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当期目录

    2016年, 第18卷, 第8期 刊出日期:2016-08-19 上一期    下一期
    地球信息科学理论与方法
    形态本体及其在地理空间数据发现中的应用研究
    孙凯, 诸云强, 潘鹏, 罗侃, 王东旭, 侯志伟
    2016, 18 (8):  1011-1021.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01011
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    地理空间数据语义异构是实现数据关联、数据智能推荐和精确发现的主要瓶颈。地理空间数据本体被认为是解决地理空间数据语义异构的有效方法。形态特征是地理空间数据(除时空、要素内容外)的重要特征,是地理空间数据本体的重要研究内容。本文首先在系统分析地理空间数据形态特征的基础上,提出地理空间数据形态特征的概念体系。然后,建立地理空间数据形态本体模型,提出形态信息的本体表示方法,并构建地理空间数据形态本体。最后,基于形态本体的本体库,利用Jena本体推理技术,开发地理空间数据语义检索原型系统,并将形态本体应用于国家地球系统科学数据共享平台的元数据检索中。实验结果表明,地理空间数据形态本体可以有效地解决数据形态特征的语义异构,提高数据发现的查全率和查准率。本文的研究方法和成果对解决其他领域数据的语义异构,有重要的参考意义。

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    基于结构化场景的单幅图像建筑物三维重建
    王思洁, 方莉娜, 陈崇成, 黄明伟
    2016, 18 (8):  1022-1029.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01022
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    针对无法利用激光扫描或多张图像实现三维重建的已损或不复存在的建筑,本文提出了一种基于结构化场景的单张图像建筑物三维重建方法。该方法先基于RANSAC算法及最小距离法分别解算灭点直线和灭点;然后基于平行平面、包含平行信息的任意平面和包含垂直信息的任意平面的平面模型解算三维坐标。本文以现存某高校图书馆为例,重建了三维模型,并分析了模型精度。结果表明,重建误差最小为0,最大为5.8%,模型整体精度在1.9%左右,符合三维重建精度要求。在四川省白鹿领报修院教堂的三维重建应用中,建立了已损建筑物的三维模型,获得了较好的重建效果。该方法适用于包含平行、垂直、灭点和平面结构的建筑物场景,可得到建筑物三维几何线框模型,几何细节采用纹理映射替代,可应用于现存建筑和文化遗存遗址的三维重建。

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    基于可视范围的图像检索方法
    吴勇, 姚凌, 童为民
    2016, 18 (8):  1030-1036.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01030
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1342KB) ( )  

    图像是视觉所及环境的自然再现,具有表达直观、内容丰富的特性,其已成为GIS空间数据采集与应用中一种重要的可视数据源。随着硬件终端的高速发展,集成的传感器愈加丰富,多源传感器信息融合已成为移动GIS数据釆集的发展趋势。针对移动终端获取方位角偏差问题,本文重点阐述了基于移动终端的重力传感器与磁力传感器获取镜头拍摄朝向的算法,并基于EXIF图像格式实现了图像元数据、定位信息、方位信息一体化采集生成可定位图像。针对现有可定位图像以点代面建模方式的不足,本文以镜头视野范围AOV(Angle of View)模型为基础,提出了以图像元数据、位置信息以及方位信息构建图像可视域的方法,并采用多级网格方式对图像可视域面状特征建立空间索引,实现基于可视域的图像检索。在此基础上,针对福建省野外遥感核查采集的8022幅可定位图像,采用点建模及可视域建模2种方式建立检索图像集。从检索速度、检索结果2个方面进行对比分析,表明基于可视域图像检索方法不仅能检索出拍摄位置在检索区域内的图像,还可检索出拍摄位置在检索区域外但实际拍摄场景在检索范围内的图像。同时,通过多级空间网格索引可提升6.22-8.64倍检索速度。

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    抗投影变换的矢量地理数据水印算法
    佟德宇, 任娜, 朱长青, 林威
    2016, 18 (8):  1037-1042.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01037
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1329KB) ( )  

