基于GIS空间分析技术与Mann-Kendall趋势分析方法,对中国陆地区域699个气象站点1961-2010年逐年、季平均地表净辐射进行时空变化特征分析,结果表明:(1)参数拟合后的FAO Penman修正式对模拟站点逐日地表净辐射的总体精度较高,均方根误差为27.9W ·m-2,相关系数为0.85,平均相对误差为0.13;(2)全国近50年站点平均地表净辐射在年、季均呈现出较明显的下降过程,年均降幅为0.74W ·m-2 ·10a-1,不同季节的下降幅度存在差异,夏季降幅最大;(3)逐站点分析显示全国大部分站点(59.8%)年均地表净辐射呈显著下降趋势(0.05),东部趋势变化比西部明显,夏季在地表净辐射年际变化中的贡献最大,华北、华中、华南地区的站点在春夏秋季均呈显著下降趋势。
人口集疏过程及其空间格局变化是人口空间分布最直观的表现。以1982-2010年4期人口普查数据为基础,采用人口总量和人口密度指标,结合人口增减变化分级、人口商度等方法,定量分析了京津冀都市圈人口集疏过程及其空间格局变化。研究表明:近30年来,京津冀都市圈人口总量呈现持续增长趋势,人口空间分布日益不均衡,区域人口分布存在明显的南北、东西差异;人口增加是主要特征,人口集聚效应凸显,人口增加地区的县域单元比例在80%以上,以人口显著增加为主;人口减少只是零星分布,人口减少地区的县域单元比例占不到20%;人口流动比较频繁,以人口流入为主,主要流向北京、天津和河北的市辖区,人口流出地区仅是散落分布在张家口和承德的山区贫困县域;无论从静态人口指标还是动态人口分析方法,都表明京津冀都市圈人口地域集疏特征十分明显,已形成以北京、天津、石家庄为中心,其他地市(县域)人口分别向外依次扩展的人口多中心分布的圈层结构。
精细尺度上的城市人口分布是解决城市规划与管理、预警与应急等问题的关键。研究精细尺度上城市人口的时空分布需要还原与模拟城市人口与城市建筑物之间的关系。本文利用高分辨率遥感影像提取城市精细尺度的建筑物信息,建立了适用于城市人口分布研究的城市建筑物功能分类体系,并获取了不同使用功能的建筑物人口容纳系数;在实际调查和前人研究的基础上得到不同使用功能的城市建筑物人口吸引率曲线,建立城市建筑物人口分布模型,实现城市精细尺度上的人口分布情况的模拟。以北京东华门街道为例,对16个时间点(0:00、6:00、7:00、8:00、9:00、10:00、11:00、12:00、13:00、14:00、15:00、16:00、17:00、18:00、19:00、22:00)的城市建筑物人口分布情况进行了模拟,并根据建筑物功能的聚集及道路空间分割情况划分为4个区域进行了人口数量变化分析和原因探讨。最后,讨论了研究中存在的问题,并提出了增加实际调查数据等可能的改进方法。
本文以江苏省盐城市为例,通过1990、2000、2010年3期盐城市域遥感影像解译,获取盐城市土地利用变化数据,并采用GIS空间分析技术,评估城市交通干线对城市发展的影响。同时,结合Model Builder建模技术,综合运用缓冲区分析、叠加分析、统计分析等方法进行快速、一站式土地利用变化分析。研究结果表明:(1)以道路沿线5km缓冲区及道路出口10km缓冲区研究范围为最佳;(2)盐城市城市交通干线沿线5km范围内随着相应交通基础设施的建设变化非常剧烈,2000年后,高等级公路、高速公路和铁路改建及新建导致沿线土地利用变化发展迅速,特别是204国道沿线和沈海高速沿线变化最为迅速;(3)盐城市城市交通干线沿线重要交通出口10km范围内的变化也极大, 新长铁路盐城站出口周边变化最为迅速。
