数据来源是数据可靠性评价的重要参考因素,是地理空间数据本体的重要研究内容。本文针对来源这一重要的地理空间数据研究对象,系统地分析了地理空间数据来源的涵义,建立了地理空间数据来源本体模型,在此基础上,提出了地理空间数据来源本体的概念体系和来源本体概念间关系及其属性的形式化表达方法,并构建出地理空间数据来源本体。最后,以“科技基础性工作专项”项目数据资料为例,基于来源本体库,利用RDF从来源角度实现数据的语义关联,通过web前端框架D3.js技术实现数据与其来源信息的可视化。结果表明,基于来源本体的数据关联可以有效解决数据来源信息描述不规范的问题以及能够支持地学数据语义检索、智能推荐等应用,为促进地学数据共享和数据关联应用提供了一种新方法和新思路。
参数优化方法是准确估计生态模型参数、降低其不确定性的有效手段。本文提出一种基于贝叶斯机器学习的No-U-Turn Sampler（NUTS）生态模型参数优化方法。NUTS是一种高效的参数优化方法,每次取样中利用递归算法生成候选参数集（二叉树）推断参数的后验信息,如果满足约束条件“非U型回转”,不断构建子树更新参数;否则,记录本次抽样的“最优”参数集,并开始下一次取样,直到获取足够样本。该算法在每次取样中充分优化参数,避免因随机游走行为产生冗余抽样,提高了参数优化效率。本文以千烟洲亚热带人工针叶林碳通量模拟为例,基于Pymc3框架利用NUTS参数优化方法实现了碳通量（Net Ecosystem Exchange,NEE）模型参数反演,并与Metropolis-Hastings（MH）方法进行对比。结果表明,本文算法的参数值达到稳定波动时的抽样次数减少了85%左右,参数优化效率提升3倍左右。参数优化后,2种NEE模型中7个参数不确定性降低10%~53%。此外,NEE模拟效果明显提升,模拟值与实测值的R2分别提高23%和17%,RMSE分别降低3%和4%。综上所述,本文提出的参数优化方法对生态领域的参数估计或数据同化工作具有一定的借鉴意义。
城市交通拥堵问题已经成为当今世界许多城市发展过程中面临的一个严峻问题。针对这一问题,全空间信息系统通过对复杂、动态的交通拥堵过程进行多粒度抽象、多尺度建模和多层次综合分析,为解决城市交通拥堵提供了新的途径。当城市交通发生严重堵塞时,通常伴随着“道路拥堵”预警信息传播,用以影响人类的出行活动,从而在一定程度上影响交通拥堵传播。为了深入分析城市交通网络拥堵的动态演进过程,本文建立了交通拥堵传播的改进易感-感染-易感（susceptible-in fected-susceptible,SIS）的病毒传播模型,利用状态转移概率方法,基于多层复杂网络分析交通拥堵和预警信息交互传播的动力学行为特征,揭示预警信息传播对交通拥堵传播的影响。该方法不仅能够描述基于交通流传播特点的拥堵传播过程,而且能够描述交通网络中的预警信息传播过程。数字仿真实验表明,交通拥堵的传播过程与交通网络中的预警信息传播动力学之间存在关联关系。
随着汽车拥有量的持续高速增长,城市停车问题日益严重。开展城市停车位与停车潜力估算,对政府部门制定停车规划,缓解停车矛盾具有重要意义。目前统计数据汇总及实地调查框架下的停车位与停车潜力调查方法,难以及时、全面地反映城市停车设施供应情况。为此,在GIS技术支持下,结合地理国情监测数据,以及交通、测绘等部门专题数据和高分辨率航空遥感影像,提出了一种估算城市停车位和停车潜力的方法。该方法首先利用地理国情监测数据提取地面停车场以及居住小区、机关企事业单位内部的道路和硬化地表;然后,根据停车场形状指数构建地面停车位估算模型,并结合配建停车位调查数据实现停车位的整体估算;最后,基于道路宽度条件,定义路边停车潜力估算模型,并结合形状指数设计硬化地表停车潜力估算方法。以武汉市主城区为研究案例区,估算并评价了停车位的实际和潜在供应能力,得出了基本车位缺口,并据此提出缓解停车矛盾的建议。实验结果显示,该方法对案例区内15个典型停车场的车位估算准确率都大于82.6%,具有较好的估算精度,适用于城市停车位与停车潜力估算。本研究成果可为合理使用地理国情监测数据进行城市停车资源估算和规划提供有效方法和科学依据。
