地形建模是数字地形分析的重要基础工作。实时优化适应性网格算法（ROAM算法）是目前常用的地形建模方法。但ROAM算法应用于地形可视化实时渲染时要求原始数据为正方形,且渲染后常有裂缝产生,因而该法在地形建模实践中受到较大的限制。针对ROAM算法存在的上述不足,本文提出了基于内接正方形插值方法的改进ROAM算法。通过将多边形分割为一个内接正方形和多个边缘多边形,用多边形的一个顶点依次与其他顶点相连,使边缘多边形分割为多个三角形,并根据边缘三角形面积大小,确定是否对边缘多边形进行继续分割,由此解决数据源限定为正方形的问题,利用添加拆分点的方法消除地形渲染产生的裂缝。采用不规则地形的灰度图作为高程数据源进行地形模拟实验,结果表明：改进后的ROAM算法能够消除裂缝,且对数据源无约束性要求,降低了算法复杂度,提高了整体可视化性能,能够满足地形实时动态显示的要求。
地理国情监测利用遥感、地理信息等技术,动态获取地表覆盖等多样化的地理要素,经统计、分析、评价和应用,服务于政治、经济、文化、资源、环境等多个领域,为政府提供全面、准确、基础的地理信息情报。针对地理国情监测在全国范围基于多时相遥感影像采集水面信息存在时空不一致性的现状,提出一种基于精细DEM的水面数据时空一致性优化方法。利用栅格图形区域生长算法,采用8邻域算子,对水面种子点进行迭代生长计算,得出基于精细DEM的区域生长结果;通过与地理国情监测水面数据对比分析,实现空间化结果的修正,从而达到时空一致性优化的目的。分析了典型研究区水面数据特征,利用该方法进行了优化处理,结果显示：研究区水面数据空间范围相对于时点监测修正了7.99%,满足了地理国情监测时点一致性需求。研究表明：该方法的应用,能够使得在全国尺度上统计的水面数据反映同一季节或可接受时段内的状况,避免或缩小了由于影像数据源的差异造成的时间和空间上的不一致性带来的误差,满足了地理国情监测时点一致性需求,能够在地理国情监测等地表覆盖水面信息提取、优化中推广应用,为政府有效决策提供客观、准确和基础的水面信息。
地表覆盖数据是关于土地利用信息的重要来源,在地理国情监测、生态环境保护等方面发挥着重要的作用,目前遥感影像解译、实地测量是该数据生产的主要手段,但是仍然存在一定的局限性。随着Web2.0、互联网技术以及各种GPS设备的快速发展传播,普通大众也可以参与公众制图,志愿者用户的参与能够有效判定地表类型的空间分布和属性特征,提高地表覆盖制图的分类精度。本文以自发地理信息中最成功的项目OpenStreetMap为例,与中国新研制的全球最高30m分辨率地表覆盖数据产品GlobeLand 30进行对比分析,首先对数据进行相应的预处理和拓扑检查,然后建立两种数据的要素对应关系,最后生成误差矩阵并分析两种数据的一致性。实验结果表明：① OpenStreetMap数据缺失的部分主要是耕地类型,其草地和水体要素比GlobeLand 30更加丰富;② 2种数据的一致性较好为75%左右,其中林地和人造地表的精度较高,耕地和水体次之,草地较差;③ 重点对不一致区域的地表类型进行判断验证,能够发现GlobeLand 30数据中的错误分类,为进一步修改和优化提供依据。本文研究表明,自发地理信息中包含丰富的地表覆盖信息,能够给地表覆盖制图及评价验证带来巨大的发展潜力。
