基于WebGIS的水务普查成果共享服务平台设计与实现

北京市于2010—2012年开展了第一次面向境内的水务对象普查工作,普查对象涉及河流湖泊、水利工程、供排水等共11个专项,成果涵盖了十几万个水务对象。此次普查基本摸清了北京市水务家底,为助推首都经济发展打下了坚实的基础。但由于长期以来受传统观念、行政体制、管理模式、技术手段等多方面因素的制约,导致"信息孤岛"现象严重,信息不一致难以整合共享,业务之间难以协同。为了解决这些问题,北京市开展了"基础水信息服务平台"及相关配套设施的建设。该平台基于Web GIS和元数据等技术,通过梳理普查基础数据和空间数据,结合已有数据及基础测绘数据,建成水务综合库,绘制完成水务一张图,搭建北京市基础水信息服务平台。平台的建成,实现了"一张图、一个库、一套表、一个平台"的"四个一"普查成果目标,初步形成"水务百度"雏形。     

站点尺度的青藏高原时序NDVI重构方法比较与应用

基于卫星遥感的植被指数时序数据广泛应用于植被覆盖监测、生物量反演等多个研究领域,但由于传感器本身、大气条件、环境特征等因素引起的噪声会影响数据的应用效果,因此开展植被指数时序数据重构研究具有实际意义。本文基于2000-2015年MODIS归一化差异植被指数(NDVI)数据,采用三次样条函数法、双逻辑斯蒂函数法和奇异谱分析法3种常用方法,对青藏高原106个气象站点所在的典型覆被NDVI时序数据进行重构,并以植被物候信息提取作为应用,比较分析了3种算法的保真性、细节拟合能力及物候特征提取效果。研究表明, D-L及Spline函数分别对受冰雪及云层影响较大(荒漠、灌木、林地)及较小的覆被类型(草原、农作物)表现出较好的细节拟合能力;SSA方法拟合能力较差,易出现NDVI重构曲线整体“下移”的现象,造成峰值拟合结果偏低,并且表现出NDVI绝对值越小拟合效果越差的现象。从保持原始数据真值的能力来看,受噪声点影响较大的覆被类型(林地、灌木、草原)Spline函数略优于D-L函数法;而林地类型中SSA方法表现优于D-L函数法。从物候信息提取结果来看,D-L函数法所提取的生长季稍有提前,Spline函数及SSA方法分别表现出生长季开始点及结束点滞后的现象,灌木、林地类型表现出明显的年际波动变化的特征,荒漠类型由于NDVI绝对值偏低,3种方法物候提取结果一致性表现出锯齿状不规则波动。此外,D-L方法生长季开始期(SOS)和生长季结束期(EOS)在各覆被区均小于其他方法,波动较大;SSA方法提取的EOS在大部分覆被地区大于其他方法;Spline提取结果的年际波动与SSA高度相似。该研究可为高原植被不同覆被类型下NDVI时序数据噪声去除的方法选择提供借鉴。     

基于数码照片的植被物候提取多方法比较研究

植被物候能反映植被生长状况及其对气候变化的响应,在景观或更小尺度上自动化观测分析植被物候的演化是对大尺度遥感分析和单株植物人工观测的有效补充。基于物候相机观测网络(PhenoCam)中3种典型植被类型(森林、草地和农作物)站点数据,首先在群落尺度的感兴趣区(region of interesting,ROI)和像素2个尺度上计算植被指数,然后利用多种曲线拟合植被生长轨迹,提取关键物候参数,最后对相机物候参数进行了不确定性分析和卫星遥感物候的比较验证。结果表明:自定义ROI区域可以精确划定植被聚集区域,减少天空、地面等非植被要素的干扰;多方法的生长曲线拟合实验表明双逻辑斯蒂拟合法比较适用于单生长期植被,样条法较适用于多生长期植被;单生长期植被可直接采用多种物候参数提取方法(Klosterman,Gu,TRS,Derivatives)从生长曲线上提取关键物候参数,而多生长期植被可先用样条法拟合生长轨迹,然后采用变化点方法提取关键物候参数;生长曲线拟合与物候参数提取组合方法的不确定性分析发现,Klosterman方法具有较好的鲁棒性,各组合方法模拟实验的均方根误差均小于0.005;相机物候参数与MODIS EVI提取的遥感物候参数对比验证表明,二者在森林、农作物上的物候参数比较一致;像素级返青期参数的探索性分析发现,在像素尺度上能够识别群落内物种及个体间的物候差异,未来经过更深入的不确定性分析后,可尝试作为自动化分析群落尺度生物多样性的方法。     

中国东北植被生长峰值时空变化及可持续性分析

植被生长峰值不仅是典型的物候节点,也是植被最大生长能力的重要指示参数。本文以中国东北地区为研究区域,基于长时序遥感NDVI数据,采用Mann-Kendall检验法探索植被生长峰值的变化趋势,利用Hurst指数对植被生长峰值进行可持续性分析。结果表明:1)我国东北地区植被生长峰值时间点(POP)和最大生长幅度(PEAK)整体上呈现出波动上升的趋势。植被峰值时间点在东部以及北部阔叶林和草原区域表现为延迟趋势;植被最大生长幅度在中部、北部以及西南部表现为增强趋势,在森林区峰值时间点表现为延迟趋势,生长峰值表现为增强趋势;2)东北地区整体上植被返青开始期(SOS)和生长峰值时间主要以延迟为主,峰值幅度有所升高;3)Hurst指数结果表明,东北地区植被PEAK呈持续增强趋势,仅6.38%的区域与过去呈现相反的变化趋势,植被增强区域主要集中在中部地区。东北地区植被生长峰值变化可持续性研究,可以为评价东北地区植被固碳能力和生态系统功能提供参考。     

