1、虚拟地理环境教育部重点实验室 2012 年度工作总结2012 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 2012 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，招标采购了地球物理勘探设备、短距三维激光扫描仪等数据采集、分析设备，使本实验室在地学空间数据采集、分析的设备方面达到了国内先进水平。二 科学研究及研究进展2012 年，实验室承担国家 863 项目课题 1 项、国家重大专项课题 1 项、国家重大社科基金项目 1 项、国家自然科学基金重点项目 3
2、项、面上及青年基金 26 项。2012 年获得新增立项项目有国家科技支撑计划课题和子课题各 1 项、国家自然科学基金重点项目 1 项、优秀青年基金 1 项、国际合作项目 1 项、面上项目 10 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 55 项。当年实际到帐经费达 2153 万元。获测绘科技进步奖二等奖 1 项；获国家发明专利授权 18 项、公开 9 项，软件著作权 10 项，出版研究专著译著 3部，发表核心期刊以上研究论文共 148 篇，其中 SCI、EI、ISTP 三大检索论文共 69 篇。 针对研究方向，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：（
3、1）虚拟地理环境系统研究方向针对目前虚拟地理环境平台构建，详细讨论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，针对现有矢量时空数据建模时空分离所导致的时空表达不一致、不统一的问题，运用几何代数理论和统一时空观，对时间、空间与属性进行一体化的表达与建模, 提出了基于几何代数的矢量时空数据表达与建模方法，发展了 GIS 多维统一计算的几何代数方法、建立了边界约束的非相交球树实体对象多维统一索引，提出了顾及邻域结构的局部保形插值算法、多维向量场辐散辐合结构特征自适应匹配方法。开发了基于几何代数的三维社区分析系统
4、、基于 GA 的场数据组织分析系统。在多源地理数据三维建模与表达方面，借助 HalfEdge 数据结构，基于研究区域边界、DEM（digital element model，数字高程模型）和钻井数据，构建了研究区域地层三维模型；基于声纳测腔数据构建了盐腔三维模型；将地层三维模型与盐腔三维模型进行三维空间布尔运算，获取盐腔围岩三维模型；通过对该模型进行三维空间网格离散，得到盐腔围岩四面体网格单元，即数值模拟计算模型。提出了多几何特征约束的单幅图像相机自标定方法，提出了一种基于颜色和形状神经网络的视觉可量测实景影像交通标志自动检测算法，提出了包含圆形的单幅图像距离量测；分析地理参考下未标定图像序列
5、的三维点云精度；并且研究了基于视频的地理场景增强表达方法，实现了基于共形几何代数的三维地理场景建模与表达。在地理数据安全与共享方面，针对 GIS 矢量数据，提出了分别基于误差随机干扰、基于要素几何精度弱化、基于插值预测的线面类型、基于夹角变换的线面类型、基于冗余位替换的点类型等的 GIS 矢量数据伪装与还原方法；提出了一种基于混沌映射的线面图层易碎水印技术；针对视频数据，提出了利用小波变换的视频数据数字水印算法；针对遥感图像数据，提出了一种面向版权保护服务的遥感影像数字水印方法；设计并实现了基于 ArcGIS Engine 的矢量地理数据数字水印系统。在地址数据组织与管理方面，基于 VGI 的
6、地名信息获取方法，设计基于Neogeography 模式的中文地名词典服务系统架构，讨论地名词典服务的协议标准，实现服务端和客户端的基本功能，提出地名评估校验的基本策略。提出基于层次空间参考模型的城市地址编码方法、基于网络爬虫的地名数据库维护方法、空间关系词汇与地理实体要素类型的语义约束关系构建方法；提出一种基于 XML Schema 的多源异构地名词典集成方法，实现了中文文本中地理空间关系描述的结构化表达，为有效地解决当前相关标准和标准数据匮乏的问题。在地图相关研究方面，从地图数据的组织与传输机制、可视化技术、在线地图服务以及导航各行业拓展应用等方面，总结了我国近期移动与互联网地图的研究进展
