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    地球信息科学理论与方法
  • 地球信息科学理论与方法
    王中辉, 杨雷挺
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    锥形模型和矩阵模型因计算简单、可查询性好,常被用于方向关系查询,但由于忽略了空间对象的大小、形状、以及相互之间的距离对方向关系的影响,容易导致方向关系查询结果出现偏差。为解决该问题,本文利用锥形模型、矩阵模型和 Voronoi图模型在方向关系判断上的互补性,提出一种集成三者优势的方向关系组合模型,并基于该模型实现了方向关系查询。其基本思路是:为了能够集成不同模型的优势,将方向关系分为外部方向关系和内部方向关系;然后,组合锥形模型和矩阵模型实现外部方向关系查询,从而兼顾空间对象的大小和相互之间的距离对方向关系的影响;并使用Voronoi图模型进行内部方向关系查询,以顾及空间对象的形状对方向关系的影响。实验结果表明,组合模型在方向关系查询中具有良好的适用性和可行性,能够有效克服锥形模型和矩阵模型存在的缺陷,提高方向关系查询的准确性。该模型将有助于提升空间信息智能查询、智能推理、以及多尺度空间关系相似性计算等空间数据处理方法的准确性和可信度。

  • 地球信息科学理论与方法
    张昊, 王竞雪, 谢潇
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    对于具有复杂几何结构特征的建筑物,三维网格模型重建结果易存在表面扭曲、边缘特征平滑的问题,无法较好地反映重建目标的真实信息。针对上述问题,本文提出一种结合三维边缘约束的网格模型优化方法。该方法以OpenMVS算法得到的初始网格为基础数据,利用变分原理构建能量函数,将网格模型优化问题转换为能量函数最小化问题。首先,从多视图像中提取三维边缘点,以三维边缘点构成的边缘轮廓来定位网格模型边缘区域;接着,利用灰度一致性测度构建数据项,利用顶点自身曲率构建平滑项,利用三维边缘轮廓约束构建附加约束项,将3个约束项构建为一个总体能量函数;最后,采用梯度下降法迭代求解总体能量函数最小值,将梯度变化量分配到网格模型的顶点上来驱动网格形变,以此优化模型。选取Strecha数据集中两个真实室外场景和ETH3D数据集中一个真实室内场景进行优化实验,使用ETH3D评估框架对实验结果进行评估。结果表明,经本文算法优化后的网格模型完整度和精度最高为89.76%、94.45%,本文算法在解决复杂几何结构建筑物模型边缘优化问题的基础上,提高了建筑物模型的准确程度。

  • 地球信息科学理论与方法
    黄晶, 蔡思琴, 庞甜甜, 王慧敏
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    灾害预警通过提前发布灾害信息,引导居民及时采取避灾行动,从而有效降低灾害损失和伤亡,在减灾管理中发挥重要作用。面对自然与社会耦合下的复杂洪涝灾害系统,如何考虑居民的预警响应行为,评估不同洪涝灾害预警策略有效性是当前亟待解决的问题。本文提出了基于主体建模的城市暴雨洪涝灾害预警策略仿真方法,设定基于降雨预报、基于洪涝淹没、基于人群暴露性的3种预警策略,并以深圳市福田区为例,分析不同预警策略下城市洪涝灾害风险的变化。结果表明:① 考虑洪涝灾害风险感知与个体出行决策概率的城市暴雨洪涝灾害预警策略ABM仿真模型,能够准确模拟不同洪涝灾害预警策略下居民出行响应行为及洪涝灾害风险的变化,科学、全面评估城市洪涝灾害预警策略的有效性;② 不同洪涝灾害预警策略下人群出行响应行为差异显著,导致城市暴雨洪涝灾害风险降低效果不同。面对20 a一遇的降雨情景,基于洪涝淹没和人群暴露性预警能够帮助研究区居民快速识别高危险区,从而显著降低建筑物和道路的风险;③ 不同暴雨情景下不同洪涝灾害预警策略效果不同。面对较小的降雨情景,基于洪涝淹没和基于人群暴露性的精细化预警策略下城市洪涝灾害风险降低效果更好;而面对极端暴雨情景,采用基于降雨预报的统一预警策略效果优于精细化预警策略。

