双界面匹配一体化速度建模技术研究与应用——以天山南山前带阳霞区块为例
基于SWIPT的半双工中继QF协作可达速率分析
2021年2月第44卷第1期北京邮电大学学报Journal of Beijing University of Posts and TelecommunicationsF e b.2021Vol.44 No. 1文章编号：1007-5321 (2021 )01-0014-06 D O I：10. 13190/j. jbupt. 2020-043基于SW IPT的半双工中继Q F协作可达速率分析张顺外，石笑笑(南京邮电大学通信与信息工程学院，南京210003)摘要：为解决中继节点能量受限的问题及提高系统能量效率以实现可靠绿色通信，提出了基于无线携能传输(SWIPT)技术的半双工中继量化转发（Q F)协作系统.首先，建立基于S W I P T的半双工中继Q F协作系统模型，信源节点和目的节点由电源供电，中继节点通过S W IP T技术同时实现信息传输和能量收集；其次，在功率分割协议下，推导出基于S W IP T的Q F协作的可达速率表达式，证明可达速率是关于功率分割因子的凸函数，并求解出最优功率分割因子以优化可达速率；然后，针对慢衰落信道，进一步分析了基于S W IP T的Q F协作的预期速率；最后，理论分析与仿真结果表明，基于S W I P T的Q F协作的可达速率或预期速率均明显优于传统放大转发和译码转发协作，并且基于S W IP T的Q F协作在中继节点没有外部供电的情形下，能达到与传统Q F协作相近的性能.关键词：无线携能传输技术；量化转发协作；功率分割协议；可达速率；预期速率中图分类号：TN911.2 文献标志码：AAchievable Rate of the SWIPT-Based Half-Duplex Relay QFCooperative SystemZHANG Shun-wai, SHI Xiao-xiao(College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003 , China)Abstract ：Aiming to solve the problem of energy limitation of relay node and improve the energy efficiency of the system for achieving reliable green communication,the half-duplex relay quantize-and-forward (QF)cooperative system is studied based on simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT).Firstly,a SWIPT-based half-duplex relay QF cooperative system model is established.The source node and destination node are powered by external power.The relay node simultaneously implements information transmission and energy harvesting by SWIPT.Then,for the power-splitting protocol,the achievable rate expression of the SWIPT-based QF cooperation is derived.It is proved that the achievable rate is a convex function with respect to the power-splitting factor,and the optimal power-splitting factor is obtained to maximize achievable rate.Furthermore,for slow fading channels,the expected rate of SWIPT-based QF cooperation is further analyzed.Finally,the analysis and simulation shows that the a-chievable rate or expected rate of SWIPT-based QF cooperation is obviously superior to that of traditional amplify-and-forward and decode-and-forward cooperation,and SWIPT-based QF cooperation achieves similar performance to that of traditional QF cooperation in the absence of external power supply for the relay.Key words：simultaneous wireless information and power transfer technology；quantize-and-forward coop-收稿日期：2020~04-23基金项目：国家自然科学基金项目（61501256);江苏省高等学校自然科学研究面上项目（20KJB510034);南京邮电大学国自基金孵化项目（NY219073)作者简介：张顺外（1987 —），男，副教授，硕士生导师，E-mail:*****************.cn.第1期张顺外等：基于SW1P T的半双T中继Q F协作可达速率分析15 eration；power-splitting protocol;achievable rate；expected rate随着绿色通信技术的快速发展，能量收集（EH，energy harvesting)技术成为研究热点，与传统的能量 收集技术不同，无线携能传输（SWIPT，simultaneous wireless information and power transfer)技术 将射频 (RF,radio frequency)信号作为能量源，经过转换装 置转换为电能进行存储，供自身无供电的终端使用. SWIPT技术能同时传输信息与能量，是一种延长无 线通信系统生存时间的有效方法.Zhou等[2:提出 了 2种SW IPT协议，即功率分割（PS,power splitting)协议和时 间切换 （TS,time switching)协议 •PS 协议是将接收的R F信号功率分成两部分，分别用 于E H和信息译码.在T S协议中，E H设备在一段 时间内从其接收的R F信号中获取能量，而在剩余 时间内译码其接收的信息.协作技术可追溯至1979年Cover等对中继信道的研究，常见协作方式包括：放大转发（A F,ampli-fy-and-forward)方式—'、译码转发（DF，decode-and-forward)方式:4]、编码协作方式[5:等•基于SW1PT 的协作技术融合了 SWIPT技术与协作技术，能实现 可靠的绿色通信，引起了广泛关注.H u等[6]研究了 基于SW IPT的A F协作系统，提出了一种基于最小 机会成本的中继选择算法以延长系统的生存时间，并证明了中断概率要求严格时所提方案的优越性. Zhang等[~针对基于SW IPT的A F双向中继协作的 能效优化问题展开研究，建立了基于统计的能量效率模型，通过非线性分式规划求解得出闭合解，并将 其推广至多中继多用户场景.I n等[8S研究了 P S协 议下基于SW IPT的D F协作系统，分析了可达速率一能量（R-E,rate-energy)区域，并提出了一种新的能量收集协议，即信息和能量信号多址广播协议，以改善可达R-E区域.Zoi■等:9]考虑一个基于SWIPT的D F单信源多中继协作系统，提出了最佳功率分配和中继选择算法，推导出了系统中断概率解析表达式，并分析了高信噪比（SNR,signal noise mtio)下系统的分集增益.与A F或D F协作方式相比，量化转发（QF, quantize-and-forward)协作方式下中继节点将其接收 的信号进行简单量化，然后将量化后的信号转发至目的节点.量化后的信号无噪声积累，便于存储、处 理和交换，复杂度较低，便于加密处理，更有利于信 息的安全传输.丫3〇等[~研究了Q F协作在离散无记忆加性高斯白噪声（AWGN,additive white Gaussian noise)半双工中继信道上的可达速率，并将其扩展至慢衰落信道上，证明了 Q F协作相比压缩转发协作更适合慢衰落信道.Y a o等研究了Q F协作 在慢衰落半双工信道上的中断概率和预期速率，并 表明在信道状态信息（CSI,channel state information)仅在接收端可知情形下，从目的节点到中继节点的简单反馈可以进一步改善Q F协作的性能.目前暂未见基于SW丨P T的Q F协作的相关研究.鉴于上述情形，提出了基于SW IPT的半双工中 继Q F协作系统，解决了中继节点能量受限的问题，实现了可靠的绿色通信，主要贡献概述如下：①推导出了基于SW IPT的半双工中继Q F协作的可达速 率表达式；②针对AWGN信道，求解出P S协议下 最优功率分割因子以优化可达速率；③针对慢衰落信道，分析了基于SW IPT的半双工中继Q F协作 的预期速率，并进一步通过数值仿真验证了系统性能.1基于SW IPT的半双工中继Q F协 作系统描述基于SW【P T的半双工中继Q F协作系统模型如 图1所示.信源节点S在中继节点R的协助下向目 的节点D传送信息.假定信源节点S由电源供电，而中继节点R处无供电，需要从接收信号中收集能量，并将收集到的能量用于信息传输.在协作方式下，中继节点先对其接收信号进行量化，再将量化后 的信息经R-D信道发送至目的节点D.假定S-R、S-D和R-D信道的增益分别为l/tS K I2、I k l2和I/1rd I2,7'为整个时间块的持续时间，将其 分成2个时隙（子块），且2个时隙的持续时间相16北京邮电大学学报第44卷等，均为772.信源节点S在整个时间块中发送信息，而中继节点R在第1时隙接收并在第2时隙发 送和七分别表示第I和第2时隙信源节点S发 送的信号，^表示第2时隙中继节点R发送的信 号，y,和73分别表示第1和第2时隙目的节点D接 收的信号，y2表示第I时隙中继节点R接收的信号.1.1中继节点能量收集中继节点R接收到来自信源节点S的信号，在 P S协议下，通过SWIPT技术得到的能量信号为2.1 A W G N半双工中继Q F协作AWGN半双工中继Q F协作可达速率见定理1.定理 1记 C,= I /i s…I2,C2= I/i.S B 丨2,C3 = 1/1…,,12，在六10〜信道下（：丨、(：2、(：3为固定值，假定 归一化4 =杧=1，则AWGN半双工中继Q F协作的 可达速率为R <max min{—lb( 1 + C,P,H—^^+碲1 4 l I +52v I+lb(l+C丨P,),J e h=/P^P h^x>+n«( 1 )其中：P为功率分割因子，A为信源节点s第1时 隙的发射功率为服从均值为0、方差为S2R的复 加性高斯白噪声.故中继节点收集的能量为E^Vp P t\h,R\2T/2(2)其中：7?为能量转换效率，〇 <r? <1.进一步，可得出中继节点的发送功率为P« =VP P\l/l SR |：(3) 1.2接收端信息传输在Q F协作方式下，中继节点先对接收的信号进行量化，再将量化后的信号进行转发.中继节点的接收信号表示为J-L = (1 -p)^sR*i+nR(4)在第1时隙，目的节点的接收信号为Ji = \/~P~\hsv x\+nn(5)在第2时隙，目的节点的接收信号为~+n D(6)中继节点量化后的信号为r2 = r2 + zv(7)其中：p3为信源节点第2时隙的发射功率，中继节 点将第1时隙接收的信号y2量化得到么，在第2时 隙通过信号&发送其对应的量化索引["_12];%为服从均值为〇、方差为忒的复高斯白噪声；&为独 立的高斯随机变量…]，均值为〇,方差为$•2 基于SW IP T的半双工中继Q F协作可达速率分析在分析AWGN半双工中继Q F协作可达速率基 础上，推导出基于SW IPT的Q F协作在AWGN信道 下最大可达速率表达式.并进一步推广分析其在慢衰落信道下的预期速率.>[1 + (1 冗:)〜]々b d+C A+w}(8)其中为中继节点的发送功率.定理1的证明参 见文献[11].2.2 基于SW IPT的A W G N半双工中继Q F协作利用SWIPT技术，中继节点将收集的能量用于 第2时隙的信息传输，此时式（8)中匕=/\，再结合 式（4 )~ 式（7 )，假定 x,.e= 1，2，3 )、y,e、么e么，则相关的平均互信息如下:I{X r,Yx,Yt) =I(X r,Yl,Y2+Z Q)=+卟+C，+^1](9)/u w2)丨丨)(i+c，3)(10)/(z,；y,) =y i b(i +c,p,)(i i)I(X r,Y2) ^I(X]；Y2 +z y)c2p,(i-P)T2-lb/(Y2；Y2)-lb1+C2P,(1 -p)S'K X,,X2；Y,)=y l b(l^C,P^C2CiVp P y)由式（11)〜式（13)可得：K x x；y x) +/(^,；y2)-i(y2；y2)i『（i + c丨尸丨）52h2-lb+ 5,(12)(13))(14)(15)基于SW IPT的AW GN半双工中继Q F协作的可达速率可进一步表示为/? < m ax m in {备’d ;) + +/(X3;F3 IZ2)，碎L2 2第1期张顺外等：基于SWIPT 的半双T .中继Q F 协作可达速率分析17[/(J I ；F ,) +I (X I -,Y 1) -l (Y 2；Y 2)] +2max min \ ^(8,,) ,I 2(S 9)sb(16)其中.1,(81) = —lb I 1 +C ,P ,4C 2P t ( \ -p )I +44lb (l +C ,P 3)(17)述为maxZ (p ) =1 +Clf >1 +pC 2P ,(1 -p )1 +C ,P , +C 2P ,(1 -p )C 2CiVP P ,s . t . ：0 <p < 1(23 )求Z (P )关于P 的一阶偏导可得：dZ (p ) —_________-C 2Pt _________dp ~ t | C ,P , +C ,P ,(1 -p ) + 1 +C 1Ci 7)pPl/2(o =士lb(1 +c tp t )82Q1+5;4lb (l +C ,P 3 +C 2CiVPP t )(18)由的表达式可知，/,(碑）是关于 < 的单 调减函数；由/2($)的表达式可知，/2(&)是关于< 的单调增函数，则当且仅当/,(<) =/2(<)时，QF 协作可得到最大理论可达速率的表达式.令/,(<) =/2(馮），得到夂的表达式为S ：,+ C .P , +C 2P ,(1 -p )(1 +C ,P ,)C 2C ,V pPt19)+ c ,p 3 I得到Q F 协作的最大理论可达速率表达式为C ,p ,C 2P ,(1 -p )+ C ,P , +C 2P ,(1 -p )4(I +C ,P ,) lb(l +C ,P 3)C 2C 37]pP ,1 +c ,p 3(20)2.3功率分割因子优化C 2P ,(1 —p )^V PC ,P , +C 2P ,(1 -p )C 2C ,Vp 2P ,C ,P , +0^,(1 -p ) +1C 2C 3r ?pP ,(24)令解得： dpP * =C ,P , -+C 2P , +1)(C ,P , +C 2C ,Plr / + l ) +C 2P , +1c2P 丨-C A P lV(25)由式（24)可知：Z (p )在（0，,）范围内，是关 于p 的单调递增函数，在[P ’，I )范围内是关于P 的 单调递减函数.由此可得：在（〇，1)范围内有且仅有一个根^使得M ^=〇,因此/?#是关于功率分割dp因子P 的凸函数，即在最优功率分割因子y 处可得 到可达速率•.的最大值.2.4基于SW IP T 的慢衰落半双工中继信道的QF当信源节点发送功率P , =P 3,得到式（20)的简化式l 〇F-lb+ C.P ,C 2P ,(1 -p )+c ,p , +c 2p ,(r ^yC 2C ,-qpPiT lb 〇 +C ,P 3)(21)由式（21)可知，RQ F 是关于p 的函数，且只有部 分分式与p 有关，为简化运算，记作Z (p ) =1 +C ,P ,C 2P ,(1 _P )1 + CtP , + C2P ,(1 -p )C 2C ^p P l协作对于慢衰落信道模型，信道系数在单个时间块 上保持不变，而在块与块之间随机变化，在这种情况 下，可达速率为随机变量.在研究中继Q F 协作的性 能时，考虑系统预期速率.为了方便起见，记作C 二[(：,，(：2，(：3] ,Q F 协作 的可达速率通常表示为信道系数矢量的函数 /Q F (C ),即 /Q F (C ) =R Q f .，其中 /Q F (C )为“瞬时可达 速率在整个传输过程中假定固定信息的传输速率为 /•.对于慢衰落信道，在基于SW IPT 的半双工中继 Q F 协作中，中断概率表示为(22)因此，可将系统的最大可达速率的求解问题表P …u , =Pr j V (C ) 〇丨 （26)根据上述中断概率的定义，可以进一步定义预18北京邮电大学学报第44卷3.2不同能量转换效率下基于SW IP T 的半双工中继Q F 协作可达速率的比较图3所示为不同能量转换效率下基于SWIPT 的半双工中继Q F 协作的可达速率的对比.假设功 率分割因子P 分别为〇. 3、0. 5和0. 8,P = 10 W .由 图3可知，当p 固定时，可达速率与能量转换效率” 为正相关，系统可达速率随着能量转换效率的增加 而提升.在p 为0.5的情况下，77=0.3时，可达速率 /?!jF = 1.06 bit /s ，而=0. 8 时，可达速率 ft # =1. 12 bit /s ,性能提升约5.7%，这是因为能量转换效 率越高，中继节点可利用的能量越多，中继节点的发 送功率越高，进而增大了系统的可达速率.故提高 系统实际的能量转换效率是改善系统可达速率的有 效途径之一.l.lX)^^1-----1-------1------1------1------1------1------1------1------0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0n图3不同能量转换效率下系统可达速率的比较3.3不同功率分割因子下基于S W IP T 的半双工中继Q F 协作可达速率的比较图4所示为不同功率分割因子下基于SWIPT 的半双工中继Q F 协作的可达速率的对比.假定信 源节点发射功率分别为6 W ，10 W 和15 W ,=0.9. 由图4可知，最优功率分割因子p '即为仿真图中标 “A ”的位置.如发射功率为15 W 时，得到最优功率 分割因子^^ =0.51,对应的可达速率最大约为期速率为R其中，-P.,J =K 1 -P r |/Q F (C ) <r | ) (27)P o u , =P r {(l + C ,P ,)2 +C C W l-p )(l + C 丨 P 3)<24^ 1 (28)1 + C 1P 3+C 2P 1(1 —p ) + C2C ^rjpP3仿真结果与分析通过数值仿真分析基于SW IPT 的半双工中继Q F 协作的可达速率和预期速率.假设AWGN 情形 下，S -D 、S -R 和R -D 信道增益分别固定为C , =0.3、 C 2 = 1和C 3 =1.信源节点在第I 时隙和第2时隙 的发送功率P , 中继节点和目的节点的噪声功率归一化S2R=1 ,则S -D 信道的平均发送信噪比与发送功率相等，即为3.1不同协作方式下半双工中继可达速率的比较研究基于SW IPT 的半双工中继Q F 协作的可达 速率，并与传统的QF 、D F 和A F 协作方式的可达速 率进行比较，结果如图2所示.假定Q F 协作方式 下，p =0. 5，i 7 =〇. 9.传统协作方式中继节点由电源 提供能量，且功率P 2=P .由图2可知，在高信噪比 下，基于SW IPT 的Q F 协作和传统Q F 协作的可达 速率均比D F 或A F 协作更高•这是因为D F 或AF 协作严格受到S -R 信道限制，对S -R 信道可靠性依 赖性更强，而Q F 协作受S -R 信道限制较小.仿真结 果同时表明：基于SW IPT 的Q F 协作的可达速率与 传统Q F 协作的可达速率相近，仅相差约0. 1 bit /s . 但由于基于SW IPT 的Q F 协作中继节点无需外部电 源提供能量，因此能效更高，更适用于能量受限的通 信场景•上述结论可推广至更一般的信道传播模 型，如经典的奥村传播模型等.1.4图4不同功率分割因子下系统可达速率的比较0 1 2 34 5 67 8 9 10SNR/dB图2不同协作方式下系统可达速率的比较8060402(，丨I!q )/^i r -K I a c _{'.•1S /褂i r -K I f ^•■=1)/#铟相IF第1期张顺外等：基于SW1P T的半双工中继Q F协作可达速率分析19l.367 7 bit/s•图4同时验证了，在（〇,p‘）范围内，可达速率随着功率分割因子的增加而单调增加；在 [P'l)范围内，可达速率随着功率分割因子的增加 而单调减小.3.4不同协作方式下半双工中继预期速率的比较针对慢衰落信道，信道系数在单个块上保持不变，而在块与块之间随机变化，研究了基于SWIPT 的Q F协作的预期速率，并与传统的QF、D F和AF 协作方式的预期速率比较.假定0=0.5,77=0.9,固定信息传输速率r =0.5 bit/s.由图5可知，基于 SWIPT的Q F协作与传统Q F协作的预期速率均优于A F或D F协作方式，且前两者非常接近，相差仅 约0.01 ~ 0.02 bit/s•在高信噪比情况下，基于 SWIPT的Q F协作和传统Q F协作的预期速率近似一致，但前者能效更高.〇10---1--1---1---1---1---1--1---1---1--'5 6 7 8 9 10 II 12 13 14 15SNR/dB图5不同协作方式下系统预期速率的比较4结束语提出了基于SW IPT的半双工中继Q F协作系统 模型.在中继节点采用P S协议的情形下，推导出基 于SWIPT的AWGN半双工中继Q F协作的可达速率表达式，证明可达速率是关于功率分割因子的凸函数，并求解出最优功率分割因子以优化可达速率. 然后，进一步分析了基于SW IPT的慢衰落半双工中 继Q F协作的预期速率.最后，仿真结果表明，基于 SWIPT的Q F协作的可达速率或预期速率均明显优 于传统A F和D F协作，并且基于SWIPT的Q F协作 在中继节点无电源供电的情形下，能够达到与传统 Q F协作相近的性能，且能效更高，更适用于能量受 限的通信场景.参考文献：[1Abedi M, Masoumi H, Emadi M J. 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大语言模型技术在区域地质勘探报告中生成式应用的实践探索
大语言模型技术在区域地质勘探报告中生成式应用的实践探索目录一、内容简述 (2)1.1 研究背景与意义 (2)1.2 国内外研究现状概述 (3)1.3 研究内容与方法 (4)二、大语言模型技术基础 (4)2.1 大语言模型技术原理 (5)2.2 生成式对抗网络原理 (6)2.3 大语言模型与GAN的结合 (7)三、区域地质勘探报告生成式应用需求分析 (7)3.1 区域地质勘探报告的特点 (8)3.2 生成式应用的需求分析 (9)3.3 报告生成式应用的技术框架 (10)四、大语言模型技术在区域地质勘探报告生成中的应用 (11)4.1 数据预处理与特征提取 (12)4.2 基于大语言模型的文本生成方法 (13)4.3 模型训练与优化 (14)4.4 实时交互式报告生成 (15)五、应用效果评估与案例分析 (16)5.1 应用效果评估指标 (17)5.2 案例一 (18)5.3 案例二 (19)六、结论与展望 (21)6.1 研究成果总结 (22)6.2 存在的问题与不足 (23)6.3 后续研究方向与展望 (24)一、内容简述在实际应用中，我们发现大语言模型技术能够有效地提取地质勘探数据中的关键信息，并自动生成结构清晰、内容准确的地质勘探报告。
该技术还可以辅助地质学家进行数据解读和成果分析，提高工作效率和质量。
我们也面临着一些挑战和问题，如数据质量、模型准确性、应用场景等。
为了解决这些问题，我们需要进一步研究和改进大语言模型技术，探索更高效、更准确的生成式应用方法。
大语言模型技术在区域地质勘探报告生成式应用中具有广阔的前景和潜力。
通过实践探索和应用改进，我们可以更好地发挥这一技术的优势，为地质勘探工作提供更加高效、准确的服务。
1.1 研究背景与意义区域地质勘探报告是地质学家对地壳进行深入研究后编制的重要文件，其中包含了丰富的地质信息。
手动编写这些报告不仅耗时费力，而且容易出错。
传统的方法也无法充分利用现代地质学、地球物理学等多学科的最新研究成果，导致报告的内容和深度难以得到有效提升。
用于沙漠区深度域速度建模的方法_CN109581501A
建模的方法及装置 ，其中 ，方法包括 ：建立浅表层 深度域速度模型 ；建立中 深层深度域速度模型 ； 将浅表层深度域速度模型和中深层深度域速度 模型进行速度融合以获取浅中深层一体化深度 域初始速度模型 ；以 及利用各向同性层析速度反 演技术和各向异性层析速度反演技术对浅中深 层一体化深度域初始速度模型进行迭代更新。本 发明的 用于沙漠区 深度域速度建模的 方法可获 得沙漠区高精度深度域速度模型，从而进一步提 高深度偏移的成像质量。
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延迟； 利用层反射波层析速度反演技术，对拾取的所述剩余速度或剩余延迟进行各向同性深
度域层速度模型更新； 重复各向同性叠前深度偏移成像与各向同性深度域速度模型更新过程，以获得精确的
各向同性深度域层速度模型；以及 利用所述各向同性深度域层速度模型对时间域层位进行时深转换获得深度域层位，计
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说 明 书
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用于沙漠区深度域速度建模的方法
技术领域 [0001] 本发明涉及复杂沙漠区石油和天然气地震勘探技术领域，具体涉及一种用于沙漠 区深度域速度建模的方法及装置。
(74)专利代理机构 北京市浩天知识产权代理事 务所(普通合伙) 11276
代理人 宋菲 刘云贵
(51)Int .Cl . G01V 1/30(2006 .01)
(10)申请公布号 CN 109581501 A (43)申请公布日 2019.04.05
( 54 )发明 名称 用于沙漠区深度域速度建模的方法
算深度域层位深度与测井分层深度的 误差 ，建立各向 异性参数体 ，利 用各向 异性反射波层 析速度反演技术对各向异性深度域层速度和各向异性参数进行更新；
新工科专业产教融合人才培养模式探索——以区块链专业为例
新工科专业产教融合人才培养模式探索——以区块链专业为
例
王陆平;奚雪峰;戴欢;李泽;陆悠
【期刊名称】《教育进展》
【年(卷),期】2024(14)4
【摘要】区块链技术是一项发展数字经济的关键技术,然而,目前我国区块链专业人才极度缺乏,已严重阻碍了我国区块链产业的发展速度。
区块链工程作为新工科专业之一,面向产业人才需求,加强产教深度融合,培养创新能力强、综合实践能力强的高素质复合型的“新工科”人才的意义重大。
本文以苏州科技大学的区块链工程专业为例,从人才培养模式和协同育人路径、产教融合的课程体系等多方面进行分析,探索区块链技术人才培养和能力建设新思路,探索一种更全面、更深入的新工科专业产教融合教学新模式。
【总页数】8页(P458-465)
【作者】王陆平;奚雪峰;戴欢;李泽;陆悠
【作者单位】苏州科技大学电子与信息工程学院苏州
【正文语种】中文
【中图分类】G64
【相关文献】
1."产教融合、工学一体、校内顶岗"的动漫制作技术专业现代学徒制人才培养模式探索与实践——以黑龙江职业学院动漫制作技术专业产教融合项目为例
2.赛教融
合深化产教融合人才培养模式探索与实践——以南京交通职业技术学院汽车运用与维修技术专业群为例3.专业群背景下新工科专业产教融合协同育人模式的探索--以北京联合大学机器人工程专业为例4.“新工科”背景下产教融合共培同育食品专业人才模式的实践与探索——以河南农业大学食品科学与工程专业为例5.新工科产教融合背景下软件工程专业融合型人才培养的探索与实践——以现代信息产业学院为例
