ArcGIS 10.1地理信息系统在地理国情普查项目中的应用

结合正在开展的全国第一次地理国情普查工作,针对地理国情普查内业数据生产的特点,充分利用ArcGIS 10.1强大的数据管理功能,辅以使用一些开放的软件,对国情普查内业作业进行了一系列的研究和改进,特别是对国情普查中数据类型转换、内业数据采集、外业解译样本照片的批量载入等方面进行了开发与应用。此应用不仅为单位节省了大量的资金投入,提高了内业数据生产的效率与质量,而且易于实现、操作简单,可广泛应用于其他测绘工程。     

局部型地形因子并行计算方法研究

 随着分析区域的扩展及需求精度的提高,数据-计算密集型地形分析亟需通过并行化来满足用户的时间响应需求。局部型地形因子是以一定半径的分析窗口(通常为3×3)计算且具有单元计算结果独立性的地形信息,是数字地形分析的基本参数。本文在分析局部型地形因子串行算法特征的基础上,以坡度算法为样本,对局部型地形因子的并行计算方法进行了深入研究。从数据并行的角度,对并行计算环境下的数据划分粒度、方式及结果融合策略进行了分析,构建了局部型地形因子的并行计算方法。利用SRTM陆地表面地形DEM数据,设计了坡度并行计算的实验以验证其方法的正确性和实用性。实验结果表明,本文提出的并行计算方法顾及了任务、数据及计算环境,可快速对局部型地形因子串行算法进行并行化改造,提高算法的执行效率,具有较好的并行性能。     

基于ArcGIS的地理信息数据库质量检查工具集的开发

随着测绘生产模式的转变,每一批次需要完成质检工作的数据量急剧增加,如何快速高效地完成以Geodatabase存储的基础地理信息数据的质量评价工作,是质检人员在信息化测绘阶段面临的一个重要问题。为此,本文提出利用ArcGIS软件自带的地理处理技术,通过定制地理处理工具,建立基础地理信息数据库中的质检工具集,实现数字测绘成果逻辑一致性检查工作的自动化,并以浙江省1：1万比例尺基础地理信息数据库的数据质量评价为例,说明地理处理技术在工作中的实际应用。     

栅格地理计算并行算子对区域计算算法并行化的可用性分析——以多流向算法为例

栅格地理计算并行编程库的研发有助于实现对栅格地理计算算法的并行化。在现有的研究中,Qin 等(2014)设计并初步研发的栅格地理计算并行算子(PaRGO),在设计思路上能较好地隐藏与并行编程软硬件环境相关的复杂细节,实现栅格地理计算通用步骤的并行化,且较其他类似思路的编程库而言,PaRGO能兼容多种常用的并行计算平台,具有明显优势。但PaRGO目前在设计上仅直接支持本地、邻域及全局计算特点的栅格地理计算算法并行化,对于更为复杂的区域计算特点算法并行化的支持能力尚未探究。对此,本文选取栅格数字地形分析中具有区域计算特点、递归设计的多流向算法为算例,利用PaRGO进行并行化设计、实现及测试,以计算时间、相对加速比和相对并行效率为定量指标。通过可运行性和并行性能进行评价,结果表明:PaRGO虽然不能直接支持对递归的多流向算法进行并行化,但在根据多流向计算的原理将该递归算法转变为非递归的设计之后,可将算法由原区域计算改造为邻域迭代计算,就能利用PaRGO 实现并行化,并得到较好的并行效果。在集群环境下,MPI版本并行程序的并行效果优于MPI/OpenMP混合版本。     

