内涝、水污染与水体黑臭、河湖生态系统退化是城市面临的主要水问题，已成为限制长江经济带绿色发展的关键瓶颈问题之一。深入认识城市发展过程中水系统的演变规律以及各要素之间的相互影响，阐明城市水问题的形成机制，构建城市水系统综合治理技术体系，是解决城市复杂水问题的根本途径。本文针对上述水问题，从水循环系统多过程耦合的角度出发，总结了城市水系统的概念和特征，提出了城市水问题系统治理关键技术体系，并以2016—2022年长江经济带城市（群）治理案例为例开展应用。研究表明：泵站抽排和海绵措施可有效减少武汉市发生极端降水时的严重内涝面积和消除成渝城市群内涝点；微生物—植物—水动力一体化协同调控组合工艺可以显著强化武汉市典型黑臭水体的氮磷去除效果；源头控制—路径耗散—末端治理的城市河湖生态综合修复体系使重庆市两河流域水体富营养化水平明显下降；实施上述治理技术体系后，长江中游城市群绿色发展指数平均提升4.8%。本文可为长江经济带绿色发展重大战略提供城市水系统理论和技术支持。

全球自然保护地的保护成效已被广泛认可，但仍面临覆盖面积、生态系统代表性和物种保护程度不足等问题；同时，多数自然保护地面积小、连通性差，且面临气候变化与人类活动威胁，迫切需要通过自然保护地扩张与连通性管理，系统提升自然保护地的稳定性及其保护成效。尽管已有研究尝试通过生态廊道实现自然保护地连通，但尚未形成统一的概念，且缺少构建与优化框架的普遍共识。本文系统梳理相关研究进展，提出了自然保护地连通网络的概念内涵和分类体系，以及连通网络构建与优化框架及常用方法。自然保护地连通网络根据保护目标可分为生物迁徙网络、结构稳定网络和气候连通网络，按照“自然保护地扩张—景观阻力面构建—生态廊道提取—连通网络优化”框架，基于不同方法进行构建与优化。当前自然保护地连通网络研究侧重静态视角下构建短期有效的连通网络，强调直接生态效益而忽视保护投入与社会价值。未来应使用长时序数据基于动态视角构建自然保护地动态连通网络；应对土地利用变化与气候变化威胁，保障自然保护地连通网络的长期有效；权衡多重保护目标，以及发展与保护的需求，基于成本—效益分析确定连通网络构建与优化的最佳方案；提升连通网络的社会附加价值以获得更多支持。

地图是地理学的语言，视觉变量是地图学的基础理论。然而，当前对地图视觉变量的研究主要以经验描述归纳为主，视觉机理解释不足，存在感知顺序不清晰、“形状”视觉变量划分粒度不精细、“位置”视觉变量界定不清楚3个基本问题。本文在总结眼—脑系统中的主要视觉神经元的基础上，详细分析了视觉变量的神经机理，研究发现：① 视觉变量的感知顺序首先是亮度和色彩，其次是简单的位置、方向、尺寸，最后是复杂的形状和纹理；旅游图的眼动实验表明，利用色彩能够被优先感知的特点，可以将色彩作为视觉线索，用于加强地图的视觉层次，引导读者的视觉注意力。② 曲率可作为形状视觉变量的细分变量；可持续发展制图案例表明，曲率视觉变量可以有效用于表达定性、定量信息。③ 位置能够被视觉神经元直接高效识别和处理，应该被定义为一个视觉变量，但是在强调图形位置精度的情况下，它不宜变化。导航地图和印象地图的对比实验表明，位置视觉变量能够引起显著的视觉和情感唤醒度差异。本文研究结果可加深对地图视觉变量理论的理解，可为可持续发展制图、个性创意地图设计等提供新的视觉设计理论。

选取适当地理边界对研究区或影像进行分区，降低区域内土地覆被复杂程度及其在影像中的特征变异性，能够有效提升土地覆被遥感分类的精度和效率。现有土地覆被制图中开展分区分类策略所借助的生态分区等区划数据缺乏目标针对性，其对遥感分类的适用性范围及精度提升效果仍存在限制。植被物候变化是造成自然场景土地覆被类内光谱异质的主要原因，本文利用遥感观测的反映地表植被绿度状态的植被指数和反映地表植被生长发育节律的关键物候期构建分区指标体系，以反映微地貌形态、坡面属性及地表物质组成的地貌小区为分区单元，采用数据驱动的空间约束层次聚类算法，提出了面向自然场景土地覆被分类的遥感物候模式分区。基于统计检验和多源土地覆被产品的分区评价结果表明，本文的遥感物候模式分区可有效降低区域内土地覆被复杂程度和植被物候变化引起的类内特征异质，在土地覆被代表性样本库构建以及分区分类策略实施等方面具有较高应用潜力。

信息智能化与时空大数据时代拓展了地理信息系统（GIS）的应用边界，给地理场景的描述与表达带来了机遇与挑战。现有的时空数据组织与空间认知模型主要以自下而上思维为主，存在对象抽象表达认知度低、实体对象分区组织割裂等局限性。特别是大数据背景下，地理场景表达中对象与知识的集成度较低、模型与数据的协同计算能力不足等问题更为突出。本文以莱布尼兹（Leibniz）相对时空观为理论基础，提出了对象空间的地理场景组织与管理方法。文章分析了地理场景的概念与发展历程，剖析了地理场景特点，提出了对象空间概念以及对象空间对地理场景的表达方式，建立了层次化对象组织模型、网络化的知识表达技术、按功能分类的模型组织方法，从而构建了“数据—知识—模型”高度集成与协同的地理场景建模理论与技术。结合山东高标准农田土壤含水量监测案例，验证了本文方法的实用性和可行性，为深化地理数据组织模型的理论研究和拓展示范应用场景提供了技术支撑。