三维GIS是当今乃至未来GIS技术的主要标志性内容之一，它突破了空间信息在二维地图平面中单调表现的束缚，为各行各业以及人们的日常生活提供了更有效的辅助决策支持。本文重点介绍了三维GIS的数据模型、数据库管理和可视化分析等关键技术及其研究进展，并以武汉市为例展示了三维GIS对城市立体空间的整体表达，为大城市、全市域的三维数字城市建设奠定了基础，最后探讨了在智慧城市建设与城市安全中三维GIS将发挥日益重要的时空信息承载引擎与空间智能技术支撑作用。
分治法采用分解-解决-合并的问题处理模式，应用于多边形合并算法能规避结点累积效应，与经典的“滚雪球”处理模式相比能有效提升多边形合并算法的计算效率。本文以多边形合并算法为研究对象，首先通过分析基于Vatti算法实现的多边形合并算子的效率相对于多边形顶点数的变化特征，指出合并过程中的结点累积效应是“滚雪球”多边形合并模式的潜在性能瓶颈和隐患。考虑分治法的“分而治之”思想在解决多边形合并问题上的适用性以及在归并排序算法中表现出的高效率，提出分治法的多边形“树状”合并处理模式，实现了面向要素集合或者要素层的多边形快速合并算法，最后给出了面向多边形合并的算法效率提升评价模型。实验结果显示，当仅有400个多边形时，“滚雪球”模式的时间开销约是“树状”合并模式的26倍，当需要合并11 200个多边形时，前者的时间开销约是后者的926倍。因此，基于分治法的多边形树状合并策略是对多边形合并算法以及应用到多边形合并算法的高级空间分析算法进行优化的可行途径。
矢量地理数据的高效组织管理是空间数据应用的关键问题之一。矢量地理数据服务作为一种重要的公众空间信息服务，已经得到广泛应用。公众对矢量地理数据服务性能提出了越来越高的要求，包括实时响应、高并发、高吞吐量等。当前的矢量地理数据服务后台数据存储组织，通常基于磁盘和关系数据库，其在面对公众日益增长的需求时已经显得力不从心。本文提出了一种以内存数据库Redis的轻量级矢量地理组织方法，能在高并发情况下有效提高矢量地理数据服务性能。论文首先分析了Redis的存储机制，设计了矢量地理数据库的分层组织模型，利用Redis丰富的数据结构对矢量地理数据及其相关元数据进行存储管理，然后，以网格索引为例，设计了Redis的空间索引，最后，设计Redis的矢量数据引擎原型系统，并进行了实验验证。结果表明，Redis的矢量地理数据库显著提高了响应速度，且并发性能更好，可广泛应用于大型空间数据库前端高速缓存和高性能空间索引库。
针对线路矢量数据实时采集和同步压缩应用需求，本文提出具有高压缩率、低失真度特点的累积偏移实时压缩算法（CORC Algorithm）。算法突出对弯曲极值点和距离偏移的感知，创新性地提出累积变向点和累积变向拐点的弯曲极值点探测方法，提出距离累积偏移临界点的线路偏移快速判断方法，从而有效提高算法对方向连续偏移的敏感度和对摇摆偏移的高压缩率，提高线路矢量数据实时压缩的高保真性。累积偏移实时压缩算法在高限差阈值情况下仍能有效发现各类弯曲极值点和距离累积偏移临界点，在O（N）时间复杂性和O（1）空间复杂性下取得高压缩率、低失真度的理想压缩效果，实现了线路采集的零延时同步压缩。应用定时、定距两种采集策略生成的线路矢量数据集，与垂距法（VD Algorithm）、分段道格拉斯-普克法（Subsection DP Algorithm）进行实时压缩性能实验对比，结果表明，累积偏移法作为实时压缩方法，与上述两种主流实时压缩算法相比，在压缩实时性、压缩率失真度平衡、限差阈值可控性3方面都具有明显的优越性。在同等压缩率情况下，累积偏移压缩算法失真度普遍降低达10%，且压缩率与失真度的平衡性受限差阈值取值和线路轨迹特征影响最小，可实现线路的定位采集、实时压缩、同步网络上传，在交通、旅游、探险搜救等领域的实时定位监控中具有广阔的应用前景。
