ArcGIS环境下DEM的坡长计算与误差分析

坡长是水土保持、土壤侵蚀和环境评价等研究中的基本因子。在GIS环境下,坡长的提取是基于格网DEM进行的,其结果受到DEM精度、DEM结构、流向提取算法和栅格距离计算方式的影响。在确定分辨率和精度的DEM下,坡长计算误差主要来自流向提取算法和栅格距离计算方式。本文对这两种DEM坡长计算误差源进行了详细的分析,指出集成到ArcGIS软件中的坡长计算模型D8存在较大缺陷,尽管栅格距离计算方式对坡长影响最大误差为8.9%,并可通过统计方式实现整体坡长的修正,但D8算法的单流向特性使得水流方向变得确定和不连续,进而导致坡面单元坡长产生较大误差,因此,利用D8算法进行数值模拟计算需要考虑其精度问题。同时应提高坡长计算的准确性,需要发展更为完善的流向计算方法和坡长计算模型。     

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。     

基于LDA和优化蚁群的OD流向时空语义聚类算法

针对OD流向聚类中语义信息考虑不足和流向语义提取困难的问题,本文提出了一种基于隐含狄利克雷分布模型（Latent Dirichlet Allocation,LDA）和优化蚁群的OD流向语义聚类算法。算法首先以流向终点的POI类别为词汇构建流向文档,采用LDA主题模型提取流向语义,量化OD流向间的语义相似度,融合时间、空间和语义相似度构建流向时空语义相似度;接着以流向为节点,以流向时空语义相似度为边构建流向图,利用高斯函数映射以及图连通分量,剔除不相似的流向,实现数据精简;之后借鉴了密度峰值聚类算法思想,利用节点的介数中心性优化蚁群初始位置选取;最后基于多路切图准则（Multiway Normalized Cut, MNCUT）强化蚁群搜索的目的性,优化蚁群搜索的聚类效果,实现OD流向的时空语义聚类。以厦门市出租车公开数据集与厦门市高德地图POI数据为例进行分析与验证,结果表明本文基于LDA模型的语义提取方法可以有效提取流向的语义信息,构建有效的流向相似度度量;基于高斯函数和图连通分量特性的映射策略可以有效剔除了流向数据中的噪音,有效节省无向图构建的计算开支,大约节省了88.5%~88.8%的运行时间;基于介数中心性和多路切图准则优化的蚁群搜索聚类算法,可以有效进行流向语义聚类。相比已有方法本文方法能够更好地衡量流向间的语义相似程度,可实现按主题进行聚类划分,划分更加精细,更方便有效地进行流向语义的相关分析。     

黑河山区流域平均坡长的计算与径流模拟

 流域平均坡长是侧向流和汇流时间计算的重要参数,其会影响地表径流的计算。应用SWAT 2005和ArcView GIS 3.2集成的AVSWAT模型,对黑河干流上游山区流域莺落峡出山口径流进行模拟,发现其计算的流域平均坡长存在较大误差,进而影响到模拟结果。利用子流域内已知的平均坡度和平均坡长建立回归方程,计算各子流域的平均坡长,替换AVSWAT计算的不合理值,在保持其他参数不变的情况下,模拟的月径流纳什系数从0.60提高到0.75,模拟结果得到显著提高。敏感性分析结果和径流曲线数(CN2)的分析也间接验证了流域平均坡长修正方法的可行性。在修正流域平均坡长后,对AVSWAT模型的其他参数CN2等进行优化,模拟的月径流的纳什系数达到0.81,表明本文建议的流域平均坡长计算方法是可以应用到实际的干旱区黑河流域并取得较好模拟效果。     

