流域过程模拟是地理学研究和流域科学管理的有效工具。在应用需求的推动下,长时段、高空间分辨率的多过程综合模拟逐渐兴起,流域过程模拟所需的计算量越来越大,亟需借助并行计算技术来提高效率。流域过程模拟并行计算的现有研究,大多为针对特定模型的个例研究,缺乏对指导各类流域过程模型并行计算的共性思路和原则进行讨论和梳理。首先,对可指导流域过程模拟并行计算的地理规律进行了分析,从空间、子过程和时间3 个角度,探讨了空间等级层次结构、空间相互作用、子过程间依赖关系、时空动态变化等地理规律,对流域过程模拟并行计算的指导作用;然后,根据地理规律在并行计算中所发挥作用和适用范围的不同对其分类;最后,结合2 个实例,对地理规律的流域过程模拟并行计算进行了分析和验证,旨在对流域过程模拟并行计算理论和方法的发展与应用提供借鉴。

影像金字塔是实现影像数据多分辨率组织的重要方式,是提高影像可视化性能的有效手段。传统串行金字塔构建算法,对大规模影像数据的构建性能已无法满足遥感影像快速浏览的预处理需求。故此,其成为一个亟待解决的问题,而利用多核、多节点的高性能集群计算环境和并行机制是一个重要的技术途径。本文在共享外存的高性能集群环境下,提出使用消息传递接口(MPI)的金字塔并行构建算法,对构建遥感影像金字塔过程中的重采样与I/O 过程进行并行处理,大大缩短了遥感影像金字塔构建时间。实验结果表明:(1)该算法比传统串行构建方法的加速效果明显,对于单波段遥感影像,其加速效果可达到GDAL的5 倍以上,而对于多波段遥感影像,加速效果可达到GDAL的2 倍以上;(2)遥感影像数据量越大,并行构建算法加速效果越显著,对于大规模的遥感影像,本文提出的金字塔并行构建算法的速度可达到GDAL的10 倍左右。

异常轨迹检测是移动对象数据挖掘的一个重要研究领域。TRAOD(TRAjectory Outlier Dectection Algorithm)算法是一种经典的异常轨迹检测算法,但它对于海量轨迹数据的异常检测效率低。为提高海量轨迹数据集的异常检测效率,本文提出了一种利用MapReduce 的异常轨迹检测并行算法(Parallel algorithm for TRAjectory Outlier Detection, PTRAOD),并在此基础上提出了网格索引的异常轨迹检测并行算法(Grid-based Parallel algorithmfor TRAjectory Outlier Dectection, GPTRAOD)。GPTRAOD算法在PTRAOD算法的基础上,利用网格索引实现区域查询,进一步提高算法效率。将PTRAOD算法和GPTRAOD算法在Hadoop 平台上加以实现,结果表明:本文提出的2 个并行检测算法,能实现异常轨迹的检测;GPTRAOD算法的效率优于PTRAOD算法;GPTRAOD算法具有较高的可扩展性和较好的加速比。

目前,地理空间数据面临着由于数据量膨胀和计算量高速增长而引起算法效率低的问题,采用"分而治之"的数据分组策略提高运算效率已成为研究的热点。面向分布不均匀的线数据,本文提出了基于密度的线数据分组算法(简称LGAD)。首先,算法通过查找高密度区提取样本线段,保证了分组算法的起点落到高密区;其次,考虑线空间拓扑关系的复杂性,引用水平、垂直和夹角距离度量线段间距离,创建样本线段与其他线段的距离矩阵;最后,以距离矩阵和最优选择方法实现数据负载均衡分组。实验结果显示,对数据分组和分组后数据进行线段聚类的2个过程中,该算法体现了较好的时间优势,与串行计算相比,在分组数为2-12 时,平均比率达4.3,提高了应用的响应速度,具有较好的实际意义。

