北京城市下垫面的非均匀性度量研究

城市下垫面非均匀性度量研究对于改进中尺度数值模式、提高城市气象预报准确率具有重要意义.基于分形布朗运动理论和Landsat-TM卫星遥感图像,估算了2011年北京典型下垫面类型个例和整个空间区域的分数维,由此来度量北京城市下垫面的非均匀性特征.研究结果显示:分数维能有效度量北京城市下垫面的非均匀程度,典型下垫面类型的分数维高低顺序为商业区 >大型居民区 >城市绿地 >农田>林地 >水体;北京六环内区域及郊区城镇地表非均匀特征明显,分数维一般在2.50以上,北京城市中心(二环内)存在一个分数维相对低值区,二环—四环之间区域分数维普遍较高,在2.70以上,五环以外分数维则不断降低,反映出北京城市下垫面非均匀性从中心向外呈低—高—低的空间分布;下垫面类型中建筑用地、绿地、未利用地、农田、林地和水体的平均分数维分别为2.71、2.62、2.55、2.38、2.30和2.28,分数维值的高低反映了城市下垫面类型的非均匀程度大小,对定量描述城市边界层参数的复杂特征具有参考意义.     

气候噪声和气候系统的分维

根据相空间嵌入定理,按照Grassberger和Procaccia提出的计算分数维的方法,利用近百年来南、北半球地面气温资料,估算了气候吸引子的分数维,计算结果表明：气候吸引子的分数维南半球为3.3～3.7,北半球为3.2～3.7。它提供了气候吸引子的自相似结构的基本信息,表明模似气候系统最少需要4个独立变量。另外,还讨论了气候噪声对估算维数的影响。     

积云模式下三维闪电分形结构的数值模拟

为了提高积云模式对雷暴云内电过程的模拟能力,将Mansell提出的放电参数化方案在起始击穿阈值和闪电通道感应电荷的分配过程上进行改进,耦合了已有的三维强风暴动力—电耦合模式中。对STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)试验中一次雷暴个例以及对中纬度地区理想雷暴个例的模拟表明,引入了新放电参数化方案的模式模拟出闪电在发展特性和几何结构上和观测结果有较好的一致性。模拟结果还表明:闪电的类型与极性取决于背景电荷结构以及闪电的起始位置,只有底部存在正电荷堆时才会产生负地闪,且负地闪的起始点均具有较高的负电势。闪电通道上感应电荷的沉降会改变通道附近水成物粒子上携带的电荷,这对雷暴云内复杂电荷结构的形成有重要作用。经统计,模拟的地闪和云闪通道的分形维数平均值分别为1.47和1.69。对起始击穿阈值的敏感性试验表明,随着起始击穿阈值的增大,首次闪电时间会向后推迟,当采用逃逸击穿时首次闪电产生的时间最早;闪电数量随起始击穿阈值的增大而减少;当使用固定击穿阈值(100,150和200 k V)时得到的云地闪比均小于使用逃逸击穿时得到的云地闪比,使用逃逸击穿时得到的云地闪比与观测结果最为接近。     

3维城市模型的可视化研究

本文在对已有的３维（３Ｄ）城市模型进行分析的基础上,着重探讨了建筑物模型的构造方法,提出了一种分层组合模型方法构造建筑 及在此模型基础上的动态显示、空间分析和交互操作等功能,并开发了一个应用系统（３ＤＴＯＯＬ）对３Ｄ城市模型中的地形和建筑物进行整体维动态显示和操作。最后利用约４ｋｍ＾２试验区对本文提出的模型和开发系统进行了全面的实验研究。     

基于分形方法的蚀变矿物多尺度特征分析

针对矿化蚀变信息常常受其他地物信息的干扰与影像空间分辨率的制约而表现得非常微弱的问题,该文以Landsat7号ETM+30m空间分辨率的影像为数据基础,重采样得到一系列不同空间分辨率的影像;运用ETM+波段3/波段1比值法获得铁染蚀变相对含量灰度图,采用分形模型计算出不同分辨率下蚀变矿物的分维值,进而获得分辨率—分维值的一元线性回归方程;最后建立了基于分形理论的蚀变矿物多尺度分析模型,得到蚀变矿物空间分布特征变化的参考尺度。结果表明,在一定尺度范围内(30~280m),蚀变矿物显示出空间尺度特征。     