为揭示树木的不同空间配植方案对行人呼吸高度气流的影响,本文将树木视为均匀多孔介质,通过附加源项法从空气动力学角度用CFD模拟了H/W=2的典型深街谷几何内4种树木配植情景,实验表明,不同空间配置下树木对街谷内行人呼吸高度处局地气流的影响强弱在空间分布模式上差异悬殊：① 均匀种植的树木对街谷内行人呼吸高度的气流起到阻碍作用,不均匀种植则有效提升街谷的整体流速。4种空间配植方案下树木对气流的影响程度不同,阻碍作用从大到小的顺序为均匀间距8 m（Spa8m）>均匀间距6 m（Spa6m）>均匀间距20 m（Spa20m）>不均匀配植（Non-uniform）;对应的平均气流增强指标顺序为$\bar{D}_{spa8}$（-19.31%）<$\bar{D}_{spa6}$（-16.14%）<$\bar{D}_{spa20}$（-10.73%）<$\bar{D}_{non-uniform}$（1.25%）。② 对比不均匀和均匀的种植方案,不均匀植树的街谷内部行人呼吸高度的气流流速比其对照案例（均匀植树Spa8m方案）整体增强了106.49%。街谷中部不种树,在街谷两端配置树木并预留足够的自由空间的不均匀植树方案,能够让角涡渗入街谷中部,促使街谷内部的垂直漩涡和两端的水平角涡运动,增强湍流和垂直交换,有效减少了街道两端“风口效应”和街道中部“风影效应”的区域,改善了整个街谷行人呼吸平面的风环境。④ 合理空间配置的树木能够改善街谷内部的行人风环境。街谷内行人呼吸高度处的气流对局地条件很敏感,树木的局部配置（空间簇集、密度）将引起强烈的空间变化。在既有城市建筑布局条件下,如何通过谨慎的景观设计,利用树木等城市绿化措施有效地改善城市的行人风环境,缓解污染扩散、疾病传播等问题,本文的方法可提供一定的参考。
以研究区3030个流域水文数据为基础,利用数字高程模型（DEM）并运用非线性拟合法分析中小流域集水面积阈值与河源密度的相关关系,分析集水面积阈值与河源密度的幂函数关系可得,幂指数a近似为-1,拟合公式常系数k具有区域分布特征,反映了不同地区的河网发育程度,k值越大,河源密度越大,河网越密集,河网发育程度越高。对河源密度随集水面积阈值的变化趋势进行分析,发现2个具有统计意义的阈值临界点,分别为河源从坡面到沟道及从沟道到河道的集水面积分界点,在研究区内选择不同k值区间的贡曲流域、辰清河流域和藤条江流域作为样本流域,利用样本流域数字正射影像（DOM）手工提取其沟谷河网及主河道河网的图形信息和水文信息,并与分界点处阈值提取的河网作对比,将分析得出的河网密度相对误差率作为检验标准,对临界点的物理意义进行检验。
行政单元的社会经济统计数据与地理单元的要素数据之间存在空间不匹配的问题,很难满足自然与人文交叉学科研究的需要。本文首先对社会经济数据空间化指标和方法进行了总结,发现空间化研究主要集中在人口与国内生产总值指标,对资本存量、房屋等其他社会经济指标的空间化研究相对较少;根据空间化的思路和方法差异,可将空间化方法归纳为面积权重法、统计模型法和多源数据融合法三类。最后通过对比分析不同空间化方法的原理和优缺点可知：社会经济研究指标多样化、空间化精度要求的多元化和大数据应用的广泛化是社会经济数据空间化的发展趋势。同时,大数据等新的辅助数据源的出现为空间化精度的提高带来了契机,在社会管理精细化要求不断提高的背景下,社会经济数据空间化也越来越成为研究热点。
作为蒙古高原的重要组成单元,蒙古国的土地覆盖格局与变化对于东北亚的资源、环境、生态及可持续发展具有重要意义。针对本区域缺乏高精度、现势性的土地覆盖数据产品的问题,本研究利用Landsat TM影像,采用面向对象的分类方法开展蒙古国土地覆盖遥感数据产品研制与分析。首先针对蒙古国景观格局特征,自主研究了适宜于蒙古国的土地覆盖分类体系,基于面向对象的遥感解译技术方法研究了蒙古国自然地物和人工地物要素的提取算法规则与阈值,建立了一套完整的面向蒙古国的土地覆盖遥感解译技术方案,在分景解译基础上获取了蒙古国2010年土地覆盖分类产品。经验证,数据集一级类分类精度为92.34%,二级类分类精度为80.24%。蒙古国土地覆盖类型以裸地、草地、森林为主,其中裸地的面积最大,占总面积的48.64%,其分布比较集中连片,主要分布在蒙古国南部和西部;草地面积次之,占总面积的42.85%,其分布具有明显的地域性,主要集中在蒙古国北部湿润地区和河流附近;林地最少,占总面积的6.63%,以蒙古国北部及西北部高山地区为主要生长区域。整体上蒙古国土地覆盖空间格局呈现明显的区域差异与地类过渡性,从南向北依次为裸地、荒漠草地、典型草地、森林类型,其中荒漠草地在中部形成一条明显的分界条带。
