（自然地理学专业论文）生态环境综合信息图谱的空间信息模型及其可视化分析.pdf

福建师范大学学位论文使用授权声明 本人( 姓名)韭明锋学号b 2 0 0 3 0 5 2 专业自然地理堂所呈交的论文( 论文题目： 生态环境综合信息图谱的空间信息模型及其可视化分析) 是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中 特另l i d i ：l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果。本人了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交的学位论文并允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名磷导教师签名乒 签名日期 迎j6 ，g 摘要 本研究立足于地学信息图谱的基本理论和方法技术，并结合数学建模理论，地 学可视化理论，探索生态环境综合信息图谱的空间信息模型框架及空问信息分析方 法，并融合信息可视化技术进行信息表达可视化分析。为构建生态环境空间信息的 进一步挖掘，提供了一定的工作基础。本研究主要内容如下： ( 1 ) 比较了现有地学中空间信息模型及地学建模的主要研究内容和分类体 系。提出生态环境综合信息图谱空间信息分析模型体系，并根据发展技术前沿方向， 提出其模型体系的关注重点应放在尺度分析问题、空间数据挖掘、人工智能、可视 化表达这几个研究方向上。 ( 2 ) 对当前地理信息研究中和生态研究中多尺度分析问题现状作一评述。 并针对小波分析理论作重点评述，介绍其主要概念及在地学数据处理中的应用。结 合实际，提出融合逐次线性回归分析的生态环境综合信息图谱多尺度小波分析模型， 对研究区进行生态环境综合信息图谱的多尺度结构性分析，选用了多个生态因子和 环境因子对区域进行多级多要素的分析。 ( 3 ) 利用知识发现技术中出现的粗糙集技术和自组织特征神经网络技术应 用于生态环境综合信息图谱的数学建模研究中，探讨利用这两种方法进行生态规律 发现和聚类的可能性。粗糙集技术可利用其决策规则进行推理和分类，在处理地学 和生态学复杂多维数据方面具有一定优势，可迅速方便地寻找到研究区内多维数据 的空问组合，并归结出_ 定的生态信息图谱规律，产生一定的属性约简作用。基于 自组织特征映射神经网络方法的聚类方法由于其在网络训练过程中的非监督性，可 较容易地将研究区的多维数据进行聚类，且聚类结果具有一定的地学意义。 ( 4 ) 将可视化分析理论融入生态环境综合信息图谱的研究中，探讨在实现 生态环境综合信息图谱空间信息挖掘时可视化理论的作用。从空间三维图形表达、 多维信息统计图表达、地图与谱系之间联系详坌 | j ：说明了生态环境综合信息图谱多维 数据的可视化。在多维信息统计图表达中强调了几种常用的方法，如平行坐标图、 散点图矩阵、多维散点图等。利用生态环境综合信息图谱可视化原型系统的设计与 实现来说明生态环境综合信息图谱呵视化分析技术的应用，阐述了原型系统的设计 日标，功能设计、系统总体框架、软件平台及主要界面设计。 关键词生态环境；综合信息图谱；空问信息模型；多尺度；粗糙集；多维可视化 塑塞墼壅查耋丝塑塞堡圭耋堡丝圣 a b s t r a c t b a s e do nt h et h e o r ya n dt h em e t h o da n dt h et e c h n o l o g yo fg e o i n f o r m a t i o nt u p u ， o m b i n e dw i t ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n gt h e o r ya n d g e o v i s u a l i z a t i o nt h e o r y , t h e l e s i s so b j e c t i v e sa r et o e x p l o r et h ef r a m e w o r ko fs p a t i a li n f o r m a t i o n ：m o d e la n dt h e p a t i a li n f o r m a t i o na n a l y s i sm e t h o d ，a n di n t e g r a t e dw i t ht h ei n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o n ；c h n o l o g y ：f o rt h ea n a l y s i so fi n f o r m a t i o nv i s u a l i z a t i o ne x p r e s s i o n ；a n dt os u p p l yt h e 3 u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rm i n i n go fe c o - e n v i r o n m e n ts p a t i a li n f o r m a t i o n t h i st h e s i s