尺度变化的土地利用类型数据的综合研究

利用不同尺度的土地利用类型数据,表达不同的内容、传递不同的信息,可揭示不同的现象与规律。宏观的大尺度数据通常是由较精细的小尺度数据经数据综合而得。在论述土地利用类型综合特点的基础上,提出由土地利用类型尺度上推引发的土地利用类型数据综合过程,并给出类型转换、同类图斑合并、小图斑取舍与处理、数据简化与拓扑关系维护的处理流程,在一定程度上解决了土地利用类型数据的尺度上推问题。重点论述构建小图斑的多边形骨架线并将其剖分、归并入相邻图斑的小图斑处理方法,提出基于Douglas-Peucker算法改进的构造平衡线的多边形简化方法,对土地利用类型图斑进行简化,使简化前后面积及拓扑保持一致。通过对实验结果的分析表明,该方法适合于土地利用类型数据的综合,并可作为其他GIS数据尺度上推的参考方法。     

基于自然格网索引的多尺度面实体增量级联更新方法

多尺度地理空间数据增量级联更新方法是增强地理空间数据的现势性的重要手段之一。级联更新包括多尺度数据匹配、关联关系建立、匹配与变化检测、增量信息制图综合、级联更新等步骤,其中,相邻比例尺数据匹配是多尺度数据关联关系建立的基本方法,也是实现级联更新的重要基础。针对现有方法中多尺度同名实体间的关联关系匹配的精度和效率问题,本文提出了基于自然格网索引的多尺度面实体增量级联更新方法。首先,检测出同源同尺度矢量空间数据发生变化的增量包;其次通过自然格网索引确定更新实体所在格网位置,并进行删除、自动或手动更新;最后实施制图综合、接边以及多尺度面实体增量级联更新信息传递操作。以赣州市虎山乡部分区域居民地要素为例,实验结果表明：① 在匹配阈值为0.51的情况下,相较于直接匹配的方法,采用本文提出的自然格网索引方法进行匹配所消耗的时间减少了88.4%,查全率和查准率分别提升了5%和4%,充分说明了自然格网索引方法在匹配相邻尺度间地理要素时的必要性; ② 相较于传统的Hausdorff距离、欧式距离和质心包含3种匹配方法,本文所提出的方法在耗时（1.34 s）、查全率（66.5%）和查准率（94.1%）方面处于领先地位,这充分说明了本文提出的级联更新方法的优越性; ③ 本文提出的方法可免除关联居民地差异的影响,从而大大减少人工编辑的作业时间,并可有效提高多尺度居民地实体增量级联更新的精度和效率。     

基于格网的人口和GDP数据空间化——以西安地区为例

社会经济数据空间化,是连接自然和人文要素的重要方法,受到广泛关注。以西安地区为例,结合覆盖西安地区的1km、500m、250m尺度矢量格网,采用单位面积建设用地人口数量和GDP产值进行网格赋值方法,对区域内2010年人口和GDP实现空间化,结果表明:(1)格网是实现社会经济统计数据空间化的重要方法和途径;(2)以人口和GDP为代表的不同类型统计数据在利用格网空间化过程中表现出明显差异,人口数据空间化准确性随格网尺度的减小而增加,而GDP表现相反;(3)行政边界在人口和GDP数据空间化方面作用较小,可不予考虑。     

面向地质灾害的快速制图系统关键技术研究

针对地质灾害发生时对于应急专题地图的迫切需求问题,本文设计了一套完整的快速制图工艺流程。首先以地理数据库的数据模型为基础,通过对地图符号信息的总结归纳,扩展设计了面向地图制图的数据模型,实现了图库一体化的制图数据库设计。根据制图要素自身的地理特征及其周边的环境,在经典地图综合理论方法的指导下,基于制图要素输出时的状态表达,构建了多比例尺制图数据生成与表达模型,设计了矢量数据动态选取及加工处理的算法,实现了地质灾害应急制图中制图要素的自动化快速选取。     

遥感数据的高斯金字塔尺度上推方法研究

尺度转换是遥感信息科学领域的研究热点,其传统研究方法大多局限于统计模型,对数据的空间结构信息考虑较少,很难满足遥感数据的多尺度表达要求。基于此,针对遥感数据的尺度不一致问题,本文提出了一种利用高斯金字塔的图像模糊特性进行遥感数据尺度上推的方法,在对金字塔每一层的数据高斯模糊的基础上,通过多次连续的降采样,得到一系列不同尺度的数据,从而满足实际应用的空间分辨率要求。为了验证本文所提方法的有效性,本文选择Landsat7 ETM影像和ASTER GDEM为研究数据进行尺度上推,并与传统的最邻近、双线性以及立方卷积等方法进行了实验对比,采用均值、方差、均方根误差、平均绝对误差等评价指标,以及相同分辨率的ASTER GDEM和SRTM DEM的等高线套合结果来衡量高斯金字塔方法的性能。实验结果表明,本文使用的高斯金字塔尺度上推方法能够有效地实现连续遥感数据的尺度转换,在保持遥感数据局部细节特征的基础上,较好地保持了原始遥感数据的信息量以及空间结构特征。     

