地理空间变量突变检测方法及初步应用

论文摘要

目前,基于时间序列的突变理论及检测方法体系已经进行了深入研究,已经取得了大量有用的结果,形成了许多有效的突变检测技术。然而,这些研究未能顾及地理空间变量,割裂了地理变量的时空关联。由于多数地理变量是一个非线性、非平稳的时空对象,隐含了许多地理现象及地理变化的动力学机制。因此,进一步完善空间突变理论体系、发展地理空间变量突变检测方法,对挖掘系统突变中隐含的地理信息以及推动地统计学的发展,具有十分重要的理论意义。本研究采用了理论分析与案例验证相结合的方法,研究了地理空间变量突变的检测方法。研究范式为“实践到理论再回到实践”,即将日常生活中遇到的空间突变实例进行归纳、总结后,凝练出空间突变概念、提出空间突变相关理论方法框架,再将空间突变检测方法回到实践中进行验证。论文首先回顾总结了时间序列突变相关理论和检测方法框架,将其研究思路平行地推广到地理空间,提出了地理空间突变概念、类型和特征。通过对日常生活中常见的空间突变的实例分析,加深对地理空间变量突变的理解。之后,论文提出了空间值域突变和空间趋势变化突变这两种突变类型相应的检测方法,并将该类方法初步应用于地理空间分析。主要的研究方法和内容如下:（1）构建了地理空间突变理论的框架体系。采用理论分析方法,回顾、总结了现有时间序列突变的理论体系,通过类比,提出了空间突变的概念,分析了日常生活和文献已经报道的空间突变实例,总结了空间突变的分类,研究了空间突变特征以及数据的空间分辨率与空间突变间的相互关系。（2）研究空间值域突变的检测方法。分析了空间值域突变概念,理清值域、梯度和边缘三者间的关系,研究了 Canny边缘检测方法的主要特点,讨论Canny边缘检测方法在空间值域突变检测中的可行性和Canny边缘检测方法在空间值域突变检测中的应用,分析了这种检测方法存在的限制条件。（3）研究空间趋势变化突变的检测方法。分析空间趋势变化突变概念,生成了空间趋势变化突变的模拟数据,分析了模拟数据的特征。为了实现空间趋势变化的突变检测,采用“切片降维”的思想,将空间规则格点分别在X和Y两个方向进行“切片”,获得若干一维数据,然后基于Mann-Kendall非参数检验方法,对获取的一维数据,进行趋势变化突变检测,分析突变点的变化机理,将两个方向具有相同变化机制的突变点进行联接,得到各自方向上空间变量趋势变化的突变线。最后,分析了这种检测方法存在的限制条件,提出了基于滑动窗口的局部空间趋势变化突变检测方法的原型。（4）方法的验证。验证包括两个实验。第一个实验是,利用模拟数据、2009年夏半年中国区空间规则格点的平均降水数据以及日降水插值数据,验证了空间值域突变检测方法的正确性;第二个实验是,利用2009年夏半年中国区空间规则格点的降水量数据,验证了空间趋势变化突变检测方法的可靠性。（5）方法的初步应用。将空间值域突变检测方法和空间趋势变化突变检测方法,初步应用于30年间（1987—2017年）中国区域空间规则格点的平均降水量的突变检测,分析了突变发生的可能地理机制。研究表明:本研究提出的空间突变概念是清晰的,所提出的空间值域突变和空间趋势变化突变的检测方法能够检测突变类型,且突变发生的空间位置较为精确。同时,将数字图像处理的Canny边缘检测引入到地理学中,为地理学问题的解决提供了一种新思路。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 时间序列突变的检测方法
•     1.2.2 地理空间变量突变检测方法
•     1.2.3 国内外研究现状总结
•   1.3 研究目标与研究内容
•     1.3.1 研究目标
•     1.3.2 研究内容
•   1.4 研究技术路线与论文组织
•     1.4.1 研究技术路线
•     1.4.2 论文组织结构
•   1.5 本章小结
• 第二章 地理空间变量突变的基本理论框架
•   2.1 时间序列突变相关理论
•     2.1.1 突变概念
•     2.1.2 时间尺度（分辨率）
•     2.1.3 与时间序列突变相关的地理现象
•     2.1.4 突变类型及特征
•     2.1.5 突变检测方法
•   2.2 空间突变理论的框架
