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当期目录

    2017年, 第19卷, 第4期 刊出日期:2017-04-27 上一期    下一期
    地球信息科学理论与方法
    高性能GIS研究进展及评述
    左尧, 王少华, 钟耳顺, 蔡文文
    2017, 19 (4):  437-446.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00437
    摘要 ( 944 )   HTML ( 3 )   PDF(584KB) ( 762 )  

    互联网技术的发展使地理信息技术得到了前所未有的发展和应用,地理信息计算呈现出计算速度快、运行效率高、应用多样化的发展特征。而随着计算机硬件性能飞速提升,传统的GIS数据处理方式并不能与之匹配,各种缺陷与弊端逐渐显现,亟待更高效的数据处理方式。目前,以并行集群计算技术和分布式网络技术为代表的高性能计算的出现,为这些问题的解决带来了新思路,并逐渐发展形成了新一代的多核并行高性能计算系统。当前,如何利用新型硬件体系结构带来的计算能力,研究新一代高性能GIS计算系统,解决现在所面临的时空数据密集和计算密集问题成为重要挑战。高性能计算是基于一组或几组计算机系统组成的集群,通过网络连接组成超级计算系统以加强数据处理、分析计算性能的一种技术。在实际应用中,逐渐形成Hadoop,Spark和Storm 3大主流分布式高性能计算系统,它们三者各具优缺点。本文从高性能GIS算法、并行GIS计算、内存计算和众核计算4个方面梳理、归纳总结了高性能GIS的技术体系,分析了每类高性能GIS技术特征,综合分析、评述了近年来高性能GIS的研究进展,并对高性能GIS未来发展进行展望,为更完备、高效的高性能GIS体系的建立、发展和应用提供参考。今后,并行GIS计算、高性能计算模式和分布式存储仍然是GIS技术领域发展的重要方向,通过高性能GIS系统可有效地解决时空数据密集、计算密集和网络通讯密集等问题,大大提升GIS地理分析效率。

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    一种面向栅格的空间-属性双重约束聚类方法
    刘敬一, 薛存金, 樊彦国, 孔凡萍, 何亚文
    2017, 19 (4):  447-456.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.0447
    摘要 ( 635 )   HTML ( 1 )   PDF(2218KB) ( 351 )  

    针对栅格数据,传统聚类方法大都基于专题属性进行聚类,分裂了栅格对象的空间特性与专题属性,而兼顾空间与专题属性的现有空间聚类方法又存在算法复杂、参数设置多等问题,因此本文提出了一种面向栅格的空间-属性双重约束聚类算法(A Raster-oriented Clustering Method with Space-Attribute Constraints, RoCMSAC)。RoCMSAC利用栅格数据空间邻域和空间连通特性,重新定义栅格簇的相似性度量准则,通过属性均质簇生成,空间相邻栅格簇合并和空间邻近栅格簇合并3个步骤对栅格数据进行空间-属性双重约束聚类。利用太平洋海域海表温度栅格数据对算法的可行性以及有效性进行验证,并与现有算法进行对比分析。通过实例验证与对比发现:① RoCMSAC方法能够保证栅格簇空间域的邻近性和属性域的均质性;② RoCMSAC方法可发现复杂形状的栅格簇,且算法时间复杂度低,需输入参数较少。

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    景观指数的并行计算方法
    刘洋, 关庆锋
    2017, 19 (4):  457-466.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00457
    摘要 ( 776 )   HTML ( 1 )   PDF(1657KB) ( 434 )  

    随着地理信息科学和系统的发展,GIS数据的时空分辨率和数据量呈现爆炸式的增长趋势。传统的基于个人计算机的景观指数计算软件难以有效快速地完成海量数据的空间分析。针对该问题,本文提出了一个高效的景观指数并行计算方法。首先对原有的并查集连通域标记算法进行了2点改进:① 在第2次遍历数据时,增加了计算斑块面积、周长等斑块基本信息的功能,为景观指数的计算提供必要参数;② 在第2次遍历过程中,增加了重新标记连续序号的功能,减少了原有算法在合并操作后造成的序号不连续,需要重新遍历数据的开销。在此基础上,本文利用MPI并行编程库,采用数据分割和主从进程协同的并行计算模式实现了景观指数的并行计算。实验表明,在保证计算正确性的基础上,本文的并行算法大幅度提高了景观指数的计算性能,为快速分析大规模数据的景观形态和格局提供了有效手段。

