本文在分析信息技术的发展趋势和GIS的发展模式的基础上，提出了地理控制（GeoControl）的概念。地理控制是GIS与众多技术集成和融合的结果，是在地理空间信息支持下，根据地理环境的动态特征对主体或客体施加影响，调节和控制主体或客体的运动与状态变化的过程；是以地理系统为目标，充分考虑地理空间维度要素的一项复杂系统控制技术。地理控制已在无人飞机的飞行控制和自动驾驶汽车技术中成功应用，对于智慧城市、智能机器、智能交通和物联网的发展具有重要意义。地理控制是地理信息技术发展的重要阶段，是地理信息技术社会功能和角色的再一次提升。本文还介绍了莱斯驰所提出的实况地理学（Live Geography）方法，实况地理学是传感器网络与GIS的集成与融合的产物。实况地理学实现了地理环境数据的实时采集、处理、分析与应用，也是地理控制动态数据获取的重要手段。实况地理学与地理控制改变了许多传统地理学应用模式，将给GIS带来广泛的影响。
栅格计算因其具有简单的构架成为目前地学分析的主流模型，然而，由于栅格计算平均分配计算和存储资源的弱点，不仅容易产生冗余，更重要的是难以凸显研究对象的突变部分，从而使研究者有可能忽略地学现象的变化特征。为此，本文提出将时空点过程模型应用于地学研究。时空点过程不仅适用于模拟以点事件为基本单元的地学现象，而且由于大多数地学过程可以转化为时空点过程，故其具有更广泛的应用范围。因此，时空点过程不仅是一种数据模型，同时也是地学问题的分析方法，更是观察和理解地学问题的一种新视角。为了实现从点过程数据中提取模式，作者经过多年研究提出了时空点过程层次分解理论框架，该理论与信号处理理论中的谱分析思路类似，首先，假设任意点集为有限多个均匀点过程的叠加，然后，通过点局部密度表达工具K阶邻近距离，将空间点转换为混合概率密度函数，再应用优化方法将混合密度函数进行分解得到丛集点和噪声，最终利用密度相连原理从丛集点中提取模式。该理论框架可适用于绝大多数点集数据，初步实现了点集数据的“傅里叶变换”。
近30年来，随着公安部门犯罪防控需求的增加，中国犯罪地理学正处于新的发展机遇期。为了能较客观、全面地把握我国犯罪地理学的研究现状与动态，本文从中国知网、万方和维普3大电子资源数据库中筛选出与犯罪地理研究主题相关的期刊论文，以此为样本，对研究内容与研究实力等情况进行统计分析。结果表明，自1980s中期以来，中国犯罪地理学在论文数量、研究方法、实证区域、研究机构与核心作者等方面都日益增多，已经在城市犯罪地理、警用地理信息系统、规划设计预防犯罪、情境犯罪预防等4个主要研究方向出现了导向作用明显的核心作者，呈现出良好的发展态势。进入21世纪后，新的发展机遇在促进犯罪地理学论文数量与研究实力快速增加的同时，也导致了案例研究、量化研究的所占比重显著减少，研究区域的空间范围也大幅收敛，集中在长三角、京津、珠三角地区。新的研究阵营不断涌现，核心作者比重不断下降，犯罪地理学进入了研究阵营争鸣角力的重构期。未来我国犯罪地理学的发展任重而道远，不仅亟需完善相关的理论体系、加强国内的案例实证，而且还需注意研究规范的统一、核心作者群的代际更替等诸多问题。
全球变化科学领域面临着体量巨大、增量迅速、种类繁多的观测数据和模拟数据的挑战，亟需新的研究思路和技术手段，实现数据的有效管理和分析，提高科学发现的效率。本文建议围绕科学数据、科研过程、学科交叉和国际国内合作4条主线开展全球变化科学领域的信息基础设施研究。该项研究需要理解该领域不同学科方向的科学数据，挖掘它们在概念、空间、时间、量纲、格式、编码等方面的联系，建立统一的数据概念模型；需要分析该领域不同学科方向的研究全过程，分析不同过程、阶段之间的共性，建立统一的研究过程模型；需要在“数据-方法-模型-系统-标准”5个层面开展学科之间的共享和集成，建立统一的数据逻辑模型和物理模型、方法库、模型库、集成系统和标准体系；需要发展国际国内的合作伙伴，践行开放共享的共建方案。本文最后概要介绍了这一理念的GlobalChangeOne研究项目的总体设计，以及在遥感科学、生态科学、大气科学、地球系统模式、计算地球系统科学等学科方向的具体研究进展。该项研究有助于促进全球变化科学领域多学科间的交叉研究，有助于提高该领域的科学研究工作的效率，有助于建成全球变化与可持续发展研究全球共享的一体化基础平台。
