对地观测传感网融入语义技术可以实现资源的明确详尽描述和一致性表达,有助于资源的精确发现和自动组合,实现机器的自动理解。本文回顾了语义传感网三个阶段的发展历程,概括了对地观测语义传感网的基本概念、架构和主要作用,指出对地观测语义传感网提高了其资源的利用率,有助于时空信息的表达、查询和推理。同时分析了以传感器和观测数据为中心的典型本体模型,概括了语义技术在传感网资源的表达、注册、查询、推理和服务5个方面的关键技术和具体应用。针对空天地传感器对地观测和信息聚焦服务等发展需求,提出了对地观测语义传感网的挑战与发展趋势,有助于建立事件驱动的时空多尺度对地观测信息获取与智能服务。
研究矿山地面灾害监测传感网的理论和技术体系,建立矿山地面灾害监测地学传感网系统,进行矿区地面灾害精准监测及预报工作,对矿山及时准确科学预报、预防和减小地面灾害的损失,具有重要意义和作用。地学传感网主要是指采用GPS、测量机器人、倾斜传感器、位移传感器、温度和气压传感器、全景相机、CCD相机、视频传感器、RFID传感器、地面3D激光扫描仪和地基SAR等测地型传感器和测地辅助传感器,应用计算机网络和无线通信技术,通过传感器和数据库管理软件构建的地学传感网。矿山地面灾害精准监测地学传感网的理论,主要包括:矿山时空监测基准、矿山地面灾害监测地学传感网数据整合、监测空间数据聚类分析、矿山监测功能分区、矿山区域动态形变场理论和矿山地学传感网地理信息系统模型理论。 技术体系主要包括:监测空间数据库管理技术、数据通信传输技术和传感网地理信息系统平台技术。
公众聚集场所人群高度聚集,流动性大,隐藏着巨大的安全隐患,时常发生群死群伤的拥挤踩踏等突发公共事件。针对现有以视频监控的人群分析,无法从空间视角掌握区域人群状态的时空格局,本文提出了面向人群分析的视频GIS框架,将视频数据映射至地理空间,在GIS环境下提取人群密度、人群运动矢量场等人群特征。通过分析人群运动矢量场可得到人群运动模式及各方向人群主体运动速率。最后,将视频监控系统与GIS进行有机集成,设计并实现了以视频与GIS协同的区域人群状态实时感知监控系统。实验结果表明,本系统可为大型集会活动的突发事件预防、人群疏导等提供决策依据。
随着"天地图"等网站的建设与不断发展,地理信息资源的共建共享得到了积极推动。然而,网络环境下瓦片数据非法下载、违法使用等安全问题日益严重和突出,如何保护网络环境下瓦片数据版权是当前迫切需要解决的问题。为了节省存储空间,海量瓦片数据存储方式往往采用索引机制,这种存储机制与常见的图像、栅格地图等数据对水印技术的要求不同。本文首先着重分析了采用索引机制存储的瓦片数据特征及其对水印技术的要求;在水印信息生成方面,采用了m序列生成无意义水印信息,而在水印嵌入方面,提出了映射机制的瓦片数据数字水印嵌入算法,采用红色和绿色通道生成的映射函数,将水印信息嵌入到蓝色通道中,其中水印检测为水印嵌入的逆过程;最后,实现了水印技术的瓦片数据实时版权保护系统,并通过了实例验证。
线状要素作为占据地图图形80%以上的地图目标,其自动概括是制图综合的一个重要内容。线状要素图形简化是其制图综合的一个主要手段。本研究以克隆选择算法的基本原理,分析对线状要素数据进行压缩时图形简化的约束条件,顾及线状要素的几何精度和形状特征,设计相应的编码机制、变异机制和亲和度函数,提出一种新的线状要素图形自动简化模型。同时,结合不可行解修复机制,提高图形简化的精度。最后,将该模型与道格拉斯算法、遗传算法的简化结果作对比,实验表明,在相同的几何精度内,文中提出的线状要素图形简化模型,在保持线状要素图形形状方面表现更佳。
空间数据的多尺度表达,是GIS领域研究的重点和难点问题之一。本文以数字水深模型(Digital Depth Model, DDM)为研究对象,从DDM的地理和尺度特性出发,在分析二维滚动圆变换算法原理的基础上,通过对二维滚动圆变换算法的维数扩展,提出一种可用于DDM多尺度表达的滚动球变换算法。即利用不同大小的三维空间球体代替二维滚动圆沿给定DDM的上侧表面滚动,得到可保留正向地貌,缩小或填平小于一定尺度下的海底负向地貌的DDM,从保障舰船海上航行安全的角度,实现对DDM的多尺度表达。另阐述了该算法的基本原理和实现步骤,并在VC++环境下对算法的正确性和有效性进行了验证。实验结果表明,该算法在符合DDM多尺度表达原则的前提下,能较好地保持DDM的基本地形特征,且具有较高的计算效率。