    在矢量地理数据水印算法研究中,以往研究较多考虑增删点、裁剪、平移、旋转等攻击方式,而对抗投影变换的攻击方式研究较少。由于投影变换在GIS中具有重要意义,故本文提出了一种抗投影变换的矢量地理数据水印算法。水印嵌入前,对待嵌矢量地理数据利用道格拉斯算法进行压缩,使用四叉树分块选取特征点,提取并保存特征点及其属性信息;水印嵌入采用坐标映射和量化机制以增强水印算法的鲁棒性;检测水印时,将待检测数据与原始特征点进行属性信息匹配,匹配成功的同名点采用二元三次多项式进行最小二乘法拟合,根据拟合的多项式系数对待检测数据进行投影变换,最终实现水印信息的提取。实验结果表明,本方法能抵抗投影变换攻击、增删点、几何变换以及它们的复合攻击,具有较好的可行性和实用性。

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    基于层次匹配的面状要素几何匹配方法研究
    张旗升, 王艳慧
    2016, 18 (8):  1043-1051.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01043
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1800KB) ( )  

    空间数据增量信息提取是空间数据库增量更新的基础,而要素几何匹配则为空间数据增量信息提取的关键流程之一。针对面状要素几何匹配时所产生的单一匹配算子匹配准确度低,以及多算子加权匹配算法匹配效率低、冗余度高、结果不准确等情况,本文提出一种基于多层次匹配的面状要素几何匹配算法。该算法以反映面状要素位置、大小、形状特征的质心匹配算子、面积重叠度算子以及转向角函数匹配算子为基础,并按各算子复杂度进行层次匹配规则设计,以提高算法效率、保证匹配的准确性。本文通过2种方法进行对比实验,结果表明:层次匹配算法匹配完整度和准确度均能达到90%以上,可以很好地进行面状要素几何匹配;与加权匹配方法相比效率更高,代价更小,且所得匹配结果比加权匹配方法所得结果更加准确。

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    栅格成本距离计算的改进蚁群算法
    曲小康, 芮小平, 韩莹, 李祥琛, 伍彬
    2016, 18 (8):  1052-1059.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01052
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1562KB) ( )  

    栅格数据模型是地理信息科学领域的主要数据模型,成本距离分析是其重要的应用方向之一。但当栅格数据量较大时,传统的Dijkstra求解效率较低,因此本文提出了一种用改进蚁群算法来求解栅格成本距离的方法。首先,构建了适合人工智能算法的栅格数据模型及编码方法;然后,在此基础上初始化蚁群,采用状态概率选择机制计算相邻栅格单元之间距离成本,以及距离成本路径方向选择,同时利用改进的信息素更新机制加强蚁群之间信息交流,加快算法收敛速度;最后,引入了遗传算法的选择、交叉和变异等算子优化生产的成本距离的解,增加解的全局性。本文以北极地区的海冰密集度栅格数据为基础,求解北极地区适合航行路线的成本距离。实验表明,结合了蚁群算法和遗传算法优势的改进蚁群算法,能够快速有效地求解出基于栅格数据的成本距离。

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    基于IC卡综合换乘信息的公交乘客上车站点推算
    宋晓晴, 方志祥, 尹凌, 刘立寒, 杨喜平, 萧世伦
    2016, 18 (8):  1060-1068.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01060
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1615KB) ( )  

    现有研究在缺少公交车运营信息的情况下,利用公交线间正交换乘信息的方法来识别公交车持卡乘客的上车站点,但在实际运用中很多班次无正交换乘的乘客,容易导致公交乘客上车站点匹配困难。因此,本文提出了一种基于IC卡综合换乘信息的公交乘客上车站点推算方法,该方法充分利用IC卡数据中的综合换乘信息(公交线间的正交和非正交换乘信息、地铁和公交线间的换乘信息)与公交网数据确定班次行驶方向,对班次内的乘客进行分组,充分利用综合换乘信息确定基准组及其对应的上车站点;然后,通过最小偏差规则匹配待定组的上车站点,实现公交乘客上车站点的推估。利用换乘信息确定班次行驶方向弥补了现有研究无法确定班次行驶方向的不足,使公交乘客上车站点推算方法更科学;最后,基于2011年8月的“深圳通”IC卡数据进行实例分析,对比只利用正交换乘信息确定的基准组数量和利用综合换乘信息确定的基准组数量,结果表明:该方法可使确定上车站点的组数占总组数的比值提高,克服了只利用正交换乘信息推算上车站点方法中存在的单个班次无基准组从而无法进行站点匹配的困难。本文方法比只利用正交换乘信息匹配站点,具有更高的可行性与准确率。