黄土高原丘陵沟壑区切沟侵蚀与地形关系分析——以纸坊沟流域为例

沟蚀是土壤侵蚀研究的主要内容之一,地形地貌是沟蚀的一个重要影响因子。本文以安塞纸坊沟流域作为研究区域,选择土地利用方式、土壤类型、坡度坡长因子、平面曲率、坡向和地形湿度指数6个因子,通过因子内切沟所占比重/整个研究区切沟所占比重计算各个因子的权重值,通过空间叠加分析土壤侵蚀敏感性,并通过重分类的方法把土壤侵蚀敏感性分为基本无侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀、剧烈侵蚀5个等级,来研究切沟侵蚀与地形的关系。结果表明：切沟多发生在坡度坡长较大、地表湿度较高的林草地区域和更容易发生侵蚀的黄绵土区域,并且多分布在阴坡的凹面;对比分析切沟侵蚀和土壤侵蚀敏感性,切沟大多分布在中等侵蚀敏感性以上的区域,约占总切沟的90%;实验权重值对验证区冲沟的响应精度为82.43%（中度侵蚀及其以后阶段）,与实际值90.53%相差不大,说明此种方法对黄土丘陵沟壑区具有一定适用性,对黄土丘陵沟壑区水土保持工作有重要意义。     

基于GIS的地质灾害易发区划分与评价研究

分析了地质灾害形成条件、诱发因素,将灾点分布密度、斜坡坡度、斜坡坡型、斜坡坡高、河流冲刷、岩土体条件、人类活动等七个因素作为地质灾害易发程度评价指标,利用层次分析法计算出各评价因子的权重。基于GIS将评价因子进行量化,得到了各评价指标归一化图,根据各评价指标的权重,利用空间叠置分析功能将所有评价指标进行叠加分析计算,得到地质灾害高易发区、中易发区、低易发区和不易发区的分级结果。分级结果极大地方便了地方政府相关部门防灾减灾工作,为地质灾害防治提供了决策依据。     

一种逐级合并OD流向时空联合聚类算法

现有OD流向聚类多将O点和D点相分离或者将OD流向看作4维空间的数据点进行聚类处理,忽视了流向长度、方向、时间对流向聚类的影响。本文以流向作为研究对象,提出一种基于流向间相似性度的逐级合并OD流向时空联合聚类算法。首先在充分研究OD流向的空间信息和时间信息的基础上,构建合理的OD流向间时空相似性度量方法,对OD流向间的时空相似性进行量化;然后提出逐级合并OD流向聚类策略,优化类簇合并的顺序,以减少层次聚类的时间开销,实现OD流向的时空联合聚类。以成都市的滴滴出行OD数据和纽约市出租车数据为例对本文方法进行了验证,结果表明：① 本算法聚类获得的流向类簇不仅带有空间特征还具备时间特征;② 在不同参数下本方法可以得到不同时空尺度的聚类结果;③ 与现有较高水平的流向聚类算法相对比,本文方法的聚类效果更好。这体现在流向类簇内部的流向之间有着充分的相似性,以及本文方法不仅可以提取出显著的流向类簇,还可以提取出非热点区域之间的流向类簇。本算法顾及空间因素和时间因素,可以通过调整时空相似性度量方法中的时间参数和空间参数以实现不同时空尺度的流向聚类,这使得从不同时空角度研究城市居民出行模式成为可能。本文提出的OD流向时空联合聚类算法从联合时间信息和空间信息的角度获得对运动数据的新见解,有助于合理全面地研究居民的移动模式、区域之间的空间联系、已知出行结构的确定以及出行目的的探索,是后续一系列分析工作的基础。     

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DEM的5节点二阶差分坡度算法模型与实验分析

 坡度作为最基本的地形因子,是构建地学分析模型的基础数据,基于格网DEM的坡度计算模型的精度分析一直是地学分析的重要研究内容。本文通过分析计算坡度的 差分模型误差来源及特征,提出了一种新的模型——5节点二阶差分模型。其基本思想是顾及多距离邻近点高程信息,采用5×5分析窗口,建立单倍格网和两倍格网的差分计算线性组合模型。并通过数学分析的理论推导证明该模型可以显著提高计算精度。实验选取典型数学曲面并对其采用不同的分辨率(1m和5m)进行离散化精度验证。计算结果表明,与现有的差分模型相比,5节点二阶差分模型可以显著提高坡度的精度,对应于两种分辨率的DEM,该模型计算坡度的精度可以分别提高7×10⁴倍、3×10³倍以上,表明该模型对于高分辨率DEM数据更为适用。本研究不仅丰富了数字地形分析的方法体系,为相关地学模型分析提供更精确的坡度数据,而且为将来改进地形曲率因子等计算模型提供了一定的参 考和借鉴。     

