基于特征的海洋锋线过程时空数据模型分析与应用

客观世界存在时空场,大部分地理实体或现象在时空域具有动态变化特性,其空间、时间和属性是过程的统一体,传统的GIS时空数据模型在描述、表达、组织与分析这类数据时面临许多挑战。然而,基于特征的数据模型和以过程为对象的时空数据组织在动态数据的描述与表达的方面具有独特的优势。本文探讨了基于特征的线过程时空数据模型组织的六元组框架体系,实现空间、时间和属性的一体化存储和地理实体的动态分析。在分析线时空过程特性的基础上,归纳总结出3大类12个类别的线过程,进一步提出了基于特征的线过程时空数据模型(Feature-based Line Process Spatio-temporal Data Model)的概念;利用文件层次分块结构对时空线过程数据进行了组织与存储。最后以海洋锋为实例,探讨了该模型在时空数据组织、时空查询、时空过程提取和时空过程可视化等方面的应用。结果表明,该模型能够很好地应用于具有时空过程特性的线数据中,也为时空数据模型的总体设计提供借鉴。     

面向过程的时空数据模型研究

根据近20年来时空数据模型的研究现状、存在问题及其原因剖析,以连续渐变地理实体的表达、组织和存储为研究对象,提出面向过程的时空数据模型。根据连续渐变地理实体的内在特性,将其分级抽象为过程对象系列,进一步探讨过程对象及过程对象间逻辑关系,并设计其UML模型结构及物理存储结构。通过抽象的过程对象隐式地记录地理实体动态变化机制,及自定义的过程对象存储表提供演变机制的函数接口模式,实现连续渐变地理实体的过程化组织、存储与动态分析。最后,以海洋数据的过程化组织与分析为例,构建时空过程模型原型系统(海洋过程对象—关系数据库系统与功能分析平台),验证和评价该模型的实用性。     

时态GIS的面向过程语义与HAS表达框架

分析认为时空过程语义兼具连续体和偶发体的双重特性,是对现实世界地理过程的简化与抽象表达。针对对象建模视图和基于事件模型不足以描述过程语义的缺陷,提出了一种显式建模地理过程的HAS表达框架,将过程视图剖分为发生(Happenings)、动作(Actions)与状态(States)三域,分别描述时空过程的起因、行为过程和结果状态。在土地利用管理系统中的应用表明,其能较好地对土地利用变迁过程进行表达,能够通过时空查询实现对土地利用变迁过程的整体复原。     

过程——一种地理时空动态分析的新视角

地理世界中存在一类具有产生、发展和消亡的地理现象/对象,综合对地观测技术和多源信息获取技术的发展提升了获取这种动态地理现象的能力。现行的地理时空分析方法以点、线、面、体为基本单元,以数据获取尺度为分析尺度,割裂了地理现象的时间连续性,限制了地理时空动态的分析能力。把产生、发展和消亡的动态演变抽象为地理过程,从演变过程的尺度,提出一种新的地理时空分析方法。首先,提出“地理过程—演变序列—时刻状态”的分解抽象和逐级包含的地理时空过程语义,并基于“节点—边”的图思想建立地理时空过程图表达方法和存储模型,实现地理对象（节点）和对象演变行为（边）一体化表达和存储;其次,以地理过程为基本单元,设计“地理状态对象提取—演变序列追踪—过程对象重构”的过程对象提取方法,并基于节点的出度（该节点引起其他节点变化的边的个数）和入度（其他节点引起本节点变化的边的个数）实现过程对象演变行为的识别;再次,以地理过程为分析尺度,拓展时空邻域为过程邻域、时空相似性为过程相似性,设计面向过程的地理时空挖掘方法,开展地理对象及其演变行为的时空模式挖掘;最后,以1950—2019年月尺度的太平洋海洋表面温度异常变化过程对象...     

基于高度计遥感数据的北太平洋中尺度涡提取

针对海洋中尺度涡现象,提出一种基于海平面高度异常数据(SLA)的中尺度涡泛克里金提取算法。该算法运用变差函数工具计算SLA变差场,定义为广义振幅场,再利用泛克里金插值消除数据虚警和噪声,借助广义振幅场与实际振幅的关系通过少数几条特征等值线实现涡旋及其属性的提取。选取北太平洋作为实验区,采用2012年4月的4期SLA进行了中尺度涡的定量提取、分析,共提取出841个中尺度涡(含3个多核涡),包含450个气旋涡和391个反气旋涡;与其他遥感提取方法的对比显示北太平洋中尺度涡的成功检测率接近90%,过度检测率小于20%。结果表明:(1)算法具有省时高效性,通过对SLA场的重构创建广义振幅场,避免了等值线筛选过程,相对于海面高度闭合等值线等其他遥感方法具有判据简单及提取速度快的特性;(2)可靠性好,能够通过推导得出的特征等值线确保稳定的提取准确度;算法建立在发展成熟的等值线提取方法之上,并且有变差函数与泛克里金法的理论支撑;(3)自适应性强,可以对任意海区进行实时的涡旋检测和提取,并且除振幅值统计资料及必要基础数据外无需依赖其他辅助性数据。     