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空天一体化视景仿真关键技术研究
小型微型计算机系统Journa l o f Ch i nese C om puter Sy ste m s2010年11月第11期V o l 31N o .112010收稿日期:2009 08 28 基金项目:国家"八六三"高技术研究发展计划项目资助. 作者简介:郭栋梁,男,1983年生,博士研究生,研究方向为计算机图形学、虚拟现实;聂俊岚,女,1964年生,博士,教授,研究方向为虚拟现实;王艳芬,女,1982年生,硕士,助理实验师,研究方向为虚拟现实、计算机图形学;孔令富,男,1957年生,博士生导师,教授,研究方向为计算机智能控制、机器视觉.空天一体化视景仿真关键技术研究郭栋梁,聂俊岚,王艳芬,孔令富(燕山大学信息科学与工程学院,河北秦皇岛066004)E m ai:l dong li an g1005@摘 要:针对空天场景中仿真实体坐标系难以组织,通过研究空天场景坐标系的一般关系树,提出基于V ega Pr i m e 的坐标系关系树组织结构;通过设计观察目标到视点距离和视域远近裁减面的函数对应关系,解决了空天场景中由于实体尺寸差别悬殊带来的展现失真问题;对气象环境加入区域约束,根据视点位置确定当前气象环境效果,实现空天场景多环境的展现.设计K T SG 系统,实现了空天一体化场景的逼真显示.关键词:空天一体化;视景仿真;多坐标系管理;多气象环境中图分类号:T P391 文献标识码:A 文章编号:1000 1220(2010)11 2255 05Research on K ey T echnologies of Scene Si m ulation AboutA erospace IntegrationGU O D ong liang,N IE Jun lan ,W ANG Y an fen ,KONG L ing fu(In f orma tion Science and En gi n eeri ng In stit u te,Yanshan Un iversity,Q i nhuangdao 066004,Ch i n a )Abstrac t :A no ve l organizati o na l structure o f coo rd i nate s h i e rarch ical tree t ha t base on V ega P ri m e w as propo s ed ,ai m i ng a t o rg an i z i ng the si m ulation entities i n aero s pace .A nov e l functi o n w as desi gned ,w h i ch is com po sed o f t he d istance bet w een targ et and o b serv er ,t he near c li ppi ng p l ane ,and t he far cli pp i ng plane .Succe ssfull y preven t the prob le m o f d is p l ay d isto rti on .The m ulti env iro n m ents w ere disp l ayed i n aero space scene ,buil ding on addi ng reg ion re str i c t to m eteo ro log i ca l env i ron m en.t Currentm eteo ro log i ca l en v i ron m ent w as cho se acco rd i ng t o t he po siti on o f v ie w er .K T S G syste m w as designed ,ex ac tl y d isplay i ng t he s pace scene .K ey word s :aero s pace i nteg ra tion ;scene si m ulati on ;m u lti coo rdi na t e sm anagem en ;t m ulti m eteo ro l og i ca l env iron m ent1 引 言空天场景是包含航天平台、临近空间平台、航空平台和地面环境一体化结合的三维场景,具有范围广、气象环境多样、实体描述复杂等特点.有效地组织三维空天场景,实现不同空间平台实时逼真地展现,在空间探测、空天虚拟战场仿真、三维游戏等方面都有着极其重要的研究意义.作为M u lti g en Parad i gm 公司推出的支持面向对象技术的实时视景驱动软件,V eg a P ri m e 具有展现效果逼真、配置灵活、扩展模块丰富等特点,在航空航天、虚拟战场、工业仿真等诸多领域得以广泛地应用.对于空间局部区域的视景仿真,使用其自带的场景配置工具L ynx P r i m e 就能很容易地实现.然而,由于空天场景的特点,V ega Pr i m e 实现空天视景仿真会遇到如下问题:1)描述仿真实体的坐标系各式各样.例如卫星等航空飞行器一般使用地心惯性坐标系,飞机等近地飞行器一般使用大地坐标系,而车辆、房屋等地面物体使用的却是当地坐标系.多种坐标系难以管理.2)实体尺寸比例相差很大,如卫星、飞机尺寸等只有米数量级,而地球半径、卫星轨道半径都在数千公里甚至更高数量级,不考虑尺寸因素会产生定位精度问题和Z fighting 现象;3)场景范围广,气象环境复杂,同一场景下不同区域不同环境的展现效果难以很好地展现,难以实现多角度、全方位观察整个空天场景.目前对于近地平台,只对局部区域进行视景仿真[1 3];对于航天、临近空间等单一平台,通常采用非真实比例,即缩小地球和卫星半径尺寸比例进行视景仿真[4 5].无法满足既包含航空平台、临近空间平台、航天平台、又包含局部精细地形区域的空天一体化真实场景的视景仿真要求.本文从多坐标系管理、视域远近裁剪面控制和多气象环境管理等方面入手,研究如何在V ega Pr i m e 中实现真实比例、高逼真度的空天场景展示.2 空天场景下多坐标系管理三维场景通常采用对笛卡尔坐标系进行平移、旋转、缩放等操作来组织场景图[1],而对于空天三维场景,一部分仿真实体的位置和姿态使用笛卡尔坐标系进行描述,而其他许多仿真实体是在大地等地理坐标系中进行描述的[6,7].通过对空天仿真实体定位方式的研究,总结空天场景坐标系之间的关系,如图1所示,图中椭圆表示各种不同的坐标系,大写字母表示不同坐标系下的转换矩阵.实体本体坐标系是真正绘制实体三维模型的坐标系;实体轨道坐标系是指环绕行星质心做规则周期运动实体所在坐标系,在其坐标系下描述的实体对应卫星、临近空间飞行器等运动有规律的实体;地心固定坐标系下的描述实体主要对应与实体轨道坐标系下相类似、只是参考坐标系不同的实体;大地坐标系下描述的实体对应飞机、近程导弹、局部地形等近地实体;当地坐标系则描述以某个地理位置点做参考的实体,如局部地形下的车辆、建筑等;而行星惯性坐标系一般在日心黄道坐标系下进行描述.图1 空天场景多坐标系关系树F i g.1M ulti sy ste m s h i erarch ies i n s pace scene在V ega P r i m e中,可以定义四种类型的坐标系:当地坐标系、大地坐标系、地心固定坐标系和投影坐标系[8][9].由于V ega Pr i m e是针对近地视景仿真,其本身提供的坐标系描述不足以支持整个空天场景的生成,必须进行坐标系扩展.描述地球表面场景可视化,V ega P ri m e采用地心固定坐标系为场景的根节点,然后再进行地理坐标系和当地坐标系的转换.在场景图中,实体本体坐标系越靠近根节点,矩阵计算误差越小,尤其是大范围场景中更要考虑这个因素.由于空天场景中大部分仿真实体是在以地球为中心的坐标系或大地坐标系下定位的,为了降低坐标转换带来的精度误差,所以采用以地心固定坐标系为空天场景的根节点,对图1的组织形式进行转变,得到图2以地固坐标系为根节点的空天场景组织关系图.图2 以地固坐标系为根的空天场景组织关系F i g.2Space scene o rg an iza ti on w ho seroo t is eart h fixed co ordi na t e sy ste m如图2所示,只需求得日心黄道坐标系到地心惯性坐标系的转换矩阵A的逆矩阵A^( 1),以及地心惯性坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵C的逆矩阵C^( 1)作为新关系树的转换矩阵,完成以地心固定坐标系为根节点的关系树的转换.对于大地坐标系这种直接与地球模型相关的地理坐标系,在V ega P ri m e中通过设定参考地球模型获得vpC oo rdSy s 对象,从而根据此对象获得地心固定坐标系到大地坐标系的坐标转换器v p C oo rdC ov erter对象.对于大地坐标系下的仿真实体vp O bjec,t只要设定其坐标转换器为此vpC oo rdC ov erter 对象,就可以以(经度,纬度,海拔,偏航角,俯仰角,滚动角)的地理位姿形式来描述仿真实体的运动.绘制时,场景图内部会自动地对其进行坐标转换矩阵F,从而实现笛卡尔坐标系与地理坐标系之间的转换.具体创建和使用vpC oo rdC ov erter 的方法如下://创建地球模型vpC oo rdSy s::E lli pso i d*m_E lli p s o i d=new v p C o o rdSy sEllips o i d("K TE art h",EARTH_SE M I M A J OR,EARTH _SE M I M I NOR);m_E lli p s o i d >ref();//通过m_E lli pso i d创建大地坐标系的vpC oo rdSy s对象vpC oo rdSy s*m_G eo de tic=new vpCo o rdSy s(v p C o o rdSy s::TY PE_GEO DET IC,m_E lli pso id);m_G eodeti c >re f();//通过m_Ellips o i d创建地心固定坐标系的vpC oo rdSy s 对象vpC oo rdSy s*m_G eocentr i c=new vpCoo rdSy s(v p C o o rdSy s::TY PE_GEO CENTR I C,m_E llipso i d);m_G eocentr i c >ref();//初始化大地坐标系转换器vpC oo rdCo nv erter*m_G eo de ti cC ov=ne w vpCo ord C onv erter();m_G eodeti cC ov >ref();m_G eodeti cC ov >s e t Co o rdSy s(m_G eo de tic);//初始化地心固定坐标系转换器vpC oo rdCo nv erter*m_G eocentricC ov=ne w vpCo ord C onv erter();m_G eocentr i cC ov >ref();m_G eocentr i cC ov >se t Co ordSy s(m_G eo centr ic);//初始化地心惯性坐标系的v p T ransfo r mvpT ransfor m*m_G eoCenInerT ran s=ne w vpT ran sfo r m ();m_G eoC enInerT rans >re f();//设置场景根节点m_Scene为地心固定坐标系形式m_Scene >se t Coo rd C onver t e r(m_G eo cen tricCo v);//建立地心固定坐标系和地形惯性坐标系的从属关系m_Scene >add C hil d(m_G eoC enInerT ran s);//设定场景中实体对象a irplane为大地坐标系描述形式的方法m_Scene >add C hil d(a irp l ane);a irp l ane >set C oo rdC onverter(m_G eodeticCo v);3 视域远近裁剪面控制大规模场景精确显示必须解决两个问题,一是如何提高2256 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2010年三维场景中物体定位的精度,二是如何提高深度检测的准确性.在三维场景中,对于获得高精度的物体位姿数据,可以通过减少矩阵转换操作和采用高精度数据类型来实现[10].通过对空天场景下多坐标系的管理,采用以地固坐标系为根结点的空天场景组织关系,可以相应地减少矩阵转换操作,获得较高精度的物体位姿数据.此外,V eg a Pr i m e 较之前身V ega 在数据类型上进行了改进,采用更为精确的64位双精度浮点型数据类型,从而进一步提高了矩阵操作计算结果的精度.图3 大尺寸地球模型产生的Z fighti ng 现象F ig .3Z f i ghti ng caused by b i g ger earth m o de l 目前主流计算机最多支持32位的深度缓存,即对于三维场景而言,以视域远、近裁剪面为两端的深度值数据最多支持232个量化单位,而且随着远离视点,量化单位表示的距离是越来越大的.对空天一体化真实视景仿真,不仅要对大尺寸实体进行全局显示,也要对小尺寸实体进行局部特写.如果没有对视域近裁剪面的N ear 值和远裁剪面的F ar 值进行合理设置,就会出现用户不可容忍的失真效果[11]:若N ear 值很小而Far 值很大,就会使得绘制到同一屏幕像素上的面片深度检测不准确,出现如图3所示Z f i ghti ng 现象;若N ear 值很大且Far 值也很大,则大尺寸的物体不会出现Z fighti ng 现象,但是小尺寸的近处物体却会跑到近裁剪面之外,出现如图4所示部分"拦断",甚至全部看不到的现象.所以必须针对视点位置动态调整视域的远近裁剪面的值,更好地利用32位的深度量化级.图4 N ear 值太大出现的"拦断"现象F i g.4"blo ck"caused by larg er N ear nu m b l er 通过研究,发现空天场景具有以地球为中心,地球表面和星空为场景绘制背景,仿真实体作为场景单元嵌入其中,且运动位置在地球半径数量级以下的特点.通过设定不同的Near 、F ar 值和观察物体的尺寸进行试验还得出:以10米为N ear 值的话,F ar 值取地球直径(约1.3万公里)不会出现Z fi gh ting 现象且能满足对局部小尺寸实体进行特写的要求;以2000米为N ear 值的话,F ar 值取太阳系直径(约120亿公里)不会出现Z f i gh ting 现象,而且在这个范围内(2000米以上)小尺寸实体实际不需要局部精细表现.由此,采用式1建立观察目标到视点的距离d 和N ea r 、F a r 值的函数关系.其中m i n N 和m ax N 分别为实验得到的最小、最大N ea r 值(m i n N =10,m ax N =2000),ED 为地球直径,SD 为太阳系直径.当观察目标到视点的距离d 落在m i n N 和m ax N 之间时,为最大限度满足可视化范围和逼真度,使用等比例公式视域的远近裁剪面.在场景帧更新阶段,通过式1实时计算视域N ea r 、F a r 值,能很好地避免大尺寸实体的Z f i gh ting 现象和小尺寸实体的"拦断"现象,实现空天场景的高精度、大范围显示.图5 远处地球星空背景和近处实体同时展现的效果F ig .5E ffec ts s how ed by backg round o f starry sky i ni n fi n ity and entities in near d istance图5展现了合理确定N ea r 、F a r 以后,近处物体、远处地球和星空背景的展现效果.N ear =m i n N ,Fa r =ED:(d <m i n N )N ear =d,F a r =(m ax N -d ) S D +ED (d -m i n N )m ax D -m in D :(m in N !d !m ax N )N ear =m ax N,F a r =S D :(d >m ax N ea r )(1)4 多气象环境管理在视景仿真可视化中,支持气象环境效果对于增强三维沉浸感尤为重要.空天一体化场景不像局部场景那样只关注某一种气象环境的展现,而是关注对整个地球范围内不同区域的不同气象环境的展现.使得观察者不仅能动态了解不同空天仿真实体运行状态,还能真实感受其所处的自然环境.V eg a P ri m e 使用观察者绑定的方式实现环境效果的绘制,其vpEnv 模块对环境效果信息进行了封装,不仅可以定义展现环境的时间、地理位置、天空颜色等,而且作为环境管理者,vpEnv 还可以加载太阳、月亮、云层、风和雨等环境效果,通过合理设计和搭配,一个vpEnv 对象能够根据时间和所在225711期 郭栋梁等:空天一体化视景仿真关键技术研究位置,模拟出某一地点某时的真实环境展现.本文使用.star 格式的真实星体数据实现的星空效果作为空天场景的的默认环境.为了满足观察者进入不同区域表现不同的气象环境,设计了一个环境列表来组织管理不同的环境对象,并为列表中的环境对象设定其相应的展现区域,在场景运行时动态维护此环境列表.当每次帧更新时,通过判断视点所处的地理位置是否在某一个环境对象展现区域中,决定视点究竟与什么样的气象环境进行绑定.新设计的环境对象K TEnv类,继承自v p Env类,如下所示:classK T Env:pub lic vpEnv{doub l e m_M axL a,t m_M i nL a;t//纬度范围doub l e m_M axL on,m_M i nL on;//经度范围doub l e m_M axE le,m_M i nE l e;//高度范围public:boo l IsIn(v u V ec3d po s);//判断位置po s是否在该环境区域中};对于多视点多通道空天场景可视化的情况,其观察者(KTO b s e rv er)绑定环境(K TEnv)更新算法描述如下:(1)遍历K TO b s e rv er对象列表,如果遍历完成,退出,否则转入(2)处理;(2)通过大地坐标系的vpCo o rdCo ver t e r对象计算当前K TO bserver对象的经纬度海拔O bs LLA;(3)遍历K TEnv对象列表,如果遍历完成则转入S t ep1;否则转入(4)进行处理;(4)通过IsIn函数判断O bs L LA是否在当前KT Env对象区域中,如果为真转入(5);否则转入(6)进行处理;(5)如果K TO bserv er对象没有绑定任何KT Env对象,那么绑定当前K T Env对象于当前K TO bserver对象,并设置当前K TEnv对象的实际经纬度为此K TO bserv er对象的经纬度,然后转到(3)继续处理其他KT Env对象;否则直接转到(3);(6)如果当前K TEnv对象就是当前K TO b s e rv er对象绑定的环境对象,那么取消两者之间的绑定关系,然后转入(3)继续处理其他K TEnv对象;否则直接转到(3);通过上述算法,本文实现了多视点观察空天场景时,在地球上不同区域展现不同气象环境的效果.5 实验验证和生成效果采用本文对空天场景的组织和管理方法,在W i ndow s操作系统下的HP图形工作站上使用V C7.0和V ega P ri m e实现了K T S G(空天场景K ongT ian Scene G raph)可视化系统.使用地球、高精度局部地形、地面车辆、飞机、导弹和卫星等多种模型作为空天场景的三维可视化元素,模型尺寸完全使用真图6 空天场景可视化效果图F i g6Effects g raphics o f space scene v isuali za tion实比例,同时,场景中包含了粒子系统、三维动画等特殊效果和多种气象环境展现效果;为了多角度全方位展现整个空天场景,使用多视点多通道技术;同时,绘制帧率能保持在35帧/秒以上.K T SG系统的展现效果如图6所示.其中,通道1观察的是某一时间华北某地区月夜的气象环境;通道2观察的是同一时刻不同时区西北某地区白天飘雪的气象环境;通道3观察目标是一颗卫星载有多个传感器,对不同区域进行行扫的效果;通道4是以一颗卫星为观察目标显示整个地球和星空背景的效果.KT S G系统以一个统一、真实尺寸的场景多角度、全方位地展现了空天视景仿真效果.6 结论与展望本文对空天视景仿真的关键技术难点进行了分析并提出了有效地解决途径:1)获得空天场景坐标系组织的关系树,并研究其组织形式,设计出其改进后更适于空天视景仿真的关系树模型;2)设计观察目标到视点的距离和视域远近裁剪面的函数关系,有效解决实体尺寸悬殊时场景产生的失真现象; 2258 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2010年3)设计了气象环境列表,对改进的环境对象类进行管理,根据视点所处环境区域动态展现区域气象环境,实现在地球上不同区域展现不同气象环境的效果.最后使用V ega P ri m e和VC7.0进行开发,实现了K T SG可视化系统,生成结果表明,该系统很好地展现了空天一体化场景效果,得到了预期的目标.随着航空航天技术的快速发展,空天视景仿真必然会成为虚拟现实领域研究的一个热点课题.今后,还需进一步研究空天场景三维可视化技术在分布式仿真中的应用,提高K T SG系统的实用性和通用性.R eferences:[1]Tang K a,i K ang Fen g j u,ZhaoW en ti n g,et a.l Gen eralv is uali zati on si m u l ati on d evel opm en t arch itecture[J].Journal o f Sy st e m S i m ulati on,2008,20(21):5752 5757.[2]H u C hun,T i an Ji n w en,M i ng De lie.C o ll abo rati ve d istri buted ocean attack d efen se scene si m u lati on[J].Journal o fH uazhon g U n i versit y of S ci en ce and Technology(N at ure S ci ence Ed iti on),2008(12):63 65.[3]W ei H ai t ao,J i ang Y u m i ng,Z hang Y a.V irtual s pace s huttl ebased on O penGL[J].M i croel E ct ron ics&C om pu t er,2009,26(5):200 204.[4]W ang X i n feng,L i Y an j un,Zhan g Shu q i n.V isual si m u l ationm odeli ng fo r s pacecrafts m ove m en t[J].Jou rnal of Syste m S i m u l a ti on,2008,20(10):2609 2613.[5]L i ao Y i ng,L i u G uang m ing,W en Yuan l an.Res earch on m odeli ng and si m u l ation for v ie w fiel d of star s en s or[J].J ou rnal of Syste m S i m u l ation,2006,18(2):38 44.[6]X i ao Y a l un.Aero s pace veh i cle m ove m en t m odeli n g[M].B eiji n g:B ei han gun i versit y Press,2003.[7]N i e Jun lan,W ang Yan fen,G uo D on g liang.M ulti coord i natess cene m anage m en t i n s pace i nfo r m ation v i sualizati on syste m[C].I EEE ACC S2009,nanya.2009:309 312.[8]V ega Pri m e Progra mm er sG u i deV ersi on2.0[M].M ulti gen Parad i 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[3]魏海涛,姜昱明,张 娅.基于OpenGL的虚拟航天飞机发射场景仿真研究[J].微电子学与计算机,2009,26(5):200 204. [4]王信峰,李言俊,张淑琴.航天器运动可视化仿真建模技术研究[J].系统仿真学报,2008,20(10):2609 2613.[5]廖 英,刘光明,文援兰.卫星星敏感器视场建模与仿真研究[J].系统仿真学报,2006,18(增刊2):28 44.[6]肖亚伦.航空航天飞行器运动的建模[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[9]李亚臣,胡 健,黎远忠,等.基于V ega Pri m e的航天器视景仿真中的多坐标系问题[J].系统仿真学报,2007,19(03):575 578.225911期 郭栋梁等:空天一体化视景仿真关键技术研究。
城市“双修”价值体系下的山地郊野公园探研——以福州魁岐溪边公园为例
economic operation through the efficient use and regeneration concept of the surrounding radiation plots, and can also shape the city’s characteristic area through the shaping of humanistic and historical styles and the optimization and integration of ecological environment.Key words urban “double repair”; country parks; ecological security pattern; urban inefficient space; urban landscape ar ea城市“双修”是住房城乡建设部针对城市过快发展所产生的“城市病”的一项指导意见。
包含生态修复与城市修补两个概念。
生态修复[1]，其目的是对被破坏的“山水林田湖草”等自然环境的基本载体进行有计划、有步骤的修复，逐步恢复城市生态系统的自我调节功能；城市修补[2]，则是针对城市现存资源所进行的一系列优化，改善城市功能体系质量、空间品质，发掘和保护城市历史文化。
山地郊野公园临近城市边缘，往往承担着山地行洪的重任。
以“双修”视域看待此类山地郊野公园，其实是对城市快速发展时期侵占城市生态环境行为的一种纠正。
应通过“行、滞、沉淀、漫溢”等多样生态行洪手法修复城市局部区域的生态行洪功能，并以此为模式，逐步完善城市生态格局。
通过城市修补与生态修复的联动作用，优化提升场地所辐射周边城市“低效空间”的同时，也可结合“再生与利用”的多元经济营建方式优化城市营运的经济性，并形成功能叠加效应。
可通过增补场地所蕴含的生物多样性及纷繁的生境类型、生态系统服务[3]，将生态环境的优化融入彰显地域历史人文特色的景观营造中，最终塑造出别具一格的城市特色风貌区域。
中国天山积雪垂直分布异质性研究
中国天山积雪垂直分布异质性研究
张博;李雪梅;秦启勇;李超;孙天瑶
【期刊名称】《干旱区地理》
【年(卷),期】2022(45)3
【摘要】基于2001—2018年MOD10A2积雪产品和MOD11A2陆地表面温度数据,采用精细分区统计和相关性分析方法,研究了中国天山不同海拔高度上积雪垂
直分布特征及其与地表温度(Land surface temperature,LST)的响应关系。
结果表明:中国天山积雪覆盖率(Snow cover percentage,SCP)随海拔的变化呈现春、夏、秋、冬4种不同的季节变化模式。
SCP在海拔4200 m以下呈秋冬季增加、春夏
季减少态势,在海拔4200 m以上呈秋冬季减少、春夏季增加态势。
除冬季外,春、夏、秋3个季节的SCP与LST均具有显著强负相关性。
【总页数】9页(P754-762)
【作者】张博;李雪梅;秦启勇;李超;孙天瑶
【作者单位】兰州交通大学测绘与地理信息学院;甘肃省地理国情监测工程实验室;
地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】I26
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3.
