优秀测绘工程硕士论文范文10篇

本文是一篇测绘工程论文，测绘工程专业是个较大的范畴，更细的分有大地测量学与测量工程，摄影测量与遥感，地图制图学与地理信息工程，空间信息与数字技术，工程测量学 矿山测量学 土地管理和地籍测量。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇测绘工程论文，供大家参考。

 

 

第1章 绪 论

 

1.1 选题的依据和研究的必要性

现在随着社会的进步电网遍布全国的城市乡村、接连千家万户。电网资源分布、电力线路走向以及电塔的位置等无不涉及到地理信息。社会用电量的快速增长，电网涉及的领域迅速增加，构成电力的网络设备日趋庞大，电网企业已明显觉察到传统的电网管理手段的不足。迫切需要创新技术，改进管理方式，提高工作效率，于是 GIS 技术成为了必然选择。为贯彻《国家电网公司“十二五”信息发展规划》，落实国家电网公司信息化“SG186”工程的实施，实现“数字化电网、信息化企业”的目标，建设满足 “统一智能电网”的需要，国家电网公司组织开发电网 GIS 空间信息服务平台[1]。这个平台建成以后可以实现数据的管理与查询、成果评价、智能化分析、预测预报、数据结果输出等功能， 电网 GIS 平台的建设包括平台的部署、数据采集和处理、数据入库、培训等工作。其中数据采集、处理和入库工作是电网 GIS 平台建设中最重要的环节，也是投入时间和精力最多的一项。这里所指的数据主要指的是：基础地理空间数据、电网资源空间数据、电网资源属性数据、电网资源拓扑数据、平台管理数据及文档数据六种类型。在电网 GIS平台项目部署实施开始之前，需提前对电网 GIS 平台的建设数据等进行搜索查找和准备，以保证平台部署和实施工作快速顺利开展[1]。

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1.2 国内外地理信息系统研究的历史及现状

地理信息系统（Geographical Information System，GIS），也被称为“地学信息系统”[2]。它是一种非常重要的空间信息系统，是从 20 世纪 60 年代中期发展起来的一门多技术交叉的空间信息科学。GIS 主要有四部分构成：计算机系统（硬件和软件）、地理空间数据和用户 (也包括系统管理者)[3,4]。GIS 通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析处理，最后生成并输出各种所需要的地理空间的信息，从而为电力部门、土地管理部门、资源管理部门、环境监测部门、交通运输、城市规划以及政府行政管理部门等提供参考，为工程项目的设计、规划和决策管理服务。地理信息系统具有各种各样的功能，目前已经广泛应用于现代社会的各行各业，尽管 GIS 在电力系统中的应用刚刚起步，但在电力生产和管理当中已经发挥了重要作用[5,6]。GIS 至今日已经有 50 年的发展历史，随着“3S” 技术的发展即 GIS、RS 和 GPS 更加紧密的结合，可以肯定的是，地理信息系统将会深入到各行各业，它的应用会越来越普遍。

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第2章 测绘技术在电网测量中的应用

 

2.1 全站仪测量的原理

全站仪的全称是全站型电子速测仪，它是及电子经纬仪、光电测距仪以及微型处理器于一体的智能测量型仪器。它由电源、测角系统、测距系统、数据处理中心、通讯接口、显示屏、储存器、输入输出部分组成。它的功能包括：测量水平角、竖直角和距离，同时拥有后方交会、放样、偏心测量、悬高测量、对边测量、面积计算等功能，测量的时候其内部的微处理设备可以对获得的倾斜距离、水平角和竖直角、垂直倾斜误差、视准轴的误差、垂直读盘的指标差、棱镜常数、气温、气压等信息加以计算处理，从而可以获得观测各项改正后的数值。电力测量中需要知道电力设备的三维坐标，即 X、Y—平面坐标、Z—竖直坐标，要用全站仪获取坐标信息，首先需要对整个测区布设控制网，求出控制网中控制点的坐标，把这些控制点作为全站仪的设站点和后视点，为提高点位的测量精度，全站仪在测站点上设站时一定要严格对中和整平，然后瞄准测量的标志，全站仪内部就可以直接计算出这些点的坐标，并通过屏幕显示出来。电力测量中点位的坐标测量的基本方法有极坐标方法、方向交会的方法、测量距离方法、方向距离交会法、直角坐标法等，在测量中，有些电力设施所处的环境是人所不能到达的地方，这是除了方向交会法之外的其它方法就无法测量这些点的坐标了。所以方向交会法是常用的测量方法，它又可以分为：在两个已知点设站求未知点的前方交会，已知一个测站点的方向角和一个已知的方向角交会两种。

