本文选取环长株潭城市群为研究区域,以Landsat TM影像解译后的土地利用数据、MODIS影像计算的植被指数,以及人口、经济和气候数据等为数据源,基于“压力-状态-响应”框架模型构建湿地生态安全评价指标体系对该区域2000-2010年湿地生态安全进行综合评价。结果表明：（1）环长株潭城市群2000、2005、2010年湿地生态安全指数均值分别为0.7268、0.7151和0.7196,湿地生态安全状态“良好”,生态安全等级程度为“较安全”。（2）环长株潭城市群区域差异性明显,一级湿地生态安全区主要分布在洞庭湖周边,二级湿地生态安全区沿主要河流分布,三级湿地生态安全区主要分布在2个或3个城市之间的交界区域。（3)研究期间环长株潭城市群湿地面积变化明显,该区域湿地总面积逐年减少;森林沼泽、草本沼泽、湖泊、河流、水田的斑块分维数均呈增加趋势;水库/坑塘、河流破碎度指数明显高于其他景观类型,湿地生态系统服务价值总体减少。在此基础上,从土地利用变化与转型、湿地景观结构与功能、自然因素等方面对影响该区域湿地生态安全的主要驱动因子进行了分析。结果表明,人类社会经济活动直接作用于湿地生态环境,通过改变区域景观和土地利用结构使湿地面积发生变化,直接影响湿地生态安全。气温、降水等气候因素通过改变水热状况和植被覆盖,间接影响湿地生态安全。针对该区域湿地生态安全存在的问题,建议在发展过程中正确处理好经济与生态环境之间的关系,尽可能减少人类活动对湿地生态环境的干扰。
同其他卫星相比,NOAA卫星搭载的AVHRR积雪产品,具有长达10 a的长时间序列数据集,能够应用于长时间、较大区域范围的积雪覆盖变化分析。由于不同卫星使用的反演算法,波谱宽度和大气订正等不完全相同,故需对不同卫星积雪产品数据集进行一致性检验,将卫星积雪产品更好地应用于气候分析研究。本文采用一种新的评估方法,对空间分辨率为0.05o×0.05o的AVHRR积雪产品与IMS和MOD10A1积雪产品,分别在空间和时间变化上进行对比分析,对AVHRR积雪产品数据集进行检验,发现AVHRR与MODIS积雪产品具有较好的一致性。
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。
人类个体/群体移动特征是多学科共同关注的研究主题。移动定位、无线通讯和移动互联网技术的快速发展使得获取大规模、长时间序列、精细时空粒度的个体移动轨迹和相互作用定量化成为可能。同时,地理信息科学、统计物理学、复杂网络科学和计算机科学等多学科交叉也为人类移动性研究的定量化提供了有力支撑。本文首先系统总结了大数据时代开展人类移动性研究的多源异构数据基础和多学科研究方法,然后将人类移动性研究归纳为面向人和面向地理空间两大方向。面向人的研究侧重探索人类移动特性的统计规律,并建立模型解释相应的动力学机制,或分析人类活动模式,并预测出行或活动;面向地理空间的研究侧重从地理视角分析人类群体在地理空间中的移动,探索宏观活动和地理空间的交互特征。围绕这两大方向,本文评述了人类移动性的研究进展和存在问题,认为人类移动性研究在数据稀疏性、数据偏斜影响与处理、多源异构数据挖掘、机器学习方法等方面依然面临挑战,对多学科研究方法的交叉与融合提出了更高要求。
空天地一体化对地观测网不仅是最具发展前途的高新技术领域之一,也是保障国家安全、经济社会发展的重要基础设施。本文首先全面论述了对地观测网研究的主要理论问题、关键技术、发展现状和趋势;然后,介绍了国产卫星遥感数据的一体化综合快速处理技术,在此基础上论述了广义空间信息网格的概念和内涵;最后指出,需以提供快速、精确和实时的空间信息服务为目标,加快开展对地观测网的理论与技术研究,推进数字地球走向智慧地球的转变。
高分辨率遥感影像的目标分类与识别,是对地观测系统进行图像分析理解,以及自动目标识别系统提取目标信息的重要手段。本文综述了当前国内外在可见光、红外、合成孔径雷达和合成孔径声纳等遥感影像的目标分类与识别的关键技术和最新研究进展。首先,讨论了高分辨率遥感影像的目标分类与识别问题的主要研究层次和内容;其次,深入分析了高分辨率遥感影像目标分类与识别,在滤波降噪、特征提取、目标检测、场景分类、目标分类和目标识别的关键技术及其所存在的问题;最后,结合并行计算、神经计算和认知计算等技术,讨论了目标分类与识别的可行性方案。具体包括：（1）高性能并行计算在高分辨率遥感图像处理的主流技术,并给出了基于Hadoop+OpenMP+CUDA的高分辨率遥感影像混合并行处理架构;（2）深度学习对于提升目标分类和识别精度的应用前景,以及基于深度神经网络的多层次遥感影像目标识别方法;（3）认知计算在解决遥感影像大数据不确定性分析的模型与算法,并讨论了层次主题模型的多尺度遥感影像场景描述方案。此外,根据媒体神经认知计算的相关研究,探讨了遥感影像大数据的目标分类和识别的发展趋势和研究方向。
