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。

在阐述地形信息表达研究进展的基础上,提出基于DEM地形单元多样性指数的概念和算法。地形单元多样性指数综合了高程、坡度、坡位、坡向、汇流量和水域信息等要素。其算法集成地形位置指数和地形湿度指数算法,采用图层叠加分析,设定分类、分级指标,进行重分类组合,划分地形单元类型,利用窗口分析法计算地形单元多样性指数。以四川省为试验区,利用精度为100 m的DEM数据和水域分布数据进行模拟计算,地形单元划分为13种典型类型,统计窗口半径设为900 m,计算出的多样性指数值小于0.5的区域仅占总面积的11%,大于0.75的区域达57%,符合实验区地形特征,并对算法进行了可行性分析和验证。结果表明,该算法提取的地形单元多样性指数可以有效反映地表形态的多样性特征及其变化。该研究结果为进一步探讨基于DEM地表形态信息的概念体系,以及从微观到宏观的地形信息空间分析研究创造了条件。

大量事实表明,每发生一种重大灾害总会诱发一系列次生灾害,形成破坏力远超单一灾种的灾害链现象。要有效防范灾害链风险,理清其形成过程、构建其评估模型是前提。在梳理国内外链式风险评估概念模型的基础上,结合“5·12”汶川特大地震灾害链案例,初步提出灾害链风险评估的概念模型。①孕灾环境敏感性是致灾因子链发的重要影响因素,决定灾害链风险的链发概率,确定影响孕灾环境敏感性的因素及定量关系是评估关键;②灾害链中承灾体重复受灾导致脆弱性增大,脆弱性变化评估的引入将提高灾害链风险评估结果的精度。本文旨在为完善区域灾害系统理论,进一步推动灾害链风险防范提供依据。

重建长时间序列的历史时期土地利用数据对研究土地利用的时空变化及其产生的气候和生态效应至关重要。相关学者就定量重建中国历史土地利用信息进行了探索, 但重建结果通常是以行政区划为单位的统计性数据, 缺乏地理空间属性信息, 从而限制了其在气候和生态模型中的应用, 因此有必要探讨如何利用有限的历史资料来重建较高分辨率的具有空间属性信息的历史数据。本文针对诸如HYDE、SAGE等具有明确地理空间属性信息的历史土地利用数据集, 从方法的角度对中国历史土地利用空间化数据进行了综合评述, 以期寻求更加合理有效的方法重建具有空间属性的中国历史土地利用数据, 为未来更好地模拟土地利用变化的气候和生态效应提供数据支持。本文论述了不同资料在历史重建中的关系和作用;强调了人口数据在数量重建和空间分配中的双重作用及其局限性;重点分析了空间分配过程的假设条件和不同方法的历史重建对当代土地利用空间格局的依赖程度。本文认为, 需要加强林地空间化数据的重建以服务历史时期的陆地碳循环研究;在未来的研究中, 建议以典型年份控制的方法处理难以量化的社会经济因素对历史土地利用格局的影响;建议进行分区重建, 加强区域集成研究。

空间尺度问题是地理学、生态学和水文学等多个学科的基础科学问题之一。空间数据尺度转换是将数据从一个空间尺度转换到另一个空间尺度的过程, 它是尺度科学研究的重要内容之一。对尺度转换后的成果数据深入分析, 提炼尺度转换成果数据精度评价的原则、指标以及模型方法, 这对正确选择和应用尺度转换成果数据具有重要意义。在详细评述尺度和尺度转换研究概念、内容和主要进展的基础上, 本文主要从数据处理、地图学角度出发, 提出了空间数据尺度转换精度评价的3 项基本准则, 即保持构成信息守恒、保持面积信息守恒、保持区域空间格局和形态信息守恒。继而据此将当前常见的指标进行了梳理和归并;根据上述准则和指标, 结合GIS 方法、常规统计方法、地统计方法等, 给出了上述评价指标的计算模型及其应用方法和典型案例。最后指出, 在实际应用中需结合研究目标, 针对性选择尺度转换效应函数, 通过开展模型模拟和对比分析, 最终确定合适的尺度转换方法。