  • 地球信息科学理论与方法
    富璇, 闫浩文, 王小龙, 闫晓婧, 王卓, 马文骏
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    随着我国城市化进程的加快,城市内涝灾害愈加频繁,人民的生命和财产安全受到了严重的威胁。然而,城市内涝灾害在愈加频繁的同时,产生了诸如信息获取不及时、制图时效性低、地图信息冗余等问题,难以为救援提供及时响应。基于此,本文提出了一种面向城市内涝场景下的微地图制作方法。首先,调用微博API获取任意时间段内特定主题下的社交媒体文本数据,对数据进行清洗与预处理;接着,选取BiLSTM-CRF模型提取社交媒体中有关城市内涝的地名地址信息;然后,结合Dijkstra算法为用户推荐避开危险路段的最优路径;最后,结合灾害信息与实际场景,制作城市内涝场景下的微地图。实验结果表明: ①该方法能够有效识别城市内涝点,总体准确率达到92.7%; ②对比官方发布的积水点,本文提取的积水点与官方积水点大部分重叠,能够有效为传统监测方法提供补充信息; ③根据所得内涝点生成道路网级别的城市内涝地图,能够克服在海量地理空间信息中可视化冗余的不足,即有效缓解地理信息冗余的问题。由此可知,实时显示城市内涝信息,能够为用户掌握灾害现场的信息提供便利,调动他们参与制作微地图的积极性。与此同时,结合最优路径推荐,能够提高灾害应急场景下的制图时效。

  • 地球信息科学理论与方法
    李华蓉, 毛宏宇, 赵一, 毕艾琳, 陈团, 辛伟, 钟涛
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    随着三维传感器和三维重建技术的发展,跨源点云的配准融合成为了一个研究热点。传统的配准方法使用单一特征作为配准基元,会存在空间几何约束弱的问题。为了高精度融合跨源点云数据,充分表达场景中的立面信息,本文提出一种基于线面特征约束的跨源点云配准方法。通过RANSAC算法提取跨源点云中的同名线、面特征;利用四元数法描述空间变换参数,将线特征作为配准的约束条件,构建空间变换目标函数,估算变换相关参数完成粗配准,解决尺度差异性;在粗配准的基础上将面特征作为约束条件,求解旋转矩阵和平移参数完成精配准。以面特征代替点特征作为配准基元能避免从海量的点云数据中选取公共点,减少由人为选择的偶然误差,避免了误差的积累,进一步提高配准精度。最终使用影像匹配点云与激光雷达点云数据进行实验,结果为:在小区域单建筑、多建筑和大区域建筑群中RMSE值分别为0.364 7、0.032 0和0.614 6,且同名面之间的夹角最大不超过1.5°,最小不到0.1°,夹角角度均值在1°范围内。结果表明本文方法对具有尺度差异的跨源点云具有较好的配准效果。

  • 地球信息科学理论与方法
    陈建辉, 汪小钦, 孔令凤
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    生态环境健康评价对于促进生态保护、引导区域经济发展战略、调整和衡量生态文明建设结果具有重要意义。综合指标体系模型是现今国内外主流的评价方法,然而,如何构建不同地区通用、普适性强的指标体系,如何从众多繁杂的指标通过客观、科学的方法自动筛选出能表征研究区特点的重要指标是目前所面临的难点。本文集成压力-状态-响应模型(Pressure-State-Response,PSR)和生态层次网络模型(Ecological Hierarchy Network,EHN),并考虑部分指标所存在的信息重叠,建立了目标层-准则层-要素层-指标层-同类指标层的5层网状指标体系,提出了基于优劣解距离法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)的同类指标层约简和基于目标优化理论的指标层约简相结合的两段式自适应指标约简模式。结合两者完成面向生态环境健康评价的自适应指标约简模型的构建,并在地理大数据的支持下,应用于云南、福建、京津冀、陕西、湖北、新疆和吉林7个生态环境迥异区域的2001—2021年生态环境健康评价。研究结果表明: ① 利用两段式自适应指标约简模型所筛选出的中选指标可以较好地体现不同地区生态系统特点,中选指标中权重靠前的指标被较多文献应用于各地区指标体系构建,说明所构建的指标体系和两段式自适应指标约简模型具有较好的普适性和合理性,有效避免了人为指标体系构建的主观性; ② 7个地区生态环境健康状况的空间分布和时间变化趋势符合实际情况,并且能与现有的文献、资料进行互相印证,从侧面证实了本文所提出模型的有效性。本文所提出的模型可为其他领域指标体系构建和筛选提供参考,也为大范围不同区域的生态环境健康评价提供方法支撑。