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基于“潜力
第４４卷第８期２０２４年４月生态学报ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．４４，Ｎｏ．８Ａｐｒ．，２０２４基金项目：国家自然科学基金项目（４２２７６２３４，４２２０６２３６）收稿日期：２０２３⁃０１⁃２２；㊀㊀网络出版日期：２０２４⁃０１⁃３０∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｌｉｕｙｏｎｇｃｈａｏ＠ｎｂｕ．ｅｄｕ．ｃｎＤＯＩ：１０．２０１０３／ｊ．ｓｔｘｂ．２０２３０１２２０１３２李加林，张旖芯，张海涛，龚虹波，刘永超．基于 潜力⁃弹性⁃稳定性 模型的温州市生态韧性时空变化及影响因素研究．生态学报，２０２４，４４（８）：３２５３⁃３２６７．ＬｉＪＬ，ＺｈａｎｇＹＸ，ＺｈａｎｇＨＴ，ＧｏｎｇＨＢ，ＬｉｕＹＣ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｐａｔｉｏ⁃ｔｅｍｐｏｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆＷｅｎｚｈｏｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ⁃ｅｌａｓｔｉｃ⁃ｓｔａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｅｌ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０２４，４４（８）：３２５３⁃３２６７．基于 潜力⁃弹性⁃稳定性 模型的温州市生态韧性时空变化及影响因素研究李加林１，２，３，张旖芯１，４，张海涛１，龚虹波５，刘永超１，２，３，∗１宁波大学东海研究院，宁波㊀３１５２１１２宁波大学地理与空间信息技术系，宁波㊀３１５２１１３陆海国土空间利用与治理浙江省协同创新中心，宁波㊀３１５２１１４浙江省象山中学，宁波㊀３１５７００５宁波大学公共管理系，宁波㊀３１５２１１摘要：城市生态韧性为城市应对长期发展积累的内在压力，以及外界不确定性风险的冲击提供了新思路，对城市的可持续发展具有重要意义㊂基于城市生态学视角，从生态韧性的抵御力㊁恢复力及适应力三个方面特性，构建基于 潜力⁃弹性⁃稳定性 的生态韧性评价模型，分析了１９９０ ２０２０年温州市生态韧性时空变化特征，并运用时空地理加权回归模型（ＧＴＷＲ），探究了生态韧性影响因素的时空异质性㊂结果表明：（１）１９９０ ２０２０年，温州城市生态韧性指数总体呈现先上升后下降的趋势，潜力㊁弹性㊁稳定性呈现出相似的变化趋势，研究后期稳定性的提升使生态韧性的下降得到短暂缓解㊂（２）温州市东部沿海地区生态韧性较差，西部与北部山地生态韧性较好；低韧性水平区呈现出区域中心韧性水平降低，并且向外围扩张的趋势㊂（３）温州市城市生态韧性影响因素之间存在显著的时空差异，空间上也存在波动方向与强度的差异，这种差异性集中分布于城市边缘县（区）㊂研究以期为温州市及沿海同等级城市，提升城市生态韧性㊁促进区域可持续发展决策提供参考㊂关键词：生态韧性；时空变化；影响因素；时空地理加权回归模型；温州市Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｐａｔｉｏ⁃ｔｅｍｐｏｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆＷｅｎｚｈｏｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ⁃ｅｌａｓｔｉｃ⁃ｓｔａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｅｌＬＩＪｉａｌｉｎ１，２，３，ＺＨＡＮＧＹｉｘｉｎ１，４，ＺＨＡＮＧＨａｉｔａｏ１，ＧＯＮＧＨｏｎｇｂｏ５，ＬＩＵＹｏｎｇｃｈａｏ１，２，３，∗１ＤｏｎｇｈａｉＡｃａｄｅｍｙ，ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１，Ｃｈｉｎａ２ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄＳｐａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１，Ｃｈｉｎａ３ＣｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｆｏｒＬａｎｄａｎｄＭａｒｉｎｅＳｐａｔｉａｌＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＧｏｖｅｒｎａｎｃｅＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１，Ｃｈｉｎａ４ＸｉａｎｇｓｈａｎＨｉｇｈＳｃｈｏｏｌ，ＺｈｅｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５７００，Ｃｈｉｎａ５ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｕｂｌｉｃＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｒｂａｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｃａｎｐｒｏｖｉｄｅａｎｅｗｗａｙｏｆｔｈｉｎｋｉｎｇｔｏｃｏｐｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｌｏｎｇ⁃ｔｅｒｍｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｉｔｙａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｏｕｔｓｉｄｅｗｏｒｌｄｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｒｉｓｋ，ｗｈｉｃｈｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｕｒｂａｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｓｅｃｕｒｉｔｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｕｒｂａｎｅｃｏｌｏｇｙ，ｆｒｏｍｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅａｇａｉｎｓｔｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ａｐｏｔｅｎｔｉａｌ⁃ｅｌａｓｔｉｃ⁃ｓｔａｂｉｌｉｔｙｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｉｎＷｅｎｚｈｏｕｃｉｔｙｆｒｏｍ１９９０ｔｏ２０２０．Ｂａｓｅｄ４５２３㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４４卷㊀ｏｎｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｄａｔａ，ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃｓｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｗｅｉｇｈｔｅｄｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ（ＧＴＷＲ）ｍｏｄｅｌｗａｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ，ａｎｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｇｏｏｄｕｒｂａｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｉｎＷｅｎｚｈｏｕ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ：（１）Ｆｒｏｍ１９９０ｔｏ２０２０，ｔｈｅｕｒｂａｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｉｎｄｅｘｏｆＷｅｎｚｈｏｕｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｉｒｓｔｌｙａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｈｒｅｅｉｎｄｅｘｅｓｏｆｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｓｈｏｗｅｄｔｈｅｓａｍｅｔｒｅｎｄ．Ｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｉｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｗａｓｔｅｍｐｏｒａｒｉｌｙａｌｌｅｖｉａｔｅｄｂｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅｌａｔｅｓｔｕｄｙｐｅｒｉｏｄ．（２）ＴｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｏｆｄｅｖｅｌｏｐｅｄｃｏａｓｔａｌａｒｅａｓｉｎｔｈｅｅａｓｔｏｆＷｅｎｚｈｏｕｗａｓｐｏｏｒ，ｗｈｉｌｅｔｈａｔｏｆｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓａｒｅａｓｉｎｔｈｅｗｅｓｔａｎｄｎｏｒｔｈｏｆＷｅｎｚｈｏｕｗａｓｂｅｔｔｅｒ．Ｔｈｅｌｏｗｌｅｖｅｌｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｓｈｏｗｅｄａｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｒｅｎｄｏｆｃｅｎｔｒａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅａｎｄｅｘｐａｎｓｉｏｎｔｏｔｈｅｐｅｒｉｐｈｅｒｙ．（３）ＴｈｅｒｅｗｅｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓａｍｏｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｕｒｂａｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｉｎＷｅｎｚｈｏｕ，ａｎｄｔｈｅｒｅｗｅｒｅａｌｓｏｓｐａｔｉａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｉｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｗｅｒｅｍａｉｎｌｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｕｒｂａｎｆｒｉｎｇｅｃｏｕｎｔｉｅｓｒａｔｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｍａｉｎｕｒｂａｎａｒｅａｓ．ＴｈｅｓｔｕｄｙｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒＷｅｎｚｈｏｕｃｉｔｙａｎｄｃｏａｓｔａｌｃｉｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓａｍｅｇｒａｄｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｕｒｂａｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅａｎｄｐｒｏｍｏｔｅｒｅｇｉｏｎａｌｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｅｃｉｓｉｏｎ⁃ｍａｋｉｎｇ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ；ｓｐａｔｉｏ⁃ｔｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｔｉｏｎ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ；ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙａｎｄＴｅｍｐｏｒａｌｌｙＷｅｉｇｈｔｅｄＲｅｇｒｅｓｓｉｏｎ；Ｗｅｎｚｈｏｕ工业化和城市化产生经济效益的同时，带来的能源消耗㊁环境破坏㊁人口过载等问题，促使社会生态系统发展规模㊁速度和连通性的优化变得更加重要［１］㊂近几十年来，城市生态系统受到的胁迫愈发严重［２］，加大了城市生态风险高发的可能［３］㊂特别是在陆海相互作用强㊁人类活动相对集中㊁开发强度较高的沿海地区，城市生态系统更加脆弱与多变，加剧了复杂且难以预测的风险㊂城市生态系统变化的区域影响㊁产生机理以及应对方式等内容，逐渐受到城市生态系统可持续发展研究与管理领域的重视［４］，城市韧性的理念应运而生［５］㊂加之后疫情时代的到来，社会经济复苏过程中生产需求与城市生态供给之间的矛盾加剧，对于这些矛盾的调和更加需要关注城市生态韧性水平的演变机制㊂韧性（Ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ）起源于拉丁文 Ｒｅｓｉｌｉｅｒｅ ，最早是出现在物理学的概念，也被译为恢复力㊁弹性㊁韧性［６ ７］㊂１９７３年加拿大生态学家霍林将韧性研究引入生态系统学，认为生态韧性是指生态系统恢复平衡的速度，应对危机并且进行自我恢复㊁以及适应新环境的能力［８］㊂随着区域主动探索面对干扰和冲击的影响而适应性调整变化方式［９ １０］，韧性从生态韧性发展到演化韧性（社会生态韧性）领域［１１］，开始诠释城市的发展状态，以评判其发展的健康性并为可持续发展提供协助㊂尽管学术界对韧性的理解还未有统一的定义，但可以普遍接受的是，城市韧性的内涵包括了生态韧性㊁社会韧性㊁经济韧性㊁制度韧性和基础设施韧性等维度［１２ １３］，这些维度对城市韧性进行了较为全面的阐释㊂生态韧性作为城市韧性研究的重要方面，包括对外界威胁的抵御力㊁受到威胁后的恢复力以及应对生态环境变化的适应力［１４］，其测算㊁分析与模拟等研究得到了较多的关注［１５ １７］㊂在评估思路方面，通过熵值法综合测算城市韧性的变化趋势，选用因子诊断模型对制约城市韧性的障碍因子进行分析，判断不同障碍因子对城市韧性的影响程度［１８ １９］，以克服城市发展过程中生态环境负面效应的最优途径［２０］㊂在生态韧性的提升上，围绕韧性理论［２１］，通过研究生态韧性的形成机理［２２］，提出相应的优化模型和路径［２３］，如城市蓝绿空间㊁城市花园和海绵城市建设等［２４ ２５］㊂结合土地利用变化特征，模拟未来不同情景下城市生态韧性水平的演化［１３］，探讨城镇化与生态韧性的耦合协调关系［２６］及其主要影响因素［２７］㊂在生态环境对于外界威胁的抵御方面，利用景观干扰度㊁景观脆弱度等指标，构建景观生态风险评价模型［２８ ２９］，分析区域生态风险空间分布与格局变化［３０ ３１］㊂然而，较少从韧性的恢复力与适应力出发，对生态韧性水平的空间格局变化进行探究，较多的研究仅在大尺度范围内构建生态韧性指数来分析其时空特征［３２ ３３］，缺乏对沿海市域尺度城市生态韧性时空特征及影响因素的分析㊂因此，研究城市生态韧性时空变化的精细特征及影响因素尤为必要㊂研究以温州市为研究区，以１９９０年㊁１９９５年㊁２０００年㊁２００５年㊁２０１０年㊁２０１５年㊁２０２０年七期土地利用数据为主要数据源，从生态韧性对于外界威胁的抵御力㊁受到威胁后的恢复力以及应对生态环境变化的适应力出发，从潜力㊁弹性㊁稳定性方面，构建城市生态韧性评估模型，评估温州１９９０ ２０２０年城市生态韧性时空格局变化特征，并从时间与空间维度探讨其影响因素㊂研究可为当地国土空间规划㊁城市可持续发展以及生态修复工程的实施提供科学依据，也可为其他沿海地区的城市生态安全问题识别与解决提供参考㊂１㊀数据与方法１．１㊀研究区概况温州地处浙江东南沿海，位于瓯江下游南岸，境内地势从西南向东北呈梯级分布，横亘洞宫㊁括苍㊁雁荡等山脉，东部为平原地区，人工河道纵横㊂位于中亚热带季风气候区，冬夏季风交替显著，降水丰富，冬无严寒，夏无酷暑，雨热同期㊂主要水系有瓯江㊁飞云江㊁螯江等，境内大小河流１５０余条，陆地海岸线长３５５ｋｍ，岛屿４３６个，岸线曲折，形成了磐石等天然良港㊂市辖鹿城㊁龙湾㊁瓯海㊁洞头四区，永嘉㊁平阳㊁泰顺㊁文成㊁苍南五县以及瑞安㊁乐清㊁龙港三个县级市（图１）㊂作为浙江三大主要城市之一，温州综合经济实力较强，２０２１年生产总值７５８５．０２亿元，规模以上工业㊁财政收入㊁对外贸易等多项经济指标位居全省前列；在经济稳步增长的基础上，产业结构得到了持续优化，居民生活水平不断提高，经济实力不断攀升㊂近年来，温州市城镇化水平不断提升，建设用地面积持续扩大，同时对于当地生态环境质量也产生了不可忽视的影响㊂图１㊀研究区温州市在东南沿海地区的位置示意图、温州市高程及２０２０年土地利用类型概况Ｆｉｇ．１㊀Ｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｓｃｏｐｅｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａ１．２㊀数据来源本文以１９９０年㊁１９９５年㊁２０００年㊁２００５年㊁２０１０年㊁２０１５年㊁２０２０年七个时期的温州市土地利用数据为主要源㊂该数据来自于中国科学院资源环境科学数据中心（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｅｓｄｃ．ｃｎ），空间分辨率为３０ｍ；运用Ｌａｎｄｓａｔ⁃ＴＭ／ＥＴＭ＋／ＯＬＩ遥感影像，经过裁剪㊁大气校正㊁几何校正等预处理过程，利用人机交互解译方式进行分类，精度为８５％㊂参考土地利用／土地覆盖变化分类体系和研究区实际，将其重分类为耕地㊁林地㊁草地㊁水域㊁建设用地㊁未利用土地和海洋７类［３４］㊂人均国内生产总值和人口密度等统计数据，从温州市统计年鉴获得，部分缺失数据通过插值补齐㊂１．３㊀研究方法１．３．１㊀城市生态韧性评估模型国际区域可持续发展协会将韧性城市定义为能够及时抵御㊁吸收㊁快速适应并做出有效反应的城市㊂增５５２３㊀８期㊀㊀㊀李加林㊀等：基于 潜力⁃弹性⁃稳定性 模型的温州市生态韧性时空变化及影响因素研究㊀强自身抵御力㊁适应力以及恢复力，是提高城市生态系统韧性的首要条件［２６，３５］㊂研究从抵御力㊁恢复力及适应力三个方面，构建 潜力⁃弹性⁃稳定性 城市生态韧性评估模型㊂潜力是生态系统的自身属性，表示生态系统为城市提供服务的能力，是生态系统中形成并维持自然环境条件与功能的重要支撑㊂生态系统服务价值（ＥＳＶ）是表示生态服务能力的综合指标，计算方法源于谢高地修正的Ｃｏｓｔａｎｚａ提出的方法［３６］㊂根据刘桂林等［３２］对长三角地区土地利用类型生态系统服务价值系数进行修订的研究，结合温州市土地利用情况，修订得到温州市生态系统服务价值系数（表１），公式（１ ３）如下㊂ＥＳＶｋ＝ðｆＡｋˑＶＣｋ㊀㊀（１）ＥＳＶｆ＝ðｆＡｋˑＶＣｋｆ（２）ＥＳＶ＝ððＡｋˑＶＣｋｆ（３）式中，ＥＳＶｋ㊁ＥＳＶｆ和ＥＳＶ分别表示第ｋ类土地利用的潜力，第ｆ项服务功能的潜力和生态系统总潜力，Ａｋ表示第ｋ类型的土地面积；ＶＣｋｆ代表第ｋ类型第ｆ项服务单位面积的潜力㊂生态系统服务价值越高，则代表其潜力指数越高㊂表１㊀温州市土地利用类型的生态服务价值系数Ｔａｂｌｅ１㊀Ｅｃｏ⁃ｓｅｒｖｉｃｅｖａｌｕｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｏｆｌａｎｄｕｓｅｔｙｐｅｓｏｆＷｅｎｚｈｏｕ生态系统服务与功能／（元／ｈｍ２）ＥｃｏｓｙｓｔｅｍＳｅｒｖｉｃｅｓａｎｄＦｕｎｃｔｉｏｎｓ耕地Ｆａｒｍｌａｎｄ林地Ｆｏｒｅｓｔ草地Ｇｒａｓｓｌａｎｄ水域Ｗａｔｅｒ建设用地Ｂｕｉｌｄ⁃ｕｐｌａｎｄ未利用地Ｂａｒｅｌａｎｄ海洋Ｓｅａ气体交换Ｇａｓｅｘｃｈａｎｇｅ８６９．０９６０８３．６３１３９０．５４０００３１２８．７２气候调节Ｃｌｉｍａｔｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ１５４６．９８４６９３．０９１５６４．３６７９９．５６００２９７２２．８８水源涵养Ｗａｔｅｒｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ１０４２．９１５５６２．１８１３９０．５４３５４５８．８７０５２．１５２６９４１．７９土壤形成与保护Ｓｏｉｌｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ２５３７．７４６７７８．９１３３８９．４５１７．３８０３４．７６２９７２．２９废物处理Ｗａｓｔｅｄｉｓｐｏｓａｌ２８５０．６２２２７７．０２２２７７．０２３１６３４．８８０１７．３８３１６００．１１生物多样性保护Ｂｉｏｄｉｖｅｒｓｉｔｙｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ１２３４．１１５６６６．４７１８９４．６２４３２８．０７０５９０．９８４３４５．４５食物生产Ｆｏｏｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ１７３８．１８１７３．８２５２１．４５１７３．８２０１７．３８５２１．４５原材料Ｒａｗｍａｔｅｒｉａｌ１７３．８２４５１９．２７８６．９１１７．３８００１２１．６８娱乐休闲ＥｎｔｅｒｔａｉｎｍｅｎｔａｎｄＬｅｉｓｕｒｅ１７．３８２２２４．８７６９．５３７５４３．７００１７．３８９６４６．