在虚拟地理环境(VGE)建模过程中,由于地学领域分析对象普遍具有边界复杂、空间特征约束较多(包括点、线、面、内洞)等特点,并且地学分析和计算对网格质量要求较高,故而难以构建能够准确顾及地学对象复杂的特征约束且满足地学分析的高质量三维网格。针对这一问题,本文提出了一种约束型Delaunay四面体网格离散算法,即首先将复杂地学对象及其各种特征约束表示为分段连续线性组合物(Piecewise Linear Complexes,PLC)中的一系列约束点、约束线段和约束面,然后利用PLC中的点集进行Delaunay四面体初始剖分,在网格离散过程中通过添加额外的节点,逐一恢复丢失的约束线段和约束面,利用限定网格单元最大半径边长比(或体积)来控制网格质量。利用该算法可以产生既满足各种特征约束条件又具有高质量的四面体网格。
山体基面高度的差异影响山体自身对其水热条件的再分配,进而影响山地垂直带谱的结构和分布,是决定垂直带分布高度的重要因子之一。目前,山体基面高度还没有一个准确科学的定义,也缺乏一个有效的数字化、定量化提取方法。本文以台湾岛为例,使用30m分辨率的ASTER GDEM数据,提出了一种提取山体基面高度的方法。首先,以地形特征与水文特征提取方法获得主山脊线与主山谷线,然后,以地形地貌单元自动提取方法获得山体轮廓界线,再依据提取出的主山脊线、山体轮廓界线及主山谷线,划分山体基面高度分区,依据山体基面分布特征确定各分区的基面高度值,将台湾山地划分出6个不同的山体基面高度(0m、150m、 200m、 600m、630m和650m)。该方法为大范围山体基面高度的快速、准确提取,以及山体效应定量化研究提供了重要的技术支撑。
为估算树木在不同生长环境下的生长量及评价树木与环境之间的相互关系,本文以幼龄杉木为对象,从个体尺度上,根据形态结构生长发育规律,定义了幼龄杉木生长的基本单元,耦合用于表达树木形态发育的L-系统和生理生态模型,形成了L-系统的杉木结构-功能模型。在LSTree软件基础上,集成光合作用、生物量分配等模型,扩展了冠层光合有效辐射(PAR)的空间分布模拟,计算每个叶片上分布的PAR值,为光合作用模型提供核心参数。以福州3-4年生杉木的生长盛期为例,计算不同时刻净光合速率,从而计算各生长阶段的生物量,再把生物量分配到各器官。在生物量驱动下,树木形态结构发生变化,通过迭代,实现生物量驱动下的树木动态生长模拟。净光合速率估算结果与已有相关研究对比,比较合理。这种方法可定量分析、解释植物与环境之间关系。
景观感知对旅游地规划设计具有基础性作用,但人文旅游地内部的景观感知空间分异至今没有微观尺度上的研究方法出现。本文提出了景观视角分组基础上的景观语义特征点抽象方法,并建立了单文化景观和多文化景观语义感知度计算模型,以解决人文类型旅游地内部景观感知的强度空间分异计算问题。利用数字高程模型,在清西陵旅游地实现了文化景观语义感知度的实证研究:以中国传统的皇家陵寝选址文化及其表征的封建等级体系为语义准则,提取了4个代表性陵墓文化景观不同景观视角下的78个特征点,并赋予不同景观视角及每个特征点相应权重系数;利用视域分析、叠置分析等方法计算得到旅游地景观文化感知度;尝试利用感知度计算结果对现有观光线路进行观景点语义挖掘并设计了优化方案。论文为人文地理学景观感知定量化表达提供了思路,为旅游地规划、景观与线路设计等提供了技术途径。
随着地理数据深度、广度和复杂度的不断增加,如何集成这些在结构、语法及语义上高度异质性的需求越来越迫切。尽管XML在一定程度上解决了结构异质性问题,OGC标准规范解决了语法异质性问题,但语义异质性问题仍然成为分布式环境下地理空间数据集成与互操作的最大障碍。本文提出了一种基于本体的网络地理空间数据集成方法:以本体思想对数据进行语义组织;结合OGC网络服务标准规范对数据进行服务语义发布;利用支持双向映射的混合本体模式来解决全局本体与各应用本体之间的冲突,实现数据的语义集成。通过海洋海岸带土地利用数据集成试验表明,本文方法不仅能够克服数据间语义异质性问题,并在很大程度上屏蔽了数据底层集成的复杂环节,使得数据集成过程简单、高效。