近年来，异常气候事件的频发对人类的生活环境和经济发展带来严重负影响。气象学家研究表明：海洋气候异常对陆地气候异常事件的发生具有重要的诱发作用，因此，对海陆气候间的内在关联机制进行深入挖掘具有重要研究价值。本文提出了一种关联规则挖掘方法，以探索单一海洋气候指数与陆地异常气候事件间存在的关联。首先，针对陆地气候要素，采用顾及空间邻近关系的层次聚类方法进行有效气候分区，通过对各层分区结果进行相关统计分析得到有效的各区域气候序列；然后，进行顾及多重约束进行时序关联规则挖掘，以探索海陆气候要素间的关联机制；最后，通过实际算例分析得到的各气候指数与我国陆地区域异常降水事件间的关联机制结果，与实际情况高度吻合。
在位置服务领域，用户所处环境的上下文信息在分析、处理请求，以及推送相应的位置信息服务方面发挥着至关重要的作用。目前，如何存储和管理上下文位置信息缺乏统一的模型和标准，本文对此提出了一种全新的位置服务的上下文信息模型。利用User Context（< User >，< Time >，< Location >，< Surroundings >，< Demand >）5元素模型描述位置服务上下文信息中5个信息元素（用户信息、时间信息、位置信息、环境信息、用户需求信息），这5个信息元素均是直接因素，彼此独立且获取方便，人为干预少；同时，利用数据库技术可将5元素模型抽象成5元素表形式存储于数据表中，以便高效检索。最后，通过分析5元素模型中的不同信息元素，可推理出基于搜索关键词的用户需求偏好及基于时间和位置信息的用户轨迹（用户行为、热点区域、用户兴趣）。
人口分布是人文科学的重要研究对象。如何在数据不足的情况下获得较为符合实际的人口分布数据是业界的一大难题。为了解决这个问题，本文依照人口分布的规律，以人口统计数据、高程、海岸线、城市中心、河流和行政区划为影响因子，通过距离计算、重分类、加权计算等方法，建立了加权人口密度连续分布模拟模型，并进行了改进。基于2011年的福建省县级人口统计数据，本文在ArcGIS平台上模拟了该省的人口密度空间分布，模拟结果表明：各县人口总数误差与平均人口误差在40%以下的百分比分别为89%与84%，突出了福建省在城市中心、沿海、沿江，以及平原地区的人口聚集规律；各个县级行政区域内的数据集中，相对独立；县与县之间的区分边界数据又相互联系，变化连续，符合人口分布的实际情况。该模型相比于其他的人口模型易于理解，结构简单，可应用于各省的人口密度分布模拟，能有效地解决人口数据不足的问题。
本文利用2009年6月至2010年5月日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、日本环境署（MOE）与日本环境研究（NIES）所等联合开发的全球首颗专用温室气体观测卫星“呼吸号”（GOSAT）上的被动红外探测器（TANSO）官方反演的近地面975hPa左右的CO2浓度L4B数据产品，采用ArcGIS地统计分析方法，对比瓦里关全球大气本底站地面观测数据进行真实性检验，分析中国区域近地面CO2浓度分布的时空变化特征。结果表明：中国区域近地面CO2浓度空间分布集中，东高西低，差异显著；CO2浓度具有明显的季节变化特征，月平均浓度4月份（春季）升至最高，7月份（夏季）降至最低。结合“中国统计年鉴2012”中的2009年人口密度、能源消费总量（煤）和GDP等辅助数据对比发现：导致中国近地面CO2浓度空间分布规律的原因多种多样，不可轻易定论是人为或自然使然，需进一步深入研究。
