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)
16、 的差异,选择青藏高原东南部稻城古冰帽区至少暴露年代(minimum exposure ages,指利用宇生核素暴露测年法所估算的在不考虑侵蚀速率影响时的暴露年代)为 500 ka、100ka 、10 ka 的样品进行估算,研究表明，基于原地生宇生核素所估算的侵蚀速率是在某个暴露时间(假设该暴露时间已达到侵蚀平衡状态)内的至大侵蚀速率 ,而不同的暴露时间尺度所估算的结果相差较大,因此在进行区域至大侵蚀速率对比时一定要注意样品的至少暴露年代尺度是否一致。研究可为青藏高原地区地表侵蚀速率的研究提供参考。 根据野外地质地貌调查,查明了川西高原大渡河泸定段、鲜水河炉霍段的阶地序列,并应用 ESR 法测
17、定了河流阶地的形成年代.结果表明: 这些河流阶地序列均形成于更新世以来,由阶地拔河高程及形成年代确定的大渡河泸定段、鲜水河炉霍段更新世以来的平均下切速率分别为 0.38,0.39 mm/a,与杂谷脑河理县段下切速率 0.39 mm/a 一致,也与(U-Th)/He 低温热年代学反映的下切速率一致,这也反映出川西高原更新世以来构造抬升的整体性.这些河流下切速率比由磷灰石裂变径迹数据得出的鲜水河断裂与龙门山断裂所夹的三角区域的隆升速率(2.60.7 mm/a)要小得多。三 队伍建设及人才培养在加强实验室原有教师队伍和引进教师之间的融合、合作的基础上，根据实验室重新确定的“虚拟地理环境系统理论与方法
18、”、“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”4 个方向，对实验室研究人员根据其研究专长，进行了重新优化配置。通过组织和磨合，逐渐形成了 4 支有创新能力、团结合作的研究队伍，且各研究队伍之间相互协作，共同解决一些重要的理论和技术问题。这种既团结合作、又有所专的梯队配置使我们形成了良好的学术氛围。在申请国家支撑项目、国家自然科学基金等主要科研项目中，这一机制为成功项目提供了良好的基础。本年度，实验室引进了国家“千人计划”，国际著名 GIS 专家朱阿兴，在他的带领下，凝练思路、优化学科梯队分布，联合多家高校、研究院所与开发部门，牵头冲击与建设江
19、苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心。同时为了加强地里建模和模拟研究方向，从中国科学院南京地里与湖泊研究所引进学科带头人 1 人，引进博士（博士后）2 人，该团队的引进不仅强化了实验室在大气模拟与建模的科研实力，也带来了高水平的科学研究成果，刘健教授的论文更是刊登于Nature杂志。另外，实验室遵循“送出去、请进来”的队伍建设战略，选派多位教师分别赴加拿大滑铁卢大学、美国新罕布什尔大学（University of Newhampshire） 、美国俄亥俄州立大学（ The Ohio State University）进行学术访问及合作研究。汤国安教授被香港中文大学聘为讲座教授，多次赴港交流。
20、进一步加强对博士研究生和硕士研究生的培养和管理，强化研究生科研能力和学术素养的培养，进一步改善人才培养的软硬件环境。对实验室所有研究生组织统一选题、统一答辩。实验室 2013 年招收硕士研究生 68 人、博士研究生 13 人；毕业硕士研究生 73 人、博士研究生 16 人，培养来自波兰的博士研究生 1 名，尼日尼亚和斯洛文尼亚的硕士研究生3 名；四 学术交流本年度，实验室人员（包括博士和硕士研究生）参加国际 GIS、制图、遥感、地理学等方面的学术会议 51 人次，接受国内外访问学者与学术交流 27 人次；组织实验室教师参加国内测绘、GIS、制图、遥感、虚拟地理环境、地理学等方面的学术会议近 2
