空间拓扑关系相似性度量是空间数据相似性度量的重要组成部分, 它是空间数据检索和空间场景相似查询的基础和关键。本文旨在建立一种能够同时度量简单和复杂拓扑关系间的相似性度量模型。首先, 以9 个拓扑谓词提出一种简单拓扑关系间相似性度量方法, 即定义简单拓扑关系之间距离为两个9 交集矩阵之间的距离, 从而得到简单拓扑关系之间的相似度。然后, 综合考虑实体集合间的数量相似度和维数相似度,建立实体集合间的简单拓扑关系相似性度量模型, 并在上述实体集合间简单拓扑关系相似性度量的基础上, 采用分解-组合的策略先将复杂拓扑关系分解为若干个局部拓扑关系, 通过组合局部拓扑关系之间的相似度, 直至建立复杂拓扑关系间的相似性度量模型。实验表明, 制图综合中的选取对空间实体集合之间拓扑关系相似度的影响最大, 其他因素影响较小,因此, 其能以拓扑关系相似度来度量制图综合对拓扑关系的改变程度。
近年来, 实现海量空间数据高效地存储管理和在线服务, 成为地学信息科学领域日益关注的热点问题。本文根据矢量和栅格空间数据的不同特点, 提出并实现了矢量栅格数据一体化的海量空间数据分布式云存储管理与访问服务方案, 在海量矢量数据存储和处理中创新性引入分布式图数据库Neo4J 和并行图计算框架。在三层式空间数据云存储架构基础上, 给出NoSQL数据库技术的栅格和矢量数据云存储的实现策略与方法, 并开展了通用数据访问接口的设计。采用分布式文件系统HDFS存储栅格数据, 并使用列族数据库HBase 对其建立分布式空间索引, 及采用满足ACID约束的分布式图数据库Neo4J 来存储矢量数据, 并使用R树建立空间索引。在自主研发的地理知识云平台GeoKSCloud 框架下, 初步实现了核心组件-空间数据聚合中心(GeoDAC)软件, 可为各类用户提供空间数据分布式存储管理和访问服务。通过搭建试验床, 开展GeoDAC与开源GIS 软件PostGIS 在矢量数据读写访问性能方面的对比测试。结果表明, 虽然GeoDAC没有获得写入性能的加速作用, 但其具有PostGIS 无法比拟的强大读取性能。GeoDAC将海量数据经过空间分割后分布在集群上, 能够并行处理查询请求, 极大地提高空间查询速度, 具有广阔的应用前景。
地址编码是指将地址映射成地理坐标的过程, 它提供了一种把描述性地理位置信息转换成GIS 地理坐标的方式。本文分析了当前标准规范中的地址编码规则, 认为街道与小区等院落实体作为同级别的区域限定物弱化了街道的空间特征, 并且在现有地址编码规则基础上提出了将街道前置作为区域限定物的地址编码改进方案;进一步, 为了体现街道作为各类地理实体的空间参考基础, 本文按照街道的前进方向, 定义了在街道线性空间中的地理实体链表组织模型, 实现了将相互独立的地址编码实体在街道中的串联组织, 从而为今后地址查询中的参考定位提供了模型支持;最后, 给出了街道两侧不同类型地理实体纳入街道地址编码实体链表的实例说明。
传统水印嵌入方法往往导致原始载体数据质量的下降, 而可逆水印技术由于能完整恢复原始载体数据, 因此,在精度要求较高的矢量地图版权保护应用中具有较高的适用性。目前, 栅格图像的可逆水印算法研究较为成熟, 而在矢量地图领域则主要借鉴栅格图像的相关方法, 由于没有充分利用矢量数据的组织特性, 因此鲁棒性不强。针对上述问题, 本文以矢量地图坐标点之间的基本空间关系在常规地图操作前后的不变性, 提出一种鲁棒的矢量地图可逆水印算法。算法首先利用道格拉斯—普克方法将要素点分为特征点与非特征点两类, 在此基础上计算每个非特征点与其相邻前后特征点连线所构成的夹角。在水印嵌入时, 利用该夹角来映射水印比特位, 并通过调整非特征点坐标来对该夹角进行调制以实现水印信息的嵌入。实验表明该算法所生成的水印具有一般可逆水印的不可感知性与可逆性, 同时, 对旋转、平移、要素排序、裁剪、压缩、简化等攻击也具有较好的鲁棒性。
海洋锋面是海洋水团特性明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带。本文旨在对遥感反演海洋温度场数据(SST), 引入引力模型进行海洋锋面的检测。鉴于海洋锋受噪声干扰大, 锋面强度小的特点, 本文提出了基于引力算法的引力模型。其中, 引力算法是将温度数据中的每一个像元点都作为一个独立的天体, 其质量对应该像元的温度值, 根据引力定律计算3×3 区域中, 邻域像元对中心点像元的引力和。模型首先对原始数据进行去0 处理, 为消除对原始数据明暗程度的依赖, 对3×3 区域数据进行归一化, 然后利用函数对归一化后的数据进行增强处理, 最后, 以引力算法进行锋面检测。验证表明, 该模型能有效强化不同区域或水体差异性, 并能够有效针对海洋锋信息进行提取, 受噪声影响小。
