相对于无人机技术及其应用的快速发展,承载无人机作业的低空空域资源的相关研究却相对滞后。本文从地理学的视角,对面向无人机应用的低空空域资源研究的相关关键问题进行了阐述。首先,从理论层面对低空空域的自然属性、社会属性和经济属性进行了界定,在国家自然资源开发利用体系中应加大关注;其次,分析了低空空域资源无人机应用的现状,对制约面向无人机应用的低空空域资源自然、社会两大方面的限制因素进行了归类分析,指出地理学的介入将加快其开发利用进程;最后,构建了由3大类9小类指标构成的低空空域资源量测度指标,提出了“资源非冲突、安全保障、效益优先、兼顾公平”的低空空域资源量测度4大基本原则,并由此形成了以国土范围（S）、真高（H）和时间（t）为基本三要素的低空空域资源量测度方法理论模型框架。从地理学的角度对低空空域资源研究进行的探索和思考,将在一定程度上促进地理学和航空学的交叉融合。
针对高分卫星遥感共性产品真实性检验对无人机数据的需求,本文以已有野外台站为依托,开展无人机空港布局研究。首先,综合考虑影响卫星产品空间变异的因素,构建了地理背景覆盖率的物理模型;其次,基于地理背景覆盖率改进覆盖模型提出最大地理背景覆盖模型,并利用简单随机抽样中的样本容量确定方法确定合理的空港数量,分别利用本文提出的最大地理背景覆盖模型和已有最大面积覆盖模型进行空港布局的研究;最后,对两种模型下的空港布局结果进行对比,并利用MODIS EVI数据产品对布局结果进行验证。结果表明,在空港数有限的条件下（n = 60）,最大面积覆盖模型选择的空港,其服务范围内的地理背景覆盖率为26.66%,能代表70.37%的中国陆地区域,而最大地理背景覆盖模型选择的空港,其服务范围内的地理背景覆盖率为38.32%,能代表73.36%的中国陆地区域。最大地理背景覆盖模型比最大面积覆盖模型能获得更优的空港布局结果,可用于支撑中国区域面向高分卫星遥感共性产品真实性检验的无人机观测网络建设。
粮食安全关乎人类生存和社会发展,是总体国家安全观的重要组成部分。本文首先梳理了作物产量影响因素及干旱对作物产量的影响过程,进而从基于田间控制实验、统计模型、作物生长机理模型以及遥感反演模型等4个方面系统回顾了干旱对全球主要作物产量影响评估的最新进展,揭示出当前研究呈现出由单灾种向多灾种、由单目标向多目标、由统计模型向综合模型转变的特征。文献计量分析表明,1990—2020年干旱对作物产量影响研究发文量呈指数增长,且研究主题经历了由传统的作物水分胁迫到作物受旱影响与适应综合研究的转变过程,体现出研究视角的不断深化和综合。在学科分布上,农学、植物学和环境科学是研究干旱对作物产量影响的主要学科,建议应加强地理学多要素多尺度的系统性思维在粮食和水资源耦合系统研究中的应用。最后,在分析现有问题和挑战的基础上,将未来应关注的重要议题归纳为以下4个方面,即构建干旱对作物产量影响的多源信息数据库、阐明干旱对作物产量影响的关键过程及机理、发展耦合宏观与微观过程作物生长机理模型和搭建作物产量与粮食安全综合监测平台系统,旨在通过提高干旱对作物产量影响的监测预警和科学管控,实现农业可持续发展和全球粮食安全。
表碛覆盖型冰川是中国西部较为常见的冰川类型。表碛层存在于大气—冰川冰界面,强烈影响大气圈与冰冻圈之间的热交换。表碛厚度的空间异质性可极大地改变冰川的消融率和物质平衡过程,进而影响冰川径流过程和下游水资源。基于Landsat TM/TIRS数据,运用能量平衡方程反演了贡嘎山地区冰川表碛厚度,研究了贡嘎山地区冰川在1990—2019年间表碛覆盖范围及厚度变化情况,同时对比了东西坡差异。结果表明：① 贡嘎山地区冰川表碛扩张总面积达43.824 km2。