长期以来,三维地质体建模研究主要依赖于钻孔、剖面等勘察数据进行精细化建模。然而,在缺乏大区域宏观地质背景的前提下,仅考虑局部地区的精细建模,往往会导致以偏盖全。鉴此,本文提出了一种以平面地质图为基础数据,以图切地质剖面为中介的三维地质体建模方法。该方法通过间接法加密了研究区域的产状数据,用三次样条拟合与人工修编结合的方法,对褶皱等复杂构造作处理,实现了平面地质图的图切剖面自动绘制方法;以规则体元为三维空间数据模型,通过自动绘制研究区域一系列相互平行的图切剖面,构建了栅格化的三维地质体模型;以星岗地区为研究区域,构建了原型实验系统,验证了该方法的有效性与实用性。实例证明,在其他地质数据匮乏的条件下,平面地质图的三维地质体建模方法是构建区域三维地质体模型的一种有效解决方案。

随着网络地图不断发展,个性化网络地图也得到快速发展。个性化网络地图需要以矢量数据为数据基础,以满足人们对地图色彩、符号等个性化要求,所以需要实时、快速进行大量数据化简。本文以经典Douglas-Peucker算法作为曲线化简算法,利用开源云计算平台Hadoop建立多机协作的曲线并行化简服务框架,设计和实现了多机并行Douglas-Peucker算法,并在集群上进行实验分析,验证算法的效率和适用性。算法核心是设计数据的逻辑分片,利用MapReduce计算原理,将分片分配到集群中,实现并行运算。实验分别分为两个方面:(1)比较在固定阈值不同数据量情况下,传统DP算法与多机并行DP算法效率;(2)比较在相同数据量不同阈值情况下,传统DP算法与多机并行DP算法效率。实验表明,在大数据量和高复杂度情况下,多机并行DP算法的效率更高。

沟谷特征点是反映沟谷地貌空间形态分布的重要点位,也是研究沟谷地貌演化过程与机理的关键要素。因此,对不同沟谷特征点的有效提取,是沟谷形态研究的重要基础。本文采用DEM及其在水文分析中的多种衍生数据,通过流向追踪、邻域特征判断等一系列方法,实现对径流节点、径流源点、汇流源点、潜在裂点与流域出口点的快速、准确提取。同时,对沟谷特征点进行有效分级,本文基于Strahler河流分级法建立了相应的分类标准,对沟谷特征点进行了自动分类。通过使用陕西省宜君典型样区5 m分辨率的DEM数据进行实验,发现新算法计算效率高,结果准确,对潜在裂点也进行了有效探测,验证了算法的有效性。最后,对特征点提取的数据影响进行了详细分析。

在虚拟地理环境(VGE)建模过程中,由于地学领域分析对象普遍具有边界复杂、空间特征约束较多(包括点、线、面、内洞)等特点,并且地学分析和计算对网格质量要求较高,故而难以构建能够准确顾及地学对象复杂的特征约束且满足地学分析的高质量三维网格。针对这一问题,本文提出了一种约束型Delaunay四面体网格离散算法,即首先将复杂地学对象及其各种特征约束表示为分段连续线性组合物(Piecewise Linear Complexes,PLC)中的一系列约束点、约束线段和约束面,然后利用PLC中的点集进行Delaunay四面体初始剖分,在网格离散过程中通过添加额外的节点,逐一恢复丢失的约束线段和约束面,利用限定网格单元最大半径边长比(或体积)来控制网格质量。利用该算法可以产生既满足各种特征约束条件又具有高质量的四面体网格。

山体基面高度的差异影响山体自身对其水热条件的再分配,进而影响山地垂直带谱的结构和分布,是决定垂直带分布高度的重要因子之一。目前,山体基面高度还没有一个准确科学的定义,也缺乏一个有效的数字化、定量化提取方法。本文以台湾岛为例,使用30m分辨率的ASTER GDEM数据,提出了一种提取山体基面高度的方法。首先,以地形特征与水文特征提取方法获得主山脊线与主山谷线,然后,以地形地貌单元自动提取方法获得山体轮廓界线,再依据提取出的主山脊线、山体轮廓界线及主山谷线,划分山体基面高度分区,依据山体基面分布特征确定各分区的基面高度值,将台湾山地划分出6个不同的山体基面高度(0m、150m、 200m、 600m、630m和650m)。该方法为大范围山体基面高度的快速、准确提取,以及山体效应定量化研究提供了重要的技术支撑。