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2.2 GPS 测量的原理

随着全球定位系统的问世和发展，它在测量中的应用越来越多，因为它具有定位精度高、全天候工作、高效率，同时不像全站仪那样要求测站间互相通视，所以它在测量中的应用广泛，深入到测量的各个领域。全球定位系统现在包括：美国的 GPS，俄罗斯的 GLONASS，欧盟的 Galileo，中国的北斗，好多公司的接收机为了提高定位精度，研发生产了同时接受多个导航系统型号的接收机，但 GPS 在最近还是发挥着主导作用，在电塔数据的采集过程中，用到的接收机有双星（GPS、GLONASS）的和单星（GPS）的两种，在这里只介绍一下 GPS 相关的。GPS 系统有三部分组成：空间部分（24 颗 GPS 卫星）、地面监控中心和用户部分。24 颗 GPS 卫星分布在 6 个几乎圆形的轨道上，每个轨道面分布 4 颗卫星，当卫星高度角大于 15°时，位于地面上任何地点的用户每一刻都能观测至少 4 颗卫星，GPS 卫星连续向用户播放可以实现定位的测距信号和导航电文，同时它们也接受地面监控站发送的各种信息和指令来保持系统的正常运行。地面监控中心系统的作用是：跟踪工作的 GPS 卫星，确定各个卫星的健康状况和运行轨道以及卫星的钟差改正数，进行预报后，再按照规定的格式编织成导航电文通过注入站送达卫星。用户可以通过 GPS 接收机提供的数据来测定接收机到卫星的伪距值，接收机内部根据卫星星历中给出的观测瞬间卫星在空间的坐标信息来自动计算自己的三维位置（即三维坐标）、三维运行速度和接收机的钟差等参数。

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第 3 章 数据采集内容、采集方案及实施计划......15

3.1 数据采集准备 .....15

3.2 数据采集的内容 ........16

3.3 数据采集的技术指标和原则 .........18 

3.3.1 数据采集的技术指标 ..........18 

3.3.2 数据采集的原则 ....19 

3.4 数据采集模式 .....20 

3.5 外业数据采集的内容和方法 .........20

第 4 章 数据成果提交及检查方案.....27 

4.1 外业成果提交方式 ....27

4.2 数据质量的检测 ........33

第 5 章 数据处理的软件设计......37 

5.1 外业数据的检查 ........38 

5.2 输电设备中心点坐标计算步骤 .....40

 

第5章 数据处理的软件设计

 

电网基础数据中外业采集的数据量比较大，输入到数据库中时，要求输入电力设施的中心点的坐标，发电厂、大用户、变电站数量不是很多，采集的时候一般都是沿着围墙采集，他们不是固定的几何图形求取中心点坐标时，就很难用去求解，可以测量的点展到 CAD 中，去拾取他们的中心点坐标。前文中提到的输电设备的的数量比较多，他们的中心点位坐标求取可以用程序实现，这样就可以节省大量的人力和时间。本文中数据处理的采用的软件的开发环境是 VS2008，处理数据的程序有些用的是 C++写的，有些用的是 C#写的，关于 C++和 C#两种语言这里做一下简单的介绍：C++语言是从 C 语言基础上发展起来的，C 语言是面向过程的语言，在这个基础上 C++发展成一种即可以面向对象又可以面向过程的混合型的程序设计语言，它既可以编写系统底层方面的代码，也可以编写应用性的软件，它的语言特点有以下几个方面：

（1）C++几乎可以运用发到所有的应用程序，从文字处理应用程序到科学计算应用程序，从操作系统到开发计算机的游戏等。C++的兼容性比较好，现在很多的商业 C++库可以支持各种操作系统的环境。

（2）C++更多的说是一种面向对象的程序设计语言，它具有封装、继承、多态等特点，这使得一个程序的各个子模块之间可以相互独立、条理清晰、提高可读性和可移植性，使得程序代码的结构更加合理，减少代码的重复书写，扩充性更强，这对于一些大型软件的设计、编制和调试会很简单。

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总结

 

