虚拟地理环境教育部重点实验室2013年度工作总结.doc
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1、虚拟地理环境教育部重点实验室 2013 年度工作总结2013 年,虚拟地理环境教育部重点实验室处于正常的运行状态,一切按照所制定的各种规章和管理制度进行运转。回顾 2013 年的建设成绩,主要有如下几个方面:一 条件建设实验室在拥有多种先进、高性能的空间信息采集、处理和输出以及遥感数据采集设备的基础上,招标采购了近距三维激光扫描仪(VizScan Pro)、高清晰度全景成像系统(LadyBug5)、高性能计算与存储节点(部署于数科院江苏省大规模复杂系统数值模拟重点实验室)等数据采集、分析设备;采购了车载电磁环境监测系统所需的频谱仪、检波器、控制器、全向天线等关键设备,正在进行系统的整体集成;随
2、着生地图书馆的搬迁,实验室新增与新建办公与车载电磁环境监测系统维护室等办公与实验空间 500 平方米。由此,较大幅度地改善了本实验室在地学空间数据采集、分析的设备条件以及局促的空间条件。本年度在联合共建实验室方面取得重要进展,以本实验室为主体与常州市公安局联合申报的警用地理信息技术重点实验室被遴选为公安部重点实验室,为本实验室的发展创造了良好的条件。二 科学研究及研究进展2013 年,实验室承担国家 973 项目课题 1 项、863 项目课题 1 项、科技支撑计划课题和子课题 2 项、国家社科基金项目 1 项、国家重大科技专项课题 1 项、国家自然科学基金重点项目 3 项、优秀青年基金 1 项
3、、国际合作项目 1 项、面上及青年基金 27 项、省部委科技项目 13 项,申请并新获得国家自然科学基金重点项目 1 项、面上和青年基金项目 5 项;承担面向江苏省地方建设和管理的开发与社会服务项目 36 项;当年实际到帐科研经费达3145 万元。本年度获得国家专利授权 11 项,出版研究专著译著及教材 5 部,发表核心期刊以上研究论文 207 篇, 其中 SCI、EI、ISTP 三大检索论文共 107 篇,其中刘健教授的文章“Divergent global precipitation changes induced by natural versus anthropogenic forci
4、ng”刊登于Nature杂志。汪永进教授所主持的“晚第四纪东亚季风演化历史与驱动机制 ”项目获教育部自然科学一等奖;王桥教授(实验室客座研究教授,本实验室为第二参加单位)主持的“环境空气卫星遥感技术工程化及其应用”项目获得国家测绘科技进步一等奖。根据实验室学术委员会的建议以及实验室发展的实际需求,对实验室原四个研究方向进行了调整,重新确立的四大研究方向为“虚拟地理环境系统理论与方法”、“地理环境演化过程与历史重建”、“地理环境动态监测与机理建模”和“地理系统综合模拟与决策分析”,在此四个方向上开展科学和技术的攻关,在理论和方法上取得了很大的进展,具体情况如下: (1)虚拟地理环境系统理论与方法
5、研究方向针对目前虚拟地理环境平台构建,详细研究了在云计算支持下异质模型描述、封装、运用及在云环境中的透明接入等关键技术,实现了地理空间分析共享开放环境原型系统。在地理数据模型方面,以几何代数多维统一运算为基础, 探讨了多维向量场的多重向量表达与基本运算, 给出了向量场微分的模板卷积计算方法。利用几何积对内外积的统一表达, 建立散度和旋度的统一计算方法并进行算法实现。不仅再现了向量场散度和旋度参数的几何关联性及其微分特性, 更实现了多维统一与坐标无关的计算。该算法比基于梯度的间接求解算法具有更好的对比度与平滑性特征, 且具有较强的抗噪音能力, 从而可为向量场数据分析提供新的思路与方法基础。在多源