为了揭示丘陵地区海拔高程和坡度的尺度效应特征，本文以丘陵地区遂宁市船山区为试验区，以1∶1万比例尺的矢量数据生成多尺度DEM及相应的坡度数据。通过比较不同尺度下的高程频率和坡度频率分布，揭示出丘陵地区高程和坡度的尺度效应特征和规律。提出了用于测定尺度转换精度损失的标准频率差的概念，揭示了高程误差和坡度误差分别与尺度在0.01水平上存在着显著正相关关系，并对其进行了拟合建模，其模型分别为：y=-0.0004 x2+0.0058x-0.0042和y=-0.0001 x2+0.0032x-0.0025，模型均在0.01的水平上显著。该研究对丘陵地区地形分析中最佳尺度的选取具有重要意义，对丘陵地区土地的精细利用决策也具有重要意义。
近地表气温是影响陆表过程的一项重要因素，中高分辨率的栅格化气温数据是生态环境、水文、水循环等模拟和分析的重要参数，获得准确和较高空间分辨率的栅格化气温数据对更好地理解陆地表面过程和全球变化等有非常重要的意义。本文提出一种基于气温与地形、植被等环境因子，以及地理位置的统计降尺度方法，以回归树模型建立气温与NDVI、DEM及地理位置之间的定量关系，将NCEP/NCAR近地表气温数据降尺度到公里级分辨率，并利用该方法得到2000年1月至2010年12月全国陆地范围1km分辨率逐月月平均气温数据。最后，采用全国380个气象站点的观测数据对结果进行对比分析，结果表明：该方法得到的气温数据可以有效地反映全国陆地范围气温空间分布特点和月际变化趋势，验证结果的R2范围在0.861-0.95之间，RMSE范围在1.88~2.68℃之间。
排放情景下未来气候变化和土地利用变化及其水文响应是流域管理十分关心的问题。本文通过耦合土地利用/覆被变化模型Dyna-CLUE和水文模型SWAT，选择政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布的两个温室气体排放情景（A1B和B1），对黑河流域中上游土地利用变化及水文响应进行情景分析。模型校准和验证结果表明，Dyna-CLUE和SWAT的模拟精度均比较满意。土地利用变化情景分析表明，不同排放情景下未来黑河流域中上游土地利用变化幅度均不大，同一情景下土地利用变化在中上游表现出各自的特点。水文响应多情景分析表明，不考虑土地利用变化，相对于参考情景即以1990-2009年历史数据模拟结果，高排放A1B情景下黑河流域上游和中游2011-2030年年平均河川径流分别呈微弱减少和明显增加的趋势，而低排放B1情景下分别呈明显减少和微弱减少的趋势。同一情景下，水文响应具有明显的区域差异性。考虑土地利用变化，高排放A1B情景下黑河流域上游和中游2011-2030年年平均河川径流分别小于和大于不考虑土地利用变化的情况，低排放B1情景下均小于不考虑土地利用变化的情况。分析表明，排放情景下气候变化和土地利用变化导致流域水文水资源的变化，而土地利用变化可能加剧或削弱气候变化导致的水文响应。
为了抑制采样点中粗差对DEM构建精度影响，本文以较高精度的多面函数（MQ）为基函数，发展了一种MQ迭代加权抗差算法（MQ-R）。MQ-R以传统MQ计算结果为初始值，以MQ函数模拟值与对应采样点的差值确定采样点权重，以加权MQ优化初始值，重复迭代直至收敛。以数值模拟曲面为研究对象，本文比较并分析了采样误差服从正态分布、被污染的正态分布，以及Cauchy分布时MQ-R与MQ模拟结果精度。数值分析表明，当采样误差服从正态分布时，MQ-R计算精度和传统MQ相当；随着污染率的提高，MQ计算精度急剧降低，而MQ-R计算结果受粗差影响较小；当采样误差来源于C（0，1）分布时，MQ计算结果完全失真，而MQ-R可在一定程度上抑制粗差影响。总之，相比于传统MQ算法，MQ-R不仅具有较高的计算效率，而且有较高的抗差性。