7、，点评了目前发展中存在的若干问题。从地图综合方法的效率等方面入手，研究了点群选取与化简算法时间复杂度，优化了线光滑算法，提高了算法的效率，从算法的并行角度出发，提出了面向 D-TIN 并行构建的动态条带数据划分方法、基于 OpenMP 的 Li-Openshaw 算法并行计算方法，提高线要素化简算法在效率；在地图认知与设计方法，以自然语言路径描述为切入点，研究了地图空间认知问题，详细描述了基于自然语言的地图认知过程；实现了一种儿童手机地图原型系统。在家谱 GIS 方面，在深入分析家谱资源的基础上，结合家谱资源典型的时空特性和分布式特性，提出采用 GIS 技术对中国家谱资源进行整合集成，构建中华
8、家谱总数据库和总平台，在此基础上，设计硃卷履历文本条目数据模型和时空数据模型，然后利用家谱 GIS 平台对硃卷履历文本条目进行拆分和解析。在地理信息应用方面，提出了动态随机最短路径算法、顾及地形起伏的步行最优路径分析算法，研究了洛阳地区史前聚落遗址空间形态，实现了田野考古平剖面数据整合过程。提出了一种新的基于 REST 和 RIA 的 WebGIS 的框架。开发了案件分析系统、水环境监测点位申报管理平台系统设计软件、水环境监测业务模式集成平台建设软件、空间统计与播值分析系统、省域主体功能规划信息系统。（2）地理环境重建研究方向在深入剖析 26Al/10Be 埋藏测年法（宇生核素埋藏测年法）的基
9、本原理的基础上，分析其误差来源主要包括：仪器测量引起的计数统计误差和相关物理常数引起的系统误差，宇生核素埋藏测年法理化基础坚实，独立于其他测年技术应用范围正值我国年代研究的“盲段”，样品为广泛分布的石英矿物，应可为我国早更新世人类遗址年代系列的建立作出重要贡献，稻城冰帽库照日冰碛垄数据验证了宇生核素 10Be 年代测定方法的可靠性。此测年方法在中国、法国旧石器时代早期的初步应用，运用宇生核素埋藏测年法对稻城古冰帽的发育年代和变化过程提供年代数据支撑。通过与宇生核素埋藏测年法等分析结果的对比：冰碛物样品埋藏前释光信号的部分晒退以及样品提取的石英不纯，可能导致冰碛物光释光测年的较大误差和不准确性。
10、利用铀系测年，结合基于狮子洞堆积与布兵盆地第级阶地同时、附属盆地与主盆地同步发育的认识，这两个盆地第级阶地应在66517间形成，本研究对系统研究百色盆地地貌和旧石器文化演化具重要性。利用自旋共振( ESR) 测年方法，根据扬中段的 20 个地质钻孔资料恢复古河谷地质剖面图，然后根据古河谷沉积物岩性、沉积结构、沉积物粒度特征、磁化率的分析划分地层层序 利用 14C 与电子自旋共振 ( ESR) 测年方法测定地层的形成年代，建立了 5 万年以来的地层年代序列。利用 X 衍射法，分析了苏北平原浅钻剖面（ YZ1）的粘土矿物类型和含量，指出了研究区的古气候环境演变主要经历 3 个阶段，13 770 1
11、1 600 cal a B.P.期间的低温冷干阶段；11 6009 610cal a B.P.期间的逐步升温阶段；9 6101 520 cal a B.P.期间的全新世暖湿阶段，在这 3 个大的阶段背景条件下也存在一些次级波动。在流域流量分析方面：根据收集的多个地质钻孔资料恢复出长江南京段 3 个古河槽横断面，对古深槽沉积物样品进行 14C 与 ESR 年代测定以及沉积相的分析，判定50 90m 的古深槽形成于末次冰期最盛期。以叶尔羌河流域的卡群站 1957 2004 年径流量的年序列资料为基础，通过累积距平探讨了径流的多年变化趋势，运用 MannKendall 突变检验法分析了径流的突变特征
12、，采用小波分析方法，进一步识别了叶尔羌河径流的周期演变特征。结果表明: 1) 叶尔羌河多年径流量呈现出略微增加的趋势，并有一定的阶段性; 2) 叶尔羌河径流量在统计上无明显的突变出现; 3) 叶尔羌河多年净流量存在 4 类尺度周期变化规律，2 年左右、46 年、1113 年、17 19 年; 主周期为 2 年、5 年、13年和 18 年，其中 5 年的周期最为显著。在气候演化方面，通过测定亚热带季风区的树木的年轮，讨论了其与气候的关系。为了了解温暖湿润的亚热带季风区马尾松树轮 13C 对气候响应的敏感性，选取了南京紫金山的两个马尾松树盘，建立了 1939-2002 和 19552002 年两个