９０合计Ｔｏｔａｌ１２０１０．８２３７９７９．２３１２５８４．４２７９９７３．６６０７３０．０４１０９００１．３０生态弹性也称为生态恢复力，表现为生态系统遭遇危害时进行恢复的能力㊂遭遇外界灾害或变化时，人类活动造成的用地类型弹性较差；自然形成的用地类型弹性较好，相较于人类活动造成的用地类型更易恢复原本状态㊂参考彭建等［３７］提出的生态弹性模型，计算公式（４）如下㊂Ｒ＝ðＡｋˑＲＣｋ（４）式中，Ｒ是生态弹性，Ａｋ表示第ｋ类型的土地面积，ＲＣｋ为第ｋ类土地利用类型的生态弹性系数，系数参考彭建等研究㊂生态系统越稳定，表示其适应力越高［３８］㊂利用景观指数建立生态系统稳定性评价模型，但单一指数不能全面反映生态系统稳定性㊂参考张欣等［３９］城市景观稳定性评价模型，结合温州土地利用实际，选取斑块结合度指数（ＣＯＨＥＳＩＯＮ）㊁总边缘对比度指数（ＴＥＣＩ）和斑块密度（ＰＤ）指数，根据等级斑块动态理论，构建景观稳定性评估模型［４０ ４１］，计算公式（５）如下㊂Ｓ＝ＣＰˑＴ（５）式中，Ｓ代表景观稳定性，Ｃ代表斑块结合度，Ｐ代表斑块密度，Ｔ代表总边缘对比度指数㊂Ｓ值越高越稳定，反之则越不稳定㊂６５２３㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４４卷㊀由于潜力㊁弹性与稳定性的计算单位不同，在多个指标进行评估时，将三个指标均标准化至［０，１］，韧性水平测算如公式（６）㊂ＥＲ＝３ＥＳＶˑＲˑＳ（６）式中，ＥＲ为生态韧性，ＥＳＶ为潜力，Ｒ为弹性，Ｓ为稳定性㊂１．３．２㊀空间自相关分析空间自相关分析是指一些变量在同一个区域内观测数据间的潜在相互依赖性，作为分析空间格局的有效方法，用于衡量空间变量的聚集性［４２ ４４］㊂通过空间自相关分析，有效分析城市生态韧性在不同区域内的集聚与分散情况，对于其特征分析具有重要意义㊂空间自相关的ＭｏｒａｎᶄｓＩ统计可表示为计算公式（７ ８）㊂Ｓ０＝ðｎｉ＝１ðｎｊ＝１ωｉ，ｊ㊀㊀㊀（７）Ｉ＝ｎＳ０ðｎｉ＝１ðｎｊ＝１ωｉ，ｊｚｉｚｊðｎｉ＝１ｚ２ｉ（８）式中，Ｓ０是所有空间权重的聚合，ωｉ，ｊ是要素ｉ和ｊ之间的空间权重，ｎ是要素总数，ｚｉ㊁ｚｊ分别为要素ｉ与要素ｊ与其平均值的偏差㊂统计的ｚｉ得分如计算公式（９ １０）所示㊂ｚｉ＝Ｉ－Ｅ［Ｉ］㊀Ｖ［Ｉ］㊀㊀㊀㊀（９）Ｅ［Ｉ］＝－１ｎ－１（１０）Ｖ［Ｉ］＝Ｅ［Ｉ２］－Ｅ［Ｉ］２（１１）式中，Ｅ［Ｉ］是期望，Ｖ［Ｉ］是方差，ｎ是要素总数㊂运用潜力㊁弹性㊁稳定性对城市生态韧性评价，三个指标在空间上具有结构性与随机性，存在空间关联㊂因此，通过空间自相关分析，利用ＭｏｒａｎᶄｓＩ指数探究温州市生态韧性在空间上的聚集性，以验证基于 潜力⁃弹性⁃稳定性 的城市生态韧性评价模型的合理性㊂１．３．３㊀时空地理加权回归模型Ｈｕａｎｇ等［４５］在地理加权回归（ＧＷＲ）模型的基础上，引进时间维度，提出时空地理加权回归（ＧＴＷＲ）模型，该模型中自变量的回归参数，在空间变化的基础上增加了时间尺度的变化㊂因此，该模型较ＧＷＲ模型而言能更好地描述解释变量与因变量之间的时空关系，评估结果更为准确㊂通过ＧＴＷＲ模型对于温州市各行政区内的多项因子分析，判断其与生境质量变化的时间关系与空间联系，以此分析温州市生态韧性的驱动因素㊂ＧＴＷＲ模型的表达公式（１２）如下所示㊂Ｙｉ＝β０ｕｉ，ｖｉ，ｔｉ()＋ðｐｋ＝１βｋｕｉ，ｖｉ，ｔｉ()Ｘｉｋ＋εｉ（１２）式中，ｕｉ，ｖｉ分别表示第ｉ个样本点的经纬度坐标，ｔｉ表示观测时间，Ｙｉ表示第ｉ个样本点的因变量值，Ｘｉｋ表示第ｉ个样本点的第ｋ个解释变量㊂β０ｕｉ，ｖｉ，ｔｉ()代表第ｉ个样本点的回归常数，βｋｕｉ，ｖｉ，ｔｉ()表示第ｉ个样本点第ｋ个解释变量的回归系数，εｉ为模型误差项㊂２㊀城市生态韧性时空演变特征２．１㊀生态系统潜力时空演变特征在城市持续扩张背景下，研究期内潜力指数除１９９０年至１９９５年略有上升外，１９９５年后潜力指数呈逐年下降趋势㊂表明温州市的城市发展随着建设用地面积而增加，生态用地面积逐渐减小，造成生态系统潜力的下降，尤其２０１５ ２０２０年水域生态潜力的降低，导致了生态系统潜力指数的大幅降低㊂通过对３０年间七个年份不同土地利用类型的生态系统潜力指数贡献变化分析，发现研究期内生态系统潜力整体下降１７２．８（表２）㊂７５２３㊀８期㊀㊀㊀李加林㊀等：基于 潜力⁃弹性⁃稳定性 模型的温州市生态韧性时空变化及影响因素研究㊀表２㊀温州市生态系统潜力值及其变化Ｔａｂｌｅ２㊀ＥｃｏｓｙｓｔｅｍｐｏｔｅｎｔｉａｌａｎｄｉｔｓｃｈａｎｇｅｓｏｆＷｅｎｚｈｏｕ土地利用类型Ｌａｎｄｕｓｅｔｙｐｅｓ１９９０年２０００年２０１０年２０２０年１９９０ ２０２０年ＥＳＶ／（ｙｕａｎ／ｈｍ２）比例Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ／％ＥＳＶ／（ｙｕａｎ／ｈｍ２）比例Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ／％ＥＳＶ／（ｙｕａｎ／ｈｍ２）比例Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ／％ＥＳＶ／（ｙｕａｎ／ｈｍ２）比例Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ／％ＥＳＶ／（ｙｕａｎ／ｈｍ２）比例Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ／％耕地Ｆａｒｍｌａｎｄ３３４．４７．９３２４．４７．７２９０．５７２７３．９６．８－６０．５２１．２林地Ｗｏｏｄｌａｎｄ３３９８．８８０．６３３９５．２８０．８３３６６．６８０．６３３４０．６８２．７－５８．２２０．４草地Ｇｒａｓｓｌａｎｄ４８．２１．１５４．６１．３５３．５１．３５４．１１．３５．９２．１水域Ｓｅａ２１９．８５．２２１７．４５．２２５５６．１２７０６．７５０．２１７．６建设用地Ｂｕｉｌｔ⁃ｕｐｌａｎｄ００００００００００未利用地Ｂａｒｅｌａｎｄ０．１００．１００．１００．１０００海洋Ｓｅａ２１２．９５．１２１２．８５．１２１２．５５．１１０２．７２．５－１１０．２３８．７合计Ｔｏｔａｌ４２１４．３１００４２０４．３１００４１７８．１１００４０４１．４１００－１７２．８１００㊀㊀ＥＳＶ：生态系统服务价值Ｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｅｒｖｉｃｅｖａｌｕｅ为深入分析生态系统潜力变化特征，根据生态系统潜力指数，通过自然断点法将生态系统潜力划分为五个等级，即低潜力（ＥＳＶɤ１５０００）㊁较低潜力（１５０００＜ＥＳＶɤ２５０００）㊁中等潜力（２５０００＜ＥＳＶɤ３５０００）㊁较高潜力（３５０００＜ＥＳＶɤ４５０００）和高潜力（ＥＳＶ＞４５０００）等级，得到温州生态潜力等级空间分布图（图２）㊂结果表明，研究期内生态系统潜力等级整体呈现高潜力区，分布于海岛㊁沿海沿江平原；景观类型以水域㊁草地为主㊂低潜力区分布于平原地区，景观类型以建设用地为主；生态系统潜力等级分布受景观类型因素影响显著㊂同时，水域缩小显著影响了高潜力区的分布，高潜力区缩小范围与建设用地的扩张基本一致㊂图２㊀温州市生态系统潜力等级时空分布Ｆｉｇ．２㊀ＳｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｃｏｓｙｓｔｅｍｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆＷｅｎｚｈｏｕ２．２㊀生态系统弹性时空演变特征研究期内生态系统弹性指数１９９０年至１９９５年略微上升，１９９５年后呈现逐年下降趋势㊂表明温州市的城市发展，随着建设用地面积的增加，生态用地面积逐渐减小，造成了生态系统弹性下降；尤其２０１５ ２０２０年，城市急速扩张导致生态系统弹性指数大幅降低㊂为探究生态系统弹性变化特征，根据生态系统弹性系数，通过断点法将生态系统弹性划分为五个等级，即８５２３㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４４卷㊀低弹性（Ｒɤ０．３８）㊁较低弹性（０．３８＜Ｒɤ０．５２）㊁中等弹性（０．５２＜Ｒɤ０．６５）㊁较高弹性（０．６５＜Ｒɤ０．７５）和高潜力（Ｒ＞０．７５）等级，得到温州市生态弹性等级空间分布图（图３）㊂可以看出，研究期内生态系统弹性等级分布，整体上呈现出高弹性区分布于西南部及北部山地丘陵，景观类型以森林㊁草地为主；低弹性区分布于城市中心地区，景观类型以建设用地为主；可见生态系统弹性等级分布受地形因素㊁景观类型因素影响显著㊂图３㊀温州市生态系统弹性等级时空分布Ｆｉｇ．３㊀ＳｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｃｏｓｙｓｔｅｍｅｌａｓｔｉｃｏｆＷｅｎｚｈｏｕ２．３㊀生态系统稳定性时空演变特征生态系统稳定性指数整体上的变化呈波动下降，１９９５年达到峰值㊂研究期内，斑块结合度（ＣＯＨＥＳＩＯＮ）㊁斑块密度（ＰＤ）㊁总边缘对比度指数（ＴＥＣＩ），这三个影响景观稳定性的因素中，变化最明显的为斑块密度，其在１９９５年达到最小值（表３）㊂表３㊀温州市生态系统稳定性及相关指数Ｔａｂｌｅ３㊀ＥｃｏｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｓｓｏｃｉａｔｅｄｉｎｄｉｃｅｓｏｆＷｅｎｚｈｏｕ年份Ｙｅａｒ斑块结合度Ｐａｔｃｈｃｏｈｅｓｉｏｎｉｎｄｅｘ斑块密度Ｐａｔｃｈｄｅｎｓｉｔｙ总边缘对比度指数Ｔｏｔａｌｅｄｇｅｃｏｎｔｒａｓｔｉｎｄｅｘ稳定性Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ稳定性归一化Ｓｔａｂｉｌｉｔｙｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ１９９０９９．９１２１０．５８４７２２．０２６８７．７５７７０．６２８９１９９５９９．９１３４０．５３４６２２．１７２６８．４２９００．９６４５２０００９９．９１１３０．５９７１２２．０３０３７．５９５３０．５４７７２００５９９．９０８４０．６１６１２２．９１７７７．０７５９０．２８７９２０１０９９．９０７００．５８０７２３．４５８１７．３３４２０．４１７１２０１５９９．９０６７０．６１５２２３．２８９８６．９７２９０．２３６４２０２０９９．９０７２０．６２７８２３．６５８３６．７２６５０．１１３３通过断点法将生态系统弹性划分为五个等级，即低稳定性（Ｓɤ３０）㊁较低稳定性（３０＜Ｓɤ５５）㊁中等稳定性（５５＜Ｓɤ８０）㊁较高稳定性（８０＜Ｓɤ９２）和高稳定性（Ｓ＞９２）等级，得到温州市生态稳定性等级空间分布图（图４）㊂研究期内生态系统稳定性等级分布，整体呈现高稳定性区分布于西南部及北部的山地丘陵㊂低稳定性区分布于城市中心地区，五个稳定性等级中以较高稳定性的形态变化最为显著；其中１９９０ ２０００年间呈现面积减少的趋势；２０００ ２０２０年间呈现扩大趋势，其中２０１５ ２０２０年间扩大最为显著，其面积扩大的空间分９５２３㊀８期㊀㊀㊀李加林㊀等：基于 潜力⁃弹性⁃稳定性 模型的温州市生态韧性时空变化及影响因素研究㊀布呈现斑块状增加，连通性较差㊂图４㊀温州市生态韧性稳定性等级时空分布Ｆｉｇ．４㊀ＳｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｃｏｓｙｓｔｅｍｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＷｅｎｚｈｏｕ２．４㊀ 潜力⁃弹性⁃稳定性 框架下的城市生态韧性研究期内，温州市生态韧性指数整体上呈现下降趋势㊂１９９０ １９９５年间，生态韧性在数值上呈现上升的趋势，潜力㊁弹性和稳定性三个指标也均呈现出上升趋势㊂２００５ ２０１０年，生态韧性指数较为稳定；潜力与弹性稍有下降，而稳定性有所提升㊂１９９５ ２００５年与２０１０ ２０２０年这两个阶段，生态韧性均呈现出较为显著的下降趋势；潜力㊁弹性与稳定性均呈现下降趋势；其中，２０１５ ２０２０年生态韧性的变化幅度最大，受潜力的大幅降低影响最为明显（表４）㊂表４㊀温州市生态韧性及评价因子Ｔａｂｌｅ４㊀ＥｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｆａｃｔｏｒｓｏｆＷｅｎｚｈｏｕ年份Ｙｅａｒ１９９０１９９５２０００２００５２０１０２０１５２０２０潜力Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ４２１４．２７４２１９．６７４２０４．３４４１９７．３４４１７８．１１４１３９．３０４０４１．４２潜力归一化Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ０．９７１．０００．９２０．８９０．７９０．６００．１１弹性Ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ８６４７３６９．６０８６７２０８０．００８６５１３７３．７０８６３２１７５．３０８６０２２０９．２０８５９８４５４．９０８５１０３０８．９０弹性归一化Ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ０．７４０．８６０．７６０．６６０．５１０．４９０．０５稳定性Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ７．７６８．４３７．６０７．０８７．３３６．９７６．７３稳定性归一化Ｓｔａｂｉｌｉｔｙｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ０．６３０．９６０．５５０．２９０．４２０．２４０．１１生态韧性Ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅ０．７７０．９４０．７３０．５５０．５５０．４１０．０９为深入分析生态系统韧性变化特征，通过断点法将生态系统韧性划分为五个等级，即低生态韧性（ＥＲɤ６０）㊁较低生态韧性（６０＜ＥＲɤ１０５）㊁中等生态韧性（１０５＜ＥＲɤ１３０）㊁较高生态韧性（１３０＜ＥＲɤ１４５）和高生态韧性（ＥＲ＞１４５）等级，得到温州市生态韧性等级空间分布图（图５）㊂结果表明，研究期内生态系统韧性等级分布，整体呈现高生态韧性区，分布于西南部及北部的山地丘陵；大致为永嘉县㊁文成县㊁泰顺县㊁洞头区区域以及瓯江沿岸，这几个区域由于较低的污染排放㊁高度的绿地覆盖以及较低的人口密度等，生态弹性和潜力指数较高㊂低生态韧性区分布于温州市辖区（鹿城区㊁瓯海区和龙湾区）以及沿海地区（乐清市㊁瑞安市㊁平阳县和苍南县），其韧性指数出现低值与城市人口密度大㊁产业分布密集以及经济体量等有关㊂０６２３㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４４卷㊀图５㊀温州市生态韧性等级时空分布Ｆｉｇ．５㊀ＳｐａｔｉａｌａｎｄｔｅｍｐｏｒａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅｃｏｓｙｓｔｅｍｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｏｆＷｅｎｚｈｏｕ温州市１９９０ ２０２０年间生态韧性时空变化与杭州［１３］㊁大连［４６］㊁京津冀［４７］等地的研究表现出相似性㊂随着城市发展，生态韧性低值区从零散分布变为连片状分布；尽管温州与杭州㊁大连以及京津冀地区的发展模式存在差异，但我国早期 摊大饼 式的城市扩张模式都较为相似㊂随后以占据优良耕地扩张工业园区的发展模式盛行，被占用的优良耕地虽然以 占补平衡 的方式进行了补齐；但补充的耕地质量大不如前，导致一大批森林和水域等生态资源被破坏，造成景观破碎化，降低了城市生态韧性水平㊂通过计算研究期内生态韧性的全局空间自相关ＭｏｒａｎᶄｓＩ指数，以探究生态韧性在温州市各地区的空间关联关系（表５）㊂１９９０ ２０２０年生态韧性的全局ＭｏｒａｎᶄｓＩ指数均为正值，且基本在０．３上下波动，波动幅度不超过ʃ０．０２，显著性检验结果均为零㊂可见，研究期内温州市各地区生态韧性变化在空间上并不独立存在，存在显著且稳定的空间集聚分布特征㊂表５㊀温州市生态韧性空间自相关分析Ｔａｂｌｅ５㊀ＳｐａｔｉａｌａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｏｆＷｅｎｚｈｏｕ年份Ｙｅａｒ１９９０１９９５２０００２００５２０１０２０１５２０２０ＭｏｒａｎᶄｓＩ指数ＭｏｒａｎᶄｓＩｉｎｄｅｘ０．３１００．２８９０．２９７０．３１２０．３０３０．３１００．２９３ｚ得分ｚ⁃ｓｃｏｒｅ２３．９５４２２．２７４２２．９５１２４．１０３２３．４２０２３．９２５２２．５９６３㊀温州市生态韧性的影响因素分析由于温州市生态韧性指数在时间和空间上的不均衡性，各影响因素在不同阶段对生态韧性的贡献有所差异㊂根据温州市区县划分，对不同区县不同时间的生态韧性影响因素进行分析㊂龙港区在２０１９年从苍南县分出，且两者各项数据存在较大差异，为避免数据异常，将二者归为整体分析㊂３．１㊀生态韧性影响因素的确定借助人口㊁富裕和技术回归的随机影响模型（ＳＴＩＲＰＡＴ）模型［４８］，根据温州地域发展特征，结合数据相关性检验，选取影响生态韧性的解释变量开展生态韧性研究㊂为排除数据之间多重共线性，对各项指标进行方差膨胀因子（ＶＩＦ）检验（表６）㊂１６２３㊀８期㊀㊀㊀李加林㊀等：基于 潜力⁃弹性⁃稳定性 模型的温州市生态韧性时空变化及影响因素研究㊀表６㊀温州市生态韧性影响因素Ｔａｂｌｅ６㊀ＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｉｎＷｅｎｚｈｏｕ变量名称Ｖａｒｉａｂｌｅｎａｍｅｓ指标含义Ｉｎｄｉｃａｔｏｒｍｅａｎｉｎｇｓ单位Ｕｎｉｔｓ变量表示ＶａｒｉａｂｌｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓＶＩＦ自然Ｎａｔｕｒｅ森林覆盖森林面积占比％ＦＣＲ８．５４水体覆盖水体面积占比％ＷＣＲ５．１７经济Ｅｃｏｎｏｍｙ经济发展水平人均ＧＤＰ万元ＰＧＤＰ３．５产业结构第二产业增加值占ＧＤＰ比重％ＩＮＤ２．８３社会Ｓｏｃｉｅｔｙ人口集聚单位面积常住人口数量人／ｋｍ２ＰＯＰ２．６８消费水平社会消费品零售总额万元ＴＲＳ２．５７㊀㊀０＜ＶＩＦ＜１０表示不存在多重共线性；ＶＩＦ：方差膨胀因子ＶａｒｉａｎｃｅＩｎｆｌａｔｉｏｎＦａｃｔｏｒ图６㊀温州市生态韧性影响因素时间变化Ｆｉｇ．６㊀ＴｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｉｎＷｅｎｚｈｏｕ３．２㊀影响因素的时间变化对不同时间温州市各县（区）的生态韧性影响因素，运用ＧＴＷＲ模型进行回归分析，进而绘制各系数随时间变化的箱形图，以观测时间变化趋势（图６）㊂研究期内森林覆盖（ＦＣＲ）与水体覆盖（ＷＣＦ）两个因素，对温州市县（区）生态韧性的贡献率均为正向，且呈现出较大数值，可见森林覆盖与水体覆盖对温州市生态韧性的变化产生了重要影响㊂虽然不同年份㊁不同区县的贡献率有所不同，但波动幅度基本在０．６内，两者变化具有相似性；森林覆盖贡献率整体上比水体覆盖贡献率低０．３，无论是平均值还是极值，在时间上的变化都具有极２６２３㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀４４卷㊀高同步性㊂二者在研究初期贡献度较高，说明森林与水体对于生态韧性的贡献较大㊂随着城市发展，城市化水平的提高，致使工业㊁生活产生固液污染物排放至森林与水体中，导致森林覆盖与水体覆盖对城市生态韧性的贡献下降㊂随着城市化水平的进一步提高，生态环境治理水平得到提升，两者贡献率又再次达到高值㊂与森林覆盖㊁水体覆盖相反，经济发展水平（ＰＧＤＰ）在温州市生态韧性贡献中基本为负向，但贡献率相较于前两者而言较小㊂温州市各县（区）经济发展水平在研究初期，对生态韧性贡献有正向也有负向㊂随着城市的发展，总体朝负向发展，且离散度减小，发展趋势愈发稳定，说明经济发展水平的提高反而造成了生态韧性的降低，且持续性地保持着这种状态㊂产业结构（ＩＮＤ）对生态韧性的影响，除２００５年有所抑制外基本上呈现促进趋势，研究期内温州市工业发展较好；但工业增加值占国内生产总值（ＧＤＰ）比重在２１世纪之后有所下降，同时温州市生态韧性也在降低㊂从经济发展水平与产业结构来看，温州市工业增加值占ＧＤＰ比重不如从前，但依然占据较大比重，温州市生态韧性水平仍持续较低㊂人口聚集（ＰＯＰ）与生态韧性回归系数，在２０１０年前基本为负向，２０１０年后变为正值，这与温州市人口密度在２０１０年达到峰值相对应㊂２０１０年前人口密度对于生态韧性的负相关，与王兴杰［４９］对人口集聚对城市环境的影响存在相似性；但２０１０年之后产生的正相关说明了合理的人口规划，对于生态韧性水平的提升具有促进作用㊂消费水平（ＴＲＳ）在一定程度上体现了居民的生活水平，其在前期对生态韧性的贡献呈现出明显的正向关系，且离散程度较高；但后期逐渐集中且趋向于零，说明居民生活水平的提高一定程度上消耗了生态韧性，但随着城市的发展这种消耗被有所削弱㊂３．３㊀生态韧性影响因子的空间异质性将ＧＴＷＲ计算得到的回归系数进行可视化表达，运用自然断点法进行分类，以对温州市县（区）的生态韧性各影响因素进行空间分析（图７），森林覆盖与水体覆盖在空间异质性上呈现出相似的分布，而经济发展水图７㊀温州市生态韧性影响因素空间变化Ｆｉｇ．７㊀ＳｐａｔｉａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｉｌｉｅｎｃｅｏｆＷｅｎｚｈｏｕ。
清华大学学报(自然科学版)
（ ） ： 3 4 3 5 6 5 基于支持向量机的分级调制识别方法 …………………………………………… 李俊俊，陆明泉，冯振明 " ) % " " （ ） ： 3 4 3 5 6 B 无线传感器网络中的能量有效空时分集算法 …………………………………… 李安新，王有政，许帏宇，等 " ) % " ) 3 4 3 5 6 4 支持高速城域无线F G接入的双脉冲预约协议 …………………………………… 姜红旗，林孝康 3 4 3 5 6 8 延时反馈多天线信道的线性预编码方案 ………………………………………… 程锦霞，周世东，姚 彦 （ ） ： " ) % " & （ ） ： " ) % $ !
