发展支出、人均文化事业经费。② 2007—2017年中国省域收入贫困、健康贫困、文化贫困及多维贫困状况得到显著改善,全国综合贫困程度年均下降5.67%,部分省域的不同维度贫困内部出现差异化。③ 研究期内省域间多维贫困局域空间格局表现为较强的空间动态性,并呈现由东部向中、西部增大的变化态势;省域间多维贫困指数随时间演变呈现强的空间依赖关系,形成以西北和东北为高值区向四周递减的变化格局。④ 邻接省域多维贫困交互的时空网络以负向关联为主,仅有陕西与河南、陕西与宁夏、青海与甘肃、湖北与安徽、四川与贵州、海南与广东形成空间上较强的减贫协同关系。研究成果对当前中国精准扶贫战略实施尤其是2020年后预防返贫具有重要的参考价值。     

人类世可持续发展背景下的远程耦合框架及其应用

在全球一体化进程不断加深的背景下,国家与地区之间的联系日益紧密,产生了一系列跨国家、跨地区、多尺度的社会—经济—环境影响,远程耦合（Telecoupling,社会、经济、环境的远距离相互作用）科学概念和综合框架的提出为解决上述问题提供了新方法和新途径。为更好促进远程耦合综合框架的正确使用和规范推广,本文系统解析了远程耦合综合框架,厘清各组成部分的定义和功能,梳理了框架的应用现状;通过对3个中国典型案例的阐释,展示了远程耦合综合框架的使用方法、结果分析及由此得出的科学意义和政策价值;最后描述了远程耦合综合框架使用中需要重点关注的问题,并对其应用前景进行了展望。远程耦合综合框架的推广应用有助于以跨国家、跨地区、多尺度的视角,重新审视多个人类与自然耦合系统的相互作用,揭示隐藏的远距离地理空间作用的科学价值,服务于有关政策的制定和实施,促进全球社会、经济、环境的可持续发展。     

自然地理学创新发展与展望

自然地理学自中国科学院地理科学与资源研究所建立以来一直是立所的核心学科,长期以服务国家重大需求为使命,在综合自然地理、气候、地貌、水文、土壤地理、生物地理、化学地理等各学科领域取得一批重要科技成果和进展,奠定了自然地理各分支学科在国内外的优势,为国家科技创新、区域经济社会可持续发展做出了重要贡献。本文回顾了中国科学院地理科学与资源研究所自然地理学的创新发展历程,总结了自然地理学取得的学术成就与标志性进展,并展望了中国科学院地理科学与资源研究所自然地理学未来发展,提出以陆地表层要素—过程交互作用机制,陆地表层格局动态研究,陆地表层系统过程的综合集成与模拟,陆地表层系统有序人类活动的可持续范式和调控机制为核心的发展战略。     

乌兰布和沙漠典型植物群落土壤风蚀可蚀性研究

为探明植被恢复对乌兰布和沙漠土壤风蚀可蚀性的影响,以乌兰布和沙漠内不同沙地固 定阶段的 8 种典型植物群落及群落内表土作为研究对象,对土壤物理因子（可蚀性颗粒含量、土壤 含水量、有机质含量）、土壤结皮因子、植被因子 3 类土壤风蚀可蚀性因子指标进行监测,分析土壤 风蚀可蚀性因子在不同植物群落类型间、沙地固定阶段间的差异。结果表明：（1）在乌兰布和沙漠 典型植物群落中,沙蓬、沙生针茅、盐爪爪等草本植物群落的土壤风蚀可蚀性最强,白刺、梭梭、沙 冬青等灌木植物群落土壤风蚀可蚀性弱于草本植物群落,说明灌木林能显著降低土壤风蚀作用。 （2）随着沙地的不断固定,土壤结构不断发育,土壤可蚀性不断降低,土壤风蚀可蚀性强弱表现为 固定沙地<半固定沙地<流动沙地。（3）土壤可蚀性颗粒含量、土壤有机质含量、土壤含水量、土壤结 皮、植被因子与植被类型及沙地固定阶段具有显著相关关系。因此,在沙区生态建设工程中,为了 减少土壤风蚀量,不仅要考虑物种的选择,还要促进人工生态系统的演替和恢复,从而有效降低土 壤风蚀可蚀性。研究结果可为乌兰布和沙区植被生态系统服务功能的科学评价、防沙治沙工程的 建设与管理提供一定参考。     

新疆公共服务资源空间配置与城乡互动耦合协调发展评价

公共服务资源是社会发展的“先行资本”,对于区域社会经济发展与城乡融合发展具有正面外部效应。依据公共服务资源公平性、效益性与协调性原则,结合AHP、熵值与聚类分析方法,建立新疆公共服务资源配置与城乡互动效益评价指标体系,利用协调耦合发展模型,揭示研究区公共服务、城乡互动发展以及两者耦合协调度的总体特征和空间特征。结果表明：（1） 新疆各地不同类型公共服务资源空间配置公平性有所差异,空间非公平性>人口非公平性。（2） 公共服务资源综合效益以及城乡互动发展水平呈现较低、一般（中等）、较高三个类型。（3） 公共服务效益空间分异特征呈现出东南片区>西北片区;城乡互动水平空间差异呈现出天山北坡经济带高于其他区域。（4） 新疆大部分处于城乡互动与公共服务相互影响、相互磨合的过渡发展阶段,导致公共服务损益或城乡互动损益,个别区域处在两个系统相互制约、失调衰退阶段。通过进一步提出加快建立健全城乡互动公共服务体系,构建大、中、小多层次城镇空间格局,继续完善和开拓新的公共服务增长点以满足不断增长的城乡社会发展需求等建议措施,为确保城乡居民生存发展公平与效率,促进公共服务与城乡互动耦合协调发展提供参考借鉴。     

新时期新疆水库大坝建设的主要问题与对策建议

截止 2018 年,全疆（含兵团）已建、在建及拟建水库 722 座（包括电站水库）,总库容 295.0 × 10⁸ m³。有力地改善了水资源调控和利用效率,在灌溉、供水、防洪、发电、旅游等方面发挥了极其 重要的作用。新时期按照水利部“水利工程补短板、水利行业强监管”的工作总基调,针对南北疆 水资源配置不平衡问题、水资源利用不充分问题,谋划提出了兴建数十座大中型山区水库,以及提 升已建水库大坝信息化管理水平、加强水库调度运行管理,在满足生态需水的前提下统筹生活、生 产供水,最大程度发挥水库效益、确保水库安全运行。针对新时期气候变化条件下水库洪水风险 分析、大坝建设需要重点关注的几项关键技术、山区水库替代平原水库、河流健康与生态调度、水库 清淤与能力提升、水库信息化与智能调度以及延长服役期等问题进行了探讨,提出若干对策建议。