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    地理空间分析综合应用
    三江源生态工程实施前后长江源区宏观生态状况变化分析
    刘璐璐, 曹巍, 邵全琴
    2016, 18 (8):  1069-1076.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01069
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1997KB) ( )  

    基于NDVI时空序列数据,利用GLOPEM-CEVSA模型,本文估算并分析了长江源区1997-2012年植被覆盖度及植被净初级生产力时空变化特征,并在此基础上评估了生态工程实施前、后长江源区宏观生态状况变化。结果表明:工程实施后,长江源区宏观生态状况显著好转,植被覆盖度及植被净初级生产力明显增加。从多年平均值来看,工程实施后,植被覆盖度好转区域面积占植被区总面积的72.10%,净初级生产力增加区域面积占植被区总面积的73.82%;从变化趋势来看,植被覆盖度好转区域面积净增加13.02%,植被净初级生产力好转区域面积净增加24.62%。工程实施前后相比,各流域宏观生态状况恢复程度具有差异,其中楚玛尔河源头植被覆盖度上升最明显,通天河流域植被净初级生产力上升最明显。长江源区宏观生态状况的好转受益于气候的湿润化及生态工程的共同影响,若要全面有效改善仍需持续努力。

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    1954-2014年云南省降水变化特征与潜在的旱涝区域响应
    刘佳旭, 李丽娟, 李九一, 王志勇, 陈素景, 张凯
    2016, 18 (8):  1077-1086.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01077
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1987KB) ( )  

    本文基于云南省1954-2014年32个气象站点逐月降水量资料,采用线性倾向估计法、径向基函数空间插值法、小波分析法、R/S分析法、Z指数法,分析了61年的云南省降水序列、旱涝情态的时间特征和空间格局。结果表明:在此期间除春季外,其余各季节降水量均呈现减少态势,年降水量总体以8.1 mm/10 a的速率减少,并且在未来一段时间内将保持减少趋势。多年平均降水量由云南省南部的西双版纳州向西北部的丽江市-迪庆州一带逐步减少;年降水量存在准2 a、准6 a、准8 a、准18 a、准28 a的周期性特征,且以准28 a为主周期;干旱化趋势增加速率较快(KL=0.359),印证了降水减少态势,洪涝化趋势减小速率相对较慢(KI= -0.071);旱灾易发地区主要涉及5个州,分别为迪庆州、德宏州、西双版纳州、红河州、楚雄州;洪涝易发地区涉及3州2市,依次为怒江州、大理州、文山州、普洱市及邵通市。

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    大连市城区绿地时空特征的热环境效应研究
    杨俊, 孙静, 葛全胜
    2016, 18 (8):  1087-1093.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01087
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1572KB) ( )  

    本文选择大连市沙河口和西岗区为研究区,以Landsat ETM、SPOT等数据为基础,通过遥感解译和反演得到1999年和2013年研究区内绿地及地表温度空间分布及演变特征,结合温度-植被指数(TVX)空间分析法测度城区发展过程中绿色空间减退所引起的热环境效应,以提出更有针对性的城市气候变化适应性规划。研究结果表明:(1)1999-2013年,研究区绿地面积减少43.8%,绿地斑块增加42.9%,城市绿地呈现面积减少、空间分布碎化的演变特征。其中,森林绿地、公园绿地和街区绿地转化为建设用地的贡献率分别为43.8%、42.9%和13.3%,街区绿地因原始面积小且转化率高,被建设用地侵占最为严重。(2)1999-2013年,研究区地表温度最高值上升5.2 K,地表温差增加1.7 K,地温聚集区间由301.6 ~304.7 K上升至306.5~310.9 K,热环境效应加剧。(3)TVX模型追踪结果显示,快速城市化过程中研究区内城市绿地转化为建设用地引起植被覆盖度下降和地表温度上升,其中街区绿地被侵占造成的地表热环境效应大于公园绿地和森林绿地。