在地理空间知识的表达中,通常以文本方式描述位置。除了常见的地名以及地址外,许多陈述根据与参照地物的空间关系来表达一个目标地物的位置。由于一个空间陈述只是粗略描述了目标对象的位置,因此具有不确定性。在基于空间陈述的定位问题中,不确定性包括4个层次,分别对应于陈述、参照对象、空间关系和目标对象。这4个层次的不确定性适合于不同的建模方式,如概率方法、模糊集方法,以及证据理论方法等。本文采用不确定性场的概念,对点状目标地物的分布进行了探讨,并利用贝叶斯定理证明了对于给定的空间陈述,其不确定性场分布与做出该陈述概率,以及相应空间关系的模糊性之间的联系,该结论可用于指导不确定性场的建立。
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。
洪水淹没区包括洪水淹没的范围与深度,准确、高效地获取洪水淹没区是洪灾评估及减灾救灾的关键。本文针对现有洪水淹没范围与深度的快速计算及精度方面的不足,设计了洪水淹没区精确快速提取方法。首先,通过特征嵌入式DEM(F-DEM)数字地形建模技术,修正常规格网DEM对沟渠、坎堤等突变地形描述的失真问题;然后,基于洪水水位监测数据,采用Kriging内插模型构建洪水淹没面;最后,通过GIS多层面叠加及空间查询分析,获取真实淹没区信息。以温州水头镇水位监测点数据为基础,对其暴风潮后的洪水淹没区进行了分析,并利用大区域模拟水位监测点数据对提取方法效率作了测试。实验结果表明,该方法能较好地解决大区域海量数据条件下的淹没区提取问题。
以福建省1:10万的DLG(Digital Line Graphic,数字线划图)和DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)为基础,在ArcGIS软件支持下,依据坡度和面积组合指标,将福建省地貌形态单元分为平缓地和山丘地;提取地形图中水系与等高线的高程点交集,构建了福建省地方相对基准面,并以流域水文分析方法提取了山丘地地貌形态实体单元;把平缓地和山丘地貌形态实体单元分别与地方侵蚀基准面叠加,参照"中国1:100万地貌制图规范",将福建省地貌形态类型分为平地、台地、低丘、高丘、低山、中山。研究结果表明:该方法符合福建传统地貌分类体系,能够较好快速实现平缓地与山丘地、平地(平原)与台(阶)地的自动划分,有效地提取山丘地貌形态实体单元的界线。
为实现数字化、智能化、自动化成矿远景预测评价,提出以证据权法、信息量法等数据驱动结合知识驱动,利用ArcGIS空间分析建模实现地质变量筛选、构置,并得到图层表示的找矿地质模型与相应的量化模型。通过对变量特征、量化方法及GIS单元划分与赋值等的分析,以规则网格、等价的中心点分别为基本单元,以及重要性法、中心点法、面积法识别变量,经ArcGIS空间分析建模实现"0,1"法赋值。同时用多维空间线性映射的定量模型,以克服地质变量不等价、不独立对评价结果的影响,以武夷山成矿带1:5万大深幅为实验区,应用ArcGIS ModelBuilder方法,对该区铁、铜、铅锌成矿远景进行预测评价,圈定远景区12处,其中,A类3处、B类3处、C类6处,与信息量法、证据权法的预测结果基本一致。
SOLAP是以空间数据仓库为基础,针对特定问题的联机空间数据访问和分析,实现SOLAP的前提是解决空间数据与非空间数据在空间数据仓库中的集成问题。首先,论文结合混合数据仓库架构模式,采用多层体系结构设计,提出和构建了一种面向环境数据集的空间OLAP系统的体系架构,包括"生产数据库—数据仓库层(基础业务库-主题数据库)-中间件层—BI综合分析层"等4个层次。接着,分析了环境数据集成和空间数据仓库建模过程,采用Oracle 11g来构建环境空间数据仓库,通过使用ODI工具的ETL功能实现环境属性数据集成。