13、树轮 13C 变化序列。结果表明：（）马尾松树轮 13C 对于气候的响应是敏感的，可以作为气候变化的代用指标；（）坡向对于马尾松树轮 13C 对气候的响应敏感性也有一定的影响，树轮 13C 平均值西南坡比东南坡高，西南坡比东南坡对月平均最低和最高温度的响应更敏感；（）紫金山马尾松树轮 13C 与该地区生长季（尤其是夏、秋季）的月平均气温、月平均最高气温和日照时数呈正相关，而与月平均最低气温、降水量、空气相对湿度呈负相关。对采自中国东部亚热带地区的浙江天目山、江西庐山及江苏南京紫金山地区的金钱松（Pseudolarix kaempferi）、冷杉（ Abiesfab ricraib）及马尾松（P
14、inus massoniana）树轮，分别测定它们不同方位 10 a、20 a 及 3 a 树轮 13C 序列，探讨不同树种树轮 13C 存在的方位差异与年际变化普遍性。结果表明，在中国东部亚热带地区，树轮 13C 方位差异与年际变化存在普遍性。探讨了了北半球 72 ka BP 气候突变事件及其与 Toba 火山的关系。（3）地理建模研究方向利用 2010 年 1 月-2011 年 12 月收集南京地区各月的沉降样品，经实验室化学实验处理和 谱仪测量，计算 Be 沉降通量，并分析 Be 大气沉降的季节性变化趋势。结果表明：南京地区平均 Be 沉降量为 1621.78 Bq/(m2.a)，沉降通
15、量为 0.6614.49 Bq/(m2.d)，平均沉降通量为 4.44 Bq/(m2.d； Be 沉降通量的季节变化呈现双峰型趋势，冬末春初和夏季是两个高值区； Be 沉降的 值冬春季较大，夏季最低；降雨量大小与沉降量存在明显的正相关。利用 137CS 测年结果表明，沉积柱芯中 137CS 1964 年时标不明显，不存在 1975 年、1986 年时标；利用 241AM 及 210Pb 辅助计年，确定质量深度 6.37gcm-2 处为1964 年，至表层的平均沉积速率为 0.135gcm-2a-1。利用 210PbexCRS 模式计算出每个样品深度所对应的年代，与历史资料较吻合。 210Pbe
16、xCRS 计年结果显示，自 1859 年以来上级湖的沉积速率不稳定，以二级坝建成使用的 1960 年为界，划分为建坝前平均沉积速率低及建坝后沉积速率上升两个大的时段。上级湖沉积速率的变化与流域旱、涝变化及人类活动有关。在 DEM 尺度方面：提出了以 changed ROC-LV 方法结果作为黄土高原 DEM 坡度分割过程中最优尺度选取依据，实验结果表明不同地貌单元的最优尺度也不同。在地形因子提取方面：提出了一种新的基于三维 Lacunarity 模型定量化描述地形表面空间结构特征，改进了传统分类结果中不同的地貌类型可能拥有相似的值的问题。提出了利用多方位 DEM地形晕渲、坡度等多元指标，以主成
17、分分析消除多重共线性和约减维数，并以 Logistic 回归模型提取黄土高原正、负地形的方法。采用 BP 神经网络方法，分析黄土高原地区的侵蚀产沙与影响因子的关系特征，实验证明了个因子对侵蚀产沙影响的显著性由高到低依次为：岩土抗蚀性蚕食度沟谷密度年均降雨量NDVI 指数粉砂黏土含量。提出了基于 DEM 的节点二阶差分坡度算法模型，显著提高坡度的精度，适合于高分辨率DEM。设计并实现了基于高精度 DEM 的沟谷节点提取算法模型和等级标定方法。分析了基于 DEM 的平缓地区水系提取和流域分割的流向算法，对比分析表明添加数字化河道信息后的单流向算法( Agree&D8 算法)提取得到的水系更逼近于实
18、际河网，既有效提高了水系提取和流域分割的精度，又保留了 D8 算法模型简单、稳定性强、运行效率高等优点。采用以光线追踪算法为核心的栅格计算模型，对南京老城区的地表开阔度进行了计算，研究了南京老城区地表开阔度。在 DEM 内插方法方面：利用 AMMI 模型研究了 DEM 内插方法与地貌环境对内插精度的交互作用，实验证明不同的内插方法对不同的地貌类型区的适用性存在差异。在 DEM 误差方面：提出了 DEM 点位地形信息量化模型 , 为认识DEM 地形信息特征提供了一个新的切入点，同时为多尺度数字地形建模提供理论依据与方法支持。提出一种基于随机过程的格网 DEM 精度场模型。该模型从随机过程理论入手
19、，借助 DEM 的统一插值模型，建立 DEM 两类误差（噪声误差和逼近误差）的统一误差模型。，探讨一种基于格网 DEM 数据的复合地形复杂度指标( Compound Terrain Complexity Index， CTCI) 的建模方法，通过数据独立的误差分析方法，定量分析流径提取算法模型产生的误差。定量分析格网 DEM 上径流长度计算误差。在并行计算方面：初步探讨了 DEM与地形分析的并行计算相关的理论、技术与方法。（4）地理环境遥感动态监测研究方向针对内陆水体遥感监测方面，以太湖、巢湖等水体春气、夏季、秋季多期野外实测数据为分析数据源源，利用 NIR/RED 波段 MERIS 及其分类