电网 GIS 建设中，需要大量准确的空间数据和属性数据，所以如何采集这些数据以及采集的方法和精度就显得至关重要，本文中在第二章介绍了现代测绘技术的各种常规技术方法以及各种测量方法的原理，第三章介绍了电网基础数据中比较重要的电力设施的采集内容和采集精度要求，第四章详细介绍了不同电网数据的测量方法，对比和分析第二章介绍的各种测量方法在不同类型的电力设备采集中的应用，选出最优的测量方案，为了保证数据的准确性提出对测量的数据的检测和抽查方案。在测量过程中严格按照规定方法施测不仅可以保证数据成果质量，同时也极大减少了返工的可能性，提高了工作效率。有些情况下增加多余观测，这样也就增加了数据的检核条件，保证了空间数据的可靠性。由于外业测量时，尤其是输电设施上的输电线都是高压线，GPS 接收机在它们正下方测量时，信号会受到电磁场的影响，往往达不到要求的精度指标，或者是输电设施所处的地理环境比较恶劣，测量时不能靠近它们，针对这些情况，文中也提到了采用三点画圆法加上测距仪或双方向法加上测距仪的测量方法，这样就可以避开高压线的正下方，也可以达到要求的精度。最终要求提交的是输电设施的中心点的坐标，而上面介绍的测量方法，一点测量除外(这种方法可以直接测出中心点的坐标)测出来都不是中心点坐标，发电厂、大用户数据、变电站测量的时候是沿着外围的围墙进行的，他们一般没有规则的几何形状，所以提取中心点坐标只能在 CAD 中进行，这些在电网数据中占得比例很小，电网数据中最多的是输电线路，所以本文第五章的程序设计主要是针对输电线路的杆塔而言的，我们知道传统数据处理方法虽然可以得到电力设备的中心点坐标，但步骤复杂，需要人工操作，工作量极大，出现错误可能性很大，对于文中介绍的不同的测量方法都推导出了相应的中心点计算公式，通过编写坐标计算的程序，将数据自动导入、坐标由大地坐标向直角坐标转换、中心点坐标计算、成果输出的工作全部由计算机来完成，这样就减少了错误的出现可能性，提高了工作效率，并且可以得到准确、可靠的成果。

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参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

1.1 选题的背景及意义

土地是人类生存发展所必备的资源，而建设用地又是与人类关系最密切的一种土地资源，随着人类文明的进步、社会经济的快速发展，其需求量也会不断地增加。然而由于其可逆性比较差，若利用不合理就很难再转为其他用地。所以，土地利用规划的过程中，为了在满足社会经济发展需要的同时，避免非理性扩张建设用地的规模，我们必须进行科学合理的预测和规划建设用地[1]。随着我国经济的发展,在国家支持赣南苏区振兴发展政策的指导下,加快了赣州市的城镇化、工业化和现代农业进程,因此赣州市正处于快速健康发展的关键时期。在这时期，赣州市城镇土地利用面积、开采矿业的土地面积、农村居民点的面积、交通水利等基础设施各种建设用地面积将会激增，是一个增长迅速的时期。但是，在发展社会经济促进生产提高生活水平的同时，不能盲目扩张建设用地的面积而松弛对耕地的保护，必须遵守国家耕地保护政策制度和节约用地制度等一系列用地政策，并且要从严从慎。在这样的背景下，怎样将建设用地的预测做到更加科学、合理已成为赣州市社会经济建设所必须面对的一个重要任务。在建设用地的合理预测研究上，国内外的许多学者和专家进行了长时间的探索，取得了一定进展和成果，但是现在还没有一种理论方法走向成熟得到认可，而在实际的预测研究中也没有运用好相对比较科学的预测方法，特别是前两次土地利用规划的编制。基因表达式编程（Gene Expression Programming，简称 GEP）是葡萄牙学者 Ferreira[2][3]在遗传算法(genetic algorithm, 简称 GA)和遗传程序设计(genetic programming，简称 GP)的基础上发展而来的新事物。它是结合了各自优点后形成的新遗传算法，遗传操作中编码使用的是等长线性符号，个体表现型则是树结构，这样的规则使得其能够容易揭示问题复杂的内在规律和描述解决问题的过程，是一种非常理想且实用的程序。

