互联网的普及产生了大量蕴含着丰富地理语义的文本,为地理信息的深度挖掘和知识发现带来了巨大机遇。同时,蕴含地理语义文本的异构性和动态性,使得地理实体的属性数量和种类激增、地理语义关系复杂,对地理信息检索、空间分析和推理、智能化位置服务等提出了严峻的挑战。本文阐述了网络文本蕴含地理信息抽取的技术流程,从地理实体识别、地理实体定位、地理实体属性抽取、地理实体关系构建、地理事件抽取5个方面总结了网络文本蕴含地理信息抽取的进展和关键技术瓶颈,分析了可用于网络文本蕴含地理信息抽取的开放资源,并展望了未来的发展方向。
空间关系及其尺度变化建模,一直是地理信息科学基础理论的重要前沿领域之一。本文全面总结了该领域在理论、方法和应用方面的最新进展。首先,详细阐述了关系表现与几何表现的特点和差异,提出了关系表现的尺度问题,尤其是与制图综合的关系。然后,分别结合形状化简、面对象合并、属性归纳、空间维数退化等制图综合算子,论述了拓扑和方向关系尺度变化规律的推导和建模方法。最后,结合多尺度空间关系变化模型,提出了基于关系的多尺度数据分析技术框架,并重点阐述了基于关系的多尺度数据一致性检测和多尺度数据查询的概念及解决方法,且用实例分析证明了它们的有用性。详细而具体地研究不同综合算子对拓扑和方向关系尺度变化的影响及建模方法,对于分析和理解多尺度空间数据,具有重要意义。
为在统一的框架下研究方向和度量关系,在改进的锥形模型表达方向关系、定性度量关系表示的基础上,本文提出一种新的方向和度量关系组合描述模型。在对方向关系和度量关系定性描述基础上,采用7×7的矩阵和简化后的3×3的矩阵,分别表达方向和度量关系组合模型,并对组合模型的取值范围和数量进行分析。在方向和度量关系组合模型基础上,定义了组合描述模型的5个有效性规则,用于排除不可能的组合关系;设计了方向和度量关系组合描述模型的实例,用于验证模型的有效性。方向和度量关系组合描述模型将方向关系和度量关系有机地结合在一起,提高了空间关系描述的准确性和有效性。
广义三棱柱（GTP）是近年来提出并被广泛应用于三维地质建模领域的一种较为成熟的空间数据模型,可满足大多数地质钻孔数据的三维地质建模的要求。然而,现有针对GTP模型的三维空间剖切分析方法,仍无法适用于偏斜钻孔数据所建三维地质模型高效多次任意剖切、不能支持较为复杂的地质模型空间分析的问题。本文通过对GTP剖切算法改进研究,提出了采用动态四面体剖分法减小数据冗余;鉴于GTP形态较为复杂,可对剖切后保留多面体进行拓扑关系的重组,解决任意多次剖切问题;将多次“面-体”形式的单剖切运算组合为一次“体-体”形式的复合剖切运算的方法,可高效实现对三维地质模型空间分析。本文着重面向GTP体元的多重任意切剖平面的剖切问题,在分析了GTP体元特征的基础上,弥补了三维地质建模领域中对GTP体元任意、多重剖切方法研究的不足。应用实例表明,上述改进算法可以提高GTP剖切计算速度,并能够快速实现巷道掘进模拟,以及空间开挖模拟等复杂的空间分析功能。
以格网DEM数据为基础,生成具有良好保凸性、光滑性、平顺性特征的高质量等高线,已逐渐成为制作等高线图的重点。鉴于现有技术方法在沟道、山脊等地形变化部位生成的等高线中存在生硬、相交、异常闭合等问题,本文以黄土丘陵1:5万不同格网分辨率DEM为例,采用对比分析方法,建立了基于DEM格网加密技术的高质量等高线生成方法。实验表明：（1）采用以4×4 DEM格网单元为搜索圆的完全规则样条函数插值法,以可视化时图面0.1 mm的实际距离为加密DEM的格网分辨率值,对DEM格网进行加密处理后生成的等高线具有更为理想的保凸性、光滑性和平顺性特征;（2）对于已知综合尺度的地形,存在最优DEM格网分辨率阈值,若要高质量地再现原始等高线,则实际DEM格网分辨率不得低于最优DEM格网分辨率阈值。
