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    时空知识图谱研究进展与展望
    陆锋, 诸云强, 张雪英
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1091-1105.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.230154
    摘要2219)   HTML213)    PDF (3611KB)(1269)   

    地理信息的不断泛化对经典的地理信息分析模式提出了巨大挑战,网络化的知识服务将逐渐成为地理信息应用的新模式,助力地理计算到社会计算的形态转变。地理知识服务需要打通人、机构、自然环境、地理实体、地域单元、社会事件之间的关联,促进知识辅助下的数据智能与计算智能。本文聚焦地理时空知识获取与形式化表达及分析的迫切需求,首先分析了时空知识图谱的基本概念与特征,认为时空知识图谱是指具有地理时空分布或位置隐喻的知识构成的有向图,即以时空分布特征为核心的知识图谱;然后提出了时空知识图谱的研究框架,该框架可实现时空大数据到时空知识服务应用的转变,包括泛在时空大数据、时空知识获取、时空知识管理、时空知识图谱、软件系统及行业应用等多个层次;接着从文本描述地理信息抽取、异构地理语义网对齐、时空知识表达与表示学习等方面,介绍了相关研究进展;结合应用实践,介绍了面向行业的时空知识图谱构建与应用途径;最后,讨论了时空知识图谱研究目前面临的关键科学问题与技术瓶颈,提出在大模型时代,构建显式的时空知识图谱,并针对行业需求开展知识推理,仍是时空知识服务的必由之路。

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    基于时序超图模型的战场环境多层次知识建模方法
    蒋秉川, 黄梓航, 任琰, 孙勇, 范爱民
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1148-1163.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220967
    摘要837)   HTML75)    PDF (23706KB)(378)   

    新型作战样式对战场环境服务保障提出了新要求,战场环境智能化服务急需基于全域多维战场环境数据实现知识的提升。针对战场环境智能认知的知识建模问题,将知识图谱与战场环境相结合,提出了战场环境知识分类方法,认为战场环境知识图谱是大数据人工智能条件下战场环境知识表示的一种新形式;针对三元组知识表示碎片化的问题,构建了战场环境时序超图表示模型,实现了实体知识、事件知识、影响过程知识和服务决策知识的多层次统一图建模,将各类知识表示为具备时空特点、场景特点的统一知识超图网络;最后,利用地图、事件、影响过程和作战影响效能等数据进行实验验证,超图网络从语义层面实现了各类战场环境知识的关联,可进一步为实现基于超图的智能推理和服务决策提供支撑。

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    联合词汇增强的中文细粒度地理命名实体识别模型研究
    李发东, 王海起, 孔浩然, 刘峰, 王志海, 王琼, 徐建波, 单宇飞, 周啸宇, 闫峰
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1106-1120.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220464
    摘要829)   HTML27)    PDF (6707KB)(197)   

    命名实体识别(NER)是自然语言处理众多研究基础,其可以被定义为分类任务,旨在从非结构化文本中定位出命名实体,同时将命名实体分类成预定义类别。与英文相比,中文构词灵活、不具有边界性,且缺乏高质量中文NER数据集,导致中文命名实体识别难度较大。细粒度实体是粗粒度实体的细分类型,中文细粒度命名实体尤其是地理命名实体识别难度更大。中文地理命名实体识别无法同时兼顾精度和召回率,改善中文细粒度地理命名实体识别性能至关重要。因此,本文提出2种联合词汇增强模型的中文细粒度地理命名实体识别模型。首先,将词汇作为“知识”注入模型,基于词汇增强方式探究适合细粒度命名实体识别方法,并找出适合细粒度命名实体识别方法BERT-FLAT以及LEBERT;其次,为进一步提升细粒度地理命名实体识别性能,针对上述2种方法在预训练模型、对抗训练以及随机权重平均3个方面进行改进,形成联合词汇增强模型RoBERTa-wwm-FLAT以及LE-RoBERTa-wwm;最后,对联合词汇增强模型进行消融实验,探究不同改进策略对于地理命名实体识别性能影响。基于CLUENER数据集和1个微博数据集的实验表明:① 与无词汇增强功能模型相比,具有词汇增强功能模型在细粒度命名实体识别任务中F1-score提升了10%左右; ② 针对词汇增强方法进行的3处改进使模型在细粒度地理命名实体识别任务中F1-score提升了0.36%~2.35%; ③ 与对抗训练改进、随机权重平均改进相比,预训练模型改进对地理命名实体识别精度的影响最大。

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    基于超赋值理论的模糊位置描述形式化与推理机制
    张雪英, 叶鹏, 张慧峰
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1135-1147.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.230025
    摘要663)   HTML33)    PDF (13250KB)(182)   

    基于位置描述进行空间定位是大数据时代位置服务向智能化转型的关键。针对不同语境中位置描述模糊性差异显著而难以定位的问题,本文提出一种面向模糊位置描述的形式化方法与推理机制。首先,通过梳理人类空间认知规律,明确自然语言中位置描述时关注的要素类型,研究模糊位置描述的形式化表示。然后,基于超赋值理论,从空间对象、距离关系和方向关系3个方面构建模糊位置描述的推理机制。顾及位置描述的上下文语义,利用观察值阈值开展空间推理实现定位。最后,设计收集位置描述的问答系统对方法进行验证。结果表明,本文方法能够依据实际应用场景及时调整位置描述的形式化表示粒度,空间推理结果贴合直观认知。

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    城市地铁出行知识图谱嵌入表达的超参数选择
    罗秋雨, 乐阳, 谷岩岩
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1164-1175.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.230054
    摘要595)   HTML36)    PDF (15380KB)(203)   