全球及中国周边地区资源环境科学数据是支撑包括全球变化在内的资源环境前沿科学研究,以及我国宏观决策制定重要的基础性支撑数据,对于保障国家安全具有重要意义。针对现阶段尚无一套完整的、标准化的全球及中国周边地区资源环境科学数据库的现状,结合中国科学院 "资源环境科学数据库建设与决策支持研究"实践工作,本文构建了包括3大体系在内的全球及中国周边地区资源环境科学数据库的基本框架,即资源环境科学数据库标准规范体系结构、全球资源环境科学数据库系统、中国周边资源环境科学数据库系统。其中,资源环境科学数据库标准规范体系结构,包括3个大类共计22类标准规范;全球资源环境科学数据库系统包括2大类、13亚类、35个小类的数据库;中国周边地区资源环境科学数据库由东北亚、东南亚、南亚和中亚4个区域共计23小类数据库构成,以期为后续相关大尺度资源环境科学数据库的构建提供探索性的借鉴。今后将进一步完善全球及中国周边地区资源环境科学数据库构建工作的深化与拓展研究。
与站点统计降尺度插值和动力降尺度相比,高精度曲面建模(HASM)降尺度,具有不需大尺度预报因子,直接从GCM结果构建区域上高空间分辨率的未来气候模拟曲面的优势。HASM降尺度将未来气候,分为历史观测拟合的气候基准值和GCM未来气候变化值进行模拟,精度明显高于传统方法,但常系数全局拟合的气候基准值忽略了降水分布的空间非平稳性,导致降水模拟受到较大影响。为增强降水降尺度的气候背景值的描述能力,通过分析全国尺度降水的非线性非平稳性特点,提出耦合空间变系数气候基准值的HASM空间变系数降尺度模型(HASM-SVDM)以改进HASM对非平稳要素的降尺度能力,并以1961-2010年全国气温降水观测数据结合地形特征信息,利用HASM降尺度方法对HadCM3的A1Fi、A2a和B2a 3种情景的1961-1990、2010-2039、2040-2069和2070-2099时段的全国未来气温与降水进行降尺度模拟。分析表明,耦合全局线性模型的HASM常系数降尺度模型适合全国气温的降尺度模拟,而耦合空间变系数拟合的HASM-SVDM增强了空间非平稳背景值的描述能力,模拟的空间分布更能体现降水总体的非均匀分布趋势,适合全国降水的降尺度模拟。
本文利用近30年热带气旋年鉴建立了西北太平洋热带气旋灾害数据库,以.NET和ArcGIS Engine搭建了二次开发平台(其包括登录界面、图查属性、 属性查图、数据库分析处理等功能),分析了西北太平洋热带气旋的时间特征、空间特征,以及时空变化特征。结果表明,30年来西北太平洋共生成905次热带气旋,年均30.2次/年。其中,7-10月最容易发生热带气旋,占所有热带气旋的35.7%,8月份达到峰值,达21.5%,2月最不容易发生热带气旋,发生频率仅为0.6%,而8-10月是强台风和超强台风发生的月份。热带气旋源地集中区位于(10°~22°N,112°~120°E)、(8°~20°N,126°~134°E)和(6°~20°N,136°~150°E),具有纬度带和经度带的分布特性。源地的空间分布存在明显的季节变化和月变化特征,在季节尺度上,夏季主要集中在偏北偏西位置,并向南向东偏移,冬季向北向西偏移;在月尺度上,1-4月源地相对分散;5-6月相对于1-4月的源地位置发生向西向北方向转移;7月向东向北扩散,8-9月向西扩散,9月源地相对集中,10月热带气旋源地南移, 11-12月热带气旋源地范围明显减小。
定量分析九乡河流域土地利用程度及其空间异质性,对确定该流域土地资源利用和保护方向、实现土地资源可持续利用具有重要意义。以2003和2009年2期遥感影像为基本信息,利用空间自相关以及半变异函数分析方法,探讨了2003-2009年九乡河流域土地利用程度的空间异质性特征,结果表明:流域土地利用程度的空间自相关表现出较强的正相关性,且与尺度密切相关,随着尺度的增大,空间自相关性逐渐下降;流域西北部的仙林大学城,以及北部的石埠桥一带土地利用程度的较高,南部的青龙山,中部的灵山及北部的西湖公园一带土地利用程度较低。从2003-2009年,九乡河流域的土地利用程度以较强土地利用程度为主,占流域面积的40%左右;受城市化过程的影响,流域土地利用程度的空间异质性发生了较明显的变化,流域土地利用程度呈现出向强和弱两极转化的趋势,6年间分布面积分别增加1.13%、4.27%;其中,仙林大学城一带的土地利用程度增强,且分布范围快速扩张,而九乡河源头、下游的沿岸及西湖公园一带的土地利用程度有所降低。
