城市内涝灾害模拟与灾情风险评估研究进展

随着我国城市化建设进程的加快,城市水系和绿地面积不断缩减,地表硬质化现象持续加重,城市扩张所带来的问题正日益凸显,尤其是汛期强降雨导致的内涝灾害日渐成为亟需解决的城市顽疾。城市内涝灾害模拟及风险评估是推进城市内涝灾害管理,减少内涝灾害损失的有效途径。本文在综合近年来国内外相关研究的基础上,从城市内涝产生机理、模型及风险评估的角度对城市内涝的研究进行了详细阐述。在模型方面重点介绍了两种应用广泛的雨洪模拟模型:SCS和SWMM模型,对两者的优缺点进行了分析,同时简单归纳了其他雨洪模型。在灾情风险评估方法方面,重点介绍了基于历史灾情数理统计、遥感图像和GIS技术耦合分析和基于指标体系评估等的风险评估方法,并对比分析了各自的优缺点及适用范围。最后对城市内涝模型及风险评估的未来发展方向进行了展望,提出集成多模型耦合的城市雨洪模拟模型以及多学科联合的灾害风险评估研究将成为今后的发展趋势。     

基于网络图像流的人脸识别系统研究

设计了一种基于网络图像流的人脸识别系统。通过采用基于Haar-like特征的Adaboost人脸检测技术和基于特征脸的人脸识别技术,实现了实时人脸检测与识别。创新性的结合使用了网络串流、C/S架构等技术将大量图像数据处理任务交予系统自动完成,从而解决了传统人脸识别系统由于受到硬件制约而造成的图像数据处理能力低效、适用平台受限等问题。实验表明,该系统能够在较快的检测速度和高识别率下,实时的对人脸进行识别,可以作为云视觉系统应用开发的基础。     

基于Storm的地理编码引擎

近年来,随着Web 2.0和具有位置感知能力的移动计算设备的普及应用,带来了大量含有时空语义的地理大数据。在这个背景下,以地图厂商人工方式和半自动方式更新地名地址库为基础的传统地理编码服务,已难以满足新的应用需求。本文提出一种地理大数据驱动的自适应地理编码引擎的构建思路和方法,通过引入实时计算和流式计算平台Storm,实现对网络中的多源地理大数据的爬取与实时处理,加速地名地址库及相关资源的生成与更新过程,并给出了相适应的地理编码匹配方法。在实时流式计算框架基础上,通过JTS Topology Suite实现流式并行的空间操作,设计并实现了基于Storm的地理编码引擎原型系统,满足多源地理大数据的高效处理和地理编码要求。实验结果表明,该引擎通过实时流式处理可加速地址库的扩充与更新过程,并且利用地址库持续更新的方法,提升了地理编码的匹配率和定位准确度。     

暴雨内涝危险性情景模拟方法研究——以上海中心城区为例

本文采用地理信息系统技术（GIS）与水文/水动力学相结合的方法,使用修正的SCS模型进行产流模拟,利用局部等体积法和水动力模型进行汇流模拟,建立了基于情景的城市暴雨内涝危险性模拟工具,并对相同雨强情景下不同汇流模型的模拟结果与精度进行了对比分析。结果表明：（1）局部等体积法计算简单,对降雨的时程分配较为敏感,峰前历时和雨强对结果影响显著,较适合于雨型确定的城市暴雨内涝危险性快速模拟;水动力模型计算复杂,与整个降雨历时存在明显关系,模拟精度较高。（2）利用台风“麦莎”带来强降雨导致的积水实测数据,对模拟结果进行对比和验证,表明本文建立的水动力模型法模拟结果与实测降雨积水更为接近,更适合上海中心城区暴雨内涝危险性情景模拟。     

气象实时数据库服务监控系统设计与实现

实时数据库是气象信息部门针对预测预报及相关业务开发的重要数据服务系统,是确保从观测到预报业务流程按时高效完成的重要基础性数据支撑环境。提出气象实时数据库业务监控系统的通用设计开发原则和设计架构,并针对服务监控的特点,分析架构的优势和可扩展性。基于服务监控架构开发了气象实时数据库监控系统RDBCat,系统综合考虑实时数据库系统的设计与功能、性能特点,对入库情况、关键进程运行状态、商用关系数据库系统故障信息、入库流程、系统资源、数据质量监测等实时运行状态的展示,并提供各省入库详情的查询。目前,系统投入业务稳定运行至今,尤其在奥运会、国庆五十周年、亚运会等重大活动服务保障方面,取得良好业务保障效果。     

