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。     

非平稳标准化降水蒸散指数构建及中国未来干旱时空格局

旱灾是一种致灾因子与成害机理均非常复杂的自然灾害,也是目前对其检测与风险防御最为困难的自然灾害种类之一。随着全球气候变化,干旱的变化逐渐趋于非平稳化,水文气象序列的非平稳性已有广泛研究,但在干旱检测指标中却鲜有考虑。基于标准化降水蒸散指数（SPEI）和非平稳性理论,构建非平稳性标准化降水蒸散指数（NSPEI）并进行适用性评价,利用NSPEI评估未来不同排放情景下中国气象干旱时空格局演变规律。结果表明：① 非平稳性站点集中在东北平原、黄淮海平原、长三角地区、青藏高原及周边区域,NSPEI拟合最优的站点占中国气象站点的88%（2177个站点）。② SPEI对温度较为敏感,在评估未来干旱变化时会高估干旱强度和持续时间性,而NSPEI能够克服这一弱点,较SPEI可更好的检测中国气象干旱,且能很好的刻画中国未来干旱变化。③ 低、高排放情景下中国北方干旱加剧,南方呈湿润化趋势;中排放情景下中国北方湿润化趋势明显,而中国南方则呈干旱化。基于NSPEI干旱检测结果,中高排放情景下中国未来极端干湿历时与发生频率均呈增加趋势。     

近30 a甘肃省河东地区极端气温指数时空变化特征及趋势预测

基于甘肃省河东地区61个气象站点1988—2017年逐日气温数据,利用Mann-Kendall检验,Sen’s斜率估计方法分析甘肃省河东地区极端气温指数的时空变化趋势,并探讨极端气温指数与其影响因素之间的关系,最后利用NAR神经网络结合Hurst指数对甘肃省河东地区极端气温指数变化进行预测分析。结果表明：(1)从时间上看,冷极值相对指数呈下降趋势,冷极值绝对指数、暖极值以及气温日较差、作物生长期呈上升趋势。(2)从空间上看,对冷极值变化反应最为敏感的是高寒湿润区,对暖极值变化反应最为敏感的是温带半湿润区和北亚热带湿润区,除北亚热带湿润区外各区域作物生长期的变化都达到了显著水平,而气温日较差仅在温带半湿润区达到了显著水平。(3)多数极端气温指数与经纬度、海拔之间有显著相关性,但受区域自然特点影响,经度与海拔对其影响实为一类。(4)亚洲区极涡强度、北半球极涡强度以及青藏高原指数B与极端气温指数变化有密切关系,而太阳黑子等只与个别指数之间存在显著的相关性。(5)预测出的极端气温指数冷极值相对指数仍呈现下降趋势,冷极值的绝对指数、暖极值以及气温日较差、作物生长期仍然呈现增加趋势,但大多数指数与1988—2017年相比变化幅度有所降低。（6）与其他区域相比甘肃省河东地区大多数气温指数变化幅度处于中间水平,表现出其为多种不同气候区、自然区交界地带的特色。     

兰州盆地新石器时期遗址分布与地形的关系研究

研究遗址和地形等环境要素的关系有助于理解人地关系的作用机制。基于GIS空间分析和二元逻辑斯蒂模型分析了兰州盆地新石器时期马家窑和齐家文化遗址空间分布的特征、变化规律及影响因素,定量研究了地形等环境要素与遗址分布的关系。结果表明：新石器时期的马家窑文化、半山文化、马厂文化和齐家文化遗址均沿黄河分布,主要集中于河流阶地上坡度较小的区域。距河流的水平最近距离为318.6~17 721.7 m。新石器遗址特别是马厂遗址的空间集聚性明显。从马家窑类型、半山类型,发展到马厂类型,单一型遗址的占比逐渐由53.3%增多至92.6%。马厂类型的分布中心距离黄河最近。地形等环境要素显著影响遗址的空间分布,遗址出现概率主要受坡度、坡向和距黄河最近距离的影响,模型的解释程度可达65.0%。引入历史时期和现代聚落进行比较,历史时期聚落分布受到高程和坡度的影响,而现代聚落的分布主要受到高程、坡度和距河流距离的影响。聚落分布和影响因素的演变可能受到社会生产力发展的影响。     