o n t a i n s ： ( 1 ) c o m p a r e dt h em a j o rr e s e a r c h c o n t e n ta n dc l a s s i f y i n gs y s t e mo f s p a t i a l 1 f o r m a t i o nm o d e l i n ga n dg e e m o d e l i n gi n g e e w eb r i n gf o r w a r dt h em o d e l i n g r a m e w o r ko fs p a t i a li n f o r m a t i o na n a l y s i si ne c o e n v i r o n m e n tc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o n h p u ，a n db a s e do nt h et e c h n o l o g yd e v e l o p i n gt e n d e n c y , s u g g e s t e dt h ea t t e n t i o n ss h o u l d ef o c u s e do nt h es c a l ea n a l y s i s ，s p a t i a ld a t am i n i n g ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，v i s u a l i z e x p r e s s i n g ( 2 ) t h em u l t i s c a l ea n a l y s i sp r o b l e mr e s e a r c hs t a t u s i 。nc u r r e n tg e o g r a p h i c a la n d c o l o g i c a lr e s e a r c hi sr e v i e w e d f o c u s e di nd i s c u s s i n gt h ew a v e l e ta n a l y s i st h e o r y ，i t s l a j o rc o n c e p ta n dt h ea p p l i c a t i o ni ng e e - d a t a ：p r o c e s s i n gi si n t r o d u c e d b yc o m b i n e dt h e t e p w i s el i n e a r - r e g r e s s i o na n a l y s i s 。m e t h o d ，t h em u l t i - s c a l ew a v e l e ta n a l y s i sm o d e lo f c o e n v i r o n m e n tc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nt u p ui s b r i n gf o r w a r d a n du s i n gt h i s m t h o d ，t h e r e s e a r c ha r e a se c o - e n v i r o n m e n t c o m p r e h e n s i v e i n f o r m a t i o n t u p u m l t i s c a l es t r u c t u r ei s ，s t u d i e d i nt h i s p r o c e s s ，s e v e r a le c o l o g i c a lf a c t o r s a n d i a v i r o n m e n t a lf a c t o r sa r eu s e d ( 3 ) b yu s i n gt h er o u g hs e tm e t h o da n ds e l f - o r g a n i z i n gf e a t u r em a p sm e t h o do f n o w l e d g ed i s c o v e r yi n t h er e s e a r c i lo fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fe c o e n v i r o m n e n t o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nt u p u ，t h ep o s s i b i l i t yo fu s i n gs u c hm e t h o d st od i s c o v e rt h e c o l e l g i c a lr u l e a n dc l u s t e ri sd i s c u s s e d r o u 【g hs e tm e t h o dc a nb eu s e di t sd e c i s i o nr u l