1992-2010年基于DMSP-OLS图像的环渤海城市群空间格局变化分析

从DMSP-OLS数据提取城市区域的经验阈值法存在固有的缺陷,经验阈值对不同的空间区域不具备通用性,不适用的经验阈值,将导致城区面积提取具有较大误差,可采用统计数据对经验阈值进行修正以降低误差。本文在大时空尺度条件下以少量样本城市的统计数据对经验阈值方法进行了修正;另采用Elvidge二次多项式模型对DMSP-OLS时间序列数据进行了校正。在此基础上选取总斑块数量、景观总面积、平均斑块大小、最大斑块面积比、斑块密度、景观形状指数、总边界长度、平均边界密度和斑块平均回旋半径共9个景观生态学指标,采用FRAGSTATS 3.3软件计算分析了1992-2010年环渤海区域城市发展的空间格局变化特征。结果表明:1992-2010年间,环渤海区域城市化进程持续较快发展,城市建成区总面积增加了2.14倍,平均城市建成区面积增加了76%,提取到的城市斑块平均回旋半径增加了约26.5%,并且城市景观斑块的复杂度明显上升,可检测到的城镇总个数增加了82%。但是,每100km2内孤立的城市景观斑块数却降低了约76%;大城市持续扩张的相对速度慢于中小城市,城市区域边界密度和整体城市分布景观格局破碎度逐渐降低,核心城市与周围卫星城市的景观斑块的联通性逐步增加。     

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。     

集成虚拟森林环境与景观指数计算模型的森林景观格局分析

森林景观格局分析是森林景观优化配置与实施规划的基础。本文以森林资源二类调查数据为基础,采用森林景观定量空间分析方法,在自主开发而成的森林景观可视化系统VisForest支持下,利用VS2008开发平台、ArcEngine组件与OSG图形渲染引擎,集成景观指数计算模型和地理信息系统的分析方法,形成森林景观格局分析与景观三维可视化模拟系统,实现了景观格局分析的定量化和景观可视化;并以闽侯县白沙国有林场2013年的数据为例,按优势树种划分森林景观类型,计算分析了景观组成结构、斑块特征和景观异质性等。结果表明,杉木林、马尾松林、湿地松林、木荷林、非林地是白沙林场的优势景观类型,总体景观类型丰富、景观异质性较高;木荷作为隔离带树种,以小面积狭长斑块居多,其形状指数和分形维数最大,斑块形状复杂而不规则;森林景观的三维可视化模拟为研究景观格局提供了一个直观、交互的展示平台。     

近20年来福州城市热环境变化遥感分析

城市热环境是城市微气候的重要组成部分,已成为近年来的研究热点。受制于卫星传感器较低的热红外波段空间分辨率,此类数据反演得到的地表温度难以反映城市热环境的实际情况。为解决这一困境,本文利用空间降尺度HUTS算法反演得到30 m空间分辨率的福州市中心城区1994年5月12日、2003年5月29日和2016年7月27日3个时相的地表温度影像。在此基础上,结合土地利用等数据对热环境的时空变化做定量分析,并进一步引入景观指数,分析近20年间福州市中心城区高温度等级斑块的形态变化。结果表明：① 近20年间随着城市拓展,福州市建成区的高温区域面积从35.75 km²增加到184.11 km²,高温度等级斑块不断从市中心向四周扩散;② 市中心的特高温斑块和高温斑块趋向破裂、分散,聚集程度下降,次高温斑块的面积与占比均大幅提升,成为建成区内高温区域的主要组成部分;③ 城市热岛比例指数URI由0.39上升到0.52,热岛效应明显加强。总体上,近20 a间福州市建成区的热环境变化较大,其中鼓楼区南部、台江区和晋安区南部的高温区域聚集现象有所改善,而仓山区、马尾区和闽侯县的大部分区域在经历快速城市化过程后温度等级明显升高。     

长株潭地区景观格局及其变化特征研究

基于GIS、RS技术,本文利用长株潭地区1989年、1996年、2000年和2008年4个时期的LandsatTM/ETM+遥感影像提取景观类型数据,运用景观生态学理论和方法对该地区景观格局特征,及其变化特征进行了研究,并探讨了研究区景观格局动态变化的驱动力。研究结果表明:1989-2008年的近20年中,长株潭地区各景观类型的面积发生了显著变化,主要表现为林地、耕地向建设用地转化;从研究时段来看,研究区景观类型变化速率逐步加快。研究区斑块数量和密度持续增大,最大斑块指数持续减小,景观破碎化程度升高;从景观多样性指数与均匀度指数的变化可以看出,景观格局的多样性增加,且均度增强;同时,由景观形状指数增长说明斑块形状趋于复杂化。影响景观格局变化的驱动因子主要是人为因素中的人口增长、经济发展及政策引导作用。     