  • 地球信息科学理论与方法
    姜永青, 赵新正, 李培庆, 相里博晨, 张得康
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    开展城市多中心研究对于优化城市空间结构、合理配置空间要素及加强城市规划管理具有重要意义。现有研究围绕多中心识别进行了大量实证分析,但尚未建立一套统一的评定标准。为此,本文以POI、人口分布、OSM路网等多源开放数据为基础,构建了一套从结构形态到强度等级和功能分类的城市多中心定量识别方法。① 结构形态方面,基于对POI数据的多属性加权分析构建多中心结构特征指标—“中心集群度”,并通过参数优化后的局部等值线树算法识别城市多中心的范围与边界。② 强度等级方面,通过构建多中心综合服务强度指标(UCSI),运用首尾切割规则对多中心内部进行了强度斑块划分并计算多中心强度等级(UCL)。③ 功能分类方面,通过计算融入加权属性后的POI数据的频数占比,识别多中心的功能组合关系与分类。最后以西安市为例进行模拟实证,发现:西安市传统单核心的城市结构表现出明显的扩散趋势,共识别出21个城市中心的位置和边界,分别为3个城市主中心、5个城市副中心以及13个区域中心;各城市中心强度等级呈“核心-外围”圈层式递减特征;识别出4个复合型功能中心、12个双功能中心以及5个单一型功能中心。研究结果表明,本文建立的定量识别方法能够精准、系统地识别城市多中心发展特征。针对大城市多中心发展中的突出问题本文提出了相应的政策建议,以期为城市规划的编制与实施提供借鉴意义。

  • 地球信息科学理论与方法
    刘承承, 朱海红, 李霖
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    在居民物权意识不断增强的背景下,城市中涉及建筑物所有权、地役权和采光权的法律纠纷案例数量不断增加,对城市和谐社区的构建带来了不利影响,同时也消耗了大量社会资源。然而,现有研究一方面过多地侧重于这些权利的法律描述,另一方面则局限于仅利用三维技术构建所有权空间模型,缺乏对建筑物所具有的复杂所有权的空间结构及其附属权利(地役权和采光权)的深入的研究。本文深入分析了法律背景下建筑物所有权、地役权和采光权的三维建模的数据需求,通过扩展工业基础类(IFC),将土地管理领域模型(LADM)中的权利人包、空间单元包、权限管理包和测量与空间表达包映射到IFC标准中,实现了LADM和建筑物信息模型(BIM)的无缝集成,构建了一个三维数据模型。该模型考虑了建筑物所有权空间的复杂结构及其计算规则,对于地役权则特别考虑了水平和垂直方向上的三维实例化,采光权则考虑了相邻采光权和采光地役权及其参数的计算。LADM和BIM的整合使所提出的模型能够清晰呈现物理对象的空间特征,同时反映了建筑物的权利、限制和责任(RRR)的法律信息。为了验证模型的可行性和实用性,选取了真实的法律纠纷案例进行解析实验。结果表明,本文构建的模型可以区分所有权内部空间及其复杂结构,并能对地役权和采光权进行三维表达,同时包含了权属信息,为对法律空间的认知提供了更为明晰的理解,从而为解决相关纠纷提供可靠和坚实的技术方案。

  • 地球信息科学理论与方法
    黄大鹏, 王艳姣, 肖风劲, 陈彦红
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    气候变化研究需要长时间序列、稳定的、均一化的地表温度(LST)气候数据集支持。气候变化实时监测对数据集的要求则更高,还需要LST气候数据集实时的更新和快速便捷的获取,而国际上公开的实时更新的LST气候数据集则较少。本研究以国外长时间序列MODIS LST历史数据集为参照,对我国易于获取的FY-4A LST实时数据进行质量评估,在此基础上研发随机森林偏差订正算法,将FY-4A LST数据实时订正到MODIS LST质量水平上,从而研发融合静止气象卫星FY-4A和极轨卫星AQUA/MODIS的 LST气候数据集。对偏差订正后的2022年1、4、7和10月共4个月产品检验评估的结果表明:从4个月份偏差的平均值来看,订正后的LST平均偏差由-1.98 ℃降低到-0.42 ℃,平均绝对偏差由4.02 ℃降到2.84 ℃,均方根误差由5.13 ℃降到3.91 ℃,相关系数由0.86提升到0.90。随机森林回归偏差订正算法能够有效减小FY-4A LST与MODIS LST的偏差,订正后的FY-4A LST数据在全国范围不同区域和不同时段与MODIS LST均具有较好的一致性。对中国区域高温过程监测评估发现:订正后的FY4A LST与MODIS LST在全国大部分地区平均偏差较小,仅在海拔较高和地形相对复杂的山区存在较大偏差;偏差订正后2类卫星逐日平均偏差减小到-1 ℃左右,平均偏差较订正前显著减小。因此本文研发的融合FY-4A和MODIS的LST气候数据集可以很好支撑我国的气候变化研究和气候业务服务工作。