一种地名地理实体数据自动获取方法

以提高地名地理实体数据自动化生产程度为切入点,充分利用矢量基础地理框架数据成果,提出了一种地名地理实体数据自动获取方法。首先结合矢量基础地理框架数据的数据分布特点,制定了合理的地名地理实体数据自动提取策略;在此基础上,针对所提取的数据集存在重复地名、同一地名的地理实体数据存储分散或被动分割等问题,通过设计有效的地名匹配策略,对同一地名进行去除重复处理,在此基础上将对应的地名地理实体数据进行归并处理;最后,结合实体数据的组织特点,建立了适合于点、线、面、多点、多线、多面、几何集合等不同类型的地名地理实体数据重组方法,实现对地名地理实体数据的空间重组。实验表明,采用所提出的方法,不仅能有效地获取地名地理实体数据,满足地名工程建设需求;而且改变了传统的数据生产模式,充分利用了现有数据成果,避免了地名地理实体数据的重复建设。该方法的提出为地名相关工程建设中地名地理实体数据的生产、更新提供了一种新思路和新方法。     

基于融合技术的结构性栅格时空数据平台的构建

时空数据融合是当前研究地理现象空间格局的数据存储、处理方法与有效途径。在构建国家资源环境时空数据平台过程中 ,我们设计了基于 1 km栅格单元的土地利用现状与变化数据库。这种时空数据表达方式的优点 :(1 )在保持面积信息不损失情况下明显减少了数据存储量 ,并且满足区域分析的空间尺度要求 ;(2 )便于多时间序列的数据存储与变化分析 ,以及变化专题信息提取与结果显示 ;(3)有利于区域土地利用变化环境背景与驱动力分析 ,可以实现与其他多源数据的有效融合 ;(4 )从小尺度到大尺度的空间尺度转换非常便利 ,在空间聚合的基础上能够快速实现从区域分析扩大至国家尺度、全球尺度的分析。     

多尺度点–线目标拓扑关系不一致性探测方法

不一致性探测对提高多尺度点–线目标拓扑关系一致性处理的科学性和效率具有十分重要的意义。道路和居民地作为基础地理空间数据中两类最重要的地图要素,两类要素之间拓扑关系在不同尺度地理空间数据中的不一致性问题十分突出。本文以同名点状居民地与线状道路为例,研究了多尺度地理空间数据的拓扑关系不一致性问题,提出了基于拓扑距离的多尺度点–线目标拓扑关系不一致性探测方法,并进行了实验验证。研究表明,本文方法识别出的拓扑关系不一致性结果,可以作为不同尺度数据中点–线目标拓扑关系一致性处理的依据。     

综述与展望：地理空间数据的管理、多尺度变换与表达

多尺度表达是地理空间数据的重要研究内容之一。本文从地理空间数据管理、地理空间数据尺度变换以及地图多尺度表达3个方面对地理空间数据的多尺度表达研究现状进行归纳和总结,对研究成果进行系统分析与展望。主要分析包括：① 在地理空间数据管理的多尺度数据库与多尺度空间索引方面,多库多版本、一库多版本和一库一版本数据库能够帮助多尺度表达方法构建较好的数据支撑,层次化的多尺度空间索引也是主流的多尺度数据库构建结构。但目前多尺度数据库与多尺度空间索引方法还不具备解决不同层次数据的集成与匹配能力,对不同尺度数据进行实时一致性调整的能力不足;② 在地理空间数据多尺度变换方面,地图自动综合能够较好地与人工智能技术相结合,但由于知识获取的限制,距离实现完全自动综合仍有一段距离;且当前智能化的自动综合研究相关成果主要用于辅助决策,对综合知识的自主学习有待进一步研究;目前多数研究是基于离散的尺度变换模式,对连续尺度变换能力不足;且缺乏强有力的质量控制机制,自动尺度变换结果存在较大的不确定性;③ 在地图多尺度表达方面,地图数据类型多源、种类丰富且使用灵活,多尺度显示的复杂性较高,当前地图可视化对地理信息中隐藏的现象与规律有待进一步挖掘。最后,从智能化自动综合方法、连续多尺度表达模型、深度学习与制图综合及“新”时代多尺度表达等方面对未来发展进行了展望。     

