基于Web服务的分布式WebGIS设计与应用

分布式W ebGIS是目前GIS领域研究的重点,对于实现空间信息共享和GIS互操作具有重要的意义。传统上,用于构建分布式W ebGIS的分布式对象技术主要有对象管理集团(OMG)的COBRA、微软的COM/DCOM和Sun的J2EE/EJB。然而,由于这些分布式对象技术往往要求服务使用者和提供者之间必须进行紧密耦合,因此无法适应基于Internet计算要求的松散性。鉴于以上不足,这里提出了一种基于W eb服务构建分布式W ebGIS的新方法,并设计出了基于W eb服务的分布式W ebGIS系统结构框架。论文结合应用研究项目,示例了基于.NET平台实现分布式W ebGIS应用系统的过程。实践证明,基于W eb服务建立的分布式W ebGIS系统具有稳定性、可扩展性和部署灵活等优点。     

大数据环境下卫星对地观测数据集成系统的关键技术

建立卫星对地观测数据集成系统是遥感卫星数据信息资源有效管理与应用的重要手段。从我国对地观测重大需求以及前沿科学问题入手,提出大数据环境下卫星对地观测数据集成系统建立中亟待解决的关键技术,包括大容量异构对地观测数据集成的语义技术、基于网格的遥感图像快速处理技术、遥感大数据深度分析技术、多数据中心协同处理及云平台技术,为实现集成卫星图像、地面观测数据和模拟模型的元数据管理、几何精度纠正和卫星数据质量评价、海量卫星图像数据的空间分析与知识发现、分布式高性能卫星图像数据管理和归档等基本功能,为解决海量卫星数据分布式存储与计算、数据集成与互操作、空间数据分析与地学知识发现提供新思路、新技术与新方法。     

“玻璃地球”建设的现状、问题、趋势与对策

"玻璃地球"是地质时空大数据的有效载体,是"数字地球"在地矿领域的体现。国际上"玻璃地球"建设存在的问题主要是缺乏应有的总体规划、顶层设计和协调机制,仅实现了地层框架模型的构建,缺乏多源、多主题信息的混合建模,以及复杂地质结构的快速、动态、全息、精细的多维建模,也未解决多尺度地质框架模型的集成问题。其发展趋势是从个别走向一般,由局部走向整体,从功能走向数据,从零散走向集成,从展示走向实用。由于"玻璃地球"规模大、涉及面广,建设目标与全国地质工作信息化及"智慧地球"一致,有必要从战略上进行统一规划和顶层设计,并把相关的"数字国土"、"数字矿山"、"数字油田"、"数字工程"等纳入到统一的轨道中来。     

地质实体模型的三维交互与分析技术研究

地质实体模型的三维可视化涉及到复杂地质体结构构造和相关地质属性数据的视觉表达与分析,利用科学计算可视化技术来充分、完整、交互式地展示与分析三维地质实体模型一直是三维地质建模领域的研究热点。研发的三维地质建模及可视化系统中可实现通用三维交互操作,包括三维模型的几何变换、三维交互定位与空间属性查询、三维模型的剖切、虚拟钻探、基坑开挖、隧道生成与虚拟漫游等。这些操作采用面向软件的技术,通过对现有的二维设备（如鼠标、键盘等）进行三维仿真,为全方位、多角度的认识和理解地质实体模型提供了强有力的支持。     

三维无缝工程地质建模系统的研制

在边界表示法的基础上,提出了无缝工程地质模型的概念,实现了基于模型线框架的无缝工程地质建模方法,研制了无缝建模系统（ROCKModel）。该系统包括3个部分：原始数据转换工具、实体建模工具与辅助工具,涉及剖分、插值、曲面求交等8个基本功能模块。在基本功能模块的基础上,提出并实现了形态复杂曲面的创建、构建模型线框架、界面编辑与重构、块体搜索、岩体质量三维分级等关键技术。该系统能够实现复杂地质对象与工程对象的无缝建模与可视化,并为数值模拟软件直接提供几何模型。     