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    基于大规模手机定位数据的群体活动时空特征分析
    曹劲舟, 涂伟, 李清泉, 曹瑞
    2017, 19 (4):  467-474.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00467
    摘要 ( 927 )   HTML ( 6 )   PDF(1587KB) ( 1648 )  

    城市空间与居民行为不断交互,相互影响。探究城市空间中的群体活动分布及其时空变化能够帮助数据驱动的城市规划与城市治理。基于大数据的时空间群体活动研究是当前时空大数据研究的一个热点。本文以深圳市为例,基于约1000万手机用户在某一工作日的基站尺度的手机定位数据,识别用户停留位置和停留活动,重建活动语义信息,分析用户的停留点和停留活动的分布差异,研究群体活动的时空分布模式,探讨人群活动模式的多样分布特征。研究表明:停留位置和活动分布存在差异,每人每天平均的停留个数约为2.1个,而每人每天平均从事的活动约为3.4个;不同类型的活动在时间上存在波动;群体活动存在空间分异特征,整体上服从“空间幂律”。本研究揭示了城市空间中群体活动的多样性及其时空分布特征,对于城市居民活动研究、城市交通优化和城市规划具有重要的意义。

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    地理空间分析综合应用
    耦合卡尔曼滤波和多层次聚类的中国PM2.5时空分布分析
    刘鹏华, 姚尧, 梁昊, 梁兆堂, 张亚涛, 王昊松
    2017, 19 (4):  475-485.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00475
    摘要 ( 573 )   HTML ( 3 )   PDF(2180KB) ( 660 )  

    近年来,细颗粒物污染尤其是PM2.5受到人们越来越多的关注,研究PM2.5的时空分布规律也具有越来越重大的意义。传统的遥感反演方法模型复杂,且不能揭示近地表面的PM2.5分布规律。地面监测站的建设为PM2.5的研究提供了更实时的观测数据,但由于测量噪声的影响,观测数据存在不准确的极端异常值。为了揭示中国PM2.5的时空分布特征,本研究采用Kalman滤波对2015年中国338个城市的空气质量监测网络大数据进行最佳估计,并分析其时空特征。同时,根据中国各城市的PM2.5浓度的时序分布,采用基于DTW的K-Medoids聚类方法将其分为4个等级,并采用q统计量来评估PM2.5浓度分布的空间分层异质性。结果表明,采用Kalman滤波能有效去除数据噪声,峰值信噪比(PSNR)明显增大。在时空分布上,中国PM2.5时间分布曲线呈现“U”形,冬季PM2.5浓度明显高于夏季,且日变化曲线呈现“W”形;秋冬季PM2.5浓度的空间分层异质性非常显著,且空间分布呈现“双核分布”,重污染区主要分布在华北平原、新疆等地,西藏、广东、云南等地是稳定的空气质量优良区。

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    北京城市增长边界预测
    胡业翠, 付玲, 李琦
    2017, 19 (4):  486-492.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00486
    摘要 ( 634 )   HTML ( 0 )   PDF(741KB) ( 511 )  

    为了遏制北京”摊大饼”式的城市发展模式,促进土地资源的集约、高效利用,引导国土空间合理布局,划定北京城市增长边界成为重要举措。本研究从城市内生发展动力角度,将遗传神经网络嵌入CA模型,建立北京城市增长边界预测模型,选定了自然、人口经济、区位、邻域、土地利用类型和政策规划6类因素共18个影响因子,预测北京市城市增长弹性边界。同时,从土地自身生态承载能力角度,用建设用地适宜性评价方法,选定了地形、地貌、公园水域、土地利用现状、自然保护区、城市用地距离为影响因子,划定北京市城市增长刚性边界。结果表明,利用该模型预测北京市2025年城市增长边界,总的面积匹配值为96%,模型精度较高;2025年北京市弹性增长边界总面积为1738.98 km2,刚性增长边界总面积为3297.01 km2。基于GANN-CA模型的城市增长边界划定方法对确定城市未来扩张方向有指导作用,可为城市规划和发展政策的制定提供依据。