并行地理计算算法性能评测技术研究

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。     

面向大规模空间Agent建模的分布式地理模拟框架

基于Agent建模的地理模拟是认识和理解动态地理现象的有效方法,但随着地理模拟的规模和复杂性不断增加,模型的计算问题开始凸显。分布式并行仿真是解决大规模Agent复杂模拟计算的途径,然而已有研究基于Agent建模/仿真软件构建并行仿真系统的方式并不适用于具有高移动与行为交互的空间Agent建模及其模拟过程的实时可视化。为解决这个问题, 本文提出了一个分布式地理模拟框架DGSimF,用于大规模动态空间Agent模拟,支持模拟过程的实时表示与分析。设计了一个简单但高效的时空数据模型建模空间Agent,支持直接基于Agent行为建模集成地学模型,采用了时间微分方法协同各计算节点行为的执行,实现以“任务并行”的方式进行分布式计算以提高仿真性能,构建了基于三维地球渲染引擎的虚拟地理环境,提供模拟过程的实时可视化。最后,以“红蓝对抗”案例进行了实验验证,对不同模拟计算量和不同客户端数量下的仿真性能进行了分析,结果表明DGSimF可以为具有时空特征变化与行为交互的大规模空间Agent模拟提供一个有效的平台。通过扩展计算节点,DGSimF可以有效地缓解复杂模拟计算的压力问题,并且仿真性能较高,在实验中并行效率保持在0.7以上。     

基于Flex框架的数字校园建设关键技术

传统的基于ArcGIS API for Flex的数字校园系统存在以下几个问题:(1)在目标定位时,只定位到目标建筑物几何中心位置,对建筑物内部具体单元定位精度不够;(2)管理者更新、维护空间数据须结合地图编辑软件和ArcGIS Server来实现,给数据维护造成不便;(3)360度实景导航技术在数字校园中的引入已成为研究热点,而大量实景数据必然增加了系统负担,降低加载速度。本文提出采用精确地理定位网的方法,即在处理线状道路数据时,暂不考虑真实目标之间的位置关系,细化原线状矢量层,并与其他网络分析图层分别保存,使得定位更加精确;以新版ArcGIS的Feature Access,采用ArcGIS API for Flex在线编辑工具进行在线编辑地图;将360度实景数据在服务器上管理,生成实景链接地址,在程序运行时只需调用该链接。本文以某高校数字校园系统为例,验证了精确地理定位网方法、实景数据的单独管理,以及在线地图编辑的可行性与有效性。     

地名地址数据快速采集方法的应用创新—以诸城市为例

地名地址数据库作为地名地址数据与地理空间信息挂接的媒介与桥梁,是构成智慧城市地理空间框架不可或缺的组成部分。该文详细对比分析了传统地名地址数据采集方法与RTK+数码相机地名地址数据采集方法的特点。利用RTK+数码相机,在诸城市进行地名地址数据采集,并基于ArcGIS开发一套连接测点和数码相片的"一键关联工具",实现数码相片的影像信息与RTK测点坐标信息关联,为地名地址数据属性编辑服务。为智慧城市建设中的数据采集提供了新的思路,大大减少了地名地址数据采集的工作量,有效提升了地名地址数据的质量,为智慧城市数据库的建立和数据更新提供稳定的数据供应,为其他的外业数据采集项目提供了新的可能性。     

多源异构地理数据并行集成技术研究

随由于地理坐标系统、地图投影、数据格式的差异,大规模地理数据的集成、应用极为不便。本文基于多核/集群的高性能硬件架构,探索多源异构地理数据并行集成中的关键问题,主要包括:1设计了统一、开放的地理数据读写接口和空间参考扩展接口,实现对不同地理格式以及空间参考的无缝集成;2深入探讨地理数据并行集成的算法原理,设计符合其特征的数据划分及并行调度策略,提高数据集成效率。在多核并行环境中实现本算法,并利用典型苏南地区数据进行应用实验。实验结果表明,提出的并行技术可实现不同数据格式、不同空间参考地理数据的准确、快速集成,取得了14.38的加速比,从而解决了大规模地理数据的快速集成问题。     

基于空间填充曲线排列码划分的并行缓冲区算法

缓冲区计算是地理信息系统空间分析的基本功能之一。在矢量缓冲区研究方面,以往大多聚焦缓冲区生成算法,这些优化方法在单机计算环境中针对大规模空间数量数据的计算效率提升是有限的,因而需要并行环境下的改进方法来进一步破解计算瓶颈。本文基于Map Reduce计算模型和分布式内存计算框架,提出了一种基于空间填充曲线排列码划分的并行缓冲区分析算法(SPBM),基于空间填充曲线编码进行数据排序和范围划分,对跨越网格的数据采用近似切分方法,在考虑负载均衡的前提下对任务并行分解,之后按照给定深度的"树状"方式进行结果合并。本文在单机和集群两种环境下利用实际道路网等数据进行了实验。同等环境下,相较于目前流行的GIS软件——QGIS和Post GIS计算性能提升明显,相较于现有其他并行优化方法效率提升超过50%。这样的优化分析方法对于GIS中其他矢量分析算法的并行算法也具有一定的借鉴意义。     