    知识图谱作为人工智能技术与应用中重要的数据基础设施,已经成为地理科学领域的一个研究热点。目前对地理知识图谱进行嵌入表达时通常使用默认的超参数(如2层网络搜索深度),但是部分地理知识图谱的网络规模和拓扑特征与通用知识图谱不同,其合理性需进一步论证。为此,本文围绕城市轨道交通人地关系,基于地铁线路网络的拓扑结构特征,结合客流数据、POI(兴趣点)数据以及建成环境数据等构建地铁出行知识图谱;利用GraphSAGE模型学习实体的多维度特征嵌入,并结合POI数据对站点分类结果进行语义识别,对比验证适合地铁出行知识图谱嵌入表达的网络搜索深度。不同于默认的 2层搜索深度,当搜索深度为3层时,本研究所构建的地铁出行知识图谱的节点嵌入效果最优。因此,地理知识图谱嵌入表达的超参数选择需要顾及时空和人类活动相关的网络规模和拓扑特征,要避免不加甄别地使用其他领域通用知识图谱的已有成果。使用3层搜索深度获得的地铁站点分类结果也更具合理的解释性,可为利用知识图谱和人工智能方法进行站点规划和客流预测提供基础。

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    大规模地球科学知识图谱构建与共享应用框架研究与实践
    诸云强, 孙凯, 胡修棉, 闾海荣, 王新兵, 杨杰, 王曙, 李威蓉, 宋佳, 苏娜, 牟兴林
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1215-1227.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.210696
    摘要585)   HTML62)    PDF (6887KB)(450)   

    地球科学(以下简称地学)知识图谱具有强大的知识表示和语义推理能力,已成为地学大数据和地学人工智能发展必要的基础设施。然而,目前的地学知识图谱研究主要面向实验场景,缺乏面向实际应用的大规模地学知识图谱构建方法和共享应用框架研究,导致尚未真正在地学领域现实应用中得到使用。为此,本文面向地学大数据和人工智能研究与应用对地学知识图谱的迫切需求,首先研究了大规模地学知识图谱的构建技术,在此基础上,提出一种覆盖地学知识图谱构建、共享和应用全生命周期的总体框架。然后,以“深时数字地球(DDE)”国际大科学计划为例,开展了面向实际应用的知识图谱平台研发实践。最后,利用该平台,构建了DDE大规模地学知识图谱,开展了知识图谱开放共享,有效实现了知识图谱应用,证明本框架可有效支撑大规模地学知识图谱的构建与共享应用。本文对于地学知识图谱现实应用价值的实现具有重要的促进作用。

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    网络文本蕴含地理信息质量评估框架
    黄宗财, 陆锋, 仇培元, 彭澎
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1121-1134.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220617
    摘要565)   HTML25)    PDF (6017KB)(166)   

    网络文本是构建和填补大规模地理知识图谱的重要地理信息来源。但网络文本来源广泛、动态性强、表达方式复杂多样、蕴含地理信息良莠不齐,网络文本蕴含地理信息质量评估面临评估对象多层次、质量维度不明确、评估指标多元化、深层次指标难获取和评估方法多样化的挑战。因此,本文提出了一种网络文本蕴含地理信息质量评估框架(QAF-GIWT)。QAF-GIWT面向网络文本获取地理信息过程,明确了数据源、数据项和数据集3层质量评估对象,针对不同层次评估对象定义了包含相关性、新颖性、可靠性和完整性4个质量维度和相应的量化评估指标,系统地梳理了质量评估过程中所涉及指标计算、指标综合和质量预测方法的特点及其适用性。其中,借助自然语言处理技术及相应的指标计算方法,构建了包含单元地理语义比率、地理语义含量比率、平均地理信息含量比率和地理信息含量比率、地理实体比率、窗口地理信息含量比率等指标。实验中针对马蜂窝等类型网站特性设计了QAF-GIWT框架,针对多层次质量指标的综合评估,采用了层次分析法进行可靠性综合评估,应用实验案例验证了QAF-GIWT框架的有效性。QAF-GIWT提供了一整套囊括质量维度、质量指标和质量评估方法的方案,可辅助进行海量异构动态的网络文本数据源的筛选和从中获取地理信息的过滤,大幅度减小信息获取的复杂度,降低数据存储冗余度。

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    M2T多源知识图谱融合的空间场景描述文本自动生成框架
    陈晖萱, 郭旦怀, 葛世寅, 王婧, 王彦棡, 陈峰, 杨微石
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1176-1185.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.230034
    摘要460)   HTML34)    PDF (8037KB)(251)   

    面向自然语言的地理空间场景描述一直是地理信息科学的重要研究方向,传统方法更注重空间关系的遍历性描述,难以融合人类空间认知,与人类自然语言有较大的差距。地理空间场景自然语言描述的本质是地理空间二维向量转换词空间一维向量的过程。本文提出M2T空间场景自然语言表达框架,通过空间场景理解、语言合成和注意力感知3个知识图谱,在多源知识图谱的融合机制下,生成自然语言空间场景描述文本。其中空间场景描述知识图谱解决遍历空间关系剪枝难题,同时通过建立空间关系图谱建立空间场景之间关联,支持空间场景连续表达;自然语言风格知识图谱建立空间表达与语言风格的关联,实现了贴切于空间自然语言表达的多样化语言风格;空间关注度知识图谱根据空间场景主体和客体交互状态,建立注意力矩阵捕捉自然语言空间表达的细微之处。以北京故宫为例设计的原型系统,实验表明系统生成结果与人类游记接近,且内容覆盖更完整,风格更多样,验证了M2T框架的有效性,并展现了空间场景自然语言描述应用的潜在价值。

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    基于复杂网络的社区供应保障韧性评估方法
    黄浩, 王俊超, 王成芳, 谢苑仪, 张问楚
    地球信息科学学报    2023, 25 (12): 2303-2314.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.230208
    摘要401)   HTML68)    PDF (16389KB)(286)   