交通路况在时间上和空间上具有连续变化的特征,在时空维度上对交通路况进行高分辨率采样得到的数据,对研究交通路况的时空动态十分有利。但长时间大范围的高分辨率交通路况信息数据量巨大,给数据的组织和管理带来了困难。目前,尚没有一种成熟的时空数据模型对高时空分辨率交通路况数据进行高效(顾及数据存储与访问效率)的组织管理。本文提出一种基于线性参照系统的交通路况基态修正模型。此模型应用基态修正模型的基本思想,在时间维度上对交通路况数据进行无损压缩,又引入动态分段技术和线性参照系统,以路划作为交通路况载体,在空间维度上对交通路况数据进行压缩存储。利用成都市区真实交通路况数据,本文验证了此模型的有效性,比较了6种不同参数下交通路况基态修正模型的存储和访问效率,给出了最佳模型建议。
道路选取是道路网自动综合的关键问题之一,这方面已有多年研究,虽已取得很大进展,但尚不能自动完成一定比例尺下道路网的选取。本文提出一种基于层次随机图的道路选取方法,通过构建道路网的层次聚类结构以辅助道路选取。层次随机图是一种复杂网络模型,表现为一个二叉树,它不仅可以将复杂的道路网进行层次聚类,而且在可视化的同时提供了不同粒度的聚类信息。在构建道路网的层次随机图的基础上,本文采用累计权重数来衡量每条道路在整体层次结构中的重要性,并据此进行道路选择。我们将该方法应用到不同模式的实际道路网中进行道路选取试验,包括方格形、方格放射状、环形放射状、自由式路网等,以对应的谷歌地图作为参考进行道路选取符合数量、符合长度的定量评价和观察对比定性评价。试验表明本方法的选取结果与谷歌地图符合度很高。此外,与典型的基于路划长度和基于度中心度(degree centrality)的选取方法相比,本文方法更优。最后给出了本文方法优缺点的讨论和进一步研究的展望。
船舶轨迹的自动观测记录已进入了大数据时代,其呈爆炸式增长的趋势给传统的轨迹数据管理方式带来了巨大挑战。本文针对通用船舶自动识别系统(AIS)岸基网络中船舶轨迹数据上传频率高,数据量大,覆盖范围广的特点,首先,分析了当前常见船舶轨迹数据存储方法存在的缺陷,概括了船舶轨迹数据的特征并对其进行抽象建模,然后,在时空立方体模型的基础上,提出了从抽样时刻、步进时段到每日航次的三层组织框架的建模思想,设计了Geodatabase的网格化三级时空立方体模型,实现了海洋运输船舶轨迹观测记录的Geodatabase管理方法。通过我国AIS岸基网络(温州-汕头)单日观测数据的实例验证,表明该模型存储及时空查询性能良好,且具有轨迹数据存储、查询和空间分析一体化管理的独特优势。
地图符号是地图学的重要组成部分。当前有关地图符号的研究,主体均集中在地图符号的视觉图形方面,而对地图符号的概念语义缺乏足够的重视。本文提出了一种语义驱动的层次化地图符号设计方法,即以语义关系作为符号图形构造的基准,通过语义关系控制地图符号的图形构成,以充分发掘地图符号的概念语义成分在符号设计中的内在价值。重点论述了本体层次的语义特征提取、符素设计、聚合语义结构建模和语义驱动的符号生成4个关键步骤。利用本文符号设计方法对现有符号标准进行改进设计和认知实验。结果表明,该方法在符号认识效率方面表现较优,且在模拟信息传输过程中体现了较为稳定的高传输效率,具备有效提升地图符号的信息感知效率的潜力。
地图是空间信息的载体,地图空间信息的度量是地图信息传输理论的一个基础问题。地图空间信息主要包括地图要素的空间信息和要素分布的空间信息。地图空间信息是由要素的几何形态结构来体现,即要素的空间信息通过其几何形态特征描述。为此,本文以面要素为研究对象,提出一种以几何形态结构特征的面要素空间信息量度量方法。首先,从空间认知角度对面要素结构进行凸包分解,构建凸包树的面要素表达方法。然后,采用层次化策略,分别从结点的元素、邻域和整体三个层次来描述面要素几何形态结构,将面要素空间信息分解为几何形态信息和分布结构信息,结合面要素空间信息量的认知分析,给出了几何形态和分布结构特征的定量描述指标,并发展了基于几何形态结构特征的面要素空间信息量计算模型。最后,通过一组实验计算,进行了案例验证分析。