长三角地区分季节多因子本地化T_m模型研究

针对GNSS气象学中大气加权平均温度(Tm)受时空影响的问题,利用长三角地区7个探空站2015~2017年数据,分析Tm与地面温度(Ts)、水汽压(es)和气压(Ps)的线性关系,并基于最小二乘法进行多元线性拟合,建立长三角地区本地化Tm模型。实验结果表明:1)本地化单因子模型效果优于Bevis模型,且双因子和多因子模型与单因子模型效果相当;2)分季节多因子模型优于全局模型,对秋冬季改善效果最为显著;3)分季节多因子Tm模型计算GNSS大气可降水量(PWV)的效果优于Bevis模型。分季节多因子本地化Tm模型更适用于长三角地区,可获得更准确的Tm和PWV。     

Slope debris flows in the Wenchuan Earthquake area

Avalanches and landslides, induced by the Wenchuan Earthquake on May 12, 2008, resulted in a lot of disaggregated, solid material on slopes that could be readily mobilized as source material for debris flows. Rainstorms triggered numerous slope debris flows with great damage to highways and rivers over the subsequent two years. Slope debris flows (as opposed to channelized debris flows) are defined as phenomena in which high-concentration mixtures of debris and water flow down slopes for short distances to highways and river banks. Based on field investigations and measurements of 19 slope debris flows, their main characteristics and potential mitigation strategies were studied. High rainfall intensity is the main triggering factor. Critical rainfall intensities for simultaneous occurrence of single, several and numerous slope debris flow events were 20 mm/day, 30mm/day, and 90 mm/day, respectively. Field investigations also revealed that slope debris flows consist of high concentrations of cobbles, boulders and gravel. They are two-phase debris flows. The liquid phase plays the role of lubrication instead of transporting medium. Solid particles collide with each other and consume a lot of energy. The velocities of slope debris flows are very low, and their transport distances are only several tens of meters. Slope debris flows may be controlled by construction of drainage systems and by reforestation.     

传统护坡与生态护坡在护岸设计中的组合应用

该文对传统护坡和生态护坡进行了比较分析,并以重庆市江津区大肚子河整治工程为实例,说明2种护坡组合应用可以扬长避短,为今后水利工程建设提供了较好的参考。     

公路弃土场边坡的稳定影响因素敏感性分析

以日照市岚山区某弃土场为研究对象,通过对现场调研并采样开展直剪试验,在压实度分别为90%、92%和95%的情况下取得不同的黏聚力c和内摩擦角φ值,通过MIDAS GTS NX进行数据模拟,选取MohrCoulomb模型,采用有限元强度折减法(SRM)算出边坡的等效应变塑性区及安全系数,以此分析边坡稳定性。利用数值模拟的结果,分别绘制坡高、坡比与安全系数的关系图,归类分析不同坡高和坡度对边坡稳定性系数的变化规律。通过边坡稳定影响因素的敏感性分析,分析影响边坡稳定性各因素与边坡安全系数之间的相关性,即分析各因素的变化对于边坡安全系数的影响程度。     

A new approach to measurement of regional inequality in particular directions

Regional inequality is a core issue in geography,and it can be measured by several approaches and indexes.However,the global inequality measures can not reflect regional characteristics in terms of spatiality and non-mobility,as well as correctly explore regional inequality in particular directions.Although conventional between-group inequality indexes can measure the inequality in particular directions,they can not reflect the reversals of regional patterns and changes of within-group patterns.Therefore,we set forth a new approach to measure regional inequality in particular directions,which is applicable to geographic field.Based on grouping,we established a new index to measure regional inequality in particular directions named Particular Direction Inequality index(PDI index),which is comprised of between-group inequality of all data and between-group average gap.It can reflect regional spatiality and non-mobility,judge the main direction of regional inequality,and capture the changes and reversals of regional patterns.We used the PDI index to measure the changes of regional inequality from 1952 to 2009 in China.The results show that:1) the main direction of China’s regional inequality was between coastal areas and inland areas;the increasing extent of inequality between coastal areas and inland areas was higher than the global inequality;2) the PDI index can measure the between-region average gap,and is more sensitive to evolution of within-region patterns;3) the inequality between the northern China and the southern China has been decreasing from 1952 to 2009 and was reversed in 1994 and 1995.     