    特大城市生活必需品供应保障体系直接影响社区的供应韧性,而社区系统无法孤立存在,其作为城市治理基本单元对推动供需联动与增强城市韧性具有关键作用。本研究探索性提出一种基于复杂网络理论的城市社区供应保障韧性评估方法,尝试测度社区动态韧性,实现从“单系统评价”走向“多系统关联评价”的韧性评估底层理论思维突破。以广东省广州市中心城区六区为例,充分利用手机信令等多源数据,基于市民时空间行为构建“市场-社区”生活物资供需网络,同时基于社区韧性5个指标制定网络攻击策略;引入级联失效机制评估其网络抗毁性,结合熵权法赋予权重得到社区韧性评估结果;并通过研究供应网络不同阶段节点失效的社区影响因素,进一步解析社区韧性与供应体系间的影响机理。研究发现:① 基于本研究构建的城市生活物资网络模型,可实现较好地模拟城市社区供需网络和评价社区韧性,其中潜在供应保障缺失的低韧性社区主要分为老旧街区、城中村、城郊街区3种空间类型;② 通过针对社区5种不同攻击策略下网络抗毁性分析,发现社区韧性主导影响因素不同,其中人口密度为首要考虑因素;③ 社区韧性与供应保障间存在复杂双向影响,包括低韧性社区在面对城市突发事件时存在明显脆弱性,社区自组织能力、供应设施布局与供应点间联动调度等都会影响社区整体韧性。

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    一种耦合进化算法与FLUS模型的土地利用变化模拟模型
    俞钦平, 吴振华, 王亚蓓
    地球信息科学学报    2023, 25 (3): 510-528.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220637
    摘要398)   HTML13)    PDF (35210KB)(179)   

    研究如何在土地利用变化模拟过程中更为科学、客观地设置模型参数,对于避免复杂模型由于参数设置不当导致模拟效果不佳的问题具有重要意义。本文通过耦合进化算法(Evolutionary Algorithm,EA)与FLUS模型,构建了具有参数寻优功能的EA-FLUS模型。该模型首先通过进化策略对FLUS模型中人工神经网络模型的参数进行寻优,以提升对各土地利用类型出现概率分布的预测准确率,在此基础上结合地理分区,利用带精英策略的遗传算法与进化策略的组合对FLUS模型中元胞自动机模型的参数进行调整,以提升模拟精度。在实证研究阶段,本文以桂林市为实验区,通过对土地利用变化进行分区模拟来分析EA-FLUS模型的改进效果,此外还设置了自然发展、耕地保护、生态优先3种情景来模拟桂林市2020—2030年的土地利用变化。结果表明:① 进化算法对参数的寻优结果相比于基于经验以及土地利用变化历史特征的参数设置,更加贴近实验区的政策导向,更能体现各土地利用类型在不同区域间多样的发展趋势;② EA-FLUS模型相较于FLUS模型,在加入地理分区的土地利用变化模拟中更具优势,其模拟结果总体精度、Kappa系数、FoM系数分别提升0.56%、0.011、0.009,更贴近真实的土地利用格局;③ 桂林市的建设用地与耕地具有较强的扩张趋势,但林地却呈现收缩趋势,进一步加强对生态空间的保护有助于建设用地与耕地扩张速度的减缓。研究结果在丰富现有土地利用变化模拟技术与方法的同时,也可为城市规划、可持续性研究等提供一定的理论基础与科学依据。

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    基于POI大数据的开封市城市功能扩张与演替特征分析
    张慧馨, 张丽君, 秦耀辰, 王静帆, 段杰冉, 田梦男
    地球信息科学学报    2023, 25 (3): 560-672.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220434
    摘要350)   HTML23)    PDF (18703KB)(237)   

    以POI为代表的社会感知数据为精细尺度城市空间结构研究提供了新思路,然而,POI数据与传统光学遥感数据的关系、长时序POI数据表征的城市功能空间扩张与演替特征还有待进一步挖掘。因而,本文以开封市主城区为例,采用2005—2020年POI数据,通过构建城市街区尺度功能集聚-扩散分析框架,利用空间统计指标和区位熵指数分析城市功能的演替特征与复合功能变化。结果发现:① 2005—2020年开封市城市社会经济活动呈逐渐增长的扩张态势,活动空间的面积扩张了11.26 km2,年均扩张速度由2005—2015年的3.5%提升至2015—2020年的5.1%;② 城市各种活动的集聚、扩散过程造成不同功能的演替变化,其中开封市商服功能集聚程度较高,虽然受到新城区商业中心扩散的影响,单中心的城市发展模式依然没有发生变化;③ 具有复合功能的城市街区不断增多,对单中心的城市结构形成有益支撑。复合功能较强的街区主要分布在活力高、居民生活较为便捷的区域。本研究不仅能为城市空间规划的研究提供理论和技术支撑,也为城市更新、可持续发展以及国土空间规划提供新的思路。

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    骑行替代步行后公共交通可达性改善效果评估方法
    高顺祥, 陈珍, 张志健, 陈越, 肖中圣, 邓进, 许奇
    地球信息科学学报    2023, 25 (3): 439-449.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220495
    摘要338)   HTML20)    PDF (15461KB)(124)   

    改善末端的慢行环境是提升绿色交通出行竞争力的关键问题。既有研究多针对出行效率问题分析地面公交末端出行的改善效果,未充分考虑城市公共交通系统与土地利用的关系。本文融合多源交通大数据构建“门到门”精细尺度的公共交通出行链,提出步行和骑行等两种方式下公共交通全过程出行时间的计算方法,据此构建基于累计机会模型的末端出行改善效果的评估模型,研究骑行替代步行后公共交通可达性改善效果。该方法两步计算具有计算量较小和数据更新机制灵活的特点,适应于大空间尺度公共交通可达性研究。基于2020年北京的案例研究表明:骑行替代的公共交通出行时间平均减少315 s,降低幅度达12.8%;末端出行效率的提高改善将进一步提升就业、医疗、餐饮、绿地、购物和休闲等城市居民活动的公共交通可达性,其改善幅度达90%、74%、94%、33%、107%和77%,且改善的区域聚集于中心城区和外围居住组团。另外,公共交通可达性改善效果呈圈层径向递减的空间特征,城市轨道交通作为公共交通的主干网络,就业、医疗、餐饮、绿地、购物和休闲活动提升效果分别为地面公交的1.43、1.43、1.70、1.42、1.70、1.71倍。