耦合蚁群算法和SCS-CN水文模型的城市不透水面空间格局优化

近年来,中国城市暴雨内涝频繁发生,已经发展成为一类严重的“城市病”。城市不透水面密度及其空间格局是形成暴雨内涝的一个重要影响因素。本文提出一种耦合蚁群算法和SCS-CN水文模型优化不透水面空间格局的方法,从而实现通过增加地面雨水渗透量达到减缓城市内涝发生的目的。首先应用Williams公式计算基于坡度修正的CN值,在此基础上计算地表径流量;然后设定径流系数最小化目标,耦合水文模型和蚁群算法对径流小区尺度的不透水面空间格局进行优化配置;最后应用景观格局指数对不透水面空间格局进行分析。研究结果表明：面对1年、5年、10年、20年、50年以及100年一遇重现期的1 h持续降雨事件,研究区优化后的不透水面空间格局可以分别减少径流系数21.19%、19.58%、19.38%、18.93%、18.41%和17.25%,在一定程度上缓解城市暴雨内涝的发生。在此基础上,提出面向暴雨内涝防治的城市更新优化措施建议：① 通过增加草地、花园、树木等植被绿化减少高不透水面类型的面积,并划分成更多中高不透水面类型的斑块;② 集聚低、中低等不透水面类型,从而加大连通性,形成更多的中高不透水面类型;③ 增加每个径流小区内斑块数量,增大斑块密度,减少其蔓延度和聚集度。     

面向虚拟地理环境的图形化地理建模与应用

本文介绍了面向虚拟地理环境的基于概念模型的图形化地理建模方法,利用面向对象方法设计了可扩展的图形化地理建模的体系架构,并详细介绍了实现图形化建模的关键技术。应用成果表明:该体系架构具有高度的可扩展性和适应性,支持基于模型组件构建复合地理分析模型,有助于对地理现象、地理机理和地理过程准确认知。     

3D GIS下地下水流有限元数值模拟方法与应用

目前缺乏针对较强空间特性水文地质计算参数的高效采集方法与管理机制,而且现有孔隙地下水流有限元数值模拟在三维可视化与空间分析等方面仍存在很多不足。因此,本文以有限元数值计算方法和三维地理信息平台为基础,结合GIS空间分析算法和计算机图形学理论,针对孔隙承压地下水有限元分析过程的关键步骤（概念模型构建、空间离散、水文地质参数提取与赋值等）,提出了孔隙地下水有限元数值模拟过程在3D GIS下的实现方法和技术框架。基于水文地质钻孔数据和GTP（Generalized Tri-Prism）空间数据模型,以盐城市滨海平原水文地质区为研究区域,实现了地下水系统空间结构特征的三维表达,同时与地下水流有限元数值模型相耦合,提出了3D GIS模型与地下水非稳定流有限元数值模型耦合的核心处理算法,并在此基础上开发了3D GIS地下水流数值模拟系统。应用实例表明,该技术框架可有效简化有限元分析流程、优化模型计算效率、实现地下水有限元数值模拟过程及计算结果的三维可视化。     