20、方法评估了浑浊内陆水体的叶绿素 a 浓度，研究了太湖春季水体固有光学特性及其对遥感反射率变化的影响、散射光谱特性及其与生物地球化学参数的宴席、总悬浮物浓度半分析反演模型构建及其适用性评价、基于光学闭合原理的太湖水体颗粒物后向散射特性模拟，并将该模型应用于 MERIS 和环境一号卫星高光谱卫星影像上以验证该方法的适用性。基于水动力学分析了水体组分垂直结构对遥感信号的影响。根据浑浊水体中悬浮物的光学性质，提出使用线性基线校正方法来削弱水体光谱中的悬浮泥沙贡献。分析了太湖水体中藻蓝蛋白提取的影响因素，着重分析了实验条件对太湖水体中藻蓝蛋白提取结果的影响。利用光谱吸收系数和荧光光谱法两种基本方法分析了
21、了水体中有色可溶性有机物（CDOM）的测量及其变化。开发了水色遥感地面实测数据处理系统、温湿度监控平台、基于无线传感器网络温湿度采集系统、水色遥感模型管理系统。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，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
22、的 23 个省/ 市/自治区二氧化硫浓度仍然呈上升趋势。在遥感影像解译方面，提出了多进制小波变换的图像分辨率定量降低方的不均衡的法、提出了遥感影像中直线的提取方法。以江苏盐城海岸为研究区，以 2006 年、2008 年、2009 年三景空间分辨率为 10m 的卫星影像为数据源，研究影像上提取海岸线、平均高潮线和平均低潮线的方法，以此分析港口围海造田等受人类活动影响岸段的演变特征。在水体治理方面，实验并分析了 Fenton 试剂对富营养化湖水黑臭的氧化降解作用。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，根据实验室的规划研究方向，形成了 4 支有创新能力、团
23、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，实验室利用国家“千人计划”，计划引入国际著名 GIS 专家 1-2 人，同时为了加强地理建模和模拟研究方向，正在着手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，并根据地理科学学院研究人员的情况，吸收多名教师进入实验室研究团队，进一步充实相应的研究方向。另外，实验室遵循“送出去、请进来”的队伍建设战略，选派 2 位教师分别赴
24、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。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 2012 年招收硕士研究生 66 人、博士研究生 14 人；毕业硕士研究生 75 人、博士研究生 7 人，另外本年度招收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 G
25、IS、制图、遥感等方面的学术会议 87 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、虚拟地理环境等方面的学术会议 230 余人次。本年度成功地主办了第六届遥感与地理信息系统学会代表大会以及青年教师发展论坛等会议。吸收了 2 名来自意大利的青年学者到本实验室从事博士后研究。本年度，实验室成功地主办了第 5 届全国地理信息科学博士研究生论坛，在香港中文大学协办了 Geoinformatics 2012 和第 7 届虚拟地理环境国际学术研讨会。先后与新罕布什尔大学、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 Universit