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    论网络空间的地理属性与地理学思维
    江东, 高春东, 郭启全, 陈帅, 郝蒙蒙
    地球信息科学学报    2023, 25 (10): 1923-1932.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220169
    摘要330)   HTML50)    PDF (3315KB)(282)   

    随着科学技术的发展与推动,网络空间与人们的日常生活深度融合,已经成为人类活动新的空间形态。网络空间与现实空间有区别、有联系,具有鲜明的地理学特征,地理学的时空关系仍然是网络空间不可或缺的关键要素。因此,将地理学思想应用于网络空间认知,对于刻画网络空间态势、维护网络空间安全具有重要意义。本文回顾了网络空间的产生与发展,剖析了网络空间的基本结构与特征,针对网络空间特征的不同观点,分析了网络空间的地理学属性。从地理学三大定律的视角出发,本文探讨了如何运用地理学思维和地理信息科学的方法描述网络空间,并以网络空间可视化表达、网络空间地理图谱构建与网络空间行为智能分析为例,说明了如何应用地理学思维进行网络空间的分析和研究。探索网络空间的地理学属性与地理学思维,并将地理学技术应用于网络空间防护,可以为网络空间安全综合治理提供新的视角与维度,从而促进新时代网络空间认知水平与治理能力的提升。

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    近10年来犯罪时空预测国内外研究与实践进展
    贺日兴, 陆宇梅, 姜超, 邓悦, 李欣然, 时东
    地球信息科学学报    2023, 25 (4): 866-882.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220808
    摘要315)   HTML34)    PDF (9459KB)(254)   

    基于地点的犯罪时空预测由于不直接涉及个人数据,且可与警务巡逻和精准化治安防控策略有机结合,现已成为预测性警务领域的研究热点和主要实践方向。本文对2013年以来国内外犯罪时空预测的最新进展进行综述,主要工作包括: ① 总结了该领域研究在文献数量快速增加、研究主题日益多元、主要研究群体分布相对集中等方面的总体特征; ② 梳理了犯罪时空预测的目标主体、时间尺度、空间尺度、模型方法、精度评价、实践效果评估六大基本要素的新变化、新指标或新进展; ③ 介绍了常用犯罪时空预测软件及各国预测性警务实践; ④ 探讨了在实践应用的各个阶段所面临的伦理问题及挑战,以及各界为规避此问题做出的尝试; ⑤ 展望了犯罪时空预测后续研究重点。本研究为犯罪时空预测领域勾勒出一个较为全面和清晰的轮廓,可为国内犯罪地理、智慧警务、警用地理信息系统(PGIS)等相关领域的研究者和从业人员提供有益参考。

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    基于3D基元拟合的复杂屋顶点云三维重建
    张文元, 陈江媛, 谈国新
    地球信息科学学报    2023, 25 (8): 1531-1545.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220927
    摘要313)   HTML46)    PDF (11001KB)(249)   

    几何语义一体化三维建筑物模型是智慧城市建设的重要基础数据,有利于促进建筑设施的精细化管理和智能化应用。当前基于点云的三维重建算法大多关注简单屋顶结构的几何模型构建,忽略了模型的语义表达,且基于数据驱动方法的重建结果容易受噪声影响,存在几何和拓扑错误。为了解决复杂屋顶高精度三维重建难题,本文提出一种基于3D基元拟合的复杂屋顶点云三维自动化重建算法。首先,设计了一套可参数化表达的建筑物3D基元库,包含简单和复杂屋顶。其次,通过点云分割和屋顶拓扑图比较来识别点云对应的基元类型。然后,提出了一种点云与3D基元整体拟合的目标优化函数,采用序列二次规划算法估计基元的正确参数。最后,利用城市地理标记语言(City Geography Markup Language, CityGML)构建几何、语义和拓扑一体化表达的三维模型。采用几种不同屋顶风格的建筑物点云数据进行实验,定性和定量对比分析结果表明本文方法能够高效生成几何和拓扑均正确的CityGML模型,对噪声和局部点云缺失具有一定的鲁棒性,有利于促进几何语义一体化建筑物模型快速自动化构建。

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    全息地球数据立方体模型研究
    罗斌, 任丽秋, 毛悦, 史瑞鹏, 诸云强, 吴超伟
    地球信息科学学报    2023, 25 (7): 1282-1296.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.230105
    摘要304)   HTML42)    PDF (13705KB)(219)   

    进入地球大数据与地球人工智能时代,数字地球建模要求也从地表扩展到全域全时全息,而当前数字地球的数据模型还基本停留在瓦片或地球网格剖分数据模型阶段,严重制约了场景化、智能化数字地球应用。本文提出了全息地球概念以及相应的地球数据立方体组织模型,采用全球多级格网参考系统来描述和表达多尺度空间,用平面或立体格元来表达空间位置,将传统“经度、纬度、高程、时间”时空表达发展至“时间粒度、时间覆盖、网格位置、格网尺度”新时空表达体系,并设计了按照“时间—空间—尺度—属性”一致性描述的全息地球数据建模方案,将矢量、栅格、格网、时序阵列、三维模型等多模态数据归纳至一个统一模型中,使得任何引用特定地球数据立方体中的数据值在时间、空间、尺度都是对齐的,解决了全息地球跨专业、多维时空动态场景数据时空融合集成难题,并结合深时数字地球国际大科学计划全球数字化科研平台需求,开发了深时古地形时空动态可视化模拟系统,完成对模型的验证。