黄河下游沿岸湿地景观格局变化研究

在遥感和GIS技术的支持下,结合研究区湿地的区域特点确定沿黄湿地景观分类系统。构建了湿地景观格局变化表征模型,综合利用景观多样性指数、景观破碎化指数、景观要素斑块分布质心空间变化等景观格局指标和斑块数量,斑块面积、斑块平均面积、斑块数量等景观类型指标,比较系统地分析了近七年研究区湿地景观格局的动态变化。结果表明:①研究区湿地的分布面积呈显著下降趋势;②随着人类干扰强度的增加,景观多样性上升;③湿地景观要素中,稻田湿地、滩涂面积在减少,而水库坑塘、黄河面积都在不断增加。     

基于景观格局的汶上县城市空间布局评价

在县域城市快速发展的背景下,以汶上县为研究对象,利用景观生态学的分析方法,选取斑块数、平均斑块面积、最大斑块指数、景观形状指数、平均斑块分维数、平均形状指数、平均邻近指数等指标,对城区不同土地利用类型的现状景观格局进行评价,分析整体及局部布局特征并指出存在的布局问题,对城市未来的发展提升提出建议。     

基于空间突变特征的城市边缘区提取方法

城市边缘区位于城市与乡村之间的过渡交接地带,既是城市扩张的前沿,也是城乡建设和用地置换中最具活力的地区。准确识别城市边缘区的空间范围一直是城市空间结构研究的核心问题,有助于从城乡对比的角度来衡量城市化程度。本文以城市边缘区的空间突变特征为切入点,基于格网尺度评价构建基于多源数据的城市边缘区特征识别指标,然后采用小波变换检测进行特征值突变点群的识别,并利用基于Delaunay的自动边长阈值的边界提取算法识别突变点群内外边界,从而实现了一种基于空间突变特征的城市边缘区提取方法。最后,以江阴市作为研究区进行了实证分析,并将本文方法提取结果与通过信息熵模型和土地利用程度综合指数模型提取城市边缘区的经典方法提取结果进行对比,经典方法所提取的城市边缘区结果更为混乱分散,而本文结果更为完整客观。将本文方法提取结果与使用土地利用数据与行政区划统计年鉴数据构建城市边缘区识别指标进行突变检测的不同指标方法提取结果进行对比,二者重叠度达88.03%,体现了本文方法的正确性,而从局部细节分析来看,本文结果更符合实际情况。为了更好地验证本文方法的有效性,利用景观格局指数对本文方法和不同指标方法提取的城市建成区、城市边缘区和乡村腹地的范围进行检验：从斑块类型层级指数分析, 2种方法划定的区域都具有典型的空间特征;而从景观层级指数分析,本文识别出的边缘区所计算的斑块密度、最大斑块指数、景观分离度、景观破碎化指数和香农多样性指数均高于对比方法,而蔓延度和香农均匀度均低于对比方法,说明本文识别的城市边缘区范围内景观破碎化程度和异质性更高,景观分布不均匀,社会经济条件更复杂,从而证明了本方法的有效性,尤其适合于非闭合环状的城市边缘区的提取。     

基于多维景观扩张指数的城市紧凑度分析研究

城市紧凑度是反映城市空间形态的重要指标.基于二维平面上建设用地斑块与原有建设用地斑块之间的缓冲区或者共同边分析是现有研究中测度新增建设用地紧凑或者扩散的主要方式,但是这类方法忽视了斑块内部三维建筑物的高度以及斑块之间的距离.为了更加客观准确地评价微观斑块尺度实际紧凑程度,本文提出了多维景观扩张指数(Multi-dimensional Landscape Expansion Index,MDLEI),通过对中国36个主要城市建设用地图斑中的建筑物图斑进行提取,分别使用景观扩张指数(Landscape Expansion Index,LEI)和MDLEI计算建筑物图斑的扩张指数,并对各市两种扩张指数分别占所有城市均值总和的比例进行比较来确定该城市的紧凑度是否被高估.主要结论为:在扩张模式的识别上,MDLEI识别出的飞地式扩张斑块的数量和面积均高于LEI对应结果,表明LEI高估了扩散型增长斑块的紧凑程度;根据MDLEI计算得到的各市扩张斑块紧凑度,发现紧凑度较高的城市均分布在胡焕庸线以东,其中紧凑度最高的厦门、深圳、杭州、上海均为东南沿海城市,总体呈现出东高西低,南高北低的紧凑度分布状态.多维景观扩张指数能较为准确地识别微观层面扩张斑块的紧凑度,为政府因地制宜进行建设用地扩张管理和存量规划提供科学有效信息.     