精确掌握常住人口的数量和分布特征有助于明确社会发展情况、提高人口管理能力。目前人口数据主要以行政区为单元统计,难以表现城市内部的人口分布特征。然而,在城市中,受道路、公共服务设施、城市亮化灯光的影响,利用夜间灯光数据对人口回归,精度降低。如何提高城市常住人口回归结果的精度,值得深入研究。上海是中国的国家中心城市之一,在快速城镇化进程中上海面临巨大人口压力。因此,本文以上海市为研究区,以NPP-VIIRS (National Polar-orbiting Partnership Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)夜间灯光数据、乡镇级常住人口统计数据为基础,提取商业和居住区的灯光数据来缓解交通、城市亮化区的影响,提高灯光累计值与常住人口数的相关性（相关系数从0.7032提高至0.8026）。然后,本文用空间回归模型对上海市2013年常住人口进行回归,相对误差为10.57%,并对回归结果进行分乡（镇、街道）修正。实验结果表明,使用空间回归模型对常住人口回归可以取得较高的精度,且格网化结果能够弥补传统统计数据空间分辨率低的缺点,更加详细地刻画常住人口的圈层特征与真实分布情况。
已有计算机辅助划界方法难以充分维护单方资源利益且效率不够理想,本文基于利益密度及区域完整性视角提出一种邻域扩展法辅助的陆地争议区划界方法。首先,利用六角格构建争议区环境模型,计算并处理六角格的利益密度;其次,以利益密度及区域完整性为导向,利用邻域扩展法对争议区进行初始划分;再次,通过扩展单源六角格最优路径算法求解通往飞地的最佳路径,并基于一定原则对飞地归属进行再次划分;最后,辅以邻域扩展法对争议区进行精确分割。采用模拟数据、不同格网尺寸及不同面积比例进行实验,结果表明本文方法具有如下特点：① 能够对双方既定的必争区域及不可穿越区域进行正确划分;② 能够依双方约定面积比例对争议区进行快速精确分割;③ 能够充分维护单方资源利益优势,验证了本文方法的有效性及可靠性。
近年来,中国城市暴雨内涝频繁发生,已经发展成为一类严重的“城市病”。城市不透水面密度及其空间格局是形成暴雨内涝的一个重要影响因素。本文提出一种耦合蚁群算法和SCS-CN水文模型优化不透水面空间格局的方法,从而实现通过增加地面雨水渗透量达到减缓城市内涝发生的目的。首先应用Williams公式计算基于坡度修正的CN值,在此基础上计算地表径流量;然后设定径流系数最小化目标,耦合水文模型和蚁群算法对径流小区尺度的不透水面空间格局进行优化配置;最后应用景观格局指数对不透水面空间格局进行分析。研究结果表明：面对1年、5年、10年、20年、50年以及100年一遇重现期的1 h持续降雨事件,研究区优化后的不透水面空间格局可以分别减少径流系数21.19%、19.58%、19.38%、18.93%、18.41%和17.25%,在一定程度上缓解城市暴雨内涝的发生。在此基础上,提出面向暴雨内涝防治的城市更新优化措施建议：① 通过增加草地、花园、树木等植被绿化减少高不透水面类型的面积,并划分成更多中高不透水面类型的斑块;② 集聚低、中低等不透水面类型,从而加大连通性,形成更多的中高不透水面类型;③ 增加每个径流小区内斑块数量,增大斑块密度,减少其蔓延度和聚集度。
城市边缘区研究的首要任务是对城市边缘区进行空间识别和边界划分。针对现有研究存在的指标选取过于单一或繁杂、水陆分离导致划分间断等问题,利用西安市SPOT-5、Landsat TM遥感影像和社会统计数据,分别从物理、景观、人口3个视角出发,选定不透水面盖度与景观絮乱度作为主要判别指标,人口密度作为辅助指标,构建城市边缘区识别指标体系。运用信息熵法和突变检测法,量化并可视化西安市城市边缘区的空间范围。结果表明：① 所选取指标沿着城乡梯度表现出独特的空间信息,根据指标的城乡空间异质性特征可以识别出城市边缘区的空间范围,且方法更科学,界定结果更精确。② 西安市呈现出明显的城市核心区、城市边缘区、农村腹地的圈层结构特征。道路牵引与政策调控对城市边缘区的空间分布有重要影响。本研究可为城市边缘区其他相关研究提供科学参考和依据。