e ) r e a s o na n dc l a s s i f y , i t h a ss o m ep r e d o m i n a n c ei np r o c e s s i n gt h eh i g h d i m e n s i o nd a t a 1e c oa n de c o l o g y , c a l lb eu s e dt of i n dt h es p a t i a lc o m b i n a t i o no fm u l t i d i m e n s i o n a ld a t a 1r e s e a r c ha r e ac o n v e n i e n t l ya n ds u l d _ u ps e v e r a le c o l o g i c a li n f o r m a t i o nt u p ur u l e ，e x e r ! 。 i i a t t r i b u t es i m p l i f i c a t i o ni n f l u e n c e b yt h en o n s u p e r v i s e df e a t u r ei nn e tt r a i n i n gp r o c e s s ， t h ec l u s t e rm e t h o db a s e do nt h e s e l f - o r g a n i z i n g f e a t u r em a p sc a nc l u s t e rt h e m u l t i d i m e n s i o n a ld a t ao fr e s e a r c ha r ee a s i l y , a n di t sr e s u l th a v eg e o g r a p h i c a lm e a n si n s o m ee x t e n t ( 4 ) t h e v i s u a l i z a t i o n a n a l y s i st h e o r y i sc o m b i n e di nt h er e s e a r c ho f e c o - e n v i r o n m e n tc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nt u p u a n dt h ea c t i o no fv i s u a l i z a t i o nt h e o r y i nt h ei m p l e m e n t a t i o no fd a t am i n i n go fe c o e n v i r o n m e n tc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o n t u p ui sd i s c u s s e d t h ev i s u a l i z a t i o no fm u l t i - d i m e n s i o n a ld a t ao ft u p ui se x p r e s si nd e t a i l f r o ms p a t i a l3 dg r a p he x p r e s s i o n ，m u l t i d i m e n s i o n a ls t a t i s t i c a lg r a p he x p r e s s i o n ，t h e r e l a t i o no fm a pt or u l e i nm u l t i d i m e n s i o n a li n f o r m a t i o ns t a t i s t i c a lg r a p he x p r e s s i o n ， s e v e r a lc o m m o nm e t h o di s e m p h a s i z e d ，i n c l u d e sp a r a l l e lc o o r d i n a t e s ；s c a t t e rm a t r i x ， m u l t i d i m e n s i o n a ls c a t t e re t c t h r o u g ht h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fv i s u a l i z a t i o n p r o t o t y p es y s t e mo fe c o e n v i r o n m e n t a lc o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nt u p u ，t h ea p p l i c a t i o n o fv i s u a l i z a t i o na n a l y s i si sa c c o u n t e df o r t h ep r o t o t y p es y s t e m sd e s i g no b j e c t i