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本期目录

2022年, 第39卷, 第1期 上一期    下一期
前沿创新
运用LSTM神经网络对川滇地区的地震中期预报——回溯性预测2008年汶川MS8.0地震的探索
石耀霖, 李林芳, 程术
2022, 39 (1): 1-12.  DOI: 10.7523/j.ucas.2021.0063
摘要 ( 602 ) HTML ( ) PDF (9879KB) ( 358 )
地震预报是当代科学难题,把机器学习方法运用于地震预报探索是一个研究热点。大地震造成巨大的人员伤亡和经济损失,因此对大震的预测是地震预报的主要目标。利用1970年以来的川滇地震目录,选择16个反映地震时空强度分布特征的地震预测因子,采取滑动时空窗口方法有效地挖掘数据的隐藏信息,对川滇部分地区开展了基于长短期记忆(long short-term memory,LSTM)神经网络的为期一年的地震预报研究。结果显示,用1970—2019年地震目录的70%(时间窗口大概为1970年到2004年前后)作为训练集训练网络,对剩余的30%作为测试集(时间窗口大概为2005年前后到2019年底)进行回溯性预报检验时,实际震级落在预测震级±0.5内的准确率为70.2%,虚报率为18.7%,漏报率为11.1%,可以回溯性预测2008年汶川MS8.0地震。为测试模型的稳健性,进行了扩大研究区域范围、改变大震级地震在均方差计算中的权重等测试。在这些测试中,LSTM神经网络模型依然表现良好。
物理
锂对铁素体拉伸力学行为影响的分子动力学研究
魏炜, 余新刚
2022, 39 (1): 13-20.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0024
摘要 ( 280 ) HTML ( ) PDF (6237KB) ( 175 )
液态锂第一壁是磁约束核聚变领域的先进概念,相对于传统的固体壁材料,越来越多的实验表明液态锂壁具有独特的优势,不仅可以有效解决固体壁材料所面临的物理化学溅射、氚滞留等一系列问题,同时还可以显著提高等离子体的约束性能。然而,液态锂对大部分金属材料都具有很强的腐蚀特性,腐蚀引起的微观结构变化必然带来材料宏观力学性能的退化,对于结构材料而言,力学性能的退化将给整个装置带来安全隐患。基于此,采用分子动力学方法对单晶铁素体进行单轴拉伸模拟,分析锂原子对其塑性变形行为和屈服应力的影响。结果表明,锂原子可以显著抑制相变的发生,从而改变铁素体的塑性变形模式,同时影响屈服应力的大小以及与温度的变化关系。
生物学
2000—2019年内蒙古草地地上生物量的时空变化特征
乐荣武, 张娜, 王晶杰, 李振宇, 闫志辉, 冯一鸣
2022, 39 (1): 21-33.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0047
摘要 ( 403 ) HTML ( ) PDF (14030KB) ( 314 )
对内蒙古不同草地类型分别构建基于实测地上生物量(aboveground biomass,AGB)和遥感指数的随机森林模型。在验证可靠的基础上,模拟2000—2019年内蒙古草地最大AGB。结果表明,内蒙古各处草地的年均最大AGB为(82.74±56.34) g/m2,东北高西南低;由高到低依次为:温性草甸草原、低地草甸、温性典型草原、温性荒漠草原、温性草原化荒漠和温性荒漠。总体上,年均最大AGB呈显著增加趋势,其中低地草甸和温性典型草原增加最为显著。最大AGB呈增加趋势的面积占70.62%,显著增加的面积占16.28%;所有类型草地最大AGB显著增加的面积均大于显著降低的面积。然而,所有类型草地最大AGB的增加均是波动的,其中,温性荒漠的波动最小,温性荒漠草原的波动最大。夏季气温与累积降水的交互作用对AGB的正效应最大,其次为1—8月总降水量,而夏季气温对AGB的影响不大,且为负效应。
自然丰度法与同位素稀释法测定植物固氮能力的比较
李润富, 牛海山, 孔倩, 刘强
2022, 39 (1): 34-42.  DOI: 10.7523/j.ucas.2021.0008
摘要 ( 353 ) HTML ( ) PDF (1995KB) ( 183 )
