知识发现及地理元胞自动机

提出了将数据挖掘技术应用于元胞自动机(CA)进行地理模拟的新方法. CA具有很强的模拟复杂系统的能力. CA的核心是如何定义转换规则, 但目前还没有很好定义转换规则的方法. 主要是采用启发式的方法来定义转换规则, 受主观因素影响很大. 而且, 这些转换规则基本是通过数学公式来隐含表达, 在反映复杂关系时有一定的局限性. 利用数据挖掘技术从GIS和遥感数据中发现知识, 自动找到CA的转换规则, 大大缩短了建模所需要的时间, 并改善了模拟效果.     

一种基于生物群集智能优化的遥感分类方法

提出了一种基于生物群集智能(swarm intelligence-based)的遥感影像分类新方法. 智能式分类是遥感研究的热点和趋势. 设计出一种新的实数制编码的粒子群遥感影像分类器(PSO-Miner), 在分类规则提取时, 粒子能自动寻找各个波段的最优分割点. 并且该方法所提取的分类规则毋需通过数学公式来表达, 能更方便和准确地描述自然界中的复杂关系, 比数学公式更容易让人理解. 将该方法应用于番禺地区的遥感影像, 取得了较好的分类结果. 并与See5.0决策树方法进行了对比研究, 实验结果表明, 基于群集智能方法的分类精度比决策树方法的精度更高.     

基于多智能体系统的空间决策行为及土地利用格局演变的模拟

探讨了基于多智能体系统(MAS)的城市土地利用动态变化模拟的新方法. 模型是由相互作用的环境层和多智能体层组成. 旨在探索城市中居民、房地产商、政府等多智能体之间, 以及多智能体与环境之间的相互作用而导致城市空间结构的演化过程. 以广州市海珠区为实验区, 模拟了其1995~2004年的土地利用动态变化情况. 并与元胞自动机(CA)模型进行了对比研究, 结果表明MAS在模拟较为复杂的城市时比CA有更高的精度和更接近实际的空间格局.     

基于最大熵的CA模型及其城市扩张模拟

城市用地的扩张模拟是土地利用/土地覆盖变化(LUCC)研究的核心问题之一.文章耦合了最大熵模型(Maxent)与元胞自动机(CA),并提出一种新的城市扩张模型(Maxent-CA),模型简单并可以从单期遥感影像中获取转换规则.以2000年中国地区的遥感数据为基础数据,结合人口密度、到城市的距离等空间变量,构建了Maxent-CA模型并分析其训练样本、邻域空间结构和空间尺度等,实现对模型的参数校正与验证.研究发现,当训练样本的采样比例与城市用地的转变量在全区的占比相匹配而且采用冯诺依曼邻域结构时,模型将得出更好的模拟结果.随着空间分辨率的降低模拟结果的空间结构变得简单,但是模拟精度也会受到明显影响.与传统逻辑回归CA模型对比, Maxent-CA能够很好地避免产生城市中心团簇的现象,将有助于得出更接近于真实情况的模拟结果,也能很好地满足大区域的城市扩张模拟的需求.     

基于CA的城市演变的知识挖掘及规划情景模拟

城市演变过程是复杂的动态系统, 掌握其规律在城市理论和资源环境管理中有重要意义. 利用元胞自动机(CA)进行城市模拟可以帮助认识城市形态的演变过程, 并为其调控提供决策依据. 传统方法在确定CA模型的参数时有一定局限性, 采用遗传算法有效地获取CA模拟的参数. 这些参数在城市形态的演变模拟中起到控制性的作用. 以珠江三角洲为例, 针对目前普遍存在的沿公路“摊大饼”式无序蔓延的发展模式, 提出根据紧凑式城市发展理论, 对不同的城市发展形态进行评价, 获取好的控制性参数, 从而模拟出合理的城市形态, 为区域的城市空间形态的调控提供决策依据.     

基于系统动力学模型和元胞自动机模型的土地利用情景模型研究

综合自上而下的系统动力学模型和自下而上的元胞自动机模型, 从宏观用地总量需求和微观土地供给相平衡的角度, 充分利用系统动力学模型在情景模拟和宏观驱动因素反映上的优势与元胞自动机模型在微观土地利用空间格局反映上的优势, 发展了土地利用情景变化动力学LUSD (Land Use Scenarios Dynamics model)模型. 利用该模型对中国北方13省未来20年土地利用变化的情景模拟结果表明, 由于LUSD模型充分利用了系统动力学模型和元胞自动机模型的特点和优势, 同时考虑了土地利用系统宏观驱动因素复杂性和微观格局演化复杂性的特征, 因而提高了当前土地利用情景模型的可靠性, 这将在一定程度上为理解土地利用系统的复杂驱动行为, 评估脆弱生态区土地系统变化的潜在生态效应提供帮助. 同时, LUSD模型的情景模拟结果也表明, 农牧交错带地区是中国北方未来20年土地利用变化比较明显的地区, 而耕地和城镇用地则是该区域内变化最为显著的两种用地类型.     

