基于遥感技术的鄱阳湖采砂对水体透明度的影响

采砂是一项具有巨大生态影响的经济活动。其引起沉积泥沙的再悬浮,降低水体透明度,减弱水下光环境以及产生一系列的生态影响。旨在利用遥感技术监测鄱阳湖自2001年开始的采砂活动对水体透明度的影响。时间序列的IANDSAT影像用于船只的识别和同期的水体透明度反演,MODIS影像用于估计湖区2000—2005年6—10月期间水体透明度的动态变化。结果显示鄱阳湖北部自2001年以来随着船只数目的增加水体透明度显著下降。结合对船只最终目的地以及船只分布与水体透明度变化一致性等方面的分析,可以确认采砂是引起此区域水体透明度下降的主要原因。夏季频繁发生的长江江水倒灌推动鄱阳湖北部的浑浊水体向南移动,从而扩大采砂的影响范围至鄱阳湖中部,甚至南部。采砂繁荣了地方经济,同时也对鄱阳湖生态系统具有重大的负面影响。平衡经济发展与生态保护之间的关系,将因采砂而造成的负面影响下降到最低限度,使鄱阳湖的各种生态功能全面发挥是当务之急。     

基于PROSAIL混合反演模型的MODIS LAI产品改进及评估

叶面积指数（Leaf Area Index,LAI）是定量陆地生态系统中光合作用、呼吸作用、蒸腾、碳和养分循环等过程中物质与能量交换的重要结构参数。目前大、中尺度的气候和生态水文建模使用的LAI产品主要来源于中分辨率成像光谱仪（MODIS）,但由于其反演过程中的不确定性因素导致MODIS LAI产品在部分地区存在质量问题。以青海省复杂植被地区为研究区域,基于实地考察与采样验证了区域内MODIS LAI所存在的质量问题分布,并揭示了不确定因素的影响。与此同时,提出了一种基于PROSAIL模型与深度神经网络（DNN）的混合建模技术,针对MODIS LAI生成机制中地表分类数据、地表反射率数据和反演算法的不确定性进行改进,并基于青海省大范围实测LAI数据评估了改进前后产品的准确度,实测数据的验证结果发现：改进模型的LAI准确度（RMSE=0.48,R²=0.64）显著高于MODIS LAI （RMSE=0.71,R²=0.56）,预测结果与实测结果之间的偏差显著减少;区域尺度上,柴达木荒漠植被低覆盖典型区域、三江源高寒草甸中覆盖典型区域与青海湖牧场草地高覆盖典型区域的RMSE分别提高了0.19、0.10、0.54,改进方法有效解决了MODIS LAI产品中高覆盖植被饱和效应导致的高估以及低覆盖植被未检索导致低估的质量问题,改进结果分布连续,更符合真实植被状况。基于以上研究,充分证明了研究方法对MODIS LAI产品的改进具有可靠性,能够在缺少实测样本数据的情况下有效提高MODIS LAI的质量,为全球植被环境监测与生态建模提供重要的数据支持。     

基于深度卷积神经网络识别可变剪接位点

可变剪接源于多外显子基因生成多个转录本的调控过程。随着高通量测序,尤其是RNA-seq的研究进展,剪接序列和剪接位点可以通过挖掘海量的测序数据进行预测。可变剪接现象拓宽了人们对基因结构和蛋白质亚型的知识。然而现有的短序列比对软件受到随机性比对的影响,产生很多假阳性剪接位点,干扰下游数据分析。本研究发现,可变剪接位点周边序列的结构特征可被深度学习模型提取,并利用深度卷积神经网络识别剪接位点。本研究的模型具有识别率高、计算速度快,模型泛化能力强、鲁棒性高等优势。     