在快速城镇化时期，城市边缘区是城市扩张过程中空间结构变化最大、土地利用转变最快的地区，以过渡性、复杂性、动态性为突出特征。研究城市边缘区的空间演变对认识城镇化、优化城市空间结构等具有重要意义。本文在总结海淀区空间发展历史渊源的基础上，采用了RS/GIS技术对20世纪80年代以来海淀城市边缘区的范围、空间扩张进行了定量分析；并结合系统论方法，探索影响海淀城市边缘区空间演变的若干因素。研究发现：海淀城市边缘区空间发展有独特的地理优势和文化渊源，且在政策、经济、人口、交通等因素的综合作用下，处于不断动态变化之中；呈现出沿环线不规则分布、边界由清晰变模糊、整体向西北推移的空间特征；总面积逐渐增加、年扩张速率先升后降；1995-2007年以向外扩张为主，其他阶段以内部填充型发展为主；空间分布及扩张强度在不同乡镇街道具有区域差异性等。本文将RS/GIS技术与系统分析相结合，来研究城市边缘区相关问题的技术可行性。
森林生态服务价值的研究对构建绿色GDP核算体系、制定生态补偿标准、提高人类环境保护意识等有十分重要的意义。本文首先以卫星影像、地理空间数据、站点记录等资料，结合GIS、RS技术，估算了浙江省森林生态系统2010年的NPP、蒸散量、土壤保持量等；然后，采用能量替代法、机会成本法、影子工程法等估算了浙江省森林2010年的固碳释氧价值、有机物生产价值、水源涵养价值、营养物循环价值、水土保持价值；最后，对各种生态服务价值的逐月变异规律进行分析。结果表明：浙江省森林2010年的5种生态服务价值呈现明显的逐月变异规律；固碳释氧价值、有机物生产价值、营养物质循环价值、水土保持价值的逐月变异规律，均可用开口向下抛物线拟合；水源涵养价值的逐月变异规律，可用开口向上抛物线拟合。
本文以武汉城市圈为研究对象，分析城市发展对该区域水源涵养功能的影响。文中选取植被、气象、地形、土壤和人为5个因子，分别以植被覆盖度、降水量、蒸发量、坡度、坡长、土壤层厚度和覆盖类型作为水源涵养功能重要性的评价指标，综合采用专家判断矩阵和层次分析法构建其指标体系。利用遥感、GIS等空间分析技术对武汉城市圈水源涵养功能重要性进行评价，并分析影响水源涵养功能的各单因子重要性的动态变化及空间分布格局。结果表明：2000-2009年间，武汉城市圈水源涵养功能呈现先增高后降低的趋势；空间分布格局主要表现为武汉城市圈东北部、东南部低山丘陵地带的水源涵养功能重要性较高；短时间尺度上，人为活动所导致植被覆盖度的变化和覆盖类型的改变是影响水源涵养功能的主要因素。其中，2005-2009年间，人类不合理开发利用土地导致植被覆盖度降低、湖泊湿地减少是武汉城市圈水源涵养功能下降的主要原因。
本文首先用分形理论的集聚维数和关联维数探析了乌鲁木齐都市圈城镇体系发展的空间分形特征；然后，运用2007年和2011年的社会经济统计数据，结合分形理论的齐夫模型，运用等级规模维数并通过与中国其他都市圈的比较，研究了乌鲁木齐都市圈城镇体系发展的等级规模变化分形特征。结果表明，乌鲁木齐都市圈城镇体系集聚维数和关联维数分别为1.060和0.882，说明乌鲁木齐都市圈已经形成了以乌鲁木齐为中心呈凝聚状态分布的空间自组织体系，各城市之间相互联系比较紧密，相互作用较强。2007-2011年间，社会消费品零售总额等级规模维数变小，说明差异呈现扩大趋势，而非农业人口、GDP、一般预算财政收入等级规模维数变大，说明差异呈现缩小趋势。与其他都市圈相比，乌鲁木齐都市圈空间和规模结构还不成熟，中心城市首位性强，对周边城市带动能力弱，等级规模差异大，有待进一步优化。
