《地球信息科学学报》2024年第7期佳文推介

摘要：不确定性可视化是网络空间地图可视化领域的重点和难点，合理的不确定性符号设计对网络空间地图信息的快速读取挖掘与精准分析决策至关重要。本文提出了一种基于多粒度时空对象数据模型的网络空间双变量不确定性符号表达方法，解决网络空间节点链接图中变量符号无法及时高效地体现节点、连边不确定性表达不一致的情况。以地理社交网络为案例，首先采用多粒度时空数据模型建模的方法，分析网络空间对象建模的内容和流程，设计网络空间实体对象类并创建相应时空对象；在此基础上结合传统符号在网络空间节点链接图表达方面存在的问题，分析网络空间不确定性表达原理和模型，制作相应的视觉熵符号；最后开展对照实验，并采用统计方法对符号实验结果进行检验。结果表明基于对象化建模的方法有助于网络空间多粒度、全类型、多维动态的表达，通过可视化和交互技术能生动直观、全面多维地表现网络空间的发展变化；新设计的视觉熵符号在网络空间双变量不确定性差异表达方面的效果较好，有助于及时高效准确地获取网络空间的不确定性信息。研究可以为网络空间地图可视化领域的发展提供一定借鉴和参考。

关键词：网络空间；多粒度时空数据模型；视觉熵符号；双变量；不确定性；网络空间地图可视化

 网络空间实体建模表达框架 

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摘要：兴趣点（POI）对于深化理解地理空间中人类活动和环境特征的作用日益凸显，从大规模空间数据中探测与周围环境显著不同的离群点是增强人地系统认知的重要研究方向。现有离群点挖掘方法应用于POI时存在局部空间分布特征表达及量化不足的缺点，并且其有效性亟待进一步讨论。鉴于此，本文提出了基于局部集聚尺度判定的兴趣点离群分布探测方法。首先，借助Delaunay三角网构建POI的空间邻接关系，并基于交叉K近邻距离和多尺度特征参数判别点群的局部集聚特征尺度；然后，提取满足尺度约束条件的点及其邻接边集；最后，通过边长约束指标剔除不满足条件的局部长边并整合离群簇，完成POI离群探测。根据实际数据的对比实验结果可以得出所提方法泛化能力良好，且可在不破坏POI固有分布特征的前提下有效、稳健地探测离群点。本文进一步开展离群点探测结果的可解释性分析，讨论得出兴趣点离群分布成因与类型占比、空间布局、占地面积及公众认知水平等因素密切相关。本研究为全面把握城市发展动向、资源配置优化、提高城市可持续性及人居生活质量等方面提供新的方法与研究视角。

关键词：兴趣点；空间离群点； Delaunay三角网；交叉K邻近距离；集聚特征尺度；边长约束指标；可解释性分析；公众认知度

 本文方法基本框架  

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摘要：元胞自动机（CA）是土地利用/土地覆盖变化模拟的重要工具。以往基于纯质元胞的CA模型忽略了元胞内部的混合土地覆盖结构，难以模拟现实中混合土地系统在快速城市化进程的连续演化。而混合元胞CA模型（MCCA）虽能较好地处理这一问题，却因难以获取精细尺度的混合结构数据而不易于推广。为了解决这个问题，本研究提出了耦合混合像元分解方法和MCCA模型的模拟分析框架，利用混合像元分解算法从Landsat影像中直接获取MCCA模型所需的亚元胞尺度混合结构数据；并利用SHAP方法挖掘亚元胞尺度土地覆盖变化的驱动力。本文以武汉市为研究区开展了实验，研究结果表明： ① 耦合模型在混合土地结构的空间格局表征以及未来变化模拟方面具有较高的准确性（解混精度高于0.8，mcFoM指数达到0.38）； ② 本文的耦合模型能够在有效模拟精细尺度的土地覆盖动态变化及其比例关系的同时，发现区域土地覆盖变化的相关规律。例如：未来的土地覆盖结构变化主要集中在建成区附近，土地混合度将经历先增后减的过程，靠近公司企业、市政府和高人口、高GDP是不透水面扩张的重要驱动因素，在离高铁站相对较远的地方，不透水面比近处增长更加明显； ③ 本文模型模拟的未来土地覆盖变化趋势与武汉市的未来规划布局相符，多情景间的对比体现了MCCA模型在精确捕捉像元间土地覆盖比例细微差异方面的能力。本研究通过耦合遥感领域的混合像元分解方法和GIS领域的混合元胞CA模型，解决了混合土地覆盖模拟缺乏精细尺度数据源的问题，实现了在亚像元尺度下的未来混合土地覆盖结构变化模拟，可为城市管理和规划决策提供新的方法与工具。