城市公共安全应急响应动态地理模拟研究

在复杂性科学研究的启示下,将用于复杂地理空间系统建模与仿真的地理模拟系统(GSS)理论引入城市公共安全应急领域,研究了大范围城市公共安全应急响应模拟的技术方法,提出了基于第二代地理模拟系统—多智能体系统(MAS)和地理信息系统(GIS)的城市公共安全应急响应模型框架,完成应急响应多智能模型体系架构、应急智能体个体结构、应急环境描述方法、多智能体模拟环境工作原理和多智能体模型在计算机上实现的关键技术研究,构建了模拟系统平台原型.采集北京市原城八区基础地理数据为实验数据,以假想的突发事件为背景进行了城市公共安全应急响应的复杂过程模拟实验,验证了运用地理模拟系统的空间动态建模方法构建城市公共安全应急响应系统的可操作性和技术体系的可行性.文章认为:复杂系统理论和复杂适应性系统理论可以为城市公共安全应急响应的复杂动态过程研究提供理论框架,复杂系统动态仿真方法和现代空间信息技术可以成为城市公共安全应急响应系统构建的方法论和技术支持,基于多智能体和GIS的应急响应模型是城市公共安全应急响应研究的关键技术,在实际的城市公共安全应急响应模拟时,基于Repast和Geotools实现多智能体系统与GIS系统的紧密集成,基于JTS实现空间数据分析,以及基于Terracotta集群技术解决大运算量数据处理至关重要.     

基于改进蚁群算法与无人机影像的震害识别方法及其在漾濞地震中的应用

地震后及时、精准地获取区域的震害情况,对科学有效地开展应急救援与灾害损失评估工作具有重要意义。文中依托蚁群算法以及无人机高清遥感影像,提出了一种高效识别区域建筑震害的新方法,并在近期云南漾濞6.4级地震的应急工作中进行了应用与验证。该方法通过改进蚁群算法中信息素浓度更新策略,引入优化算子,建立了更好的识别规则,提高了震害识别的速度与准确性;云南漾濞6.4级地震发生后,以第一时间获取的漾濞县城无人机高分辨率影像为试验数据,对区域震害的提取效果进行了验证,并与蚁群算法及最大似然方法进行对比分析。结果表明,文中提出的基于改进蚁群算法与无人机高分辨率影像的震害识别方法可有效提高区域内被破坏建筑物的识别精度。     

致密砂岩气藏动态分类委员会机器测井流体识别方法

致密砂岩流体识别难度大,智能算法能够较好地建立其流体识别模型.相较于单一智能算法,分类委员会机器通过联合多个专家(智能算法)有助于提升智能模型整体性能.而针对分类委员会机器中单个专家性能难以提升的问题,添加门网络构建动态分类委员会机器是一种更有效的模块化学习方式.本研究首先采用门网络将输入数据划分为多个子数据集,然后联合决策树、概率神经网络、贝叶斯分类、BP神经网络、最近邻算法分别训练子数据集得到多个子模型,最后利用组合器最优化子模型组合得到最佳的流体识别模型.针对塔里木盆地库车坳陷大北、克深、博孜地区致密砂岩地层测井数据和测试数据,采用平均影响值法优选敏感测井系列作为输入,构建了动态的测井流体识别模型,其训练、验证准确率分别为96.29%和91.39%.利用此模型以BZ9井为例进行流体类型判别,预测结果与测试结果一致.该方法将无监督与有监督学习相结合,引入门网络提高了数据集利用效率,避免了数据集分布不均衡对模型构建的影响;采用投票机制集成多种专家,建立了子模型与专家的适应关系,流体识别模型预测精度和泛化能力大大提高.     