其中,海螺沟冰川扩张2.606 km2、磨子沟冰川1.959 km2、燕子沟冰川1.243 km2、大贡巴冰川0.896 km2、小贡巴冰川0.509 km2、南门关沟冰川2.264 km2,年均扩张率分别为3.2%、11.1%、1.5%、0.9%、1.0%和6.5%;② 海螺沟冰川、磨子沟冰川、燕子沟冰川、大贡巴冰川、小贡巴冰川、南门关沟冰川表碛平均增厚分别为5.2 cm、3.1 cm、3.7 cm、6.8 cm、7.3 cm和13.1 cm;③ 西坡冰川表碛覆盖度高,表碛覆盖年均扩张率低,冰川末端退缩量小;东坡冰川表碛覆盖年均扩张率高,但表碛覆盖度总体低于西坡,冰川末端退缩量大。
1981—2019年全球气温变化特征是揭示全球气温变化的空间差异性以及实现全球共同应对气候变化的关键。本文基于7套再分析数据,采用气候变化速率及空间插值等分析方法,分析了1981—2019年全球气温变化时空特征及主要国家气温变化。结果表明：1981—2019年全球陆地气温以0.320 ℃/10a的速率呈极显著升高趋势,年平均气温增加了0.835 ℃;南、北半球陆地气温变化速率分别为0.147 ℃/10a、0.362 ℃/10a,均呈极显著增加趋势,分别增加了0.874 ℃、0.828 ℃。全球陆地80%面积上气温呈现显著增加趋势,年平均气温升高速率最大的区域位于80°N~90°N,其次是70°N~80°N、60°N~70°N,高纬大于中、低纬,格陵兰地区、乌克兰、俄罗斯等中高纬度国家或地区增温速率较快,尤以格陵兰地区增加速率最快,气温变化速率为0.654 ℃/10a;增温最慢的地区主要位于新西兰和赤道附近的南美洲、东南亚、非洲南部等地,气温变化速率不足0.15 ℃/10a。本文统计的146个国家中,年平均气温呈显著增加趋势的国家136个,占93%;气温无显著变化的国家10个,占6.849%。1981—2019年全球增温2.0 ℃以上、1.5 ℃以上、1.0 ℃以上的国家分别为4个、34个、68个,分别约占统计国家的2.740%、23.288%、46.575%。本文认为1998年以来全球并没有出现气温变暖停滞的现象。
湖泊水位高低通常能有效地指示湖盆内湿润条件的变化,进而反映区域有效降水（降水—蒸发）变化,成为重建第四纪古气候演变的重要指标之一。通过对苏联和蒙古国古湖泊数据库以及中国晚第四纪古湖泊数据库中149个湖泊水位变化资料的梳理总结,探讨了末次盛冰期（18 cal. ka BP）以来该地区干湿变化规律及区域分异。根据研究区气候特征、地理位置及已有研究成果将其分为东欧湖泊区、中东亚干旱区和中国北方季风区三大湖区。根据不同水位记录在整个湖泊历史中出现的频率,采用3级重新分类区分出高、中、低3级水量,并把每个湖泊数字化的3级古水量表示成与现代的差值,得到每个湖泊样点每千年时间间隔内相对现代的5级水量变化（很湿润、湿润、无变化、干旱和很干旱）。结果表明,三大湖区末次盛冰期以来可能经历了不同的干湿变化过程：东欧地区湖泊水量记录在晚冰期之前较少,至全新世逐渐增多,且基本表现为早全新世干旱、中晚全新世相对湿润的状况。中东亚干旱区整体呈现出末次盛冰期至中全新世均较湿润而晚全新世干旱的气候状况,但区域内部不同湖泊在起讫时间和强度上存在显著差异。中国北方季风区的湿润期主要发生在早中全新世,但是不同湖泊有所不同。对比分析显示,早全新世时东欧地区东部气候随着斯堪的那维亚冰流的逐渐消退而逐渐变湿润,中全新世由于夏季北欧反气旋东翼的气旋气流增强而达到最湿润状态,西部地区早全新世由于强劲的西伯利亚热高压存在而整体偏干旱,中全新世由于夏季亚洲季风的渗透而转为湿润。中东亚干旱区冰期内的湿润条件可能主要与西风带降水及低温低蒸发有关,而全新世则可能主要与夏季风深入内陆导致降水增加有关。中国北方季风区全新世湿度变化可能主要受东亚季风控制。