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    结构语义辅助约束的数字孪生场景虚实配准方法
    胡校飞, 周杨, 蓝朝桢, 黄高爽, 赵璐颖
    地球信息科学学报    2023, 25 (5): 883-895.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220544
    摘要294)   HTML77)    PDF (17216KB)(267)   

    数字孪生城市通常以实景三维模型为空间数据体,并集成各类传感器的物联感知数据,实现虚实融合目的。作为最常用的传感器类型之一,将城市中的视觉传感器与虚拟的实景三维模型准确地配准是数字孪生城市应用的关键,但是现有方法获取的户外6DOF位姿精度通常不足,致使视觉传感器配准精度不高。本文提出了一种结构语义辅助约束的数字孪生场景虚实配准方法,从图像中提取出包含结构语义信息的铅垂线,并生成虚拟场景的透视图和逆深度图,在逆深度和结构语义的约束下,准确地恢复传感器位姿,实现视觉传感器图像在虚拟场景空间中的融合配准。通过试验证明,该方法可以有效对初始位姿进行优化,进而提高数字孪生城市中视觉传感器的配准精度。

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    多结构要素六边形全球离散格网系统构建方法及应用
    周建彬, 贲进, 丁俊杰, 黄心海, 梁启爽, 何天国
    地球信息科学学报    2023, 25 (11): 2107-2119.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220952
    摘要288)   HTML76)    PDF (9917KB)(169)   

    格网是地理环境数字化离散的数据组织模型。局部投影的平面格网存在适用范围受限、全球扩展困难和单元变形严重等缺陷,而新型多面体全球离散格网大多只关注单元中心,忽视了单元顶点和边的作用,功能囿于数据建模与表达,难以适用于位置相关事件计算。本文首先建立四孔六边形全球离散格网“格心-格点-格边”多结构要素数学模型,推导证明多结构要素的唯一数学描述。然后,依据该数学模型提出格点、格边关联格心的编码运算法则。最后,设计地理环境格网建模和路线计算应用案例证明本文方法的可行性和优越性。结果表明,相较于投影平面格网,六边形全球离散格网的格元变形更小、变形离散程度更小:六边形格元面积、周长和角度形变误差率均小于7.5%,中低纬度区域兰伯特等角圆锥投影格网部分单元面积和周长形变误差率超过10%,高纬度区域墨卡托投影格网面积和周长形变误差率超过60%;相较于单一格元模型,多结构要素能够按事件计算需求准确表达环境信息,更有利于准确计算事件结果。

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    基于注意力机制的城市轨道交通网络级多步短时客流时空综合预测模型
    张金雷, 陈奕洁, Panchamy Krishnakumari, 金广垠, 王骋程, 杨立兴
    地球信息科学学报    2023, 25 (4): 698-713.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220817
    摘要283)   HTML47)    PDF (9406KB)(263)   

    准确、可靠的短时客流预测可为城市轨道交通提供运营决策支持。本研究以基于Transformer机制的LSTM网络、深度注意力模块和CNN网络为基础,提出了城市轨道交通网络级多步短时客流预测模型(STIPM)。该预测模型由3个分支组成,分支一以时间序列进站客流为输入,提出了基于Transformer机制的LSTM网络提取该数据中的时间相关性;分支二以基于时间步的OD数据为输入,提出了深度注意力模块挖掘数据中大量的时间、空间相关性,利用基于时间步的OD数据能够更好地展现站间联系紧密程度和全局信息,从而完成了拓扑网络信息提取;分支三的输入为POI数据,使用CNN网络获取其时空相关性,并作为时间与空间特征之间的纽带。为了保证在预测精度足够高的条件下,获得更长的预测时间和更详细的预测信息,本文采用“神经网络多输出”策略,完成了多步预测任务。本文在2个大规模城市轨道交通真实数据集中对该模型进行测试,并将预测结果与10个基准模型和4个消融实验模型进行对比,在RMSE、MAE与WMAPE评估指标中,STIPM模型均得到最高的预测精度,结果表明该模型具有一定的优越性与鲁棒性。

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    基于街景图像的“三生空间”识别方法研究
    万江琴, 费腾
    地球信息科学学报    2023, 25 (4): 838-851.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220534
    摘要282)   HTML16)    PDF (15585KB)(269)   

    从生产-生活-生态功能角度划分城市空间格局,不仅是国土空间结构优化的基础,也能反映城市用地的内在功能形态和空间组合模式。然而,以往城市“三生空间”的识别主要利用遥感图像、兴趣点和土地利用数据进行,缺少城市内部的立体信息。街景图像可以体现城市内部街道特征,实现街道内部物理环境近距离大规模高分辨率的客观测量。因此,本文基于街景图像提取场景语义特征,提出一种中心城区“三生空间”的识别和特征重要性分析的方法。以成都市四环内为研究区,使用梯度极限提升算法识别城市“三生空间”,进行模型精度对比检验,从道路、格网和交通分析区3个尺度分析研究区“三生空间”的格局分布特征,并引入沙普利加和解释(SHAP)方法探索“三生空间”的特征重要性。结果显示:① 本文提出的基于街景图像识别“三生空间”方法具有较好的效果,模型识别生产、生活和生态空间的R2均达到0.6,表明使用街景图像识别“三生空间”具有可行性;② 分析研究区内的“三生空间”分布格局,研究区内以生产-生活空间为主,数量多且在区域内呈片状分布,以生态空间为主的单元数量少,主要分布在大型公园处;③ 分析7维场景层语义特征的重要性,其中街道开敞度和机动化程度对三类空间形成的影响最大。本研究成果丰富了“三生空间”识别的数据和方法体系,为城市空间结构优化和发展决策提供了新的工具。

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    地理知识图谱下的建筑群空间分布模式推理
    唐曾杨, 艾廷华, 徐海江
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1202-1214.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220761
    摘要275)   HTML23)    PDF (22465KB)(215)   