基于深度卷积神经网络的树轮宽度测量算法

数字图像处理技术已被广泛用于树轮宽度测量,但大多集中在边界清晰可见的针叶树种,对于木材解剖结构复杂、树轮边界清晰度较差的阔叶树种,传统的图像处理技术表现不佳。为了改善阔叶树种的树轮边界识别精度,本文提出了一种基于U-Net卷积神经网络模型的树轮宽度测量算法。以鱼鳞云杉(Picea jezoensis var.komarovii)、臭冷杉(Abies nephrolepis)、红松(Pinus koraiensis)、白桦(Betula platyphylla)、枫桦(Betula costata)、榆树(Ulmus pumila)的树芯为对象,提出了一种基于U-Net的树轮边界检测模型。采用3种评价指标比较了U-Net方法与手工标注方法的差异,并与WinDENDRO测量得到的树轮宽度进行了精度对比。结果显示,U-Net识别到的树轮边界与实际边界精确匹配,尤其是对阔叶树种树轮边界的检测精度相比传统的数字图像处理方法有显著提高,通过3种评价指标证明所得到的树轮边界精确可靠,在树轮分析中具有较高的实用价值。     

基于卷积神经网络的细菌转录终止子预测

在遗传学中,终止子是位于poly(A)位点下游、长度在数百碱基以内、包含多个回文序列、具有终止转录功能的DNA结构域,其主要作用是使转录终止。在原核生物基因组中有两类转录终止子,即Rho-dependent因子和Rho-independent因子。在本项研究中,提出了一种新的预测模型(TermCNN)来快速准确地识别细菌转录终止子。该模型将具有代表性的6-mer特征子集(2 537个特征)和电子—离子相互作用伪电位(EIIP)作为输入向量,利用卷积神经网络(CNN)构建预测模型。五折交叉验证和独立测试的结果表明该模型优于最新的预测模型iTerm-PseKNC。值得注意的是,该模型在跨物种试验中具有明显的优势。它可以高度精确地预测大肠杆菌(E. coli)和枯草芽孢杆菌(B. subtilis)的转录终止子。     

基于三维卷积神经网络的肺结节探测与定位方法

提出一种基于三维卷积神经网络对肺部计算机断层扫描图像(CT)进行肺结节自动探测及定位的方法.基于开源数据集LUNA16开展研究,对数据进行像素归一化、坐标转换等预处理,对正样本使用随机平移、旋转和翻转的方式进行扩充,对负样本进行随机采样.搭建了三维卷积神经网络并在训练过程中调整网络参数,直到得到性能最佳的网络.此外还设...     

基于卷积神经网络和循环神经网络的环形RNA剪接位点识别研究

本文提出了一种基于卷积神经网络和循环神经网络的深度学习模型,通过分析基因组序列数据,识别人基因组中环形RNA剪接位点.首先,根据预处理后的核苷酸序列,设计了2种网络深度、8种卷积核大小和3种长短期记忆(long short term memory,LSTM)参数,共8组16个模型;其次,进一步针对池化层进行均值池化和最大池化的测试,并加入GC含量提高模型的预测能力;最后,对已经实验验证过的人类精浆中环形RNA进行了预测.结果表明,卷积核尺寸为32×4、深度为1、LSTM参数为32的模型识别率最高,在训练集上为0.9824,在测试数据集上准确率为0.95,并且在实验验证数据上的正确识别率为83%.该模型在人的环形RNA剪接位点识别方面具有较好的性能.     

基于小波神经网络的图像去噪算法

生物医学图像在成像时不可避免地受到噪声影响,因此噪声去除是生物医学图像处理的一项重要研究课题。将小波神经网络引入图像去噪领域中,通过多种技术优化网络学习过程,最终建立一种图像去噪新算法。实验结果表明,该算法在去除噪声上优于传统的中值滤波等方法,并具有较强的鲁棒性;同时能够最大限度地保护图像的细节信息,具有很好的保真度。     