生物固氮是生态系统有效氮的重要来源,目前存在多种测定和计算方法。以青藏高原高寒草原豆科植物团垫黄芪(Astragalus arnoldii)为对象,对比自然丰度法和同位素稀释法的差异,探讨4种计算方法、4种参考植物和2个取样时间对团垫黄芪生物固氮百分率(% Ndfa)评估的影响。结果表明:参考植物的δ15N在自然生长状态下与7月份相比,8月份均显著降低(P<0.05);施加(15NH42SO4后,4种参考植物紫花针茅(Stipa purpurea)、高山嵩草(Kobresia pygmaea)、矮火绒草(Leontopodium nanum)和青藏苔草(Carex moorcroftii)24h取样的测定值高于30d后取样的测定值(P<0.05)。无论标记与否,团垫黄芪的15N丰度在2个采样时间都无明显差异,采用原子百分超和原子百分差这2种计算方法得到的% Ndfa也没有显著差异。除矮火绒草外,以其他3种植物以及4种植物的平均值作为参考时,采用自然丰度法计算的% Ndfa都显著高于同位素稀释法(P<0.05)。取样时间不同自然丰度法的测定结果差异显著(F=89.906,P<0.01),标记后取样时长对同位素稀释法影响显著(F=496.712,P<0.01)。
环境科学与地理学
西北干旱区乌海市PM2.5的输送路径及潜在源解析
余创, 陈伟, 张玉秀
2022, 39 (1): 43-54.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0055
摘要 ( 314 ) HTML ( ) PDF (10150KB) ( 116 )
乌海市是中国西北干旱区主要的煤炭工业城市之一,其PM2.5浓度变化特征、输送路径及潜在源尚不清楚。基于2016—2018年乌海市PM2.5逐小时质量浓度数据,采用聚类分析法、潜在来源贡献函数(potential source contribution function,PSCF)和浓度权重轨迹分析法(concentration-weighted trajactory,CWT)等探讨乌海市PM2.5的输送路径及潜在源。结果表明:2016—2018年乌海市PM2.5质量浓度年均值呈下降趋势,冬季PM2.5浓度最高,夏季最低。聚类分析表明西北方向路径是乌海市四季PM2.5主要的输送路径,乌海市气流在春、秋、冬三季均来自于西北长距离输送,其PM2.5平均质量浓度约97.96~151.33μg·m-3,而在夏季短距离输送气流是主要的输送路径,其PM2.5平均质量浓度约87.11~96.88μg·m-3。PSCF与CWT分析表明冬季PM2.5的潜在源区范围最大,主要源自库姆塔格沙漠、柴达木盆地、腾格里沙漠、巴丹吉林沙漠以及河西走廊等地区;春、秋两季PM2.5的潜在源区主要位于库姆塔格沙漠及河西走廊地区;夏季的潜在源区范围最小,主要来自河西走廊局部地区。PM2.5重污染期间,其主要路径来源于西北方向,潜在源区主要分布在青海北部与甘肃交界处、新疆东部零星地区以及乌海南部地区。这些结果说明乌海市PM2.5污染的潜在源区主要集中在西北干旱荒漠区,因此,防风固沙和减缓土地荒漠化技术的实施可有效改善乌海市和西北干旱区的空气质量。
近25年来国内外可持续发展研究热点追踪——基于CiteSpace的文献计量分析
张晓平, 赵艳艳, 金凤君, 孙威
2022, 39 (1): 55-63.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0006
摘要 ( 388 ) HTML ( ) PDF (5318KB) ( 195 )
可持续发展是一个全球性话题,也是国内外学者的研究热点。基于CNKI与WOS (Web of Science)核心数据库,利用CiteSpace软件,对1994—2018年国内外可持续发展研究热点进行追踪和分析。研究表明:1)国内外可持续发展研究热点主要集中在社会、经济、环境等多维度和多尺度研究、可持续发展能力评价、可持续发展战略和政策研究等方面,但侧重点有所不同。2)国外研究机构的合作联系比较密切,而国内研究机构的合作联系相对分散。3)国内可持续发展研究集中在宏观和中观区域尺度,而国外在社区等微观区域尺度的研究较为丰富。4)国内研究较多揭示可持续发展存在的问题,而国外研究则强调科技、信息、创新等新因素对可持续发展的推动作用。通过国内外研究热点的对比分析,提出中国可持续发展研究的未来发展方向。
基于高速公路流的江苏省交通网络地域分异及影响因素
周健, 靳诚, 李平星
2022, 39 (1): 64-73.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0029