炫，王生进，丁晓青 晔，崔慧娟，唐
3 4 6 3 6 2 基于谱减的语音增强算法的改进 ………………………………………………… 李 晔，崔慧娟，唐 昆 ／ 3 4 6 3 6 A ! 2相移非正方形 ; > ! <; 调制方式 …………………………………………… 刘昌清，杨知行，郭兴波 3 4 6 3 6 5 专用网 D 7 G E 协议性能优化研究 ………………………………………………… 杨 洋，陆 洋，林孝康 基于 的大型网络仿真场景生成技术………………………………………… 李惠杰，徐晓慧，林孝康 3 4 6 3 6 B R ; <
健，王作英
・ 计算机科学与技术 ・
（ ） ： ! " ! # # * 面向集群的消息传递并行程序容错系统 ………………………………………… 薛瑞尼，张悠慧，陈文光，等 " ! # % （ ） ： ! " ! # # + 基于用户反馈和增量学习的垃圾邮件识别方法 ………………………………… 王 鑫，陈光英，段海新，等 " ! % " 基于幅度差平方和函数的基音周期提取算法 …………………………………… 刘 建，郑 方，吴文虎 （ ） ： ! " ! # . ! " ! % ) （ ） ： ! " ! # . # 基于概率频度的普通话韵律结构预测统计模型 ………………………………… 郑 敏，蔡莲红 " ! % * （ ） ： 0 9 @ 2 ………………………………………… 朱子玉，李三立，都志辉，等 " ! * ( ! " ! # . . 基于网格的先进分布式仿真系统 & ! " ! # . 1 基于语音声学特征的情感信息识别 ……………………………………………… 蒋丹宁，蔡莲红 ! " ! # . : 高性能可重构指令集架构模拟技术 ……………………………………………… 王 琦，顾 瑜，汪东升 ! " ! # . < 基于上下文相关置信度打分的语音确认方法 …………………………………… 孙 辉，郑 ! " ! # . " 改进的扫描森林测试结构 ………………………………………………………… 李开伟，向 方，吴文虎 东 （ ） ： " ! * # （ ） ： " ! $ " （ ） ： " ! $ ) （6 B 基于镜像学习和复合二次距离的手写汉字识别 ………………………………… 刘海龙，丁晓青 " * $ ! ’ ( 基于 判决树的视频多路传输 ……………………………………………… 路 羊，汪志兵，崔慧娟，等 （ ） ： 3 4 3 8 6 4 ; ’ / M O " * $ ! ) ’ 3 4 3 8 6 8 基于 D : N 信息的H 1 F P 2编码算法 ………………………………………………… 尚俊卿，刘长松，丁晓青 正交频分多址接入系统的上行载波同步跟踪方法 ……………………………… 倪祖耀，匡麟玲，陆建华 3 4 3 8 6 9 3 4 3 8 6 = 利用语音残留冗余的 Q ( G : 译码算法 …………………………………………… 田秋玲，王 3 4 3 8 2 3 N > ( 域对比度最小化解 7 < N( @ * /模糊………………………………………… 于明成，许 ? ? 3 4 3 8 2 6 基于概率图模型技术的柱面全景图生成算法 …………………………………… 赵 3 4 3 8 2 2 基于 G J; 扫描算法的启动子区域统计分析 …………………………………… 荀 基于能量和鉴别信息的语音端点检测算法 ……………………………………… 李 3 4 3 8 2 A 靓，张 稼，彭应宁 （ ） ： " * $ ! ) * （ ） ： " * $ ! % "
基于慕课+合作学习的混合式教学优化
基于慕课+合作学习的混合式教学优化作者：牛燕宁宋术双来源：《高教学刊》2021年第25期摘要：本科教学能力的提升是建设一流学科的重要措施之一。
为了深化教育改革政策，本研究提出构建线上线下双轨制混合式教学优化模式。
以工程地质学为例，围绕改进式慕课+合作学习和自适应学习方案建设与实践开发，探索我校工程地质学课程教改特色，为优势学科建设提供可参考的案例。
关键词：慕课;合作学习;自适应学习;混合式教学;土木工程地质学中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2021）25-0084-04Abstract： The improvement of undergraduate teaching ability is one of the important measures to build a first-class discipline in order to deepen the education reform policy， this study proposes to construct the online and offline dual track hybrid teaching optimization mode. Taking Engineering Geology as an example， this paper explores the teaching reform characteristics of "Engineering Geology" course in our university around the construction and practice development of improved MOOC + cooperative learning and adaptive learning scheme， so as to provide reference cases for the construction of advantageous disciplines.Keywords： MOOC; collaborative learning; adaptive learning; mixed teaching; Civil Engineering Geology一、教改背景与意义教育部于2015、2018年先后出台《关于加强高等学校在线开放课程建设应用与管理的意见》《教育信息化2.0行动计划》等政策文件，明确提出高校务必积极建设各类课程的在线资源，推动现代信息技术与教育教学的深度融合，积极探索混合式教学模式，推进高等学校课堂革命的要求。
科教融合视野下产业创新人才培养策略研究——以半导体产业为例
载体。
2. 2 基于新型研发机构科教融合人才培养机制构建
策略
结合新型研发机构的特征和功能,根据产业创新
人才培养的需求,构建了基于新型研发机构科教融合
的产业创新人才四方协同机制,如图 2 所示。
图 2 基于新型研发机构科教融合的产业创新人才四方协同培养机制
培养策略,他们可以到研究院跟随专业教师和研究人
可以拓宽学生视野,为培养复合性的创新人才提供
才团队进行嵌入式学习和研究,将大部分精力投入半
交叉应用平台。 另外,新型研发机构的联合科学研
导体产业技术研究领域进行关键技术的研究和突破。
究攻关活动可以培养学生创新精神,面向企业进行
第四,高校应完善与科教融合相关联的机构和人才评
略、规划、制度、政策和体系等方面的融合。
2019 年 9 月,科学技术部公布《 关于促进新型研
发机构发展的指导意见》 ,明确了新型研发机构的概
念。 新型研发机构是以科学研究、技术创新和研发服
务为核心的一类独立法人机构。 新型研发机构有别
于传统研发机构,它不仅专注于上游科学研究,也不
只针对工程技术开发或成果转化,而是打通了其中的
产线工人,主要业务又来自代工,利润率低,从业人员
的工作含金量也不高。 随着中国半导体产业的快速
发展,产业创新问题也暴露出来,其中最严重的是高
载体
科教融合是一种现代高等教育的办学理念,19
世纪初,洪堡在柏林大学改革实践中提出教学与科研
端技术人才的缺乏。 因此,产业创新人才缺失将成为
的统一观念,后来伴随着欧美等西方大学的治理变
和产业结构转型升级协调同步。 实现高水平科技自
1. 1 半导体产业创新人才供给总量严重不足
新校区开放共享平台的运行管理模式探索
ＩＳＳＮ１００６－７１６７ＣＮ３１－１７０７／ＴＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＩＮＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ第４０卷第３期 Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．３２０２１年３月Ｍａｒ．２０２１ ＤＯＩ：１０．１９９２７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｙｙｔ．２０２１．０３．０６１新校区开放共享平台的运行管理模式探索王雪红， 支东彦， 陈健壮， 杨晓玲， 唐颂超， 庄启昕（华东理工大学材料科学与工程学院，上海２００２３７）摘 要：开放共享平台建设是适应高等教育教学改革的必然趋势，也是培养和激发大学生主动探究问题的自觉性、独立性和创造性的有效手段。
阐述了华东理工大学材料开放共享平台的运行与管理的经验与对策，并以大学生创新创业训练项目为实例进行分析，进一步考察分析开放共享平台在创新实践教学改革中的重要作用，为其他兄弟院校提供一定的参考。
关键词：分类管理；双导师制；准入制度；安全规范中图分类号：Ｇ４８２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６－７１６７（２０２１）０３－０２８２－０５ＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｎＯｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔＭｏｄｅｏｆＯｐｅｎＳｈａｒｉｎｇＰｌａｔｆｏｒｍｉｎＮｅｗＣａｍｐｕｓＷＡＮＧＸｕｅｈｏｎｇ， ＺＨＩＤｏｎｇｙａｎ， ＣＨＥＮＪｉａｎｚｈｕａｎｇ， ＹＡＮＧＸｉａｏｌｉｎｇ， ＴＡＮＧＳｏｎｇｃｈａｏ， ＺＨＵＡＮＧＱｉｘｉｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｏｐｅｎｓｈａｒｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｉｓａｎｉｎｅｖｉｔａｂｌｅｔｒｅｎｄｔｏａｄａｐｔｔｏｔｈｅｒｅｆｏｒｍｏｆｈｉｇｈｅｒｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｓａｌｓｏｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅａｎｓｔｏｃｕｌｔｉｖａｔｅａｎｄｓｔｉｍｕｌａｔｅｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｃｏｎｓｃｉｏｕｓｎｅｓｓ，ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅａｎｄｃｒｅａｔｉｖｉｔｙｏｆａｃｔｉｖｅｉｎｑｕｉｒｙ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｏｐｅｎｓｈａｒｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｏｆｔｈｅｏｐｅｎｓｈａｒｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｔｈｅｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅｔｅａｃｈｉｎｇｒｅｆｏｒｍｂｙｔａｋｉｎｇｔｈｅｉｎｎｏｖａｔｉｏｎａｎｄｅｎｔｒｅｐｒｅｎｅｕｒｓｈｉｐｔｒａｉｎｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｏｆｃｏｌｌｅｇｅｓｔｕｄｅｎｔｓａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．Ｔｈｅｓｅｍａｙｐｒｏｖｉｄｅｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｏｔｈｅｒｃｏｌｌｅｇｅｓａｎｄｕｎｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｄｏｕｂｌｅｔｕｔｏｒｉａｌｓｙｓｔｅｍ；ａｃｃｅｓｓｓｙｓｔｅｍ；ｓａｆｅｔｙｎｏｒｍｓ收稿日期：２０２０ ０７ ２２基金项目：华东理工大学２０２０年度“大学生创新创业训练计划”项目（２０２０１６０）；华东理工大学２０１８年度本科实验实践教学改革与建设项目（２０１８４５）作者简介：王雪红（１９８４－），女，陕西渭南人，博士，实验师，主要从事高分子材料专业的相关教学与科研工作。
基于IdeaVR的虚拟仿真实验系统设计与实现
第２４卷第１期２０２１年１月㊀㊀㊀西安文理学院学报(自然科学版)ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ ２４㊀Ｎｏ １Ｊａｎ ２０２１文章编号:１００８￣５５６４(２０２１)０１￣００３４￣０８基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现孙美丽ꎬ曾佩枫ꎬ常㊀勇(山东师范大学地理与环境学院ꎬ济南２５０３５８)摘㊀要:虚拟现实技术(ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙꎬＶＲ)具有沉浸感㊁实时交互㊁多人协同等特性ꎬ在教育领域中有着十分重要的应用价值.通过收集数据ꎬ利用ＳｋｅｔｃｈＵｐ进行三维模型的构建ꎬ再利用ＩｄｅａＶＲ平台搭建整个三维场景㊁编辑交互动画ꎬ基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统实现了三维导航及漫游㊁实时信息查询㊁多人协同操作以及回忆测试等功能.实验结果表明ꎬ该系统可以让学生通过先进的虚拟现实硬件设备在沉浸式虚拟现实环境中进行交互式㊁协同式的操作和学习ꎬ与传统教学方式相比ꎬ大大增加了学生的兴趣㊁投入感和满足感ꎬ提高了认知效果和学习效率ꎬ从而证明了ＶＲ技术的实用性.关键词:虚拟现实技术ꎻ沉浸感ꎻ实时交互ꎻ多人协同ꎻ虚拟仿真实验系统ꎻＩｄｅａＶＲ中图分类号:ＴＰ３９１.９文献标志码:ＡＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＩｄｅａＶＲＳＵＮＭｅｉ￣ｌｉꎬＺＥＮＧＰｅｉ￣ｆｅｎｇꎬＣＨＡＮＧＹｏｎｇ(ＧｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＣｏｌｌｅｇｅꎬＳｈａｎｄｏｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉｎａｎ２５０３５８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ(ＶＲ)ｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｍｍｅｒｓｉｏｎꎬｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎꎬｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎａｎｄｓｏｏｎꎬａｎｄｈａｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｅｄｕｃａｔｉｏｎ.ＢｙｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｄａｔａꎬＳｋｅｔｃｈＵｐｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅ３ＤｍｏｄｅｌꎬａｎｄＩｄｅａＶＲｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｗｈｏｌｅ３Ｄｓｃｅｎｅａｎｄｅｄｉｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅａｎｉｍａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘ￣ｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＩｄｅａＶＲｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆ３Ｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒｏａｍｉｎｇꎬｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｑｕｅｒｙꎬｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｃａｌｌｔｅｓｔ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅ￣ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｌｅｔｓｔｕｄｅｎｔｓｃａｒｒｙｏｕｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅａｎｄｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｌｅａｒｎｉｎｇｉｎｔｈｅｉｍｍｅｒｓｉｖｅｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂｙｕｓｉｎｇａｄｖａｎｃｅｄｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｈａｒｄｗａｒｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅａｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄꎬｉｔｇｒｅａｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓ ｉｎ￣ｔｅｒｅｓｔꎬｓｅｎｓｅｏｆｅｎｇａｇｅｍｅｎｔａｎｄｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎꎬａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｃｏｇｎｉｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｌｅａｒｎｉｎｇｅｆ￣ｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆＶＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｉｍｍｅｒｓｉｖｅꎻｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎꎻｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｓｃｏｌｌａｂｏ￣ｒａｔｉｏｎꎻｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎻＩｄｅａＶＲ收稿日期:２０２０－０６－０８基金项目:２０１９年教育部产学合作协同育人项目(２０１９０１２０５０１９): 旅游与地理虚拟仿真实验教学作者简介:孙美丽(１９９７ )ꎬ女ꎬ山东德州人ꎬ山东师范大学地理与环境学院硕士研究生ꎬ主要从事虚拟现实ꎬ地理信息三维可视化研究.通讯作者:常㊀勇(１９６８ )ꎬ男ꎬ山东德州人ꎬ山东师范大学地理与环境学院副教授ꎬ博士ꎬ主要从事虚拟现实ꎬ地理信息三维可视化研究.虚拟现实技术是以计算机技术为核心ꎬ生成与一定范围真实环境在视㊁听㊁触感等方面近似的数字化环境[１].作为一种可以创造和体验虚拟世界的计算机技术ꎬ它利用计算机生成仿真环境ꎬ借助虚拟头盔显示器(以下简称头显)㊁无线控制器手柄等设备ꎬ使用户实时感知和操作虚拟世界中的对象[２]ꎬ获得身临其境般的感受.相对于计算机ꎬＶＲ将扁平的虚拟世界提升到三维立体的虚拟世界ꎬ其操控交互方式更加拟人化㊁自然化[３].随着科学技术的不断发展ꎬ计算机㊁平板电脑㊁手机等智能设备的日渐普及ꎬ网络的飞速发展ꎬ传统图片与文字等相关交互模式已经很难满足民众的多元化需求ꎬ沉浸式或者多元化的交互模式无疑会成为今后重要的发展趋势[４].因此ꎬ虚拟现实技术飞速发展ꎬ越来越多的虚拟仿真场景被应用于各个行业ꎬ给人类的生活和生产带来了巨大的变化ꎬ如实时人机交互技术能够让用户体验到高度的参与感和真实感[５].从这样的观点来看ꎬ将虚拟现实技术与专业理论教育及专业仪器拆装训练相结合ꎬ既可以解决一些用文字和传统图片难以说明和解释的学习内容ꎬ还可以期待通过一系列的人机交互功能使学习者高度参与到虚拟训练中ꎬ进而提高学习效果.因此ꎬ本文的目的是基于虚拟现实和人机交互技术ꎬ利用ＳｋｅｔｃｈＵｐ及ＩｄｅａＶＲ开发一个具有良好沉浸感㊁交互性和多人协同能力的虚拟仿真实验系统ꎬ用于三维导航及漫游㊁实时信息查询㊁多人协同操作以及回忆测试等虚拟训练ꎬ以探讨ＶＲ技术在教育领域中的实用价值.１㊀系统架构将虚拟仿真技术与传统的测绘实习仪器全站仪的相关课程相结合ꎬ即 虚实结合 的原理ꎬ运用ＳｋｅｔｃｈＵｐ和ＩｄｅａＶＲ开发具有良好沉浸感㊁交互性和多人协同能力的虚拟仿真实验系统.系统的实现主要包括前期的数据收集ꎬ经过处理后ꎬ在建模软件中进行整个三维模型的构建ꎬ然后将整个三维模型导入ＩｄｅａＶＲ编辑器中进行三维场景的搭建以及各项系统功能的设计与实现ꎬ最终通过交互设备ꎬ对整个系统进行效果验证.系统的总体设计和架构如图１所示.图１㊀系统架构图２㊀数据获取及三维模型构建２.１㊀数据获取通过组织项目人员直接用全站仪或者ＧＰＳ等测量仪器对所需要构建三维模型的建筑进行测量ꎬ得到相关的参数数据ꎬ再通过在谷歌㊁天地图等一些在线地图中ꎬ获得所需位置的平面效果图数据ꎬ最后通过实地考察拍摄ꎬ拍摄实地建筑景观的全景图片作为该对象建模的完整参照图.２.２㊀三维模型构建三维模型的建立是整个虚拟实验场景的基础ꎬ能够模拟现实世界的物理特性[６].这决定了学习者是否能够直观体验真实的物理情境ꎬ以及动态交互所提供的逼真的沉浸式虚拟现实环境.三维模型构建的具体流程如下:５３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现(１)ＳｋｅｔｃｈＵｐ三维建模在三维模型的构建环节ꎬ选择ＳｋｅｔｃｈＵｐ软件进行建模.ＳｋｅｔｃｈＵｐ软件功能和操作简单㊁模型通用性好㊁模型较小㊁建模周期短ꎬ可以快速大批量精细建模[７].在建模过程中ꎬ将整个场景的构建分为两部分进行ꎬ即外部场景(教学楼)和内部场景(实验室)两部分.导入所需位置的平面图数据ꎬ根据相关的参数数据调整其比例ꎬ通过软件的画图工具ꎬ参照平面图绘制出封闭的面状底物ꎬ然后再利用拉伸工具将已经生成的面拉伸至空间实体的实际高度ꎬ在此基础上先做出该物体大致的轮廓ꎬ再遵循 从大到小ꎬ从整体到局部 的原则来完善细节[８].建模时ꎬ尽量使线条看起来简洁不嘈杂ꎬ不存在重叠面ꎬ防止在ＩｄｅａＶＲ中出现卡顿等现象.还要注意组建群组ꎬ以利于后续对模型进行修改时能方便快捷.(２)Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ贴图处理实体三维模型构建完成后ꎬ为了与实物外观相符ꎬ使模型更加逼真和美观ꎬ达到与三维空间实体更高的吻合度.