  • 地球信息科学理论与方法
    张春晓, 马同彬, 祁亚州, 王爱佳, 郝晓阳
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    地理模拟作为地理环境模拟与认知的重要方法,是挖掘地理知识、揭示地理规律的重要手段。气象模拟,作为重要组成部分参与到地理环境模拟的诸多方面,影响到地理环境的系统模拟和复杂问题求解。而气象模型专业性强、模拟知识复杂,涉及到输入数据、模拟方案设置等诸多方面,所以如何高效管理及共享气象模拟知识成为亟需解决的问题。本文应用案例推理和知识图谱,统一异构的气象模拟知识,研究顾及语义和图结构相似度的气象模拟知识推荐方法,以提高气象模拟知识的共享能力。 ① 本文基于中文气象模拟文献资料抽取了气象模拟知识,以模拟案例为载体,在知识图谱中构建气象模拟知识库; ② 构建气象模拟案例相似度评估模型,实现顾及语义和图结构相似度的气象模拟知识推荐,该模型一方面利用经过气象模拟语料库训练的Bert(Bidirectional Encoder Representations from Transformers)语义模型挖掘气象模拟知识案例的语义特征,另一方面提取存储在图谱中模拟案例的结构特征,并通过AHP(Analytic Hierarchy Process)层次分析法进行权重设置,从而准确的衡量气象模拟案例的相似度。 ③ 研发了可视化的气象模拟知识共享原型系统,可以根据用户需求推荐气象模拟知识的参数方案,为涉及气象过程的地理系统模拟人员提供知识参考。基于所构建的气象模拟知识库,经推荐准确性和稳定性评估,系统的推荐准确率达到91.3%,研究成果提高了气象模拟知识共享和重用能力。

  • 地球信息科学理论与方法
    吕峥, 孙群, 温伯威, 张付兵, 马京振
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    空间冲突处理是制图综合的重难点,目前空间冲突处理的研究重点在于拓扑一致性的保持,对要素间的形状相似性关注较少。形状相似性是空间相关性在局部区域的具体体现,道路与居民地是一对具有强相关性的地理要素,街区居民地的轮廓常与邻近道路具有相似的形状特征,独立化简易产生不可控的拓扑冲突与形状冲突。为此,提出一种顾及形状相似性的道路与居民地协同化简方法。① 利用Delaunay三角网构建道路与居民地间的毗邻关系并提取成对的毗邻片段。② 采用动态时间归整算法进行节点粗匹配并根据节点的几何特征做进一步优化。③ 采用基于节点取舍的化简算法对道路进行分段化简,将节点取舍情况同步至居民地轮廓,并对异常线段进行检测与处理。采用浙江省某地区1:5万地图中的道路与居民地进行实验,结果表明该方法能够实现道路与两侧毗邻居民地的同步化简,化简后道路、居民地间的形状结构吻合良好,有效保持了道路与居民地在毗邻区域的形状相似性、拓扑一致性及协调的视觉效果。

  • 地球信息科学理论与方法
    齐凯, 张衡, 周杨, 刘一帆, 李庆祥
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    可视化是一种非常有效的网络空间资源分析方式,通过借助点线面、符号、地形等形象映射抽象数据,可以更好地管理、维护和优化网络空间。考虑到网络空间资源节点在网络中的空间相关性和重要性,本文借助隐喻地图思想,将网络空间中资源节点视为本体,传统地理空间中山峰和等高线作为喻体进行可视化表达。首先,通过节点之间的拓扑关系构建空间权重矩阵和转移矩阵,以此计算出节点的局部莫兰指数和PageRank值。为了更全面地综合考虑节点在局部和全局范围内的空间相关性和重要性,使局部莫兰指数进行标准化处理与PageRank值达到相同的取值范围后将二者结合得到综合评价指标(PI值);然后,将网络空间资源节点根据FR算法围绕重要程度最高的节点进行布局,通过PI值赋予节点高度值和大小;最后,借助隐喻地图的思进行可视化表达。实验数据表明,相较于传统的节点评价方法,该方法将用于衡量地理空间数据中是否存在空间聚集现象的莫兰指数引入到网络空间,可以突出节点中属性值较高并且与其相连节点属性值也高的节点;同时,基于隐喻地图思想进行可视化表达可以直观表现出节点在网络空间中的所处地位以及与其他节点间的相互关系,并且在针对格式化数据进行渲染时,随着网络规模的扩大隐喻地图效率优于传统拓扑图。