v e ， f u n c t i o nd e s i g n ，f r a m e w o r k ，s o f t w a r ep l a t f o r ma n dm a i ni n t e r f a c ed e s i g na r ea l s o d i s c u s s e d k e y w o r d se c o - e n v i r o n m e n t ；c o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o nt u p u ；s p a t i a li n f o r m a t i o n m o d e l i n g ；m u l t i - - s c a l e ；r o u g hs e t ；m u l t i - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n 福建师范大学张明锋博士学位论文 中文文摘 地学信息图谱研究尚处于起步阶段，其理论方法i e 逐渐完善中，对生态环境综 合信息图谱方而的研究更为薄弱。本文作为一个理论结合实际的研究，对生态环境 综合信息图谱的研究方法作了较系统概括，并结合几种较新的数学模型方法对生态 环境空问信息进行分析，为生态环境的地学信息图谱研究探索新的方法路线，充实 现有研究理论体系。 作为生态环境分析实例，从实际工作中收集的数据驱动，以地学思维进 j 思考， 探讨在空间信息丰富状况下，地学思维融合空间数据挖掘方法的可能性和实际可操 作性，菇融合先进信息技术手段，实现生态空间信息的信息表达可视化，为生态空 间信息的进一步挖掘提供理沦引导。 本研究立足于地学信息图普的基本理论和方法技术，并结合数学建模理论，地 学可视化理论，探索生态环境综合信息图谱的空间信息模型椎架及空问信息分析方 法，提供了一定的工作基础。本研究主要内容如下： ( 1 ) 通过对生态环境综合信息图谱的空间信息特点进行分析，认为生态环境信息 来源比较复杂，生态环境空问信息尺度多变，生态环境空间信息问关系复杂。生态 环境综合信息图谱强调其信息来源主要来自于空问信息，强调用传统地学理论方法 和现代地理信息分析技术来分析生态环境空间信息及进行信息表达，其空间信息模 型的分析对象为生态环境空问信息。 比较了现有地学中空间信息模型及地学建模的主要研究内容和分类体系。提出生 态环境综合信息图谱空间信息分析模型体系，并根据发展技术前沿方向，提出其模 型体系的关注重点应放在尺度分析问题、空问数据挖掘、人工智能、可视化表达这 几个研究方向上。生态环境综合信息图谱空间信息模型的软件实现环境的发展趋势： 空间信息模型软件逐渐向软件包方向发展、空间信息模型软件的实现正由主流桌面 软件向w e b 和开源方式转变。 ( 2 ) 对当前地理信息研究中和生态研究中多尺度分杌问题现状作一评述，重点讨 论多尺度分析中使用的分析方法和结论。并针对发展比较前沿的小波分析理论作重 点评述，介绍其主要概念及在地学数据处理中的应用。并结合实际，提出融合逐次 线性回归分析的生态环境综合信息图谱多尺度小波分析模型，对研究区进行生态环 l v 境综合信息图谱的多尺度结构性分析。并选用了n d v i 指数、亮度、绿度、湿度因子 作为生态因子，起伏度、坡度、离居民点距离、高度作为环境因子，对区域进行多 级多要素的分析。 从分析结果看，起伏度在区域中作用最大，起到总体的控制作用，控制着区域 总体的特征，而且随着分解尺度的增加，其作用越来越明显，显示出总体作用趋势。 坡度的控制区域生态状况作用在第三级尺度以前发挥较大，当尺度进一步增大时， 其作用明显降低。离居民点距离因素，在尺度比较小的级别，其作用与坡度、高度 因素互相混杂，作用区别不大，但随着分析尺度的提高，其作用显上升趋势。在尺 度比较小的级别，其不同环境因素互相融合对n d v i 形成影响，到尺度比较大后，其 分异比较清楚，起伏度作用比较大，距离居民点远近和高度的作用为其次，坡度的 作用为最低。通过此分析结果，说明融合逐次线性回归分析的生态环境综合信息图 谱多尺度小波分析模型可以充分分析出区域内部生态环境状况的多尺度空间特性， 并且可以揭示导致区域内部生态环境变化的一些环境因素的作用强度。通过此分析 结果，可认为融合逐次线性回归分析的生态环境综合信息图谱多尺度小波分析模型 可以充分分析出区域内部生态环境状况的多尺度空间特性，并且可以揭示导致区域 内部生态环境变化的一些环境因素的作用强度，并突出生态环境中各环境因子对生 态环境结果因子的影响力，及其在不同尺度上影响程度的表达和量化，用于说明生 态环境现象中的多尺度性及各尺度级别上的差异。 ( 3 ) 利用知识发现技术中出现的粗糙集技术和自组织特征神经网络技术应用于 生态环境综合信息图谱的数学建模研究中，探讨利用这两种方法进行生态规律发现 和聚类的可能性。 经应用说明，粗糙集技术可利用其决策规则进行推理和分类，在处理地学和生 态学复杂多维数据方面具有一定优势，可迅速方便地寻找到研究区内多维数据的空 间组合，并归结出一定的生态信息图谱规律，产生一定的属性约简作用。尽管其作 用仍受制于研究区多方面的状况影响，但应是一种值得重视，开展研究的方法。 