地学信息图谱的研究及其模型应用探讨

地学信息图谱系以遥感与地理信息系统等新技术 ,充分发挥人脑的形象思维能力来解决资源环境问题。它是地学思维在新时代下的新发展 ,在地学研究中有重要的理论和实践意义。文章着重分析了地学信息图谱研究近况 ,并结合生态系统综合评估 ,论述了地学信息图谱在该领域的应用。     

地学信息图谱思想与实践探索

本文回顾和综述了陈述彭院士关于地学信息图谱的学术思想,该学术思想来源于陈先生的科学实践。他提出了地学信息图谱的相关概念及其类型体系,地学信息图谱是地学图谱与现代信息技术结合的产物。地学信息图谱的核心在于发现地学时空知识和规律,并能为社会经济建设提供应用服务。按研究对象划分为地学各分支学科的信息图谱和各行业的信息图谱,按功能划分为：征兆图谱、诊断图谱和实现图谱。陈先生发展了地学信息图谱生成的技术方法,提出了地学信息图谱的工作流程,促进了地学信息图谱在经济社会发展中的应用。陈先生指出了发展地学信息图谱的创新方向：创新地学大数据获取技术方法,提升地学信息图谱生成智能化与自动化水平,促进地学信息图谱应用的深度和广度。陈先生指出网格地图是地学信息图谱的重要基础。该思想至今对推动地球信息科学的发展及其在解决国家重大战略需求方面,仍然具有重要的指导意义。总结了在陈先生地学信息图谱思想的指导下,在地学信息图谱方面的一些实践探索和结果,包括：发展了基于知识发现的专题信息提取和多数据多知识协同的精细地表要素获取的技术方法,提高了水体、绿被、积雪和城乡聚落提取以及精细土地利用和精细植被类型信息获取的自动化水平和效率;拓展了时空变化图谱的研究和应用,提升了时空变化图谱生成的智能化水平和效率;地学信息图谱在社会经济发展、生态建设、环境保护和灾害风险防控等方面的应用实践已展示出了巨大前景。最后,结合新时代共建全球人类命运共同体和地球科学国际化的重大战略需求,提出了开展全球地学信息图谱关键技术与应用研究,以期实现地表大观测到大数据,再到大知识大应用的提升转化,支撑地表治理体系和治理能力的现代化,提升地学服务经济社会发展的水平和能力,彰显学科特色与优势。     

地学知识图谱的定义、内涵和表达方式的探讨

在地学图谱和地学信息图谱的基础上,本文提出了地学知识图谱的概念,并介绍了地学知识图谱的基本框架、特征和理论意义。地学知识图谱将地学知识以虚拟空间坐标的形式反映在地图上,用以展示地理对象特征空间分布,揭示出一些隐含的规律。它是对地理知识形式化的图形表达,具有语法和语义特征,因此,有可计算性。它的基本组成要素和结构由所表达的内容决定。地学知识图谱,不仅是一种知识表达和数据挖掘的手段,也是空间认知的一种方式和结果。     

遥感信息图谱计算的理论方法研究

遥感应用的本质是投入专业知识从对地观测影像中提炼专题信息,并以之服务于各类分析与决策的过程。其中,信息计算是整个遥感应用服务技术链的基底。本文在传承地学信息图谱理论的基础上,提出了遥感"图-谱"信息耦合的空间认知理论,构建了"像元-基元-目标-格局"为一体的遥感信息图谱计算的理论方法体系,将其分为"像元级"和"对象级"两个层次,并阐述了高性能计算环境支持下,遥感信息图谱计算平台的设计开发思路及目前研发进展,总结了遥感信息图谱计算的发展趋势和重点研究问题。     