地下水数值模型与组件GIS集成研究

地理信息系(GIS)应用于地下水资源评价和管理，需要地下水模拟模型的支持，集成数值模型与GIS可以通过嵌入、松散连接和完全整合三种途径实现。采用组件和面向对象技术，开发了基于MapObjects GIS组件的地下水模拟系统。该系统在面向对象建模、模型前处理、参数设置、模型后处理等方面突破了传统建模方式，实现了GIS功能与地下水数值模型的完全整合。结果表明，集成系统极大地改进了模型输入和计算结果的分析处理能力。     

地球关键带:地质环境研究的新框架

当今经济社会所面临的资源、环境和生态问题相互关联、相互耦合,迫切需要打破传统的学科界限,搭建一个新的技术框架,进行跨学科、多领域系统研究。地球关键带将与经济社会最密切的近地表环境作为独立的开放系统,为这种需求提供了一个完整的系统框架。本文在界定地球关键带内涵与特征的基础上,分析了关键带科学研究的DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-响应)体系框架和3M(填图-监测-建模)循环体系框架,从填图、监测、建模三个方面总结了关键带研究进展。通过将地质学、水文学、土壤学、生态学等学科进行融合,关键带科学为气候变化、生态管护、水资源安全、自然灾害防治等重大问题的解决展示了一种新的图景。在此基础上,提出了对我国地质调查工作的建议:将地球关键带作为重点靶区开展基础地质和水工环地质综合调查,建立三维地质框架;选择基础条件较好的小流域建设关键带观测站,为地质学与其他学科的融合搭建一个开放平台。     

水资源管理决策支持系统研究进展与展望

从框架、 技术等方面介绍了水资源管理决策支持系统发展状态, 总结了水资源管理决策支持系统的3个发展阶段: 模型模拟阶段、 模型模拟+DSS(DSS: Decision Support System)阶段、 情景分析+集成建模环境+DSS工具阶段, 阐述了这3个发展阶段各自的特点, 剖析了制约水资源管理决策支持系统的发展因素, 讨论了建立一个成功的水资源管理决策支持系统应具备的条件和采用的方式. 最后, 提出了集成综合观测系统、 集成建模环境和联机协商环境的水资源管理决策支持系统框架.     

动态岩浆系统与圈层相互作用

岩浆岩的成因研究在新时期需面向系统地球科学做些转变。单一的封闭体系下岩浆岩成因研究无法协调当前最新的高精度定年结果，也无法满足新形势下对地球系统科学和圈层相互作用深度研究的需求。岩浆系统的动态演变过程是当前岩浆岩研究的薄弱环节，也是恢复和构建岩浆系统、探索地壳结构与组成、进一步深入了解地球圈层相互作用机制等的重要内容。将岩石类型的定性描述纳入整个岩浆系统的研究中，将原位微区的时间-成分-温压分析与岩相学、全岩成分分析和实验模拟进行有机相结合，是未来研究圈层相互作用下的动态岩浆系统过程、不同批次熔体复杂相互作用、熔体成分演化，以及岩浆系统环境效应的有效途径。     

岩石圈三维结构与动力学数值模拟

通过基于专项所属各项目的探测数据和成果, 结合课题组已经积累的数据与建模基础, 以及本项目组特定需要进行岩石物性参数测试及相关的流变本构关系研究, 进而开发并集成大规模并行有限元数值模拟平台系统, 进行地球动力学过程的综合定量模拟分析。同时建立高性能并行可视化平台, 据此进行中国大陆深部地幔对流与岩石圈耦合关系的探测数据与数值模拟结果的并行可视化研究分析, 探讨回答中国部分典型构造区域的典型地球动力学过程的关键问题。     