基于分类知识利用神经网络反演叶面积指数

叶面积指数（LAI,Leaf Area Index）是陆面过程中一个十分重要的输入参数,其遥感反演方法研究一直是国内外遥感应用研究的热点问题。基于统计的遥感反演方法由于缺乏物理基础,其可靠性和普适性差。基于物理的冠层反射模型的LAI反演方法克服了上述弊端,但是由于反演过程是病态的,模型反演结果一般不唯一。神经网络算法的介入可在一定程度上改善这一问题,但是模型反演的病态问题至今仍无法很好地解决。在PROSAIL模型敏感性分析的基础上提出了一种基于影像分类的神经网络反演方法,引进了土壤反射指数用于替代原模型中难以确定的土壤背景反射参数,分别针对不同植被类型建立各自的神经网络,对经过大气纠正后的Landsat ETM＋影像进行了模拟实验并同野外实测LAI数据进行比较。结果表明,对于LAI小于3的植被区该方法的反演精度比较可靠,而LAI大于3的植被区,反演的LAI偏小,原因归结为密植被的冠层反射在LAI大于3以后趋于饱和而无法敏感地表征LAI的变化所导致的。     

基于地理探测器的云南省净初级生产力时空演变及因子探测

为探明云南省植被净初级生产力(NPP)时空演变特征及其驱动因子,基于2000-2015年NPP数据和相应时间序列的气象、DEM、土地利用、NDVI、人口密度数据,采用趋势分析法、相关分析法及地理探测器方法,对2000-2015年云南省植被NPP的时空变化及其驱动因子进行了定量研究.结果 表明:云南省植被NPP年际变化总...     

基于信息熵的新疆降水时空变异特征研究

基于信息熵理论对新疆降水序列的时空变异性进行研究。利用边际熵研究不同时间尺度降水序列的变化特征。利用分配熵和强度熵分别研究降水量和降水天数年内和年代际(10a)分配情况。利用改进的Mann-Kendall趋势检验法分析新疆降水过程不确定性变化趋势。研究表明:(1)新疆降水量与降水天数年内分配不均匀性主要表现为由南向北减小的空间分布特征;(2)新疆不同尺度的降水序列不确定性具有明显空间特征;(3)越降水越稀少的地区,降水量与降水天数变异性就越大。本研究对该区域降水时空变异研究与水资源规划具有重要意义。     

黑龙江流域积雪覆盖时空变化遥感监测

利用MODIS双星数据对黑龙江流域2003—2012年的积雪覆盖面积进行提取和验证,然后基于合成的数据分析研究区积雪覆盖面积的季节和年际变化.结果表明: 双星合成降低了云的影响,总体精度>91%,可以满足分析和研究需求.研究期间,黑龙江流域积雪覆盖面积存在显著的季节变化,7、8月的积雪最少,几乎为零,1月积雪覆盖面积最大,占流域的80%以上.2003—2004、2009—2010年冬季积雪覆盖面积较高(>180×10⁴ km²),2011年冬季最大积雪覆盖面积较低(150×10⁴ km²).积雪覆盖的年际变化与年平均气温和平均降水量的波动存在一定的对应关系:积雪覆盖面积较低年份对应的年降水量较少、平均气温较高,反之亦然.2003—2012年,研究区5、6月的积雪覆盖面积呈减少趋势,降水量增加和气温的升高与积雪覆盖面积减少紧密相连.     

青海湖流域草地植被动态变化趋势下的物候时空特征

植被物候不仅直接受气候变化的影响,还反作用于气候变化。因此,明确植被物候变化的驱动机制对于进一步研究气候变化与物候的相互作用具有重要的意义。选取位于青藏高原东北部的青海湖流域,利用MODIS 16d增强植被指数(EVI)合成数据,来分析草地物候时空格局特征以及不同EVImax变化趋势下草地物候期(返青期、枯黄期及生长季)的变化趋势。研究得到以下结果:(1)在气候变化和人类活动等因素的共同作用下,青海湖流域的EVImax变化呈现多元化趋势,EVImax增加、不变、降低趋势并存;(2)1990—2012年期间,流域内温度上升、降水量增加趋势显著,温度上升速率为0.42—0.83℃/10a,降水量增加速率为43.20—44.68 mm/10a。刚察、天峻气象站草地返青期在2001—2012年期间呈现延迟趋势,枯黄期变化趋势不显著,生长季呈现缩短趋势;(3)流域内草地返青从4月下旬持续到6月上旬,枯黄期从8月中旬持续到10月上旬,青海湖东岸、南岸、布哈河入湖口区域以及流域西部山坡和平坦的谷底地区牧草最早进入返青期,返青空间格局呈现由湖岸向四周高海拔地区延伸趋势,草地枯黄空间格局与返青期相反;(4)不同EVImax变化趋势下,草地返青期、枯黄期、生长季变化趋势表现出差异。草地EVImax降低趋势下,牧草返青期呈现提前趋势,枯黄期延迟,生长季延长;EVImax增加趋势下,牧草返青期延迟,枯黄期变化不明显,生长季缩短;EVImax不变区、农田的返青与枯黄期变化趋势并不明显,但是农田生长季缩短趋势较明显。     