水资源分布不均制约了地区农业生产。从虚拟水角度研究作物需水的时空变化特征及影响因素对提高水资源的合理配置与利用效率,缓解地区水资源短缺问题具有重要参考意义。本文基于Penman-Monteith模型和GIS地统计分析工具,从虚拟水视角分析1986-2012年东北大豆生长季内的需水量变化和虚拟水时空分异特征及其影响因素。结果表明：①1986-2012年,东北地区大豆生长季增温明显,平均风速下降显著,相对湿度整体下降,日照时数有增有减,气候暖干化趋势加剧。②东北大豆生长季内需水量西南多东北少,南部地区需水量减少而北部增加。平均风速的显著下降导致大豆需水量减少,其余气象因子变化均导致需水量增加,温度变化对需水量影响最大,相对贡献率为36.9%,其次为相对湿度、日照时数和平均风速。③大豆虚拟水的空间分布整体为西多东少,虚拟水变化以下降为主（80.6%站点）。虚拟水高值区集中于东北地区西部,向东虚拟水含量降低。气候变化导致了大豆需水量的增加,进而使虚拟水上升,大豆生产变化尤其是单产增长则使得虚拟水下降,气候变化对大豆虚拟水的影响抵消了部分大豆生产变化导致的虚拟水下降。因此,针对大豆虚拟水的时空分异特征,适当调整东北地区大豆的生产布局、选取如耐高温耐旱等大豆品种以及调整灌溉、施肥等田间管理措施等是气候变化背景下提高大豆水资源利用效率的有效适应措施。
生态安全是地区社会经济可持续的根本保障,然而地质灾害会对地区的生态安全造成严重威胁,对闽三角城市群进行地质灾害敏感性分析具有重要意义。本文分别选取坡度、高程、土壤类型、NDVI、岩性、多年平均降水量、距主要公路距离和5 km格网内的地质灾害点数目这8个指标,基于SPCA、全局Moran's I和局部Moran's I,对闽三角城市群的地质灾害敏感性进行综合评价。结果表明：闽三角城市群整体处于中度敏感,不同敏感性的面积大小顺序为：中度敏感>高度敏感>轻度敏感>极敏感>不敏感,占比分别为26.96%、25.67%、23.89%、11.75%和11.72%;地质灾害敏感性由东南沿海向西北内陆呈现出由不敏感向极敏感逐渐过渡的整体趋势,并存在着明显的地带性特征;不同县（市、区）间及其内部的地质灾害敏感性均存在较大的空间异质性;地质灾害敏感性存在显著的空间自相关性,且为显著正相关,并呈现出显著的空间集聚性特征,在德化县、永春县、安溪县和南靖县为高高聚集,在惠安县、丰泽区、鲤城区、晋江市和石狮市为低低聚集;不同土地利用类型下的地质灾害敏感性综合指数大小顺序为：林地>草地>未利用地>耕地>水域>建设用地,林地和草地整体处于中度敏感,水域、耕地、建设用地和未利用地整体处于轻度敏感;多年平均降水量、坡度、距主要公路距离、地质灾害点数目、岩性和土壤类型是研究区地质灾害的主要驱动因子。
在研究分析国内外遥感应用标准规范研制现状基础上,从中国各有关行业遥感应用业务对标准规范的实际需要出发,梳理分析高分专项应用系统共性标准规范的实际需求。采用统一建模工具（UML）和面向对象的软件分析和设计方法,基于信息视角和计算视角,研究提出了中国高分专项应用系统共性技术规范体系框架,包括基础标准、专业应用标准和主题应用标准3个层次,涉及通用类、数据类、数据产品类、应用服务类、管理类、专业应用类和主题应用类共7大类、42小类。根据高分专项应用系统共性技术规范体系框架,研究提出各类体系下需要研究制定的具体标准规范。其中基础标准是本项研究的重点,基础标准涉及5大类、24类小类。针对基础标准,研究提出了目前需要研究制定的具体技术规范共48项。