区域研究：全球变化研究的重要途径

区域研究是全球变化研究的重要途径。国际上南部非洲、南亚、东亚、东南亚4个地区及若干重大区域研究项目如 LBA、AMMA、MAIRS及ProMed等典型案例研究表明：区域研究是全球变化研究的基础，区域的实验、模拟、分析是全球环境变化研究的有效方法。区域研究应关注：陆地表面过程、海岸带的陆—海相互作用过程、区域气候变化过程等关键过程对全球变化的响应及作用；区域边缘现象、阈值与突变问题；区域人类活动对全球变化的有序适应等。有必要制订国际区域研究计划，实施地球系统的区域观测，建立区域研究的集成新方法、区域实验与尺度转换方法，建立基于数理基础的区域地球系统模型和数值模拟等新方法。     

对地球系统科学的几点认识

地球系统科学将是２１世纪地球科学的主旋律,它被定义为：“将地球作为一个整体来伯全部知识;对地球的气圈、水圈、生物圈和岩石中的各种作用及各层圈间相互作用时间进行的研究”。此种学术思想可追溯到１００多年前,见於文字也有近二十年。它对当代地学的发展起了重要的推动作用,有四个特点：地球现象的远距离相互联系、影响;内动力和外动力研究一体化;地质作用和生物作用研究一体化;一类活动作为地球系统的一部分。当前地球系统科学的发展也提出了一些新问题,主要的是：在学术思路上对与岩石圈有关的地质作用有所忽视;观察研究系统不全面;还未深人到资源形成和小环境的研究中。近年来的观测试验表明,发生在岩石圈的各种地质作用正积极参与垒球各圈层间的物质能量交换。对它们的忽视,可能正是目前一些生物地球化学循环模型无法平衡的原因。     

关于我国开展地球系统研究战略概念模型的讨论

自20世纪末以来,地球科学开始进入一个新的发展时期,地球系统科学理念逐渐成为引领新世纪地球科学的发展方向。世界各国在制定其地球科学战略时,均基于各自掌握的科学资源和实际需求,形成了各自的特色。我国地球科学发展的优势在于区域自然条件,以及社会经济快速发展产生的需求和机遇。基于我国的实际情况的分析,提出了一个地球系统科学研究的概念模型。在这一框架内,我国可以在两方面选择研究范例,并为地球系统科学的发展做出贡献：一是在地球系统物质、能量循环中关注我国具自然条件优势的关键环节;二是强化区域集成研究。同时,还需要加强地球系统观测和模拟的平台建设。     

浅谈固体地球科学与地球系统科学

地球科学在20世纪的诸多进展中,对后来科学发展具有深远影响的基本认识之一是地球演化的行为具有整体性,其不同的圈层确实通过多种途径相互作用,且人类活动已成为地球演化的重要营力之一。这些认识导致地球系统科学思想的产生和发展,并使不同圈层相互作用的过程和机理、人与环境的相互作用研究成为21世纪基础科学研究的前沿。地球系统科学强调地球不同圈层、不同单元相互作用的整体性和关联性,因而科学研究必须从"整体地球系统"的视野出发,但研究过程又必须从关键区域入手。我国是地球系统科学研究的关键地区之一,未来研究应立足地域优势和特色,攻克全球性重大科学问题,解决社会对地球科学的知识需求。     

固体地球系统的复杂性与自组织临界性

本世纪自然科学的发展趋是由极小（粒子物理学）→极大（宇宙学）→极复杂（复杂性科学）。“复杂性”研究具有科学发展的时代特点,是具有前瞻性和探索创新性的基础研究。笔者根据复杂性科学研究复杂性的涌现机制是２１世纪的科学的认识,结合固体地球系统的复杂性与自组织临界性的内禀基本属性,提高“固体地球系统的复杂性与自组织临界性”这一命题,从新的视角对古老而又常新的固体地球系统进行再认识,从广义地质学系统和过程的本质归纳出固体地球系统的基本问题,提出了它的三大基础理论问题,井拟定了以整体论为主导、还原论作辅助,宏观与微观处理相结合与互补的方法论。固体地球系统的复杂性和自组织临界性,是我国经济增长、社会进步和地学发展的重大科学问题之一。对于这一同题进行研究将成为21世纪地学发展中居于战略地位的生长点之一,使地学取得突破性进展,并带动许多相关学科的同步发展。     

