GIS空间时态数据库系统原型的设计与实现

本文针对地理信息系统中空间时态表达与分析功能的缺陷,设计并实现了一种新的基于矢量多边形系统的空间时态网状数据库模型,对版本进化和新生实体的不同空间时态变化类型提供了多种时态更新算法,并开发了两个系列的空间时态查询语言。     

简单要素模型下多边形叠置分析算法

现有的矢量空间叠置分析多采用拓扑模型,要求建立完整的数据拓扑关系。该文采用简单要素模型,以多边形叠置交运算为例,介绍简单要素模型下空间叠置分析的具体实现,着重讨论多边形交运算的交替搜索算法,在线段求交中对连续出入点、重交点等特殊数据进行处理。在实际应用中,该算法可较好解决大规模复杂数据层的叠置交运算,比同规模的拓扑叠置运算效率高。     

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.     

二维Delaunay三角网的任意点删除算法研究

针对目前基于影响域多边形剖分的点删除算法缺陷,提出一种二维Delaunay三角网点删除算法。首先利用具有拓扑关系的三角网搜索影响多边形,并以三角形矢量面积为工具三角剖分影响域多边形,最后通过镶嵌优化后的剖分三角网完成点的删除,且满足Delaunay法则。通过测试证明了算法的可靠性和高效性。     

一种基于空间对象的缓冲区分析算法

在传统缓冲区分析基本思想的基础上,提出基于空间对象缓冲区分析定义,区别在于邻域半径:前者为常量,后者为变量。设计实现基于空间对象缓冲区分析算法,该算法以空间对象为计算粒度,分为计算缓冲区边界点、生成缓冲区多边形、筛选缓冲区多边形内空间对象3个步骤,并从算法执行机理的角度对其做定性与定量评估。结果表明,该算法解决了传统缓冲区分析难以处理图层内以空间实体为分析粒度的问题,时间和空间复杂度亦优于传统缓冲区分析算法。     

高分辨率遥感影像城市房屋信息自动提取模型与实验研究

分析高分辨率遥感影像Quick Bird上房屋信息特征空间,构建Quick Bird影像房屋空间语义模型,并以大庆市东城区为实验区域,利用窗口阈值法对影像进行区域分割后,通过空间语义模型实现Quick Bird影像房屋信息的自动提取,并将提取结果与实地采样数据进行精度对比。结果显示,其形状一致性和面积一致性分别达到89.5%和88%,其中,矩形房屋提取效果最佳,人字形、多边形房屋的提取效果较理想,但圆形房屋提取效果不理想。     

基于作息空间思想的人口统计数据空间化方法

探讨了基于作息空间思想的人口统计数据空间化方法。定义居住和工作的活动空间范围为作息空间,并结合土地利用类型数据和泰森多边形构建了作息空间,以作息空间人口密度作为人口空间分布的表达方式。对辽宁省2005年人口统计数据进行了实例分析,精度优于传统的面积权重内插法,结果的地图渲染能够表现受自然因素和社会经济因素影响的人口分布特征。该方法不涉及复杂的权重计算过程,也可以避免主观因素的干扰,简单易行,有较强的实用性。     

基于不同算法等高线曲率的提取与分析

等高线曲率是一个重要的地形属性,反应了地形表面在水平方向的凹凸性,表达了地表物质运动的发散和汇合模式。基于安塞县县南沟小流域的矢量等高线数据和DEM,分别利用圆拟合算法（相邻三点法、间隔三点法和最小二乘法）和曲面拟合模型（E模型、S模型和Z模型）提取等高线曲率,通过对实地地形的对比分析,结果表明：（1） 在矢量等高线数据的计算结果中,三点拟合法计算结果相比最小二乘法结果差异大,对等高线曲率空间格局分布描述更准确;（2） 最小二乘法计算的结果频数分布集中程度最高,两种三点拟合法计算结果频数曲线差别微小;（3） 在栅格数字高程模型的计算结果中,基于S模型计算结果在空间格局上较E模型和Z模型的结果差别大,基于E模型的计算结果对等高线曲率描述效果更好。结果能准确说明采用不同算法计算等高线曲率的差别,对在实际数字地形分析中有重要的意义,可为等高线曲率计算提供重要参考。     

区域尺度蒸散发遥感估算——反演与数据同化研究进展

遥感技术近年来在估算区域尺度蒸散发中应用广泛。不同方法在驱动数据、模型机理和适用范围往往存在很大差别。鉴于此,阐述了基于传统方法空间尺度扩展的遥感模型,经验统计公式,特征空间法,单源、双源垂向能量平衡余项法等几类的遥感蒸散发反演方法,简要介绍了三温模型、非参数化模型、半经验模型、集成模型等常用模型。同时,分析了遥感数据同化实现连续估算区域蒸散发的主要思路,综述了基于能量平衡和基于复杂过程模型的数据同化的原理、方法演进及常用同化算法等。最后,探讨了各类区域蒸散发遥感方法的优劣、展望了模型机理完善、不确定性研究、结果验证等与蒸散发直接反演和数据同化相关的研究方向。     

矢量数据向栅格数据转换的一种改进算法

地理信息系统的发展与空间数据结构的优化密不可分,栅格数据与矢量数据之间的高效转换是GIS的关键技术之一。由于栅格数据十分有利于空间分析中的叠置分析,因而通常需要将矢量数据转换成栅格数据。该文分析对比了地理信息系统的两种基本数据结构,在总结已往矢量数据转换为栅格数据方法的基础上,依据边界代数多边形填充算法的基本原理,结合绘图作业时采用的正负法,提出了一种改进的折线边界(数据串)跟踪方法。该算法原理简单,不需进行复杂的距离比较运算,运算速度快,并且通过简单的角度判断保证了填充的精度。     