全球250 m反照率产品算法及验证

反照率是反映地表能量平衡的重要参数之一,也被运用于全球变化与天气预测研究中。为了更好地获取反照率产品,学者们在不断地更新反照率产品和提出新算法。本文主要是在1 km分辨率的全球陆表特征参量（GLASS）反照率产品基础上进一步开发250 m反照率产品。算法思路是利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）传感器的250 m分辨率波段提供纹理信息,利用成熟的GLASS 1 km反照率产品提供均值信息,进行数据融合,实现GLASS 1 km反照率产品的降尺度。相比于GLASS 1km反照率产品,250 m产品首先展现出更为丰富的空间细节信息,并且在与地面站点观测数据（北美地区站点数据）直接对比中显示出稍高的验证精度,GLASS 1 km产品的验证精度为0.0257,而250 m产品验证精度0.0235。最后,以北京市为例,基于2003—2013年的产品分析了北京市周边反照率及其变化趋势的空间分布,可以看到250 m反照率产品视觉效果更好,相比于1 km产品能够揭示反照率变化趋势的更多空间细节信息。分析表明,在北京城市化进程中,由于加大了城市绿化,主城区反照率总体呈降低趋势。     

分布式环境下矢栅一体化数据组织模型设计

随着地理信息技术与计算机网络技术的结合和发展,基于全球框架的地理信息服务对海量数据管理的要求越来越高,传统的单中心的关系数据库的管理模式已经不能满足要求。分布式文件系统、半结构化数据库和关系数据库技术优势互补,为海量数据高效管理提供了新的技术思路。本文提出了分布式环境下空间数据一体化存储管理架构,设计了矢量和栅格数据的数据逻辑组织和物理存储模型,通过统一的分层+分块的数据划分规则,实现了矢、栅数据分布式环境下的一体化管理。在该模型中,利用关系数据库和半结构化数据库的特点,对空间索引和实体数据分开管理,有效地提高了数据处理和访问效率。实验表明,该模型具有更高的数据管理能力,可为分布式环境下数据服务中心构建提供一个有效的解决方案。     

面向多源地理空间数据的知识图谱构建

知识图谱广泛应用于人工智能领域,基于此融合多源地理空间数据并表示地理事物的语义和时空信息,实现“数据—知识”的转换成为人们关注的热点。但现有通用知识图谱的空间知识覆盖度低且存在错误,同时基于维基百科构建的地理知识图谱存在空间关系、中文属性和坐标信息等属性缺失问题。因此本文以地理空间数据和百度百科数据的特征分析为基础,提出了以地理空间数据提取地理实体为主,百度百科补充属性信息为辅的知识图谱构建方式。① 基于GeoSparql设计模式层的地理实体、要素、几何形状和空间关系的逻辑关系;② 通过地理实体提取、实体链接和属性信息填充,在数据层实现空间知识融合;③ 结合关系型数据库和图数据库,设计空间知识存储方式;④ 在实体和关系2个方面定量分析知识图谱的构建规模。结果表明,本文构建的知识图谱中地理实体覆盖度和链接百科成功率相对较高,扩充了地理实体的概念描述信息,并将地理坐标的覆盖率提高到100%,对地理数据到地理知识的拓展具有重要意义。     

矢量数据属性信息无损栅格化的实现方法——以全国1:25万土地覆被数据为例

矢量和栅格是GIS应用中两种基本的地学数据格式。与矢量数据相比,栅格数据利于空间建模和空间分析,且是空间尺度分析应用中常用的数据格式。一般来讲,较大尺度的矢量数据,涉及到保密性和知识产权的问题,若将这类矢量数据栅格化后,所得栅格数据由于其空间坐标精度相对降低而更易于实现数据共享。随着地学信息收集技术的不断发展,栅格数据正逐渐成为地学应用主要的数据格式。然而,传统的栅格化是一个伴随有属性信息损失的过程,主要原因在于一个栅格单元区域内存在混合类型。针对现阶段栅格化过程中的这个问题,本文以2005年全国1:25万土地覆被矢量数据为例,提出了一种在ArcGIS软件环境下,依据"在一个单元格网中,一种土地覆被类型表达为一个GRID图层"的原则,结合POLYGRID命令及其{LOOKUP_TABLE} INFO文件进行土地覆被矢量数据无属性信息损失栅格化的方法。该方法可为相关研究人员在今后处理和分析地理空间数据的工作提供新的思路,以及为空间尺度的应用研究提供有价值的参考。     