与基于非监督分类机制的居民地提取方法相比较,基于监督分类机制的居民地提取方法具有较高的提取精度。但是,基于监督分类机制的方法依赖于人工标注的训练样本,繁琐的标注工作限制了这类方法在遥感大数据时代的应用。利用监督居民地提取方法具有较高提取精度的优点,同时克服这类方法需要人工标注样本的缺点,能够建立更为实用的居民地提取方法。为此,针对中国华北平原广泛分布的街区式农村居民地,提出一种基于监督分类机制且仅需单个人工标注样本的居民地遥感提取方法。该方法首先根据居民地在遥感影像上的特征设计居民地排除规则,对划分的影像块进行初步分类;然后,从划分为非居民地的影像块中随机挑选一定量的影像块作为负样本,以人工标注的单个正样本为基础进行正样本扩充;最后,采用k-近邻分类法训练居民地分类器,对初步判定为居民地的影像块做进一步分类。试验结果表明,方法能够准确地提取影像中的居民地,对地物背景存在差异的遥感影像具有良好的提取效果。
本文首次基于OCO-2卫星观测数据,采用高精度曲面建模（High Accuracy Surface Modeling, HASM）的方法来模拟大范围高精度的二氧化碳柱浓度（XCO2）的空间分布。首先,探讨分析HASM方法应用于模拟OCO-2卫星观测XCO2的空间分布的可行性。从2014年9月至2015年8月OCO-2观测的12个月的XCO2数据中,分别随机选取其各个月90%的XCO2数据用于空间插值,剩余10%作为精度验证点。自验证结果表明,12个月的平均绝对值误差为0.34 ppm。由此可见,HASM适用于模拟OCO-2卫星观测XCO2的空间分布。然后,采用HASM对OCO-2在2014年9月至2015年8月的各个月观测数据进行空间插值,获取空间分辨率为0.5°×0.5°的各个月均值XCO2的空间分布,同时基于地基观测TCCON( Total Carbon Column Observing Network)站的XCO2数据对HASM模拟结果进行交叉验证。验证结果表明,HASM模拟的XCO2与TCCON站对应观测数据相比,其平均绝对值误差为0.81 ppm,相关系数为0.88。因此,HASM在模拟OCO-2卫星观测的XCO2空间分布上具有很大的优势。
北极熊是北极最重要的哺乳动物之一,近年来数量却在减少。海冰作为北极熊狩猎、活动和繁殖的平台,是其栖息地的重要组成部分。因此其种群栖息地变化主要依赖于海冰变化。本文基于美国雪冰中心的海冰密集度和NOAA提供的ETOPO1基岩数据,分析了北极海冰密集度、开阔水域面积、海冰消退时间、海冰出现时间、开阔水域季节长度的年际变化,进而评价北极熊栖息地的稳定性。结果表明,海冰密集度呈现降低的趋势,开阔水域面积增大,多年冰数量减少,大多变为一年冰。海冰消退时间提前,海冰出现时间延后,开阔水域季节长度大幅增加,与1992年相比增加了72 d。19个栖息地中,巴伦支海是开阔水域面积和季节长度变化贡献最大的海域,增加速度分别为9.71×103 km2/a和71.69 d/10a。以开阔水域季节长度变化率为依据,将北极熊栖息地划分为稳定、次稳定和不稳定3个等级。总共有3个稳定栖息地,包括分布在相对其他栖息地而言纬度较低的楚科奇海、西哈得孙湾和南哈得孙湾。13个次稳定栖息地,包括拉普捷夫海、喀拉海、东格陵兰、巴芬湾、戴维斯海峡、福克斯湾、布西亚湾、麦克林托克海峡、梅尔维尔子爵海峡、挪威湾、北波弗特、南波弗特和兰开斯特海峡。3个不稳定栖息地,均位于70°N以北,包括北极盆地、巴伦支海和凯恩盆地。稳定区主要位于低纬度,不稳定区全部位于高纬度。该分级结果表明高纬度地区虽然海冰覆盖多,但是年际变化十分显著,不稳定的3个区域内北极熊对海冰变化适应时间更少,年际迁移变化大,对北极熊的生存发展更为不利。