•     2.2.1 突变概念
•     2.2.2 与空间突变相关的地理现象
•     2.2.3 空间突变现象存在的理论基础
•     2.2.4 空间突变的类型
•     2.2.5 空间突变的主要特征
•   2.3 空间分辨率与地理空间突变关系
•     2.3.1 地理空间尺度与空间数据分辨率
•     2.3.2 空间分辨率与空间突变关系
•     2.3.3 连续地理空间场离散化
•   2.4 空间突变检测方法的特征
•   2.5 本章小结
• 第三章 地理空间变量值域突变的检测方法
•   3.1 空间值域突变的数学表示
•   3.2 边缘与梯度关系
•     3.2.1 边缘含义
•     3.2.2 边缘的数学表示
•     3.2.3 边缘检测技术
•   3.3 Canny边缘检测方法
•     3.3.1 Canny边缘检测核心思想
•     3.3.2 Canny边缘检测优势
•     3.3.3 Canny边缘检测应用于空间值域突变检测的可行性分析
•   3.4 Canny边缘检测方法在空间值域突变检测的应用
•     3.4.1 数据预处理
•     3.4.2 基于Canny边缘检测的空间值域突变检测
•     3.4.3 高低双阈值的选取
•   3.5 Canny边缘检测方法检测空间值域突变的影响因素与局限性
•     3.5.1 非规则格点矢量图
•     3.5.2 空间分辨率
•     3.5.3 地理空间四周的假性突变
•   3.6 本章小结
• 第四章 地理空间变量趋势变化突变的检测方法
•   4.1 空间趋势变化突变的模拟
•   4.2 Mann-Kendall一维突变检验性能分析
•     4.2.1 Mann-Kendall趋势突变检验
•     4.2.2 Mann-Kendall趋势突变检验方法局限性
•   4.3 基于Mann-Kendall的全局空间趋势变化突变检测
•     4.3.1 “切片降维”将二维空间数据转换成若干一维数据
•     4.3.2 行或列空间趋势变化突变点位置的获取
•     4.3.3 不同行或列空间趋势变化突变点联接
•     4.3.4 空间趋势变化突变点、线、面地学意义
•   4.4 局部空间趋势变化突变检测原型
•   4.5 全局空间趋势突变检测方法局限性
•   4.6 本章小结
• 第五章 方法验证与初步应用
•   5.1 空间值域突变检测方法的验证
•     5.1.1 数据源描述
•     5.1.2 模拟降水数据的空间突变检测结果
•     5.1.3 实际数据集M200905的空间突变检测结果
•     5.1.4 实际数据D20070701的空间值域突变检测结果
•   5.2 空间趋势变化突变检测方法的验证
•     5.2.1 数据源描述
•     5.2.2 数据预处理
•     5.2.3 实际数据集M200905空间趋势变化突变的检测
•   5.3 空间突变检测方法的初步应用
•     5.3.1 数据来源及描述
•     5.3.2 空间值域突变检测结果
•     5.3.3 空间趋势变化突变检测结果
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结果与结论
•   6.2 创新点
•   6.3 存在问题与展望
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 朱立珍

导师: 沈陈华

关键词: 地理空间变量,突变检测,空间值域突变,空间趋势变化突变,空间分辨率

来源: 南京师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 数学,自然地理学和测绘学,计算机软件及计算机应用

单位: 南京师范大学

分类号: O211.61;P208

DOI: 10.27245/d.cnki.gnjsu.2019.000687

总页数: 91

文件大小: 7770K

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