分析和构建了环境数据空间维度扩展的方法和模型,通过扩展行政区划维度表,使用Oracle Spatial sdo_geometry 抽象几何数据类型存储环境空间数据,实现了空间数据和数据仓库数据的一体化存储。分析了SOLAP系统中OLAP和GIS的集成问题,采用OBIEE作为OLAP工具,Oracle Mapviewer作为GIS组件、GIS服务和OLAP 服务在Web服务器中进行业务逻辑集成,对外提供统一的访问接口,实现OLAP和GIS的完全集成。最后,实现了一个环境数据集SOLAP原型系统,验证了论文的框架和模型。
地理立体视频是对视频帧扩展了内外方位元素等地理空间参照的立体视频,支持基于位置的视频查询和影像量测,提供了地理空间表达的一种新形式。随着Web服务技术的广泛应用,地理立体视频Web服务将进一步拓展视频GIS应用。本文重点讨论了地理立体视频Web服务原理和系统设计。通过分析服务功能,设计了由数据层、服务层及表现层构成的地理立体视频Web服务框架;利用REST风格的Web服务技术,从资源确定、URI定义,以及资源操作接口、表述格式等方面进行了服务设计,详细定义了检索服务、视频播放服务,以及影像量测服务接口及其HTTP交互机制,以WCF框架和ArcGIS Server平台实现了相应的服务接口。本文以河南大学金明校区 为例,开发了地理立体视频Web服务原型系统并进行了应用实验。结果表明,地理立体视频Web服务实现了可视化、检索及量测等功能,适合于Web环境下视频GIS应用开发,对新型可定位多媒体Web服务的标准化具有参考价值。
随着我国土地利用呈现立体化趋势,二维地籍管理模式已经难以反映垂直空间上土地的利用及权属状况,需要引入三维地籍管理模式。目前,我国学者提出的三维地籍模型没有考虑到权利人、权利和土地管理单元之间的联系。ISO/TC211提出的LADM 从人地关系的基本点出发,由地籍主体、客体、土地权利构成核心的登记框架,该框架引入了LA_SpatialUnit这一核心类,该核心类覆盖了建筑物单元,网状设施等三维地籍形态,并分别建立了行政管理单元与空间单元。本文通过借鉴LADM的核心框架,提出了适合我国国情的三维地籍概念模型,并选取面元模型的构模方式,结合面向对象的思想构建空间单元的数据模型。在此基础上,设计了LADM的三维地籍管理模型,并开发原型系统验证其可行性,通过对房屋产权单元和地下宗地的管理实例,验证了该模型在我国三维地籍管理中是可行的。
60年来,利用我国各种地质地球物理数据,结合野外考察,运用块体构造学说编制了中国海陆1:500万地质地球物理系列图。其从理论基础、方法技术上,实现中国海陆地质地球物理数据的融合;系统地反映出我国海陆基础地质调查与研究现状及大地构造格架;同时展示古生代以来中国海陆各块体的发育、运移、拼接和联合大陆的形成过程,以及印支运动后中国大陆由"东高西低"转为目前"西高东低"的演化规律。另外,通过系列图件的编制与建库,为我国矿产资源勘探及资源环境效应研究提供了基础图件数据。
传统的基于ArcGIS API for Flex的数字校园系统存在以下几个问题:(1)在目标定位时,只定位到目标建筑物几何中心位置,对建筑物内部具体单元定位精度不够;(2)管理者更新、维护空间数据须结合地图编辑软件和ArcGIS Server来实现,给数据维护造成不便;(3)360度实景导航技术在数字校园中的引入已成为研究热点,而大量实景数据必然增加了系统负担,降低加载速度。本文提出采用精确地理定位网的方法,即在处理线状道路数据时,暂不考虑真实目标之间的位置关系,细化原线状矢量层,并与其他网络分析图层分别保存,使得定位更加精确;以新版ArcGIS的Feature Access,采用ArcGIS API for Flex在线编辑工具进行在线编辑地图;将360度实景数据在服务器上管理,生成实景链接地址,在程序运行时只需调用该链接。本文以某高校数字校园系统为例,验证了精确地理定位网方法、实景数据的单独管理,以及在线地图编辑的可行性与有效性。