南海占我国海洋国土的2/3，不仅是中国国家安全的天然屏障和重要的出海口与战略通道，而且是我国未来重要的能源接续区与资源基地、地缘政治经济问题的多发区。对南海争端发展态势进行空间分布与关联性GIS分析，是重要的辅助决策支持。结果表明：（1）文献研究和网络爬虫等方法可以快速有效地获取南海争端历史地理数据，GIS技术能够对南海争端历史地理数据进行时空变化的深入分析；（2）就争端事件的时间分布而言，事件数量随时间推进呈现显著增长，个别发生重大南海争端事件的年份出现突增的现象；（3）就争端事件的空间分布而言，与越南及菲律宾相关的南海争端事件尤甚，其他周边国家则相对较少，这主要源于越菲两国的战略利益与南海所在区域交叠，使得越菲不断挑起事端；（4）越南、菲律宾与马来西亚等国的利益诉求区主要位于南沙群岛，各国诉求区分布明确，局部交错。网络GIS技术丰富了历史地理研究的途径，为其提供了新的思路和方法。
资源与环境承载力的研究对人类社会经济活动意义重大。将资源与环境视为一个复合的生态系统，依据多层次指标体系结构，建立了以资源与环境承载力为目标层的集成指标体系。综合分析各指标间的相互联系，以及集成性指标对准则层指标、准则层指标对目标层的作用，构建了若干个集成指标模型、3个准则层指标模型，以及资源与环境承载力综合指数模型。运用GIS技术，形成了系统化、定量化的分析方法体系，实现了模型在网格单元的运算。研究结果反映了资源与环境承载力空间分布的连续性和渐变性，克服了以行政区域为分析单元的突变性。以山西省阳高县作为研究对象，采用相应技术方法进行资源与环境承载力评价研究，验证结果与实际情况基本吻合，表明了所建立模型和技术方法的合理性和可操作性。
数据密集型的地学研究离不开数据资源和信息平台的支撑，因此，实施地球系统科学数据共享具有重大意义。早期地球系统科学数据共享服务主要以政府行为为主，集中数据汇交，存在数据服务负载不均衡、数据整合模式单一、数据服务效果不明显等突出问题。随着Web 2.0理念的提出，以及云计算等技术的出现，数据共享模式发生了巨大的变化。本文提出基于云计算的地球系统科学数据共享概念模型。通过提供基础设施即服务（IaaS）、数据资源即服务（DaaS），以及数据功能即服务（SaaS）实现共享服务模式的转变，将死板的数据转为灵活的服务。在“数据云”中，用户既是数据的使用者也是数据资源的提供者，通过提供数据发布、数据需求发布、数据发现与共享、需求发现与反馈等功能，解决数据共享中“用户-数据”之间的矛盾，并激励普通科研工作者贡献自己的数据，保障数据资源有效、可持续整合。最后，构建了原型系统用于验证该框架，形成了一个“人人都是数据的提供者，人人都是数据的使用者”的数据共享服务环境。
有效地发现和利用分布存储、运行的各类空间数据、空间决策分析模型和知识发现算法，已成为当前空间信息处理、知识发现与共享领域最具挑战性的前沿课题之一。首先，本文论述了空间信息处理、知识发现的关键问题、发展现状和趋势。然后，描述了地理知识云的概念特征，提出了地理知识云（GeoKSCloud）的具体实现。该平台构造了可伸缩的空间数据和知识服务存储、运行环境；平台从业务功能上划分为数据聚合中心、知识服务中心、地学问题求解中心、平台控制中心和知识云门户等5大核心模块。其为地学问题求解全过程提供了空间数据集成，知识服务发布、注册、搜索、发现、组合等功能，以及地学问题智能推理和结果可视化表达等工具。本文对海量空间数据云存储与管理、知识云服务管理与组合、地学问题智能求解等平台关键技术进行了论述。最后，本文以历史地震影响场分析为例，分析了平台各组件在问题求解中的交互过程，实例表明，该平台可实现多节点、跨平台、异构地理知识服务的协同式计算，有效地降低地学问题求解的成本和复杂度。