On the role of Geography in Earth System Science

Geography is fundamentally a non-reductionist and holistic discipline. While we tend to focus on particular areas (Physical, Human, etc.), or we focus on specific successes (Quaternary studies for example) this paper argues that selling Geography though emphasizing these specific areas or strengths misses a major potential contribution our discipline can make. While most sciences have become reductionist over the last two centuries, they have recently discovered that the Earth is a “complex system” with “emergent” properties that cannot be explained through understanding the components parts individually. Many of these sciences are now contributing to a major effort called Earth System Science, an integrative super-discipline that accepts that biophysical sciences and social sciences are equally important in any attempts to understand the state, and future of the Earth System. This paper argues that the development of Earth System Sciences is a risk for Geography since it is, in effect, Geography with few Geographers. While representing a threat, the development of Earth System Science is also an opportunity. I argue that Geography could be a lead discipline among the other biophysical and social sciences that are now building Earth System Science to address key problems within the Earth System. While I am optimistic about the potential of Geography to take this leadership role, I am pessimistic about the likelihood that we will. I provide suggestions on how we might take on the leadership of Earth System Science including individual engagement and a refinement of tertiary training of some Geography students.     

地震激发地球自由振荡过程的数值模拟初步探索

地球自由振荡的固有频率与地球内部结构密切相关,研究地球自由振荡可以深入研究地球内部结构。传统的解析方法侧重于本征频率的确定,但对从地震发生到地球自由振荡被激发的全过程难以研究。从弹性波动理论基础出发,试采用谱元法结合高性能并行计算数值模拟特大地震激发的弹性波在地球内部传播过程。在不考虑地球重力情况下,对数值模拟激发地球自由振荡的结果进行功率谱密度分析,通过对谱结果的观察并与理论值进行对比分析,认识到环型振型数值模拟结果可以准确重现其长周期理论频率值,地球重力对球型振型有重要影响。探讨了是否可以通过这种方法真实重现地球自由振荡激发的过程。以期利用此方法深入探讨地球横向不均匀性对地球自由振荡的影响。     

21世纪地球科学研究的重大科学问题

凝炼地球科学研究的重大科学问题,对推动地球科学基础研究的发展具有重要意义。美国国家研究理事会（National Research Council）2008年3月发布的研究报告《地球的起源和演化：变化行星的研究问题》提出了21世纪固体地球科学研究的10个重大科学问题：①地球和其他行星的起源;②地球早期的演化历史;③生命的起源;④地球内部的运动及其对地表的影响;⑤地球的板块构造与大陆;⑥地球的物质特性对地球过程的控制;⑦气候变化的原因与幅度;⑧地球—生命的相互作用;⑨地震、火山喷发等灾害及其后果的预测;⑩地球内外流体运动对人类环境的影响。这些重大科学问题对我国的地学发展战略研究及地球科学基础研究均将具有重要的借鉴和指导意义。主要依据NRC的《地球的起源和演化：变化行星的研究问题》报告,对这些重大科学问题进行了解读和分析。     

新世纪地球科学视野中的新技术和新方法(代序)

从科学发展战略的角度 ,讨论了新技术、新方法在地球科学中的应用。新世纪的地球科学在新技术、新方法的应用方面呈现出鲜明的时代特色 ,即观测范围的扩大与观测能力的增强 ,多学科观测的海量数据的积累与地球观测系统的整合 ,不断增强的挑战非线性复杂地球系统中的预测问题的能力。特别是 ,作为地球观测系统的整合的“数字地球”和作为地球过程的模拟工具的高效并行计算 ,将在地球系统科学的发展中发挥重要作用。从方法论的角度 ,文中特别指出 ,只有掌握新技术、新方法的人对新技术、新方法有正确的理解 ,并具有创新性的思维 ,新技术、新方法才能发挥其应有的效能。