DEM的地形纹理以其表达地形表面的纯粹性与分析数据的可派生性受到越来越多关注。本文选取陕西省10个不同地貌类型区的25m分辨率DEM数据,引入空间灰度共生矩阵(GLCM)对地形表面纹理特征进行定量分析。研究表明,25m分辨率DEM数据的GLCM模型适宜分析间距是大于等于3个栅格大小。各纹理参数中,相关度可用于地形纹理的方向性量化;方差、差的方差、对比度可用于对地形纹理的周期性分析;熵、二阶角矩、逆差矩可用于对地形纹理的复杂性分析。在DEM及其派生数据中,光照模拟数据计算的各纹理参数的平均变异系数最高,表明光照模拟数据最适合于地形纹理特征的量化研究。同时本文提出了一种多参数综合的地形纹理量化方法,通过运用综合周期性和综合复杂性两个指标对不同地形区量化分析,结果表明,这两个指标对不同地形形态响应显著,可用于地形形态分类与识别研究。
随着分析区域的扩展及需求精度的提高,数据-计算密集型地形分析亟需通过并行化来满足用户的时间响应需求。局部型地形因子是以一定半径的分析窗口(通常为3×3)计算且具有单元计算结果独立性的地形信息,是数字地形分析的基本参数。本文在分析局部型地形因子串行算法特征的基础上,以坡度算法为样本,对局部型地形因子的并行计算方法进行了深入研究。从数据并行的角度,对并行计算环境下的数据划分粒度、方式及结果融合策略进行了分析,构建了局部型地形因子的并行计算方法。利用SRTM陆地表面地形DEM数据,设计了坡度并行计算的实验以验证其方法的正确性和实用性。实验结果表明,本文提出的并行计算方法顾及了任务、数据及计算环境,可快速对局部型地形因子串行算法进行并行化改造,提高算法的执行效率,具有较好的并行性能。
城市道路交通状态具有空间自相关特征。路段交通状态的变化会很快影响到邻近路段,导致一定空间范围内路段的交通状态发生改变。揭示城市交通状态的空间自相关特征,对交通规划、交通控制与诱导具有重要意义。然而,受到城市路网空间结构和道路拓扑特征的影响,城市道路交通状态的空间自相关并非各向同性,也并非均匀地向上下游扩散,而是有选择性地集中在部分邻近路段上。因此,仅考虑路段地理空间下的上下游邻近性,难以全面度量路段间交通状态的相互影响,识别出交通状态空间相关性强的道路集合。本文借鉴复杂网络分析方法,定量化分析了城市路网的模块化与层次性特征,利用城市路段在空间上的聚集特征和路段在网络中拓扑角色的差异,提出了一种新的交通状态自相关路段邻近性判别规则,即空间邻近且拓扑等价规则,以此规则实现交通状态空间相关路段聚类过程,更好地揭示城市路段之间的交通状态空间相关性。
城市交通拥堵严重制约其网络总体效率。开展检测交通拥堵点可有效识别网络瓶颈,以整治交通拥堵现象。对此,本文提出一种新的城市交通时空拥堵点检测的方法:即采用实时路况数据,通过定义时空关联,检测时空意义上长期性、规律性交通拥堵点。本文基于DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法,以成都市为试验区,实现了这种拥堵点检测方法。试验表明,该方法可快速、有效、准确地检测出城市道路严重拥堵路段,并确定其拥堵时空范围,为交通管理、交通拥堵机理分析、交通拥堵预测等提供参考。
现代物流业需要快速高效并智能化制定物流运输方案。传统路径优化方法适合处理中小规模的车辆路径问题,计算时间较长,方案质量较低,故需发展短时间内能提供高质量路径方案的启发式算法。针对大规模物流车辆路径优化,本文提出了一种Voronoi邻近的快速优化方法。该方法先创建初始解,而后进行迭代优化。初始解创建利用Voronoi邻近关系,顾及车辆容量约束,自底向上进行客户点空间聚类,将问题降维;采用最廉价插入算法安排聚类内部路径,生成性质良好的初始解。迭代优化在客户点Voronoi邻近内进行有效的局部搜索,利用模拟退火机制接受较差解,从而跳出局部最优,不断提高解的质量。本文利用模拟生成的北京市大规模车辆路径问题进行实验,结果表明:本文算法能够在4500s内优化客户点高达12 000个物流车辆路径问题,计算时间较短,解的质量优良,算法性能稳定。本文与其他算法比较,能在较短时间内提供高质量车辆路径方案,适用于大规模物流车辆路径的优化。