海岸线对海平面上升、海岸侵蚀、港湾淤积、湿地生态资源、近海海域环境等具有重要的指示作用。利用遥感和GIS技术获取了珠江河口区1973-2015年8期海岸线数据,分析了海岸线长度、类型、空间位置的时空演化特征,提出岸线利用程度指数并定量分析人类活动对岸线的影响,最后对海岸线变化驱动力进行了探讨。结果表明：① 珠江河口区海岸线长度总体持续增加,岸线变化强度具有阶段性,1990年以前变化缓慢,1990-2000年为变化高峰期,2000年后变化强度减弱;② 1973-1990年珠江河口区以自然岸线为主,之后人工岸线成为主导岸线类型,建设围堤岸线1973年占总长度的7.09%,2015年所占比例增加到46.49%,在所有岸线类型中变化最大、比例最高;③ 研究期内,珠江河口区海岸线以向海域推进为主,年均速率达到39.10 m/a,鸡啼门-虎跳门段、磨刀门-鸡啼门段和蕉门-洪奇门段为向海延伸的热点区域;④ 40年来岸线利用程度指数稳定上升,1995年前增速较快,之后相对平缓。伶仃洋东岸岸线利用程度增幅最大;⑤ 口门整治、开发建设和围海养殖等人为活动是珠江口海岸线发生变化的主要原因,自然环境条件、人口和经济的增长以及政策因素是岸线演变的重要驱动力。
图像镶嵌是遥感图像处理中的重要内容,在跨区域遥感图像分析中发挥重要作用。为了解决传统遥感图像并行算法中存在的计算节点利用率低、频繁数据I/O等问题,本文根据Spark分布式内存计算框架,充分利用Spark利于迭代数据处理的优势,提出了一种基于Spark自定义RDD（弹性分布式数据集）的并行镶嵌方法。该方法首先在集群的多个节点上通过相位相关法执行图像重叠区域估计操作,从而提高了图像重叠区域估计的多节点并行计算;然后,通过重写Spark中RDD的compute和getPartitions方法,自定义针对遥感图像处理的RDD,并将图像镶嵌中的重叠区域估计、图像配准和图像融合3个关键步骤作为自定义RDD的Transformation类型的操作算子;最后,通过隐式转换创建自定义RDD,并调用自定义RDD的操作算子实现图像镶嵌的并行处理。实验结果表明,与传统基于MPI的并行镶嵌算法相比,该方法在保证图像镶嵌效果的基础上,能够有效提高大数据量的图像镶嵌效率。
断点检测技术能够提取时间序列数据中发生变化的信息,对时序变化特征的研究和分析具有重要意义。在植被变化研究中,它有助于发掘时序植被参数数据中潜在的连续变化信息（如火烧、砍伐和病虫害等）,具有较广阔的应用前景。本文以2000-2015年空间分辨率为250 m的福建省长汀县MODIS NDVI遥感时序产品计算的植被覆盖度（Vegetation Fractional Coverage, VFC）为数据源,利用DBEST（Detecting Breakpoints and Estimating Segments in Trend）模型开展植被变化断点检测与分析,并讨论了模型参数对实验结果的影响。经研究发现,使用DBEST推荐的第一、第二水平变化阈值（即θ1、θ2分别为0.1和0.2）可较好地界定植被覆盖度的变化级别;变化持续时长φ可根据所用时序数据的类型和当地植被变化特点进行调整,表示断点变化级别的阈值β也可根据研究目标自定义;本文φ取3,β取0.2,实验得到断点位置和断点类型的精确度分别为92%和80%,表明DBEST模型能够很好地提取时间序列VFC数据中的重要变化信息,与当地实际情况比较吻合。
