多级地理空间网格框架及其关键技术初探

为了有效管理、组织和利用海量空间数据,解决存储架构与现有空间数据结构不一致的矛盾,在融合国内外各种球面剖分模型优点基础上,设计了一种多级地理空间网格框架。该网格框架以地图分幅划分方式为基础,利用经纬度间隔对全球进行层次性剖分,形成遥感数据、测绘数据及其他空间数据的统一组织框架。通过对网格单元的地址与属性编码,实现空间数据的直接存储和索引,从而完成对空间信息的无缝拼接与多尺度管理。最后阐述了实现地理空间网格框架的关键技术,包括空时一体化技术、计算集群存储技术和空间索引技术等。     

GIS技术支持下的洪水模型建模

在复杂区域建立洪水模型时,计算网格的手工生成方法容易出错甚至不可行,自动生成算法则可大大节省计算网格生成的工作量。洪水模型中的计算网格与GIS栅格数据及不规则三角网空间数据结构非常相似,因此,GIS中成熟的网格自动生成算法可用于生成洪水模型计算网格。文章详细讨论了GIS支持下的洪水模型自动建立步骤,并以黄河下游花园口～夹河滩河段为例,利用地形图、土地利用图、水利工程设施分布、水文站点图等资料,通过自动生成网格及其空间拓扑关系,建立了洪水过程数值模拟模型,并详细解释了计算网格数据格式。     

基于网格计算的城市地理学研究方法探讨

综合分析了城市地理学研究的几种基本方法,并重点探讨了G IS技术在城市地理学研究的重要应用。指出多源数据的获取、数据共享、模型方法的互操是目前城市地理学研究面临的重要问题,建议将网格计算这一新的分布式计算技术应用到城市地理学的研究中,并给出一个基本的城市地理学网格计算体系结构,讨论了实现这个计算体系的几个关键问题,认为采用W eb Service标准建立城市地理学研究的网格计算体系是目前可行的方法。     

网格空间数据库副本管理研究

网格GIS的研究重点在于利用网格技术,基于空间数据库实现空间资源共享。网格环境下,用P2P模型解决副本管理问题,可增强系统的可伸缩性和动态性。在网格GIS中,逻辑层与物理存储层分离,采用水平非交叠分片策略,依照空间区域把逻辑层划分为物理片段层。网格GIS应用系统应用GT4部署和实现,在网格上使用JXTA协议建立虚拟网络覆盖层,实现由门户节点、聚合点和物理存储节点组成的层次型全局副本目录结构。为提高空间数据发布效率,采用三层分布式索引结构,物理片段层和逻辑层分别采用R-tree索引和四叉树索引,通过软状态协议维护副本目录的一致性,并讨论副本目录原型GridSRC的实现和性能评价。     

摄影测量高性能处理关键技术研究

高性能计算技术(HPC)采用分布并行的计算模式,是提高摄影测量处理速度和效率的有效途径.法国InfoTerra公司研制的像素工厂系统[1]及我国武汉大学与武汉适普软件有限公司研制的数字摄影测量网格DPGrid将高性能计算技术引入摄影测量生产中,大幅提高了生产效率,其相同点是均采用并行计算平台,采用任务调度和并行处理算法支持大数据量的快速处理.摄影测量高性能处理的关键技术涉及并行处理系统架构、海量数据的组织与分布式管理、处理任务调度及并行处理算法等多方面.     

基于网格的空间信息模型与服务技术研究

空间信息基础设施是实现数字城市的核心与基础，现有的万维网已经不能满足空间信息访问与处理的需要。该文对以空间信息为核心和基础的数据网格——空间信息网格的基础理论及网格中的空间信息模型与服务技术：进行研究。提出了空间信息网格的若干关键技术及网格中的空间信息模型的特点与要求，并对空间信息网格服务进行了初步的探讨。     

计算模式驱动下GIS体系结构的发展分析

计算模式是信息时代特有的解决问题的方法范式,它综合反映了信息科学的理论、软件与硬件等因素在解决实际问题中相互作用的形式,是与相应阶段主流信息技术相对应的信息系统体系结构的规律模式或构筑范式。该文分析了计算模式驱动下GIS的体系结构从单机模式、局域网模式、广域网模式(WebGIS)到网格模式(GridGIS)的发展过程,指出单机、局域网和广域网模式本质上都具有集中封闭的性质,不同程度地存在着理论、技术、物理、功能和逻辑思维等五大边缘,是典型的空间信息孤岛。网格计算模式是一种彻底的分布式计算模式,GIS的网格模式直接打破了传统模式的技术、物理、功能和逻辑思维限制,并面向理论边缘的解决,具有开放、均质、扁平的结构性质,升格为空间信息网格基础设施。     