数字地图的研究进展和应用新方向

数字地图是现代地图学发展的重要标志.目前,国内外已出现以数字地图为核心的地图数据库、印刷地图、电子地图、移动式地图、网络地图等多种现代地图的开发和应用模式.本文分析和阐述数字地图理论、方法和技术方面的新进展,以及新的应用方向.首先,作者阐述了在数字地图新理论方面的研究进展,并在此基础上提出了数字地图体系结构框架;其次,...     

CSMR分级方法在边坡工程中的应用

对传统的CSMR分级方法中裂面特征和裂面间隙取值进行了改进,更好地体现了边坡岩体的岩性对边坡稳定性的影响,用该方法对312国道商—丹段K132 700~K132 850段岩质工程高边坡进行了定性评价。结果表明,该岩质工程高边坡不稳定,提出了以锚喷支护为主的主动支护方案。工程实例证实,定性评价结果可靠。     

DEM提取坡度信息的不确定性分析

以陕西省671幅1∶50000比例尺,25m分辨率的DEM数据为信息源,分析DEM分辨率对提取坡度信息的不确定性影响。研究表明:平均坡度随DEM分辨率的减小呈显著递减型二次曲线变化,但当DEM分辨率减小到一定程度时,平均坡度将趋于稳定;并且,随DEM分辨率变化,坡度的不确定性呈现明显的空间结构性分布,DEM栅格单元内部地形的复杂性和变异性越大,坡度提取不确定性越大,如沟坡地坡度提取误差明显大于沟间地。因此,实际应用中要充分考虑研究区域DEM地形描述的尺度效应和不确定性问题,选择合适尺度的DEM提取坡度信息,保证提取结果的科学有效。     

反倾岩质边坡的时效变形破坏研究

为研究反倾岩质边坡的变形破坏规律性与形成机制,以黄河上游茨哈峡水电站库区反倾岩质边坡变形破坏为例,基于系统的工程地质方法并结合离散元模拟边坡的变形演化进程,对其倾倒变形的时效性进行了分析并研究了其形成演化机制。结果表明:①该倾倒边坡的时效变形规律表现为倾倒变形在不同方向上具有差异性,其时空演化特征表现为斜坡顶部的拉裂和中部的弯曲变形,目前倾倒体内未形成贯通性失稳界面,倾倒拉裂和弯曲变形同时存在,表现为倾倒机制的长期性、积累性和阶段性;②该类斜坡的变形破坏是岩层在自重应力作用下做悬臂梁弯曲,岩层发生弯曲变形,导致坡体后缘开裂、根部折断、前缘剪切蠕变,当坡体折断带内的剪应力超过其抗剪强度时,坡体逐渐错动下滑形成倾倒塌滑体;③该倾倒变形体的破坏模式为弯曲—拉裂变形、弯曲—折断破裂、蠕滑—拉裂变形、表层滑塌和深部滑坡形成。      

基于PSR-WSVM模型的边坡位移预测

为建立高精度的边坡位移预测模型，采用相空间重构（PSR）将边坡位移时间序列数据转换为多维数据，同时构造小波核函数改进的支持向量机模型，建立PSR-WSVM模型并应用于边坡位移预测。将PSR-WSVM模型预测结果与传统支持向量机（SVM）模型、小波支持向量机（WSVM）模型和基于相空间重构的支持向量机（PSR-SVM）模型预测结果进行对比，通过平均绝对误差（MAE）、平均绝对误差百分比（MAPE）和均方根误差（RMSE）3个精度评价指标验证PSR-WSVM模型的可行性。工程实例结果表明，PSR-WSVM模型预测结果的3个精度评价指标都优于另外3种模型，边坡位移预测的精度明显提升。