面向大规模空间Agent建模的分布式地理模拟框架

基于Agent建模的地理模拟是认识和理解动态地理现象的有效方法,但随着地理模拟的规模和复杂性不断增加,模型的计算问题开始凸显。分布式并行仿真是解决大规模Agent复杂模拟计算的途径,然而已有研究基于Agent建模/仿真软件构建并行仿真系统的方式并不适用于具有高移动与行为交互的空间Agent建模及其模拟过程的实时可视化。为解决这个问题, 本文提出了一个分布式地理模拟框架DGSimF,用于大规模动态空间Agent模拟,支持模拟过程的实时表示与分析。设计了一个简单但高效的时空数据模型建模空间Agent,支持直接基于Agent行为建模集成地学模型,采用了时间微分方法协同各计算节点行为的执行,实现以“任务并行”的方式进行分布式计算以提高仿真性能,构建了基于三维地球渲染引擎的虚拟地理环境,提供模拟过程的实时可视化。最后,以“红蓝对抗”案例进行了实验验证,对不同模拟计算量和不同客户端数量下的仿真性能进行了分析,结果表明DGSimF可以为具有时空特征变化与行为交互的大规模空间Agent模拟提供一个有效的平台。通过扩展计算节点,DGSimF可以有效地缓解复杂模拟计算的压力问题,并且仿真性能较高,在实验中并行效率保持在0.7以上。     

城市内涝场景下的微地图制作方法

随着我国城市化进程的加快,城市内涝灾害愈加频繁,人民的生命和财产安全受到了严重的威胁。然而,城市内涝灾害在愈加频繁的同时,产生了诸如信息获取不及时、制图时效性低、地图信息冗余等问题,难以为救援提供及时响应。基于此,本文提出了一种面向城市内涝场景下的微地图制作方法。首先,调用微博API获取任意时间段内特定主题下的社交媒体文本数据,对数据进行清洗与预处理;接着,选取BiLSTM-CRF模型提取社交媒体中有关城市内涝的地名地址信息;然后,结合Dijkstra算法为用户推荐避开危险路段的最优路径;最后,结合灾害信息与实际场景,制作城市内涝场景下的微地图。实验结果表明：(1)该方法能够有效识别城市内涝点,总体准确率达到92.7%;(2)对比官方发布的积水点,本文提取的积水点与官方积水点大部分重叠,能够有效为传统监测方法提供补充信息;(3)根据所得内涝点生成道路网级别的城市内涝地图,能够克服在海量地理空间信息中可视化冗余的不足,即有效缓解地理信息冗余的问题。由此可知,实时显示城市内涝信息,能够为用户掌握灾害现场的信息提供便利,调动他们参与制作微地图的积极性。与此同时,结合最优路径推荐,能够提高灾害...     

大数据技术中计算与数据的协作机制

大数据系统也被称为面向数据的高性能计算系统,与传统高性能计算系统相似,其计算和数据存储通常也是基于机群实现的分布式系统。以计算与数据的协作机制为主线分析对比了面向计算的高性能计算和面向数据的高性能计算,指出正是计算与数据的协作机制决定着大数据系统的基本结构和性能。分布式文件系统与计算通过协助机制的融合是大数据系统实现自动并行化的基础。与面向计算的高性能计算系统不同,大数据系统以切分数据并将计算向数据迁移作为协作机制的主要原则,实现对海量数据的自动并行批处理。元数据映射方法、哈希映射方法及流式拓朴方法是实现计算和数据协作的基本方法,特别是利用流式拓朴方法可以实现实时大数据处理。     

基于GPU的HASM动态模拟与实时渲染方法

 基于微分几何曲面论的高精度曲面模拟(high accuracy surface modeling, HASM)需要大量的复杂密集计算,在CPU上模拟极为耗时,使得在现有的硬件条件下,实时动态模拟曲面并实时可视化极具挑战性。论文提出了GPU加速的HASM方法,充分利用现代显示适配器(graphic processor unit, GPU)技术,运用GPU最新发展起来的并行计算能力,使用并行化的预处理共轭梯度方法解算曲面,完成曲面模拟,并同时利用GPU的高速缓存架构,对渲染操作进行充分优化,以实现高效实时可视化。HASM需要的有限差分离散和高速解算操作,均充分利用现代GPU架构,所具有的多处理器和众多的流处理器所产生的强大并行计算能力,可视化也用GPU高速缓存技术和三角条带方法进行充分优化。数值实验和实际项目区高程模拟实验均表明, 在GPU为NVIDIA quadro 2000和CPU为DualCore Intel Core 2 Duo E8400的硬件配置下,GPU并行化的曲面模拟方法比普通方法速度提高了约10倍,使得动态模拟与可视化算法可以达到交互式的帧速及实时可视化的要求。     