鄱阳湖生态经济区成立前后NDVI时空动态变化及其驱动因素

鄱阳湖生态经济区是中部地区正在加速形成的增长极之一,研究其植被变化特征可以为鄱阳湖生态经济区更合理的调控经济发展与生态保护提供支持。本研究基于2000—2017年MODIS NDVI,采用最小二乘法斜率探讨生态经济区成立前后NDVI时空变化特征,并借助相关性分析定量化研究气候因素和人为因素对NDVI变化的驱动作用。结果表明:生态经济区成立前(2000—2008年)和成立后(2009—2017年),区域植被覆盖整体均呈现增长趋势。生态经济区成立前NDVI变化趋势为0.052 10 a^-1(P<0.05),成立后NDVI变化趋势为0.025 10 a^-1(P<0.05),成立后NDVI增长出现放缓现象;空间上,成立前植被发生退化的区域主要分布在地级市和省会周围;成立后,省会和中心城市周围植被退化现象进一步加剧,同时湖区周围、区域北部以及南部农耕区植被也出现退化现象;在影响因素方面,在全区域尺度上,气候因素是NDVI变化的主导因素,气温对NDVI影响大于降水;在NDVI显著变化的区域,人类活动则是影响NDVI变化的主要因素;生态经济区成...     

从时空异质性看东湖富营养化中原生动物的演替

1993-08～1994-08,东湖原生动物年均丰度为59,391ind./L,年均生物量为1.40mg/L。从V站到0站,随着营养水平(TSI)增加,数量(A)和生物量(B)显著增加LnA=-58.323+16.503LnTSI(n=5,r=0.983,p=0.003);LnB=-16.840+0.256TSI(n=5,r=0.996,p<0.001),两者均表现出明显的空间异质性。同时,丰度的周年动态模式也发生了明显演替,原来的春季和秋季高峰演变为冬季高峰,营养水平越高,冬季高峰越明显,随营养水平增加形成的原生动物群落结构-种类组成和现存量-的空间格局与年代变化趋势一致。     

基于时空尺度及利益关系的生态服务功能

在生态服务功能传统评价方法的基础上,拓展了生态服务功能的评价流程,即增添了生态服务的时空尺度与利益关系分析。研究了山东省长岛县生态服务价值的变化趋势、生态服务价值的空间表现、生态价值的社会群体利益关系。结果表明:1994年～2003年,长岛县生态服务价值总体呈现出增—减—增的趋势,1999年生态服务价值降到最低值74523万元,2003年上升到最大值101886万元;分析并计算长岛县生态系统的生物生产性服务、娱乐功能、自然保护价值,这些服务功能表现出明显的空间差异性,即生物生产服务功能仅对长岛区域至关重要,娱乐功能不仅体现在长岛区域,更多体现在全国范围,自然保护价值体现于全国乃至全球范围;分析了不同参与者在获取生态服务方面的差异及参与者之间的生态利益关系,不同的参与者在其空间范围中取得不同的生态服务;生态服务功能的时空分析、利益关系分析是生态管理部门制定科学决策的基础。     

