Integration of remote sensing,county-level census,and machine learning for century-long regional cropland distribution data reconstruction

The Lower Mississippi Alluvial Valley (LMAV) was home to about ten million hectare bottomland hardwood (BLH) forests in the Southern U.S. It experienced over 80 % area loss of the BLH forests in the past centuries and large-scale afforestation in recent decades. Due to the lack of a high-resolution cropland dataset, impacts of land use change (LUC) on the LMAV ecosystem services have not been fully understood. In this study, we developed a novel framework by integrating the machine learning algorithm, county-level agricultural census, and satellite-based cropland products to reconstruct the LMAV cropland distribution during 1850–2018 at a 30-m resolution. Results showed that the LMAV cropland area increased from 0.78 × 10⁴ km² in 1850 to 6.64 × 10⁴ km² in 1980 and then decreased to 6.16 × 10⁴ km² in 2018. Cropland expansion rate was the largest in the 1960s (749 km² yr⁻¹) but decreased rapidly thereafter, whereas cropland abandonment rate increased substantially in recent decades with the largest rate of 514 km² yr⁻¹ in the 2010s. Our dataset has three notable features: (1) the depiction of fine spatial details, (2) the integration of the county-level census, and (3) the inclusion of a machine-learning algorithm trained by satellite-based land cover product. Most importantly, our dataset well captured the continuous increasing trend in cropland area from 1930–1960, which was misrepresented by other cropland datasets reconstructed from the state-level census. Our dataset would be important to accurately evaluate the impacts of historical deforestation and recent afforestation efforts on regional ecosystem services, attribute the observed hydrological changes to anthropogenic and natural driving factors, and investigate how the socioeconomic factors control regional LUC pattern. Our framework and dataset are crucial to developing managerial and policy strategies for conserving natural resources and enhancing ecosystem services in the LMAV.     

结合图像增强和恢复的增强现实跟踪注册

增强现实中的跟踪注册技术一直是研究的重点和难点,而地下矿道和巷道内亮度低,产生的图像较昏暗,车载相机快速运动和抖动,对传统的基于特征匹配的跟踪注册提出了挑战。本文从提高增强现实中跟踪注册稳健性和精度出发,采用基于Retinex改进的方法增强昏暗图像的亮度,同时利用基于对抗神经网络的方法恢复运动模糊图像。首先提取图像ORB特征,实现初始化;然后根据跟踪特征点的数量,开启图像增强和图像恢复线程,提高特征点提取质量和数量。在数据集和真实模拟场景下的试验结果显示,跟踪精度提高了12%左右,在低亮度和含有轻微模糊的情况下,跟踪注册稳健性也有显著提高。     

顾及水陆差异的高分五号影像条带去除

高分五号搭载的可见光短波红外高光谱相机,能获取精细的地物光谱信息,具有十分广泛的应用前景。但高光谱卫星遥感数据往往无法避免条带噪声的干扰,进行条带去除是数据预处理中不可缺少的步骤。传统方法往往对地物的异质性与丰富的细节纹理考虑不足,导致条带不能被彻底地消除。为此,本文提出了一种顾及水陆差异的影像条带去除方法,采用水体与陆地区别统计的策略,解决条带噪声在异质区域的统计特征差异问题,并结合优化统计和一维变分滤波技术实现水陆区域参考统计特征的精确估计,最终基于矩匹配方法分别实现条带去除。实验结果表明:无论是真实实验还是模拟实验,本文提出的算法相较于传统条带去除算法,能更加稳健地去除数据条带噪声,还原地表真实辐射信息;在模拟实验中,本文算法处理结果的峰值信噪比(PSNR)达到46.58,且平均绝对误差(MAE)仅有11.56,均明显优于用于比较的3种传统算法,且算法执行效率也具备优势,能够更好地适用于高分五号大数据量的处理需求。     

基于地理国情数据的长江岸线保护和开发利用情况分析

本文基于地理国情数据,从农业垦殖、开发建设、生态修复情况三个方面出发,对长江岸线1 km范围内的保护和开发利用情况进行空间统计分析。通过分析可知:(1)2015~2018年,长江岸线农业垦殖和开发建设力度有所增强;(2)2015~2018年,长江岸线生态修复取得一定的进展,但仍需持续推进。     

陇中黄土高原丘陵沟壑区不同植被恢复模式下次降雨产流产沙特征

基于甘肃省清水县汤峪河径流小区2015—2017年的观测数据,研究不同植被恢复模式条件下坡面次降雨入渗、产流产沙特征。结果表明：不同植被恢复模式条件下的土壤入渗量与降雨强度呈二次函数关系,存在入渗量达到最大值的临界降雨强度。入渗速率与降雨历时可以用幂函数关系表达,符合考斯恰可夫入渗模型。不同植被恢复模式条件下的产流率在0.003 3~0.003 6 mm·min^-1之间,相对裸地的减流率为54%~58%。产流率与降雨强度之间呈二次函数关系（R²>0.88）,产流率的主要影响因素是降雨强度。径流含沙量平均值乔灌混合区（3.13 g·L^-1）>灌木林（2.95 g·L^-1）>乔木林（2.79 g·L^-1）>草地（2.58 g·L^-1）,径流含沙量与降雨强度呈线性递增函数关系。裸地的产沙量显著高于各植被小区（P<0.05）,是各植被小区的43~57倍,各植被小区的减沙率在93%~94%之间,减沙效益高于其减流效益。各植被坡面土壤流失量与降雨侵蚀力呈线性递增函数关系;产流率与侵蚀产沙率之间呈极显著正相关关系（P<0.01）,二者间可采用二次函数关系表达。本研究成果可为黄土高原丘陵沟壑区水土保持优化配置提供理论依据。     

