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《南京师范大学》 2019年
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地理空间变量突变检测方法及初步应用

朱立珍  
【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。
【学位授予单位】:南京师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O211.61;P208

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