基于XML-RPC的分布式地理信息系统计算模型

分布式异构GIS系统集成与互操作是GIS应用发展的趋势和方向。本文在WMS和GML研究基础上,提出了一种基于XML-RPC的分布式GIS计算模型,设计了分布式GIS应用操作与数据的XML抽象与表达,并进行了原型系统的实现研究。     

网格计算核心技术浅析

介绍了网格系统的特点和几种主要的网格体系结构,分析了网格系统中高速通信、安全、资源管理、任务管理与任务调度等核心技术.针对资源管理技术在网格系统中的重要性,作了较为详细的讨论并且提出了一种类似于搜索引擎机制的方法来组织网格资源,构造局部网格系统,各局部网格系统可以通过P2P技术互连,从而建立更大的网格系统,实现系统的可扩充性.     

岩溶洼地内涝蓄水量与不同级次裂隙对溶质迁移影响的室内实验与模拟

岩溶洼地在西南地区分布广泛,岩溶地下水为当地居民生产和生活的主要水源,研究岩溶洼地内涝条件下裂隙系统中的溶质迁移及响应规律可为峰丛洼地区岩溶地下水的污染防控提供科学依据。基于相似原理构建了岩溶洼地-裂隙系统物理模型,采用对流-弥散模型和脉冲响应模型对溶质迁移过程进行了模拟分析,探讨了不同级次裂隙和内涝蓄水量大小对溶质迁移的影响。结果表明:大裂隙作为优先水流通道,对溶质迁移起主要的控制作用;小裂隙对溶质迁移起暂时储存和缓慢释放的调蓄作用,其溶质迁移的叠加过程使总出口溶质迁移的"拖尾"效应更加明显;随着内涝蓄水量的增加,稀释作用增强,导致溶质峰值质量浓度降低、溶质质量浓度回归至本底值的时间延长、延缓释放溶质的质量增加。该物理模型是对复杂岩溶洼地系统内污染物迁移研究的一种新探索,其模拟结果进一步深化了对洼地内涝条件下面源污染物在岩溶水系统中迁移规律的认识。      

THE STUDIES ON WATERLOGGING DAMAGE IN JIANGHAN PLAIN USING DEM

The waterlogging damage is the pit to agriculture in plain and lake region. This damage is related to the groundwater, ancient lakes, soil, land use and negative landforms, the conventional technique is adopted to the study of this damage. In this paper, we suggest a new technical method, the technique is based on DEM, to study this problem. The DEM is developed on the ECLIPSE MV/ 10000 AOS/ VS system, and the estimation model of waterlogging loss is built on the historical data of the test region in Jianghan Plain. and then, the rice waterlogging loss of test region is estimated by them.     

遥感大数据实时渲染与交互可视化研究

数据可视化是遥感应用的重要服务出口。针对静态的预生成瓦片地图难以满足数据查看、地图配置、空间分析等专业应用问题,本文提出了一套面向遥感大数据的实时渲染与交互可视化的解决方案。在渲染节点构建影像的渲染瓦片结构,以提高数据的读取速度;在可视化服务上,提出“数据-计算”相一致的负载均衡策略,优化地图的渲染效率;在可视化服务方面,设计交互的地图服务接口。与传统技术的对比分析表明,该解决方案不但实现了遥感大数据的实时渲染与交互可视化,并且达到了与预生成瓦片地图服务相当的服务性能。基于这一解决方案,研发了遥感大数据的动态可视化原型,并在影像数据实时查看、可视化计算、可视化分析等方面开展了示范应用。     

基于云平台的山东省地质灾害综合服务系统的设计与实现

提出了建设云GIS的完整的解决方案,通过研究云平台技术的交付模式和地理信息系统的特点,结合山东省地质灾害信息管理的实际需求,开发了基于云平台的山东省地质灾害综合服务系统。针对云GIS(地理信息系统)海量的存储空间数据及丰富的信息显示的特点,对地质灾害点数据进行高速处理和实时显示,文中设计了系统的建设方案,在云平台的架构设计基础上,设计并实现了对山东省地质灾害信息点的管理、查询、科普、统计等需求,实现了基于云平台技术的山东省地质灾害综合服务系统的开发。