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    厦门市高温热浪人群健康风险格局分析
    赵颜创, 赵小锋, 刘乐乐
    2016, 18 (8):  1094-1102.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01094
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1692KB) ( )  

    高温热浪已成为世界范围内夏季频繁发生的极端气象灾害事件,威胁着人类健康。研究高温热浪人群健康风险的空间格局,可以识别灾害高风险区域,有助于预防和应对高温热浪灾害。本文以厦门市为例,在历史气象数据分析的基础上,建立了高温热浪案例库,分析了厦门高温热浪的基本特征。通过结合卫星遥感影像和人口统计数据,选取2010年的一次高温热浪事件,进行人口因子和环境因子叠加分析,研究了厦门市高温热浪人群健康风险的空间格局,得出如下结论:(1)厦门市高温热浪强度较轻,频率较高,偶尔会发生强等级高温热浪;(2)高温热浪人群健康的高风险区域集中在厦门本岛内,沿东北-西南方向呈带状分布,较高等级的风险热点主要位于湖里区江头街道的北部与东南部和思明区夏港街道大部分区域;(3)高温热浪人群健康风险的空间格局与环境和人口的空间分布特征密不可分。本文对完善国内高温热浪人群健康风险分析的科学体系具有重要意义。

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    遥感科学与应用技术
    生物多样性保护优先区人类干扰遥感监测与评价方法
    刘慧明, 刘晓曼, 李静, 蔡明勇, 王桥, 裴亮, 申文明
    2016, 18 (8):  1103-1109.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01103
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1512KB) ( )  

    本文利用遥感数据时空分辨率高、覆盖面积大、获取便捷的特点,构建优先区人类干扰状况的评价指标体系和计算方法,提取人类干扰类型的空间分布数据,借助地理信息系统的空间分析功能对人类干扰数据进行栅格运算,建立生物多样性保护优先区人类干扰指数(Human Disturbance Index),定量评价了优先区内人类干扰程度的空间分布特征及动态变化,并以桂西黔南生物多样性保护优先区为例进行了方法验证。结果表明,该方法能有效地进行优先区内人类干扰状况定量评价,数据易获取、过程易操作,具有较强的业务推广价值。生物多样性保护优先区人类干扰指数定量评价方法的建立,可为优先区制定合理、有效的保护措施,为优先区保护和日常监管提供技术支持。

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    基于SSA-Mann Kendall的草原露天矿区NDVI时间序列分析
    贾铎, 牟守国, 赵华
    2016, 18 (8):  1110-1122.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01110
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(2104KB) ( )  

    针对煤矿区植被指数时间序列研究中,存在年际尺度上对植被动态规律刻画不全面、月际尺度上因物候性周期波动导致变化趋势和周期振荡信号微弱难以提取、基于变换的变化检测物理意义不够明确的问题,本文以胜利露天矿区为例,在月际尺度,基于SSA-Mann Kendall重建草原露天矿区的采矿扰动区和伪不变特征区MODIS NDVI时间序列的趋势和周期振荡信号,从显著程度和突变时间2方面对趋势成分进行定量化分析,并结合各特征区周期振荡演变特征揭示采矿扰动下草原露天矿区植被生长的动态规律。结果表明:SSA-Mann Kendall能将NDVI时间序列的微弱信号充分放大,便于提取,并可对趋势成分进行定量化表达,结合周期振荡与趋势成分的演变特征有助于辅助识别矿区植被生长的动态特点;伪不变特征区植被无显著下降趋势,采矿扰动区下降趋势显著,且露天采场较排土场的趋势更为明显,草原露天矿区地表植被损伤具有突发性,突变点多发于矿井开工建设时;扰动形式差异导致部分矿井露天采场和排土场周期振荡演变特征存在差异,露天采场植被消失殆尽,排土场因植被恢复措施而具有更复杂的动态特点。

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    变换光谱数据对土壤氮素PLSR模型的影响研究
    乔星星, 冯美臣, 杨武德, 孙慧, 郭小丽, 史超超
    2016, 18 (8):  1123-1132.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01123
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1794KB) ( )  