    以图结构表达的知识图谱不仅在语义网络的描述与推理中发挥着重要作用,对于空间实体的结构化抽象与空间推理也具有重要意义。空间实体的联系信息在知识图谱中以图的边记录,通过路径探测、子图对齐、模式发现等基于边的知识图谱计算推理,在空间场景认知可发挥重要作用。地理知识图谱是一种对地理概念、实体及其相互关系进行形式化描述的知识系统,既有通用知识的内涵与特点,也有地理知识特定的时空特征,能够将语义模型和时空模型联系起来,描述语义关系、空间关系和时间关系,在地理知识的表达、理解、获取与推理方面有巨大的应用潜力。现有地理知识图谱的研究工作多集中于语义方面,语义关系的抽取与表达比较丰富,可以支持进一步的地理知识语义搜索等功能;然而地理知识图谱在时空模型上的知识表达比较缺乏,现有的空间关系局限在要素之间,很少涉及空间认知中进一步的分布态势、空间格局等,地理知识图谱在空间语义知识方面有待增强。本文基于知识图谱构建原理,以建筑群地理知识图谱构建为例,实现格网型建筑物模式的识别。先将建筑物抽象成实体,表达为图的节点,基于几何邻近分析提取建筑物之间的空间邻域关系,以此构建建筑群地理知识图谱;在此基础上结合建筑物模式识别的领域知识,进一步推理构建其他的空间语义关系,完善地理知识图谱;再将建筑群场景的格网模式表达为知识图谱的规则,在知识图谱上基于NoSQL语言进行推理。结果表明,本文方法能有效提取建筑物格网模式,验证了地理知识图谱在空间推理上的作用和在领域问题研究中的良好适应性,为地理知识图谱在空间认知领域的应用提供了思路。

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    基于本体的金矿知识图谱构建方法
    张春菊, 刘文聪, 张雪英, 叶鹏, 汪陈, 朱少楠, 张达玉
    地球信息科学学报    2023, 25 (7): 1269-1281.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.210772
    摘要272)   HTML41)    PDF (13043KB)(232)   

    “地、物、化、遥”等地质矿产勘查和科研工作建立了海量的矿产调查数据,蕴含丰富的成矿构造背景、产出地质环境、矿床地质特征、矿床成因模式等与成矿和分布相关的知识。海量矿产资源相关数据向有效成矿规律知识的转换,已逐渐成为提升地质找矿精度的突破口。本文引入知识工程中本体知识表示技术,开展金矿知识图谱构建方法研究。首先,梳理了金矿成矿模式,确定了金矿概念、金矿实体以及地质特征、成矿特征等属性,运用自顶向下的领域本体知识表示方法构建金矿知识图谱的模式层;其次,基于结构化、半结构化和非结构化的多源异构地质数据源,采用深度学习模型实现金矿信息提取和语义解析,丰富金矿知识图谱的数据层,采用自底向上的方式构建金矿知识图谱;最后,基于图数据库开发了金矿知识管理系统,实现金矿数据管理、知识获取、金矿知识可视化表达、知识库管理、金矿找矿知识查询等功能。本文研究成果可形成“数据-知识”联合驱动的金矿找矿方法,为地质勘查工作中识别、控制和管理矿产资源、提升找矿精度提供参考。

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    厦门市公共出租汽车服务公平性
    姚伟, 赵志远, 吴升
    地球信息科学学报    2023, 25 (8): 1637-1654.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220843
    摘要271)   HTML31)    PDF (20529KB)(196)   

    “公平性”是指社会成员之间权利或分配的公平程度,公平性对于交通规划具有重要的意义。公共出租汽车(含网约车和出租车)服务的公平性主要反映的是局部区域内人群能够享受与人群占比对等服务机会的水平,探索公共出租汽车服务的公平性,能够为优化城市公共出行中的个性化出行服务提供支撑。既有研究中对城市公共出租汽车服务的公平性关注较少,且有关公共服务公平性的度量主要基于静态人口分布进行度量,难以有效顾及城市人口动态对公平性度量的影响。为此,本文顾及动态人口分布数据,利用基尼系数与泰尔指数对仅巡游、仅网约与混合接单的3类接单方式的出租汽车服务的不平等公平性进行计算,结合城市功能区对区域不公平性的贡献进行了分析并提取了具备潜在不公平性的服务区域,以厦门市数据为例对方法进行了验证。结果表明:① 基于静态人口分布计算的厦门市公共出租汽车服务不公平性,相比于基于动态人口的计算结果平均高估27.28%;② 传统由城市交通公共服务机构运营的巡游车服务,其不公平性是由大型移动互联网平台负责运营的网约车服务的1.66倍,新兴移动互联网技术提升了城市公共交通服务的公平性;③ 不同类型城市功能区对公共出租汽车服务不公平性贡献存在差异,厦门市出租汽车的仅巡游车服务中,商业用地贡献了57.49%的总体不公平性,仅网约接单服务中,工业用地平均贡献35.07%的不公平性;④ 厦门市具有岛内和岛外的空间格局,潜在不公平载客服务区域在岛外分布的数量远高于岛内,其中载客服务水平较低但动态人口比例较高的区域较多,平均占比为82.96%;载客服务水平较高但动态人口较少的区域通常位于岛内的自然公园,载客服务水平较低但动态人口较高的区域通常位于岛外的火车站与工业园区。本文提出的研究方法和有关研究结果能够为城市公共出租汽车管理部门优化有关服务公平性提供参考。

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    顾及地理语义的地图检索意图形式化表达与识别
    桂志鹏, 胡晓辉, 刘欣婕, 凌志鹏, 姜屿涵, 吴华意
    地球信息科学学报    2023, 25 (6): 1186-1201.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.230019
    摘要265)   HTML22)    PDF (17684KB)(150)   