基于自组织特征映射神经网络方法的聚类方法由于其在网络训练过程中的非监 督性，可较容易地将研究区的多维数据进行聚类，且聚类结果具有一定的地学意义。 其方法具有可行性，算法上存在着冗长的特点，应在算法的优化上进行拓展研究。 ( 4 ) 将可视化分析理论融入生态环境综合信息图谱的研究中，探讨在实现生态 环境综合信息图谱空间信息挖掘时可视化理论的作用。 福建帅范大学报明锋博士学位论文 阐述了生态环境综合信息图谱的可视化任务的特点，强调了多维性和交互性。 再从任务视角对生态环境综合信息图谱的任务进行了分类，分为特征发现、模式搜 索、演变规则发现。然后专门讨论了生态环境综合信息图谱的多维数据交互可视化， 从空间三维图形表达、多维信息统计图表达、地图与谱系之间联系详细说明了多维 数据的可视化。在多维信息统计图表达中强调了几种常用的方法，如平行坐标图、 散点图矩阵、多维散点图等。最后利用生态环境综合信息图谱可视化原型系统的设 计与实现来说明生态环境综合信息图谱可视化分析技术的应用，阐述了原型系统的 设计目标，功能设计、系统总体框架、软件平台及主要界面设计，作为应用实例表 明笔者对可视化分析理论的理解。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 地学信息图谱的研究现状 1 1 1 地学信息图谱的概念研究 “图”，主要是指空间信息图形表现形式的地图，也包括图像、图解等其他图 形表现形式。“谱”是众多同类事物或现象的系统，是按事物特性所建立的系统或 按时间序列所建立的体系。亦称“谱系”。“图谱”是“图”与“谱”相结合，兼 有“图形”与“谱系”双重特性。即可同时反映与揭示事物和现象空间结构特征与 时空动态变化规律的空间图形表现形式“1 。 地学图谱是图谱在地学研究中应用与发展。是指按照一定指标递变排列的一组 能够反映地学空间分布规律的地图、图标、曲线或图像。它的特点是：( 1 ) 具有图 谱的一般特征；( 2 ) 具有具体图形外，还可有其抽象图形，即每个具体实例对应于 一个它的抽象映像图；( 3 ) 与地图或系列地图的区别在于它反映的是共性，即概括 了所有个体特例后抽象抽出的一般共性，具有通用性；而地图( 集) 是建立在与地 物相似原理的基础之上，反映的是某一特定区域的地球科学现象的质量、数量和结 构特征。地学图谱早已有之，著名的魏格纳的大陆飘移学说，柯本的气候类型和道 库恰耶夫的自然地带谱，都是借助于时空融合的图形思维的地学图谱方法，曾有力 地推动了地球科学的进步。中国地学界的先驱李四光的大地构造模式，竺可桢的五 千年气候变迁，更是脍炙人口的地学图谱的典范”1 。 当今，随着科学技术的突飞猛进，航天遥感技术得到了充足发展，传感器的空 间分辨率和时间分辨率的大幅度提高，总体上呈现出5 种趋势；即多平台、多传感器、 多时相、多光谱、周期短的获取多源遥感数据。遥感技术是获取空间信息和时间序 列信息的重要技术手段，通过遥感获取的时间序列信息，为恢复重要土地利用的空 间信息和预测未来发展趋势奠定了坚实的基础。因此，在遥感技术的支持下，全球 变化研究中的陆地表层空间特征和地表演化现代过程研究，由于得到了时空序列完 整的遥感数据支持而进入参数化、定量化研究阶段。另外信息时代的日新月异又带 动了地理信息指纹的快速发展，从而为更好地管理和使用地理时空信息提供了工具 和手段。地球科学随着信息时代的到来和计算机技术的迅速发展，g p s 、r s 、g i s 相 结合并在地球系统科学与信息科学基础上诞生了地球信息科学，同时受物理图谱、 生物信息图谱的启示下，在传统的地学图谱的基础上，由陈述彭院士等中国学者的 福建师范大学张明锋博上学位论文 倡导，开始了地学信息图谱的探讨和研究。 地学信息图谱是计算机化的地学图谱，是地学信息的时空复合体，它继承了图 谱的图形思维方式，双又进一步发展了定量化和模拟分析的功能。它研究目的是， 通过分析和归纳地学领域长久以来所进行的地学图谱研究的空间分析和图形思维的 方法，从中提炼出较普遍、较通用的图例、符号语言、图形和图解方法，从而形成 一种独特的地学空间思维方法，作为地学空间思维的范例或规则，揭示过去，预测 未来。 地学信息图谱的具体的特征包括：( 1 ) 图形思维模式：地学信息图谱仍需借助 一系列图形描述现象，揭示机理，表达规律；( 2 ) 全数字化：信息图谱与传统图谱 的差异在于信息图谱具有全数字化的特钲：；( 3 ) 动态模拟分析：地理现象具有复杂 性、不确定性和模糊性，很难预测。而地学信息劁谱可通过图形运算对地理工程进 行模拟、反演过去，模拟未来。 地学信息图谱从应用角度可分为征兆图谱、诊断图谱和实施图谱三种：征兆图 谱是信息提取模型对有关数据的运行结果，可为我们进一步研究提供线索与依据； 诊断图谱可表达为各种基础图的不同组合、反映资源环境的动态变化及其驱动因素； 实施图谱以诊断图谱为依据，通过改变各种边界条件，分析推理不同控制条件下的 决策方案，为进一步的规划试验提供依据和预案。 1 - 1 2 地学信息图谱的研究现状 “地学信息图谱”是由陈述彭院士等首次提出并积极倡导的研究方向，是我国 科学家的首创。国外在物理图谱和生物基因图谱等方面进行过比较深入的研究，而 对地学信息图谱的研究尚未进行。国内学术界对地学信息图谱的研究也还处于起步 阶段。尽管如此，在陈述彭先生的积极支持下，自1 9 9 8 年开始，地学信息图谱的研 究一直在持续不断地进行，并已取得了部分成果。