这就需要通过实地考察ꎬ拍摄各方位的实景照片ꎬ然后在Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ图形处理软件中ꎬ对图像进行裁剪㊁拼接㊁模式调整以及其他相关处理ꎬ最后添加到ＳｋｅｔｃｈＵｐ中作为三维模型表面纹理.虚拟三维模型如图２所示.整个建模完成后ꎬ先通过把模型中的纹理贴图以ｄａｅ的格式导出ꎬ再将模型转换为ＩｄｅａＶＲ支持的３ｄｓ格式导入到纹理贴图的文件夹中ꎬ保证导入ＩｄｅａＶＲ中不丢失模型纹理ꎬ最终导入ＩｄｅａＶＲ中.图２㊀ＳｋｅｔｃｈＵｐ中三维模型效果图３㊀虚拟仿真实验系统搭建３.１㊀虚拟场景搭建平台ＩｄｅａＶＲ是曼恒数字自主研发的虚拟现实引擎平台ꎬ支持异地多人协同功能ꎬ是为教育㊁企业等行业用户打造的ＶＲ内容创作软件ꎬ可帮助非开发人员高效开发和应用行业内容.通过共享云平台获取ＶＲ素材资源ꎬ使用场景编辑器和交互编辑器快速搭建场景内容㊁制定交互行为逻辑ꎬ支持多种头盔显示设备.利用这款开发平台进行虚拟场景的搭建有以下几点优势:(１)使用零编程基础和图像化的方法快速制定交互和行为逻辑ꎬ解决ＶＲ教学内容建模困难的痛点ꎻ６３西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷(２)可以实现异地多人协同功能及快速构建仿真环境ꎬ还原真实世界中大型活动的分工与协作状态和过程ꎻ(３)目前市面上的ＶＲ软件显示立体效果必须是在大屏幕上ꎬ而ＩｄｅａＶＲ在显卡支持上有突破ꎬ保证场景流畅运行的同时ꎬ降低了硬件成本.３.２㊀虚拟场景设计虚拟仿真实验系统的场景设计是至关重要的一部分ꎬ构建一个十分逼真的虚拟情景ꎬ是进行虚拟教学的前提.将ＳｋｅｔｃｈＵｐ中建好的模型ꎬ以３ｄｓ的格式导入到ＩｄｅａＶＲ场景编辑器中ꎬ通过在ＩｄｅａＶＲ场景编辑器上对三维模型进行渲染㊁合并组件㊁灯光㊁天气等一系列加工ꎬ最终形成一个完整的虚拟仿真实验场景ꎬ如图３所示.图３㊀ＩｄｅａＶＲ中的场景４㊀系统功能设计与实现虚拟现实强调沉浸感㊁交互性和构想性ꎬ这决定了它不同于传统的二维人机对话的交互方式[９].传统人机交互通过计算机输入设备发送请求ꎬ经计算机处理ꎬ在输出设备进行显示.本文所探讨的人机交互技术与传统人机交互有所不同[１０].本系统用ＶＲ头显和无线控制器手柄代替传统的显示器和鼠标ꎬ学习者所看到的是真实的虚拟实验设备和教学环境ꎬ使学习者有现场沉浸感.整个仿真系统功能的交互设计都是通过ＩｄｅａＶＲ中的交互编辑器和动画编辑器实现的.４.１㊀三维导航及漫游虚拟漫游是虚拟技术的核心.虚拟漫游技术能够使用户体验到逼真的效果与沉浸感[１１].在虚拟仿真实验系统中ꎬ通过手柄和眼前看到的设备或按钮进行交互ꎬ设计了两种前往实验室的路径选择ꎬ如图４所示.图４㊀漫游导航７３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现其一是导航漫游功能ꎬ即出现提示箭头ꎬ指引学生前往实验室的路线.其二是直接跳转功能ꎬ即通过手柄与按钮的交互ꎬ直接使人 瞬移 到实验室的门口.第二种路径不仅需要在交互编辑器中进行实现ꎬ还需要对摄像机的视点进行动画处理ꎬ进行虚拟漫游时ꎬ控制主㊁副摄像机之间的跳转.４.２㊀虚拟实验室在虚拟实验室中主要实现专业仪器全站仪的虚拟教学ꎬ包括全站仪的理论教学㊁实时信息查询㊁多人协同操作及回忆测试等.４.２.１㊀理论教学ＩｄｅａＶＲ平台支持创建音频㊁视频和幻灯片三种类型的多媒体文件ꎬ通过这个功能在虚拟实验室中加入全站仪及其操作的视频㊁ＰＰＴ文件等ꎬ实现全站仪的理论教学.４.２.２㊀实时信息查询该系统中的实时信息查询ꎬ主要是实现对全站仪及其构造名称的信息查询ꎬ如图５所示.此功能主要是利用交互编辑器中的显隐性来实现ꎬ即信息查询内容是存在于整个场景中ꎬ但是设置为不可见状态ꎬ只有通过一系列交互操作ꎬ才可以把这种不可见状态转变为可见状态ꎬ从而实现信息查询的功能.图５㊀实时信息查询４.２.３㊀多人协同虚拟拆装多人协同操作的前提是多人共享虚拟空间ꎬ指将坐在远端物理位置的人置于完全相同的虚拟世界中.每个参与者带上头显或者立体眼镜ꎬ用各自的视角ꎬ浏览和操作同一场景ꎬ相互协作地共同完成某项复杂的工作.多人协同的管理者ꎬ不仅可以管理参与协同工作的参与者ꎬ而且还可以看到每个参与者头显中的实时场景ꎬ真正满足了现实世界中跨部门和跨地域的多人协作需求.学生通过在这种多人协同的社会条件下学习(无论是合作还是竞争)比在个人条件下学习要好.也就是说ꎬ与同伴一起学习的学生比单独学习的学生能记住更多的事实性材料[１２].多人协同功能的具体实现流程如图６所示.图６㊀多人协同功能实现流程８３西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷在全站仪的虚拟拆装中ꎬ分为自动拆装与手动拆装.自动功能是通过动画编辑器生成虚拟动画以展示全站仪的部件构造㊁拆装过程等ꎬ如图７所示.图７㊀全站仪的自动拆装图手动拆装训练ꎬ则是学习者自由拆装过程ꎬ没有固定的拆装路线ꎬ此过程主要是在多人协同功能下进行.当学生Ａ在一个地点进行仪器的移动和操作时ꎬ在另一个位置的学生Ｂ可以看到学生Ａ的化身ꎬ以及在场景中对仪器进行的操作等行为.不仅如此ꎬ学生Ａ与学生Ｂ还可以共同对全站仪进行操作ꎬ如图８所示.图８㊀多人协同操作９３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现无论是自动还是手动拆装训练ꎬ都会带给学生新颖直观㊁全方位的展示ꎬ帮助缺乏实际经验的学生建立起零部件空间的形状ꎬ并在没有实体或实体无法拆卸的情况下ꎬ通过虚拟动画理解全站仪的部件构造㊁装配关系以及工作原理等内容[１３].这种虚拟训练的优点是ꎬ在与实际装备㊁工作环境类似的学习环境中ꎬ反复进行安全教育ꎬ这有助于学习者在实际工作现场驱动设备.４.２.４㊀回忆测试为了检验学生的学习效果ꎬ在系统中添加虚拟考核功能ꎬ也可以说是对全站仪及其操作的回忆测试.在考试系统中ꎬ分为常规题以及操作题.常规题是通过导入编辑好的ＸＭＬ格式文档自动生成ꎻ点击面板 创建 列表下的出题按钮ꎬ选择编辑好的试题文件ꎬ即可在场景中看到试题板ꎬ保存好文件后ꎬ即可开始考试ꎻ操作题是通过学生对全站仪的虚拟拆装进行评判.５㊀交互设备虚拟场景中的一系列交互行为ꎬ都是在交互设备支持的基础上进行的ꎬ高端的ＶＲ设备可以产生身临其境般的沉浸式体验ꎬ它可以同时影响使用者的视觉㊁听觉和触觉.在场景中ꎬ交互设备为学习者提供了在环境中移动时㊁以自然的方式进行可视化和交互的能力.所以在整个虚拟仿真实验系统的开发中ꎬ用到的交互设备主要是ＨＴＣＶＩＶＥ套装ꎬ主要包括ＶＩＶＥ头戴式设备(ＶＲ头显)㊁ＶＩＶＥ操控手柄以及ＶＩＶＥ定位器.这套设备的大空间定位(ｒｏｏｍ－ｓｃａｌｅ)移动追踪技术ꎬ能够让使用者更加沉浸在虚拟场景中.所谓 移动追踪技术 ꎬ即当学习者在虚拟场景中移动时ꎬ跟踪技术感知到这种移动ꎬ并根据学习者的位置和方向呈现虚拟场景.而且ꎬＨＴＣＶＩＶＥ设备可以淘汰传统的键盘㊁鼠标和显示器的界面ꎬ允许学习者轻松地研究专业仪器ꎬ而不必成为仿真软件中操纵模型的专家.有了这种硬件支持ꎬ学习者可以更容易地增强对专业知识的认知.６㊀系统效果验证在ＩｄｅａＶＲ编辑平台上完成虚拟场景搭建后ꎬ对场景进行打包ꎬ进而在ＩｄｅａＶＲ启动器上打开该场景ꎬ选择渲染输出端并启动后ꎬ进入启动界面.整个虚拟仿真实验系统在ＩｄｅａＶＲ中启动后ꎬ通过ＨＴＣＶＩＶＥ交互设备进行验证实验.本次实验邀请了１０名年龄在１８到２５岁之间相关专业的学生ꎬ学生们对全站仪有一定的了解ꎬ避免了认知能力和知识结构的偏差.参与的学生被随机分配到两个组中ꎬ５名学生接受文字及图片性质的传统教学ꎬ５名学生通过虚拟仿真实验系统进行训练教学.最后ꎬ通过对这１０名学生进行教学过程中的一些表现以及理论知识的考察ꎬ得到实验结果:在相同时间内ꎬ接受虚拟训练教学的学生ꎬ更容易投入到教学环境中ꎬ并且对全站仪的认知提升更为明显.虚拟教学的实验验证场景如图９所示.图９㊀系统效果验证场景０４西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷７㊀结㊀论将虚拟现实技术与专业理论教育及专业仪器拆装训练相结合ꎬ既可以解决一些用文字和传统图片难以说明和解释的学习内容ꎬ还可以期待通过一系列的人机交互功能使学习者高度参与到虚拟训练中ꎬ进而提高学习效果.ＶＲ技术的沉浸感㊁实时交互㊁多人协同等特性在该系统中得到充分的体现ꎬ学生可实现三维导航及漫游以及专业仪器全站仪的理论学习㊁实时信息查询㊁多人协同虚拟拆装㊁回忆测试等虚拟训练.该系统的虚拟训练内容可以用于实际设备实习前的前期教育或实习后的复习ꎬ减少实习设备投资费用和诱发学生学习兴趣ꎬ从而提高教学效率和学生的实际操作能力.在对该系统的效果验证中ꎬ学生对全站仪的学习表现出了浓厚的兴趣ꎬ提高了认知效果和学习效率ꎬ这表明了该系统在教育领域中具有很高的应用价值.[参㊀考㊀文㊀献][１]㊀赵沁平ꎬ周彬ꎬ李甲ꎬ等.虚拟现实技术研究进展[Ｊ].科技导报ꎬ２０１６ꎬ３４(１４):７１－７５.[２]㊀王文润ꎬ王阳萍ꎬ雍玖ꎬ等.沉浸式虚拟仿真实验案例设计与开发[Ｊ].实验技术与管理ꎬ２０１９(６):１４８－１５１.[３]㊀李勋祥ꎬ游立雪.ＶＲ时代开展实践教学的机遇㊁挑战及对策[Ｊ].现代教育技术ꎬ２０１７(７):１１６－１２０.[４]㊀姬喆.基于ＶＲ虚拟漫游技术的交互设计应用研究[Ｊ].现代电子技术ꎬ２０１９(１５):８６－９０.[５]㊀ＹＵＹꎬＤＵＡＮＭꎬＳＵＮＣꎬｅｔａｌ.Ａｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ[Ｊ].ＳｈｉｐｓａｎｄＯｆｆｓｈｏｒｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２０１７ꎬ１２(６):８７３－８８４.[６]㊀ＨＵＡＮＧＴꎬＫＯＮＧＣＷꎬＧＵＯＨＬꎬｅｔａｌ.Ａｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓ[Ｊ].Ａｕｔｏｍａ￣ｔｉｏｎｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎬ２００７ꎬ１６(５):５７６－５８５.[７]㊀黄检文.基于ＳｋｅｔｃｈＵｐ虚拟现实技术的数字校园漫游设计与实现[Ｊ].新丝路(下旬)ꎬ２０１６ꎬ(１２):９８－９９.[８]㊀张瑞菊.ＳｋｅｔｃｈＵｐ结合ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ在虚拟校园中的应用[Ｊ].计算机应用ꎬ２０１３ꎬ３３(１):２７１－２７２.[９]㊀张凤军ꎬ戴国忠ꎬ彭晓兰.虚拟现实的人机交互综述[Ｊ].中国科学:信息科学ꎬ２０１６(１２):２３－４８.[１０]李国友ꎬ闫春玮ꎬ孟岩ꎬ等.沉浸式３Ｄ催化裂化培训系统的设计与实现[Ｊ].计算机与应用化学ꎬ２０１９(２):１５３－１６１.[１１]ＰＲＡＴＩＨＡＳＴＡＫꎬＤＥＶＲＩＥＳＢꎬＡＶＩＴＡＢＩＬＥＶꎬｅｔａｌ.ＤｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｎＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＷｅｂ－ｂａｓｅｄｎｅａｒｒｅａｌ－ｔｉｍｅｆｏｒｅｓｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＰｌｏｓＯｎｅꎬ２０１６ꎬ１１(３):ｅ０１５０９３５.[１２]ＢＡＩＬＥＮＳＯＮＪＮꎬＹＥＥＮꎬＢＬＡＳＣＯＶＩＣＨＪꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｕｓｅｏｆｉｍｍｅｒｓｉｖｅｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｌｅａｒｎｉｎｇｓｃｉｅｎｃｅｓ:ｄｉｇｉｔａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｏｆｔｅａｃｈｅｒｓꎬｓｔｕｄｅｎｔｓꎬａｎｄｓｏｃｉａｌｃｏｎｔｅｘｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＬｅａｒｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ２００８ꎬ１７(１):１０２－１４１.[１３]谷艳华ꎬ朱艳萍ꎬ杨得军ꎬ等.用于网络教学的虚拟仿真交互式课件研究[Ｊ].图学学报ꎬ２０１６ꎬ３７(４):５４５－５４９.[责任编辑㊀马云彤]１４第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现。
面向“总师型”人才培养的航天飞行器设计课程创新建设
面向“总师型”人才培养的航天飞行器设计课程创新建设作者：时圣波龚春林苟建军谷良贤粟华吴蔚楠来源：《高教学刊》2024年第19期基金項目：教育部产学合作协同育人项目“校企协同实践教学体系与模式师资培训”（220602608103420）第一作者简介：时圣波（1985-），男，汉族，山东菏泽人，博士，副教授，博士研究生导师。
研究方向为飞行器总体及结构设计。
DOI：10.19980/23-1593/G4.2024.19.013摘要：航天飞行器设计是航空宇航科学与技术相关专业本科生的专业核心课程，以培养“总师型”后备人才基本能力和素养为教学目标。
航天飞行器设计涉及要素多、概念多、学科耦合强，强调综合性、系统性和创造性。
该文讨论航天飞行器设计课程的四个主要教学难点，结合西北工业大学办学目标，详尽地阐述课程创新建设思路。
课程在知识体系、教学方法、教学资源方面持续改革，构建“国防战略牵引-航天思政引入-工程案例分析-虚拟仿真强化”的创新教学模式，论述课程创新建设具体实施过程。
通过多维度评价与反馈，课程创新建设效果良好，有力支撑总体专业骨干和总师后备人选培养。
关键词：航天飞行器设计；“总师型”人才培养；系统工程思维；航天特色思政；全过程评价中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）19-0050-04Abstract： Space Vehicle Design is a core course for undergraduates majoring in aeronautical and astronautical science and technology. The aim of the course is to cultivate the basic ability and quality of "chief designer" candidate talents. Space Vehicle Design involves many elements，concepts， and coupling multi-disciplines. Comprehensiveness， systematism and creativity can be emphasized in this course. The four main teaching difficulties of this course are discussed. The ideas of innovation construction are carefully explained in combination with the educational goals of Northwestern Polytechnical University. The knowledge system， teaching methods and teaching resources are persistently improved. An innovative teaching model of 'motivation of national defense strategy - introduction of aerospace ideological and political education - analysis of engineering cases - strengthening of virtual simulation' is constructed. The specific implementation process of innovation construction of this course is described. The innovation construction of this course has a good effect through multi-dimensional evaluation and feedback， which could strongly support the cultivation of the space vehicle conceptual design talents and chief designer candidates.Keywords： Space Vehicle Design; cultivation of 'chief designer' talents; system engineering thinking; aerospace ideological and political education; whole process evaluation发展航天、探索宇宙承载着人类几千年不懈的追逐，航天飞行器寄托着人类拓展时空运用的希望。
大数据背景下的数据安全治理研究进展
第55卷 第1期2024年1月太原理工大学学报J O U R N A L O F T A I Y U A N U N I V E R S I T Y O F T E C HN O L O G YV o l .55N o .1 J a n .2024引文格式:徐双,刘文斌,李佳龙,等.大数据背景下的数据安全治理研究进展[J ].太原理工大学学报,2024,55(1):127-141.X U S h u a n g ,L I U W e n b i n ,L I J i a l o n g ,e t a l .R e s e a r c h p r o g r e s s o n d a t a s e c u r i t y g o v e r n a n c e u n d e r t h e b a c k gr o u n d o f b i g d a t a [J ].J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2024,55(1):127-141.收稿日期:2023-04-20;修回日期:2023-06-22基金项目:国家自然科学基金资助项目(62102280);山西省基础研究计划资助项目(20210302124167);山西省重点研发计划项目(202102020101001);国家自然科学基金面上资助项目(61972273);山西省关键核心技术和共性技术研发攻关专项项目(2020X X X 007)资助 第一作者:徐双(1990-),博士,讲师,主要研究领域为空天网络㊁边缘计算㊁数据资产管理,(E -m a i l )x u s h u a n g @t yu t .e d u .c n 大数据背景下的数据安全治理研究进展徐 双a ,b ,刘文斌a ,李佳龙a ,李灯熬a ,b ,c ,赵菊敏b ,c ,d(太原理工大学a .大数据学院,b .大数据融合分析与应用山西省重点实验室,c .山西省智能感知工程研究中心,d .信息与计算机学院,山西晋中030600)摘 要:ʌ目的ɔ通过检索与分析数据安全治理相关技术文献,从数据全生命周期各阶段入手,展开实现数据安全治理的各类安全治理技术研究㊂ʌ方法ɔ首先,通过介绍数据安全治理现状,分析加强数据安全治理研究的重要性;其次,具体阐述了数据全生命周期理论,给出数据生命周期的不同阶段;然后,系统性总结了数据准备㊁使用㊁存储与销毁等不同生命周期阶段的数据安全治理技术及其应用;最后,对数据安全治理面临的挑战与未来研究方向进行了分析与展望㊂ʌ结论ɔ加强数据安全治理,不论是对个人信息的隐私保护,还是对数据产业自身发展,甚至是对国家的信息安全,都有着重大意义㊂数据安全治理领域应更好地将区块链技术和实际应用相结合,建立更加健全的数据追责机制,明确数据使用的责任和义务㊂关键词:数据安全治理;全生命周期;数据准备;数据使用;数据存储与销毁中图分类号:T P 309.2 文献标识码:AD O I :10.16355/j .t yu t .1007-9432.20230294 文章编号:1007-9432(2024)01-0127-15R e s e a r c h P r o g r e s s o n D a t a S e c u r i t y G o v e r n a n c e U n d e r t h e B a c k g r o u n d o f B i g Da t a X U S h u a n g a ,b,L I U W e n b i n a ,L I J i a l o n g a ,L I D e n g'a o a ,b ,c ,Z H A O J u m i n b ,c ,d (a .C o l l e g e o f D a t a S c i e n c e ,b .K e y L a b o r a t o r y o f B i g D a t a F u s i o n A n a l y s i s a n d A p p l i c a t i o n o fS h a n x i P r o v i n c e ,c .I n t e l l i g e n t P e r c e p t i o n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r o f Sh a n x i ,d .C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d C o m p u t e r ,T a i y u a n U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ,J i n z h o n g 030600,C h i n a )A b s t r a c t :ʌP u r po s e s ɔI n t h i s p a p e r ,r e s e a r c h o n v a r i o u s s t a g e s o f t h e d a t a l i f e c y c l e a n d v a r i -o u s s e c u r i t y g o v e r n a n c e t e c h n o l o g i e s h a s b e e n c o n d u c t e d t o a c h i e v e d a t a s e c u r i t y go v e r n a n c e p r o -g r e s s b y s e a r c h i n g a n d a n a l y z i n g r e l a t e d t e c h n i c a l l i t e r a t u r e s .