在水利工程建设及其人为调度的影响下,平原河网水系连通程度发生了巨大变化。为此,针对平原河网区水文连通难以模拟的问题,在现有水系结构连通的基础上,将水利工程的运行纳入水文连通的评价体系,提出一种适用于平原河网区水利工程调控下的水文连通评价指数（SLCI）。该指数从水闸通过概率、水流分流能力及河网连通程度,从点—线—面分尺度逐步评价不同调度规则下汛期与非汛期水文连通的动态变化。并且,该指数以格网为评价单元,结合反映地理要素空间集聚性的Getis-Ord Gi*指数,相比行政单元、水利片区等大尺度评价单元,能够更精细地描述水文连通空间上的分异性。太湖流域武澄锡虞区是一个典型的平原河网区,本指数在该区域进行了应用,得到以下结果：受到水闸调控的作用,武澄锡虞区非汛期时平均水文连通指数为0.66,汛期时平均水文连通指数则为0.50。另外,非汛期时水文连通集聚空间范围比汛期时高5%。其中,非汛期与汛期连通高值区SLCI值分别为0.93与0.87,低值区SLCI值分别为0.25与0.16。本文提出的水文连通评价指数可为有关部门开展长三角地区水系建设工作提供理论支撑,也为开展人为调控下平原河网区水文连通评价提供新思路。
高分辨率地形与影像数据的缺乏已成为研究地表现象、特征与过程的重要瓶颈。低成本无人机设备和摄影测量技术的发展,打开了地学领域获取高分辨率数据的大门,大大提高了地质灾害野外调查与灾害编目的精度与效率。本文通过无人机野外调查和遥感室内目视解译,构建了一个包含307个黄土滑坡属性的数据库。在此基础上,通过数字地形分析和数理统计等方法,总结归纳了黄土滑坡样本数据的分布规律,探讨了地形对黄土滑坡分布的影响,阐述了地形相对高差对最长滑动距离、滑坡周长、滑坡面积的影响,提出了基于传统经验公式拟合的滑坡规模快速预测公式。结果表明：① 滑坡规模—频率分布具有明显的规律性,不同最大长度、最大宽度和周长的黄土滑坡数量分布均呈现正偏态分布,而不同面积的滑坡数量分布则服从幂函数分布;② 地形对黄土滑坡发育控制作用明显,不同地形高差、平均坡度、坡形的斜坡单元滑坡发育数量差异较大;③ 地形相对高差与滑坡的最长滑距、周长和面积的拟合曲线很好地符合幂律分布规律,但不同地形区的拟合效果有所差异,黄土丘陵区拟合效果最好,黄土高原全区次之,黄土台塬区最差;④ 本文建立的黄土滑坡规模快速预测模型,为黄土滑坡灾害调查提供了经验公式支撑。
北半球中纬度地区的沙丘地貌变化和粉尘活动历史是探索全球环境变化与景观响应问题的良好档案。本文从风沙地貌学、粒度沉积学、地球化学和气候学等方面综合分析了中纬度典型荒漠区河西走廊的典型沙丘动态变化、物质来源、粉尘活动历史及其影响因素等。结果表明,20世纪60年代以来研究区典型新月形沙丘和新月形沙丘链等发生了较大的移动或摆动,平均移动速度介于0.8~6.2 m/a之间。沙丘的动态变化主要受年降水量、年平均风速和年大风日数的影响,表明气候是沙丘地貌变化的首要影响因素。沙丘沙（三段式）与戈壁沉积物的两段式粒度曲线模式明显不同,揭示了后者在沉积学上的“不成熟性”而前者经历了高效的风成分异作用且非局地起源。古地理、沉积学和地球化学综合证据揭示沙丘沙的母源物质主要是冲洪积物和古河流沉积物等,包括南北山麓剥蚀带的碎屑沉积等。地表细颗粒物质的比例、表层盐结皮的覆盖率和可蚀性砂质物质含量等指标指示了西部戈壁区不是中东部风尘的主要来源区。沙丘移动方向与区域性主导风向在空间分布上具有相似性,表明河西走廊东、西部间之间在沙丘地貌动态演化上的差异应受控于区域尺度的环流风系,即受控于动力机制而不是物质来源上的差异。区域气候的暖湿化是对全球增温和亚洲夏季风增强的同步响应,也是研究区沙尘暴减少的主要原因,同期河西走廊潜在的逆沙漠化过程亦受控于气候变化;但绿洲区沙漠化过程还是起因于人类活动影响的地下水波动。