    光谱数据变换对消除背景、噪音影响以及提取光谱特征有重要的作用,是光谱数据分析过程中的必要步骤。为了研究光谱变换处理对土壤氮素PLSR模型的影响精度,并选择最佳光谱变换处理方法,本文对原始光谱数据进行了15种典型光谱变换,通过比较不同变换光谱与土壤氮素的相关性,实现土壤氮素的PLSR精确诊断,并综合评定最佳光谱数据变换方法。结果表明,涉及微分处理后的光谱变换,尤其是先进行开方(T8、T11)、对数(T6、T12)等变换后再进行微分处理,可提高其与土壤氮素的相关性。在引入较少因子变量个数的条件下,该方法使因变量解释量达到了98%。综合考虑模型的校正、验证效果及模型复杂度(模型最佳因子变量个数),可得出光谱平方根的一阶微分变换处理(T8)为最佳的土壤光谱变换算法。该条件下的土壤氮素的校正模型表现为R2=0.985、RMSEC=0.000132、Fn=6,验证模型的表现为R2=0.9853、RMSEV=0.000162,结果表明基于T8的光谱数据变换可实现本试验条件下土壤氮素的光谱估算。另外,可以考虑将原始光谱的一阶微分(T9)、对数和对数倒数的一阶微分(T6、T7)以及平方根和对数的二阶微分(T11、T12)作为光谱数据变换方法。本文研究结果可为土壤氮素估算和光谱数据预处理提供技术参考。

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    随机森林算法在机载LiDAR数据林分平均树高 估算中的应用研究
    鲁林, 周小成, 余治忠, 韩尚, 汪小钦
    2016, 18 (8):  1133-1140.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01133
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1615KB) ( )  

    采用机载LiDAR数据估算森林结构参数是当前林业遥感中的研究热点。本文以福建省长汀县朱溪河流域为示范区,探讨了随机森林算法(RF)在机载LiDAR数据林分平均树高估测中的适用性。首先,通过渐进三角网(TIN)算法进行点云滤波并获取相应林分样地的植被点云子集和高程归一化的植被点云;然后,从归一化后的植被点云提取出高度分位数变量以及点云统计特征值等24个变量参数;最后,根据提取的变量参数和野外实测林分均高数据建立研究区林分平均高随机森林回归估测模型。研究结果表明,模型估测的样地平均树高与实测值具有明显线性相关关系,线性回归系数为0.938,相关系数达到0.968。对样地的估测精度都在86%以上,总体平均精度达到了93.17%。研究认为,基于植被点云变量参数的随机森林模型估测林分平均树高具有较高的可靠性。

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    基于多时相中分辨率时间过程特征的江汉平原棉花种植面积变化监测
    尤慧, 高华东, 苏荣瑞, 刘凯文, 肖玮钰
    2016, 18 (8):  1141-1149.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2016.01141
    摘要 ( )   HTML ( )   PDF(1556KB) ( )  

    棉花是中国重要的经济作物,快速、准确地提取棉花的种植面积和分布信息,对于优化棉花种植空间格局、科学指导棉花生产及提高其管理水平具有十分重要的意义。为了探讨多时相中高分辨率影像在棉花种植面积监测中的可行性,本文以江汉平原为研究区,根据棉花物候特征,选取2012年、2014年江汉平原棉花生长关键期的多时相HJ-1A/1B卫星数据,通过分析研究区棉花不同生育期的光谱特征和归一化植被指数(NDVI)时序变化特征,对分类影像进行阈值分割、掩膜处理,最后利用决策树算法提取研究区2012年、2014年棉花种植面积。通过计算混淆矩阵评价分类精度的方法和提取面积精度方法对棉花提取结果进行评价,总体精度达到95.96%,Kappa系数为0.93,以农业局统计数据为参考,2012年、2014年HJ数据提取的棉花种植面积精度分别达到了97.91%、91.27%。因此,在不受云和降水等因素的影响下,基于江汉平原区域关键时相HJ卫星CCD影像数据,可利用该方法进行棉花种植面积监测。

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