6、地理数据三维建模与表达方面,为实现分布式协同地理建模中的合作规划和资源共享,通过分析分布式协同地理建模中任务分解过程,探讨地理建模任务的功能结构、计算复杂性、组织多方性和时空尺度等分解依据,采用层次任务网络(HTN)规划形式化表达地理建模任务,设计了基于顺序任务分解(OTD)的地理建模任务的递归分解算法。以分布式流域水文模型 SWAT 作为试验案例,开发并实现了地理建模任务 HTN 规划器,为分布式协同地理建模环境中的任务分解方法提供了新的思路。在地理数据安全与共享方面,针对 GIS 矢量数据,提出了利用数据点定位的矢量地理数据数字水印算法;针对数字栅格地图数据,提出了一种适应于二值栅格地图版
7、权保护的数字水印算法。针对数字栅格地图特征,运用小波变换工具,结合人类视觉系统特征,提出了一种自适应的数字栅格地图可见水印算法;针对瓦片数据,提出了基于黄金分割的抗拼接的水印模型。针对索引机制的瓦片数据,提出了基于映射机制的水印模型,有效满足了索引机制瓦片数据强鲁棒性水印模型的需求;针对目前水印技术无法达到主动控制用户对正确的地理数据访问权限的问题,提出了面向网络环境的地理数据水印模型;在多级水印方面,提出了一种适应分段水印信息的多级水印嵌入和检测模型。 在地图相关研究方面,基于消息传递接口(message passing interface,MPI),对不同的等高线简化算法并行计算的适宜性进
8、行了比较研究。构建了基于 MPI 的等高线并行计算过程,探讨了并行计算中数据划分与合并、通信方式与计算过程 3 个关键问题。选取 4 种典型的简化算法,利用数据量呈等差分布的等高线数据进行简化并行计算试验。试验表明,算法并行计算效率不会随着节点数增加而持续性提高,尤其是串行算法效率很高的算法;基于 MPI 的非阻塞通信方式相对于阻塞通信方式可以提高并行计算效率;算法约束参数与数据的空间分布特征共同影响算法的并行计算效率。在地理信息应用方面,具体阐述物联网与空间信息技术之间相互交融的关系,提出“物联 GIS“的概念;探讨物联 GIS 的关键技术问题,包括复杂的空间关系和时空数据模型、海量空间数据
9、管理与云计算、面向大众的“人物“ 公共信息共享平台 ;以数字矿山设备管控系统为例说明物联 GIS 的具体应用及其发展前景。(2)地理环境演化过程与历史重建研究方向在水文过程分布式模拟方面:使用目前普遍使用的基于 SWAT(soil and water assessment tool)模型以太湖流域湖西区作为研究区,探索出一套完整的针对平原河网区的分布式建模方案。采用概化、打断的方式将交叉、环状河网处理成单一的枝状河网,采用按河道分流比例跨子流域调水的方式来还原原始河道的传输过程,采用添加“虚拟水库”的方式来模拟人工圩区内外的水量交换。通过对太湖湖西区 20082010 年的月均径流量进行模拟验
10、证,根据模拟值和观测值计算的荣登桥、胡家圩及宜兴 3 个水文站的相关系数 r 和纳什(Nash-Sutcliffe)系数 Ens 分别为 0.94、0.95、0.93 和 0.84、0.80、0.67,说明了这种建模方法在平原河网区具有较好的适用性。在地形演化模拟方面:黄土高原以沟沿线为基准分为正地形和负地形 2 种基本的地貌形态,黄土小流域正负地形演变是黄土高原地貌形态发育的缩影。采用元胞自动机建模方法,对人工降雨条件下室内黄土小流域正负地形的动态演变过程进行建模与模拟。模拟迭代过程逼真地刻画了黄土负地形区向正地形区不断蚕食的动态演化过程,并能反映出非常重要的黄土陷穴现象的发生。模拟结果在数