26、y of Florida、新西兰奥克兰大学、法国自然历史研究所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。来自慕尼黑工业大学建筑测量学院地图制图系、香港浸会大学、香港理工大学、国立台湾大学、台湾东南科技大学、中科院地理所、中国测绘研究院、武汉大学、浙江大学、中山大学、中科院湖泊所、北京大学、兰州大学、北京师范大学等众多高校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 2013 年度工作计划一 主要研究内容1研究方向及预期目标2013 年度，实验室继续围绕已确定的 4 个研究方向进行深入研究和攻关：（1）虚拟地理环境系统研究（2）地理环境重建研究（3）地理建模研究（4
27、）地理环境遥感动态监测研究在各方向上的具体目标是：（1）虚拟地理环境系统研究方向在虚拟地理环境系统的数据模型、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空间分析方法取得更大的突破。 （2）地理环境重建研究方向继续探索以钻孔岩心、洞穴石笋、植物年轮、湖泊沉积物、植物孢粉等线索，利用实验室已建成的数据采集、分析仪器设备，对地球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）地理建模研究方向针对长江三角洲地区人
28、地关系的复杂系统，建立生态结构演化的系统的力学模型；研究区域空间结构演化过程，构建相应的空间结构演化模型，解决区域空间结构模型与中心地学说之间的逻辑联系，建立相关演化模型，发展空间结构演变的模拟模型，在区域地理学理论上有所创新和突破；发展长江中下游平原区高精度 DEM 构建及 DEM 分析方法。（4）地理环境遥感动态监测研究方向以太湖、巢湖、滇池以及长江三峡水库区为样区，研究陆地水体污染的遥感监测机理，发展水体多种污染物遥感反演模型，为国家环境卫星实时监测大型水体质量提供可运行的分析模型；针对大气污染的遥感监测，发展气溶胶、PM10、 PM5 等的遥感反演模型；发展高分辨率和高光谱遥感图像的信
29、息提取、图像匹配方法，解决利用高分辨率遥感影像进行地理空间要素快速更新的难题。2研究方向间联系与协作上述 4 个研究方向之间存在着内在的逻辑联系，其中地理环境重建是基础，虚拟地理环境系统和遥感是技术平台，地理建模是手段，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，以及体现了野外基础工作与信息技术的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。二 队伍建设及人才培养计划围绕实验室的主导研究方向，对现有
30、人员的研究方向进行整合，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。2013 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；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，2013 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，注重强化研究生创新思维和综合能力的培养；本年
31、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2013 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 70.0 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 80.0 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120.0 大型设备及各实地实验场运行维护费用合计
32、 320.0在实验室建设方面，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2013 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。与南京市公安局联合成立视频 GIS 技术实验室，与常州市公安局联合成立警用 GIS 联合实验室，并进一步加强本实验室工作与公安日常业务等方面的深入合作。（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究条件进行科研工作。（3）设置开放研究基金项目 4-5 项，积极吸纳国内相关研究领域的青年学者来实验室工作。