目前,空间关系查询中常用的Plane Sweep 算法是一种串行方法,而关于多核CPU的并行查询算法,在面对海量数据查询时,由于CPU核心数及线程数量的限制,其难以满足查询效率需求。针对该问题,本文提出了一种全新的异构多核架构多边形图层间空间关系查询的并行算法。首先,利用STR 树索引过滤不相交的多边形;然后,对过滤后多边形的线段构建四叉树索引,利用CPU+GPU架构并行计算线段的相交以判断多边形环间的拓扑关系;再根据环间的拓扑关系计算多边形间的维度扩展九交模型(DE-9IM)参数值,据此确定多边形间的空间关系;最后,通过实验验证了该算法的准确性和高效性。实验表明,本算法能有效缩短大数据量的空间查询时间。在实验中逐渐增加目标数据集和源数据集多边形的数量,当两数据集都为50 000 个多边形时,以包含关系为例,相比于ArcGIS,本文提出的算法可达到2 倍的加速比。

从并行地理算法的正确性评测、性能评测、评测流程和评测工具实现等角度,研究了高性能集群环境下的评测技术。在正确性评测假设基础上,将评测用例在不同进程数环境下的计算结果与该算法在单进程环境下的运算结果逻辑求差得出相对误差,提出了问题规模计算方法。根据评测用例的问题规模确定评测用例的权重,提出了性能指标和评测流程,并通过评测工具自动获得同一个并行地理计算算法。在多个不同评测用例下的评测指标来衡量算法的计算误差与性能,形成评测报告。经实验验证,本文方法能较好地满足并行地理计算算法评测的需求,为并行空间分析算法性能优化提供技术保障。

地形颜色渐变渲染是表达地形起伏变化或其他地学要素空间分布变化趋势的常用方法。在三维地学交互分析系统中观察分析三维地学信息时,需要依据观察位置和分析区域的范围大小不停地变化视角和视距。当观察距离很近时,利用包含一定颜色数的色带渲染地形会出现明显的颜色分层现象,不能很好地表达地形颜色的光滑过渡。针对三维地学交互分析系统对地形颜色渐变渲染的操作需求和存在的问题,分析了RGB和HSL两种颜色模型的特点,顾及OpenGL的颜色平滑过渡原理,在RGB颜色空间通过对所有颜色分量进行线性插值实现了地形双色渐变渲染,在HSL颜色空间通过固定饱和度、亮度,对色相进行线性插值实现了地形多色渐变渲染,并通过加入光照计算来增强地形颜色渐变晕渲的三维立体效果。实验结果表明:本文方法能很好地兼容OpenGL 的平滑着色,实现三维交互环境下任意距离观察地形均能保持颜色之间光滑渐进过渡,达到更为光滑的地形颜色渐变渲染效果。

百度等按照时间或焦点的传统新闻检索方式，缺少对新闻事件在时间维度和空间维度及时空发展规律上的组织和表达。鉴此，本文提出了一种在时间和空间维度对在线简易信息聚合（Really Simple Syndication，RSS）新闻进行多维描述和时空可视化的方法，帮助用户全面、直观理解焦点新闻事件的时空发展过程及趋势。该方法从新浪、百度和Google等多家网站的RSS新闻服务中抽取新闻，将新闻报道时间近似为新闻事件发生时间进行时间维度描述，动态解析并识别新闻概要中的中文地名词汇，进行地址匹配和空间定位，完成新闻事件空间维度描述。以H7N9禽流感热点新闻为例，本文通过过度颜色、统计折线图进行时间维可视化表达，以大小渐变的圆形符号进行空间维可视化表达，多维度描述并展示了H7N9禽流感新闻事件的发展过程和趋势。

在高精度建模方法越来越丰富的背景下，三维城市场景往往具有较大的场景规模和较高的复杂性，因此，当单台计算机难以满足实时绘制的需求时，多采用更加适合超高分辨率大屏幕显示的Sort-First方式进行并行绘制。针对现有研究性能量化分析的缺乏，及自适应负载平衡方法的缺陷，本文通过Sort-First并行绘制系统的加速比模型，分析绘制节点数、显示分辨率、网络传输速度、任务划分等因素对系统性能的影响，以及将绘制时间和传输时间的和作为反馈，对现有负载平衡策略进行了改进。本文给出了系统达到最高加速比，即负载完全均衡理想情况下的一个量化的必要条件。最后，基于Sort-First的并行绘制实验验证上述分析。实验结果表明：本文的改进加强了各节点的负载平衡性，在一定程度上提高了性能。