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1.2 建设用地需求量预测研究现状

在国外，对于建设用地的需求预测领域的探索，主要体现在在城市建设用地的合理结构规模和预测模型两个方面的，对其的研究并非单独进行的，而是在研究城市发展和用地扩展的同时进行的。在合理的用地结构和规模方面，国外对其的研究历史悠久，并已将诸多理论运用到了实际研究中，如城市经济学、城市地理学、城乡区域发展等，国外学者普遍认为城市规模具有不可实现性，即最佳城市规模状态在现实中是难以实现的。Renaud[6]（2004）在其城市研究中对体系结构的分析就表述了这个观点。城市建设的所需开支无法预见且获得的利润难以预先确定，以及城市体系中对一个城市的等级划分与确定的难以实现，使得确定或规划最佳规模成为一项不可能完成的任务。Mori[7]指出在英国大多采用“绿带”与规划许可这两项措施来调控城市用地，在日本则是通过区分为建设区和建设控制区来对城市用地进行调控，在韩国则是将 GIS 技术应用到土地规划利用编制中来合理安排各类用地的布局和规模[8]。总之，国外在进行建设用地需求预测时，是结合 GIS 技术分析和详细调查两种方法来研究的，而且是在建设用地结构布局的时进行的，并没有单独作为研究对象[9]。

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第二章 建设用地需求预测理论及赣州市指标体系的建立

 

2.1 概述

本研究的对象是建设用地的需求量预测，需要先对其进行相关概念的界定，确定研究的主体，然后对支撑研究的相关理论基础和方法进行分析。建设用地是指人们通过采取相关工程措施，对土地资源开发利用，为满足其生产、生活等物质建设的需要所提供的土地。其目的是以土地承载力、操作场地和建筑空间及其地下资源为基础，把土地作为生产的场所、生活的空间。建设用地除具备土地的一般特性外还突出表现出以下特性：通过分析在人类出现以后的土地演变过程和出现城市后的发展历史，可以得到这样的结论：人类在聚居形成居民点之前是没有建设用地的，如今所谓的建设用地都是在有了城市后从其它地类演化而来的。相对而言，由农用地转为建设用地是比较容易的，只要条件允许，具有一定的区位优势，且符合区域各级土地利用规划，就可以进行建设开发活动，将其转为建设用地。反之，将建设用地转为农用地，首先需要消耗一定的人力和财力将地上附属物拆除，还需要采取相关理化措施恢复土壤肥力，其复垦成本也是相当高的。区位条件包括地质条件、交通条件、地理位置、水源条件等，这对于土地能否转变为建设用地起着非常重要的作用。道路建设、矿产开发、城市发展都与区位有关，对环境有污染的生产活动在位置的选择上更为重要。需要指出的是，位置作为一个相对性的概念主要表现在以下两个方面：①对一种用途来说是好位置的土地，而对另外一种用途来说可能就是不好的位置，如紧邻商业区的土地对居民来说是很好的居住选择区位，但是对于工厂则不一定是很好的区位；②区位条件是随着经济活动发生而变化的，例如：交通建设、房地产开发、商业活动等都可能将一块位置不好的土地变成位置较好的土地。因此，在规划建设用地的时候应该综合考虑区位因素，分析优化、合理分布土地资源。

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2.2 建设用地需求量预测理论基础

建设用地需求预测就是对研究区的建设用地进行科学合理的预测算，得到一定规划时期内的需求量数据。根据土地利用规划的相关原理，进行建设用地需求预测，首先对要区域历年建设用地供求情况进行比较分析，以便掌握各阶段用地需求的变化规律；然后结合影响建设用地需求变化的因素，对建设用地未来一定时期内的需求变化进行预测，为科学配置土地资源、进行合理的土地规划提供决策依据。需求在经济学的领域中，是指的一个固定时间段中需求方在其他因素保持不变下，所有可能价格水平所能购买的商品数量。而需求在土地上讲就是人类生存发展所需的土地，除了最根本的生存所需土地外，发展到今天还需要各种消费和更为舒适的生活空间和追求。因此，土地在人类的生活中起着更为复杂的作用。人类对土地的需求体现在各种土地类型上，人类需要农业用地种植各种生活必需品来维持生活和满足需求，耕地来种植农作物解决吃饭的问题，林地主要是解决人类生活对木材的需要，耕地和林地的需求量就受到不同方面不同程度的因素影响；人类也需要非农用地，主要就是建设用地，包括城市用地、工业用地、交通水利等等，这些需求也是在人类社会发展的过程中必不可少的，人类需要住所、需要发展、需要行走、需要赚取更多的价值，在这个过程中就产生了对各种用地的需求。

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第三章 基于 GEP 的建设用地需求量预测模型的构建 ...... 21