社区居住环境的空间数据探索性分析

社区作为城市内部空间尺度单元之一,作为人类的活动中心,居住环境备受人们关注,因此对其进行定量分析是目前城市研究的热点之一。采用GIS、空间数据探索性分析和网格计算相结合的方法,选取上海市外环以内131个街镇社区作为研究对象,对其内部居住环境的空间格局进行探索性分析研究。通过研究发现,社区居住环境是不同因子相互联系、相互作用的结果,其在空间上的分布相应地表现出局部的差异性和整体上的趋同性。并从空间联系的角度出发,提出了对研究区各个社区在空间上布局和规划的方案。     

一种基于GridGIS的空间负载平衡算法

空间数据的广泛应用需要高效的架构来管理,以增加空间数据的可用性.网格地理信息系统(GridGIS)支持快速的空间数据检索,允许用户在任何地方随时透明地访问数据,容易引起空间负载失衡.该文提出一种基于GridGIS的空间负载平衡算法-TLB-Chord,采用动态负载平衡思想,使用基于Chord算法的树结构,实现了一个空间负载平衡模拟系统,展示了TLB-Chord在GridGIS中更加适用于空间数据.     

基于GIS的二维非结构化剖分网格优化

非结构化网格剖分是数值模拟的关键技术之一,网格质量直接影响到计算的收敛性和精确度。在GIS辅助建立非结构化网格空间拓扑关系的基础上,针对GIS和实际研究问题给出Spring-Laplace方法——一种新的单元尺度函数定义,在GIS空间算法下利用该方法优化节点位置,并基于推进阵面算法的思想,结合空间邻近拓扑关系实现了三角剖分节点和网格的重新编号算法,方便了开边界条件的赋值,提高了计算效率。实例表明,该方法大大提高了网格生成质量,能适应FVCOM数值模型对非结构化网格剖分的要求,其收敛速度快,具有较高的运算效率。     

行政单元数据向网格单元转化的技术方法

数据网格化是图形绘制、科学计算和空间模型实现的基础工作。文章提出了空间数据从行政单元向网格单元转化的技术方法,在ARC／INFO软件的支持下,以人口数据为例,实现了这一方法。结果表明：利用网格单元表达社会、经济数据的空间分布,比用行政单元本身更接近于实际。如果提高网格单元的分辨率和行政单元数据的空间尺度,网格化的结果就会达到更加令人满意的效果。而且这种方法也可以用于其它统计单元数据(包括遥感数据)向网格单元的转化。     

基于球体退化八叉树的全球三维网格与变形特征

基于投影的度量空间变换为数字地球及数字区域建设带来了几何裂缝、投影变形等问题,解决问题的根本途径是摒弃投影.直接在球体流形空间建立统一的地球空间基础框架.该文将球面离散网格向球体内部扩展,基于球体退化八叉树提出一种全新的全球三维空间网格剖分方法--球体退化八叉树网格(SDOG).SDOG具有多层次、多分辨率特性,且网格单元面积、体积变形稳定,可对包括地球在内的任意球体进行有序的多层次三维空间剖分,可为全球空间数据集成组织与检索、多层次空间建模与可视化、地球系统科学研究等提供统一的地球空间基础框架.     

基于Hilbert曲线层次分解的空间数据划分方法

针对现有空间数据划分方法普遍存在的不考虑空间对象自身大小和相邻对象空间关系对数据划分的影响等问题,提出一种基于Hilbert空间填充曲线层次分解的空间数据划分方法。该方法使用Hilbert曲线保持划分后空间数据之间的邻近性,利用少数子网格的层次分解避免对整个空间范围的密集划分,减少空间对象的Hilbert编码计算和排序时间;通过计算划分区域平均数据量和子网格内空间对象大小,确定合适的层次分解参数,实现各划分区域内空间数据量均衡。实验表明,该方法提高了空间数据的划分效率,能够保持划分后空间数据之间的邻近性和各个分区数据量的平衡。     