GIS应用的快速发展对异构空间数据库互联互访提出了更高的要求。本文对现有的多种异构空间数据库互操作模式进行了对比分析, 指出了各种模式的特点及其不足, 在此基础上, 提出了一种开放式空间数据库互联互访(OGDC, Opening Geospatial Database Connectivity)的策略与规范, 以及由各家GIS 平台软件厂商共同制定标准接口, 再由数据库开发厂商或数据提供厂商按照标准接口进行开发实现的新模式。本文对OGDC的设计思路、技术特点和应用情况进行了分析, 设计了地理空间数据库的数据访问对象模型及接口, 并使用国产空间数据库软件BeyonDB, 对OGDC作了开发和实验验证。实验表明, OGDC可以较好地兼顾空间数据互联互访中系统功能、效率和易用性等方面的需求, 为异构空间数据库的标准化共享和持续利用提供了一种较为可行的解决方案。
三维地理场景的可视化是虚拟地理环境研究中展示各类复杂地学过程与现象的重要技术。目前,现实中地理场景大多具有复杂度高、规模大、交互性强等特点, 故采用传统的单个计算机单屏显示方式, 已无法满足用户对沉浸感、大视野、高分辨率的可视化应用需求, 而多屏显示技术是一个解决该问题的有效途径。本文以福建长汀县水土流失治理过程中植被覆盖变化为例, 开展了时序三维地理场景的单机多屏同步可视化技术和漫游系统研究。提出了系统的软件架构和开发流程, 并引入多线程同步机制, 实现了三视图场景的构建、三屏同步显示、三屏同步路径漫游、矢量图的差异符号化和三维场景实景图片嵌入播放等技术, 设计并实现了一个以单个计算机控制三个显示屏幕的时序同步可视化漫游系统。采用3 个时相的彩色遥感卫星影像,叠加数字高程模型形成反映不同时期水土流失程度变化的三维地理场景, 在水土流失治理过程成果展示中得到了应用。系统除了三维场景沉浸感强、震撼力大之外, 还具有动态变化、信息量大、表现力强等特点, 在地理场景动态可视化方面有独特的应用前景。
本文以SOA开放式架构与OGC标准规范, 提出了极地海冰-海洋参数遥感反演模型分布式共享服务体系。服务体系以“模型服务”为核心, 探讨了模型服务接口和模型服务的互操作问题。为了简化极地海冰-海洋参数遥感反演模型的分布式共享过程, 提出了极地海冰-海洋参数遥感反演模型共享服务平台的概念。共享服务平台处于模型与模型应用客户端之间, 可以实现两者之间的数据转化和功能协同, 以及实现模型算法与其他功能的分离, 使模型开发者可以专注于模型算法的设计和实现。最后, 以海冰密集度遥感反演模型和冰间湖识别模型为例, 实现了极地海冰-海洋参数遥感反演模型分布式共享方法。
多尺度地形图生产和建库是基础地理信息系统建设的重要内容, 也是信息库建设的重点和难点。小比例尺地形图, 一是按照相应比例规则进行实地测绘, 二是采用制图综合逐级缩编, 但无论哪种方法都存在着时间长、效率低、更新困难, 质量因人而异等缺陷。基于空间信息源的多尺度地形图智能化缩编, 借助空间信息数据的整体性、适应性、拓展性、算法先进性和超强分析能力, 运用空间信息拓扑关系, 建立基本比例尺图形数据库, 在信息数据库中智能化完成梯级比例尺缩编、跨比例尺缩编及任意比例尺缩编, 自动快速建立相应比例尺图形数据库, 同时保障多尺度图形数据库及时更新和维护。该方法克服了传统测绘与缩编地形图的弊端, 保障系列比例尺地形图与基本比例尺图形数据库的一致性、实时性, 满足各层次、各行业用图需求, 方便快速建立城市DSM 地表模型和空间真三维地理模型, 具有成本低、速度快、精度高、通用性强、按需供图的特点和优势。湘潭市工程实践证明:基于空间信息源数据的地形图智能化缩编的体系、架构、理论和方法是可行的, 有广泛推广应用价值。
近几十年来, 由气候变化和人类活动共同驱动的内蒙古地区土地利用/覆被变化(LUCC)较为剧烈, 其引发了一系列的生态环境问题。本文基于3 期LUCC数据, 借助于变化率指数、动态度指数、转类矩阵, 在全区和地级市尺度上, 分析了内蒙古地区土地利用/覆被变化的时空特征及驱动因素。研究结果显示, 受地形因素的影响, 研究区土地利用/覆被变化表现出明显的区域差异及区域趋同性。在经济发展和人口增长的双重压力下:(1)平原耕作区深受国家宏观政策的影响, 2000 年之后的“林地、高覆盖草地开垦”总体速度下降了近35%;(2) 平原耕作区北部边缘条带状地区、山区草原区受制于降水不显著的波动呈减少态势, 2000 年之后的“草地退化及荒漠化”趋势加强了近85%。研究结果为内蒙古地区土地资源的可持续利用与科学管理提供了依据。