基于VGPM模型和MODIS数据估算梅梁湾浮游植物初级生产力

基于MODIS影像数据反演的2009年2月份至12月份太湖梅梁湾水域表面叶绿素a、悬浮物浓度以及水温数据,结合初级生产力垂向归纳模型(Vertically Generalized Production Model:VGPM)估算获得梅梁湾2009年逐月平均日初级生产力时空分布。结果表明,梅梁湾2009年年平均日初级生产力及逐月平均日初级生产力空间分布差异显著,呈现从湾内向湾口逐渐递减的趋势。时间序列分析显示,梅梁湾初级生产力季节差异显著,夏季>秋季>春季>冬季,全年初级生产力主要集中在夏季,占47.4%。通过分析VGPM模型中几个输入参数对初级生产力的影响,发现悬浮物浓度与标准化初级生产力存在显著负冥函数关系,反映沉积物再悬浮引起的悬浮物浓度增加能降低水体初级生产力。温度对初级生产力也有一定的调控与制约,与初级生产力呈现正相关趋势,在低于21℃的温度范围内与最大光合作用速率呈现正相关。     

西太湖水生植物时空变化

水生植物在浅水湖泊生态系统中具有十分重要的作用。根据中国科学院太湖湖泊生态系统研究站1989年以来的常规监测资料,将西太湖（除东太湖以外的湖区）划分为9个区,采用点截法（point intercept method）,于2002～2005年对各区水生植物的种类、生物量和空间分布情况进行了6次调查。结果表明：西太湖现有水生植物16种,分属于11科12属;水生植物总面积约10220hm^2,其中沉水植物分布面积约占64．58％;挺水植物约占0．29％;漂浮植物约占38．16％。各个种之间生物量差异显著,马来眼子菜、荇菜、芦苇的生物量在所有水生植物中居前3位。多样性分析表明,水生植物种类4a来未发生明显变化,但种类和生物量季节性差异较大。水生植物呈环状分布在距湖岸5km以内的水域和部分岛屿周围,东岸和南岸为水生植物的主要集中分布区域,分布区连续性好,且水草种类齐全。挺水植物种类单一,仅有芦苇（Phragmites communis）一种,分布区域多限于水深小于1．6m的湖岸;沉水植物共有8种,为水生植物的主要组成部分,马来眼子菜（Potamogeton malaianus）的分布频度最高,在西山岛周围水域逐年扩张,成为该区域的先锋种;漂浮植物3种,主要以荇菜（Nymphoides peltata）为主,在七都水域有逐渐扩张的趋势。马来眼子菜、芦苇、荇菜表现出对水环境较强的适应能力,目前为西太湖的3个优势种。20世纪50年代以来,西太湖水生植物种类减少了50种,其中水质下降是导致水生植物种类不断减少甚至消失的一个重要原因。围网养殖和不合理的捕捞方式也对局部水域的植物造成极大的破坏。水生植物生存环境日益严峻,种群单一化趋势日益明显。     

不同时空尺度下土地利用对洱海入湖河流水质的影响

土地利用与入湖河流水质的关系存在时空差异。以洱海西部入湖河流及其小流域为研究对象,综合空间分析和数理统计手段,探讨两者随空间尺度和时间变化的关系,结果表明:选取的小流域、河岸带30m缓冲区、河岸带60m缓冲区和河岸带90m缓冲区4种尺度下,对入湖河流水质影响显著的土地利用类型为建设用地和植被(包括林地和牧草地),影响最大的空间尺度为小流域尺度,河岸带30m缓冲区次之;小流域尺度下,建设用地面积百分比与入湖河流COD和TP浓度呈正相关,植被面积百分比与NH_4~+-N浓度呈负相关,响应土地利用的主要水质指标为TN和TP,回归调整系数分别为0.624和0.579;季节性关联分析表明建设用地与COD、NH_4~+-N、TP的回归关系在雨季强于旱季,植被与COD、TP的回归关系在雨季强于旱季,雨季建设用地和植被面积变化引起COD浓度变化更快。在流域管理中,针对植被覆盖率低、建设用地占比高的白鹤溪和中和溪应重点加强雨季土地利用管控,增加植被覆盖率,合理开发建设用地。