叶面积指数表征叶片的疏密程度和冠层结构特征,体现植被光合、呼吸和蒸腾作用等生物物理过程的能力,是描述土壤-植被-大气之间物质和能量交换的关键参数。目前多种卫星传感器观测生成了多个区域和全球的叶面积指数标准产品。本文综述了基于光学遥感数据的叶面积指数反演进展:首先,介绍了叶面积指数的定义和在生态系统模拟中的作用;然后,阐述了基于光学遥感反演叶面积指数的基本原理;在此基础上,论述了基于植被指数经验关系和基于物理模型的两种主要遥感反演算法,讨论了2种算法的优点和存在的问题,并总结了现有的主要全球数据产品及其特点,论述了产品检验的方法和需要注意的问题;最后,总结了当前叶面积指数反演中存在的问题,并展望了其发展趋势和研究方向。
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”。
矢量地理数据的高效组织管理是空间数据应用的关键问题之一。矢量地理数据服务作为一种重要的公众空间信息服务，已经得到广泛应用。公众对矢量地理数据服务性能提出了越来越高的要求，包括实时响应、高并发、高吞吐量等。当前的矢量地理数据服务后台数据存储组织，通常基于磁盘和关系数据库，其在面对公众日益增长的需求时已经显得力不从心。本文提出了一种以内存数据库Redis的轻量级矢量地理组织方法，能在高并发情况下有效提高矢量地理数据服务性能。论文首先分析了Redis的存储机制，设计了矢量地理数据库的分层组织模型，利用Redis丰富的数据结构对矢量地理数据及其相关元数据进行存储管理，然后，以网格索引为例，设计了Redis的空间索引，最后，设计Redis的矢量数据引擎原型系统，并进行了实验验证。结果表明，Redis的矢量地理数据库显著提高了响应速度，且并发性能更好，可广泛应用于大型空间数据库前端高速缓存和高性能空间索引库。
网络文本蕴含大量隐式地理空间信息,为地理知识获取与知识服务提供了巨大潜能。地理知识图谱是将传统地理信息服务拓展到地理知识服务的关键,也是网络文本蕴含地理信息采集与处理的终极目标。本文系统评述了开放地理语义网、开放地理实体及关系抽取、地理语义网对齐、知识图谱存储方法等地理知识图谱相关主题的研究进展,从网络文本蕴含地理空间信息量与质量评价、地理信息语义理解、空间语义计算模型和异构地理语义网对齐等方面剖析了目前亟需解决的关键科学问题。
城市交通拥堵严重制约其网络总体效率。开展检测交通拥堵点可有效识别网络瓶颈,以整治交通拥堵现象。对此,本文提出一种新的城市交通时空拥堵点检测的方法:即采用实时路况数据,通过定义时空关联,检测时空意义上长期性、规律性交通拥堵点。本文基于DBSCAN(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法,以成都市为试验区,实现了这种拥堵点检测方法。试验表明,该方法可快速、有效、准确地检测出城市道路严重拥堵路段,并确定其拥堵时空范围,为交通管理、交通拥堵机理分析、交通拥堵预测等提供参考。
国内生产总值（GDP）是衡量地区经济发展水平的重要指标,GDP的空间化可以为灾害风险分析等多学科交叉研究提供基础数据。空间化代用数据的选择是社会经济统计数据空间化的关键,本文以京津冀地区作为研究区,将夜间灯光、全球人口密度（LandScan）和亚洲人口密度（AsiaPop）空间分布信息作为代用数据,将市级GDP统计数据空间展布到栅格单元,以绝对误差、相对误差和均方根误差为指标,利用县级统计数据对展布结果进行误差分析,并对比3种数据对GDP空间模拟的表达效果。结果表明：相对于夜间灯光和LandScan数据,AsiaPop模拟得到的综合误差最小;基于夜间灯光和LandScan的GDP空间展布误差格局比较接近,即存在经济较发达的市辖区GDP值被低估、市郊区县GDP被高估的误差“两极区”倾向,而基于AsiaPop的GDP空间展布误差格局与经济发展水平关系不密切。因此,利用单一代用数据很难合理地反映经济活动的空间分布,综合夜间灯光、人口密度、道路和建筑物等多源空间数据是提高GDP空间展布精度的发展趋势。
轨迹数据作为泛在地理信息环境中社会遥感数据的主要表现形式之一,为从个体的视角研究群体的空间移动规律,提供了新的数据支撑和研究思路。特别是在当前的大数据背景下,通过轨迹数据发掘人类的移动规律和活动模式,进而探求蕴含的深层次知识,是解决城市问题的重要途径,轨迹数据挖掘也由此成为地理信息科学及相关学科的研究热点。本文首先阐述了人类移动规律研究常用的轨迹数据集及在该数据集上开展的相关研究和典型应用;然后从城市空间结构功能单元的识别及城市韵律分析、人类活动模式的发现与空间移动行为预测、智能交通的时间估算与异常探测、城市计算的其他4个方面,综述了轨迹数据挖掘在城市中的应用;最后,指出了轨迹数据挖掘面临的挑战和进一步的发展方向。