Determining topographic shielding from digital elevation models for cosmogenic nuclide analysis: a GIS approach and field validation

Topographic shielding of cosmic radiation flux is a key parameter in using cosmogenic nuclides to determine surface exposure ages or erosion rates. Traditionally, this parameter is measured in the field and uncertainty and/or inconsistency may exist among different investigators. This paper provides an ArcGIS python code to determine topographic shielding factors using digital elevation models (DEMs). This code can be imported into ArcGIS as a geoprocessing tool with a user-friendly graphical interface. The DEM-derived parameters using this method were validated with field measurements in central Tian Shan. Results indicate that DEM-derived shielding factors are consistent with field-measured values. It provides a valuable tool to save fieldwork efforts and has the potential to provide consistent results for different regions in the world to facilitate the comparison of cosmogenic nuclide results.     

高性能GIS研究进展及评述

互联网技术的发展使地理信息技术得到了前所未有的发展和应用,地理信息计算呈现出计算速度快、运行效率高、应用多样化的发展特征。而随着计算机硬件性能飞速提升,传统的GIS数据处理方式并不能与之匹配,各种缺陷与弊端逐渐显现,亟待更高效的数据处理方式。目前,以并行集群计算技术和分布式网络技术为代表的高性能计算的出现,为这些问题的解决带来了新思路,并逐渐发展形成了新一代的多核并行高性能计算系统。当前,如何利用新型硬件体系结构带来的计算能力,研究新一代高性能GIS计算系统,解决现在所面临的时空数据密集和计算密集问题成为重要挑战。高性能计算是基于一组或几组计算机系统组成的集群,通过网络连接组成超级计算系统以加强数据处理、分析计算性能的一种技术。在实际应用中,逐渐形成Hadoop,Spark和Storm 3大主流分布式高性能计算系统,它们三者各具优缺点。本文从高性能GIS算法、并行GIS计算、内存计算和众核计算4个方面梳理、归纳总结了高性能GIS的技术体系,分析了每类高性能GIS技术特征,综合分析、评述了近年来高性能GIS的研究进展,并对高性能GIS未来发展进行展望,为更完备、高效的高性能GIS体系的建立、发展和应用提供参考。今后,并行GIS计算、高性能计算模式和分布式存储仍然是GIS技术领域发展的重要方向,通过高性能GIS系统可有效地解决时空数据密集、计算密集和网络通讯密集等问题,大大提升GIS地理分析效率。     

船舶轨迹数据的Geodatabase管理方法

 船舶轨迹的自动观测记录已进入了大数据时代,其呈爆炸式增长的趋势给传统的轨迹数据管理方式带来了巨大挑战。本文针对通用船舶自动识别系统(AIS)岸基网络中船舶轨迹数据上传频率高,数据量大,覆盖范围广的特点,首先,分析了当前常见船舶轨迹数据存储方法存在的缺陷,概括了船舶轨迹数据的特征并对其进行抽象建模,然后,在时空立方体模型的基础上,提出了从抽样时刻、步进时段到每日航次的三层组织框架的建模思想,设计了Geodatabase的网格化三级时空立方体模型,实现了海洋运输船舶轨迹观测记录的Geodatabase管理方法。通过我国AIS岸基网络(温州-汕头)单日观测数据的实例验证,表明该模型存储及时空查询性能良好,且具有轨迹数据存储、查询和空间分析一体化管理的独特优势。     

图层级矢量地图裁剪计算模式与算法策略

矢量地图裁剪是商业GIS软件平台重要的基础功能之一。而各种商业GIS平台的矢量地图裁剪效率存在较大差异,其中,ArcGIS效率较高。本文提出了一种矢量地图裁剪计算模式:首先,筛选与裁剪要素外接矩形框(MBR)相交或者包含于该矩形框内的被裁剪要素;然后,对筛选出的被裁剪要素构造四叉树索引,根据被裁剪要素的类型采用不同的计算模式完成裁剪;最后,采用线程池技术实现并行高效的裁剪计算过程。实验结果表明,本文提出的方法在矢量地图裁剪方面与ArcGIS 10平台的效率相当。     