21、20 余人次。本年度，实验室成功地主办了 Geomorphometry 2013 国际会议，该会议是国际知名的地形学方面研讨会，参会代表来自 20 多个国家 60 余人，该会议是第二次以本实验室作为主办单位，形成了非常好的国际影响。先后与新罕布什尔大学（University of Newhampshire） 、美国俄亥俄州立大学、奥地利萨尔兹堡大学、美国明尼苏达大学、美国 University of Florida、西班牙马德里大学和萨拉戈萨大学、新西兰奥克兰大学、法国自然历史研究所、德国慕尼黑工业大学、香港中文大学等建立了友好合作关系，双方互访，开展了密切而友好的合作。来自英国 Leeds
22、大学、香港大学、中科院地理所、中科院遥感所、 武汉大学、浙江大学、中科院南京湖泊所、解放军信息工程大学、南京大学、西南交通大学、兰州大学等众机构的专家学者进行了学术访问和讲座。虚拟地理环境教育部重点实验室 2014 年度工作计划一 主要研究内容1研究方向及预期目标2014 年度，实验室继续围经过优化的 4 个新研究方向进行深入研究和攻关：（1）虚拟地理环境系统理论与方法研究 （2）地理环境演化过程与历史重建研究 （3）地理环境动态监测与机理建模研究 （4）地理系统综合模拟与决策分析研究在各方向上的具体目标阿和内容是：（1）虚拟地理环境系统理论与方法研究方向以虚拟地理场景为核心，在地理场景数据模
23、型、数据组织、地理模型建模、协同地理分析等方面取得原创性成果，尤其是在以几何代数理论为支撑发展虚拟地理环境的时空多维数据模型及地理场景分析方法取得更大突破；针对多维、多分辨率、动态地理空间数据的采集、管理、建模、分析、集成和共享等相关理论与关键技术问题，构建面向地理分析的虚拟地理环境系统科学实验平台和面向“数字城市”和“智慧城市”建设的 GIS 共享集成平台，开展虚拟地理环境理论与方法及地理数据挖掘、地理信息共享与应用服务研究。 （2）地理环境演化过程与历史重建研究方向以中国东亚季风区若干全球变化的敏感区域，恢复和重建我国地理环境演变的历史场景，研究不同时空尺度上全球及区域环境变化过程、规律、
24、动力学机制及其效应，揭示东亚季风区海陆气相互作用及人类活动对区域环境变化的影响与机理；探索以钻孔岩心、洞穴石笋、植物年轮、湖泊沉积物、植物孢粉、气候记录等线索，利用实验室已建成的数据采集、分析仪器设备，对地理环境演变过程参数进行高精度获取，构建地理环境演变模型，全面揭示全新世季风气候事件以来，地球环境的突变特征，重建具有较高空间和时间分辨率的历史地理环境。（3）地理环境动态监测与机理建模研究方向利用遥感、遥测等技术，获取地理环境空间格局、变化过程、动力学机制及其效应研究的基础数据，开展星地同步实验，研究能有效协助解决大气环境污染、水环境污染、土壤环境污染和生物环境污染的遥感动态监测的原理、技术
25、与方法；针对地理环境空间格局、变化过程、规律、动力学机制及其效应，开展时空域统计建模及过程与机理建模的理论与方法研究。 （4）地理系统综合模拟与决策分析研究方向以典型流域及圈层相互作用敏感区为突破点，开展从陆地系统到河口海岸系统、从地表系统到地下系统，从区域自然系统到人文社会系统的区域综合集成模拟研究；以人与自然的和谐发展为目标，构建专家知识库、决策分析模型和分析系统；以土壤碳氮循环过程为切入点，研究地表各要素相互作用过程及其与人类活动的关系；针对长江三角洲地区人地关系的复杂系统及其演化过程，建立系统演化的系统动力学模型和空间结构演化模型，为区域的科学发展提供决策支持。2研究方向间联系与协作上
26、述四个方向间存在内在的逻辑联系，其中：地理规律与地理信息机理是基础，虚拟地理环境系统和遥感、遥测是技术平台，地理建模与模拟是手段，从而建立地理学研究由数据获取、建模、模拟和预测研究的理论和方法体系。体现了地理学由部门研究向综合研究发展的最新趋向，体现了理论研究与应用研究的并重，体现了定性研究与定量研究的高层次统一，体现了野外基础工作与信息技术有机结合的基本思路。进一步加强以上 4 个研究方向之间的交流和协调，使不同方向协调发展且形成一个整体。发扬自由民主的学术交流作风，定期举办学术沙龙活动，由学科带头人、学术骨干为主体，进行学术交流和思想碰撞。 二 队伍建设及人才培养计划围绕实验室的主导研究方