城市空间与居民行为不断交互,相互影响。探究城市空间中的群体活动分布及其时空变化能够帮助数据驱动的城市规划与城市治理。基于大数据的时空间群体活动研究是当前时空大数据研究的一个热点。本文以深圳市为例,基于约1000万手机用户在某一工作日的基站尺度的手机定位数据,识别用户停留位置和停留活动,重建活动语义信息,分析用户的停留点和停留活动的分布差异,研究群体活动的时空分布模式,探讨人群活动模式的多样分布特征。研究表明：停留位置和活动分布存在差异,每人每天平均的停留个数约为2.1个,而每人每天平均从事的活动约为3.4个;不同类型的活动在时间上存在波动;群体活动存在空间分异特征,整体上服从“空间幂律”。本研究揭示了城市空间中群体活动的多样性及其时空分布特征,对于城市居民活动研究、城市交通优化和城市规划具有重要的意义。
21世纪以来的国际关系错综复杂、瞬息万变,给世界的经济、安全、外交等带来了深刻变化。这些变化对中国的内外政策产生了重大影响。全面及时地分析国际关系及其变化特征,对于中国的经济和外交发展规划具有重要参考价值。国际关系研究具有复杂性、及时性、时空性等特点,迫切需要时空大数据分析技术为其提供新的思路和技术手段。大众媒体如报纸、广播等记录着世界上发生的各种各样的事件,蕴含着丰富的信息,相对于记录个人活动的社交媒体数据,其更加适合于对人类社会进行大规模和长时间的分析。GDELT是一个免费开放的新闻数据库,它实时监测世界上印刷、广播、网络媒体中的新闻,对其进行文本分析并提取出人物、地点、组织和事件等关键信息。本文利用复杂网络的理论和方法对GDELT进行网络化挖掘并进一步分析国家关系。首先利用该数据构建国家交互网络,然后通过网络特征统计分析国家之间的交互关系,最后探测国家冲突事件交互网络的时序变化。研究发现：① 国家交互网络具有无标度特性,网络连接在整体和局部上都呈现出不均匀性,少数国家与其他国家有大量交互,大多数国家与其他国家的交互很少;一个国家与少数国家有大量交互,而与大多数国家的交互很少。② 国家冲突事件交互网络的突然变化往往对应一些重大事件。本文的研究可以为大数据时代的国际关系探索提供一个新的视角,同时也为新闻媒体数据的分析提供参考。
快速高效地查询信息是衡量当前空间数据库性能的重要指标之一。传统的单节点关系型空间数据管理方式难以满足大数据量空间数据查询的需求,特别是高性能的复杂空间多表连接任务需求。鉴此,本文设计并实现了基于Massive Parallel Processing（MPP）架构的并行空间数据库中间件原型系统。系统充分利用无共享（shared-nothing）架构的优势,特别是针对空间数据的特性,设计了并行空间数据划分与导入、并行空间多表连接、空间数据查询优化等算法与模型。首先介绍了近年来并行数据库系统的发展现状,接着阐述了基于MPP架构的并行空间数据库中间件系统的查询计划算法及其系统架构,最后作者对一些大规模数据量做查询实验及其查询结果分析。实验表明,在处理挖掘大规模数据量时,该系统有近似线性的加速比,相比于传统单节点数据库,它能充分提高海量空间数据的复杂查询的性能,解决了空间数据库并行化处理海量数据的问题。
目前,二维的方法不能正确描述现代城市立体空间的发展变化,因此,城市三维空间增长的研究对现代城市的发展具有重要意义。本文基于自组织理论及城市发展的自组织性,改进了Bengguigui等的城市空间模拟三维元胞自动机(3DCA)模型,在模型中添加了中心距离及交通距离评价因子,建立了城市三维空间增长的中心距离模型和交通距离模型。重点介绍了模型中评价因子的计算方法及其隐含的经济学含义、评价函数的构成和元胞空间状态的转换规则。最后使用NetLogo 3D建模工具,进行城市三维空间增长仿真模拟实验,结果表明:添加中心距离与交通距离因子后,城市三维空间增长模型更符合现实中城市三维空间扩展过程;进一步证明了城市发展的自组织性,以及他组织力量对城市向高级别发展的促进作用。
高光谱遥感影像的稀疏分类是当前遥感信息处理的研究热点。本文提出一种光谱与空间双重稀疏表达的高光谱遥感影像分类方法（WSSRC）。首先利用小波字典对光谱维进行稀疏表示,将光谱维稀疏分类转化到小波域稀疏分类;其次,考虑空间邻域地物光谱的统一性和差异性,对邻域内像元分别进行稀疏编码,并对编码进行累加聚合;然后,利用聚合后的稀疏编码构造线性分类器对高光谱影像进行分类;最后,通过2幅标准的高光谱影像数据验证了本文所提出的方法。实验结果表明,该方法能有效地提高影像的分类精度。
