人地系统的概念表现了人与地在特定的地域中相互联系、相互作用而形成的一种动态结构,面向人地系统动态运行过程的复杂性,亟待构建更有力的指标体系表征地球系统和人类系统相互影响与反馈的过程。空间恢复力可以被理解为以保障人地系统结构稳定为目标的地域空间整体对自然和社会扰动的吸收、复原或转化能力,为人地系统研究中针对性理论模式和可定量化指标体系的塑造提供新途径。本文以从自然维度出发的政策与生态系统空间恢复力、从社会维度出发的环境变化与社区生产生活空间恢复力、从综合描述方式出发的空间恢复力综合指标体系三个角度梳理空间恢复力研究现状,并从结构、功能、阈值三个方面研讨不同地域功能类型下的空间恢复力指标体系,提出认知保障系统可持续性的空间状态、明晰人地系统动态过程的空间阈值、满足生态保护与社会进步国家需求三项内容可以作为人地系统动态研究的重要方向。
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。
由于低空环境复杂,当前以无人机为应用主体的低空空域资源开发安全性和利用效率较低。而随着无人机数量的迅猛发展和商业化应用的快速扩张,旺盛的飞行需求与有限的飞行空间在低空的矛盾日益突出,如何安全、高效地管理无人机低空活动成为突出问题。目前各国都在探索解决途径,其中无人机低空航路是一种由中国科学院率先提出并得到业界和中国民用航空局认可的无人机低空交通和低空资源高效利用的综合解决方案。然而,这一概念还处在探索阶段,如何构建还不太明晰,尤其是对于地表环境复杂和高动态变化的城镇化区域,如何快速获取高精度的地理信息以满足无人机安全、高效飞行也是一大难题。鉴于遥感技术在航路的敏感信息提取与深化处理方面呈现出良好的应用前景,本文提出一种基于遥感和地理信息技术的城镇化区域低空公共航路网的高效迭代构建方法,并从理论支撑和已有研究基础论证了该方法的可行性。该研究技术路径主要包括基于地面路网生成具有多高度层的I级航路网,以充分利用地面交通设施;利用航路正约束地理要素生成II级航路网,如沿路的城市绿地和水域;规避负约束地理要素构建III级航路网,主要包括建筑物、通信盲区和电力线（杆）等;最后,通过仿真飞行和实际飞行测试分别生成IV、V级航路网,通过实际量测对比分析来检验无人机飞行的环境地图,保证飞行的安全性。以上方法基于遥感、地理信息、航空、交通等交叉学科解决无人机低空运行难题,为构建无人机低空航路网提供了一种新思路。更进一步讲,本文在低空领域运用地理学方法构建无人机航路网,是继无人机遥感应用之后无人机在地理学应用的又一大突破,同时也拓展了地理学的研究范畴,必将推动地理科学发展。
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。
黄土高原是退耕还林工程的核心区域,是中国生态恢复成效最显著的区域。明确黄土高原植被恢复对生态系统服务的影响,识别植被影响的阈值效应,是学术研究和管理实践共同的需求。然而,目前相关研究仍存在研究空缺,特别是在区域尺度对生态系统服务随植被变化阈值进行识别的研究较少。本文选择植被覆盖度（FVC）为指标表征2000—2015年黄土高原植被恢复情况,以土壤保持服务、产水服务和碳固定服务为指标表征研究区生态系统服务情况,对二者的时空变化及交互作用进行分析,评估植被覆盖变化对生态系统服务的影响,并对影响的阈值进行定量识别。结果显示：① 2000—2015年黄土高原植被显著恢复;生态系统服务变化差异明显,碳固定服务明显增强,土壤保持服务得到一定改善,产水服务较为稳定。② 植被覆盖变化与生态系统服务变化的相关程度存在差异,植被覆盖与碳固定服务的关联性最强,其次为土壤保持服务。③ 植被覆盖增加能够促进区域生态系统服务总体提升,但促进作用存在阈值效应。植被覆盖影响的阈值在林地区、林地—草地区、草地区和草地—沙漠区分别为44%、32%、34%和34%,超过上述阈值,植被覆盖增加的促进作用趋于减弱。