基于迭代融合的InSAR技术获取数字高程模型研究

数字高程模型是重要的地理空间数据,可以提供丰富的地形信息.为了获得时效性好、分辨率高的数字高程模型,本文以南京市为实验区域,利用德国宇航局TerraSAR-X卫星同一轨道上的两幅StripMap模式SAR影像对,主从影像时间间隔只有66天,空间分辨率为3 m.采用InSAR技术,通过迭代的方法来提高获取DEM的分辨率,并结合JAXA/EORC提供的AW3D30数字表面模型与迭代后的DEM进行融合来解决阴影等问题,最终获取了南京地区的高精度数字高程模型.将实验结果分别与90 m分辨率的SRTM、30 m分辨率的ASTER GDEM、30 m分辨率的AW3D30进行相互对比分析.结果表明,相比三种常用的DEM而言,本文获取的DEM能够更精确的获取地面的细节信息,特别是对于分布稀疏的大型单体建筑物,能够很好的恢复其三维信息,但是对于建筑物分布较为密集的区域,由于传感器视线受阻,不能观测建筑物的全貌,阴影分布较多,导致此类区域的DEM结果不理想,还需进一步深入研究,提高精度及可靠性.     

基于加权一致性的蚁群算法在断层检测中的应用

突出地震数据振幅空间不连续性的断层增强属性体是断层自动解释的基础,而如何压制噪声、地层残余响应、角度不整合接触等伪断层的影响是断层自动检测的关键问题之一.在指纹图像边缘检测处理中,一致性是对指示局部方向场信息各向异性强度的一个度量,本文将其作为一种新的断层增强属性引入到地震数据处理中.为了更有效地压制噪声,本文通过对一致性进行加权处理,再结合蚁群算法,提出了新的断层自动检测方法——基于加权一致性的蚁群算法.理论地震模型和实际地震数据的处理结果表明,对于相同的断层检测过程,对比常规的基于方差属性的蚁群算法和基于C3相干属性的蚁群算法,本文所提方法不仅更有效地压制了噪声和地层残余响应产生的伪断层信息,而且更完整地展现了断层的延伸长度,同时具有更高的稳定性和计算效率.     

细胞自动机的多重分形特征和动力学根源

用大量弹簧滑块组成的模型可以模拟地震的复杂性,本文以细胞自动机(CA)为数学工具,结合地震学和岩石力学的结果,考虑了能量的输入和损耗,进行了地震事件的数字模拟。对模型中输出的"地震"事件进行了时间和空间的多分形分析,并对自组织临界(SOC)状态进行了讨论,进而得到事件至少在时间域里的分布呈现出层次结构,符合自相似特征。本文的CA模型属于确定性的混沌系统,而对于处在SOC状态下的大量事件的频度和大小的统计与G-R指数律很好地吻合。结果表明,虽然自组织(SO)可能是更准确的地震表征,但SOC仍然是研究地震现象的很好的模式。     

单幅高空间分辨率卫星图像提取建筑物三维信息的方法研究

随着防震减灾事业的发展,对基础地理信息的要求日渐提高,利用卫星遥感影像快速补充与更新已有数据成为获取地理信息的主要方法。文中论述了太阳空间位置、卫星空间位置与建筑物空间位置对平面影像上阴影形状的约束,探讨了垂直于建筑物主方向的阴影平均宽度的统计算法和提取建筑物边界的点生长算法,给出了计算建筑物高度的数学公式,并研究出1种基于单幅高空间分辨率遥感图像数据的建筑物边界及高度快速自动生成技术。以上海市宝山区为试验区,得到了该区建筑物位置、面积和高度信息,经实地验证其试验结果可满足相应种类的灾情评估基础信息的要求     

中小学校疏散演练人员疏散模型研究

本文以元胞自动机模型理论为指导,以人员疏散时间最短为目标,构建中小学校疏散演练人员疏散模型。本文从开展地震应急疏散模型研究出发,为地震应急演练疏散训练软件提供核心算法。通过对空间基础构建元素及搭建方法的分析研究,设计完成疏散虚拟场景的建模方法。最后开展人员疏散算法构建方式的研究,并结合应急疏散演练人员行为规范的研究成果,完成疏散模型的总体设计,达到为应急演练疏散软件提供人员疏散演化模型以及为人员疏散过程合理性评判提供依据的目的。     

基于GID二次开发的复杂模型建模及瞬变电磁三维正演

基于时域有限差分(FDTD)的瞬变电磁三维正演已经基本实现,但是复杂三维体的建模还存在问题,从而影响瞬变电磁对于复杂模型响应规律的分析.本文针对复杂模型的几何建模及Yee元胞的网格剖分问题,基于GID软件平台进行了二次开发,编写了"FDTD问题类型",通过编写代码,获得了能够直接应用于FDTD三维正演的网格剖分节点数据.文中利用GID软件对实际采矿巷道、隧道内TBM机模型、以及矿体模型进行建模,并采用FDTD方法进行正演计算.计算结果表明,基于二次开发的GID的可视化建模能够满足目前复杂模型建模的需求,为瞬变电磁FDTD三维正演模拟提供有力的支持.     