3.1 GEP 的理论基础........... 21

3.2 建设用地需求预测的 pre-GEP 模型.... 29

第四章 赣州市建设用地需求量预测及分析 ...... 35

4.1 基于 GEP 的赣州市建设用地需求量预测.... 35

4.2 基于线性回归的赣州市建设用地需求量预测.... 37

4.2.1 线性回归建模过程.... 37

4.2.2 赣州市建设用地需求量线性回归预测.... 39

4.3 基于灰色理论的赣州市建设用地需求量预测.... 42

4.3.1 灰色理论建模过程.... 42

4.3.2 赣州市建设用地需求量灰色理论预测.... 43

4.4 预测结果及分析.... 46

第五章 总结与展望 .......... 48

5.1 总结........ 48

5.2 展望........ 49

 

第四章 赣州市建设用地需求量预测及分析

 

4.1 基于 GEP 的赣州市建设用地需求量预测

对于建立的回归方程还不能直接作为模型使用，在进行现实问题的解决和预测之前，一般还需对模型进行相关检验，确保所建的模型是有效的，检验的参数有很多，这些都可以对预测模型能否正确抽象所观测系统的规律进行检验。目前对模型检验的多种方法是可拟合优度检验、回归方程的显著性检验、回归系数的显著性检验及残差分析等，这些都是重要的检验标准。对于建立的模型还不能直接用于预测，有可能存在个别变量影响模拟效果，需要优化建立的回归方程，就是从众多因素中选出显著影响的自变量来建模。筛选方法有逐步法、前进法和后退法。本文采用最受欢迎的逐步法来进行优化，其思想是一个个引入变量，逐个检验和剔除，每一步都要进行Ｆ检验来确保原始方程中只有相关性显著的变量，最后得到最优回归方程。GEP、线性回归、灰色理论三种模型的平均相对误差分别是0.1466%、0.5789%、1.1369%，而且平均相对误差是统计分析和统计推断中主要测度值，在统计学中具有重要地位。GEP 的平均相对误差比线性回归和灰色理论的要小得多，这说明 GEP 预测的精度更高，其中 GEP 预测精度比线性回归模型预测精度提高了近四倍，比灰色理论模型预测精度提高了近八倍，更接近真实值。尽管如此，GEP 预测模型的预测值并非每一个都比其他模型的要高，个别的预测值上也是不如其他模型预测的准确，比如 2010年的预测值灰色模型就比 GEP 模型拟合的好，精度更高。

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总结

 

本文通过对赣州市建设用地需求量变化影响因素的分析，根据 GEP 在自动建模和预测上的特点，将 GEP 运用到此领域的预测上，建立了 pre-GEP 预测模型，又选取了线性回归模型和灰色理论模型进行了预测对比，通过三种模型预测结果的对比分析得出，pre-GEP模型的预测精度比其他两个模型有一定的提高。本文主要研究工作和取得的成果如下：

（1）分析了建设用地需求量预测的研究现状和 GEP 在预测上的研究现状，并将 GEP引入到建设用地的需求预测方面。

（2）定性分析了影响赣州市建设用地需求量变化的影响因素，从中选取了 10 个具有代表性的影响因素作定量分析，利用相关分析软件 IBM SPSS Statistics 19 筛选这 10 个影响因素，选取相伴概率显著性≤0.05，且相关性系数大于 0.8 的四个影响因子，建立了赣州市建设用地需求量预测指标体系，他们分别是 GDP、工业增加值、城市居民可支配收入、财政收入，其相关性系数和显著性检验值分别是 0.855 和 0.002、0.880 和 0.001、0.855 和 0.002、0.918 和 0.00014。

（3）通过分析 GEP 解决问题的基本流程和建设用地需求量预测的复杂度，采用多基因染色体，相对误差适应度函数和精英策略，通过实验和经验的结合给出了合理的模型参数值，并根据标准的 GEP 算法设计了适合建设用地预测的 pre-GEP 算法。

（4）根据提出的 pre-GEP 算法，以 VS 为开发平台，C++为开发语言，开发了基于 GEP的赣州市建设用地需求预测程序；开发的软件易于操作，容易理解，能够很好地完成预测工作。

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参考文献（略）

 

 

第一章 绪 论

 