现代物流业作为中部地区的支柱产业, 对其经济发展起带动作用, 物流网络的科学构建则关系到经济空间格局的走向。通过建立物流网络指标评价体系, 分析得到各研究单元的物流综合实力评价指数, 确定不同等级的轴心城市, 根据加权平均旅行时间测度节点到物流中心的时间成本, 选用潜力模型划分轴心城市辐射范围, 构建了中部地区“轴—辐”物流网络体系。研究发现:中部地区已经形成以武汉为一级轴心城市, 长沙、合肥、郑州、南昌、太原为二级轴心城市, 芜湖等19 个地级市为三级轴心城市, 其他地级市(州)和县级城市为边缘物流城市的物流网络。从物流网络的影响范围来看, 各省辐射范围基本与行政界线相吻合, 区域内节点与轴心之间联系紧密;从分区域来看, 物流网络存在着发展不平衡、区域联系不紧密等问题。

以1996、2004、2010 年为时间断面, 加权平均旅行时间为指标, 探讨安徽省公路网络中节点城镇可达性空间格局及其演化规律。结果表明:1996-2010 年, 安徽省公路网络可达性总体空间格局变动不大, 其值大体以合肥地区为中心向外围呈不规则环状递增, 且空间分布具有一定的交通干道指向性。公路网络完善极大地提高了区域内节点城镇可达性, 其中第一阶段(1996-2004 年)可达性值提升较第二阶段(2004-2010 年)更为显著;可达性变化幅度与初值有关, 第一阶段可达性值变化率空间格局由“徐合高速—合芜宣高速”沿线地区和沿江地区组成的“T型”区域向周围递减, 第二阶段呈现出沿新建高速公路地区向四周递减的多极空间格局;不同地区可达性受益迥异, 江南地区可达性受益最为显著, 其次是淮北、江淮地区;随着路网的不断完善, 可达性水平由中心向外围呈圈层式优化, 可达性等值线趋于均匀、平滑, 中心城市可达性差异逐渐缩小, 可达性分布趋于均衡。

精确评价医疗设施可达性的空间分异样状况是合理配置医疗资源的前提。本文在回顾国内外关于医疗空间可达性研究的基础上, 采用两步移动搜索法, 以江苏省贫困县——东海县为案例, 以行政村和医院为分析单元, 基于迪卡斯特拉算法计算出各村到医院(卫生院)的最短通行时间, 进而分析各村医疗空间可达性分异情况。采用不用服务时间阈值范围进行空间敏感性分析, 综合研判缺医地区分布特点。与传统的医卫人员和人口比值的方法相比, 两步移动搜索法能有效显示县域范围内医疗可达性的空间分异情况。采用较大的时间阈值, 医疗空间可达性分异较为平滑, 采用较小服务阈值则空间分异显著, 缺医范围也较大。东海县医疗空间可达性整体呈单核结构, 并沿主要交通线延伸, 缺医地区多分布于边缘乡镇。提高边缘乡镇的行政村的甲级卫生院等级和乡村道路等级将会改善边缘乡镇的就医可达性。

城市小汽车拥有及使用决策研究作为城市交通规划、交通投资及政策制定的基础, 成为学术界关注的焦点。本文以城市小汽车拥有及使用决策为主题, 从理论基础、实证研究和模型方法等方面解析了国外相关研究的发展脉络和主要论点, 总结现有研究的基本范畴和理论范式。在此基础上, 系统回顾国内研究的重点内容。国内外小汽车拥有及使用决策的研究都经历了由宏观到微观的转变;国外研究集中于基础理论、特征及影响因素、模型研究等方面;国内研究从早期单纯关注小汽车快速发展对城市带来的影响及对策研究到开始关注小汽车交通与城市环境的相互作用机制研究。最后, 在分析现有研究不足的基础上, 对研究趋向进行了展望, 以期为今后的小汽车拥有及使用决策研究提供分析架构。

在市镇形态理论、生物基因理论等理论方法的启发下, 我国学者在传统聚落的研究实践中提出了“传统聚落景观基因理论”。本文通过整理和分析近年来景观基因理论探索与应用的研究文献, 分析以下基本问题:① 景观基因的基本概念与产生的理论背景;②从景观基因的识别方法、传统聚落景观区划与群系研究、景观基因理论的应用与完善、GIS技术在景观基因信息图谱建立中的探索等方面论述了景观基因理论与应用的研究现状;③ 系统整理了景观基因理论的基本框架并分析了其理论研究方法的基本特点。本研究对传统聚落景观基因理论的完善和深入发展, 具有一定的理论意义和方法论意义。最后, 展望了今后景观基因理论研究需要解决的基本问题。