Rendering interior-filled polygonal vector data in a virtual globe

Polygonal vector data are important for representing countries, lakes, residential settlements, and other polygonal features. The proper representation of polygonal vector data is the basis of efficient rendering and picking and quick access and display of the analysis results based on polygons (e.g., 3D overlaying and surface area measurement in mountainous areas) in a virtual globe. However, polygonal vector data are displayed using texture-based or boundary-based approaches in most existing virtual globes. The texture-based approach cannot easily support interactive operations (e.g., picking) and spatial analysis (e.g., adjacency analysis and spatial measurement). The boundary-based approach treats the holes as independent features; however, it is difficult to recognize which boundaries constitute a polygon. Further research is needed on how to better organize the polygons to support efficient rendering, picking, and analysis in a virtual globe. In this article, we propose two methods to drape interior filled 2D polygons onto a multi-resolution 3D terrain. Both proposed methods combine polygon clipping and polygon triangulation. The difference between the two methods is in the way holes are eliminated. Method 1 recursively subdivides a terrain triangle until the child-triangles contain no holes; every resulting clipped polygon, which is then triangulated, contains no holes. Method 2 directly clips a polygon against a terrain triangle and creates bridge edges to transform the resulting polygons with holes to degenerate polygons that are further triangulated. The experimental results demonstrate that both proposed methods can efficiently process polygons with holes resulting in appropriate numbers of triangles. The processed interior-filled polygons remain close to the terrain surface in a virtual globe. Both proposed methods support real-time rendering of polygonal vector data in a virtual globe.     

基于简单要素模型的多边形分割算法

多边形是GIS研究和应用中使用最频繁的几何对象,该文描述了基于简单要素模型的任意多边形分割算法。从计算几何出发,结合GIS空间数据的特点,将基于简单要素模型的多边形分割算法设计为:1)对多边形及分割线的边界排序,基于扫描线及外包矩形检测查找可能相交的线段,提高相交线段的搜索效率;2)计算交点生成结点信息(包括交点坐标、线号及交点的出入),并存储在独立的单向链表中;3)根据结点链表和原多边形坐标搜索结果多边形。该算法能够分割任意简单多边形(凹凸、曲线边界和带洞的多边形)以及有共享边的多边形。最后在MapGIS7.0平台上,实现了基于简单要素类的多边形分割功能。     

一种基于超曲面样条函数的三维空间插值方法

将二维曲面样条函数插值法进一步引申,提出一种基于超曲面样条函数进行三维空间插值的新方法,介绍超曲面样条函数的构造方法,给出利用该方法进行三维空间插值的数值实现过程。最后以插值形成三维空间规则数据场为例,证明利用超曲面样条函数法进行三维空间插值的可行性和准确性。     

无级比例尺GIS多边形倒金字塔模型

提出GIS多边形倒金字塔模型,拓展了模型能够支持的数据结构与适用范围,使其可以应用于普通GIS电子地图中,为采用预生成不同比例尺图面多分辨率表达无极比例尺图形显示技术提供了模型支持,并给出了建模方法,使普通GIS多边形的无极比例尺显示可以依据精度标准进行局部更新和无冗余存储。     

GPU加速的多边形叠加分析

叠加分析是地理信息系统最重要的分析功能之一,对多边形图层进行叠加分析要花费大量时间。为此,将GPU用于多边形叠加分析过程中的MBR过滤及多边形剪裁两个阶段。对MBR过滤阶段,提出了基于GPU的通过直方图及并行前置和实现的MBR过滤算法。对多边形剪裁阶段,通过改进Weiler-Atherton算法,使用新的焦点插入方法和简化的出入点标记算法,并结合并行前置和算法,提出了基于GPU的多边形剪裁算法。对实现过程中可能出现的负载不均衡情况,给出了基于动态规划的负载均衡方法。通过对这些算法的应用,实现对过滤阶段及精炼阶段的加速。实验结果表明,基于GPU的MBR过滤方法相对CPU实现的加速比为3.8,而基于GPU的多边形剪裁的速度比CPU实现快3.4倍。整体上,与CPU实现相比,GPU加速的多边形叠加提供了3倍以上的加速比。     

DEM内插方法与可视性分析结果的相似性研究

以实际采样的散点数据为原始数据,利用反距离权、样条函数、克里格、自然邻点内插、TIN内插5种内插方法生成规则格网DEM,并对其可视性分析结果进行对比分析和相关分析,揭示不同内插方法对可视性分析结果的影响规律和可视性分析对内插方法的敏感程度。结果表明,可视性分析对内插方法比较敏感,不同的内插方法会得到不同的可视性分析结果,其中相关程度最强的是样条函数内插和克里格内插、自然邻点内插和TIN内插。     

Comparative tempo‐spatial pattern analysis: CTSPA

A new method is illustrated for describing the characteristics of urban pattern changes over different time periods. This method employs vector geometry, paired centroids, shared boundary lines, and overlain polygons. Three new statistics are proposed for characterizing local polygon feature changes in quantity, shape, and size. These statistics are standardized, based on conventional theories from urban geography such as directional concentric zones and user‐designated corridors to document both regional and global patterns of land‐use change. This method is used to analyse land‐use changes in metropolitan Detroit between 1990 and 2000. The Detroit case study indicates that the CTSPA statistics are effective in describing urban spatial pattern changes and in characterizing the evolution of discrete urban landscapes over selected periods.