为了保障大型船舶靠泊操纵工作更加安全、高效,本文介绍了船舶靠泊仪及其发展,分析了大型船舶靠泊过程,研究了DGPS组合定位技术,建立以DGPS组合定位技术的大型船舶靠泊数学模型。在此模型基础之上,建立了船基平面坐标系,并通过此坐标系计算船舶靠泊时船首、 船尾相对码头的距离与速度,船首向与船舶转向率等船舶动态参数。最后,采用DGPS定位组合技术、AIS技术和WIFI技术等设计大型船舶靠泊系统(包括硬件和软件),并通过实例验证此靠泊仪的可行性和有效性。实例证明:大型船舶靠泊仪为引航员靠泊操纵时提供高精度的船位信息,船舶移动速度和船舶与码头岸线距离等辅助信息,船舶位置精度可达60cm,速度精度可达5m/s,有效地提高了大型船舶靠泊安全 性和工作效率,为引航员的船舶靠泊工作提供了更加直观、方便、快捷的航行靠泊导航过程。
本文利用球面距离的Ripley'K函数,分析了全球2009年甲型H1N1流感大流行早期疫情的点空间分布模式。同时,通过对比2000-2008年甲型流感病例数据,分析不同纬度国家2009年甲型H1N1流感新增病例数的时间序列特征及其与国家入境人数的相关性。结果表明,2009年甲型H1N1流感大流行早期疫情呈聚类分布,其L函数值最大值区间与65个全球城市的最大值区间相同。78.5%的病例分布在全球城市周围600km半径内。时间序列特征总体上类似于历年甲型流感,但是北回归线以北部分国家在6、7月非甲型流感流行季节仍有大量病例出现。并且北回归线以北国家冬季暴发集中在第45周到第48周之间,早于历年甲型流感流行时间。进一步分析认为,全球城市是本次流感国际传播网络的关键节点。国际旅行是流感传播的重要途径,并在本次流感大流行前期主导着流感跨国传播方向。同时不同纬度的环境条件对2009年甲型H1N1流感大流行有重要影响。
景观多功能性是景观生态学研究的热点领域,需要一种既能体现景观多功能整体性,又能表征各功能间独立性的表达方法。本文以北京及其周边地区为研究区,以500m栅格为最小评价单元,使用空间化的统计数据表征物质生产功能,使用植被生物量与土壤含碳量之和表征碳汇功能,使用潜在水土流失量与实际水土流失量的差值表征土壤保持功能,使用生态系统服务功能的评估结果表征生境维持功能,使用人口空间化数据表征居住功能。在计算5种景观功能强度后,通过自组织特征映射模型将土地栅格进行聚类分析。研究结果表明:景观功能强度具有空间异质性。景观功能强度可分为以农地为优势景观,以物质生产为主要功能的农业功能区域;以农地和城市用地为优势景观,以居住和碳汇为主要功能的城市功能区域;以林草地为优势景观,以土壤保持和生境维持为主要功能的生态功能区域;以及优势景观不明显,各项功能均衡发展的过渡功能区域4类。该分类方法既可较好地表达多功能景观的功能分异和空间分异,又能为其研究土地利用和生态管理实践提供理论依据。
探索荞麦的最佳生产布局,为优质荞麦生产的区域化、规模化提供理论和实践依据。本文分析了荞麦品质指标与气象因子的关系,结合荞麦地理分布,筛选影响各品质指标的主要气象因子,利用主成分分析法构建荞麦综合品质评价模型,并以ArcGIS软件的空间分析功能,对荞麦综合品质进行气候区划及区划评述。结果表明:温度、降水、日照时数等气象因子是影响各品质指标的主要因子。较高的均温和日最高温大于30℃时,对荞麦的生长有不良影响,不利于各品质指标的积累。而8月丰富的降水和生育期充足的光照有利于荞麦品质指标的积累。结合评价模型,利用GIS对荞麦综合品质进行区划,将晋中地区分为3个区,即适宜、次适宜、不适宜荞麦种植区,且各区与实际状况基本符合。利用主成分分析法和GIS进行荞麦品质气候区划是可行的,研究结果为荞麦的优质生产提供参考。