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    黑河流域植被类型分布模拟分析
    周勋, 范泽孟, 岳天祥
    2017, 19 (4):  493-501. 
    摘要 ( 562 )   HTML ( 0 )   PDF(782KB) ( 557 )  

    针对黑河流域植被类型空间分布的垂直地带性特征,本文基于支持向量机算法构建黑河流域植被类型空间分布的模拟分析模型,并运用Kappa系数和混淆矩阵检验方法对模拟精度进行检验。验证结果显示,模型总体精度(OA)值为75.54%,Kappa系数值为0.66,表明了该方法在植被分布模拟上具有较好的结果,适用于区域尺度下植被类型分布的空间模拟。模拟结果表明,该方法对半灌木-矮半灌木荒漠和温带禾草-杂类草草甸草原类型的模拟精度最高,分别为(90.20%和90.02%);分布面积最大的植被类型(如半灌木-矮半灌木荒漠,灌木荒漠、嵩草-杂类草高寒草甸等)相比于其他面积较小的植被类型具有显著优异的模拟结果;人工经济作物、荒漠植被类型以及草原草甸等植被类型对于所选环境因子的敏感性更强,而灌丛类型和乔木类型的模拟结果在不同类型间的波动较大;空间分布上,环境要素差异性明显、植被类型丰富的上游地区具有更好的模拟结果,优于地势平坦、气候差异性小的黑河中下游地段,但模拟结果在景观形态上具有更高的破碎度。

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    山西省原平市神经管畸形时空分析
    陈会宴, 廖一兰, 张宁旭, 徐冰
    2017, 19 (4):  502-510.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00502
    摘要 ( 505 )   HTML ( 1 )   PDF(1750KB) ( 444 )  

    神经管畸形是发生于中枢神经系统的一种先天性异常,在所有的新生儿出生缺陷中所占比例较高。在我国,作为矿业大省的山西,神经管畸形最为严重,原平市又是山西省出生缺陷的高发市之一。本文利用山西省原平市2007-2012年的神经管畸形病例资料,基于贝叶斯理论的时空建模方法,综合考虑时间组分和时空交互组分,对神经管畸形的时空规律进行研究。研究识别了研究区内疾病发生的热点区域、冷点区域、温点区域,并对这些区域随时间的变化趋势进行了分析。研究发现,原平市18个乡镇中有1个热点区域、17个温点区域,整体发病率较高;原平市神经管畸形整体上随时间变化呈缓慢下降趋势,但该趋势并不明显;1个热点区域疾病风险下降趋势慢于整体趋势,4个温点区域疾病风险下降趋势快于整体趋势,13个温点区域疾病风险时间变化趋势与整体趋势趋同。本文识别了山西省原平市神经管畸形发病的时间趋势和空间趋势,可以揭示神经管畸形潜在的风险因子或控制措施供进一步流行病学研究,也可以为公共卫生部门制定及时有效的防治控制措施提供一定的科学参考。

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    兰州市生态系统健康评价及协调性分析
    孙建国, 魏芳
    2017, 19 (4):  511-517.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00511
    摘要 ( 539 )   HTML ( 0 )   PDF(1420KB) ( 385 )  

    进行区域生态系统健康评价,可以为当地制定生态系统保护政策和措施、生态系统协调和可持续发展提供科学依据。受数据源获取困难等因素制约,从乡(镇、街道)尺度开展的生态系统健康研究尚不多见。本文通过压力-状态-响应模型,选取15个指标因子构建了适宜于乡(镇、街道)尺度的评价指标体系,然后以第一次地理国情普查成果、统计年鉴数据和Landsat8、HJ-CCD、OMI遥感影像为主要数据源,对部分指标使用统计降尺度处理的基础上,以乡(镇、街道)为评价单元,运用熵值法综合评价兰州市生态系统健康状况,并对压力-状态-响应协调度进行分析。研究结果表明:① 生态系统健康整体表现出由城市中心区较差向城市外围区较好的过渡和替换趋势,从乡镇(街道)尺度来看,属于“不健康”、“亚健康”、“健康”、“很健康”的分别有13.5%、28.8%、51.3%、6.2%;② 就协调度而言,有59%的乡(镇、街道)为中度协调区,主要连片分布在城市郊区,其余分布在安宁区的街道,剩余的41%街道为高度协调区和低度协调区,占国土面积的25%,主要分布在城区的街道,零星分布在城市郊区的一些乡镇。