陈述彭、廖克、周成虎、齐清文、 承继成、闯国年、鲁学军、岳天祥、骆剑承、李军等先后从不同角度论述了地学信 息图谱的理论、技术方法和应用实例。 1 1 1 1 地学信息图谱的理论方面的研究 陈述彭先生对地学图谱的历史渊源进行了分析研究，认为“图谱”是一种源远流 长的中幽传统方式，主要运用图形语言，进行时间与空间的综合表达与分析。“地 学信息图谱”是空间时代与信息时代的产物。沿用“图谱”的名称，是要表示“地 第1 章绪论 学信息图谱”在本质上与“图谱”是一脉相承的。认为“地学信息图谱”既是继承 中国传统特色，又是超前和独创的。指出地学信息图谱的三个创新之处：( 1 ) 建立 在现代空间技术、信息科学的基础上一信息资源极大丰富；( 2 ) 建立在地球系统科 学与地理信息系统的基础上图谱生成过程全部智能化与自动化；( 3 ) 建立于“赛 博空间”和“虚拟现实”的电脑智能化的结合上一提供再现过去和预测未来的多种 设想和可能方案，供决策者做出判断。陈述彭先生的这几篇论文为地学信息图谱的 研究起到了抛砖引玉的作用。m 旧。 廖克研究员从图与谱的基本概念出发，比较了图谱与地图的异同点，在此基础 上对地学信息图谱的定义和内涵进行了深入的探讨。认为地学信息图谱“是由遥感、 地图数据库、地理信息系统与数字地球的大量数字信息，经过图形思维与抽象概括， 并以计算机多维与动态可视化技术，显示地球系统及各要素和现象空间形态结构与 时空变化规律的一种手段与方法。同时这种空问图形谱系经过空间模型与地学认知 的深入分析，可进行推理、反演与预测，形成对事物和现象更深层次的认识，有可 能总结出重要的科学规律，在此基础上为经济与社会可持续发展的规划决策与环贸一 治理、防灾减灾对策的制定，提供重要的科学依据与明确的具体结论”。地球信息 图谱的理论研究包括基础理论研究、应用基础理论、技术基础理论等。基础理论研 究主要指对地球信息形成机制、地球空间信息认知、地球系统的研究，涉及地球科 学的信息论、信息流、信息场、能量信息、图形信息与存贮信息、认知论、系统论 等。应用基础理论研究主要包括应用于地理信息系统的自组织理论、整体性与分异 性理论、空间结构与空间功能理论、熵原理、承载力理论、突变与混沌理论、图谱 反演理论、预测模型与理论等。技术基础理论涉及图像信息科学理论、关系数据库 理论、空间数据( 信息) 模型理论、信息概括模型理论、空间关系理论、数据探索 与挖掘理论与技术等陋儿”。 齐清文博士等人，从谱与图谱以及地学图谱的概念出发，探讨了地学信息图谱 的概念。认为地学信息图谱“是按照一定指标递变规律或分类规律排列的一组能够 反映地球科学空间信息规律的数字地图、图表、曲线或图像。”指出地学信息图谱 由三部分组成：一是系列图，二是描述性参数( 数字、代号等) 和数学模型，三是 在建模基础上对地物特征的重组和虚拟。认为地学信息图谱的理论基础包括地学基 础、认知基础、地学信息机理，并建立了地学信息图谱的标准化模式，由标准式样， 分类标准、提炼模式和建模标准等构成”。 丝些丝兰查兰兰型翼竺圭耋堡丝圣 周成虎博士等人也对地学信息图谱的含义进行了探讨，将图谱定义为“描述和 认识复杂地球现象和问题的方法与手段。它试图将复杂的地学问题，通过多层面分 布于二维平面或多维体上，建立起地学现象的图形思维模式，从而认识其内在规律； 通过图形运算，建立起动态变化模型，开展预测与调控研究。”他们认为，信息图 谱是计算机化的图谱，继承了图谱的图形思维方式，又进一步发展了具有定量化和 模拟分析之功能。因此，信息图谱具有图形思维方式、全数字化和动态模拟分析等 特征。认为地球信息图谱可分为区域类型组合型图谱和时序动态组合型图谱两大类。 并归纳出地球信息图谱的三大功能为( 1 ) 图谱是描述地球复杂系统的方法；( 2 ) 图 谱是模拟分析地球复杂系统的更直接方法；( 3 ) 图谱是系统规律表达的直接方法。 认为地球信扈、图谱的理论体系包括地球空间信息认知、数据探索分析与知识挖掘和 图谱反演理论。地球信息图谱的技术手段包括多源数据的融合与数据的知识挖掘、 图谱规则库与图谱提取、图谱库与系统模拟“。 陈燕对地学信息图谱的时空维进行了诠释和应用。认为地学信息图谱的时空维 是指地学信息图谱数据源的时空维或地学信息图谱可以表达的时空蕴含，不同的时 空维表达不同的特征和内容。同时将地学信息图谱的空间尺度分为大尺度、中尺度 和小尺度。按时间尺度分为长时间尺度、中等尺度和短时间尺度“。 从地学信息图谱的理论研究上来看，相对早期研究而言，主要的地学信息图谱 的概念，定义基本比较公认，关注的焦点也由地学信息图谱的概念定义转移到地学 信息图谱的普通性和通用性问题，即地学信息图谱的理论、方法和技术对其它学科， 如地球科学、测绘科学、信息科学等学科会发生怎样重要的影响或作用：地学信息 图谱的新视角；地学信息图谱的的通用的，可操作性的方法技术和平台。总体而言， 地学信息图谱的研究框架基本已经建立，理论研究已经转向实用性，可操作性的问 题。 1 1 2 2 地学信息图谱的应用实例方面的研究 地学信息图谱从一开始提出概念以来，一直遵从“理论联系实际”的原则，不 断在充实理论的基础上，注重从实际应用中对应用成果进行总结。近年来更是随着 应用领域的进一步加入，拓展了原先传统地学的研究范畴。 