关键词：土地利用变化；土地覆盖；地理模拟；混合元胞；元胞自动机；混合像元分解

 耦合混合像元分解和混合元胞模拟的土地覆盖变化推演模型 

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摘要：直线特征的精确匹配对三维模型的重建与优化具有重要意义。但是传统的双视图直线匹配由于视图数量较少导致直线匹配结果鲁棒性较差，且对于存在断裂的直线提取结果，同一直线在不同影像上提取直线的数目不等，导致直线匹配结果完整性较差。针对上述问题，本文提出多视图立体视觉(Multiple View Stereo, MVS)与Leiden图聚类相结合的多视图直线匹配算法。该算法首先使用直线提取算法和MVS三维重建算法对输入的多视影像分别进行直线信息提取和多视图三维信息提取，得到各视图上的直线与覆盖多视图场景的稠密三维点及其相关信息，并以此构建直线描述符；接着通过三维直线投影角度约束、点-线位置关系约束及同名点约束对匹配候选进行筛选，并根据各视图上直线间的相似性关系以各视图上的直线为节点，直线间的相似性得分为边权重构建无向图，同时剔除无向图中由单个节点构成的连通分量，得到连通分量集合，即初始匹配结果；最后对各个连通分量的节点基于同视图共线约束进行重构，得到子无向图，并对子无向图节点使用Leiden算法进行聚类。最终在多视影像上得到精确的直线匹配结果。本文选取大疆无人机拍摄的2组影像以及网上公开的1组影像进行实验。实验结果表明，采用本文算法获得的直线匹配结果较对比算法在直线匹配数目以及匹配正确率上均有所提升。

关键词：多视图直线匹配；特征匹配；几何约束；无向图；稠密三维点；多视图立体视觉； Leiden算法

 基于多视立体视觉与Leiden图聚类的多视图直线匹配算法流程 

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摘要：微地图作为自媒体时代出现的新型地图，具有大众参与、个性化、快速传播等特征，然而现有微地图研究在点符号设计方面存在一定局限，难以完全满足大众个性化制图的需求。为解决这一问题，本文从微地图制作角度出发，选择手绘地图的通用地图符号作为研究对象，构建了一个包含多种类型和样式的手绘地图数据集。在现有研究的基础上，通过对比选择目标检测中常用的YOLOv5（You Only Look Once v5）系列模型，深入探索手绘地图中通用地图符号的自动提取方法，并采用YOLOv5-X模型进行手绘地图通用地图符号的提取。实验结果显示，该模型在手绘地图数据集上的point类别提取精确度、召回率和F1得分分别达到了98.42%、94.72%和97%。同时在Quick Draw涂鸦数据集上进行模型泛化能力的测试，本文所使用的模型在该数据集上展现出良好的提取效果。本研究的开展不仅扩充了微地图个性化点符号的研究数据集，还改进了通用地图符号的提取方法，为微地图制图注入了更多元化的元素，也为自媒体时代的地图制作提供了更为灵活和个性化的解决方案。

关键词：通用地图符号；手绘地图；手绘地图数据集；微地图；微地图符号库；点符号提取； YOLOv5-X

 符号提取技术路线 

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摘要：等高线是地形图上的重要要素之一，其化简过程需要兼顾主要地形结构特征的保持、数据精度的控制以及相交和视觉混淆的避免等问题，现有研究大多没有同时兼顾这3个方面。针对上述问题，本文在现有方法使用的误差带的基础上，进一步引入隔离带的概念，并对它们在几何中的定义进行数学描述，提出将空间拓扑条件应用于等高线化简的策略。根据这一策略，对谷地弯曲选取（Valley Bend Selection, VBS）算法和Douglas-Peucker（DP）算法进行改进，从而得到空间拓扑条件控制下的VBS（Spatial-Topologic-Condition-Controlled VBS, STCC-VBS）算法和空间拓扑条件控制下的DP（Spatial-Topologic-Condition-Controlled DP, STCC-DP）算法。最后，将这2种方法应用于1:5万比例尺地形图等高线化简生成1:10万比例尺地形图等高线的任务中，并与现有的2种单纯以误差带控制的等高线化简方法进行对比。实验结果表明，STCC-VBS算法和STCC-DP算法都有效避免了相交问题，同时以改进前的方法为参考，在算法参数相同的情况下，分别在节点约减率降低8.33%和2.06%同时，使等高线偏移率降低了22.97%和12.65%，化简效果得到显著改善。其中，STCC-VBS算法在约减54.58%的节点的同时，仍能使地形特征线保持率达到94.73%，在有效约减数据量的前提下，较好地保持了主要地形特征。2种算法在效率方面均优于2种单纯以误差带控制的等高线化简方法。