土地利用/覆盖变化（LUCC）是地表综合集成研究的一个学科基础和前沿领域。本文利用定性与定量相结合的方法对1990—2018年的LUCC研究进展进行了系统综述。在回顾LUCC研究历程的基础上,结合文献分析,详细总结了不同LUCC研究阶段的基本特征和主要进展。进而阐述了当前LUCC研究面临的主要挑战,提出了未来LUCC研究的主要发展方向。1990年以来LUCC研究关注度不断提升,相关英文论文发文量和引文量呈指数增长趋势。LUCC研究正从1990—2004年间的过程研究阶段和2005—2013年间的影响研究阶段迈向2014年以后的可持续性研究阶段。当前LUCC研究正面临着如何借鉴可持续科学框架、整合新兴技术和支撑国土空间规划等挑战。未来LUCC研究需要与景观可持续科学和地理设计紧密结合,积极面向国土空间规划主战场,为建设美丽中国和落实联合国可持续发展目标服务。
山区农业景观格局动态分析有利于厘清农业景观发展的动态轨迹与方向,对农地用途的合理规划和管理有重要意义。本文提出了山区农业景观格局转型理论框架,并在三峡库区草堂溪流域进行了实证研究,从整体—微观的角度解析2000—2018年期间,以坡耕地、撂荒地和果园为代表的农业景观格局转型特征。研究发现：① 果园沿河谷的扩张和撂荒地在较高海拔处的扩张明显压缩了坡耕地的空间,这导致区域景观多样性的整体增强,而在局部地形上的差异明显,斑块破碎但聚集度增强;② 研究区农户耕种范围内的农业景观格局转型主要表现为耕—果转换型、综合型、部分撂荒型和撂荒型4种模式,各模式揭示了山区农业景观格局的不同发展阶段;③ 在以社会经济因素为主的驱动下,三峡库区山区的农业景观格局转型具有双向性,表现为以传统均衡分布的纯粮种植景观向河谷生态经济双赢的经果林景观和较高海拔的撂荒地转变。研究结果揭示了近年来中国山区农业景观格局演变的独特性,对库区山区农村土地利用和农业生态系统的深入认识以及库区乡村发展和生态环境的改善均有启示意义。
土壤冻融交替是陆地表层极其重要的物理过程,土壤冻融状态的频繁变化对地气能量交换、地表径流、植被生长、生态系统及土壤碳氮循环等均具有重要的影响。本文基于1981—2019年ERA5-LAND逐小时土壤温度数据,借助GIS空间分析功能,利用Python编程处理分析了中国东北地区近地表土壤冻融状态的时空变化特征。结果表明：从不同冻融状态起始日期的空间分布来看,近地表不同阶段的起始日期主要受纬度和地形的影响,具有明显的纬度地带性和垂直地带性。春季冻融过渡期和完全融化期的起始日期由东南向西北均呈逐渐推迟趋势,而秋季冻融过渡期与完全冻结期起始日期则由东南向西北随纬度升高越来越早。就不同冻融状态发生天数的空间分布而言,研究区南部春季冻融过渡期发生天数多于北部,西部多于东部,年均发生天数均在30 d以内;秋季发生冻融的天数空间差异不大,研究区一半以上的地区年均发生天数在10 d以内。完全融化期发生天数最多,从东南向西北呈逐渐减少趋势,年均发生天数主要介于150~240 d之间;完全冻结期发生天数则由南向北日益增多,其空间分布表现为一向南开口的簸箕形,各地年均发生天数集中于90~180 d之间。从时间变化趋势来看,近年来春季冻融过渡期起始日期以提前趋势为主,而秋季冻融过渡期起始日期总体表现为延后,致使完全融化期发生天数以增加趋势为主,年均变化速度高达0.2 d/a;大兴安岭以西、呼伦贝尔高原以北地区及辽河平原春季冻融过渡期发生天数呈减少趋势,其他地区为增加趋势;大兴安岭以西地区、呼伦贝尔高原以北地区完全融化期起始日期明显提前;松嫩平原和长白山区秋季冻融过渡期起始日期推迟显著,发生天数的变化趋势呈北增南减的空间分异特征;不同地区完全冻结期起始日期的变化趋势差异显著,中部广大的平原区呈不显著的推迟趋势,而大、小兴安岭、长白山、辽东半岛和辽西丘陵则提前进入完全冻结状态;研究区完全冻结期发生天数呈减少趋势,研究区中部的季节冻土区完全冻结期明显变短,年均减少速度大于0.2 d/a。