基于时序栅格的海洋异常事件提取方法

海洋异常事件（Marine Abnormal Event,MAE）可为区域海气相互作用和全球气候变化研究提供重要的时空特征参考,具有重要的科学意义。鉴此,本文基于长时间序列的栅格数据集,提出了一种海洋异常事件时空提取算法（Marine Abnormal Event Spatio-Temporal Extraction Method,MAESTEM）。MAESTEM的核心步骤包括事件的时间维度提取、事件的空间维度提取和事件追踪。在时间维度提取方面,将每一个栅格像元作为一维时间序列,计算其平均值和标准差作为判断每个时刻是否异常的标准,并根据异常持续发生的时间长短来提取时间维度的海洋异常事件（Temporal MAE,TMAE）。在空间维度提取方面,利用空间邻域统计方法,统计栅格像元的空间邻域中属于TMAE的个数,并通过空间维度异常判断规则获取空间维度的海洋异常事件（Spatial MAE,SMAE）。利用时刻状态的SMAE的空间拓扑关系,根据事件前后时刻覆盖的空间区域是否重叠以及事件持续的时间长短,实现异常事件的追踪。最后,通过提取太平洋海域1993年1月至2012年12月的月均海面高度异常（Sea Level Anomaly,SLA）事件,验证了该算法的有效性和实用性。     

海洋时空过程数据模型及其原型系统构建研究

从地球信息科学角度,分析了海洋现象的过程特性,并给出过程对象的BNF范式组织结构。把具有过程特性的海洋现象分级抽象为海洋过程对象、阶段对象、序列对象和状态对象,讨论了海洋过程对象的语义分级抽象与顺序、包含关系及过程对象内的演变机制,分析了通过过程对象隐式记录演变机制、过程对象存储表提供其程序接口,实现连续渐变表达机制在模型中的实现策略,发展了基于过程对象、过程对象关系表的模型的过程化组织结构。在Geodatabase9.2基础上,扩展过程对象的存储机制,构建海洋时空过程数据模型的原型系统(海洋时空过程数据库系统MarineSTPDMGDB和海洋系统功能平台MDMProtoTypeSystem),并给出其框架结构及关键技术实现流程。原型系统的构建及功能分析结果证明了模型的科学性与适用性,为"数字海洋"战略的实施提供了理论基础。     

时空数据模型的研究现状与展望

分析了时空表达与建模理论的5个发展阶段:基于静态数据模型扩展、面向对象表达、基于对象变化(事件序列)、时空集成和以过程为核心的时空数据模型;阐述了时空数据模型在时空动态语义、地理时空认知表达和地球信息科学解决的基本问题方面的研究现状,并指出由于现有时空数据模型主要以地理实体存在状态的"对象视图"或"事件视图"(而不是演变特性的"过程视图")作为表达载体,割裂了其内在联系,无法实现复杂地理实体的时空语义描述和动态过程分析。最后,提出以地理实体演变为核心的时空语义描述方法和融入地理对象、变化机制、对象变化的时空动态表达将是时空表达与建模理论的发展趋势。     

基于形态学的海洋锋形态特征提取

根据形态学梯度理论:不同尺寸的结构元素适合不同空间尺度的特征提取,结构元素尺寸的过大或者过小都会达不到最佳的特征边缘提取效果,从结构元素的尺寸δ与海洋锋横断面宽度γ和海流流幅的空间尺度λ的理论关系图推导中,提出δ,γ和λ的最佳定量关系:δ=γ/2,且δ<=λ/2,旨在对海洋锋形态特征进行提取。最后,以黑潮和墨西哥湾流为实验数据,进行海洋锋形态特征的自动提取,实验结果表明该定量关系的正确性和有效性。     

多源地理大数据支撑下的地理事件建模与分析

地理事件作为描述地理过程的基本单元,逐渐成为地理信息科学（GIS）核心研究内容。由于受人类活动数据获取限制,GIS对地理事件的建模和分析主要关注事件所引起的地理空间要素变化及要素之间的相互影响与作用机制。然而,近年来随着基于位置服务数据（LBS）爆炸式的增长和人类活动大数据定量刻画手段的快速发展,地理事件对人类活动的影响以及公众对地理事件的网络参与度都引起了多个领域的广泛关注,对地理事件的时空认知、建模方法和分析框架提出了巨大的挑战。对此,本文首先深入分析了大数据时代地理事件的概念与分类体系;其次,基于地理事件的时空语义给出了基于图模型的事件数据建模,建立了事件本体及其次生或级联事件的“节点—边”表达结构,开展了事件自身时空演化及其前“因”后“果”的形式化描述;第三,从时空数据分析与挖掘的角度,给出了大数据时代地理事件建模与分析的整体框架,拟突破传统“地理实体空间”事件探测与分析方法的局限性,融合“虚拟空间”事件发现与传播模拟思路,实现多源地理大数据支撑下的面向地理事件的人类活动多尺度时空响应与区域差异分析;最后,本文以城市暴雨事件为例诠释了本文所提出的地理事件建模与分析方法,从城市和城市内部两个尺度进行了暴雨事件与人类活动的一致性响应及区域差异分析,得到了明确的结论,验证了前文分析框架的可行性与实用性。