关键词：地形；等高线；数字高程模型；制图综合；线化简；误差带；隔离带；空间拓扑条件

 空间拓扑条件控制下等高线化简技术路线  

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摘要：技术知识成为新时期区域创新发展的关键要素，探究技术转移网络生长发育内在机制对于提高区域创新活力具有重要意义。本文基于2001—2020年中国专利权转移数据构建了4个时段的城市技术转移网络，并采用社会网络分析法和随机行动者模型，研究了中国城市技术转移网络演化的内生机制及空间差异。研究发现： ① 中国城市技术转移网络的演化格局具有明显的“核心—边缘”结构特征。网络整体表现出较强的极化特征，但这种极化性有逐渐下降的态势。同时围绕着核心城市，大量涌现的三方关系在影响链接关系形成的同时，也进一步促成了网络局部等级的分化； ② 内生结构动力是中国城市技术转移网络生长发育的关键因素。互惠链接和网络闭合构成了城市技术转移网络演化的微观基础；偏好依附是强化城市技术转移网络链接关系的关键力量； ③ 中国城市技术转移网络演化的内生机制具有明显的空间异质性特征。东部南方区城市技术转移网络具有较强的动态性，互惠链接、网络闭合和偏好依附成为技术转移网络生长发育的内生结构动力；东部北方区网络演化速率呈现出下降的趋势，互惠链接和偏好依附促成了网络链接格局的形成；西北内陆和青藏高原区网络演化速率趋于上升，但网络密度小，仅有互惠效应显著。

关键词：技术转移网络；社会网络分析；随机行动者模型；网络演化；内生机制；空间差异；流动空间

 2001—2005年和2016—2020年中国城市技术转移网络的拓扑结构 

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摘要：城市内涝灾害不断频发，不仅对城市基础设施和居民财产造成严重破坏，更损害了居民的生活质量和幸福感。排水抢险救援能力与城市内涝灾害强度的空间匹配性直接影响抢险救援效率。本研究以“信息集成-仿真建模-情景模拟-效率对比-方案优选”为思路，基于多智能主体构建了城市内涝排水抢险单位救援行为仿真模型，以北京市凉水河流域为例，结合内涝、交通与排水抢险单位分布信息开展了实证研究，模拟对比了不同情景下城市内涝排水抢险救援效率。结果表明，通过采用“全局分散，局部聚集”的排水抢险单位空间布局方案，抢险救援效率在早晚高峰、抢险水平和救援组合情景中分别提升了18.27%、18.24%和10.34%，模型结果稳定性达到了93.85%。在该布局方案下，排水抢险单位具有更均衡合理的任务分配，有效降低了高峰时期交通流量和信号灯对排水抢险救援效率的影响，同时排水抢险能力组合选择时更具优势。本研究提出的城市内涝排水抢险单位布局优化方案可提升抢险救援效率，降低灾害风险的社会影响，为城市内涝应急管理提供科学依据。

关键词：城市内涝应急抢险；排水抢险单位；布局优化；多主体模型；抢险救援效率；多情景；百年极端暴雨；北京市

 模型框架流程  

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摘要：城镇开发边界对城市未来的土地利用和国土空间格局有指导和约束作用，主体功能定位是制定国土空间开发保护战略措施的基础，而现有城镇开发边界划定研究对主体功能的影响考虑不足。本文基于2009—2021年土地利用数据，选取重点生态功能区（澄江市）、农产品主产区（陆良县）、城市化地区（昆明市主城区）3种典型主体功能区域，耦合PLUS模型、匀速递增马尔可夫链和层次分析法，依据主体功能类型分别按照生态保护、农业生产、城镇发展情景进行2035年土地利用变化模拟和城镇开发边界的划定，并提出数量及空间格局优化方案。结果表明： ① 不同类型主体功能区城镇建设用地变化影响因素存在差异，重点生态功能区和农产品主产区主要受社会因素的影响，城市化地区主要受自然因素的影响； ② 提出匀速递增马尔可夫链对土地利用进行数量模拟，精度超过96%。通过PLUS模型对3种类型土地利用进行预测， Fom值介于0.1~0.3之间。耦合模型能较好的反映未来土地利用变化情况； ③ 对不同主体功能类型的城镇建设用地进行模拟分析以及对划定的城镇开发边界与实际划定结果进行对比，提出澄江市应缩减边界规模，陆良县应进行布局优化，避让连片耕地并适当缩减边界规模，昆明主城区边界规模合理，但空间布局局部可以优化；城镇开发边界的划定应考虑不同主体功能定位，不能简单用一个统一的扩展倍数来限定。本文提出了在主体功能战略背景下的城镇开发边界划定的一种改进模型与耦合方法，可为政府相关部门开展具体工作提供依据。