ʌM o t h e d s ɔF i r s t ,t h e i m po r t a n c e o f s t r e n g t h e n i n g r e s e a r c h o n d a t a s e c u r i t y g o v e r n a n c e i s a n a l y z e d b y i n t r o d u c i n g th e s t a t u s q u o o f d a t a s e c u r i t y g o v e r n a n c e .S e c o n d ,t h e t h e o r y o f t h e w h o l e d a t a l i f e c y c l e i s e x po u n d e d i n d e t a i l ,a n d t h e d i f f e r e n t s t a g e s o f t h e d a t a l i f e c y c l e a r e g i v e n .T h i r d ,t h e d a t a s e c u r i t y go v e r n a n c e t e c h -n o l o g i e s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s i n d i f f e r e n t l i f e c y c l e s t a g e s s u c h a s d a t a p r e p a r a t i o n ,u s e ,s t o r a ge ,a n d d e s t r u c t i o n a r e s y s t e m a t i c a l h y s u mm a r i z e d .A t l a s t ,t h e c h a l l e n ge s a n df u t u r e r e s e a r c h d i r e c -t i o n s o f d a t a s e c u r i t yg o v e r n a n c e a r e a n a l y z e d a n d p r o s p e c t e d .ʌC o n c l u s i o n s ɔS t r e n g th e ni n g da t as e c u r i t y g o v e r n a n c e i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e,w h e t h e r f o r t h e p r i v a c y p r o t e c t i o n o f p e r s o n a l i n f o r-m a t i o n,o r f o r t h e d e v e l o p m e n t o f t h e d a t a i n d u s t r y i t s e l f,o r e v e n f o r t h e i n f o r m a t i o n s e c u r i t y o f t h e c o u n t r y.K e y w o r d s:d a t a s e c u r i t y g o v e r n a n c e;f u l l l i f e c y c l e;d a t a p r e p a r a t i o n;d a t a u s a g e;d a t a s t o r a g ea n d d e s t r u c t i o n随着互联网的发展与信息技术的进步,数据已经成为影响社会生产的关键要素,其体量已达到P B/E B级别㊂数据总量呈现爆发式增长的同时[1],数据价值愈加凸显,数据安全风险与日俱增㊂数据泄露㊁数据贩卖等数据安全事件频发,为个人隐私㊁企业商业机密㊁国家重要情报等带来了严重的安全隐患㊂因此,数据的安全性显得尤为重要,数据安全已成为数字经济时代最紧迫㊁最基础的安全问题,加强数据安全治理已成为维护国家安全和国家竞争力的战略需要㊂随着‘中华人民共和国数据安全法“的正式颁布,数据安全在国家安全体系中的重要地位得到进一步的明确㊂本文通过对数据安全治理领域现有研究成果的分析,对大数据环境下的数据安全治理技术进行了全面的探索与总结㊂1数据安全治理概述数据安全治理以 让数据使用更安全 为目的,对企业或组织内部的数据进行规范化管理和保护,以确保数据的完整性㊁保密性和可用性㊂其本质是以数据为中心设计和实施安全保护措施,以数据安全能力成熟度为抓手的体系化方法论[2]㊂数字经济时代,数据安全㊁高效地流通交易才能更好地释放数据价值㊂因此,数据安全治理的目标是在合规保障及风险管理的前提下,实现数据的开发利用,保障企业数据管理业务的持续健康发展,确保数据安全与业务发展的双向促进㊂数据治理的核心产出是数据质量的显化和提升,而数据安全治理是保障上述产出的核心手段和措施,所以不能简单将数据安全治理视为数据治理的一个分支㊂对于同样容易混淆的数据安全管理来说,管理的概念通常强调控制和执行,以形成制度和规范条例的方式加以表述和落实;治理则更强调协调和合作,通常以方法论的形式呈现㊂在数据安全范畴内,数据安全治理相比数据安全管理拥有更好的灵活性㊁丰富性和包容性,更有利于指引数据安全建设㊂根据在I E E E㊁S a g e㊁S c i e n c e D i r e c t㊁A C M㊁W i-l e y五大出版社上以标题㊁摘要㊁关键词为搜索范围,使用 d a t a s e c u r i t y g o v e r n a n c e 进行搜索,获得了从2014 2023年的论文数量数据,如图1所示㊂论文统计截止到2023年5月,因此发现,论文数量大致呈现逐年增长趋势,且预计其未来趋势仍然呈增长,从这些论文数量的增长趋势中可以看出,学术界对数据安全治理问题的研究兴趣不断提升㊂这反映了学者们对于数据安全和隐私保护的重视,以及对数据泄露㊁网络攻击和其他数据安全威胁的关注㊂此外,数据安全治理在组织和企业层面的实践也成为研究的热点,学者们致力于寻找有效的方法和策略来建立健全的数据安全治理框架㊂403833293120332432252326243029241723251725201814935284540424139372955463154497254445862641616382482014201520162017201820192020202120222023年份30025020015010050论文数量/篇IEEESageScience directACMWiley图1数据安全治理相关文献数统计F i g.1 S t a t i s t i c s o n t h e n u m b e r o f l i t e r a t u r e r e l a t e dt o d a t a s e c u r i t y g o v e r n a n c e针对相关论文总体发表情况的进一步研究,发现数据安全治理研究的综述类文章占极少数,且对具体的㊁适应时代的数据安全治理技术缺少系统性的总结归纳,所以我们在这一相关工作方面展开了研究㊂目前,数据安全治理存在以下几个问题:1)由于网络攻击不当等原因,数据泄露[3]的风险在不断增加㊂近年来,各种规模的数据泄露事件频发,其影响范围涉及个人㊁企业㊁政府等多个领域㊂这些事件揭示了数据安全治理的薄弱环节,暴露了许多企业和组织对于数据安全的重视不足㊂与不可靠的合作伙伴进行数据共享可能导致数据泄露,使企业面临巨大的数据安全风险[4]㊂不安全的数据交换通道以及对合作伙伴的安全审核不力,都可能导致数据被821太原理工大学学报第55卷泄露或滥用㊂2)内部威胁对数据安全构成了一定的风险,需要适当的访问控制㊁监控机制和对员工行为的审计来检测并防止此类威胁㊂这包括员工㊁管理员或其他拥有内部权限的人员,他们可能窃取敏感数据以谋取个人利益㊁进行报复行为或为竞争对手获取商业数据㊂例如,将敏感数据发送给错误的收件人㊁在不安全的网络上进行数据传输㊁未经授权地使用或访问数据等㊂这些操作可能是无意的,但却可能对数据安全造成严重影响㊂3)数据安全治理需要专业的人员进行管理和维护,但是目前我国的数据安全人才缺口较大,而且人员技能水平也存在一定的差异㊂一些企业和组织没有意识到数据安全的重要性,内部没有建立完善的数据管理体系,导致数据管理混乱,数据安全无法得到有效保障,同时数据安全治理相关方面的研究较少㊂4)很多企业和组织没有采取有效措施保护用户的个人隐私,数据隐私保护不足导致用户的个人信息被滥用㊂例如,一些企业违规应用过度收集个人信息,平台应用通过用户隐私协议授权,过度的读取隐私信息等㊂2数据全生命周期从某种意义上说,数据如同企业其他资产一样,也具有生命周期[5]㊂只有充分地认识数据的全生命周期,才能更好地描述㊁衡量㊁量化和治理数据㊂在实际应用中,特定的数据所经历的生命周期由实际的业务场景所决定,并非所有的数据都会完整地经历每个阶段㊂数据生命周期是指从产生或获取到销毁的过程,包括以下几个阶段[6]㊂数据准备阶段:在这个阶段中,数据采集是指从各种来源收集数据的过程㊂所收集到的数据种类包括语音㊁图片㊁视频㊁用户上网行为㊁设备地理位置㊁管理系统日志以及网站信息等,这些多种多样的数据可能来源于传感器㊁设备㊁应用程序或社交媒体等㊂采集完数据后,需要对所采集的数据进行清洗㊁转换㊁聚合和分析等处理㊂经过处理和转换,数据将被转换为可用的格式,以便于后续的分析和使用,从而更好地理解数据[7]㊂其中,最主要的安全问题包括:敏感数据与非敏感数据难以分离,数据监管难度增大,重要信息容易泄露等㊂为了确保数据在数据准备阶段的安全性,数据隔离㊁数据脱敏和数据分类分级等安全治理技术被广泛应用㊂数据使用阶段:这个阶段是数据全生命周期中最具挑战的一个环节,包含了数据的分析㊁共享和使用㊂其中,数据分析通过深入探索和分析数据,以发现其中隐藏的信息和趋势,从而体现数据价值,并为不同需求的人和组织提供相对应的服务㊂数据分析后,可以提供有用的策略,并被用于不同的场景,提供同等价值的信息输出㊂数据共享通过把数据分享给他人或组织,以促进知识共享和合作㊂在数据使用过程中,数据需要进行相关安全处理,例如防篡改或抵御攻击㊂综上可知,在数据使用阶段需要采取一系列安全技术来保障数据的机密性㊁完整性和可用性,可以采用的安全技术包括基于区块链的数据共享技术㊁同态加密㊁基于量子技术的数据加密等㊂数据存储和销毁阶段:数据存储指将数据保存到硬盘㊁云存储等物理存储介质中㊂数据被存储后,需要保证其完整性和可靠性㊂数据销毁是指在数据不再需要时进行删除㊁封存㊁回档等操作,旨在对机密性数据或垃圾数据采取保护措施或消除措施㊂销毁的相关数据还要建立备份信息并严密保存,以备后续使用和查档㊂该阶段可采用的安全技术主要有审计日志㊁数据备份㊁访问控制等㊂3数据准备安全技术3.1数据隔离数据隔离是指将不同类型或不同级别的数据分开,以确保敏感数据不被未经授权的用户或应用程序访问或泄漏㊂数据隔离可以应用于不同的场景,例如计算机系统㊁数据库㊁网络环境等㊂在计算机系统中,数据隔离通常涉及将不同用户或应用程序的数据分开,可以通过物理隔离㊁逻辑隔离等不同方式实现㊂物理隔离需要将不同的服务器或存储设备分开,每个设备只存储特定用户或应用程序的数据㊂逻辑隔离需要使用访问限制机制来确保每个用户只能访问其授权的数据㊂下面分别介绍物理隔离和逻辑隔离技术的应用实例㊂防火墙技术是数据隔离中的一种物理隔离技术,它通过结合各种软件和硬件设备进行安全管理,在计算机内部网络和外部网络之间建立保护屏障,用于确保用户数据和信息安全㊂防火墙技术主要用于发现和处理计算机网络运行时可能存在的安全风险以及数据传输等问题㊂防火墙通过检查I P 地址和端口号等几个字段来过滤网络流量从而实现保护数据[8]㊂目前主要的防火墙技术包括网络隔离㊁访问限制㊁数据过滤㊁应用隔离等,其作用如表1所示㊂921第1期徐双,等:大数据背景下的数据安全治理研究进展表1防火墙技术T a b l e1 F i r e w a l l t e c h n o l o g y 组成部分作用网络隔离对网络进行划分,不同网络之间通过防火墙实现物理隔离,避免不同网络之间的数据互相干扰和泄露㊂访问限制设置规则,限制不同用户或主机对网络资源的访问,从而实现访问限制和数据隔离㊂数据过滤根据指定的过滤规则,对进出网络的数据进行检查和过滤,从而防止恶意攻击和数据泄露㊂应用隔离对不同的应用程序进行隔离,避免恶意程序通过网络传播和攻击其他系统㊂传统防火墙在配置和处理阶段都使用列表规则来调节网络流量㊂但是,使用列表规则配置防火墙可能会导致规则冲突,并降低防火墙的运行速度㊂为了克服这个问题,C HOM S I R I e t a l[9]提出了树规则防火墙㊂其树规则防火墙的图形用户接口被用来为用户创建无冲突的防火墙规则,将这些规则组织成树状结构,称为 树规则 ㊂这些树规则稍后被转换为列表规则,这些规则具有无冲突的优点㊂之后在决策过程中利用列表规则验证数据包报头信息,核心防火墙将匹配最多报文的规则移到最上方㊂尽管树规则防火墙保证其规则集中没有冲突,并且运行速度比传统防火墙快,但是使用散列函数跟踪网络连接的状态会导致额外的计算开销㊂为了减少额外的计算开销,C HOM S I R I e t a l[9]提出了一种混合树规则防火墙㊂这种混合方案同时利用了树规则防火墙和传统的列表规则防火墙㊂应用该混合方案的机制在保障传统防火墙功能的同时,可以显著提高防火墙的运行速度㊂W e b应用程序是I n t e r n e t上最常用的信息和服务交换平台㊂目前,信息通过社交网络和在线商务蓬勃发展㊂因此,除了计算机网络的数据安全之外,业界也更加关注W e b应用程序数据的安全㊂W e b应用程序同样也是数据的重要流通地点,针对W e b应用程序的攻击层出不穷,保护W e b应用程序的数据安全是当前数据安全治理的重要组成部分㊂V A R T O U N I e t a l[10]提出了基于深度神经网络和并行特征融合的防火墙方法,该方法采用堆叠自编码器和深度信念网络(d e e p b e l i e f n e t w o r k s, D B N)作为特征学习方法,在训练阶段只使用正常数据进行分类,然后使用支持向量机㊁隔离森林和椭圆包络作为分类器㊂提出者测试了本方法的性能,结果表明,使用深度神经网络模型和并行特征融合模型,在合理的时间内具有更好的准确性和泛化性能㊂但由于D B N训练过程中需要进行无监督的逐层训练,计算资源和时间成本比较高㊂因此,WA N G e t a l[11]构建了一个基于深度学习中卷积神经网络的云w e b应用防火墙系统㊂系统架构采用多服务器分布式架构㊂考虑到W e b请求的实时性和用户的用户体验感,使用了高性能服务器框架O-p e n e r s和高效卷积神经网络㊂卷积神经网络在保证识别率的同时,通过反向传播算法进行训练,提高了系统的运行效率㊂云防火墙是防止恶意用户未经授权访问云资源[12]的主要安全屏障之一㊂目前针对云的防火墙技术大多数采用的是基于静态安全规则配置或简单的规则匹配,具有较低的灵活性,不能保证网络安全等问题㊂L I e t a l[13]提出一种基于可编程数据规划的数据状态防火墙,该防火墙通过设计有限状态机和状态表,实现数据包在数据平面上连接状态信息的提取㊁分析和记录,保证细粒度的访问控制并减少通信开销㊂L I U e t a l[14]为个人云客户提出了一个分散的云防火墙框架㊂研究了在云防火墙的加强保障下,如何动态分配资源,以优化资源配置成本,同时满足个别客户指定的服务质量要求㊂C A R V A L-HO e t a l[15]为云防火墙提出了一个多维连续时间马尔可夫链模型,该模型考虑了合法和恶意数据流量的突发性和相关性特征㊂通过采用马尔可夫调制泊松过程和中断泊松过程,确定了云防火墙可能遭受可用性损失的工作负载条件㊂此外,还解释了合法和恶意数据流量的突发性和相关性可能会导致云防火墙的性能下降㊂最后,通过提出一个马尔可夫调制泊松过程驱动的负载平衡过程来设计一个弹性云防火墙,该过程动态地提供虚拟防火墙,同时满足服务水平协议规范㊂入侵检测作为对防火墙的进一步扩展,可以帮助计算机防御网络攻击,加强系统的安全管理能力,并提高数据安全架构的完整性㊂入侵检测是通过从计算机网络系统中的几个关键点获取数据,并进行分析处理,根据分析结果搜索破坏安全的行为㊂入侵检测系统分为两种类型,一种是基于主机的入侵检测系统(h o s t-b a s e d i n t r u s i o n d e t e c t i o n s y s t e m, H I D S),另一种是网络入侵检测系统(n e t w o r k i n-t r u s i o n d e t e c t i o n s y s t e m,N I D S).MA e t a l[16]设计了一种基于入侵检测系统(i n t r u s i o n d e t e c t i o n s y s-t e m,I D S)的反馈变更规则防火墙,以实现对攻击的灵活检测㊂它结合了防火墙和入侵检测系统,使用入侵检测系统检测I C M P㊁T C P㊁U D P攻击㊂此外,为了突出防火墙的重要性,I D S所监控的数据会被自动分析并添加到防火墙的防御策略中㊂反馈变更031太原理工大学学报第55卷规则的防火墙在提高系统的有效性和提高整个系统过滤攻击的效率方面起着至关重要的作用㊂V I-N A Y A K UMA R e t a l[17]探讨了深度学习模型中的深度神经网络(d e e p n e u r a l n e t w o r k s,D N N),提出了一种基于高可扩展性框架的混合入侵检测报警系统,框架采用分布式深度学习模型和D N N来实时处理和分析超大规模的数据,以开发一种灵活有效的I D S来检测和分类不可预见或不可预测的网络攻击㊂S HO N E e t a l[18]提出了基于无监督特征学习的新型非对称深度自编码器(n o n-s y mm e t r i c d e e p a u t o-e n c o d e r,N D A E)方法,并在此基础上构建了基于堆叠N D A E和随机森林分类算法的入侵检测分类模型㊂该方法提升了预防攻击的准确性㊁精密度和召回率,同时减少了训练时间㊂最值得注意的是,堆叠N D A E模型的入侵检测方法相较于基于D B N 的入侵检测方法,其模型的入侵检测准确性提高了5%,训练时间降低了98.81%.针对现有的入侵检测方法会损害无线传感器网络的安全性和隐私性,无法实现安全数据传输的问题,A L Z U B I e t a l[19]提出了基于深度学习的无线传感器网络入侵检测f r e c h e t-d i r i c h l e t模型㊂该模型引入广义弗雷歇双曲深度和迪利克雷安全(f r e c h e t h y p e r b o l i c d e e p a n d d i r i c h l e t s e c u r e d,F H D-D S)数据通信模型,首先通过F r e c h e t双曲线深度流量特征提取方法提取更多的相关网络活动和固有流量特征,然后利用提取的特征对异常或正常数据进行预测㊂其次,采用基于统计狄利克雷异常的入侵检测模型实现入侵发现,并通过评估D i r i c h l e t分布以实现安全的数据传输,并有效检测传感器网络中的入侵㊂利用数据集对所提方法的入侵检测时间和数据传输速率等因素进行实验评估发现,广义F H D-D S 数据通信方法在较短的时间内实现较高的入侵检测率㊂逻辑隔离技术是指通过软件或配置等手段将不同的数据从逻辑上隔离开来,以确保它们之间的安全和完整性㊂下面将从信息泄露㊁云存储数据安全防护㊁软件攻击面等领域逐一介绍可采用的逻辑隔离技术㊂M I L B U R N e t a l[20]提出了基于类型的数据隔离(t y p e-b a s e d d a t a i s o l a t i o n,T D I),如图2所示,可以减轻信息泄露㊂T D I将不同特征的内存对象隔离在不同的内存区域中,并使用高效的编译器工具将其约束到预期特征的区域㊂T D I中基于竞技场的设计将检测从负载转移到指针算术操作,实现了新的积极的推测感知性能优化,并消除了对点分析的需求㊂此外,T D I的特征管理灵活,提供了细粒度的数据隔离,消除了对注释的需要,其平均性能开销较小㊂静态分析算术分类指针检测编译器检测源代码类型化堆栈屏蔽类型检测强化二进制基于竞技场的堆分配器堆栈隔离运行时支持静态类型信息图2 T D I的高级概述F i g.2 H i g h-l e v e l o v e r v i e w o f T D I随着数据量的不断增大,传统的数据存储已经不能满足用户需求,云存储系统可以通过共享的服务器和磁盘池为多个租户提供服务来实现规模经济㊂这也导致了来自相同设备上不同租户的数据混合,针对云存储的数据安全防护变得尤为重要㊂由于该情况下唯一的保护是应用程序级别的保护,不足以使多租户的数据同时得到防护,一个漏洞就会威胁到所有租户的数据,并可能导致跨租户数据泄露,使云计算比专用物理资源的安全性低得多㊂为了提供接近物理隔离的安全性,同时允许完整的资源池,F A C T O R e t a l[21]提出了多租户安全逻辑隔离(s e c u r i t y l o g i c a l i s o l a t i o n f o r m u l t i-t e n a n c y, S L I M).S L I M集成了一个完整的安全模型,提出了一组用于云存储系统中租户资源之间安全逻辑隔离的原则,以及一组用于实现该模型的机制㊂这种在多租户云存储系统中实现租户隔离的端到端方法,允许用户共享所有资源的同时,实现了租户权限的分离㊂数据安全已成为信息时代的一个主要话题㊂多年来,软件攻击面一直是安全漏洞的主要领域㊂尽管已经对漏洞防护进行了很好的研究,但利用漏洞的攻击仍然广泛存在㊂鉴于这些攻击的持续性, A R T HU R e t a l[22]提出了一种新的数据安全方法,称为控制数据隔离,直接消除了问题的主要根源 间接控制流㊂它通过避免使用间接控制来消除潜在恶意运行时的数据和程序控制之间的联系㊂该研究已经证明,从源头处理控制流攻击不仅是可行的,而131第1期徐双,等:大数据背景下的数据安全治理研究进展且对运行时性能的影响最小㊂控制数据隔离提供了高级别的安全性,同时减少了开销㊂通过直接处理控制流攻击,而不是减轻它们,可以大大减少整个软件的攻击面㊂3.2数据脱敏数据脱敏是指在保留数据原始格式和属性特征的前提下,通过敏感规则对涉及个人隐私㊁商业机密以及技术秘密等敏感信息进行数据变形,实现对敏感隐私数据可靠保护的技术㊂数据敏感信息的识别是数据脱敏的前提,数据脱敏一般包括:确定脱敏规则与脱敏算法㊁制定脱敏方案㊁实施脱敏操作等过程㊂数据脱敏一般分为静态数据脱敏和动态数据脱敏,静态数据脱敏是在数据收集时对数据进行脱敏,以确保数据在整个处理过程中保持匿名或难以识别㊂例如,静态数据脱敏可以通过替换或删除敏感数据元素(如姓名㊁地址㊁电话号码等)来实现,这种方法可以保护数据隐私,但可能会降低数据的实用性㊂动态数据脱敏则是在数据处理时对数据进行脱敏,以确保敏感信息仅在需要时才被揭示㊂例如,在数据传输过程中,可以对数据进行动态脱敏,仅在数据到达目的地后才恢复原始值㊂这种方法可以保护数据隐私,并保留数据的实用性㊂这些技术的应用可以有效地降低数据泄露和滥用的风险,并确保数据隐私和安全性㊂数据脱敏策略应该具有可扩展性和灵活性,并可以根据不同的用户需求进行脱敏方案设计㊂根据敏感信息的数据类型和敏感程度搭配不同的脱敏方法,确保对敏感信息的保护,充分发挥数据的价值[23]㊂数据掩码方法属于静态数据脱敏技术,通过使用掩盖字符或通配符等符号,替换敏感信息来保护数据的隐私㊂例如,使用星号替代身份证号码中的部分数字,如 **19900101 .这种方法虽然简单易实现,允许对编码数据执行测试或分析任务,从而限制私人信息暴露给第三方系统或个人,但它们可能会导致信息泄露,因为它们保留了太多输入数据的格式,从而增加了攻击者猜测私人信息的机会[24]㊂数据屏蔽指的是使用特殊的技术对数据进行屏蔽,属于动态脱敏,以确保敏感信息无法被直接识别㊂与数据掩码技术相比,特别是当训练样本数量较大时,该方法具有较低的风险㊂P H AM e t a l[25]提出了一种用于隐私敏感学习的数据屏蔽技术㊂其主要思想是迭代地寻找被屏蔽数据,使得分类器上关于被屏蔽数据的似然梯度为零,在保证隐私保护的情况下屏蔽私有数据,同时确保在屏蔽数据上训练的分类器与在原始数据上训练的分类器相似,以保持可用性㊂而这种方法占用较多内存,迭代的次数与效率不成正比㊂针对数据屏蔽会占用大量资源且某些替代方法不能从根本上解决数据丢失的问题,B I e t a l[26]提出基于模糊集的数据脱敏算法,使用模糊集对数据进行脱敏以后,数据只有很小的概率会被修复㊂与基于数据变形思想的数据脱敏方法相比,基于模糊集的脱敏方法具有较大优势㊂另外,由于模糊集具有很多种不同的隶属度函数,可以实现对脱敏算法的智能选择㊂传统的数据脱敏方法可能会破坏相关信息,进而造成数据泄露的问题,X I A N G e t a l[27]提出一种基于改进的S t a c k e l b e r g生成对抗网络㊂该网络与普通的生成对抗网络相比,具备更多的发生器与训练器,同时引入一个具有N个鉴别器的特殊领导者㊂在网络开始训练时,鉴别器的输出结果接近于0,发生器的输出结果接近于1;在网络训练过程中,每个鉴别器都具备相同的权重,各自进行训练并做出判断,通过领导者汇集所有结果,并计算结果的平均值㊂随着每个鉴别器不断自我训练,模型效果会越来越理想,直至能够最大程度地区别实际数据与生成数据,即此时的鉴别器与生成器处于平衡状态㊂3.3数据分类分级数据分类是从数据管理的角度出发,通过聚集具有相同属性或特征的信息,形成不同的类别,便于使用者操作和鉴别数据信息㊂数据分级是从数据安全的角度出发,按照信息的敏感程度或影响程度对数据信息进行分级㊂两者都可以更好地管理和保护数据资源㊂传统的分类分级方法通常采用静态的分类体系,例如机密性等级分类㊁重要性等级分类㊁风险等级分类等㊂大规模数据存在动态性和多样性,数据的价值和敏感程度可能会随着时间㊁上下文和使用目的的变化而变化,静态分类体系无法灵活地应对这种变化㊂此外,大规模数据存在着交叉和关联的情况,不同数据之间可能存在复杂的关系,传统的分类分级方法往往只考虑单个数据项的分类,而忽略了数据之间的关联性,这导致其无法全面地评估和管理数据的安全风险㊂因此,新兴的数据分类分级方法应运而生㊂Z H A O e t a l[28]提出基于全局和局部颗粒化的知识粒度方法,在不改变原始数据的情况下实现长尾数据的层次分类㊂首先,提出者考虑到W o r d N e t知识组织的层次结构,于是采用了全局231太原理工大学学报第55卷。