基于自组织映射的北京主体功能区识别研究

主体功能区的划分对于我国构建高效、协调、可持续发展的国土开发格局具有重要意义。本文利用自然环境(NDVI、坡度等)和人类社会活动(夜间灯光、POI点等)两类数据,构建了12个因子,采用Self-Organizing Map(SOM)神经网络和层次聚类法,对北京城市功能区进行分类,并结合经典功能区分类和Google Earth目视验证进行了主体功能区的划分。结果表明,由于SOM神经网络能够保持输入数据的拓扑关系及非线性的特征,基于SOM神经网络的层次聚类法具有较强的通用性及抗干扰能力,对于多源数据的城市用地分类有较大的应用潜力。同时表明,北京市主体功能区由中心城区向外呈优化开发、重点开发、限制开发的环形分布特征,各区之间呈"点-轴-面"协调发展的空间结构特征。     

并行地图叠加分析中基于数据分解的负载均衡方法研究

地图叠加分析是一种计算密集型算法,并行化计算可以加快算法执行速度。本文研究并行化地图叠加分析中的负载均衡方法。首先针对并行算法中的IO竞争情况,定义了负载均衡指数;然后基于分治法分解空间数据,将并行系统下的地理要素分而治之,将Hilbert空间索引作为集群系统中各节点分配数据的依据,最终实现并行地图叠加分析系统中的数据负载均衡,为地图叠加分析算法中的数据并行策略提供可能性。结果表明,利用空间索引分治的负载均衡方法建立索引速度快,调度系统可以将计算任务明确分配到各计算节点。     

全国农村人均住房面积的空间自相关分析

利用2006年全国各省农村居民人均住房面积统计数据,基于空间自相关方法从空间尺度分析其空间分布特征。首先建立空间邻近网络和邻接矩阵,通过Moran′I自相关指数分析空间关联性,为确定农村人均住房面积的分布存在空间相关性而非随机性,采用蒙特卡罗方法进行多次模拟证明,并利用2011年统计数据进行实际验证。实验分析,2006与2011年农村人均住房面积Moran′I指数分别为0．5566和0．5983,表明空间聚集特点明显,基本可以分为东部发达地区、中部和西部三种聚类,并且两年之间聚集现象有显著变化。     

1992-2010年基于DMSP-OLS图像的环渤海城市群空间格局变化分析

从DMSP-OLS数据提取城市区域的经验阈值法存在固有的缺陷,经验阈值对不同的空间区域不具备通用性,不适用的经验阈值,将导致城区面积提取具有较大误差,可采用统计数据对经验阈值进行修正以降低误差。本文在大时空尺度条件下以少量样本城市的统计数据对经验阈值方法进行了修正;另采用Elvidge二次多项式模型对DMSP-OLS时间序列数据进行了校正。在此基础上选取总斑块数量、景观总面积、平均斑块大小、最大斑块面积比、斑块密度、景观形状指数、总边界长度、平均边界密度和斑块平均回旋半径共9个景观生态学指标,采用FRAGSTATS 3.3软件计算分析了1992-2010年环渤海区域城市发展的空间格局变化特征。结果表明:1992-2010年间,环渤海区域城市化进程持续较快发展,城市建成区总面积增加了2.14倍,平均城市建成区面积增加了76%,提取到的城市斑块平均回旋半径增加了约26.5%,并且城市景观斑块的复杂度明显上升,可检测到的城镇总个数增加了82%。但是,每100km2内孤立的城市景观斑块数却降低了约76%;大城市持续扩张的相对速度慢于中小城市,城市区域边界密度和整体城市分布景观格局破碎度逐渐降低,核心城市与周围卫星城市的景观斑块的联通性逐步增加。     

MySQL集群与MPI的并行空间分析系统设计与实验

 GIS应用正面对空间数据规模日益增加和空间分析算法复杂度逐渐提高的挑战,本文提出一种基于MySQL空间数据库集群与MPI的并行计算库分布式空间分析框架的解决方案。该框架使用MySQL空间数据库集群解决大量空间数据存储与管理问题,利用MySQL Spatial的Replication机制加强空间数据的冗余备份和并发访问控制,同时使用MPI负责分布式计算节点间的通信减少人工控制通信的开发成本。并行框架的任务管理与调度系统采用优先队列式管理,通过Master节点监控集群状态,合理分发计算任务实现负载均衡和容错。最后,以多边形Overlay算法为例,研究其在该并行空间分析系统下的并行策略,采用数据并行的管道流水线作业方式在框架中运行测试,结果表明,该并行框架相比串行算法可以得到可靠的加速比。     

分治法在GIS多边形快速合并算法中的应用及效率提升评价模型

分治法采用分解-解决-合并的问题处理模式,应用于多边形合并算法能规避结点累积效应,与经典的“滚雪球”处理模式相比能有效提升多边形合并算法的计算效率。本文以多边形合并算法为研究对象,首先通过分析基于Vatti算法实现的多边形合并算子的效率相对于多边形顶点数的变化特征,指出合并过程中的结点累积效应是“滚雪球”多边形合并模式的潜在性能瓶颈和隐患。考虑分治法的“分而治之”思想在解决多边形合并问题上的适用性以及在归并排序算法中表现出的高效率,提出分治法的多边形“树状”合并处理模式,实现了面向要素集合或者要素层的多边形快速合并算法,最后给出了面向多边形合并的算法效率提升评价模型。实验结果显示,当仅有400个多边形时,“滚雪球”模式的时间开销约是“树状”合并模式的26倍,当需要合并11 200个多边形时,前者的时间开销约是后者的926倍。因此,基于分治法的多边形树状合并策略是对多边形合并算法以及应用到多边形合并算法的高级空间分析算法进行优化的可行途径。