    主流地图检索方法多基于元数据文本匹配或图像内容相似度计算,缺乏对用户意图的主动理解,导致检索结果欠佳;而现有意图识别方法无法准确表达与识别复杂地理概念联合约束的地图资源检索需求。为此,本文提出一种顾及地理语义的地图检索意图形式化表达与识别方法,旨在利用相关反馈样本“感知”用户需求,以提升检索精度。该方法通过地理本体约束“意图-子意图-维度分量”模型的构建,实现检索需求的语义化描述;并将意图识别视为组合优化问题,基于最小描述长度准则、顾及地理概念从属关系的样本随机合并策略及贪心搜索实现最优意图识别。实验结果表明,相比基于频繁项集挖掘的RuleGO、决策树的DTHF算法,本文方法具有更高的识别准确度与噪声容忍度;随机合并策略可在不降低识别准确性的情况下有效缩短平均求解耗时;样本增强策略保证算法在样本规模仅为20时仍具有较高识别准确度。该方法可望应用于地理信息门户,提升各类地理信息资源共享与发现的服务品质。

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    基于四叉树算法的“三区空间”形态效率评价方法
    夏俊楠, 魏伟, 尹力, 洪梦谣, 薄立明
    地球信息科学学报    2023, 25 (3): 450-467.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220386
    摘要264)   HTML25)    PDF (49445KB)(128)   

    面向多尺度、全要素、长时序“三区空间”形态效率格局解析及其演化机制分析,构建基于“四叉树”算法的“三区空间”识别方法,以“形态效率值”作为空间形态效率的核心衡量手段,构建统一、可比较的“三区空间”形态效率衡量渠道;运用Dugam基尼系数和空间计量回归分析方法,验证基于“四叉树”算法对国土空间形态描述的有效性,并挖掘形态效率及其变化的影响机制,为宏、中、微观各尺度国土空间的形态监测提供数据适应性强、判别精度高的基础支撑方法。以长江经济带为实证对象,对该典型区域“三区空间”形态效率的特征、变化差异及演化机制进行分析,研究发现:① 近40年来,城镇空间成片开发水平快速提升,形态效率提升0.46,而农业空间集中连片水平剧烈下降0.17,生态空间基本不变;② 长江经济带“三区空间”开发保护存在中西部后发地区城镇空间无序开发、全域农业空间形态破碎以及东部地区大规模侵蚀生态空间完整性的风险; ③ 关注资源环境承载能力脆弱、社会经济处于高速发展阶段、区位条件相对较差地区的“三区空间”形态效率变化,并制定空间结构与形态优化的相关政策,是优化长江经济带三区空间形态效率的关键。

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    COVID-19疫情前后北美五大湖航运网络多尺度时空变化及影响因素研究
    潘佳乐, 信睿
    地球信息科学学报    2023, 25 (7): 1481-1499.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220884
    摘要262)   HTML23)    PDF (17573KB)(152)   

    新冠疫情给全球海洋运输业造成了严重的影响,在后疫情时代航运产业的复苏过程中蕴含新的挑战与发展机遇。现有研究时间跨度不足,无法充分认识航运网络的变化过程,其次,仅对宏观尺度空间格局变化进行分析忽略了网络变化的内在驱动因素。因此本研究基于复杂网络理论、社区探测算法和TOPSIS分析方法,提出一种航运网络多尺度变化分析框架,结合2019—2021年北美五大湖船舶轨迹数据分析整体航运网络、港口群落和港口3个尺度的变化特征。此外,还对各类型航运网络的变化机理进行追踪。研究结果表明:① 网络流量方面,疫情前货轮和牵引船交通量占比达交通量总量的80%,疫情爆发后船舶交通量总量下降22.4%,各类型船舶交通量变化的时期、速度不同,其中,游船与货轮恢复能力强,油船次之,客船交通量降幅超50%为各类最高,受影响严重且恢复能力最弱,后疫情时期交通量总量较疫情前上涨4.4%,表明网络流量恢复能力整体较强;② 网络结构方面,疫情前航运网络随气温变暖呈扩张趋势,港口数量、航线数量递增式上升,疫情后网络结构受损连通性下降,后疫情时期指标值迅速恢复、航线密度增大,期间网络“骨架”未被破坏。整体而言,五大湖航运网络韧性较强; ③ 五大湖地区大型港口群位于各大湖泊内部且空间结构稳定,重要港口位于各大湖泊交界处,疫情前后港口评价值变化过程具有复杂性与不对称性。本研究通过多尺度视角分析网络变化,方法可应用于其他交通网络分析,为从业者认识疫情对航运业的影响提供参考。

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    顾及对象特征的地面式光伏电站提取及减碳效益评估
    于方圆, 曹家玮, 李发源, 李思进
    地球信息科学学报    2023, 25 (3): 529-545.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220680
    摘要261)   HTML3)    PDF (30978KB)(130)   

    准确、高效地获取地面光伏电站的空间部署现状,科学估算光伏电站发电效益及其碳减排成效,对未来光伏电站建设的合理布局与光伏资源的有效利用具有重要意义。本文以我国西部新疆维吾尔自治区、青海省和西藏自治区作为研究区: ① 使用以ResNet50作为骨干网络的ResNet50-UNet网络分割模型自动提取地面光伏电站,在深度学习广泛应用于遥感语义分割/地表覆盖分类的背景下,本文未局限于单一地对网络模型的不断改进上,而同时考虑了如何充分发挥输入样本的自身优势,研究中基于Sentinel-2A遥感影像挖掘光伏电站纹理特征,强调地物固有特征在智能化深度学习中的应用价值,模型提取精度得到显著提升;② 针对提取结果边界精度较差的问题,提出结合ArcGIS和eCognition多尺度分割优化处理光伏电站提取结果的技术路线,高保真还原地面光伏电站真实形态。经后处理优化,提取结果的Kappa系数达93.71%,mIoU值达94.05%;③ 碳减排效益评估时,准确估算光伏电站发电量是进行该工作的重要前提,本文基于光伏电站提取结果,从内部结构复杂的光伏用地中准确提取发电量估算公式中的重要参数之一——光伏方阵面积,实现了大区域范围下光伏电站发电量的有效估算,进一步探究光伏能源与传统化石能源之间的碳源效应,助力我国双碳目标的早日实现。