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    长沙市热岛效应时空特征变化研究
    叶钰, 秦建新, 胡顺石
    2017, 19 (4):  518-527.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00518
    摘要 ( 668 )   HTML ( 0 )   PDF(971KB) ( 473 )  

    本文基于1991-2015年长沙市9景Landsat TM/ETM影像,采用单窗算法反演了长沙市建成区的地表温度,提取了土地利用/覆盖类型,并结合相关资料对长沙市热岛效应时空变化特征以及城市热环境与城市土地利用/覆盖变化之间的关系进行了分析。结果表明长沙市热岛范围随着建成区范围的扩大不断增大,并且热岛的时空演变与建成区扩大的趋势一致:1991-1996年,长沙市热岛向东发展迅速,截至1996年东部热岛面积增加达53.54 km2 ;1996-2003年,受城市建成区扩展影响,热岛向西部延伸,增加面积达39.88 km2;2003-2007年,建成区热岛向西部、南部加速发展,热岛增加总面积达33.55 km2;2007年后,长沙市建成区与热岛范围开始向东、西、南、北4个方向全面扩展。此外,建成区土地利用/覆盖情况发生了很大的变化,大量绿地转变为建设用地和耕地,极大地影响了地表温度的空间分布,各土地类型之间的温度差异显著缩小,水体良好的吸热性能明显地体现出来,建筑用地和裸地则对地表温度的贡献显著增大。

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    遥感科学与应用技术
    激光点云与光学影像配准:现状与趋势
    张靖, 江万寿
    2017, 19 (4):  528-539.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00528
    摘要 ( 1051 )   HTML ( 3 )   PDF(639KB) ( 820 )  

    激光点云与光学影像是2种重要的遥感数据源,二者的融合能够实现优势互补,具有应用价值。点云与影像的配准是实现二者集成应用的基础,虽然经历了多年的发展仍存在许多问题有待解决。本文首先通过建立点云与影像配准问题的数学范式,将整个配准问题划分为观测值提取、配准模型选择和参数优化3部分,深入分析各部分所面临的难点与挑战;然后对现有的点云与影像配准方法进行回顾与总结,对比分析各类方法的优缺点及适用范围;最后展望了今后的发展方向进行了展望,为后续的研究提供参考。

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    遥感影像空间格局变异函数分析研究进展
    卫春阳, 徐丹丹, 董凯凯, 刘兆礼
    2017, 19 (4):  540-548.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00540
    摘要 ( 845 )   HTML ( 1 )   PDF(783KB) ( 415 )  

    随着多光谱传感器的广泛运用,利用地物光谱响应特征提取地表信息的技术日益成熟,但是由于地表状况的复杂性和光谱响应的局限性,光谱方法在指示平均大小、空间异向性、空间分布、空间异质性等格局信息方面存在不足,因此挖掘遥感影像的空间格局特征日益受到研究者的重视。已有研究发现,变异参数与地表场景参数存在一定的对应关系,通过变异参数可以实现地表场景参数的提取,因此变异函数分析方法被广泛应用于真实遥感影像格局分析中,具体包括平均尺度提取、周期性格局探测、空间异质性表征与空间异向性描述等地表格局参数量化方面、最佳尺度选择与影像纹理分析等遥感影像信息提取方面。尽管变异函数分析方法在上述应用领域中都发挥了重要作用,但是当前利用变异函数进行遥感影像空间格局分析大多局限于定性描述层面,缺乏精确化的量化描述与分析,限制了变异函数分析方法应用的进一步拓展,究其原因在于对遥感影像格局变异函数分析的内在机制缺乏深入了解。本文回顾了近20年来变异函数分析方法在遥感格局分析领域的主要应用,并对该方法本身的优势和存在的不足进行了总结,可为变异函数这一工具在遥感影像格局分析方面的有效应用提供参考。