汶川地震前后龙溪虹口自然保护区景观多样性的遥感评估

 本文以植被类型与土地利用类型为主要依据,建立四川龙溪-虹口自然保护区景观分类体系,对汶川地震前后的两期Landsat TM影像进行了解译,得到其地震前后的景观空间格局,并对研究区地震前后景观变化特征进行分析,得到:(1)震后研究区景观斑块总数增加了2.36倍,景观破碎化严重。阔叶林与针叶林组成的森林景观呈片段化,优势度下降;阔叶林、稀疏植被,以及草甸成为新的优势景观。(2)震后 Shannon多样性指数与周长-面积分维数分别上升11%和7%,说明研究区景观异质性与多样性增多,景观结构更复杂。优势度指数和聚集度指数下降30%,表示研究区内大的景观斑块减少,景观类型聚集度下降,连通性下降。(3)研究区生境破碎,生物多样性维持功能减弱;植被覆盖度降低,边缘生境增加,水源涵养功能减弱、水土流失风险加剧;景观结构受损,生态屏障功能减弱。其表明地震及其次生灾害作为自然干扰因子,改变了研究区景观的结构与格局,破坏了珍稀动植物的适宜生境,对研究区珍稀濒危物种与自然生态系统造成了严重威胁,将对区域生态环境与生物多样性造成重要影响。     

A voxel-based fine-scale 3D landscape pattern analysis using laser scanner point clouds

The landscape pattern metrics can quantitatively describe the characteristics of landscape pattern and are widely used in various fields of landscape ecology. Due to the lack of vertical information, 2D landscape metrics cannot delineate the vertical characteristics of landscape pattern. Based on the point clouds, a high-resolution voxel model and several voxel-based 3D landscape metrics were constructed in this study and 3D metrics calculation results were compared with that of 2D metrics. The results showed that certain quantifying difference exists between 2D and 3D landscape metrics. For landscapes with different components and spatial configurations, significant difference was disclosed between 2D and 3D landscape metrics. 3D metrics can better reflect the real spatial structure characteristics of the landscape than 2D metrics.     

基于MapReduce的空间敏感性分析并行算法设计

近年来,随着遥感空间数据广泛应用于生态系统,推动了区域尺度生态遥感参数模型的发展。敏感性分析对识别模型关键参数,降低模型不确定性和完善模型具有重要作用。区域尺度的生态遥感参数模型,在进行模型参数敏感性分析时,由于涉及到空间数据的复杂运算,单机环境无法满足快速分析的要求。为了提高生态遥感参数模型空间敏感性分析效率,本文以青藏高原为研究区域,利用植被光合模型VPM(Vegetation Photosynthesis Model)和开源云计算平台Hadoop,设计和实现了基于Sobol′的生态遥感参数模型空间敏感性分析并行算法,并在实验室集群环境下进行算法分析,验证了算法的有效性和适用性。该算法的核心是利用MapReduce并行编程技术,对空间敏感性分析中的地图抽样和模型迭代过程进行任务分割,将分割后的子任务分配至不同的计算节点进行并行计算。实验表明,本文提出的并行策略,能有效缩短地图抽样和模型迭代计算时间,相比于单机算法,并行算法的运行速度提高了14倍左右。     

采用动态负载均衡的LiDAR数据生成DEM并行算法

随着高性能计算的发展,并行技术已经广泛应用于LiDAR数据的分析处理。本文针对现有LiDAR数据生成DEM并行算法所存在的负载不均衡问题,设计并实现了动态负载均衡的LiDAR数据生成DEM并行算法。该算法采用主从式并行策略,管理进程负责LiDAR点云的高效自适应条带划分,计算进程负责LiDAR点云生成DEM的计算。本文设计了任务量的动态调度策略:首先,由所有进程并行创建任务量由大到小排列的待处理任务队列;然后,管理进程根据计算进程的反馈对待处理任务进行动态分配,以达到负载均衡。在24 核集群环境下,用30 GB(约12 亿点)LiDAR数据对本文算法进行测试,生成分辨率为1 m的格网DEM,算法加速比峰值达到15.16;同时,与静态调度策略进行对比实验,结果显示本文的动态负载均衡策略可更好地保证进程间的负载均衡,有效地提高了LiDAR生成DEM并行算法的整体效率。     