目前，我国已建立多种基础空间数据库，但现有空间数据库管理系统中，地图制作、标准地图管理等仍需要采用标准分幅来满足统一管理的需要。如何更有效地管理海量分幅空间数据，并实现对其快速检索成了多尺度基础空间数据库建设亟需解决的问题之一。本文分析了电子接图表，实现了空间数据接图表的可视化，集成了现有的空间数据库管理与数据库可视化操作的功能；依据空间数据不同的比例尺类型、要素类型、几何类型，自动计算标准分幅编号、绘制分幅边界；提供空间数据库海量数据检索技术方法与参数传递方案、基于数据存储的逻辑结构设计数据检索方案，并总结出空间数据优化存储策略与高效管理方法。应用案例表明，空间数据库电子接图表能够提高分幅空间数据的可视化管理与检索效率，对涉及大规模空间数据库可视化管理和检索应用需求，有很好的理论和实际应用价值。
自HJ-1双星成功发射后，两台设计原理完全相同的CCD相机分别搭载在HJ-1A、HJ-1B星上，其覆盖范围广、回访周期短，具有较高的空间分辨率和光谱分辨率。波段间的配准误差是评价影像质量的重要指标之一，也是传感器研发的一项重要参数。因此，对遥感多光谱影像进行波段间配准误差评价是十分必要的。本文以山东省东营市辛安水库库区为对象，提出了一种基于特征地物计算HJ-1卫星CCD波段间配准精度的算法。辛安水库形状独特，有多条条状水体和拦水坝且相互交叉排列。基于HJ-1 卫星CCD相机4个波段的水库影像，分别提取出水库在沿轨和跨轨方向的像元响应与像元位置的关系，利用响应曲线中的峰、谷位置，计算出同名特征点在不同波段图像中的位置。根据位置的差异，计算出HJ-1卫星CCD相机波段间配准在沿轨方向和跨轨方向的实际偏移量。从而实现对影像波段间配准精度的评价。
鉴于仅依赖光谱特征或纹理特征的传统溢油检测算法的信息检测精度较低的问题，本文提出了一种新的光学遥感数据的谱纹海面溢油检测方法。谱是光学遥感数据的油膜敏感波段图像，纹是利用灰度共生矩阵计算获得的图像纹理特征，将这些特征相结合，引入支持向量机方法（Support Vector Machine，SVM），建立谱纹海面溢油检测模型。本文以2006年渤海溢油事故为例，利用中等分辨率成像光谱仪MODIS的光学遥感数据对溢油进行检测，MODIS的第2波段为油膜敏感波段，所以，第2波段图像即为选取的谱特征，经过对各个纹理特征的分析得到，均值、对比和相关3个特征量可作为溢油提取的纹理特征。检测结果的总体精度达91.23%。试验结果表明，将MODIS图像的光谱特征和纹理特征相结合，可有效地对渤海海洋油膜信息进行检测，并具有很强的抑制噪声能力。
变化检测是资源和环境遥感应用的一个重要内容。在变化矢量分析法的基础上，本文提出采用变化矢量-主成分分析法提取研究区变化信息，首先，对不同时相的遥感影像进行差值运算得到差值影像，再对其进行主成分变换并选取主分量，最后，使用多尺度分割获取影像对象。在影像分割的基础上，采用变化矢量-主成分分析方法构建自动检测规则提取变化信息，并作精度评价。研究表明：基于对象的变化矢量-主成分分析方法不仅可克服传统的基于像元式方法难以利用空间信息的缺陷，有效避免了“椒盐”噪声，而且可将多波段差值信息经主成分变换后集中在几个累计贡献率较高的主成分分量上；同时，结合了变化矢量法与主成分分析法的优点，与单独使用变化矢量分析法相比提取精度明显提高。