景观方面的研究中，廖克和陈毓芬对中同自然景观综合信息图谱的建立原则与 方法进行了研究。提出中国自然景观综合信息图谱的基本表现形式、图谱设计与建 立的原则与方法，以及中国自然景观综合信息图谱及自然景观单要索信息图谱建立 第1 章绪论 的方法与步骤“2 “”1 。 齐清文等人对黄土高原地貌形态信息图谱进行了研究。该研究选择了黄土地貌 发育的典型地区进行黄土高原地貌形态的归纳和提炼，展示和分析了黄土高原地貌 形态信息图谱的表达样例，包括沟间地个体单元形态表、沟间地组合单元形态表、 垂直带谱表、沟间地空间分布格局表、沟谷空间格局表、地貌形态个体组合体的重 组表等6 类图谱表。探讨了黄土高原地貌形态图谱归纳和提炼的技术流程。( 齐清文、 池天河，地学信息图谱的理论和方法，地理学报，2 0 0 1 年增刊：8 - 1 8 ) ，陈燕利用遥 感图像和d e m 作为基本信息源来，运用数学形态学方法半自动提炼和归纳提取黄土高 原地貌信息图谱单元，然后提取单元的图形参数并实现基于定量化基础上的地貌单 元分类，还对中国水网信息图谱进行了研究“”。 张百平构建了山地垂直带谱数据结构，根据地学信息图谱的全数字化特点；+ 实 现了垂直带谱数字化与可视化，提出了垂直带谱的三级体系，归纳出垂直带谱的生 态类型，利用了山地垂直带谱结构揭示山地环境的内在特征“日。 李军对地面滑坡信息图谱进行了研究，探讨了滑坡信息图谱的研究内容及其锺 论基础与技术方法。将滑坡信息图谱分解为滑坡征兆、诊断与实施图谱，用于辅助 解决滑坡研究不同阶段和层次的方法论问题，其主要目的是提出并寻找g i s 对滑坡研 究应用的途径和方法体系“。 土地方面的研究中，地学信息图谱的应用实例也有不少，如叶庆华提出了研究土 地利用土地覆被变化的基本单元，即图谱单元，认为其是记录时空复合信息的基本 单元，由相对均质的地理单元和相对均质的时序单元复合而成，并提出了研究土地 利用土地覆被变化图谱的概念模型。同时他还在黄河三角洲的研究中，构架了空间 一属性一过程一体化图谱单元，提取了黄河三角洲4 0 年来土地利用变化的涨势系列 图谱“7 “1 “。李小英对土地利用演化信息图谱进行了研究，利用一时间系列的遥感数 据建立顺义县土地利用演化的信息图谱，提取了未来发展趋势的信息图谱“”。 在城镇或城市的研究中，地学信息图谱也有所应用，如唐中实用r s 、g i s 技术建 立澳f 7 2 0 世纪城市演变图谱，并在此基础上分析了澳门城市在2 0 世纪中的演变特征 与未来的演变趋势。，周俊等运用图谱的表达方式和g i s 分析工具，从小城镇图谱 的基本构成要素入手，对小城镇的群体空间、外部形态和内部结构的演变规律进行 了探讨”“。周江评等对城镇交通网络信息图谱进行了研究，探讨了既有交通网络中 已经运用到的地学信息图谱概念情形，拓展了基于地理信息图谱概念，综合现代r s 、 祸建师范大学张明锋博i ：学位论文 g i s 、g p s 、i t s 等技术，科学研究、系统改进交通网络中地学信息应用的可能o ”。 其它相关的应用地学信息图谱方法进行的研究还有，李宝林等对中国西部开发 点图解的地图进行了分析，简化复杂系统的图形表达o ”。黄家柱通过对长江下游河 床及江岸形态、结构、组成物质及其时空变化的分析和识别，建立近五十年来长江 河道演变图谱o “。沙晋明等用图谱表示一般水土流失地区的覆盖特征，用土壤景观 来分析水土流失区结构特征，用分形来表示水土流失区边界特征，构成一个较为全 面客观的水土流失地球信息图谱。 从研究实例总体上看，地学信息图谱的研究领域正逐渐拓展，深入，其中使用 的新方法，新技术路线正不断地充实着地学信息图谱的研究内容。尽管其中有些方 法和提法值得再酝酿，但对于一个刚起步的学科而言，j 下需要多方面进行探索和试 验。而领域的拓展和应用的深入j e 好对现仃的理论形成了进一步的验证。 1 2 生态环境综合信息图谱的研究 1 2 1 生态环境综合信息图谱的概念研究 生态环境综合信息图谱是在生态环境调查与动态监测基础上，运用生态环境基 础与动态数据库的大量数字信息，经过图形思维与抽象概括，并以计算机多维动态 可视化技术，显示生态环境及其各要素空间形态结构与时空变化规律。同时经过空 间模型与地学认知的深入分析，进行推理、反演与预测，形成对区域生态环境更深 层次的认识，为生态环境的规划决策提供重要的科学依据和具体的实施方案”。 生态环境综合信息图谱首先是一种地学信息图谱，是以计算机技术和“3 s ”技 术为基础，利用地学信息图谱的方法论探求如何将生态环境中的各种海量信息资料 按照一定的规则进行挖掘、提炼、抽象和表达，以最科学、最有效的方式准确表达 生态环境的现象和内在规律，指导并方便不同学科的人们对生态环境今后进行更广 泛深入的研究。它是对生态环境的时空特征及规律的概念性表达。它所反映的是在 某一特定的区域内，生态环境这一地理对象在空间上的属性和特征，在时i 日j 上的变 化过程。建立图谱的过程就是对生态环境的认知过程，所形成的图谱就是这一认知 结果在图形上的表达”“。 1 2 2 生态环境综合信息图谱的研究现状 生态环境是人类赖以生存和发展的空间，是区域可持续发展的核心和基础。