基于中国603个气象站的地表气温和降水观测资料以及GIMMS NDVI3g数据,采用变化趋势分析和多元回归残差分析等方法研究了1982—2015年中国植被NDVI变化特征及其主要驱动因素（即气候变化和人类活动）的相应贡献。结果表明：① 1982—2015年中国植被恢复明显,在选择的32个省级行政区中,山西、陕西和重庆的生长季NDVI增加最快,仅上海生长季NDVI呈减小趋势。② 气候变化和人类活动的共同作用是中国植被NDVI呈现整体快速增加和巨大空间差异的主要原因,其中气候变化对各省生长季NDVI变化的影响在-0.01×10 -3~1.05×10 -3 a -1之间,而人类活动的影响在-0.32×10 -3~1.77×10 -3 a -1之间。③ 气候变化和人类活动分别对中国近34年来植被NDVI的增加贡献了40%和60%;人类活动贡献率超过80%的区域主要集中在黄土高原中部、华北平原以及中国东北和西南等地;人类活动贡献率大于50%的省份有22个,其中贡献率最大的3个地区为上海、黑龙江和云南。研究结果建议应更加重视人类活动在植被恢复中的作用。
森林生态系统服务权衡与协同研究已成为当前相关学科的研究热点和前沿,对服务权衡与协同关系的多尺度分析有助于更加有效地实施森林资源管理。综合森林类型图、NDVI、气象和土壤等多源数据,借助CASA模型、InVEST 3.2模型和ArcGIS 10.2软件,开展伏牛山地区森林生态系统服务评估,运用空间叠置方法从多个空间尺度（区域、南北坡、垂直带）探讨服务权衡与协同效应。结果表明：① 研究区森林生态系统平均蓄积量为49.26 m 3/hm 2,碳密度为156.94 t/hm 2,供水深度为494.46 mm,土壤保持量为955.4 t/hm 2,生境质量指数为0.79。② 区域尺度上,28.79%的森林服务之间存在高协同效应,10.15%的森林存在低协同效应,61.06%的森林存在强权衡和弱权衡效应。③ 南北坡尺度上,南坡服务之间的协同关系优于北坡。垂直带尺度上,南坡中山落叶阔叶林带（SIII）服务之间协同关系最好,北坡低山落叶阔叶林带（NI）协同关系最差。
基于72个气象站点1970—2017年逐日降水和气温数据,面向极端降水过程,对秦岭南北4种极端降水类型（偏前型、偏后型、均衡型和单日型）时空变化特征进行分析,进而探讨不同分区、不同类型极端降水与区域增温的响应关系。结果表明：① 从长期气候角度分析,秦岭南北降水格局稳定,3个分区降水变化空间响应具有一致性,共同表现出“降水以波动为主,降水量近期增加,降水日数下降,整体呈现极端化”的特征;② 在极端降水主导类型上,以累计降水量为判断标准,秦岭以北为均衡型主导,兼有偏后型;秦岭南坡类型组合关系较弱,为单一均衡型,汉江谷地西侧为“均衡型+偏后型”,东侧为“均衡型+偏前型”组合;以累积降水频次为判断标准,秦岭南北主导类型为偏前型,其次是偏后型,汉江谷地“偏前型+偏后型”组合形态更突出;③ 秦岭南北极端降水与区域变暖关系密切。当气温升高时,持续性极端降水呈下降趋势,单日型极端降水呈增加趋势。其中,秦岭以北偏前型和均衡型极端降水在下降,秦岭南坡响应密切的为偏后型,汉江谷地为均衡型和偏后型;④ 面向极端降水事件过程,将极端降水事件细化,可有效验证极端降水对气候变暖响应的结论,对未来研究方法完善和研究思路设计具有启示性。