  • 地理空间分析综合应用
  • 地理空间分析综合应用
    姜雨, 刘猛猛, 李智超, 薛清文, 戴垚宇
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    目前通用机场建设是我国通航产业发展的重点,合理的通用机场布局是后续通航产业发展的基础,因此本文构建多维需求分析-布局选址-功能定位研究框架,为区域通用机场布局规划提供科学性方法。本文首先构建通用机场运输需求及非运输需求影响指标体系,采用组合赋权法获得通用机场区域运输需求及非运输需求分布;其次改进多边形支配点集法为通用机场多维功能需求最大覆盖问题提供候选设施区位,以最大化多维功能需求覆盖和改善机场可达性为目标构建通用机场布局规划模型,设计NSGA-Ⅲ算法进行求解;最后提出基于k-means聚类的通用机场功能定位方法,实现通用机场差异化功能定位。以某地区为实例,实验结果显示,在近期规划中当通用机场数量增加29个,区域运输需求覆盖率达58.78%,非运输需求覆盖率达66.17%;在远期规划中,当通用机场数量增加64个,运输需求覆盖率达89.20%,非运输需求覆盖率达97.57%,基本覆盖通用机场多维功能需求。在近期和远期规划中,该地区通用机场1 h通勤区域占比由目前28.73%分别提升至60.63%和78.35%。本文根据远期布局方案确定通用机场等级及功能,使得机场功能定位与多维功能需求分布相适应,为通用机场的规划和建设提供理论依据。

  • 地理空间分析综合应用
    程东亚, 张小林, 李红波, 陈欣蔚
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    以新的视角解析土地覆被变化特征,对深入认识土地覆被具有重要价值。本文以群落生态学相关理论和方法为基础,构建了其在土地覆被/土地利用中的研究框架。基于该研究框架,本文以江苏镇江句容市乡村地区为研究区,解析了研究区2000—2020年土地覆被变化与动态过程。研究结果认为:① 土地覆被整体由具体的土地覆被类型组成,可以从边界性、集合性、交互性3个角度认识和理解土地覆被,不同土地覆被类型相互作用可以通过生态位、生态位分化、竞争等角度认识和理解; ② 研究区土地覆被整体变化来看: 2000—2020年等级-多度表现为相似的趋势,期间土地覆被香农-维纳指数上升。1 km×1 km土地覆被空间自相关结果来看: 2000—2020年研究区土地覆被丰富度高-高(High-High)类型分布有减少趋势,北部乡村最大优势度低-低(Low-Low)类型分布相对较多,同时北部乡村香农-维纳指数高-高(High-High)类型分布也相对较多; ③ 群落生态学研究方法在未来土地覆被/土地利用研究中的作用:等级-多度可以反映土地覆被/土地利用主导类型,丰富度采用小单元观测可以反映土地覆被/土地利用种类数量空间差异,优势度可以反映某种土地覆被/土地利用类型的地位和作用,香农-维纳指数可以反映土地覆被/土地利用综合多样性和复杂性。本研究结果能为土地覆被/土地利用研究提供一种新的研究范式和思路,也能为发达地区乡村发展提供参考和启示。

  • 地理空间分析综合应用
    刘松岩, 魏玲娜, 董建志, 葛慧, 齐丹
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    当前的多源降水数据融合技术多基于地面雨量站观测进行校正与融合,但地面观测本身存在一定的不确定性,尤其在地面雨量站点匮乏的地区,基于数理不确定性理论的多源降水融合技术可以在不依赖于地面观测数据的基础上确定各降水数据集的误差及其互相关性,逐格点确定最优晴雨分类时间序列,有效提高了融合产品的可靠性。为了评估由该理论框架发展而来的新一代降水数据优化融合产品SUPER(Statistical Uncertainty Analysis-based Precipitation mERging Framework),本研究在汉江流域上游汉中流域以及中游郭滩流域,利用地面高密度雨量站点的观测数据,选取再分析降水数据ERA5(ECMWF Reanalysis v5)、卫星降水产品IMERG(Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM),从不同时空尺度,对比SUPER的精度及性能。结果表明: ① 相比ERA5与IMERG,SUPER产品在日、月两种尺度上均具有更优表现,与地面站点实测降水一致性更高、误差更小、误报率最低、探测成功率最高; ② SUPER产品在地势平缓地区比在地形复杂地区性能更佳,地形对SUPER产品精度的影响在降水事件识别能力上更为显著,在地形复杂地区降水产品的精度会随地势升高而降低; ③ SUPER的融合算法及数据集可以有效的降低降水数据的随机误差与晴雨分类误差,但对系统偏差处理相对较为简单,仍有较大的改进空间。本研究综合的分析了SUPER产品在研究区的性能,为后续产品的实际应用与改进奠定了研究基础。