建筑物出口的人员疏散研究

根据建筑物出口疏散的特点,提出了一种改进型的元胞自动机模型。研究了影响人员疏散速度的两个因素:人员之间的相互拥挤产生的冲突和人员移动到出口时由于转弯导致的移动速度减慢。使用数学方法推导得出了摩擦冲突函数和转弯函数。通过计算机仿真与实际疏散实验对比发现,在不考虑转弯因素的情况下,仿真结果与实验结果偏差较大,而在同时考虑相互冲突和转弯因素时的仿真结果与实验结果偏差很小,验证了这两个因素是疏散仿真不可忽略的因素。通过分析仿真结果,验证了本文所采用的模型和函数能够准确地反映实际疏散过程,具有较高的实用价值。     

基于应变率场的全球地震活动特征模拟探索

本文提出利用全球应变率资料模拟全球地震活动特征的基本思想, 并作了初步探索。 利用GSRM的全球应变率场结果, 初步设计了模拟全球地震活动时空分布特征的细胞自动机模型。 该模型把地球考虑为一个自组织的整体系统, 制定了细胞自动机的演化规则, 获得了模拟的人工地震目录。 初步的模拟结果基本反映了全球地震活动的主要分布特征, 体现了全球构造活动强弱的主要格局, 初步达到了利用GPS等实测资料计算的应变率作为细胞自动机网格状态及其改变量来模拟复杂的全球地震活动特征的实验目的。     

基于应变率场的全球地震活动特征模拟探索

提出利用全球应变率资料模拟全球地震活动特征的基本思想,并作了初步探索。利用GSRM的全球应变率场结果,初步设计了模拟全球地震活动时空分布特征的细胞自动机模型。该模型把地球考虑为一个自组织的整体系统,制定了细胞自动机的演化规则,获得了模拟的人工地震目录。初步的模拟结果基本反映了全球地震活动的主要分布特征,体现了全球构造活动强弱的主要格局,初步达到了利用GPS等实测资料计算的应变率作为细胞自动机网格状态及其改变量来模拟复杂的全球地震活动特征的实验目的。     

采用Geodatabase技术构建流域水文系统地理数据库——以太湖地区西苕溪流域为例

如何表达流域复杂的系统结构是实现流域信息与模型集成,构建流域决策支持系统需要研究的首要问题.在分析现有流域数据库存在问题的基础上,以太湖流域西南部的西苕溪流域为研究区,采用面向对象的Geodatabase地理数据技术,通过分析流域系统的组成要素及过程,提出面向流域水文、水质应用需求的数据库信息组织体系;应用Arcgis的Archydro水文分析模块,基于国家基础地理数据库中的数字地形提取流域要素信息,构建了包括河流流线、集水区出水口、监测台站位置、湖库出口等要素的完整水文网络,并分析水文网络要素上下游关系,对流域集水区与河流的水力联系进行表达;通过分析流域监测台站空间信息、监测项目、时间序列的信息特征,设计Geodatabase的表结构和连接类,实现流域空间特征与状态序列的一体化表达,研究可以为流域数据库建设及流域决策支持系统信息平台构建提供一些技术参考.     

2014年盈江双震的破裂历史

2014年5月24日在云南省盈江县发生M_s5.6级地震(主震A), 于5月30日在其附近再次发生M_s6.1级地震(主震B). 我们挑选云南省地震台网记录的数字波形资料, 借助于经验格林函数技术提取了这两次地震的震源时间函数,获得了其破裂历史. 为了利用经验格林函数技术提取震源时间函数,我们首先利用优选的速度模型,采用逆时成像技术重新确定了主震A和B以及挑选的6次较大余震的震源位置,并利用双差定位技术确定了主震与余震之间的相对位置;然后利用广义极性振幅技术反演了这些事件的震源机制;最后,根据主震和余震的相对位置以及震源机制特征挑选最优台站记录,提取了两个主震的震源时间函数. 结果表明,主震A持续时间约3.5 s, 分两个阶段,第一阶段0~1.3 s, 第二阶段1.3~3.5 s;主震B持续时间约5.0 s, 其过程比A复杂,至少可以分为五个阶段,第一阶段0~0.7 s, 第二阶段0.7~1.6 s, 第三阶段1.6~2.5 s,第四阶段2.5~3.8 s,第五阶段3.8~5.0 s.