脆弱水印可以实现对数据内容真实性的认证,并对发生变化的位置进行定位,鉴此,本文提出了一种点约束分块的矢量地理数据精确认证算法。在认证内容嵌入过程中,首先,按照点约束的方法对矢量地理数据进行分块,并将每块的数据点进行空间位置关系的“之字形”排序,建立数据点之间的位置关系;然后,将相邻点生成的脆弱水印信息嵌入到当前点。在内容精确认证时,比较原始的水印信息与提取的水印信息,判断二者是否相同来鉴别数据是否更新。将本文算法与均匀分块的方法进行了对比实验,结果表明,本文提出的认证算法能实现在数据更新时的精确认证,并可实现要素删除的精确认证,在检测数据变化时可对修改位置进行定位与标记。
针对单一指派约束和容量约束的设施选址问题（Single Source Capacitated Facility Location Problem, SSCFLP）,建立了一种基于改进蚁群算法与GIS的配送中心选址方法。构建了以总成本费用最小为目标的配送中心选址模型;提出了适合求解SSCFLP问题的改进双层蚁群算法,将求解过程划分为彼此关联的设施选择层和需求指派层2层蚁群,采用改进的全局信息素更新策略加强双层蚁群交流,并对迭代最优解的指派关系进行局部优化;将方法应用于汽车配送中心的选址,利用GIS工具构建选址空间。实验结果表明,该选址方法能找到质量较好的选址及指派结果,对于求解同类问题具有较强的借鉴意义。
变比例尺可视化技术被广泛应用于城市路网的地图制图,其基本思想是采用较大比例尺突出显示城区的密集道路,较小比例尺显示并不重要但对路网布局起辅助作用的周边道路。目前,不少研究是通过使用坐标转换公式及参数组合对路网进行变换,以得到较理想的变比例尺效果。然而,这类方法常难以避免路网较大的变形和道路要素的空间冲突。鉴此,本文结合顾及道路等级的形变约束规则和基于支持向量机的线相交约束规则,建立了二次规划算法的等级道路网变比例尺模型,动态优化道路网变比例尺的效果。本文以广州市增城区规划建设的“一核三区”道路网作为试验对象,分别与可调“放大镜”式地图投影和Focus+Glue+Context模型进行比较。实验结果表明,本模型能得到较为理想的变比例尺效果,且具有良好的自适应性和实用价值,为地图变比例尺可视化研究提供一种可控制地图变形过大和解决空间冲突问题的新方法。
地理信息服务已成为分布式环境下获取地理数据的重要来源,从海量的网络资源中找到地理信息服务,是共享与互操作地理数据的基础。目前,地理信息服务主动搜索主要采用通用搜索引擎的接口或者通用爬虫的抓取方式,但这2种方式存在搜索效率低、搜索结果可用性差等不足。针对这一问题,本文设计了一种搜索地理信息服务的主题爬虫。该算法在最佳优先搜索的基础上进行了改进,综合考虑网页内容的主题相关度和链接文本的主题相关度确定链接优先级,优先爬取与地理信息服务相关的链接,并通过舍弃无关网页中的无关链接,减少无效爬取,进而提高搜索效率。此外,本文采用关键词匹配结合能力文档探测的方式识别地理信息服务,有效筛选出可用的地理信息服务,提高了服务搜索结果的可利用率。最后,本文以OGC WMS为实例,实现爬虫算法的原型系统并进行实验,实验证明该算法有效可行。
地理格网互操作增强了地理格网信息资源的融合能力,促进了地理格网信息资源的充分合理利用。然而,地理格网互操作解决方案复杂,通用Web协议没有针对具体地理格网互操作的定义,需研究通用Web协议与地理格网互操作的藕合。OGC WCPS是比较好的地理格网互操作语言规范。本研究在剖析WCPS语言主要特点基础上,归纳了标准的地理格网及其互操作的函数模型,分析了地理格网互操作Web实现的相关协议与标准规范,创造性地提出WCPS与Web传输协议的地理格网互操作耦合模型,针对地理格网分析的Web实现展开快速原型研究,结果表明,WCPS与Web应用协议的耦合可有效提高地理格网分析的互操作性,增强GIS基础设施的服务功能,为WCS Processing扩展标准的制定与更新提供了科学判据,从而为国家区域数字化建设提供支持。