试论地学信息图谱思想的内涵与传承

地学信息图谱是陈述彭先生倡导的重要理论探索领域。本文根据先生的相关文献和论述,探讨了地学信息图谱思想的内涵,认为图谱是许多领域都采用的表达和分析的方法论,地学图谱是针对地学领域地学现象和过程的图谱,地学信息图谱则强调在地理信息系统支持下,通过定量地学信息（地学数据库）和地理计算实现的地学图谱,以期通过运用地学图形语言进行地理时空表达与分析,用于描述人与自然和谐相处的规律,反演它的过去,评估它的现状乃至预测它的未来。地学信息图谱思想的提出与陈述彭先生的职业生涯密切相关。他青年时期的坚实地理学基础,中年时期将综合地理和地图设计紧密结合的实践,晚年时期对遥感与地理信息系统的引领,促使他集一生在地理科学研究中的丰富理论、方法、技术成果积淀,开辟了这一探索性的地学研究新领域。地学信息图谱是陈述彭先生留给后来者的科学问题。为此,作者根据新近相关领域的研究进展,提出了未来可能的研究方向：全息地图的发展是地学信息图谱表达的重要基础,并有助于进一步发现新的地学现象和新的地学规律。遥感对地表信息的“谱”探知要以地理学“图”分析思想为支撑,它将最终回归于对复杂地表分布与内在发生机理等地理学核心问题的回答。地学信息图谱的认知以人地关系为中心,以实现从客观地理空间到虚拟空间的人地关系新认知构建一套认知理论。地学信息图谱的目标是辅助发现与利用新的地学知识,为实现自动化、智能化的地理知识图谱奠定理论与方法基础。     

黄河三角洲高效生态经济区生态环境承载力分析

以黄河三角洲19个地区2010年统计年鉴的数据为依据,应用生态足迹法,对该区2010年的生态足迹进行计算与分析。结果表明,黄河三角洲地区的生态足迹均为赤字,人均生态足迹为68．396 hm2,人均实际可利用生态承载力为14．057 hm2,人均生态赤字为54．339 hm2。反映出评价区人类的生产、生活强度超过了生态系统的承载能力,区域生态系统处于被人类过度开发利用状态。     

陕西省城镇与交通信息图谱的建立与分析

地学信息图谱是伴随地学信息知识的创新而产生的,建立地学信息图谱的过程就是对地学研究对象的认知过程。本文通过对陕西省城镇和交通信息图谱的建立与分析,指出陕西城市具有格状对称分布的规律;陕西交通布局具有线形对称分布的特征。通过以延安为中心的我国大城市靶形图谱分析,建议把延安发展成大城市,以带动陕北和周边地区的经济发展。结论是应在城镇与交通信息图谱的指导下,制定出陕西城镇与交通发展的科学规划。     

面向数字城市总体规划生态敏感信息图谱构建的GIS方法

生态空间控制是城市总体规划的重要内容,也是构建生态城市的必然要求;数字城市规划以空间信息技术应用与空间定量分析为突出特征,探讨生态敏感信息图谱构建的信息技术方法是数字城市总体规划需要开展研究的领域.以A市城市总体规划为例,探讨基于GIS空间分析技术的生态敏感信息图谱构建方法,包括基础数据处理、生态因子确定、评价方法选择、生态敏感性评价、信息图谱构建等几个方面.实践结果表明基于GIS的城市总体规划生态敏感信息图谱构建的技术方法是可行的,可以为数字城市总体规划方案的编制提供科学依据.     

福建省海岸带脆弱生态环境信息图谱研究

海岸带是陆地和海洋的交接地带,随着沿海经济的发展和对外开放,对海岸带的各种开发活动,一方面促进了沿海地区的经济发展,另一方面也使海岸带面临的压力越来越大,如人口增多、资源消耗、环境污染严重等。此外,海岸带的自然灾害频繁,常见的有台风、干旱和地震,海岸带生态环境呈现出典型脆弱性的特征。以地学信息图谱的方法论对海岸带脆弱生态环境进行研究:首先,它依托由对地观测技术、实地调查及社会经济统计而建立起的时空数据库,通过数据挖掘与知识发现,产生征兆图谱;然后,结合评价和时空分析模型及G IS提取诊断图谱;最后,在预测模型的支持下产生实施图谱,从而形成决策方案。实践证明,通过信息图谱能够更直观地反映海岸带脆弱生态环境,包括其现状、驱动因素,以及未来变化趋势,为海岸带的可持续发展规划决策、环境管理,以及防灾减灾对策的制定提供重要的科学依据。     