随着地理数据深度、广度和复杂度的不断增加,如何集成这些在结构、语法及语义上高度异质性的需求越来越迫切。尽管XML在一定程度上解决了结构异质性问题,OGC标准规范解决了语法异质性问题,但语义异质性问题仍然成为分布式环境下地理空间数据集成与互操作的最大障碍。本文提出了一种基于本体的网络地理空间数据集成方法:以本体思想对数据进行语义组织;结合OGC网络服务标准规范对数据进行服务语义发布;利用支持双向映射的混合本体模式来解决全局本体与各应用本体之间的冲突,实现数据的语义集成。通过海洋海岸带土地利用数据集成试验表明,本文方法不仅能够克服数据间语义异质性问题,并在很大程度上屏蔽了数据底层集成的复杂环节,使得数据集成过程简单、高效。

国家尺度土壤属性数据是地球生物化学循环及水循环等领域研究的重要数据,目前,该尺度土壤属性数据的获取方法主要有两类:土壤属性-空间数据连接法和空间插值。为了确定哪一类方法更适合稀疏样点的国家尺度土壤属性制图,本文以中国吉林省的土壤有机质含量制图为例,采用8~32km格网样点和1∶100万土壤图,对这两类方法进行对比分析。独立样本验证结果表明,土壤属性-空间数据连接法的平均误差(ME)大于距离反比加权(IDW)插值,而平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)都小于IDW插值。IDW插值获得的土壤属性图虽然能大致反映土壤属性空间分布的基本规律,但出现了类似"牛眼睛"的空间结构,且存在无样点区估计值不准确等问题;土壤属性-空间数据连接法尽管忽略了同种土壤类型内部的差异,保留了不同土壤类型边界处的属性值突变,但获得的土壤属性图更能反映土壤属性分布的基本规律,也具有比较详细的土壤属性空间结构。因此,在基于稀疏样点的国家尺度土壤属性制图中,土壤属性-空间数据连接法的制图效果要优于IDW空间插值法。

数据划分是并行算法设计的重要步骤,其结果的均衡性与高效性是提高并行算法性能的重要前提。对于集聚分布的点集数据,传统的D-TIN(Delaunay Triangulation)并行算法尚未给出划分结果均衡、划分效率高效的理想解决方案。针对上述问题,本文在传统D-TIN并行算法规则条带划分方法的基础上,提出采用动态条带实现针对集聚分布点集数据的均衡、高效划分方法。首先,获取点集的最小外接矩形,并使用规则矩形条带按照同一方向进行点集粗分,然后,按顺序进行相邻条带的合并,必要时需动态调整合并区域边界以达到满足负载均衡的要求。为了提高划分效率,尽量减少边界移动次数,采用了对半移动的规则进行边界的动态调整。为了验证动态条带划分方法的适用性,本文使用人工模拟点集数据,进行加速比测试,使用实验区域真实数据进行D-TIN并行构建效率的统计,实验证明,采用该数据划分方法可以获得更高、更稳定的并行加速比,并且数据分布形态和数据规模对加速比的影响较小,进行D-TIN构建可以获得更好的执行效率,并且加速效果更加明显。

内插模型的精度评价问题一直是DEM内插研究中的热点问题。以往较多的研究关注插值模型本身的精度评价,却忽略了插值模型与应用环境之间的交互作用,例如,普通克里金方法作DEM内插一般精度较差,但是当插值区域平坦时,该方法的插值精度却很高,这表明该方法对平坦地形的插值问题具有较好的适应性。为了分析不同插值模型在不同地形环境下的适用性,本文选取陕北黄土高原地区不同地貌类型的实验样区,应用AMMI模型对不同内插模型的精度,以及对不同地貌类型的适用性进行评价,该模型最大的特点是很好地结合了方差分析与回归分析的特点,特别适合于不同影响因素之间交互作用的分析。实验结果表明,AMMI模型可以有效地分析内插方法与地貌环境对内插精度的交互作用,不同的内插方法对不同的地貌类型区的适用性存在差异。以本文的研究为例,在陕北黄土高原地区最稳定的DEM内插方法是样条函数法,而反距离加权法与Top to Raster方法精度会更高。最后,通过对环境指数与若干地形因子的相关性分析,表明地貌类型区的坡度可以粗略地代表第一环境指数。

针对现有矢量时空数据建模时空分离所导致的时空表达不一致、不统一的问题,运用几何代数理论和统一时空观,对时间、空间与属性进行一体化的表达与建模。构建了时空统一表达的层次体系,并基于面向对象技术和UML方法,探讨了时间、空间与属性等组件的逻辑关系。提出了矢量时空数据时空统一建模流程,定义了相应的数据组织结构与存储结构,实现了对几何代数空间的对象表达与存储,以及常见矢量数据的集成与预处理方法。对上述成果进行整合,建立了相应的原型系统。实验以中国东南地区级行政区演化序列数据为例,实验结果验证了本文提出方法在时空数据的统一建模与表达方面的可行性,能够有效支撑变化检测等时空分析方法的构建与实现,为时空GIS的发展提供理论参考与方法借鉴。