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    基于NDVI阈值法的森林冰冻受灾范围精确提取
    王学成, 杨飞, 高星, 李丽
    2017, 19 (4):  549-558.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00549
    摘要 ( 727 )   HTML ( 0 )   PDF(1895KB) ( 432 )  

    快速提取森林冰雪受灾范围,有利于准确掌握森林受灾情况,为此类灾害性气候事件防灾减灾、森林资源管理和生态保护提供科学依据。本文利用2001-2007年NDVI数据,提取灾前植被NDVI参考值和正常波动范围,结合2008年NDVI数据提取冰雪冻灾范围。该方法弥补了基于单一时相的传统方法(NDVI差值法)忽略植被指数正常波动的问题,分像元提取植被NDVI正常波动范围,使提取结果更加客观合理。与传统方法提取结果对比,省级尺度的验证结果相同(即森林受灾率均为34.72%,而实地调查森林受灾率35.3%),但2种方法在县市行政单元提取的森林受灾率相差较大。NDVI阈值法提取的森林冰雪受灾范围主要分布于湖南省南部地区,北部地区分布相对较少,而传统方法提取结果主要分布于湖南省北部地区,南部地区分布相对较少。根据实地考察资料显示,相比于传统方法,NDVI阈值法提取结果与实际森林冰雪冻灾空间分布信息更接近,精度更高,更适合于区域大尺度提取森林冰雪受灾范围。

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    江西省都昌县山地与平原植被界线提取
    齐文娟, 杨晓梅
    2017, 19 (4):  559-569.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.00559
    摘要 ( 821 )   HTML ( 1 )   PDF(2115KB) ( 366 )  

    由于生长环境、地带性分布规律和垂直差异,山地与平原地区的不同植被类型在遥感影像上存在“同物异谱”及“异物同谱”现象,易导致土地类型的误分。为避免此类错分,在进行土地覆被类型解译之前,应首先确定平原、山地植被的边界。本文在遥感影像聚类分析、GIS空间分析及数理统计分析技术的支持下,以江西省都昌县北部地区为研究区域,基于高分一号(GF-1)遥感卫星影像及地形要素,完成了山地植被与平原植被的界线提取。实验结果显示,本研究得到的植被界线精度高达99.47%和96.28%。与单纯基于遥感影像分类得到的植被边界成果相比,精度提高了近25%和23%。研究证明,高分辨率遥感影像与地形因子结合后,计算得到的山地平原划分界线精度有明显提高,可以满足高分辨率遥感影像土地覆被类型解译研究的需要。

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    越南下龙市不同时期土地利用变化特征
    胡文秋, 苏奋振, 王武霞, 冯雪
    2017, 19 (4):  570-579.  doi: 10.3724/SP.J.1047.2017.0570
    摘要 ( 601 )   HTML ( 0 )   PDF(1107KB) ( 321 )  

    在RS与GIS技术支持下,采用人机交互影像解译方法获取了1973、1988、2003和2014年4期土地利用数据,对越南建国到革新开放、革新开放至施行社会主义市场经济以及社会主义市场经济体制改革至今3个不同发展时期下龙市土地利用方式进行了定量研究,并从土地利用变化速度、程度及转移方向3个方面分析了过去40年该区域土地利用格局及时空变化特征。结果表明:① 建国至今下龙市林地占比缩减了26.3 %,城镇用地与工矿仓储二者占比扩大了4.3倍,耕地和红树林仅占下龙市总面积的3.6%和1.3%,同时养殖用地占比为5.5%。② 建国初期至革新开放时期,下龙市土地利用变化主要是城镇用地和工矿仓储的增建,二者均上升4%左右,空间变化集中于鸿基区,林地减少8.1%,耕地减少3.2%,土地利用总格局未产生明显变化。③ 革新开放至施行社会主义市场经济时期,城镇用地和工矿仓储扩建程度分别为过去15年的3倍和2倍,鸿基和拜寨的城区建设逐渐趋于平衡,林地占比减至52.2%,新地类养殖用地出现,红树林锐减。土地利用空间格局呈现破碎化。④ 施行社会主义市场经济体制到至今,林地锐减至40.0%,土地利用格局由林地占主导地位变为人工地类占主导,耕地和养殖用地分布边缘化。

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