摘要 ( 215 ) HTML ( ) PDF (7131KB) ( 145 )
基于江苏省高速公路交通流量数据,构建高速公路全年流量模型,利用社会网络分析方法探究各县域的中心性与凝聚子群,结合地理探测器方法从江苏省整体以及苏南、苏中、苏北不同地域范围进行影响因素分析。结果表明:1)从总体上看,全年总流出量和流入量空间分布呈现由苏南向苏北递减的趋势;外出率较高地区分布于苏南—苏中—苏北地区的交界处、全省的边界地区以及苏南地区镇江市和常州市的交界地区;2)以苏州、南京、无锡为核心的苏南地区对全省有较强的交通集聚辐射效应,凝聚子群显示江苏省高速公路网络整体上呈现出“4组团、8片区”的特征;3)探测因子结果显示在省域范围内经济水平、产业结构、汽车保有量、人口规模、基础设施、居民购买力对高速公路流量的影响都较为显著,基于不同区域范围的因子决定力存在差异。
高盐、高硬度、高浊度煤系气田产出水预处理工艺参数优化
王敬威, 刘研萍, 琚宜文, 琚丽婷, 刘新春
2022, 39 (1): 74-82.  DOI: 10.7523/j.ucas.2021.0070
摘要 ( 110 ) HTML ( ) PDF (5572KB) ( 25 )
针对具有含盐量高、硬度大和浊度高等特点的鄂尔多斯盆地东缘临兴区块煤系气田产出水,经实验与工程论证后拟采用“预处理—反渗透—MVR”的方案使处理后的水符合农田灌溉水标准。实验模拟“硬度去除—絮凝—过滤—超滤”的预处理过程探究硬度和浊度去除的最优工艺条件。结果表明:Na2CO3的硬度去除效果优于NaOH,当投加量为15000mg·L-1时,硬度去除率最大,为99.39%;响应面法以浊度去除率为响应值建立的数学模型较为显著(P<0.0001),得到最优工艺条件为pH 8.85、PAC投加量148.34mg·L-1、PAM投加量6.51mg·L-1,该条件下除浊率预测值为83.32%,实际除浊率为82.77%,实际值与预测值拟合度高。预处理工艺参数优化有利于工程的精细化调控从而降低成本,并为后续的反渗透脱盐处理提供保障。
电子信息与计算机科学
基于约束误差不变的高光谱图像端元优化模型
王为家, 耿修瑞
2022, 39 (1): 83-90.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0008
摘要 ( 135 ) HTML ( ) PDF (2443KB) ( 84 )
线性混合模型(linear mixture model,LMM)在端元提取中起着至关重要的作用。在LMM假设下,理想的端元提取效果需要重建误差最小。但是在实际的高光谱数据集中噪声是不可避免的,单纯追求重建误差最小化可能会导致最终结果偏离真实端元。为平衡重建误差与噪声的影响,使用几何优化模型计算重建误差,通过约束重建误差来最小化单形体体积,提出新的误差约束优化模型EIC-OSV (error invariant constrained-optimal simplex volume)。模拟数据及真实数据下的实验表明,EIC-OSV可以提高现有端元提取方法的准确性。
基于Sentinel-1A SAR影像的上下游水位响应分析及其在洪涝预警中的应用
高龙, 阎福礼
2022, 39 (1): 91-101.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0007
摘要 ( 241 ) HTML ( ) PDF (26797KB) ( 106 )
在水文实测数据匮乏地区,尝试完全利用遥感技术建立一种基于上下游水位响应规律的洪涝预测方法,对当地洪涝预警工作具有重要意义。以斯里兰卡南部Nilwara河为例,利用14期Sentinel-1A SAR影像(2015—2017年)提取的上下游洪峰水位数据,建立下游洪峰水位预测模型,预测下游最大洪水淹没范围,并在模型精度评价的基础上,进一步利用2018年的4期Sentinel-1A SAR数据进行真实性检验。结果表明:1)遥感技术反演出的洪峰水位数据能有效反映上下游水位消涨变化的情况;2)建立的4种下游水位预测模型中,ASTER GDEMV2数据下建立的指数型模型拟合效果最好,R2为0.79,RMSE为0.45,说明上下游洪峰水位消涨一致,且有良好相关性;3)真实性检验表明,预测的最大淹没范围总体精度不低于0.71,效果稳定、良好。该方法可为水文实测数据匮乏地区的遥感洪涝预警技术提供一种新的视角。