本文以2007、2009和2012年的5月和9月共6个时期的遥感影像，基于栅格数据和综合评价模型，对若尔盖县的生态环境质量状况进行了评价。首先，从影响生态环境质量的因子出发，选取归一化植被指数（NDVI）、地表温度、坡度、坡向、土地利用、湿度指数6项生态因子作为评价指标；然后，利用主成分分析法确定各评价指标的权重，根据综合指数评价模型计算出研究区的生态环境质量指数，同时，依据计算结果的大小把研究区的生态环境质量划分为优、良、中、差4个等级；最后，对若尔盖县的生态环境状况的空间分布规律进行分析。结果表明，2007-2012年若尔盖县生态环境质量良好，不同时相的生态环境综合指数的均值均在60左右，同时该区域的生态环境质量有变好的趋势；不同季节的评价结果稍有差异，但是同一季节不同年的变化趋势是一致的；不同等级的区域相间分布，较差区域主要集中在植被覆盖较差的区域，西北部居多，中部零星分布。
积雪对自然环境和人类活动都有极其重要的影响。积雪参数（雪面积、雪深和雪水当量）反演对水文模型和气候变化研究有着实际的意义。然而，目前森林区的雪深遥感反演精度一直有待于进一步提高。东北地区是我国最大的天然林区和重要的季节性积雪区之一，本文利用FY3B卫星微波成像仪（MWRI）L1级亮温数据和L2级雪水当量数据，以及东北典型林区野外实测雪深数据，对Chang算法、NASA 96算法和FY3B雪深业务化反演算法进行了验证与分析。结果表明：在东北典型林区的雪深反演中，Chang算法和NASA 96算法反演的雪深波动都比较大，当森林覆盖度f≤0.6时，NASA 96算法表现比较好，均方根误差值在3种算法中较小，但当f >0.6时，NASA 96算法失真严重。当考虑纯森林像元（f=1）时，Chang算法低估了雪深47%。当f≤0.3时，FY3B业务化算法始终优于Chang算法。整体上，FY3B业务化算法相对稳定，具有较高的精度。
能源植物开发利用是应对能源问题和全球变化的有效途径之一，准确的资源潜力及时空分布信息是资源规划和相关科学研究的重要基础。本文提出了耦合地理信息系统（GIS）空间分析与生命周期分析（LCA）进行能源植物开发利用潜力评估的技术方法，以黄连木为例进行研究。基于土地利用数据、遥感数据、气象数据、土壤数据，以及黄连木的生态习性，采用多因子综合评价方法，建立了1km空间栅格数据的黄连木种植适宜性综合评价模型，获取了适宜于黄连木规模化种植的土地资源与空间分布；另外，采用LCA方法对黄连木开发利用主要环节的温室气体排放进行了定量估算。结果表明，我国可用于发展黄连木的边际土地总量为1989.76万hm2，其中，适宜黄连木生长的土地面积为710.32万hm2，较适宜黄连木生长的土地面积为1279.44万hm2，总温室气体减排潜力为2544.46万t。同时，较之于传统的区域总体统计值的结果，空间栅格的评估方法可为科学决策提供更为精细的数据支撑。
草原是干旱区生态系统中重要的可再生资源。本文基于草本植被的结构特征，利用ASAR和TM数据，结合MIMICS模型，提出了一种估算干旱区草原地上植被生物量的方法。该方法将光学遥感数据容易反演的叶面积指数（LAI）作为反演生物量模型的参数之一，并利用LAI成功估算了单位面积内的草本植被密度。将地上生物量作为输入变量代入改进的MIMICS模型，利用查找表方法，计算出地上植被生物量。然后，将该方法应用于乌图美仁草原的地上植被生物量的反演。结果表明，该方法能够成功地反演干旱区草原草本植被地上生物量，精度达到R2=0.8562，RMSD=0.6263。最后，分析了该方法估算植被生物量的误差来源。