基于遥感与GIS的北方农牧交错带生态环境背景状况评价与分析

中国北方农牧交错带受自然条件和人为活动等多种因素的综合影响,生态环境退化问题比较突出,是生态环境退化研究的典型区和理想地带。以此作为研究对象,选择能反映生态环境特点的多种空间数据信息,利用数字网格模型,通过采用空间叠加的分析方法,评估北方农牧交错带的生态环境背景状况,并对其空间格局特征进行研究。结果表明:（1）北方农牧交错带生态环境背景状况从东南向西北逐渐变差;（2）在北方农牧交错带205个旗县中,绝大部分旗县的生态环境背景状况为一般;宁夏盐池县生态环境背景状况最差,河北兴隆县生态环境背景状况最好。     

基于非均匀多级网格索引的矢量地图叠加分析算法

矢量地图叠加分析在实际场景使用中经常需要处理各种大规模复杂空间数据,因此算法整体分析效率的提升尤其重要.该文重点针对较大多边形对象和大量较小多边形对象的叠加分析使用场景,提出了一种有较强针对性的基于非均匀多级网格索引的矢量地图叠加分析(Non-uniform Multi-level Grid Index Overlay,NMGIO)算法,包括索引构建、网格过滤、叠加计算、拓扑构面4个步骤,通过对待分析数据集和叠加对象双向建立非均匀多级网格索引,利用数据的空间分布特点从根本上提升叠加分析效率.同时给出了算法整体时间复杂度和由C++语言实现的原型系统叠加分析效果验证.     

流域水文模型计算域离散方法

常用的概念性水文模型 ,能够很好地模拟水文时间变化过程 ,但没有考虑水文变量和水文参数的空间变化与空间不均匀性。随着空间数据的获取手段的增多以及空间离散技术的发展 ,考虑水文参数和水文变量空间变化的分布式水文模型得到了极大的发展。本文详细介绍了分布式流域水文模型中用到的几种不同计算域离散方法 ,并讨论了河道汇流模型中常用到的有结构网格和无结构离散网格。地理信息系统技术对计算域离散有辅助作用 ,其有利于无结构离散网格的自动生成和交互修改 ,并可结合遥感技术 ,使水文模型能获取精确的空间分布的水文参数和水文变量。     

分布式协同计算的GIS技术研究

讨论GIS的基本技术体系,针对GIS应用需要提出以分布式协同计算为基本特征的新一代GIS技术。回顾GIS技术的发展历程及各代GIS技术的基本特征,分析GIS应用需求的发展趋势,提出新一代GIS应具备的基本特征;从空间数据模型、空间查询语言和空间数据分布式计算等方面讨论新一代GIS技术的理论体系,并提出现阶段可行的实现机制;介绍新一代协同计算的分布式GIS软件原型。     

空间编码QuaPA方法的改进与实验

空间编码是GIS与全球空间数据组织与共享的重要基础。针对QuaPA编码方法进行三维与全球空间编码时存在数据冗余和象限二义性问题,采用双Morton编码和象限标识后置方式进行改进,提出QuaPA 方法。介绍QuaPA 编码步骤及其反演原理,并以中国及邻区地表及地下10 km2、0 km以浅的三维球壳空间网格划分为例,分别进行了球壳网格的QuaPA和QuaPA 编码实验。实验表明,QuaPA 编码解决了象限二义性问题,缩短了编码长度,节省了存储空间。     

城市空间框架数据研究

该文基于地理空间概念和地理信息数字化表达与共享的特点,探讨了框架数据的作用、确定原则,推导出城市空间框架数据体系,即建立城市直接空间参照体系和间接空间参照体系。后者中,基于地块的多尺度无缝不规则网格是整合城市社会经济数据的关键,也是当前城市空间数据基础设施框架数据体系建设中的薄弱环节。     

空间数据溯源建模与语义计算方法研究

正地理空间数据是重要的基础性资源,在众多领域有着广泛的应用。如何对空间数据产品追踪溯源,一直是地理信息领域研究的基础问题。随着空间数据基础设施的发展,地理空间数据以不可预知的方式被广泛且频繁地分发和处理,使得对空间数据溯源的研究变得尤为重要。特别是近年来,众源技术的出现改变了地理信息的生产与消费模式,加快了数据更新与传播速度,拓展了当代地理信息科学的发展方向,深刻影响了地理信息产业化模式。在自发地理信息与专业地理信息融合应用的背景下,及时