27、向，对现有人员的研究方向进行进一步的整合和优化，使大家围绕实验室的 4 个研究方向密切合作，形成 2-3 个稳定、富有创新活力和奉献精神的学术团队，争取获得省级和国家级科研团队。2014 年度，计划引进学科带头人 1-2 名，具有博士学位的骨干教师 1-3 人；积极推荐优秀学科带头人参加国家、省高级人才培养计划的申报；选派学术骨干 2-3 名去国外进修、高访、技术培训和参加国际学术交流。在人才培养上，2014 年度，实验室计划招收硕士研究生 70 人左右，博士研究生 15 人左右，进站博士后 1-2 人；在研究生培养中，坚持理论与实践相结合，采用“产、学、研 ”一体化的培养模式，注重强化研究生
28、创新思维和综合能力的培养；本年度争取获江苏省优秀博士学位论文 1 篇、江苏省优秀硕士学位论文 1-2 篇。三 条件建设计划2014 年实验室条件建设的重点是加强已有大型设备的开放运行和管理，进一步提高设备的使用率。在经费上重点保障人才队伍建设、学术交流以及大型设备的运行和维护。年度建设经费预算如下：项目 费用（万元） 备注实验室运行费 50.0 学术委员会会议、学术交流、日常运行管理，含开放课题费 15 万元仪器设备费 65.0 高精度近距三维激光扫描仪、高清全景数字摄影仪，图形工作站等人才队伍建设费 75.0 学科带头人、学术骨干引进科研启动、学术交流大型设备运行和维护费110.0 大型设备
29、及各实地实验场运行维护费用合计 300.0在科研平台建设方面，一方面，认真进行地理信息资源开发与利用江苏省科技协同中心的申报，力争使本实验室成为江苏高校协同创新中心；申报江苏省产业技术研究院预备研究所，力争成为该研究院的首批专门研究所。力争申报省部共建国家重点实验室培育基地。四 联合、开放设想2014 年度，实验室的联合开放措施如下：（1）加强本实验室与省内外有关实验室、政府部门、职能部门和公司的联系和学术交流。在与中科院地理所资源与环境信息系统国家重点实验室联合成立地理信息科学联合实验室、与武汉大学遥感摄影测量信息工程国家重点实验室、中科院黄土与第四纪地质国家重点实验室、兰州大学干旱农业生态
30、国家重点实验室合作进行科学研究的基础上，进一步加强与上述国家重点实验室的合作，实现优势互补。在实验室有关人员进入中科院与香港中文大学地理信息科学联合实验室的基础上，进一步加强与该实验室的联合。充分利用与南京市公安局联合成立的视频 GIS 技术实验室、与常州市公安局联合成立的警用地理信息技术公安部重点实验室，以及与江苏省基础地理信息中心等单位成立的江苏省地理空间信息技术工程中心等合作共建条件，在地理信息技术关键技术上进行联合攻关，在警用地理信息技术、地理信息的社会化服务等方面取得突破。（2）接受依托单位本身及以外的研究人员自带课题任务（含研究生到实验室从事毕业论文工作） ，利用本实验室全部实验研
31、究条件进行科研工作。（3）设置开放研究基金项目 3-5 项，积极吸纳国内相关研究领域的青年学者来实验室工作。（4）定期向国内外开展与虚拟地理环境、地理科学、地理信息科学相关的理论和方法为主的短期技术培训。（5）实行大型仪器设备、软件的共享和服务，按制订仪器设备开放共享条例，有偿提供设备使用服务或仪器分析技术服务。五 年度目标及考核指标2014 年度，围绕实验室确立的 4 个方向及其研究目标开展理论和技术方法的研究，研究成果在国内外权威刊物上发表 150 篇以上，其中 SCI、EI、ISTP三大检索论文 50 篇以上；出版研究专著 2-3 部；对研究中的重要方法和软件产品，积极申报国家发明专利（3-5 项）和软件著作权（4-5 项） ；申请国家自然科学项目、国家“863”课题、国家科技攻关项目、国家科技支撑计划等项目15 项以上，获得资助项目 8 项以上；拓展与地方政府、企事业单位的合作，积极承担面向国民经济建设主战场的行业信息系统开发，年度实际到帐科研经费超过 1400 万元；组织申报国家级和省部级科技成果奖励。