航空及航天遥感器的快速发展,使得多源、多时空分辨率的遥感数据成TB级增长,对海量遥感数据的高性能计算与处理提出了更高的要求。据此,当前的遥感应用已经吸收了新型硬件架构计算、集群计算和分布式计算等高性能计算领域的最新技术。本文针对高性能计算处理海量遥感数据的效率问题,分别从分布式并行遥感文件系统和高性能遥感地学计算模式两个方面来论述该问题的研究进展;在此基础上,列举了当前具有代表性的集群和分布式遥感计算平台/系统,并结合具体实验工作,详细阐述了遥感高性能计算平台gDos-IPM(Geospatial Data Operation System-Image Processing Machine)的设计思路;最后总结了高性能遥感地学计算的发展趋势。
InSAR 相位解缠是利用干涉合成孔径雷达(InSAR)数据,提取数字高程模型,进行精确差分干涉测量的关键技术之一。然而缠绕的差分相位信息在地形陡峭或者坡度变化较大区域的解缠结果会有较大的误差传递的问题,针对此问题将干涉图中的地形坡度表示为距离向和方位向的局部相位频率,利用局部相位频率估计地形坡度和推导缠绕相位梯度概率密度函数(PG-PDF)参数模型,并将参数模型作为非线性最小二乘相位解缠模型约束条件,平滑不满足要求的缠绕相位梯度,经过迭代求解得到的解缠结果可以在消除噪声的同时减少地形因素的欠采样对相位解缠结果的影响,提高相位解缠的精度。最后,利用欧空局ENVISAT ASAR卫星获取的干涉数据进行实验,验证了算法在解缠精度和对地形的适应性方面优于直接加权的相位解缠算法,在频域下顾及地形的方法能有效克服LS对于相位坡度欠估计的缺点,具有较高的精度和稳定性,能够有效地考虑地形坡度的影响,抑制误差传递。
本文采用PARcalc算法,并以C#和ENVI/IDL二次开发语言,设计了主要以MODIS产品为驱动的光合有效辐射估算系统。鉴此,比较了IDL和ArcGIS Engine两者的技术特点,设计了IDL与ArcGIS Engine共存、多种开发环境相结合的技术方案。同时,对模型参数置备、光合有效辐射估算、模型分析等模块的功能,以及多种语言混合编程、数据分块处理、瞬时及日光合有效辐射批量计算等关键技术进行了分析。最后,以内蒙古地区作为研究区,估算了该区2007全年和四季的总光合有效辐射及日均光合有效辐射,并对其特征值作了对比分析。结果表明,对研究区域尺度光合有效辐射的定量化计算具有一定的参考价值。
运用消除趋势波动分析方法和GIMMS数据集,研究大兴安岭1982-2006年NDVI长程相关性,揭示了大兴安岭NDVI动态的时间尺度特征,为气候-植被综合模型中时间尺度特性分析提供依据。主要结论有:(1)NDVI是一个复杂的动力系统,其动态过程受到多个因素和过程影响,NDVI可能存在多种不同的时空尺度。(2)一阶消除趋势波动分析可以避免忽略较小时间尺度特征,适合应用于15d分辨率的时间序列;大兴安岭NDVI在2-15个月内有较强的长程相关性;表明NDVI动态过程不是随机序列,是一个由内在自相似机制决定的长程相关过程;(3)随着时间的推移,NDVI动态时间特征发生变化,大兴安岭各生态地理区标度指数都存在"拐点",其出现时间在6.5-8.5个月之间,北段西侧与南段"拐点"出现时间比北段和中段早1-2个月。在较小时间尺度内,NDVI呈现出接近1/f噪声特点,在较大时间尺度上,NDVI具有长程幂律相关性,不同生态地理区NDVI持续性强度有差异。