可可西里处于青藏高原腹地,是青藏高原自然环境的交接与过渡地带。近年来该区域冰川物质平衡可能有从西向东由正转负的趋势,但是其过渡地带岗扎日地区冰川状态未知。本研究利用地形图、SRTM、ASTER和Landsat等资料分析了岗扎日地区冰川面积变化和物质平衡变化,并对可可西里地区冰川变化空间规律进行了探讨,结果表明：①1970-2016年岗扎日冰川总面积年均缩小率为0.08±0.02%。2006年后冰川退缩趋势减缓。②1970-2012年岗扎日冰川平均减薄-8.64±0.30 m,体积减少1.45±0.06 km3,平均物质平衡为-0.21±0.01 m w.e. a-1。冰川物质平衡趋势由负转正（1970-1999年：-0.34±0.01 m w.e. a-1;1999-2012：0.16±0.02 w.e. a-1）。③东南、南、西南朝向作为迎风坡,1970年以来其冰川物质亏损较小,1999-2012年呈现强烈的正平衡。冰川面积变化滞后于物质平衡变化,东朝向和东南朝向冰川面积缩小率最大,主要是因为冰川冰舌较长,末端所处的海拔较低。④气温升高是岗扎日冰川1970-1999年呈现负物质平衡状态的主因,降水增多是1999-2012年正平衡状态的主因。⑤可可西里地区冰川1970s以来面积年均缩小率从西向东不断增大、物质平衡下降,与西风环流和季风环流相关,但局地气候也影响冰川变化和物质平衡。
本文基于Landsat影像数据获取天山博格达自然遗产地土地覆盖分类,结合归一化植被指数（NDVI）和数字高程模型（DEM）构建“DEM-NDVI-土地覆盖分类”散点图分析研究区植被受海拔和坡向的水热空间变化影响的分布特征,通过概率统计分析提取博格达遗产地山地垂直带,并结合研究区的气温、降水数据和NDVI变化特征分析垂直带变化的原因。研究结果表明：① 本文利用“DEM-NDVI-土地覆盖分类”散点图,揭示了研究区1989年和2016年的NDVI值和分类类别随着海拔上升的变化特征,其中NDVI值随着海拔上升呈现“倒U形”变化,而不同分类类别在一定的海拔区间内呈现出聚集效应,且不同分类类别有明显的高程界限。② 1989年和2016年博格达遗产地山地垂直带分带上限分别为：1278 m和1185 m（温带荒漠草原带）、1784 m和1759 m（山地草原带）、2706 m和2730 m（山地针叶林带）、3272 m和3293 m（高山草甸带）、3636 m和3690 m（高山垫状植被带）。③ 博格达遗产地1989年和2016年山地垂直带受区域气温升高和降雨增加的影响有较为明显的改变,其中温带荒漠草原带最为敏感,其上限变化最大,向下收缩93 m;山地针叶林带的分布范围则向两侧扩张49 m;山地草甸带带宽基本保持不变,但整体上移了约20 m;冰雪带则受到全球气候变暖的影响向上退缩54 m。
对渭-库绿洲蒸散发量的估算在绿洲水资源管理和分配以及生态环境的保护方面扮演着重要作用,同时对于深刻了解流域水循环和水文过程也具有重要意义。本文以渭干河-库车河绿洲为研究靶区,将Landsat TM/OLI遥感数据与地面气象站点实测数据相结合,利用SEBAL模型估算了渭-库绿洲1997年和2016年的日蒸散量,并对日蒸散量的空间分布特征及日蒸散量与相关地表参数的相关性进行了分析。结果表明：渭-库绿洲日蒸散量的空间分布表现为西高东低,北高南低的分布特征,其高值出现在水体和植被覆盖较多的绿洲内部区域,低值则分布在研究区东、东南和西部的低植被覆盖区域;在日蒸散量与植被指数（NDVI、SAVI、LAI）、水体指数（MNDWI、NDWI、TVI、VSWI、TVDI）和地表温度（LST）等地表参数的相关性方面,研究时段内全部地表参数与日ET具有较高的相关关系,Pearson相关系数都通过0.01水平的显著性检验,其中NDWI与日蒸散量表现出了最好的相关性,表明在渭-库绿洲水分对日蒸散量分布与变化的影响是最大的。