明晰生态系统服务供需匹配关系,对实现区域生态安全与社会经济可持续发展具有重要推动作用。本文以黄土高原为案例区,应用InVEST模型、ArcGIS、GeoDA等分析工具,分析黄土高原粮食供应、水源涵养、碳固存、土壤保持等服务的供需量及其匹配关系的时空变化,旨在为黄土高原国土空间格局优化提供决策依据。结果表明：1990—2018年,① 黄土高原除水源涵养服务供给量外,其他生态系统服务供需量均呈上升趋势,且各生态系统服务供给量及土壤保持服务需求量均呈“东南高、西北低”的分布特征,而粮食供应、水源涵养、碳固存服务需求量呈“四周高、中间低”的分布特征;② 各类生态系统服务供需比均呈下降趋势。空间分布上,粮食供应、碳固存服务在黄土高原四周人口密集区供不应求,而其他区域供大于求;水源涵养服务在该区西北部供不应求,但东南部供大于求;土壤保持服务供不应求区集中于鄂尔多斯高原及海北州北部;③ 各类生态系统服务供需均以低低空间匹配为主;④ 粮食供应、水源涵养、碳固存服务供需比的空间分布均以高高集聚为主,而土壤保持服务以低低集聚和高高集聚为主。除土壤保持服务供需比的空间集聚性有所增强外,其他生态系统服务均呈减弱趋势。
生态系统服务是生态要素、结构、功能和产品造福于人类社会的媒介和通道。根据生态系统服务价值（ESV）及其影响机制调节人类社会对生态系统的利用强度和保护方式,对于实现人地和谐的可持续发展目标具有重要意义。本文以粤港澳大湾区作为研究对象,依托遥感数据修订ESV核算结果,更加准确地揭示2000—2015年粤港澳大湾区ESV的时空演变特征,并引入面板分位数回归深入探索生态系统服务影响因素的分段效应,增加对生态系统服务影响机制的认识。结果显示：① 2000—2015年粤港澳大湾区ESV减速下降,下降区域主要分布在粤港澳大湾区中部和珠江入海口两岸等城市快速扩张区。② 在城市交界处,土地利用变化会带来更为强烈的ESV变化。③ 在ESV水平不同的区域,影响因素具有不同的影响效果。用地完整度仅在ESV的低值区可以促进生态系统服务能力提升。气温对生态系统服务能力的正向作用随ESV的提高而增强,经济密度对生态系统服务能力的负向作用随ESV的提高而减弱,二者均会导致ESV高值区与低值区间的差距增大,形成“自然马太效应”。
开展城市空气质量时空格局演变特征及其影响因素的研究,对于深入认识城市环境与社会经济系统的互馈机理、制定高效的环境治理措施、提升城市发展质量具有重要的理论与实践意义。本文以中国全面实施《大气污染防治行动计划》的2014年为起点,刻画了2014—2019年286个地级以上城市6种空气污染物浓度（CO、NO2、O3、PM10、PM2.5、SO2）的时空演变特征,并基于面板回归模型分析各污染物浓度之间的相互作用关系;进而利用随机森林模型对城市6种空气污染物浓度与13个自然和社会经济影响因子的关联强度进行探究,从中梳理出关键影响因子。结果显示：① 研究期内,O3污染加剧,其余污染物年均浓度逐年下降,其中SO2浓度降幅最大。虽然典型的重污染区范围有所减小,但京津冀、山东半岛、山西、河南等地区的城市空气污染物浓度仍相对较高。② 城市6种空气污染物浓度之间存在显著的相互影响关系,城市空气复合污染特征明显。③ 自然因素和社会经济因素对不同种类空气污染物浓度的影响差异较大,且与污染物浓度之间呈非线性响应关系。自然因素中,城市年均气温与空气污染物浓度的关联强度最大,其次是植被指数。社会经济影响因素中,土地城市化水平和二产比重是主导影响因子,其次是电力消耗总量和交通因子。偏依赖分析进一步刻画了不同污染物浓度对主导影响因子的响应突变阈值。鉴于人类对于自然环境和气象条件的控制能力有限,建议继续通过优化城市密度、控制人为排放源及严格的空气污染防控措施以进一步有效提高城市空气质量。