SPH技术在波浪运动特性虚拟仿真实验中的应用
ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
实验技术与管理 Experimental Technology and Management
第 38卷 第 5 期 2021年 5 月 Vol.38 No.5 May 2021
D O I: 10.16791/ki.sjg.2021.05.028
付小莉，等 ：S PH 技术在波浪运动特性虚拟仿真实验中的应用
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导 致 学 生 参 与 度 低 ；二 是 实 验 具 有 时 间 限 制 ，无法灵 活自由地调整实验时间；三是实验具有空间限制，实 验装置过大给实验场地Байду номын сангаас选择设置了障碍。因此，寻 求 一 种 新 的 实 验 教 学 方 法 至 关 重 要 ，而虚拟仿真技术 的出现为上述问题提供了解决方案。
要的内容之一。另 外 ，研究波浪运动对于港口选址规 划和港口建筑物的设计也具有重要意义。为了充分理 解 并 掌 握 波 浪 运 动 特 性 ，通常需要学生将理论学习和 实 践 相 结 合 ，实 现 从 所 学 到 所 用 的 贯 通 。水槽实验和 港口模型实验是锻炼港航专业学生实践能力的重要手 段 。但 是 ，上述实验在教学过程中存在3 个主要问题: 一 是 造 价 高 ，真 正 用 于 实 验 教 学 的 仪 器 装 置 较 为 稀 缺 ，
RS与GIS一体化技术在水体信息提取中的应用
RS与GIS一体化技术在水体信息提取中的应用于海若;燕琴;董春;王萍【摘要】以Visual Studio 2010为开发平台,利用C#与IDL语言编程的混编技术和ArcGIS Engine 10的二次开发技术集成开发了遥感矿区水体监测系统;并以江苏省大屯矿区为例,测试了该系统的功能和稳定性.测试结果表明,该系统能够实现对遥感水体范围信息的提取,结果合理,功能稳定性良好.【期刊名称】《地理空间信息》【年(卷),期】2017(015)003【总页数】4页(P58-61)【关键词】IDL/ENVI;ArcGISEngine;一体化;水体信息提取【作者】于海若;燕琴;董春;王萍【作者单位】山东科技大学,山东青岛 266590;中国测绘科学研究院,北京 100830;国家测绘地理信息局,北京 100830;中国测绘科学研究院,北京 100830;山东科技大学,山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】P237水资源是工农业生产、人民生活和生态环境改善不可替代的宝贵资源。
随着全球人口增长和社会经济发展，对水的需求量不断增加，而水体污染也日趋严重，水资源缺乏问题已成为严重的社会问题。
随着环境信息化的快速发展和计算机技术在数据管理领域的广泛应用，GIS在水环境保护管理和决策工作中得到越来越广泛的应用；而RS技术的迅速发展，更是为获取水体的多时相、大尺度空间数据提供了一种全新的技术手段。
遥感影像现已作为GIS的主要信息来源和重要组成部分来完成大面积水域范围的提取和水质的动态监测。
国内外学者已将从遥感影像中准确提取的水体范围信息用于水资源宏观监测、湿地保护和生态评价等领域。
Kloiber S M[1]等利用非监督分类方法和聚类处理将遥感影像分为水体和陆地两类，并利用二值掩膜生成只有水体的影像。
Ozesmi S L[2]等结合GPS和GIS，分析了RS技术提取水域范围在大范围高精度的湖泊湿地资源调查中的应用。
双临界差异层间速度分析法的原理及应用
双临界差异层间速度分析法的原理及应用
曾宪斌;刘震
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】1996(020)006
【摘要】提出一种以临界差异层间速度分析法，其原理是利用纯泥岩，纯砂岩两
种速度模型作为背景层速度，进行差异层间速度分析，进而预测地层岩性或含烃性，在吐哈盆地中侏罗统初步试验证明，双临界差异层间速度分析方法用于地层岩性预测有较高精度。
运用该分析方法指出了吐哈盆地胜北构造带储集体发育有利的部位。
【总页数】3页(P116-118)
【作者】曾宪斌;刘震
【作者单位】石油大学地球科学系;石油大学地球科学系
【正文语种】中文
【中图分类】P631.41
【相关文献】
1.关于双临界速度减速顶的应用与改进 [J], 刘学泰;秦泗礼
2.TDJ—GS型双临界速度减速顶在淄博站的应用 [J], 范君波;刘学泰
3.TDJ—GS型双临界速度减速顶运用试验报告 [J],
4.用层间地震速度差异预测地层的岩性及含油气性 [J], 高先志;戴建春;曾洪流;刘
震
5.差异层间速度分析在三维地震储层物性评价中的应用 [J], 代建春;刘震
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技术生态位对长三角G60科创走廊创新效率的影响
技术生态位对长三角G60科创走廊创新效率的影响
汪彩君;刘高平
【期刊名称】《科技管理研究》
【年(卷),期】2024(44)9
【摘要】G60科创走廊是实施长三角一体化战略的重要载体。
基于2012—2021年地级市面板数据,构建双向固定效应模型和空间杜宾模型,考察技术生态位的宽度和重叠度对G60科创走廊各城市创新效率的直接影响及空间溢出效应。
结果表明,不相关技术的生态位宽度与各城市创新效率显著负相关,相关技术的生态位宽度显著提升创新效率,整体上技术生态位宽度增加不利于创新效率提升;技术生态位重叠度对创新效率具有显著促进作用;在空间效应方面,技术生态位宽度存在显著的负向空间溢出,技术生态位重叠度则显著正向空间溢出。
为实施G60科创走廊高质量协同创新、推动长三角创新一体化战略提供理论参考和借鉴。
【总页数】9页(P83-91)
【作者】汪彩君;刘高平
【作者单位】浙江工业大学经济学院;浙江工业大学现代化产业体系研究院
【正文语种】中文
【中图分类】F124.3;F204;G302
【相关文献】
1.以科创走廊探索科技创新协同发展新模式——基于G60科创走廊协同创新的理论分析
2.创新要素集聚与区域协同创新——基于长三角G60科创走廊的网络实证
3.长三角G60科创走廊金华国际院士创新中心——打造长三角地区产业转型的引领地
4.区域创新系统视角下长三角G60科创走廊科技创新发展评价研究
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双界面匹配一体化速度建模技术研究与应用——以天山南山前带阳霞区块为例费建博;杨子川【摘要】为了消除山前带复杂地表对速度分析与建模以及偏移成像的影响,基于平滑地表面和初至波反演底界面两个关键参考面,提出了双界面匹配的一体化速度建模技术.该方法通过表层模型驱动的道间时差校正与起伏地表偏移结合,消除了复杂地表引起的高低频道间时差;通过时间域浅中深层速度融合,实现深度域一体化速度初始建模;采用地质模式约束的沿层层析、网格层析修正速度模型并结合起伏地表深度偏移逐步提高速度模型精度.将该方法应用于天山南山前带阳霞区块实际地震资料处理,整体上提高了偏移成像质量,尤其是阳霞构造的成像效果得到明显提升.【期刊名称】《石油物探》【年(卷),期】2016(055)004【总页数】7页(P533-539)【关键词】表层模型驱动;道间时差校正;双界面匹配;速度建模;起伏地表偏移【作者】费建博;杨子川【作者单位】中国石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探开发研究院,新疆乌鲁木齐830011;中国石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探开发研究院,新疆乌鲁木齐830011【正文语种】中文【中图分类】P631近地表复杂是山前带构造成像困难的根本原因。
地表起伏、高速岩层出露及近地表横向速度变化使得地震波传播路径异常复杂,导致地震资料信噪比低且道间时差剧烈变化[1],基于水平层状假设的常规地震资料处理方法无法达到精确成像的目标。
许多学者拓展固定基准面概念,研究了基于浮动基准面的静校正[2-3]、速度反演建模[4-5]和叠前成像理论、方法[6-7],但当表层结构复杂,如折射初至为多层或无层序化时,基于单一参考基准面的折射法静校正和层析静校正的解存在不确定性,难以解决复杂地表区的时差校正和速度分析与建模问题。
为了解决上述问题,学者们探索研究了更为复杂的基准面和多参考基准面理论、方法[8-10],基于曲时面的初至拟合迭代静校正、基于空变基准面和替换速度“双变基准面”的自适应校正以及处理解释一体化的“地震工作面”等技术研究取得较大进展[11]。
本文选择平滑地表面和初至波反演底界面两个参考面,控制近地表结构和速度模型,建立表层道间时差校正、速度建模和起伏地表偏移成像统一参考面,实现一体化速度分析与建模。
天山南山前带阳霞区块处于塔里木盆地库车坳陷南部平缓背斜带,地表条件极为复杂,地下高陡构造发育,地震资料品质差,构造成像困难。
根据该区地质结构特点,在多个参考面(图1)中选取平滑地表面和初至波反演底界面两个参考面,形成静校正基准面、速度分析面、叠加偏移面和速度建场面的“多面”统一,以适应表层结构的复杂性,实现时差校正、速度分析和成像一体化处理。
平滑地表面的选取原则为,与地表高程形态一致,界面平滑无突跳,通过平滑地表能去除高程的快速变化造成的高频道间时差。
图2对比了不同尺度的平滑地表面,可以看出,与平滑长度为3000m和600m的地表面相比,平滑长度为1000m的地表面与地表高程形态一致,并且过滤了地表高程的突跳。
初至波反演底界面是一体化速度建模中浅层速度与中深层速度对接面,介于射线密度底界与高速顶界面之间(图3)。
其中射线密度底界为每个网格内穿过的射线条数横向稳定的界面,通常该界面以上的速度较为准确,高速顶界面以上的速度存在横向突变,需要进行小尺度平滑。
因此初至波反演底界面在这两者之间选取比较合理,并且应该避免速度横向突跳,选择横向变化稳定的界面。
本文基于双界面匹配的时差校正技术解决基于射线追踪的反射波层析反演无法解决的高频静校正问题,同时使得原始道集数据、速度谱起点和近地表速度保持一致;通过射线密度确定初至波反演底界范围,通过浅层速度转换叠加速度来检验浅层模型的准确性以及反演底界面的可靠性。
基于双界面匹配的表层模型驱动的道间时差校正技术采用小尺度平滑的浅层速度模型替代替换速度进行道间时差量的计算,经过校正后的道集与一体化速度模型能够很好匹配,从而提高射线路径的计算精度。
设P点表示地表某观测点(图1),td表示将P点从地表“下剥”至初至波反演底界面的时间,tu表示将P点从初至波反演底界面以平滑后的浅层速度模型“回填”到平滑地表面,再以替换速度“回填”到基准面的时间,则P点的固定基准面道间时差量为:其中,式中:H1表示从地表到初至波反演底界的厚度;v1为初至波反演的浅层速度;H2表示从初至波反演底界到地表平滑面的厚度;v2为平滑后的浅层速度;H3为平滑地表面到固定基准面的厚度;vr为替换速度。
对于任意CDP点,最终道间时差t的计算公式如下:t=ts+tr-2H4/vr式中:ts为炮点道间时差;tr为检波点道间时差;H4为CDP点到固定面的距离。
需对浅表层速度模型进行适度平滑,以消除速度横向突变产生的毛刺现象,使速度趋势变化更为合理。
模型平滑的程度只涉及高频道间时差,低频道间时差校正将在深度偏移中解决。
在阳霞二维工区开展了表层模型驱动的道间时差校正技术应用,结果表明,表层模型驱动的道间时差基准面校正量与常规静校正量存在低频差异,其主要与浅层速度横向变化的形态相关(图4)。
本文通过浅中深层一体化速度建模以及深度偏移成像来解决这部分低频时差校正问题。
图5对比了常规静校正与模型驱动的道间时差校正叠加剖面对比,后者的成像效果要好于前者,尤其是在高程变化较大、地下构造比较复杂的区域。
首先基于地表面与初至波反演底界面匹配进行浅中层一体化速度建模,由信噪比较高的初至波反演得到浅层模型,提高浅层速度模型的精度;然后通过浅中深层速度对接建立初始一体化速度模型；最后通过基于反射波的模型层析与网格层析得到高精度一体化速度。
3.1 表层速度反演建模利用初至波进行层析反演时,将小折射层析解释结果作为极浅近地表模型,并作为约束条件与旅行时残差一起构成目标函数,弥补了只用大炮初至进行层析反演时丢失精细浅层速度信息的缺陷。
经过约束反演得到精度较高的表层速度模型,如图6 所示。
3.2 时间域浅中深层速度融合一体化初始建模3.2.1 叠加速度融合将初至波反演底界面以上的浅层速度模型通过DIX公式转换为叠加速度,与中深层叠加速度对接,得到一体化叠加速度对,通过弯曲射线叠前时间偏移、约束速度反演与剩余速度拾取迭代获得较为准确的时间域层速度,将时间域模型比例到深度域,便得到了初始中深层速度模型。
图7展示了阳霞工区N148线的叠加速度对接情况。
左侧的CMP道集位于山前沉积带,在300～1100ms范围内,有高信噪比的反射波,也是初至波层析反演的探测范围,两者非常吻合，说明射线密度底界以上的速度是可靠的,也说明由约束初至反演得到的浅层速度与通过拾取反射波双曲线得到的速度具有相同性质,是可以互换和相互融合的;中间CMP道集信噪比相对较低,但在初至波和反射波共同的探测范围内,两者也是吻合的;右侧CMP道集来自山体部位,浅层几乎看不到有效的反射信息,但初至波层析反演仍然能够得到可靠的速度信息,也就是说,针对低信噪比资料,初至波层析反演可以有效补充浅层速度信息,为一体化速度模型提供浅层速度场。
3.2.2 层速度体对接通过叠加速度对接建立了一体化速度对,但由于无法做到逐点对接,造成浅层速度横向分辨率较低,因此需要进行层速度体的对接。
采用约束反演方法将一体化速度对转化为时间域层速度,在叠前时间偏移剖面上解释时间层位,进行速度抽取、比例、填充,最终得到初始深度域层速度。
以地表平滑面为顶,初至波反演底界面为底,将初至波反演的浅层速度模型与初始深度域层速度进行对接,得到初始一体化速度模型(图8)。
通过叠加速度对接,在层速度对接中不会产生速度反转的问题。
3.3 迭代优化初始一体化速度模型中,通过多信息约束所得到的浅层速度比较准确,因此速度模型修正只对中深层速度进行。
针对山地地区地震速度横向变化较大的特点,结合已知地质模式,采用递进式的模型修正技术进行速度模型的迭代优化,即分别进行基于地质模式约束的沿层层析、网格层析修正速度模型,结合起伏地表深度偏移迭代逐步提高速度模型精度,得到最终的深度域层速度模型(图9)。
一体化速度建模为起伏地表偏移提供了准确的速度模型,但表层模型驱动的道间时差校正后道集在一个CDP内炮点和检波点在同一条水平线上,这显然无法与起伏地表偏移相匹配。
为此,在计算射线追踪旅行时时,将炮点与检波点放到真实的地表高程上(平滑后),从而实现真正意义上的起伏地表偏移(图10)。
实际偏移成像中,偏移孔径较小时简单构造成像较好,但陡构造难以准确成像;偏移孔径较大时,陡构造的成像有明显改善,但简单构造会出现反射波同相轴连续性变差、信噪比变低的现象。
阳霞区块北部山地构造复杂,通过测试对比,我们采用较大孔径(8000m)进行偏移成像(图11)。
利用表层模型驱动的道间时差校正、双界面匹配一体化速度建模以及起伏地表叠前深度偏移技术对天山南阳霞山前带二维资料进行处理,得到的阳霞构造成像清晰,同相轴连续性较好(图12),对断层刻画较为清楚和合理,绕射波收敛好,层内弱反射连续性强,聚焦更集中,利于地质构造的合理解释(图13)。
通过上述方法的应用,整体上提高了该区地震偏移成像的质量,尤其是阳霞构造的成像效果得到明显的提升。
本文利用表层模型驱动的道间时差校正技术解决了道间时差校正后道集与表层速度模型不匹配的问题,利用双界面匹配一体化速度建模技术实现了浅层与中深层速度的无缝对接,利用起伏地表偏移提高了天山南山前带阳霞区块的成像质量和可靠性。
其中地表平滑面与初至波反演底界面的选择至关重要,地表平滑面应该遵循与地表高程形态一致、界面相对平滑无突跳的原则;初至波反演底界面应该选择射线密度底界面与高速顶界面之间横向变化较为稳定的面。
【相关文献】[1] 潘宏勋,方伍宝,李满树.南方山前带B区地震速度建模及偏移成像[J].石油地球物理勘探,2013,48(4):526-530PAN H X,FANG W B,LI M S.Velocity model building and migration imaging in a foothillbelt area[J].Oil Geophysical Prospecting,2013,48(4):526-530[2] 林伯香,孙晶梅,徐颖,等.几种常用静校正方法的讨论[J].石油物探,2006,45(4):367-372LIN B X,SUN J M,XU Y，et al.Static correction approaches being frequently applied [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2006,45(4):367-372[3] 林伯香,孙晶梅,刘起弘,等.关于浮动基准面概念的讨论[J].石油物探,2005,44(1):94-97LIN B X,SUN J M,LIU Q H，et al.Discuss about concept of float datum [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2005,44(1):94-97[4] 韩晓丽,杨长春,麻三怀,等.复杂山区初至波层析反演静校正[J].地球物理学进展，2008,23(2):475-482HAN X L,YANG C C,MA S H，et al.Static of tomographic inversion by first breaks in complex areas[J].Progress in Geophysics,2008,23(2):475-482[5] 冯泽元,李培明,唐海忠,等.利用层析反演技术解决山地复杂区静校正问题[J].石油物探,2005,44(3):284-287FENG Z Y,LI P M,TANG H Z,et al.Solving the static correction problem in mountain complex block using tomographic inversion[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2005,44(3):284-287[6] 朱海波,林伯香,徐兆涛,等.起伏地表叠前时间偏移处理流程及其应用研究[J].石油物探,2012,51(5):486-492ZHU H B,LIN B X,XU Z T,et al.Prestack time migration scheme from rugged topography and its application[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2012,51(5):486-492[7] 刘少勇，王华忠.起伏地表Kirchhoff积分法叠前深度偏移方法研究与应用[J].岩性油气藏，2010,22(7):49-54LIU S Y,WANG H Z.Kirchhoff integral PSDM for rugged topography technology and applications[J].Lithologic Reservoirs,2010,22(7):49-54[8] 林伯香.最小静校正误差浮动基准面方法 [J].石油地球物理勘探,2003,38(6):611-617LIN B X.A method of minimum statics error on float datum [J].Oil Geophysical Prospecting,2003,38(6):611-617[9] 王华忠,刘少勇,杨勤勇,等.山前带地震勘探策略与成像处理方法[J].石油地球物理勘探,2013,48(1):151-159WANG H Z,LIU S Y,YANG Q Y,et al.Seismic exploration strategy and imaging processing in mountain areas[J].Oil Geophysical Prospecting,2013,48(1):151-159[10] LANDA E,KEYDAR S,RESHEF M.How far is the seismic image correct[J] .The Leading Edge,1998,17(7):919-922[11] 王顺国.复杂山区静校正方法研究及效果[J] .石油物探,1998,37(4):93-103WANG S G.Study of static correction methods in complex mountainous region and their effects [J].Geophysical Prospecting for Petroleum,1998,37(4):93-103。