识别海量手机数据中蕴含的行为模式,是地理学的一个研究热点与难点。目前,较多研究针对手机用户移动特征开展,而对停留及其模式的研究则相对较少;其时空分异规律对理解城市人群动态,甚至优化城市系统至关重要。本文根据人们日常时空约束条件定义了手机用户停留,提出了基于海量手机位置数据的手机用户停留模式的提取方法,以深圳市约790万个匿名手机用户一天的海量手机位置数据为例,识别出了覆盖约98%用户的典型停留模式,并结合该城市土地利用的空间分布与分异特征,剖析不同停留模式的手机用户空间分异特征和城市不同区域停留次数的时段分异特征。研究发现：（1）15种停留模式可覆盖约98%的手机用户,而且其一天不同的停留位置数量不超过4个;（2）15种停留模式手机用户在城市区域空间上的分布存在分异现象,严重受制于土地利用的空间分布;（3）城市不同区域停留次数的时段分异特征与该区域常住人口、人口密度,以及区域主要职能和性质存在较强的相关性。研究结论对理解城市手机用户行为模式的群体特征有积极的意义,对城市土地利用的科学决策和城市交通规划与预测有重要参考价值。
大气污染扩散模型数值模拟结果的时空多维可视化表达,能有效展示大气污染扩散空间分布,为快速高效辅助后期污染分析与应急决策提供重要的参考。CALPUFF模型能高效模拟污染物在大气环境中时空变化的扩散过程,而现有大气污染扩散模型模拟结果可视化表达普遍存在不能有效集成地理信息、缺失部分重要维度特征等问题。论文首先分析了CALPUFF模型,及其与组件式GIS紧密集成的技术方案,为模型模拟结果与地理信息集成提供了技术支持。然后,基于CALPUFF模型的数值计算模拟结果,详细研究了风场数据预处理及其矢量绘制方法,浓度场的数据预处理及其栅格渲染方法。在三维地形场景下,探究了大气污染物的时空扩散模拟可视化表达方法,给出了CALPUFF模型模拟结果与三维地形场景的集成表达策略。最后,通过组件式GIS,构建了福州市三维地形场景,以大气污染CALPUFF扩散模拟结果为例,在WPF系统框架下,实现了风场和浓度场的时空动态模拟和空间层级多维可视化表达。实验结果表明,本文所采用的时空可视化技术方案能将CALPUFF模型模拟结果,有效集成三维地形场景,实现模型模拟结果在时间维度上动态扩散和在空间维度上的层级分布,可为大气污染模拟结果的时空多维可视化提供参考。
洪水溃坝等复杂灾害现象的时空过程模拟分析,是当前国际地理信息科学热点研究方向之一。随着网络的普及化,公众对GIS时空分析模型的网络实时集成和可视化分析提出了迫切的需求。本文以溃坝洪水为例开展了时空过程网络可视化模拟与分析服务研究,利用WebGL、HTML5、Ajax、Web Service、GPU并行计算等技术手段,通过探讨溃坝洪水时空模型计算优化、网络三维可视化模拟与动态交互分析等关键技术,研发了原型系统并进行应用实验。实验结果表明,本文研究成果有助于实现时空过程信息的网络发布,在线影响分析及动态可视化服务,可为分布式网络环境下溃坝洪水等时空过程信息管理和应急决策提供科学依据和技术支持。