关键词：三区三线；主体功能区；城镇开发边界；情景模拟； PLUS模型；滇中城市群

 城镇开发边界划定技术路线 

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摘要：一些社会参数可能只与特定辐射强度范围内的夜间灯光保持相关性，而传统的夜间灯光指数局限于夜光遥感影像的全体辐射像元，在一定程度上限制了夜光遥感的应用潜力。本文提出一种顾及灯光强度区间的夜间灯光指数构建方法，利用2012—2020年的NPP-VIIRS夜间灯光数据计算了中国各省和36个主要城市的5 050组特定连续灯光辐射强度区间的区域灯光总值，在省、市2个空间尺度上分别与筛选后的39项和24项社会参数进行相关性分析。除了省级尺度一项、市级尺度2项未通过显著性检验的社会参数，确定了其他社会参数对应的最佳灯光辐射强度区间。与传统的区域灯光总值相比，最佳区间的灯光辐射总值与省、市两级各种不同类型的社会参数的相关性显著提高，相关系数平均分别提高了0.06和0.08；一些与区域灯光总值无明显相关性的社会参数，与最佳区间的区域灯光总值表现出较强的相关性。大部分社会参数的最佳灯光辐射强度区间比较稳定，随时间变化波动较小。各行业社会参数的最佳灯光辐射强度区间表现出明显的差异性与层次性，它们有助于更深入地分析参数与夜间灯光之间的关联关系，评估夜光遥感数据的背景噪音对参数分析的影响。顾及灯光强度区间的夜间灯光指数构建可以提高夜光遥感在社会参数研究领域的应用潜力。

关键词：NPP-VIIRS；夜间灯光指数；社会参数；相关性分析；灯光辐射强度区间

 武汉市夜光遥感和光学遥感影像对比 

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摘要：土壤有机质具有改善土壤结构、增强土壤肥力和保持水分的能力，有机质含量是衡量土壤肥力的重要指标。高光谱数据为有机质含量估算提供了一种快速、有效的解决途径。为了提升土壤有机质含量的估测精度，本文结合微分变换和希尔伯特变换，提出微分-瞬时频率变换方法，对土壤有机质含量进行精确估测。首先，利用微分变换具有特征增强等特点，对土壤光谱进行微分变换，并采用希尔伯特变换定义土壤微分光谱的解析信号，求其瞬时频率，从而更敏锐、深入地捕捉土壤微分光谱的局部特征；然后，采用相关性分析算法提取变换后光谱的敏感特征；最后，利用偏最小二乘 (Partial Least Squares Regression, PLSR)和支持向量机 (Support Vector Machine, SVM) 2种算法构建土壤有机质含量估测模型。为了验证本文方法的有效性，将本文方法与传统光谱变换和瞬时频率等7种光谱处理算法建立的估算模型进行精度对比。实验结果表明： ① 微分-瞬时频率变换算法的测试精度为R2 = 0.85， RMSE = 0.98， LCCC = 0.84均高于其他算法，具有最佳的土壤有机质含量估测能力。 ② 对比PLSR和SVM模型的建模效果，发现所有变换方法中SVM模型的建模精度和测试精度均优于PLSR模型。综上，基于微分-瞬时频率方法在土壤有机质含量反演中具有较高的估算精度，可为高光谱遥感技术在土壤有机质含量反演上提供新思路，进而服务于大尺度精准农业中的土壤监测。