松嫩平原西南部水域信息图谱分析

地学信息图谱综合了地学景观规律性、简洁性和数学模型的抽象性,它是现代空间技术与我国传统研究成果结合的产物,它可反演过去、预测未来。基于地学信息图谱原理与表达方法,采用遥感与地理信息系统技术,通过对松嫩平原西南部水域1979、2001年两期遥感数据,进行水域遥感信息图谱变化研究与图谱分析表达。研究表明,1979年松嫩平原西南部水体总面积为2018.22km²,2001年面积为1488.12km²,减少了530km²,水域变化的动态度为1.01%,主要影响因素是土地沙化、草地退化以及过度的人为开发造成的。通过多种景观指数图谱理论来表达水域的变化特点,反映水域要素的相关性和数量关系。利用遥感与地理信息系统相结合的方法,对松嫩平原西南部遥感水域信息,反演了研究区的水域动态变化。     

中国自然景观综合信息图谱研究

地学图谱是用可视化形式 ,有规律的图形来表现空间信息 ,地学信息图谱是计算机化的地学图谱 ,是地图可视化的一种新形式。中国自然景观综合信息图谱是地学信息图谱研究的一个重要内容。本文首先介绍了自然景观信息图谱的基本概念 ;然后探讨中国自然景观综合信息图谱设计与提炼的技术路线 ,以及中国自然景观综合信息图谱与自然景观单要素信息图谱的提炼方法 ,并给出具体实例 ;最后简要介绍了中国自然景观综合信息图谱信息系统的研制。通过对中国自然景观综合信息图谱的设计与提炼 ,探讨了地学信息图谱的研究思路和技术路线 ,为地学信息图谱的进一步研究 ,提供了可借鉴的方法。     

区域生态环境综合信息图谱的分类与案例分析——以福建省为例

生态环境图谱类型的划分是自然资源合理开发利用和治理及地学信息图谱研究的基础。该文采用系统分析的思路,在总结对比分析前人对土地利用/土地覆被、植被、地貌、景观以及生态环境等的分类研究的基础上,依据地学信息图谱的方法论,借助遥感和地理信息系统等技术,构建生态环境综合信息图谱分类的系统,并以福建省为例,提出福建省生态环境图谱的分类系统。     

地学信息图谱与区域可持续发展虚拟

地学信息图谱综合了景观综合图的简洁性和数学模型的抽象性 ,它是现代空间技术与我国传统研究成果结合的产物 ,它可反演过去、预测未来。本文在分析地学信息图谱、生态系统发展战略、DL U土地利用战略、数学模型与地理信息系统集成等研究成果的基础上 ,设计了一个区域可持续发展虚拟系统。在这个虚拟系统中 ,如何将区域可持续发展的有关信息转换为征兆图、诊断图和实施图是其核心理论问题。数学模型计算机程序自动生成软件和开放式地理信息系统的研究成果表明 ,这些理论问题在不久的将来是可以解决的。也就是说 ,这个区域可持续发展虚拟系统的进一步研究 ,能够形成一个可操作的、实用的决策支持系统。     