时间序列聚类可以根据相似性将对象集分为不同的组, 从而反映出同组对象的相似性特征和不同组对象之间的差异特征。当序列维度较高时, 传统的时间序列聚类方法容易受噪声影响, 难以定义合适的相似性度量, 聚类结果往往意义不明确。当数据有缺失或不等长时, 聚类方法也难以实施。基于上述问题, 一些学者提出了基于特征的时间序列聚类方法, 不仅可以解决上述问题, 还可以发现序列本质特征的相似性。本文根据时间序列的不同特征, 综述了基于特征的时间序列聚类方法的研究进展, 并进行了分析和评述;最后对未来研究进行了展望。

我国多数地区经过两次土壤普查以及科研工作者的野外调查, 积累了一定数量的土壤样点“( 已有样点”)。本文在充分整合已有样点的基础上, 提出了逐次、高效地设计补充样点的方案, 它包括3 个步骤:首先, 确定已有样点集的空间代表范围“( 可推测范围”);然后, 将已有样点集不能代表范围内的每一个栅格都看作一个候选样点, 计算每一个候选样点的可扩推范围, 选择可扩推范围最大的点作为第一个补充样点;最后, 基于已有样点和补充样点更新样点集的空间代表范围图。重复以上过程, 直至新样点集的空间代表范围能够覆盖整个研究区。该方法在充分利用已有样点资源的基础上, 不仅能够确定补充样点的数量、位置, 而且能够给定补充样点的重要性次序, 在采样资源有限的情况下, 为采样者合理地选择样点提供了重要依据。

基于数字高程模型(DEM)计算得到的坡度、坡向等地形属性是滑坡危险性评价模型的重要输入数据, DEM误差会导致地形属性计算结果不确定性, 进而影响滑坡危险性评价模型的结果。本文选择基于专家知识的滑坡危险性评价模型和逻辑斯第回归模型, 采用蒙特卡洛模拟方法, 研究DEM误差所导致的滑坡危险性评价模型结果不确定性。研究区位于长江中上游的重庆开县, 采用5 m分辨率的DEM, 以序贯高斯模拟方法模拟了不同大小(误差标准差为1 m、7.5 m、15 m)和空间自相关性(变程为0 m、30 m、60 m、120 m)的12 类DEM误差场参与滑坡危险性评价。每次模拟包括100 个实现, 通过对每次模拟分别计算滑坡危险性评价结果的标准差图层和分类一致性百分比图层, 用以评价结果不确定性。评价结果表明, 在不同的DEM精度下, 两个滑坡危险性评价模型所得结果的总体不确定性随空间自相关程度的变化趋势并不相同。当DEM空间自相关性程度不同时, 基于专家知识的滑坡危险性评价模型的评价结果总体不确定随着DEM误差增加而呈现不同的变化趋势, 而逻辑斯第回归模型的评价结果总体不确定性随着DEM误差大小增加而单调增加。从评价结果总体不确定性角度而言, 总体上逻辑斯第回归模型比基于专家知识的滑坡危险性评价模型更加依赖于DEM数据质量。

地形起伏是对日照形成遮挡的重要因素之一。随着太阳的运行, 相同的地形起伏在不同方位对日照的影响不同。基于此思想, 讨论了基于方向异性的地形起伏度的地理日照时数的计算, 并以全国634 个气象台站为对象, 推导了关于地形起伏度的地理日照经验模型。结果表明, 模型具有很好的拟合精度, 回归系数R²为0.841。由经验模型计算得到的全国地理日照时数与理论模型计算得到的日照时数, 两者相关系数为0.953。此模型只需地形起伏度便可计算地理日照时数, 参数简单易获取。气象站点坐标固定, 一定范围内地形起伏度也是一个定值, 地形起伏度可以作为站点计算地理日照的固定参数, 推广也较方便。

碳排放定量评价是碳减排政策制定的依据。家庭作为产品和服务消费的主体, 其能源需求及碳排放问题正日益引起国际社会和科学界的关注与研究。本文在界定家庭碳排放及其构成等相关概念的基础上, 梳理了国际上家庭碳排放的主要计算方法, 对比分析了各种主要计算方法的优缺点, 并构建了符合中国家庭碳排放构成及特点的评价指标体系及计算方法, 这对家庭碳排放的相关研究具有重要的现实意义。