关键词：土壤有机质；高光谱；希尔伯特变换；微分-瞬时频率; 解析信号；信号局部特征；相关性分析

 微分-瞬时频率变换方法技术流程  

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摘要：准确有效地提取水体信息，对于水资源监测、管理和应用等方面具有重要意义。由于水体形状、大小和分布的多样性以及场景的复杂性，如何高效准确地从遥感影像中提取出水体仍具有挑战性。传统的方法虽然可以从遥感图像中提取水体，但由于异物同谱其提取精度往往难以满足实际应用要求。因此，迫切需要先进的高性能技术来提高水体提取的效率和准确性。将深度学习与遥感技术相结合可以充分发挥深度学习的优势，有效帮助准确地提取水体信息。目前以深度学习的方法提取水体信息面临的挑战仍是多尺度特征融合、耗时长和参数多。HarDNet-MSEG (Harmonic DenseNet-MSEG)模型拥有较高的分割精度和较快的推理速度，为进一步充分利用来自通道和空间位置层面的相关信息以及提高模型的分割精度，本文以HarDNet-MSEG为网络框架，设计了一种名为HAM(Hybrid Attention Mechanism)的注意力机制，将其嵌入到HarDNet-MSEG网络中以探究其在网络中的最佳位置，在相同的实验环境下与其他注意力机制、经典网络算法以及传统的方法进行一系列的对比实验，并测试该模型在其他数据集上的通用性。结果表明， HAM模块在HarDNet-MSEG网络的较浅层处表现最出色。与其他注意力机制相比，HAM模块取得了更高的性能，MIoU、FWIoU和PA分别达到了94.068 7%、97.737 4%和99.320 5%。与DeepLabV3+、U-Net和PSPNet等经典模型相比， HarDNet-MSEG-HAM1模型不仅有最好的MIoU，参数量、计算量和训练时间各方面都表现出卓越的性能。与传统方法相比， HarDNet-MSEG-HAM1模型具有显著的优势，同时该模型在其他数据集上也表现出了良好的性能。最后，成功提取了青藏高原内流流域的2013、2016、2019和2022年4期湖泊，并对其面积变化进行了分析。一系列的实验数据表明，该模型在水体提取任务中的优越性与鲁棒性。本论文预期可以为从复杂场景的遥感影像中提取水体信息提供方法和相关数据支持。

关键词：水体提取；深度学习； HarDNet-MSEG；混合注意力机制；语义分割；多尺度特征；青藏高原；遥感影像

 不同方法提取结果对比 

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摘要：本文通过构建遥感生态指数（RSEI）与动态栖息地指数相结合的改进型遥感生态指数（DRSEI）作为时空动态调节因子，对国家公园这种具有丰富物种的自然生态系统服务价值评估方法进行了改进。改进型遥感生态指数（DRSEI）作为时空动态调节因子的方法与应用遥感生态指数、净初级生产力指数（NPP）作为时空动态调节因子的方法进行比较分析表明：引入能够表达生态系统生物多样性时空变化特征的动态栖息地指数构建改进型遥感生态指数，由于该指数的空间信息特征更加丰富，且考虑到了区域的生物多样性因子，改进型遥感生态指数（DRSEI）作为时空动态调节因子的生态系统服务价值评估方法可以更加全面客观地反映区域生态系统的结构、功能与过程的时空分异，准确评估生态系统服务时空动态价值，为国家公园生态系统服务价值评估提供了新视角。利用该方法定量评估和分析了武夷山国家公园2017—2021年生态系统服务价值的时空变化状况，2017—2021年武夷山国家公园生态系统服务价值总体呈上升的趋势，呈现较为适当的生态环境保护与资源开发利用状况。

关键词：生态系统服务价值；改进型遥感生态指数；时空动态调节因子；遥感动态栖息地指数；武夷山国家公园

 时空动态调节因子的构建及生态系统服务价值计算流程 

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《地球信息科学学报》是中国科技核心期刊、全国中文核心期刊，同时被以下数据库收录：CSCD、EI、Geobase、Scopus、JST、CNKI。

《地球信息科学学报》由中国科学院主管，由中国科学院地理科学与资源研究所、中国地理学会联合主办，由资源与环境信息系统国家重点实验室（中国科学院地理科学与资源研究所）、虚拟地理环境教育部重点实验室（南京师范大学）、三维信息获取与应用教育部重点实验室（首都师范大学）联合协办，月刊。学报创刊于1996年，创始人为陈述彭院士。学报现任主编徐冠华院士，执行主编陆锋研究员。

《地球信息科学学报》主要刊登以地理系统信息流为研究对象，以地理信息认知理论、地理时空大数据挖掘、地理空间智能分析、地球信息图谱、遥感信息提取、虚拟地理环境、地理空间综合分析等为研究主题的学术论文，以及相关评论与简讯，重点关注地球信息科学理论方法创新成果的报道。学报开办有地球信息科学理论与方法、地理空间分析综合应用、遥感科学与应用技术等栏目，并依托国家重大项目、面向国家战略需求，先后组织了多个专刊。欢迎国内外学者踊跃赐稿，欢迎国家重大科研项目、国内外学术会议组织专辑专栏。