基于OGSA-DAI扩展的空间数据访问与集成

将网格技术应用于地理信息领域,构建实现地理信息资源共享与协同工作的网格地理信息系统,是目前地理信息行业研究的热点之一。OGSA-DAI(Open Grid ServicesArchitecture-Data Access and Integration)是网格环境下进行数据访问与集成的网格中间件技术,为了实现网格环境下地理空间数据的访问与集成,提出WSRF-SDAI(Web ServicesResource Framework-Spatial Data Access and Integration)的概念,并介绍了WSRF-SDAI的实现方法。WSRF-SDAI的含义是基于网格体系结构WSRF进行地理空间数据的访问与集成,是OGSA-DAI在地理信息领域的应用与扩展。     

多源地理空间数据同化的主动更新与应用分析

为提高数据更新过程中多源数据整合利用的效率和更新的自动化程度,将"数据同化"和主动数据库的思想与方法引入空间数据的更新。论述了"多源地理空间数据同化"和"主动更新"的概念、内涵和关键技术,提出了"地理事件-条件-动作"规则驱动下数据同化的地理空间数据主动更新机制。最后,将数据同化中常用的最优插值方法,应用于多源地理空间数据的合并,该方法与其他合并方法相比,能提高数据的精度;将主动更新机制应用于数据更新实践,结果表明,该机制可以提高更新的自动化程度。     

面向虚拟地理环境的空间信息共享研究

虚拟地理环境作为一种基于地理研究并提供地学分析的三维可视化的地理空间信息平台,需要解决物理存储分散、数据格式多样的空间信息资源的共享问题。本文研究了虚拟地理环境下的空间信息及其元数据的组织管理方式,定义面向对象思想定义简单的空间信息对象实体,通过对其进行迭代和组合来表达复杂空间信息对象,设计出具有元数据信息的空间信息对象XML描述方案。研究了如何构建集中式的空间信息对象管理与分布式的空间信息服务相结合的空间信息共享体系架构,通过提供对空间信息对象的浏览、分析、操作的Web服务,使得虚拟地理环境在网络中进行资源交换、信息共享、协同工作以及提供决策能得以实现。     

矢量地理数据密级标识方法研究

密级标识是用于标识信息产品安全等级的隐蔽信息,是信息分级管理、控制与应用的基础和前提。作为涉密地理信息产品主要组织格式的矢量地理数据,其密级标识方法的研究具有重要意义。结合矢量地理数据在遭受几何攻击时,其要素空间关系不变性特征,以及密级标识方法的不可感知性、高鲁棒性要求,本文提出一种基于距离比值调制的矢量地理数据密级标识方法,以实现矢量地理数据的分级管理与保护。其主要研究思路为：① 基于距离比值调制的方法,能够较好地应对几何攻击;② 在每个线面要素内,通过重复嵌入密级标识,有效提高算法对于编辑操作的鲁棒性;③ 运用道格拉斯-普克算法提取特征点,在此基础上进行密级标识的嵌入,能够较好地对抗压缩攻击。实验结果表明：该方法具有良好的不可感知性;同时,对嵌入密级标识后的矢量地理数据进行几何变换、数据编辑、数据压缩等攻击后,其密级标识的提取率能够达到80%以上,表明方法具有较好的鲁棒性。     

地理信息公共服务平台建设与现代测绘服务模式

空间信息的共享既是信息化社会对空间信息的要求,也是地理信息技术发展的必然趋势。本文论述了地理信息公共服务平台建设的目的和意义,对平台的内容、关键技术、基本功能和作用进行了系统性的介绍,对未来测绘从信息获取的内容和面向信息化社会的服务模式提出了新的思路。     

基于边云协同的AR空间分析计算框架

地理数据的增强现实（AR）技术,是地理信息可视化的重要发展方向之一。受限于头戴式AR设备有限的计算能力,已有的地理信息AR研究多集中于地理信息的可视化,并未提供复杂的空间分析计算功能。本文提出了一套基于边缘计算与云计算协同的AR空间分析计算框架。AR端完成空间数据的可视化、人机交互、数据预处理等;云端则完成复杂的空间分析计算任务以及空间数据的持久化存储;边云二元存储方法和三维可视化模型-三维地理模型间的坐标转换模块完成AR端和云端间的高效链接;从而达到高效率的、端对端的协同计算。基于该框架,本文利用头戴式AR设备Hololens,并基于武汉市的建筑物三维数据和天空可视因子算法,实现了在AR可视化的同时进行复杂的空间计算。结果表明,在保证空间分析计算效率和精度的同时,Hololens性能表现稳定,三维空间可视化的体验良好（FPS约35）,证明了边云协同框架下的AR在空间分析计算具有广阔前景。