11、量上和空间分布上得出结论认为元胞自动机建模方法可以用来模拟黄土小流域的正负地形演变,有助于揭示黄土地形演化机制。(3)地理环境动态监测与机理建模研究方向在内陆水体遥感监测方面,基于太湖、巢湖、滇池和三峡水库水体组分生物光学特性,根据辐射传输模型和神经网络优化算法建立悬浮颗粒物和叶绿素浓度优化生物光学反演模型利用野外实测数据对优化生物光学算法进行检验,结果表明,该优化生物光学反演模型在一定程度上可以减少测量噪音对反演精度的影响反演结果表明,受悬浮颗粒物和叶绿素生物光学特性时空差异影响,该优化生物光学反演模型在太湖、巢湖、滇池和山峡反演精度具有一定的差异,但总体上能够较为准确地反演悬浮颗粒物和叶绿
12、素浓度 其中悬浮颗粒物反演精度( 平均绝对误差 : MAPE,均方根误差: MSE) 分别能够达到 23%和 13mg /L( 样本数 N = 228) ,叶绿素反演精度 ( MAPE 和 MSE) 分别能够达到 26%和17 68g /L( 样本数 N = 228) 在大气反演方面,提出一个新的城市空气污染监测光谱指数:归一化雾霾差异指数(normalized difference haze index ,NDHI) ,通过对 2008-2009 年南京、扬州、苏州 PM10对相关性系数的分析,证明了本指数的可靠性。利用 2005-2008 年 Aura OMI 数据监测中国二氧化硫浓度变化
13、,实验表明:二氧化硫浓度空间分布不均衡,在中国东部中心区域浓度最高;全国 31 个省/市/自治区在中国大陆之中的 23 个省 /市/ 自治区二氧化硫浓度仍然呈上升趋势。在水体治理方面,总悬浮物浓度是水质评价的重要参数之一,传统的遥感反演估算模型忽视了光学性质多变、复杂的二类水体的差异性。研究基于太湖、巢湖的星地同步实验,针对环境 1 号卫星多光谱数据,设立了水体光学分类方法,将研究水体分为二种类型,进而建立了适用于不同类型水体总悬浮物浓度的反演估算模型。结果表明基于光谱分类的方法可以提高总悬浮物浓度的反演估算精度;对于类型一和类型二水体,分别使用指数模型和线性模型可以较好地反映总悬浮物浓度与反
14、演估算因子之间的关系。(4)地理系统综合模拟与决策分析研究方向在扩散模型建模研究方面:采用数值和理论相结合的方法,通过水藻扩散模型定量研究了沉降、扩散、生长、死亡、水深等因素对水藻生长状态的影响,提出初步判断水藻生长状态的判别标准.分别研究了考虑光照条件下、营养盐限制条件下以及垂向扩散系数非均匀条件下,对于水藻生长状态以及水藻暴发判别标准的影响,结果发现光照引起的“遮蔽效应“, 营养盐的“通量限制 “都会促使水藻由暴发或衰减状态向平衡状态发展.垂向扩散系数的分布形态对水藻生长状态影响大小受 l/H(真光层深度和水深比)的影响,只有当水深较大时,即 l/H 较小时,应考虑垂直扩散系数垂向分布不均
15、的影响.因此对于水深较小的宽浅湖泊,垂直扩散系数的形态变化对水藻生长状态的影响不明显。 在 DEM 尺度方面:通过对不同性质的并行算法的对比分析,提出空间数据粒度模型,量化地反映并行地形分析中数据划分的规模,建立并行数据粒度评价模型。通过研究集群环境下不同算法的数据并行数据粒度问题,提出基于并行数据粒度评价模型的优化数据粒度调度算法。通过计算每一次并行计算的时间与数据粒度效率,从而实现对计算数据粒度动态更新以追求更高的加速比。在侵蚀速率计算方面:为了探讨不同暴露时间对利用原地生宇生核素估算地表基岩至大侵蚀速率(maximum erosion rates,指假设样品达到侵蚀平衡状态下的侵蚀速率)
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- 虚拟 地理环境 教育部 重点实验室 2013 年度 工作总结
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