它 又是自然、经济、社会多维发展空问的综合体系，具有层次性、动态性和区域性特 第1 章绪论 征，它既受自然发展规律的控制，也为人类社会经济活动所约束，在当前，生态环 境几乎是人类的生态环境，自然生态环境在人类的影响下，不再是原始的、纯粹的 自然环境，呈现出人类活动的强烈影响1 。尤其是近年随着经济的高速发展，生态 功能衰退，水土流失加剧，水生生态环境恶化，耕地面积减少，土地退化等等问题 严重性加剧。从整个世界各国的研究趋势来看，原来侧重对环境污染问题的关注， 现主要扩大到对环境污染和生态环境保护同时并重，为人类发展强化对生态环境的 管理能力。所以生态环境的保护、改善和重建也是当前地学研究中的一个重大研究 方向和课题。 生态环境综合信息图谱作为地学信息图谱在生态环境研究方面的重要应用实例 研究，在廖克研究员提出概念及研究框架后，其领导的研究团队以福建省为例在近 几年中开展了比较深入的研究，并已取得部分成果。其中生态环境综合信息图谱 的研究一以福建省为例获得国家自然科学基金的支持，并以此为方向招收了多名 博士研究生。 武国胜运用主成分分析法和层次分析法，对福建省生态环境进行了综合评价； 根据评价结果，对生态环境单元、生态环境动态度和土地利用程度的空间分布格局 进行研究，构建了生态环境空间特征信息图谱，并结合数学模型，对三个时期的福 建省生态环境图谱单元进行重组综合，得到“空间一属性一过程”一体化的生态环 境时空变化信息图谱，采用了分层聚类的分解法和凝聚法相结合的方法，构建了福 建省生态环境区划图谱，以谱系的形式直观地揭示复杂的生态环境因子的空间分异 规律汹1 。 陈菁则侧重从指标体系入手，提出了福建省生态环境综合信息图谱的分类系统 及其指标体系，对福建省生态环境进行综合评价，分别从综合评价的等级图谱、综 合评价指标的相关性及生态环境的分异状况等三方面对福建省的生态环境进行深入 分析。 石建平从复合生态系统良性循环及其调控机制研究方面，构建了福建省的复合 生态系统良性循环指标并进行了分地区研究及地域分类分级，提出了复合生态系统 的信息图谱设计。使信息图谱手段理论化，并研究提出实现福建省复合生态系统良 性循环的对策措施与政策建议o “。 余明在福建省生态环境基础信息图谱、各类型单元的归并与属性信息的提炼， 定量指标确定的基础上，设计研制了福建生态环境综合信息图谱数据库系统。同时 福娃师范大学张明铮博： 学位论文 探讨了生态环境综合信息图谱和属性数据双向查询与检索，以及在不同尺度下显示 图谱空间格局与属性数据的关联查询。”。 陈嫒嫒等从技术角度出发，实现了生态环境综合信息图谱的多维动态可视化， 提出多维动态地学信息图谱的主要特性是信息交互性、可进入性、实时浏览、景观 显示。探讨了其中三维景观的显示处理方法，可视化系统的总体设计”。 沙晋明等认为生态环境征兆图谱是生态环境质量、类型状况等通过遥感、地理 信息系统得以综合表示的图、像、谱、值形式，是区域演化发展过程的淀积、现代 空间格局的真实表达。并认为其由图谱体系( 包括生态水，生态能，生态元) ，数值 体系( 包括生态结构值、边界状况值、质量状态值) ，模型体系三部分构成“。 除以上所述外，相关类似的研究还有王思远对黄河流域生态环境演变信息图谱 也进行了研究，他侧重从景观生态学和遥感角度，通过选择多个景脱指数建立景观 模型，对黄河流域多年的景观格局动态变化进行了研究，得出环境综合评价图谱， 讨论了退耕还林还草的可探作性，建立退耕压力分级方案“1 。 从总体上看，生态信息图谱的研究作为地学信息图谱的实例，其应用性较强， 其研究成果已经在相关重大课题如福建省生态环境动态监测和管理信息系统中 发挥作用，研究的系统性特点也比较突出，研究体系总体比较完整，可操作性较强， 技术方法上也注重创新，将信息时代的电子地图动态生成和渲染技术大量的应用于 研究结果的表达中。 1 3 本研究的目的、意义和内容 1 3 1 本研究的目的和意义 在参加导师主持的国家自然科学基金项目“生态环境综合信息图谱研究一以福建 省为例”和福建省重大应用项目“福建省生态环境动态监测和管理信息系统”的研 究过程中，笔者逐渐认识到，在现有的地学信息图谱和生态环境综合信息图谱中， 还存有许多可开拓和发展之处，如果能结合实际生态环境状况，结合现有收集的大 量生态明：境空间数据，在进一步抽象概括的基础上，研究和建立空间信息分析数学 模型，以便使图形思维与模型分析相结合，进行信息挖掘、知识发现及地学认知， 找出生态环境时空与动态变化规律，形成对区域生态环境更深层次的认识。这种研 究成果不仅可以为生态环境的规则治理提供重要的科学依据，而且能为地学信息图 谱的进一步实例应用提供详实的理论支撑，充实地学信息图谱现有的理论和方法。 第1 章绪论 这也就是本研究的目的所在。 本研究具体的科研意义在于： l 、地学信息图谱研究尚处于起步阶段，其理论方法正逐渐完善中，对生态环境综 合信息图谱方面的研究更为薄弱。本文作为一个理论结合实际的研究，对生态环境 综合信息图谱的研究方法作一系统总结，并结合几种较新的数学模型方法对生态环 境空问信息进行分析，为生态环境的地学信息图谱化研究探索新的方法路线，充实 现有研究理论体系。 2 、作为生态环境分析实例，从实际工作中收集的数据驱动，以地学思维进行思考， 探讨在空间信息丰富状况下，地学思维融合空间数据挖掘方法的可能性和实际可操 作性，并融合先进信息技术手段，实现生态空间信息的信息表达可视化，为生态空 间信息的进一步挖掘