城市化区域多设施空间优化建模是一项实用的关键技术，可为城市公共资源均衡优化配置和空间决策提供支持。本文提出了网络Voronoi图启发的多设施选址粒子群空间优化建模方法，分别给出了基于常规Voronoi图启发的p-中值选址模型和最大覆盖选址模型，以及基于网络Voronoi面启发的p-中值选址模型和最大覆盖选址模型。模型采用Voronoi图定量提取设施功能覆盖和服务范围内的需求，并通过最小化重叠覆盖启发空间优化最大化覆盖分布的需求。p-中值选址模型考虑了需求随路径距离衰减的因素，最大覆盖选址模型顾及了设施对最大覆盖半径范围以内需求的完全覆盖，以及对以外区域的部分衰减覆盖。在空间优化粒子群算法中融入遗传进化机制和常规Voronoi图模拟的粒子动态邻域结构，提高了算法的全局搜索和优化性能。通过对实验区多设施进行的p-中值选址空间优化实验和最大覆盖选址空间优化实验，验证了本文提出的模型、方法和算法的有效性，可应用于城市化区域的空间优化决策支持。
Fuzzy c-means聚类常采用普通欧式距离进行相似性度量，对于地理空间对象来说，聚类不仅应考虑属性特征的相似性，还应考虑对象的空间邻近性。本文基于普通欧式距离提出了多种形式的空间加权距离公式，不同的距离公式分别在两个坐标方向、各属性上进行加权，权重向量既可以度量空间位置特征、属性特征的作用大小，也可度量位置距离在X、Y空间方向上的各向同性或异性程度。权重向量的获取以空间对象相似性的模糊函数为评价目标，通过动态学习率的梯度下降算法优化计算，并将空间加权距离引入到fuzzy c-means聚类算法中以取代普通欧式距离。本文以空间数据集Meuse为应用实例，分别采用不同形式的空间加权距离进行FCM模糊聚类，类数取为2-10类，通过PC、PE和Xie-Beni等聚类有效性指标的比较表明：空间加权距离的聚类效果要优于普通距离，且在空间数据聚类分析中，除属性信息外位置等空间特征信息同样起到了重要作用。
格网分析操作建模，包括地理格网索引域、值域及其之间的函数定义；基于该定义的操作函数、输入与输出的形式化表达；界定了相应的格网分析技术及其应用。随着物联网和空间对地观测的发展，多维大数据的涌现，对现有2维格网分析基础设施的发展提出了挑战。本文对业界主流的各种格网操作模型进行了系统回顾和比较：首先，介绍地球科学各个领域的多维地理格网及分析需求；然后，抽象了多维格网的形式化定义元素；在此基础上，比较了国内外主要多维格网操作模型，讨论了相应格网操作的输入与输出特征，并总结了不同操作模型的表达能力，论述了格网分析操作建模的方法和需要注意的问题；最后，总结了国内外主流的格网分析语言和系统实现，并展望了其发展趋势和研究方向。
目前，基于DEM及常规GIS软件进行的流域自动分割方法，往往忽视了一般流域与域间流域的差异性，并且未在属性上区分二者。本文强调流域划分必须充分，明确域间流域的概念与基本特征（包括域间流域的数量与面积、空间分布及空间形态特征）。鉴此，本文提出了基于DEM的域间流域自动提取方法，并以陕北黄土高原丘陵沟壑地区为实证。结果显示：通过对汇流阈值、地形特征、数据边界效应等因素的影响分析，可实现对域间流域的快速准确提取。另外，本文还对此分析了域间流域与一般流域在水文、空间形态及空间分布方面的特征差异。
校车调度问题（SBSP）是通过调度使一辆校车服务完一个学校后继续服务其他学校，以减少一个地区所需的校车总数，进而降低校车采购成本和运营成本。目前的SBSP求解方法是将其转化为指派问题或运输问题，使用混合整型规划算法或者简单启发式算法进行求解，但求解性能有局限。本文在单校校车路径规划的基础上，将单校路径抽象为虚拟站点，进而将SBSP转换为带有时间窗的车辆路径问题（VRPTW），设计元启发算法进行求解。使用构造启发式算法获得初始解后，在模拟退火算法框架中通过典型的局部搜索算子搜索邻域解，逐步改善求解质量。搜索算子包括单点移动、两点交换、2-OPT和Cross-Exchange。迭代优化过程中以校车路径数为主要目标，路径长度为次要目标。为避免邻域搜索陷入局部最优，算法以一定的概率接受部分使路径长度增加的解。15个案例实验验证了本算法的有效性，与现有算法相比，能够获得更好的优化目标，适用于大规模的校车调度。