一种联合光谱-对象-时间特征的遥感影像变化检测方法
曹州, 刘士彬, 马勇, 姚武韬, 姜丽媛
2022, 39 (1): 102-109.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0005
摘要 ( 232 ) HTML ( ) PDF (12037KB) ( 151 )
针对在遥感大数据时代背景下,传统变化检测方法的精度和自动化程度难以满足实际应用需求,提出一种联合光谱特征、对象特征和时间特征的遥感影像变化检测方法。在提取遥感影像多种特征的基础上,利用双向长短期记忆网络,提取光谱-对象-时间特征,实现双时相影像变化信息的有效提取。基于双时相中分辨率遥感影像的实验结果表明:本方法的总体精度超过0.9,Kappa系数达到0.84。相较于传统的变化检测方法,可以有效提高变化检测的精度和自动化程度。
基于复合型FMCW波形的多目标匹配算法
宋文豪, 周斌, 卜智勇, 周志刚
2022, 39 (1): 110-118.  DOI: 10.7523/j.ucas.2021.0067
摘要 ( 185 ) HTML ( ) PDF (1711KB) ( 98 )
毫米波雷达常用调频连续波(frequency modulated continuous wave,FMCW)来测量目标的距离、速度等物理参数,但基于三角波调频连续波的雷达难以准确地完成多目标探测。因此,提出一种改进的FMCW波形及其对应的多目标匹配算法,这个复合型波形结合梯形波和快速锯齿波的特性,可以更准确地完成多目标的探测。仿真结果验证了该方法能准确剔除虚假目标,保留真实目标。
基于EH的D2D通信中继选择算法
陈光祖, 黄鑫陈, 谭冲, 卜智勇
2022, 39 (1): 119-126.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0023
摘要 ( 206 ) HTML ( ) PDF (2817KB) ( 74 )
为了使D2D通信高效节能地选择中继节点,结合能量收集技术和D2D技术,构建一种基于能量收集的D2D通信单小区模型,提出一种基于能量收集的中继选择算法。利用能量收集技术收集设备周围干扰信号携带的能量为中继通信供能,避免设备因本身剩余能量低于阈值而发生通信中断或选择中继失败。在物理域分析能量收集功率和信道情况;受人类社会竞选机制启发在备选中继集中由通信2个端节点共同投票选择合适中继,避免中继仅符合某一端节点要求导致整个通信中断。仿真结果表明本文所提算法与结合设备接触和剩余能量的D2D中继选择算法相比,提高了中继选择成功概率、设备生存时间以及系统吞吐量。
分布式有限时间重球法
曲志海, 陆疌
2022, 39 (1): 127-133.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0009
摘要 ( 174 ) HTML ( ) PDF (1542KB) ( 134 )
结合有限时间共识算法及一阶加速算法重球法提出分布式有限时间重球法。本算法的优点为可以保证所有节点在每个周期都达到共识,同时达到与集中式重球法相同阶数的收敛速率。通过数值仿真将该算法与其他分布式优化算法应用于机器学习问题上,展现了该算法的优良性能。
基于Q-learning的飞行自组织网络QoS路由方法
黄鑫陈, 陈光祖, 郑敏, 谭冲, 刘洪
2022, 39 (1): 134-143.  DOI: 10.7523/j.ucas.2020.0001
摘要 ( 279 ) HTML ( ) PDF (2302KB) ( 154 )
针对无人机自组网等高动态飞行自组织网络中,网络拓扑的快速变化导致通信链路断裂和路由重建频繁的问题,研究一种基于Q-learning的QoS (quality of service)路由方法。该方法以Q-learning强化学习框架为基础,将邻居节点数量、链路持续时间和链路可用带宽作为路由度量信息,设计一种提供QoS保证的Q-learning奖励函数。网络节点通过广播Hello消息交互各自的本地路由度量信息,邻居节点接收到Hello分组或者数据分组,根据奖励函数计算并更新Q值,待转发数据分组的节点根据其维护的Q值表智能选择下一跳转发节点。EXata无线网络仿真环境中的仿真结果表明,该方法能为高动态飞行自组织网络中的数据传输提供稳定性好、服务质量高的通信链路。