喀斯特关键带是碳循环在岩石圈、大气圈、水圈和生物圈的主要综合作用区域,各层相互作用形成不同的反应体系,其中,CO2扮演了十分重要的作用。通过对双河洞洞穴上覆土壤及洞穴水及空气CO2浓度的监测,采用数理统计分析方法,根据碳酸平衡系统理论对CO2的垂直向转化特征进行系统分析。结果表明：CO2的垂直向转化过程受洞穴内外部气温变化、滴水pH及脱气沉积过程的影响,其供给来源、离子饱和状况在雨季和旱季存在明显差异;雨季时,大气降水在土壤中下渗速度较快,构成一个相对稳定的封闭环境,土壤、表层喀斯特带对渗透水CO2补充作用较弱,渗透水中CO2分压（即PCO2）变化范围在0.035~0.126 vol%,洞内水—气CO2分压（△lg PCO2 > 0）,洞穴水具有溶蚀性,此时表层喀斯特带下部中的CO2应为洞穴水CO2的主要来源;旱季时,由于降水量较小,渗透水有充分时间接受土壤与表层喀斯特带CO2补充,构成开放系统,渗透水变化范围为0.038 vol%~0.095 vol%,更有利于发生先期沉积过程（PCP）,此时洞内空气PCO2小于洞穴水（△lg PCO2 < 0）,促使滴水在洞内再次发生沉积、形成沉积物,此时土壤和表层喀斯特带均为洞穴水CO2的主要来源。
遵循“以人文本”的绿色发展理念,综合考虑水资源利用的经济、社会及环境效益,运用地理加权回归模型,综合选取自然、社会经济、环境、科技四大因素共19个指标,测度2000—2016年中国水资源绿色效率,并对其驱动机理进行探究。结果表明：中国水资源绿色效率存在着显著的空间正相关性和空间分布不均衡性;各因素对水资源绿色效率的影响存在着空间差异,且随着时间而变化;总体来看,产业结构、工农业发展水平、交通基础设施建设、环保投入和科技转化率等因素对中国水资源绿色效率的提高具有显著影响,人均水资源量、人口规模和污染物排放等因素的增加则限制了水资源绿色效率的提高;就其空间差异而言,水资源禀赋、人口规模等因素对西部地区水资源绿色效率的促进作用大于东部,而产业结构、用水结构、交通基础设施建设等因素对水资源绿色效率的影响程度东部大于西部。研究结果对于解决中国水资源短缺问题,因地制宜地制定适合各地区发展的水资源政策,具有重要的实际意义。
跨界流域水资源利用系统因受气候变化、人口增长、政治博弈、生态反馈等许多因素的互馈影响,包含复杂的“水—能源—食物—生态”纽带因果关系,形成具有高度不确定性的复杂非线性系统。传统水资源规划方法中缺少对这种复杂纽带关系的约束,而目前研究这类纽带关系多基于耦合多个模型、集成建模的方法,数据需求大、对复杂因果关系的不确定性模拟能力不足。而贝叶斯网络能以概率分布代替参数确定值来模拟系统中因果关系的不确定性、同时减少数据需求。本文利用贝叶斯概率网络,选取锡尔河流域为研究对象,量化这一因不合理用水而导致咸海生态危机的跨界内陆河流域“水—能源—食物—生态”纽带中的因果关系。结果表明贝叶斯网络能有效地模拟纽带中因果关系的强弱与不确定性,分析1970—2015年间不同时期影响咸海入湖水量的主要因素。为用水预测与流域水资源利用管理提供了系统性认知的基础,并展现出在较低模型复杂度和成本下建模的潜力。苏联时期,咸海入湖水量对农业开发增长的灌溉用水、上游水库建设的蓄水过程和径流量等较敏感;苏联解体后,咸海入湖水量对下游国家不合理使用的灌溉用水及上游水库蓄水量等节点高度敏感。短期内,需提高洗盐与灌溉用水效率,改良种植结构、增加粮食作物占比,并预防干旱危害;长期而言,通过普及先进滴灌技术,能大幅节约农业用水,在50%和80%的滴灌普及率下,新增咸海入湖水量将达到6.4 km 3和9.6 km 3以上,有望逐步缓解咸海生态危机。
中国目前在珊瑚礁上建设人工岛的目标是建成生态宜居岛屿,人工岛地下海水在降雨入渗驱替作用下逐渐淡化,形成的淡水透镜体是支撑岛屿生态系统的重要水源。本文针对南海珊瑚礁普遍存在的上土下岩的二元地质结构,考虑不同测量方法得到的南海人工岛填筑所用珊瑚砂渗透系数存在较大差异,建立了珊瑚礁人工岛淡水驱替海水形成淡水透镜体的动态模拟模型,对南海某珊瑚礁人工岛开展了系列数值模拟研究。结果表明,人工岛礁二元地质结构不同的渗透性对人工岛淡水开始形成时间无明显影响,填岛完成2年左右的时间可观测到淡水,估计（或理论计算）在10~20年内可形成相对稳定的淡水透镜体;在人工岛面积达到一定规模的前提下,全新世珊瑚砂沉积物渗透性是控制人工岛礁淡水透镜体的主要因素,能够形成的淡水透镜体体积随渗透系数增大而呈对数减小,并且淡水透镜体体积随全新世沉积物渗透性增大而减小的速率较淡水透镜体厚度更加显著;淡水透镜体越过不整合面进入更新世礁灰岩后,由于含水层渗透系数突然增大,淡水透镜体向水平方向扩展,在礁灰岩顶界形成“髭”状淡水体。