西湖国家级自然保护区位于河西走廊西端,是敦煌盆地人工绿洲的天然屏障。近几十年来,由于气候变化和人类水土资源过度开发,保护区生态环境持续恶化,湿地退化和沙漠化趋势日趋严重。本文运用多时相资源卫星遥感影像,解译分析了保护区湿地演化规律。结果表明：1980-2013年间有23个年份湿地处于快速退化状态,保护区湿地面积由1.72×104 hm2减少到0.99×104 hm2,减少了42.4%;保护区湿地的斑块数从32个增加到51个,平均斑块面积由537 hm2减少为213 hm2,湿地演化呈破碎化趋势。湿地分布质心向西南方向移动了11.59 km,湿地呈整体向西南缓慢移动的趋势。运用因子分析法对湿地演化的驱动因子进行了分类,并利用投影寻踪模型分析各驱动因子对湿地演化的贡献率,结果表明：下游湿地退化的根本原因是大规模引地表水和开采地下水灌溉,其次是气候变化引起的冰川退缩、径流量衰减。20世纪90年代,西湖保护区湿地处于相对稳定状态,建议敦煌地区耕地维持在20世纪90年代初的2.7×104 hm2水平,或通过节水、调整作物结构和跨流域调水等措施,压缩引地表水和开采地下水水量,灌溉用水需控制在20世纪90年代初的用水水平。该研究成果可为自然保护区湿地保护和流域综合开发提供依据。
云顶高度是天气预报、天气监测的重要因子,准确的云顶高度对提高天气分析和数值预报的质量,具有重要的科学意义。立体几何法是公认云顶高度解算精度较高的方法,目前,普遍采用卫星-球心-投影云-真云的平面和球面三角几何关系,以及影像匹配技术解算云顶高度,由于采用了理想椭球体和重投影技术,以及对云移动考虑不足,因此误差较大。本文将数字摄影测量理论与遥感技术相结合,首次将摄影测量共线方程用于云顶高度解算。本文利用ASTER影像,依据相关系数法解求云迹风,并将其引入到摄影测量共线方程中,建立了ASTER影像的云顶高度解算模型,进行了未考虑和考虑风速的云顶高度解算,通过地面点计算,本文解算误差为2个像元（30 m）左右,经与MISR云顶高度产品对比分析,认为该模型解算的考虑风速的云顶高度精度优于MISR解算结果。
利用我国首颗民用高分辨率测绘卫星—ZY3影像,运用面向对象方法及形态学的思想,以形态学建筑物指数MBI和形态学阴影指数MSI,构建了基于知识规则的城市建筑物和阴影信息提取模型,很好地完成了北京方庄小区和厦门软件园的建筑物和阴影的提取,并实现了阴影长度的自动估算。利用太阳、卫星和建筑物成像几何关系,以阴影长度估算了城市建筑物高度,并以实测数据进行精度评价及误差分析。在以北京市方庄小区为例的试验中,建筑物高度提取的平均相对误差为7.08%,绝对误差小于6 m的建筑物占90%以上,80%以上的建筑物相对误差在10%以内,而误差较大的多为阴影较难识别的低矮建筑物和建筑密度较大使得阴影相互遮挡的高层建筑物。在厦门市软件园区实验中,94.3%的建筑物绝对误差在5 m以内,且计算高度与实际高度相关系数达到0.992,进一步验证了所用方法的可靠性。本文提出的建筑物信息提取方法,可很好地实现高分辨率影像城市建筑物高度估算,展示出资源三号卫星数据在城市建筑物信息提取方面的应用潜力。
利用2002-2013年冬季的MODIS光学遥感数据,以及AMSR-E、AMSR2与MWRI被动微波遥感数据,建立了新疆地区冬季每日积雪分布遥感反演模型。首先,将Terra与Aqua双星MODIS的积雪产品融合,初步去云并最大化积雪信息;然后,利用AMSR-E/AMSR2和MWRI被动微波数据进行每日雪盖提取;最后,利用被动微波遥感数据反演得到的每日雪盖结果对双星融合后依然有云的像元进行替换,得到每日积雪分布情况。据此模型提取了11年间冬季的积雪天数信息,结合气象台站观测数据,分析了新疆冬季积雪的年内和年际变化规律。结果表明,新疆地区积雪主要分布在北部新疆,积雪天数与地形关系密切,山区积雪天数较多,盆地及城市区积雪天数较少;积雪天数年内变化是从11月到次年1月随温度降低逐渐增加,从1月到3月积雪天数则逐渐减少。新疆地区积雪天数在这11年中存在一定的波动,积雪天数与该年的平均气温,以及月低于0℃的天数存在显著相关性,与降雪量关系不明显。新疆地区近年来积雪天数重心有向西向南移动的趋势,这可能与全球气候变暖导致多年积雪融化有关。