1.1 研究背景及意义

土地是人类生存和发展的物质基础，是国家的基本要素。土地资源作为土地的重要组成部分，对中国的宏观调控、土地资源真实和准确的数据管理发挥了重要作用[1]。为了有依据的开展土地调查工作，我国制定了相关的土地调查制度，并逐步对这一制度进行完善。土地调查制度作为我国的基本制度之一，是贯彻落实科学发展观的总需求，是保护农民的切实利益，保持社会稳定的需要。完善的土地调查制度不仅能提高政府的执法能力，还能对我国的耕地依法进行保护。在遥感影像的基础上，各地区通过外业调查工作对权属、地类、位置、面积等进行实地核查[2]，了解我国城市和农村的土地类型分布以及土地使用情况；对集体土地和国有土地使用权登记发证情况进行核实；查清我国基本农田地块的数量和分布等有关情况，并对每块基本农田进行备案登记和保护；建立土地调查数据库，提高数据准确性，方便在今后实现数据管理、数据共享、数据检索和数据修改等工作[3]。我国的土地调查工作始于 1988年，由于当时技术落后，计算机发展刚处于起步阶段，到 1996年我国才结束了第一次全国土地调查工作。2007年，我国开始筹划进行第二次全国土地调查工作，2009年底完成了该项工作[4]。2010 年开始，全国土地调查进入日常变更阶段，土地调查数据库更新已经成为迫切需要解决的问题。为此，中国土地勘测规划院组织编制了《土地调查数据库更新标准》（以下简称：《更新标准》）和《土地调查数据库更新技术要求》（以下简称：《更新技术要求》），提出了构建土地调查数据库增量更新模型的思想，并给出了具体的构建方法，同时规定了土地调查数据增量包的内容、要求和格式，明确了土地调查数据的增量更新模式。2011年，按照全国行政区划，实有 2885 个县级土地调查单位完成了外业变更调查，按照规范后的增量变更方式提交了土地变更调查矢量数据增量包，数据容量达 300GB，初步实现了土地调查数据库有关矢量数据的增量更新工作。至此，全国土地调查矢量数据增量更新模式已经基本成熟，实现如此海量的矢量数据增量更新，经初步查证，在国内外属于首创[4]。

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1.2 国内外研究现状

中国是一个历史悠久的国家，在土地利用研究方面也具有悠久的历史，早在二千年前，《禹贡》作为最早的古代地理文献记录了我国不同地区的土地分类和土地利用状况，但是受当时技术限制，进行的研究并不多。在上世纪三十年代，我国曾经就当时的土地利用调查情况进行过一次比较系统的调查研究工作。在国际上，英国早在 1931年开始了土地调查工作，美国的土地调查工作也开始的比较早，具体为 1934年。而在亚洲，日本是最早开始土地调查研究的国家，在 1951年就出台了与土地调查有关的相关法令，并于 1962年颁布了土地调查计划书。但这些最初的土地调查成果受当时条件的限制，并不能建立最为完善的土地调查数据库[5]。遥感技术具有客观性强、周期短等优点，它不仅能在短时间获取最新的土地利用信息，而且可以持续获得很稳定的土地覆盖数据流。根据土地利用数据的用途不同，需要的基础图件比例尺也不相同。利用先进的遥感技术，可以实现这些不同比例尺图件的实时更新工作。美国、加拿大等国家，在卫星遥感数据与航空遥感数据的基础上，对本国的土地利用情况进行调查，这种调查工作一般每五年或者十年进行一次。另外一些发达国家，如日本、澳大利亚等，也会使用卫星遥感的方法定期对土地资源的利用情况进行调查。在国外，近二十年来遥感技术已被广泛应用于国土资源管理中。

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第二章 土地调查及更新

 

2.1 数据生命周期的基本概念

“周期”是一种时间跨度，它强调的是数据运动，体现了数据从最初的形成、变化的过程、现实的状态到历史保存的整体运动过程。“数据生命周期”则是指数据从产生到变化，从现状到历史保存的整体的运动过程[12]。数据是一个完整的运动过程，它描述了事物从形成到变化，从现状到历史保存。因为数据价值形态的不断变化，这一完整过程可以归纳为以下阶段：产生、变化、现状、历史保存。由于数据的价值形态具有规律性的变化，因此数据的其整体运动过程具有不同的阶段性，而各个阶段的特点也不相同[12]。数据生命周期反映了数据运动的内在联系与整体性，它为数据管理奠定了理论基础。数据生命周期在整体上是一个连续的过程，数据运动的过程需要前后衔接，而且各个阶段会相互影响，因此需要根据各个阶段数据的本体特征与管理特征对其进行划分[12]。