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    GEE平台下结合滤波算法和植被物候特征的互花米草遥感提取最优时间窗口确定
    巫磊, 吴文挺
    地球信息科学学报    2023, 25 (3): 606-624.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220672
    摘要261)   HTML19)    PDF (35142KB)(133)   

    互花米草的快速入侵严重影响湿地生态系统平衡。因此,精确监测互花米草扩张的时空动态变化过程具有重要意义。尽管现有基于植被物候特征的互花米草遥感提取方法,避免了光谱特征相似性引起的分类误差,但受到云和潮汐的严重影响,难以获取大尺度湿地植被提取特征信息。本文提出一种结合最大值合成法和Savitzky-Golay(S-G)滤波算法提取互花米草关键物候特征,减弱大尺度云和潮汐对时序遥感信号特征的影响,精准重构符合植被生长趋势的NDVI时间序列数据。通过获取关键物候特征,确定互花米草提取的最优时间窗口,基于Google Earth Engine(GEE)平台精准获取互花米草空间分布状况并分析典型地区的互花米草空间分布特征。研究结果显示,生长季初期(6—7月)为互花米草提取的最优时间窗口,该时期总体分类精度为89.81%,Kappa系数为0.88,相比其他时期的总体分类精度提高10.09%,Kappa系数提高0.11。互花米草提取结果表明,2020年福建省互花米草入侵面积总计100.78 km2,主要分布在宁德、福州、泉州以及漳州等地。其中,宁德市互花米草分布面积最广,共计38.08 km2,占全省互花米草分布总面积的37.79%。福建沿岸的互花米草在空间分布上呈现多种地理特征,在半封闭型海湾和河口地区的沿岸附近主要以连续的条带或片状斑块分布,而在低潮位区域则多是零星斑块。本文研究成果能为互花米草扩散的长时期、大范围空间监测提供可行性方案,为湿地植被精准提取提供技术支撑,为实现海岸带资源的高质量可持续利用提供数据基础。

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    融合多特征的轨迹数据自适应聚类方法
    刘敬一, 彭举, 唐建波, 胡致远, 郭琦, 姚晨, 陈金勇
    地球信息科学学报    2023, 25 (7): 1363-1377.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.230066
    摘要259)   HTML19)    PDF (7943KB)(126)   

    轨迹聚类是空间数据挖掘领域的一个研究热点,对城市交通规划、路网结构提取与更新等具有重要意义。轨迹聚类包括轨迹相似性度量和聚类参数设置2个核心问题。然而,由于轨迹的形态结构特征复杂,现有轨迹相似性度量指标存在对噪声敏感或未充分考虑轨迹运动方向一致性的问题,且大多数聚类算法仍需人为设置参数,聚类挖掘结果的质量受到用户主观经验的影响。针对上述问题,本文提出了一种融合多特征的移动轨迹自适应聚类方法。首先,通过融合轨迹的空间邻近性和运动方向特征定义了一种对噪声鲁棒的轨迹相似性度量指标—DSPD距离;在此基础上,通过扩展Ward层次聚类方法提出了一种基于中心轨迹概念的空间层次聚类算法,该算法使用DSPD距离作为相似性度量指标,利用聚类特征曲线自动确定最佳聚类参数。以11组模拟轨迹数据和武汉市真实轨迹数据为例进行实验与分析,结果表明,本文方法在顾及空间邻近性的基础上,可以有效区分不同移动方向的轨迹簇,同时,利用轨迹数据特征自动确定聚类参数,降低了挖掘结果的主观性。

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    黄土高原地形破碎化探测及空间异质性分析
    董勇, 周亮, 高鸿, 王宝
    地球信息科学学报    2023, 25 (8): 1625-1636.   DOI: 10.12082/dqxxkx.2023.220892
    摘要252)   HTML35)    PDF (12874KB)(183)   

    地形破碎化是导致多山地区空间连通性和可进入性差的重要因素,严重制约了区域交通可达性和城乡一体化发展。研究以沟谷密集、地形高度破碎的黄土高原为例,基于DEM数据从整体破碎、正负地形和地形过渡构建地形破碎化指标体系,分别采用空间聚类方法AZP-SA(Automated Zoning Procedure-Simulated Annealing)和客观赋权方法CRITIC(Criteria Importance Though Intercrieria Correlation)生成县域地形破碎化空间分区和评价分级,探讨了黄土高原地形破碎化的空间异质性。研究结果表明:① 地形破碎化指标在空间上普遍表现为连片集聚分布特征,其中高程标准差、地形起伏度等指标的高值单元主要位于陇中高原和秦岭附近区域,低、中值单元主要分布在六盘山-渭河以北区域;② 黄土高原可划分为空间上连续的8个地形破碎化分区,面积最大的4个分区位于高原中部的陕北高原、吕梁山脉以及北部的鄂尔多斯高原等地区,占总面积比例为66.37%,呈倾斜“田”字型分布;其余分区位于高原西部和东南部边缘,面积较小、形状狭长,表明黄土高原地形破碎化的空间分异具有中心区简单、边缘区复杂的特点;③ 黄土高原地形破碎化程度可划分为5级,高破碎化区域占高原总面积的13%,主要分布在陇中高原和秦岭山脉北部,中等和较高破碎化区域面积占高原总面积的55%,主要分布在高原中东部的陕北高原和山西高原,地形破碎化呈现西部高、北部低的整体空间分布特征。本研究可为黄土高原城乡一体化发展政策的制定、交通基础设施规划提供一定的借鉴。

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