山东昌邑国家级海洋生态特别保护区生态环境现状及管护对策研究

山东昌邑国家级海洋生态特别保护区是目前国内唯一以柽柳林生态系统为主要管理和保护对象的国家级海洋保护区。为系统、全面地了解保护区内生态环境和保护物种的变化趋势,文章对山东昌邑国家级海洋生态特别保护区生态环境现状进行了监测与评价,并根据评价结果,分析了保护区保护与管理中存在的问题。研究表明,该保护区生态环境一直处于亚健康状态,为促进保护及管护,提出了加强保护区生态建设,改变保护区开发利用模式;加强能力建设,实现保护区动态监控;协调发展与保护的关系,实现资源可持续利用;大力开展柽柳生态修复,恢复柽柳的资源状况的对策建议。     

绿色海堤的沉积地貌与生态系统动力学原理: 研究综述*

绿色海堤是传统结构工程与海岸生态系统共同组合而成的新型海堤, 用以应对未来海面上升、风暴加剧给低地海岸防护带来的挑战。需解决的问题主要有海岸生态系统消浪过程及生态系统在海堤体系中的配置方式。理论分析、现场观测、物模数模所获结果表明, 海岸生态系统确有显著的消浪功能: 1) 陆架泥区消浪, 其机制以再悬浮和浮泥运动为主, 底部摩擦为次; 2) 潮滩下部的粉砂细砂滩底部摩擦和推移质运动共同造成波能耗散, 而上部的泥滩则以再悬浮和悬沙输运为主; 3) 在盐沼、红树林、海草床等由植被构成的生态系统, 植物通过形态阻力、茎秆运动来阻滞水流、耗散波能, 其效能高于沉积物床面对波能的耗散; 4) 生物礁主要有珊瑚礁和牡蛎礁, 其消能作用主要通过床面摩擦和波浪破碎, 效能较高, 尤其是在风暴期间。生态系统如何成为海堤的有机组成部分, 尤其是侵蚀型海岸的生态位修复和绿色海堤整体设计, 还需进一步研究相关的科学问题: 与硬质工程结合的盐沼-牡蛎礁的适应性生物学; 未来环境变化条件下生态系统的稳定性; 绿色海堤生态系统空间配置及其与风暴事件的时间尺度匹配; 基于均衡剖面理论的海堤形态优化。     

辽宁省海洋生态修复现状、存在的问题及对策建议

随着沿海经济带的开发建设,海洋生态环境承受着巨大压力,湿地、河口、海湾、海岛等重要生态系统面临前所未有的威胁。对海洋生态的保护修复已经迫在眉睫、刻不容缓。文章基于辽宁省海洋资源环境的特征,结合海域开发利用及海洋生态修复现状,探索辽宁省海洋生态修复工作面临的主要问题,并提出生态修复重点及对策建议,截至2017年,累计整治修复岸线长度约140km,整治修复海域面积超过50km~2。辽宁省海洋生态修复工作面临的主要问题有:近岸局部海域水体污染、生态受损;湿地、滩涂面积有缩减趋势;河口生态系统脆弱,生物多样性指数降低;海湾生态功能退化;海岛生态环境失衡。辽宁省应重点开展海湾环境综合治理以及滨海湿地、岸滩、岛礁等整治修复工作。     

海南儋州海域造礁石珊瑚种类组成及动态变化研究

文章通过断面法调查分析了儋州海域海花岛沿岸、南华墟沿岸和磷枪石岛沿岸造礁石珊瑚的种类组成与群落分布,结果表明：儋州海域造礁石珊瑚共有12科25属55种,相较于此前的研究增加了10个种,优势种为斯氏角孔珊瑚、澄黄滨珊瑚、柱角孔珊瑚;活造礁石珊瑚覆盖率急剧下降,由2012年的42.92%下降至现在的22.24%,降幅高至48.18%;造礁石珊瑚死亡率高居不下,长期维持在35%左右;初级群落以团块状造礁石珊瑚为优势种的趋势愈发明显,且单一绝对优势种的情况频繁出现,说明该海域造礁石珊瑚群落受到了较为严重的破坏,导致群落退化演替,分析认为这种破坏是由自然因素和人为活动共同造成的。     

无居民海岛前大连岛的原自然海岸特征

确定自然海岸特征是海岸修复中的重要内容,但是在开发后弃管的无居民海岛却面临缺少历史资料参考的困难。在大连普兰店湾中部前大连岛的研究证明,依据历史影像和现存海岸地质地貌情况可以分析确定原自然海岸位置及性质。1972年KH 卫星影像表明当时的前大连岛仍然保持自然海岸形态,海岸位置在2020年海岸后 方的岛屿陆域内部。结合2020年海岸地质考察结果可以进一步确定1972年的前大连岛东部、西部分布海蚀崖形式的基岩海岸,南部、北部则分布砾石质海岸。1972—2020年,前大连岛自然海岸全部变化为人工海岸,海岸长度也从约2.38 km 增加至约3.12 km。