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2.2 土地调查数据的生命周期

论文在第一章已经指出了进行土地调查工作的重要意义，为了进一步规范土地调查行为，早在上世纪八十年代，国家就制定出了《 土地利用现状调查技术规程 》，规程明确了“土地利用现状分类”。在该分类中，一级类共有八个，二级类共有四十六个[13]。随着社会进步的要求，根据国家需要开展土地详查工作，获取最真实的土地数据，了解我国土地利用的实际情况，如土地类型、数量和使用情况等，建立国家级的土地资料库，同时需要对我国土地的利用情况进行科学评估，给出评估报告，为国土资源管理提供依据。同时在 1990年汇总出各类土地数据资料并进行提交。由于工作量巨大，技术要求高且投入经费不足等原因，土地详查的进度比较缓慢，暂时还不能满足经济建设与社会发展的需要。为了进一步获得充足的、准确的国土资源数据，1989年，按照国务院指示，适当延迟了第一次土地调查的最后期限。由于第一次土地调查工作是在计算机刚起步的环境下进行的，内业几乎全是由人工来完成，不仅工作量大，而且时间特别长。后续地市级和省级的数据汇总困难，图件缩编进度缓慢。全国有 2831个县，到 1994 年，共有 2350 个县完成了基本任务。国务院办公厅指出，“经过十年的努力，县级调查已经基本结束，现在转入到地（市）、省和全国的土地调查汇总工作阶段。各级政府在完成基本工作的基础上必须再接再厉，建立动态监测制度，要为进一步加强土地的管理工作打好坚实的基础，以适应国民经济与社会发展的需要。”

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第三章 增量数据库建设....... 16 

3.1 数据库增量更新...........16 

3.2 增量更新基本原理.......16

3.3 更新空间要素分层.......16 

3.4 增量数据库更新模型...........18

3.5 数据库更新实例模型研究...........34 

第四章 新型增量数据库....... 40 

4.1 重构增量包模型原因...........40 

4.2 重建土地调查增量数据库...........41

4.3 重构增量模型.......44 

第五章 增量数据库模型应用与实践........... 49 

5.1 实验准备 ......49

5.2 实验方案设计.......49 

5.3 实验数据源 ..........50 

5.4 增量数据生成过程.......52 

5.5 增量数据成果检查.......57

 

第五章 增量数据库模型应用与实践

 

5.1 实验准备

利用外业调查成果资料和数据，按照更新前要素分层进行变更矢量数据采集和相关属性信息采集。数据采集方法和要求依据《更新技术要求》的规定，数据必须保证拓扑正确。利用更新后要素成果，分层与变更基础库所有图层叠加，提取基础库中所有涉及变化的点对象、线对象和面对象，将所有提取的对象集合分层整合为更新前要素，并补充、完善相关属性信息，形成更新前要素成果。如下图 5.6 所示，其中绿色和淡绿色部分为 2011 年末数据（更新基础数据），红色部分为更新后要素对象，被红色部分包含、分割或与红色部分相交的 2011 年更新数据中的要素对象集合为更新前要素。首先将更新前要素、更新后要素和更新过程要素三个 VCT文件分别转为ArcGIS 的 ShapeFile 格式；然后利用 ArcGIS软件对实验数据进行精度与拓扑检查，并进行属性数据检查[54]。属性检查的主要内容为检查各图层更新前、更新过程和更新后的图层名称、属性字段的名称、数量、类型、小数位数等能不能满足属性结构规定的要求。拓扑检查的主要内容为检查各图层里的各要素是否存在重叠、相交问题；对于线图层，则还需要检查线图层里的要素是不是存在悬挂线；对于面层则还需要检查面图层里的要素是不是闭合。其他要素层需要检查的具体内容可从表 5.1中获得。逻辑一致性检查的主要内容为检查各个图层里，各字段的属性是不是保持一致，检查各个图层要素中的标识码是不是唯一的，其他要素层需要检查的具体内容可从表 5.1 中获得。

………

 

结论

 

土地调查数据的更新问题，最基本、最迫切的就是土地调查增量数据模型的研究。增量数据模型的优劣，不仅决定了土地调查数据工程的组织、管理、机制和技术方面的模式，同时对于土地调查信息管理系统的稳定性、功能的实用性和操作的灵活性有着决定的作用，而且对于土地调查数据在国土、水利、环境、农业和建设等国民经济其他领域的广泛应用、深入研究与可持续发展有着严重的影响和制约作用。论文首先介绍了土地调查工作在我国的土地管理中起到的作用，在了解了我国先后进行的两次土地调查和进行土地调查数据更新的原因之后，给出了土地调查数据库的更新流程。论文重点介绍了土地调查增量更新的基本原理、要素更新和增量数据库更新模型，并通过地类图斑要素实例对更新模型进行研究。在原有增量包模型的基础上，根据国家的最新相关政策法规和国家对土地调查数据的更高需求，提出了重新构建数据库模型的新思想并给出了新模型的具体实现方法，最后在合肥市庐阳区土地调查增量数据库的基础上，通过实验对土地调查数据在新模型下的更新实现结果进行了检测。传统的土地调查数据库更新，以地类图斑为例，每个图斑的变更需要手动逐一进行修改，在全国范围内不易实现。增量更新技术可以通过变更软件直接实现变更前到变更后的更新工作并且错误较少。利用增量包的形式实现土地调查数据库的更新工作，它只需要每年更新有变更的地类要素，可以减少数据冗余，提高更新效率。