一种基于小波域的分形遥感影像压缩方法

解决大数据量遥感影像传输和存储问题的方案之一,是对遥感影像进行高保真快速压缩。通过对遥感影像进行小波变换产生子带频域之间的相似性,再利用分形方法对具有相似性的相邻高频子带进行编码,由高一级的子影像构造低一级的子影像,然后采用分形迭代解码和小坡变换的逆变换重建影像。实验结果表明,该方法在一定程度上能够提高压缩比,在压缩时间上比传统的分形方法有明显的缩短,并且压缩后影像信息的损失量较少,影像恢复的质量较好。     

分形学:现代地图学的非线性数学分析方法

分析了地图学的传统数学分析方法，讨论了对象复杂性与方法简单化的矛盾，阐述了分形几何学，为现代地图学研究的定量化、系统化提供了新的数学分析方法。     

一种基于局部判别正切空间排列的高光谱遥感影像降维方法

提出一种基于局部判别正切空间排列(local discriminative tangent space alignment,LDTSA)的高光谱影像降维方法。LDTSA源于局部正切空间排列(LTSA)中的排列机制,在一个局域块内利用线性局部正切平面对类内样本的流形结构建模,同时还考虑到类间判别信息以最大化判别边界。利用多幅高光谱数据进行降维和分类试验。结果表明,LDTSA主要有三个优点:①在小样本问题上性能稳定;②在降维过程中保持类别间的判别信息;③有效挖掘数据集的几何流形结构。     

A comparison of three image-object methods for the multiscale analysis of landscape structure

Within the conceptual framework of Complex Systems, we discuss the importance and challenges in extracting and linking multiscale objects from high-resolution remote sensing imagery to improve the monitoring, modeling and management of complex landscapes. In particular, we emphasize that remote sensing data are a particular case of the modifiable areal unit problem (MAUP) and describe how image-objects provide a way to reduce this problem. We then hypothesize that multiscale analysis should be guided by the intrinsic scale of the dominant landscape objects composing a scene and describe three different multiscale image-processing techniques with the potential to achieve this. Each of these techniques, i.e., Fractal Net Evolution Approach (FNEA), Linear Scale-Space and Blob-Feature Detection (SS), and Multiscale Object-Specific Analysis (MOSA), facilitates the multiscale pattern analysis, exploration and hierarchical linking of image-objects based on methods that derive spatially explicit multiscale contextual information from a single resolution of remote sensing imagery. We then outline the weaknesses and strengths of each technique and provide strategies for their improvement.     

城市交通网络分形维数的不确定性估计、控制与分析

长度-半径维数模型作为描述城市交通网络复杂不确定性现象的一种分形分维方法,其自身存在的不确定性往往被忽视,且相关研究更是鲜见报道。故针对该模型在分形维数测算全过程中存在的不确定性问题,本文率先开展了系统剖析、定量估计和质量控制研究。首先对数据源、矢量化处理、测算中心、尺度选择、以及分维数模型估计等一系列环节进行了不确定性估计与分析,其中首次给出了分形维数在一定置信水平下的不确定性度量区间,并依据误差传播理论对误差的传递和累积进行了描述;然后着重提出了基于LMed S(Least Median of Squares)的质量控制方法。最后通过对拉萨市的算例实验表明:道路的矢量化过程、测算中心和测算尺度的选择都会导致分维的不确定性;并在对数据质量进行控制的基础上,通过置信区间对长度-半径维数模型的不确定性进行了在一定概率水平下的首次度量;同时结合区域现状对研究结果给出了合乎实际的解释。本文在描述表征不确定性问题的分形几何和分形维数的基础上,系统地揭示了其自身不确定性的本质,不仅进一步丰富了分形分维理论,为控制其质量奠定理论基础,而且可为城市交通网络分形维数的地学应用提供可靠的科学依据。