新经济时代的地球信息科学

扼要介绍近15年来,中国在空间数据采集和数据挖掘方面的新进展。提出地球信息科学面对知识创新,迎接新经济挑战与机遇的思路。特别探讨了有关地学信息图谱的新概念。     

生态约束性城市扩展模型构建与应用分析——以南宁市区为例

以生态安全理论与方法为基础,地理信息系统（G IS）和元胞自动机（CA）为技术支持,集成宏观的生态经济学Tietenberg资源分配模型和微观的GEOMOD模型,构建一种生态约束性城市扩展优化模型（Ecological Re-straintUrban Expansion Model,ERUEM）,进行了广西南宁市2005～2020年城市空间扩展情景模拟研究。通过Tietenberg模型完成未来各个时段内城市用地数量的最优分配;从满足局部土地生态适宜性、土地利用继承性和邻域影响的角度,利用GEOMOD模型结合城市用地生态适宜性评价,完成城市用地的空间分配,最终实现城市空间扩展优化模拟。模拟结果表明,该模型在生态安全约束下,南宁城市空间扩展主要占用农村居民地、工矿用地、未利用土地和园地,减少对林地、水田和旱地的占用,增加和保育了城市生态系统服务功能,优化了城市空间的扩展;该模型方法可为南宁市土地利用规划和城市规划管理提供参考依据。     

莱芜市基础测绘现状及发展建议

莱芜地处山东省中部,区位优势明显,产业基础良好。经济发展战略的实施,迫切需要基础地理信息数据提供包括地理环境、生态体系以及战略布局等全方位的科学分析和辅助决策。该文分析了莱芜市基础测绘发展现状,找出了基础测绘工作中的差距,认为今后应建立完善稳定的基础测绘经费投入机制,加快成果的开发与应用。     

国土调查遥感40年进展与挑战

运用遥感技术进行土地资源调查,摸清其数量及分布状况,长期以来都是遥感领域研究的重要内容。本文首先回顾了过去40年来遥感技术在我国国土调查中的应用情况,然后围绕高分辨率影像的特征提取、大范围影像的样本获取、多时相/多传感器影像的迁移学习以及多源异构数据融合4个方面介绍了相关进展情况;接着归纳总结了现有遥感信息提取技术在国土调查中面临的4个挑战：① 高分辨率影像分类存在如何定义、选择、挖掘高级特征的问题;② 国土调查中的遥感数据集规模庞大,存在着类间不平衡和类内多样性,为这种复杂数据集获取足够、均衡、多样化的样本集是一个巨大挑战;③ 对于多传感器/多时相影像,如何低成本、及时地实现土地利用分类是值得考虑的问题;④ 从土地覆盖到土地利用存在语义鸿沟,如何合适地引入语义信息以弥合语义鸿沟需要被考虑。最后,本文对国土调查遥感技术的未来发展方向和应用点进行了展望。     

A review of modern treeline migration,the factors controlling it and the implications for carbon storage

Numerous studies have reported that treelines are moving to higher elevations and higher latitudes.Most treelines are temperature limited and warmer climate expands the area in which trees are capable of growing.Hence,climate change has been assumed to be the main driver behind this treeline movement.The latest review of treeline studies was published in 2009 by Harsch et al.Since then,a plethora of papers have been published studying local treeline migration.Here we bring together this knowledge through a review of 142 treeline related publications,including 477 study locations.We summarize the information known about factors limiting tree-growth at and near treelines.Treeline migration is not only dependent on favorable growing conditions but also requires seedling establishment and survival above the current treeline.These conditions appear to have become favorable at many locations,particularly so in recent years.The review revealed that at 66%of these treeline sites forest cover had increased in elevational or latitudinal extent.The physical form of treelines influences how likely they are to migrate and can be used as an indicator when predicting future treeline movements.Our analysis also revealed that while a greater percentage of elevational treelines are moving,the latitudinal treelines are capable of moving at greater horizontal speed.This can potentially have substantial impacts on ecosystem carbon storage.To conclude the review,we present the three main hypotheses as to whether ecosystem carbon budgets will be reduced,increased or remain the same due to treeline migration.While the answer still remains under debate,we believe that all three hypotheses are likely to apply depending on the encroached ecosystem.Concerningly,evidence is emerging on how treeline migration may turn tundra landscapes from net sinks to net sources of carbon dioxide in the future.