Retinex图像增强在GPU平台上的实现

伴随着无人机时代的到来,对海量数据处理的实时性要求越来越高。本文在GPU（Graphic Processing Unit）平台上实现了Retinex图像增强算法的并行处理,提升了Retinex图像增强算法处理高分辨率数字图像的处理速度。首先,通过数据合并访问和内存数据交互技术实现了数据的快速访问,缩短了数据在不同种类内存间的传输时间,提升了数据访问的效率;然后,采用内核指令优化和数据并行计算技术,实现了Retinex图像增强算法在GPU平台上的多核程序设计;最后,采用主机端和设备端的异步执行模式,在数据传输的同时进行内核数据的并行计算,通过任务级的并行进一步缩短了算法在GPU平台上的执行时间。研究表明,对于不同分辨率的图像,Retinex图像增强算法的处理速度相比于CPU平台均有数十倍的提高,如处理一帧分辨率为2048像元×2048像元的图像仅需要38.04 ms,算法的处理速度较CPU提高了40倍。     

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基于数字高程模型的旅游地文化景观语义感知分析 ——以清西陵选址文化为例

 景观感知对旅游地规划设计具有基础性作用,但人文旅游地内部的景观感知空间分异至今没有微观尺度上的研究方法出现。本文提出了景观视角分组基础上的景观语义特征点抽象方法,并建立了单文化景观和多文化景观语义感知度计算模型,以解决人文类型旅游地内部景观感知的强度空间分异计算问题。利用数字高程模型,在清西陵旅游地实现了文化景观语义感知度的实证研究:以中国传统的皇家陵寝选址文化及其表征的封建等级体系为语义准则,提取了4个代表性陵墓文化景观不同景观视角下的78个特征点,并赋予不同景观视角及每个特征点相应权重系数;利用视域分析、叠置分析等方法计算得到旅游地景观文化感知度;尝试利用感知度计算结果对现有观光线路进行观景点语义挖掘并设计了优化方案。论文为人文地理学景观感知定量化表达提供了思路,为旅游地规划、景观与线路设计等提供了技术途径。     

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基于能量守恒方法的重力场反演快速异构并行算法

在利用卫星跟踪卫星资料解算重力场模型位系数时,其海量观测数据处理以及大型方程组解算过程存在计算效率低下、对平台硬件要求高等问题。针对以上问题,提出一种基于能量守恒方法的重力场反演快速异构并行算法,基于CUDA 在GPU端实现并行计算设计矩阵,结合MKL库与分区平差法、预处理共轭梯度法在CPU端完成低内存消耗下的法方程快速构建与求解,实现重力场模型反演的异构并行计算。运用该算法处理GRACE-FO卫星2020-01-01～06-30期间观测数据,反演获得120阶重力场模型GM-GraceFO2020h;与现有模型以及算法对比分析表明,该算法所得模型与现有GRACE重力场模型精度相当,且相较于传统的串行算法,反演耗时减少98.479%,内存消耗减小1个数量级。     

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。     

城市气溶胶光学厚度空间格局特征多指标综合分析

本文以厦门市为例,基于MODIS影像反演的大气气溶胶光学厚度（AOD）,利用空间自相关和景观格局指数从数量、形态和结构方面综合分析了2014年各月份（5月和9月除外）AOD时空格局变化。结果表明,研究区AOD具有明显的时空分布差异,林地上空的AOD处于较低等级,建设用地上空AOD大部分处于中高等级;AOD在春夏季较大,在秋冬季较小。AOD分布存在显著正空间自相关性,而且主要存在高高（HH）、低低（LL）、高低（HL）3种聚集模式。低低聚集模式主要分布在厦门市的北部山区;高高（HH）和高低（HL）模式主要分布在本岛东北部新城和本岛外各新城的城区。在景观格局指数方面,从秋冬季节到春夏季节期间,研究区气溶胶光学厚度高等级斑块增加,景观结构趋于复杂,景观异质性增加。对AOD时空格局变化进行多指标综合分析可以更加深入、细致、全面地刻画气溶胶的变化规律,有助于精确评估气溶胶对环境、气候等的影响,为城市可持续发展提供决策支持。