为解决森林分布不连续流域森林水源涵养功能及其多时间尺度特征的定量评价问题,根据分布式水文模型（SWAT）的特点,提出了反映森林斑块空间分布的水文响应单元划分方法,以及基于水量平衡法的森林不连续分布流域森林水源涵养量计算公式。以东南沿海的晋江流域为例,构建了2006年土地利用条件下的日时间步长SWAT模型,统计分析了2002—2010年降水条件下森林水源涵养量的时空变化规律。结果表明：① 构建的晋江流域SWAT模型精度较高,面积阈值为零生成的水文响应单元比较准确地反映流域森林斑块分布,提出的森林水源涵养量计算公式适用于森林空间分布不连续流域森林水源涵养量的多时间尺度分析,为流域森林水源涵养功能评价提供了一个新的方法。② 晋江流域森林水源年涵养量271.41~565.25 mm;月涵养量-29.15~154.59 mm;日尺度的极端降水期皆为正值,极端枯水期都为负值。表明年际之间不存在森林水源涵养的蓄丰补枯调节作用,但在年内的部分月份得到体现,而日尺度的森林蓄丰补枯功能充分发挥。从而揭示了不同时间尺度森林水源涵养量及其蓄丰补枯功能的差异。
累积现象普遍存在于河流过程中,准确考虑前期水沙条件的累积影响对冲积河流河床演变规律的研究至关重要。为揭示累积现象的物理实质,本文对国内外多条典型冲积河流上枢纽修建后其上下游河道冲淤实测资料进行了分析。定义水沙条件变化为外部扰动,并假定其发生概率符合泊松分布及单个扰动引发的系统反馈强度随时间呈指数衰减。本文运用统计力学中的随机理论给出了冲积河流外部扰动诱发的内部反馈随时间的累积过程及其时空间演进的数学描述和理论模型,并将其应用于枢纽修建后其上下游河道形态时空调整过程的模拟。结果发现,从时间上看,断面垂向、横向及全河段的冲淤调整速率早期较快,之后迅速减缓,河床累积冲刷深度、河宽及河段累积淤积量随时间不断增大直至平衡,表现出典型的累积特性;从空间上看,坝下河段冲刷强度沿程非线性衰减直至消失,这种空间分布上的不平衡是外部扰动引发的系统反馈在空间传播的同时随时间衰减的综合结果,是河流过程累积特性的另一外在表现。模型应用结果表明,河道垂向、横向、纵向及全河段的时空冲淤调整过程均可用归一化公式来描述,计算值与实测值符合较好,相关系数R 2达0.92、0.93、0.76和0.95。本文模型同时考虑了河流过程的累积特性和系统反馈的空间传播特性,可为定量描述扰动后非平衡态河道的时空调整过程提供理论依据和新的计算方法。
金沙江水系演化与河谷发育问题长期以来是地质地貌学界关注的重大问题,目前仍存在较大争议。河流阶地及其相关沉积是河谷发育过程的产物,可以提供河谷发育的时代与形式等诸多信息。金沙江在巧家—蒙姑段河谷中,葫芦口附近发育和保存了8级基座阶地,结合光释光和电子自旋共振测年方法,依据古气候资料,推断T6~T1的下切时间分别对应于深海氧同位素（MIS）的36/35、34/33、24/23、20/19、14/13和4/3阶段,即气候由冷至暖的转型期。青岗坝附近则发育了5级由堰塞湖相沉积组成的堆积型阶地,指示了中更新世以来该段河谷在下切过程中经历了频繁的滑坡堵江堰塞,发育形式以“下切—滑坡—堰塞—堆积—下切”过程为主。此外,河流的平均下切速率自0.82 Ma以来由此前的0.56 mm/a下降至0.19 mm/a,表明中更新世以来频繁发生的堵江堰塞事件严重抑制了该段河谷的下切作用。综合流域内河流阶地序列及相关沉积的研究,金沙江下游段现代河谷的形成时代不晚于早更新世。