本文以重庆市主城区为例,通过GIS构建城市用地变化模型对重庆市城市用地20年来的时空演变规律进行了分析,分别对其城市用地利用程度、城市用地多样性和城市用地重心变化进行了评价,并考虑人口和海拔因素,讨论了重庆市城市用地发展的主要特点。结果表明:(1)重庆市主城区城市用地中耕地面积最多,其次是林地,城市景观所占比例较轻。2000-2007年城市用地变化速率最强,耕地先增后减,林地先减后增,建设用地、水体和草地持续增加。(2)城市用地类型间转化关系反映区域内相应人为活动:1986-1995年,研究区有较多的毁林造田、毁草造田等农业开垦活动,城市化进程缓慢;1995-2000年,毁林造田、毁草造田等活动减轻,城市化扩张加快;2000-2007年,研究区的城市化进程剧烈。三峡工程蓄水对区域用地影响明显,淹没低海拔的部分地类。研究区的退耕还林、退耕还草等森林工程效果显著。(3)1986-2007年,耕地和林地重心迁移规律相反,二者关系紧密。未来的城市建设用地的重心偏向于北部的"两江新区"。城市用地利用程度逐渐加剧,北部土地利用程度更剧烈。城市用地类型多样化程度增加,城市用地类型多样化分布表现为东低西高,建设用地对区域城市用地类多样化影响显著。(4)城市用地变化受城镇人口和海拔影响明显,城镇人口的增加,加剧了城市 用地利用程度和结构的多样化;重庆主城区受地势影响明显,城市用地变化集中在低海拔的槽地和平坝区,导致研究区形成多个城市核心,呈"汤圆"散状分布。
目前,图像获取设备及方式呈现多样化趋势,获取的图像数量、重叠度等不完全具备传统摄影测量方法应用的需求。若要获取图像中包含的丰富场景几何信息,就需要发展依赖图像刻画内容的相机自标定方法,建立起图像与现实场景之间的桥梁。故此,本文提出了利用单幅图像中几何约束条件的相机自标定方法,并顾及多个几何特征约束,根据方差合理地为其设定不同的权重,以提高相机的标定精度。本文总结了现有现实场景中几何特征及可由其求解而得的相应不变量,以及几何特征对相机内参的约束关系。在对图像刻画场景中多个平面及几何特征进行编码的基础上,利用不同组合的几何约束条件求解相机内参,根据多次提取每一种几何特征组合求解内参的方差确定本次计算内参所占权重,综合每一组几何特征所确定的内参及其权重综合计算最终的相机内参值,从而实现多几何约束相机自标定方法。通过室内外场景验证测试,结果证明,本方法具有可用性、便捷性和较好的鲁棒性。
土壤水分是一个重要生态参量,以被动微波反演土壤水分,不受天气影响,且其算法成熟。但是星载被动微波数据的空间分辨率较低,可适合大区域尺度研究。本文将1km分辨率光学数据MODIS和25km分辨率被动微波数据AMSR-E2级土壤湿度产品结合,利用NDVI-Ts特征空间,去除植被影响,结合前人提出的裸土蒸散模型,将研究区被动微波土壤湿度数据分解,得到1km分辨率土壤体积含水量。将其反演结果与1km温度植被干旱指数(TVDI)进 行趋势和数值比较,其相关性达到0.569。同时,利用实测样点的土壤重量含水量,与得到的1km分辨率土壤体积含水量数据进行比较,其增减趋势一致,结果具有可信度。但对定量结果尚需进一步验证和提高。
为了获取城市尺度组分温度,实现城市水热平衡的高精度反演,探索了一种多波段热红外遥感影像的城市尺度组分温度反演算法。算法选取了植被、土壤和不透水表面等3种组分,并且针对ASTER数据,利用线性混合像元分解方法获取像元平均比辐射率,以MODIS近红外数据估算大气水汽含量和大气透过率,采用牛顿迭代法获取大气平均温度,并用最小二乘原理获取地表组分温度。最后,应用长沙市区的实验影像进行了实验研究,通过纯净像元上组分温度反演结果与分裂窗算法反演结果的对比分析,以及组分温度反演结果与实测数据的对比分析,对算法的精度进行了验证,结果表明:(1)纯净像元上,组分温度反演结果与分裂窗算法反演结果具有较好的相关性,植被组分相关性最高,达0.9796,2种结果平均绝对偏差值为0.36℃;(2)组分温度反演结果与实测组分温度绝对偏差范围为0.2~1.4℃,植被组分温度与实测值偏差相对较小,不透水表面组分温度与实测值偏差相对最大。
本文以地震极重灾区2006、2008和2011年3期Landsat TM遥感影像为数据源,利用GIS提取灾区土地利用信息,结合坡度和高程等地形因子对灾区主要生态系统面积的变化进行综合分析。结果表明:2008年地震对灾区生态环境造成严重破坏,使研究区农田、森林和草地生态系统分别减少了124.6km2、461.6km2和92.3km2,其中,农田在北川、青川和平武的面积减少量最大,汶川森林面积减少了285.5km2;各生态系统在不同的高程和坡度下受地震影响程度存在很大差异;至2011年,灾区受损生态环境受自然演替和人工修复干扰影响,农田、森林和草地生态系统有所恢复,面积分别增加了82.8km2、58.3km2和174.9km2,其中,草地面积增加量超过受地震破坏损失量,但灾区生态系统整体恢复效果不理想,还需要采取进一步的生态恢复措施。