基于MapReduce的多机并行DP算法与实验分析

随着网络地图不断发展,个性化网络地图也得到快速发展。个性化网络地图需要以矢量数据为数据基础,以满足人们对地图色彩、符号等个性化要求,所以需要实时、快速进行大量数据化简。本文以经典Douglas-Peucker算法作为曲线化简算法,利用开源云计算平台Hadoop建立多机协作的曲线并行化简服务框架,设计和实现了多机并行Douglas-Peucker算法,并在集群上进行实验分析,验证算法的效率和适用性。算法核心是设计数据的逻辑分片,利用MapReduce计算原理,将分片分配到集群中,实现并行运算。实验分别分为两个方面:(1)比较在固定阈值不同数据量情况下,传统DP算法与多机并行DP算法效率;(2)比较在相同数据量不同阈值情况下,传统DP算法与多机并行DP算法效率。实验表明,在大数据量和高复杂度情况下,多机并行DP算法的效率更高。     

大规模GNSS网多进程并行解算研究

针对大规模GNSS网常规数据处理时效性差、效率低的问题,基于GAMIT/GLOBK软件,利用进程池技术从多时段与多子网2个维度分别设计共享内存模型数据并行算法,并融合实现大规模GNSS网在时间域和空间域上的时空一体化双层并行解决方案。该方案可突破软件传统串行处理GNSS数据时效性差、多核计算资源利用率低的限制,在测试环境下最大加速比高达19.39,可充分挖掘计算机算力,大幅提升大规模GNSS网数据处理的时效性。     

基于Pfafstetter规则的流域编码算法并行化方法

流域编码是以子流域划分进行流域相关研究的重要内容。Pfafstetter 流域编码以编码唯一、顾及流域拓扑关系及编码效率高等优点而被广泛采用。本文在流域相关研究的分析范围不断增大、数据精度越来越高的需求背景下,以Pfafstetter 编码为基础,对流域编码并行化方法进行研究。首先,分析了Pfafstetter 编码不全面和码位不一致的问题,改进了Pfafstetter 编码规则;然后,从数据并行的角度,讨论了并行计算环境下的数据划分及并行化策略,进而设计了流域编码并行算法;最后,利用长江中上游流域SRTM数据,在集群系统上对流域编码并行算法的正确性和并行性能进行了测试。实验结果表明,本文设计实现的流域编码并行算法可获取与实际较为一致的计算结果,且提高了编码计算效率,可为基于子流域划分的流域分析并行化提供参考。     

论地理规律对流域过程模拟并行计算的指导作用

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。     

县市级义务教育学校区位配置优化设计与实验

 合理规划学校布局是实现义务教育均衡发展和落实就近入学政策的一个重要途径。为满足县市级中小学校空间布局规划需求,本文以区位配置优化方法解决学校区位选址问题。以平均入学距离为目标,以学校总数、学校学额为约束条件,分别构建P中值指派规划和整型规划数学模型。根据学校与居民地之间的空间分布特征进行模型简化,使模型计算效率大幅度提升。因指派规划模型约束矩阵每列非零元素不超过2个,分枝切割算法能获得近似最优解(与最优目标之差小于0.01%);整型规划模型约束矩阵近似于完全单位模矩阵,分枝切割算法通常能获得最优解。在ArcGIS 10 Geoprocessing框架中,整合ArcGIS网络分析、Coin-or Python线性规划建模工具PuLP 1.4.7和线性规划软件Cplex 12,实现模型建模、模型解算和优化结果可视化。在配置Intel 酷睿2双核2.44GHz CPU和2GB内存的计算机环境中,对于有1276个居民点和50所学校的县域进行网络分析、模型建模、模型结算和结果输出。优化结果表明:学校布局调整后学生平均入学距离明显降低,本文构建的优化模型在县市级较大规模的学校选址规划中具有实用价值。     

一种异构多核架构快速查询多边形图层间空间关系的方法

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。