人类社会发展进入人新世时期,以人类活动为主导的高频率干扰和自然资源的高强度开发对生态环境造成严重威胁,提升自然保护区的景观连接度是缓解和应对外界干扰的关键手段之一。传统意义上景观连接度研究侧重于景观基质对物种迁徙的累积负向阻碍作用,评价体系中忽略了生物多样性对物种迁徙的正向支持作用。本文以中国沿海省份作为研究区域,将生物多样性空间分布作为生态系统关键功能的表征,并将其纳入景观连接度评价体系,构建了生态廊道的连通适宜性及生态支持力二维评价新方法,进一步分析人类活动干扰和物种空间分布对自然保护区景观连接度的影响。研究结果表明沿海地区人类活动对景观连接度的影响存在明显的边缘效应,即自然保护区边缘地带的人类干扰范围（46.46%）明显高于其内部区域,人类活动干扰使保护区面积减少约720.25 km2,且造成廊道起点和终点位置的改变。自然保护区边缘地带人类干扰导致了研究区域内95条廊道的连通适宜性下降;78条廊道的生态支持力有明显提升,“一降一升”的评价结果能有效地衡量景观基质对物种迁移的支持能力变化。基于景观基质阻碍和促进作用的二维评价可为中国未来自然保护区连通性和生物多样性保护提供更为全面的时空格局动态变化模拟,为优化自然保护区空间布局提供更为完善的景观连接度评估新方法。
地理边界的科学界定体现着对地理对象空间分异规律科学抽象与系统分析的认知水平,是地理学的基础科学问题。本文从地球系统科学的视角,首先阐述了地理边界的基本概念、科学内涵与基本属性等核心概念问题,基于科学性、系统性的基本原则,以内在机理、外在表现以及科学属性等视角为核心依据,对地理边界进行了系统分类。论文分析了地理边界的数学内涵与表达方法,比较了传统地理边界划分法和现代地理边界定量划分方法的特点与差异性,提出了集定性、定量、定位为一体的“地理边界模型”的研究架构。该研究盼在地理边界这个地理学基础理论问题上进行概念辨析与方法分析,丰富地理信息科学的理论与方法。
地理事件作为描述地理过程的基本单元,逐渐成为地理信息科学（GIS）核心研究内容。由于受人类活动数据获取限制,GIS对地理事件的建模和分析主要关注事件所引起的地理空间要素变化及要素之间的相互影响与作用机制。然而,近年来随着基于位置服务数据（LBS）爆炸式的增长和人类活动大数据定量刻画手段的快速发展,地理事件对人类活动的影响以及公众对地理事件的网络参与度都引起了多个领域的广泛关注,对地理事件的时空认知、建模方法和分析框架提出了巨大的挑战。对此,本文首先深入分析了大数据时代地理事件的概念与分类体系;其次,基于地理事件的时空语义给出了基于图模型的事件数据建模,建立了事件本体及其次生或级联事件的“节点—边”表达结构,开展了事件自身时空演化及其前“因”后“果”的形式化描述;第三,从时空数据分析与挖掘的角度,给出了大数据时代地理事件建模与分析的整体框架,拟突破传统“地理实体空间”事件探测与分析方法的局限性,融合“虚拟空间”事件发现与传播模拟思路,实现多源地理大数据支撑下的面向地理事件的人类活动多尺度时空响应与区域差异分析;最后,本文以城市暴雨事件为例诠释了本文所提出的地理事件建模与分析方法,从城市和城市内部两个尺度进行了暴雨事件与人类活动的一致性响应及区域差异分析,得到了明确的结论,验证了前文分析框架的可行性与实用性。