“一带一路”沿线国家石油资源流动类型演变

综合运用石油自给率、流动比率等方法,以“一带一路”沿线国家为研究对象,对1995—2014年各国石油资源流动类型时空演变进行研究。结果表明：1）1995—2014年石油净补给型国家数量较为稳定,无产型或低产型国家的石油贸易倾向变化相对较小;基本自给型国家数量占比最大,1995年占比1/2,其余四个年份占比稳定在1/3;净支出型国家数量显著增加,至2014年其中有5个国家保持不变,表明这些国家的石油产量具有较大的优势。2）1995年和2014年汇地国家均为39个国家,其中有34个国家一直保持汇地职能,空间分布上呈东多西少,南多北少,东西分化以西亚、中亚、东欧为界;有14个国家一直保持源地职能,其空间分布格局与汇地相应,西多东少,南多北少,主要分布于西亚、东欧及中亚;交流地数量较少,呈分散分布,且分布地不稳定。3）从数量变化来看,研究期内汇地略有增加,源地略有减少,交流地略有增加;“一带一路”源地总出口量与汇地总进口量的比呈逐年降低趋势。     

社区生活圈的新时间地理学研究框架

社区生活圈从居民日常活动及行为视角考察城市社区,是城市地理学和城市相关学科的研究前沿,也是中国国土空间规划体系创新的重要组成部分,以及中国城市社会可持续发展的重要抓手。伴随着流动性和信息化的不断深入,社区生活圈的主体日益多元化、社区活动和居民时空行为日益多样化、社区空间的功能与意义日益丰富化,亟需城市地理学的研究创新与实践引导。时间地理学是理解人与环境关系的社会—技术—生态综合方法,为早期基于时空行为与生活空间的社区生活圈研究提供了重要基础。新时间地理学重视家庭及其他组织企划的交互与时空组合,可为社区生活圈内个体—家庭—社区之间的复杂互动关系研究、时空行为的社会文化制约与多情境分析及模拟提供重要支撑。论文基于新时间地理学方法,从理论、方法和实证3个维度提出社区生活圈的新时间地理学研究框架,具体包括构建社区生活圈的时空行为理论,揭示社区生活圈的时空间结构;创新社区生活圈的时空行为分析和模拟方法;从社区生活圈时空行为优化、社区交往生活圈、社区安全生活圈等方面创新中国城市规划与管理等研究内容。     

山地旅游小镇功能转型与重构的时空特征研究——-以黄山风景区汤口镇为例

山地旅游小镇是新时代乡村发展的重要类型,功能转型与空间重构是山地旅游小镇转型发展的核心内容之一。本研究采取参与式农村评估方法、GIS空间分析和高清遥感影像相结合的方法,以汤口镇为例,从微观尺度研究山区旅游乡村功能转型与空间重构的过程与格局。研究显示:(1)汤口镇生活功能由传统型向现代型转变,生产功能由农业主导型过渡到农旅融合型再向旅游主导型转变,生态功能由单一型向多元复合型转变。(2)旅游经济发达镇区相较于边缘乡村社区,旅居综合混质度较低。其中,旅游与居住时间分配相对均衡,宅屋空间倾斜于旅游,社群上融合度高,各区域间各混质维度存在差异。(3)汤口镇经历了旅游空间引入、生成、快速重构和导控更新4个重构阶段。该研究可为汤口镇村镇建设和旅游发展提供参考,也为下一步研究其转型发展的模式与机制奠定基础。     

利用水准数据的天津市地面沉降时空特征分析

地面不均匀沉降可能对城市的发展与人民的安全造成危害,天津市的地面沉降情况尤为严重。针对该问题,本文收集天津市2005—2012年、2016—2017年水准观测数据,以固定水准点位的沉降量、沉降速率、沉降加速率为状态向量,构建卡尔曼滤波模型,对天津市历年的水准观测数据进行滤波;根据滤波后的结果,本文利用多项式加权内插的方法,以距离、沉降速率、沉降加速率信息确定权值大小,对地面沉降情况进行内插;并以中误差作为精度评定参数,比较多种内插方法的精度。通过对内插结果的试验分析发现,2005—2017年天津市地面累计平均沉降量为394.477 5 mm,最大沉降量为1 143.5 mm;主要沉降区域为北辰、大港、塘沽等地区,且随着时间的增长,这些区域呈现漏斗式下沉。试验证明本文结合卡尔曼滤波与多项式加权内插的方式能够较好地反映地面沉降的时空特征分布情况并对未来一段时间的沉降情况进行预测,对天津市的城市发展及建设有一定的参考意义。     

成渝城市群城市建设用地扩张格局及规模体系分析

基于1990—2018年六期城市建设用地监测数据,本文利用城市用地年面积增长率指数、公共边测度、核密度估计、位序-规模法则等方法,刻画成渝城市群扩张演化特征及其发展规律,并对城市群规模体系进行分析。结果表明：成渝城市群城市建设用地扩张呈先快后慢的趋势,空间上呈“中部高速,南北低速”的特点,建设用地扩张密度高值主要集中在成都、重庆二市且城市群内部连片发展不明显。城市群新增城市用地呈现无序蔓延态势,并未趋于紧凑。2000—2010年,成渝城市群规模分布极化,呈现明显的双核首位特征,2010年后规模分布由非均衡趋于均衡。