利用多源遥感数据提取不透水面信息是一个重要的研究方向。针对以往研究中多需要人工选取不透水面样本进行模型训练的问题,本文通过整合夜间灯光遥感与Landsat TM影像中的空间和光谱信息实现了不透水面覆盖范围（Impervious Surface Area,ISA）的自动提取。首先根据夜间灯光的分布来定位ISA聚集的城市区域的位置,分别在城市区域内部和外部自动提取可靠性高的ISA及非ISA样本,然后通过迭代分类提取城市区域的ISA,再以此为样本对城市区域外部进行分类,最后将分类结果整合完成整幅影像的ISA提取流程。应用本方法对美国雪城地区的DMSP/OLS夜间灯光影像上提取了84个城市区域,提取精度大于95%。从中分别选择高ISA密度和低ISA密度的2个城市区域作为ISA提取的测试区,本文方法在城市区域内的ISA提取总体精度与kappa系数分别为88.23%和0.63;在城市区域外部为78.6%和0.54,均优于人工样本选取方法的提取精度,表明该方法能够实现精度稳定且高效的ISA自动提取。
互花米草是中国东部河口滩涂湿地主要入侵物种之一,其与本地物种芦苇竞争生长,形成了大范围的混合交错带。该交错带是研究湿地生态系统动态变化的重要信息,但因2种物种光谱的相似性及其在交错带的组成复杂性,使利用遥感技术提取交错带难度较大。因此,本文提出了一种将二者生长物候差异与其光谱特征相结合,考虑二者海陆位置分布差异,运用实测剖面观测数据确定光谱指标和阈值的综合提取方法。运用高分一号多光谱遥感数据,通过分析不同时相互花米草与芦苇冠层光谱差异,确定用来提取混合交错带的高分遥感影像,实现了研究区互花米草-芦苇混合交错带的提取。结果表明：不同时相宜选用不同的提取指标,本研究中在春季选择了近红外波段反射率,而秋季则选择了红波段反射率;2个时相的混合交错带范围存在明显差异,客观反映了互花米草与芦苇在不同季节的竞争状况。
遥感红边指数与表征绿色植物生长状况的重要生化参数有密切的关系,是植被长势监测的重要因子。为寻找出最适用于城市草地生长状况监测的红边指数,本文基于Sentinel-2A数据,对比分析了不同红边指数在城市草地健康状况估算方面的差异。本文以福州市和厦门市的城市草地为例,在全面分析各种健康水平草地光谱响应特征差异的基础上,选取了6种与草地生化参数相关的红边指数,即红边位置REP、地面叶绿素指数MTCI、归一化差值红边指数NDRE1、新型倒红边叶绿素指数IRECI、红边叶绿素指数CIred-edge以及叶绿素吸收指数MCARI2,然后采用独立样本T检验及欧式距离对这6种红边指数在草地健康判别中的优劣进行了定量对比。结果表明：IRECI指数对草地健康状况最为敏感,该指数在不同健康等级草地的值域区间和均值都存在显著性差异,其判别总精度均大于85%;NDRE1和MCARI2指数次之,其他3个指数则难以判别草地的健康状况。因此,在基于Sentinel-2A影像的城市草地健康遥感判别中,推荐使用IRECI指数。
京津高铁是中国第一条高速运行的城际铁路,其安全运行对轨道的平顺性有着严格的要求。地面沉降,尤其是不均匀地面沉降会引起部分路基和桥梁变形,威胁着高速铁路的运营安全。合成孔径雷达干涉测量技术可以大范围监测地表形变,对高速铁路沿线地面沉降具有较好的监测能力。本文以45景高分辨率TerraSAR-X 数据为基础,采用 PS-InSAR技术监测京津高铁北京段沿线地面沉降,获取京津高铁北京段沿线地面沉降的分布信息,从动静载荷视角结合北京地区地下水、断裂带、地质条件和含水层系统介质等数据,综合分析高铁沿线不均匀地面沉降的原因,为京津高铁的安全运营提供技术支撑。研究结果表明：京津高铁北京段沿线地面沉降发展在空间上存在一定差异性,北京南站至十里河区间,年沉降速率小于10 mm/a; 至十八里店区间,年沉降速率在10~40 mm/a范围内浮动;过亦庄站至东石村以东区间,最大年沉降速率达到90 mm/a;至永隆村以西,年沉降有所缓解,往东至坨堤村,沉降较为稳定,年沉降速率小于10 mm/a。地下水超采是沿线区域地面沉降的主要因素,动静载荷共同作用下对地面沉降产生一定的影响,沿线地面沉降一定程度上受到南苑—通县断裂带和旧宫断裂带构造控制,沉降量较大的路段位于粘土层较厚的大兴迭隆起。