锡林郭勒盟为我国北方典型草原区，草地的退化与恢复影响生态系统的防风固沙服务功能。为了便于制定区域生态恢复的防治措施，实现草地生态系统的可持续发展与防治土壤风蚀危害，本文基于气象、遥感数据，运用RWEQ（Revised Wind Erosion Equation）模型，结合锡林郭勒盟的草地覆盖度变化对20世纪90年代以来的防风固沙服务功能的时空变化趋势进行了定量评估，并分析了草地覆盖度变化对防风固沙服务功能的影响。研究表明：锡林郭勒盟土壤风蚀以微度和轻度侵蚀为主，主要集中在植被盖度较高、降水相对较多，风场强度相对较低的东部、中部和南部地区；中度以上区域主要集中在西部的荒漠草原区与浑善达克沙地区，且侵蚀面积随侵蚀强度的增加而递减；防风固沙服务功能量的分布趋势与土壤风蚀模数的分布趋势基本一致；防风固沙服务功能保有率的分布特征与植被盖度的分布特征基本一致，表现为由西北到东南逐渐增加的趋势；在气候暖干化背景下，受京津风沙源治理工程实施的影响，以微度和轻度侵蚀为主的草地覆盖度减小区转为以微度和轻度为主的覆盖度增加区，轻度和中度以上侵蚀为主的草地覆盖度减小区转为基本持衡区；草地覆盖度的降低与增加对土壤风蚀的加剧和抑制作用明显，大部分地区的防风固沙服务功能保有率的下降（提升）与风蚀季节草地覆盖度的减小与提升呈显著正相关（r>0.6，p<0.05）

大气二氧化碳是开展全球气候变化和碳循环研究的关键数据。卫星遥感技术与模式模拟相结合的反演方法已成为获取该数据的重要手段，但模式输入参数本身的误差会对大气二氧化碳反演精度产生影响，须在反演算法设计中加以关注。本文利用RTTOV10快速辐射传输模式模拟Aqua/AIRS红外探测仪17个大气二氧化碳反演通道，计算了这些通道上大气顶出射辐射对温度廓线、臭氧廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率的参数误差的不确定性，并与二氧化碳增加0.5%时造成的不确定性进行对比，分析二氧化碳对上述参数误差的敏感性。结果表明，温度廓线误差是干扰AIRS大气二氧化碳反演的主要因素，其次是臭氧廓线误差，而水汽廓线、地表温度和地表发射率的误差对二氧化碳反演的影响在除去个别通道后可忽略不计。最后，本文以通道为单位，确定了各通道上的高敏感参数、敏感参数和不敏感参数，为二氧化碳反演通道的选择和反演算法的设计提供了参考。

传统空间插值方法可获得福建省区域内降水的总体分布，但该地区气象站点较稀疏且分布不均，导致该区域内降水的空间插值结果误差较大。为提高插值精度，本文利用TRMM卫星数据以弥补站点数据的不足，尝试将TRMM数据作为“软数据”、台站数据作为“硬数据”，两者相结合后采用贝叶斯最大熵（Bayesian Maximum Entropy，BME）方法对福建省降水的时空格局进行分析。以2000-2012年近13年20个气象站点的年降水量和月降水量为基础数据，分别利用普通克里格法（Ordinary Kriging，OK）和TRMM为“软数据”的BME插值法，分析福建省多年降水的时空分布格局，并对2种方法的插值结果进行比较。结果表明：在时空分布上，以TRMM数据为辅助变量的贝叶斯最大熵插值结果能更好地体现降水的局部差异特征；在误差评价上，以TRMM数据为辅助变量的贝叶斯最大熵插值结果的MAE和RMSE较小，表明TRMM数据作为“软数据”参与插值的BME方法可以在一定程度上弥补站点数据的不足，有效降低预测结果的绝对误差。通过对福建省降水插值的时空分布格局分析和误差评价可看出，BME插值法通过对基础台站数据，以及TRMM卫星产品数据的利用，使降水的时空分析结果更加真实客观，同时，为TRMM卫星降水数据的应用提供了一个新思路。