随着对地观测技术的发展，传感器类型与数量不断增加，为了高效管理传感网中相关的信息与服务资源，便于用户按需、全面和准确地获取并应用这些资源，基于传感网信息模型和服务接口规范，设计并实现了地理空间传感网信息公共服务平台GeoSensor。该平台通过调用和组合传感器注册服务、传感器观测服务、实时制图服务和卫星位置服务等多种服务，实时获取传感器、观测数据和数据产品等信息资源，并在天地图上以图形、文字、表格和视频等方式形象生动地展示这些信息资源。GeoSensor系统实现了对遥感、移动和原位等类型的对地观测传感器及其观测数据等资源的在线搜索、即时获取、网络控制和实时制图，可满足应急处理时对传感器检索、观测数据获取、传感器控制和数据产品生成等功能的需求。
截至2012年底，我国高铁运营里程达到9356km，居世界第一位，是目前世界上高铁里程最长、规模最大的国家。而构建虚拟高速铁路地理环境，支持开展复杂性大系统的科学实验研究和工程管理分析，实现仿真数据的分析、重组与表示就具有重要意义。在顾及高速铁路环境的独特空间特征与关系属性基础上，本文提出了一套用于动态仿真情形下的建模方法，通过构建基元模型库、本体知识库和空间语义约束规则，研发虚拟高速铁路建模服务系统及相关插件，为虚拟高速铁路场景构建提供快速建模服务。案例试验结果表明，该方法能够有效地厘清各场景对象实体和实体之间的关系，可使得领域知识和建模操作得以分开，降低多领域协作建模的复杂度与难度，快速生成虚拟高速铁路场景。
随着卫星遥感影像空间分辨率的不断提高，面向对象的地物信息提取技术发展迅速。图像分割作为面向对象分类的关键步骤之一，其分割尺度的参数设置目前仍以分类者的多次尝试和主观判断为依据，效率较低且分割结果因人而异。本文以WorldView2影像数据为例，结合当前现有的理论和方法，实现了一种计算机可自动进行主成分变换的高分辨率遥感图像全局最优分割尺度选取算法。改进后的算法以主成分变换所得的主成分影像作为图像分割的编辑层，主成分的特征值百分比作为计算异质性参数和分割质量评价值的权重，自动计算当分割尺度从20增至200时分割图像的分割质量评价值（GS），解决了人为确定图像分割编辑层的片面性问题，并利用三次样条插值选取出GS最高值所对应的尺度即为最优分割尺度。结果表明，该最优分割尺度选取方法可有效避免人为确定分割尺度的主观性、片面性和低效性，提升了高分辨率影像分割质量。
叶绿素a浓度是水质状况评价的一个重要指标，而遥感是大面积反演叶绿素a浓度的重要手段。由于采用基于经验模型的标准算法对二类水体叶绿素a浓度的反演值往往偏高，因此本文基于半分析模型GSM01（Garver-Siegel-Maritorena-01），在对模型参数进行调节的基础上，对东海2008年5月11日Aqua MODIS、Terra MODIS、SeaWiFS 3种传感器各波段遥感反射率进行融合，来反演叶绿素a浓度，并将反演结果与自适应加权平均算法获得的叶绿素a浓度数据进行对比。结果表明，基于GSM01融合的多传感器叶绿素a浓度反演，拥有4个优势：（1）GSM01模型反演叶绿素a浓度值范围更符合实测结果，由于该模型考虑水体各组分的散射吸收特性对光谱反射率的影响，避免因高浓度悬浮物质影响造成的近岸水体叶绿素a浓度过高问题；（2）通过融合多传感器反射率数据，用于叶绿素a浓度反演的波段从6个增至18个，光谱信息变丰富，模型求解的自由度提高，叶绿素a浓度反演的精度提高。模型通过误差最小化准则，将不同传感器反演的差异降至最小，保证反演结果的空间连续性；（3）与自适应加权平均采用的融合策略不同，GSM01模型直接利用各传感器遥感反射率数据进行融合而不是针对叶绿素a浓度数据进行融合，避免了误差的传递；（4）GSM01模型可自由组合输入的反射率数据，具有更强的灵活性。
湿地功能分区可更好地促进湿地生态系统的保护和湿地资源的可持续利用。本文以北京野鸭湖湿地保护区为研究对象，借助遥感技术从湿地生境的自然性、湿地物种的稀有性和人类活动对湿地的影响等，通过综合利用湿地普查、野外实测及气象等数据，重点分析生物多样性种类及分布、土壤类型及湿度、植被类型及长势、地表覆盖类型等功能指标的空间分异特征，以景观生态学和湿地科学理论为指导，运用GIS技术由空间叠置、相关分析和主导因子等方法，划分了湿地管育功能区和主导功能区。