三维GIS是当今乃至未来GIS技术的主要标志性内容之一，它突破了空间信息在二维地图平面中单调表现的束缚，为各行各业以及人们的日常生活提供了更有效的辅助决策支持。本文重点介绍了三维GIS的数据模型、数据库管理和可视化分析等关键技术及其研究进展，并以武汉市为例展示了三维GIS对城市立体空间的整体表达，为大城市、全市域的三维数字城市建设奠定了基础，最后探讨了在智慧城市建设与城市安全中三维GIS将发挥日益重要的时空信息承载引擎与空间智能技术支撑作用。

分治法采用分解-解决-合并的问题处理模式，应用于多边形合并算法能规避结点累积效应，与经典的“滚雪球”处理模式相比能有效提升多边形合并算法的计算效率。本文以多边形合并算法为研究对象，首先通过分析基于Vatti算法实现的多边形合并算子的效率相对于多边形顶点数的变化特征，指出合并过程中的结点累积效应是“滚雪球”多边形合并模式的潜在性能瓶颈和隐患。考虑分治法的“分而治之”思想在解决多边形合并问题上的适用性以及在归并排序算法中表现出的高效率，提出分治法的多边形“树状”合并处理模式，实现了面向要素集合或者要素层的多边形快速合并算法，最后给出了面向多边形合并的算法效率提升评价模型。实验结果显示，当仅有400个多边形时，“滚雪球”模式的时间开销约是“树状”合并模式的26倍，当需要合并11 200个多边形时，前者的时间开销约是后者的926倍。因此，基于分治法的多边形树状合并策略是对多边形合并算法以及应用到多边形合并算法的高级空间分析算法进行优化的可行途径。

南海占我国海洋国土的2/3，不仅是中国国家安全的天然屏障和重要的出海口与战略通道，而且是我国未来重要的能源接续区与资源基地、地缘政治经济问题的多发区。对南海争端发展态势进行空间分布与关联性GIS分析，是重要的辅助决策支持。结果表明：（1）文献研究和网络爬虫等方法可以快速有效地获取南海争端历史地理数据，GIS技术能够对南海争端历史地理数据进行时空变化的深入分析；（2）就争端事件的时间分布而言，事件数量随时间推进呈现显著增长，个别发生重大南海争端事件的年份出现突增的现象；（3）就争端事件的空间分布而言，与越南及菲律宾相关的南海争端事件尤甚，其他周边国家则相对较少，这主要源于越菲两国的战略利益与南海所在区域交叠，使得越菲不断挑起事端；（4）越南、菲律宾与马来西亚等国的利益诉求区主要位于南沙群岛，各国诉求区分布明确，局部交错。网络GIS技术丰富了历史地理研究的途径，为其提供了新的思路和方法。

数据密集型的地学研究离不开数据资源和信息平台的支撑，因此，实施地球系统科学数据共享具有重大意义。早期地球系统科学数据共享服务主要以政府行为为主，集中数据汇交，存在数据服务负载不均衡、数据整合模式单一、数据服务效果不明显等突出问题。随着Web 2.0理念的提出，以及云计算等技术的出现，数据共享模式发生了巨大的变化。本文提出基于云计算的地球系统科学数据共享概念模型。通过提供基础设施即服务（IaaS）、数据资源即服务（DaaS），以及数据功能即服务（SaaS）实现共享服务模式的转变，将死板的数据转为灵活的服务。在“数据云”中，用户既是数据的使用者也是数据资源的提供者，通过提供数据发布、数据需求发布、数据发现与共享、需求发现与反馈等功能，解决数据共享中“用户-数据”之间的矛盾，并激励普通科研工作者贡献自己的数据，保障数据资源有效、可持续整合。最后，构建了原型系统用于验证该框架，形成了一个“人人都是数据的提供者，人人都是数据的使用者”的数据共享服务环境。

自HJ-1双星成功发射后，两台设计原理完全相同的CCD相机分别搭载在HJ-1A、HJ-1B星上，其覆盖范围广、回访周期短，具有较高的空间分辨率和光谱分辨率。波段间的配准误差是评价影像质量的重要指标之一，也是传感器研发的一项重要参数。因此，对遥感多光谱影像进行波段间配准误差评价是十分必要的。本文以山东省东营市辛安水库库区为对象，提出了一种基于特征地物计算HJ-1卫星CCD波段间配准精度的算法。辛安水库形状独特，有多条条状水体和拦水坝且相互交叉排列。基于HJ-1 卫星CCD相机4个波段的水库影像，分别提取出水库在沿轨和跨轨方向的像元响应与像元位置的关系，利用响应曲线中的峰、谷位置，计算出同名特征点在不同波段图像中的位置。根据位置的差异，计算出HJ-1卫星CCD相机波段间配准在沿轨方向和跨轨方向的实际偏移量。从而实现对影像波段间配准精度的评价。

生态过程模型已成为探测陆地植被对气候变化响应的重要手段之一，最适温度作为模型模拟过程中的一个重要参数，其准确性对模型模拟结果有重要影响。本研究以2001-2010年MODIS-NDVI、2001-2010年气象台站温度数据，以及2000年土地覆盖数据，结合前人研究的成果，将最适温度定义为适宜植物生长温度上下限之间所有月均温度的均值，并从植被类型角度出发，探讨不同植物生长的最适温度，以期为生态过程模型的改进提供参数优化方案。研究表明，不同植被类型植被生长的最适温度存在较大差异。常绿针叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、落叶阔叶林、混交林、灌丛、草地、农田和建设用地的最适温度，依次为22.4℃、23.4℃、14.1℃、19.5℃、20.7℃、22.6℃、15.4℃、24.8℃和25.6℃。

属性数据空间化是利用矢量数据生成栅格数据产品的有效方法，它有助于不同来源、不同格式之间的数据的综合分析。空间化是一种必然有误差伴随的过程，为探讨空间化误差与数据源密度、空间化模型方法，以及空间化分辨率之间的关系，本文利用7种水平的气象站点密度、5种空间化模型方法和19种栅格分辨率分析多年平均气温数据空间化误差与这3类影响因子之间的关系。分析发现：（1）气象站点密度的降低导致多年平均气温数据的空间化误差增加；（2）在IDW、Kriging、Adjusted IDW、Regression和Anusplin 5种空间化模型方法中，Adjusted IDW、Regression、Anusplin比IDW、Kriging的精度高；（3）随着栅格分辨率的变粗，多年平均气温数据空间化误差增大；（4）在影响空间化精度的3类因子中，空间化模型方法对空间化精度的影响最大，栅格分辨率次之，气象站点密度的影响最小。通过多元回归分析，建立了多年平均气温数据空间化误差与这3类影响因子之间的定量模型，可为空间化技术方案的制定提供参考和依据。

全景可为观察者提供某一地点360度方位的景观浏览，已广泛用于街景建模、数字校园等。但这类全景影像目前还缺乏对场景中目标的量测分析，不具备可量测性。而已有的三维全景重构方法采用了常规的多方位影像序列，影像之间定位计算复杂，需大量控制点，并结合光束法平差解算，虽然结果较好，但因其复杂不适于一般性景观浏览中量测应用。事实上，全景本身即是一种建模表达方式，可提供全方位景观浏览，其获取数据便捷，表达方式简捷，如果具备可量测性，则可为3D GIS提供一种较好的景观表达方法，作为对现有三维对象建模方式的补充。本文提出一种简便的立体全景的三维量测方法，通过构建球形全景投影下的相对定向、绝对定向及量测等算法解决景观浏览中的量测性问题。实验以实地采集的全景影像数据为背景，阐明球形全景三维模型构建的方法与计算过程，并对所提出的算法进行了有效的验证。