…………

参考文献（略）

 

 

第1章 绪论

 

1.1 研究背景及意义

自 2007 年起，国土资源部经过两年多的努力全面完成了第二次全国土地调查任务。2009 年底，土地调查获取了准确、可靠、丰富的数据和图件等成果，国家、省、市、县四级土地调查基础数据库基本建成。2010 年依据《土地变更调查技术规范》、《土地调查数据库更新标准》和《土地调查数据库更新技术要求》等标准的要求，全国土地变更调查按照增量更新方式，提交了土地变更调查矢量数据增量包，基本实现了国家土地调查数据库的矢量数据增量更新，确立了土地调查数据的增量更新模式。根据 2011 年全国各地数据库建设和全国土地调查数据库更新工作反馈意见，总体上存在数据库建设与更新工作依然复杂，技术标准要求较高，数据库建设与更新耗时过长，各级国土资源管理部门技术力量不均衡，部分地区土地调查基础数据质量不高，年度土地调查更新数据成果依然存在各种数据冗余和部分数据不完善等现象；具体技术上，也存在土地调查数据库检查规则与实际土地变更调查结果、土地勘测定界成果难以完全相符，线状地物、行政界线、权属界线、地类界线变更和数据更新复杂等细节问题，《土地调查数据库更新标准》和《土地调查数据库建设技术要求》需要补充、调整与完善。通过对土地调查数据库增量的技术分析，线状地物已经成为多种问题产生的主要根源。研究线状地物本身的特点，分析线状地物与其他土地调查要素的相互关系，探索将线状地物转化为面形要素的可能性与可行性，解决土地调查数据库成果管理、更新、决策与应用等方面存在的问题，补充与完善土地调查数据库建设的技术路线和方法，提出完善《土地调查数据库更新标准》和《土地调查数据库更新技术要求》的建议，对提升土地调查数据库的建设质量和完善数据库的更新方法具有重要的意义。

………

 

1.2 研究现状

国内外研究现状。土地调查数据中线状地物都是以依比例尺或者半依比例尺的形式存储。缓冲区生成算法比较多，多边形叠加算法研究。当前地理信息系统主流软件平台（如 ArcGIS、MapGIS、SupMap 等）中关于缓冲区生成（Buffer）均比较成熟，可以生产单侧缓冲区，双侧不对称缓冲区、双侧对称缓冲区和多级缓冲区等，但算法都没有公开。缓冲区的生成多用以分析这些目标实体对象对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为某项分析或决策提供依据[1]。例如，在地震灾害监测预报和救灾工作指导中，根据地震源坐标和震级，从而确定地震影响程度和范围；在淮河水灾害评估中，利用其可以确定洪水淹没的范围，从而估算损失；在城市规划中，根据道路需要拓宽的距离，确定需要拆迁的范围和对象；在商业选址中，根据人口的密度程度和交通便利情况来决定超市的位置。本文利用缓冲区生成实现线状地物转换成图斑地物。因此，如果利用缓冲将土地调查中线要素转换成多边形（图斑）要素，需要对缓冲区生成算法与多边形叠加的算法进行深入的研究，以达到将线线状地物转换成面状地物的目的。

………

 

第2章 研究路线与方法

 

2.1 目标与任务2

.1.1 研究目标

本项目针对线状地物变更与数据更新带来的突出问题，旨在探讨土地调查数据中线形要素与面形要素之间的转换关系，研究线状地物面化的技术途径与实现方法；评价线状地物面化对现有土地调查变更机制、技术方法和土地调查数据库成果管理、更新机制、标准规范、更新技术、数据变化、决策支持和成果应用等方面的影响；最终从技术层面，提出线状地物面化对改善现有土地调查数据更新机制、技术路线、技术方法的可能性和工程实现的可行性。

 

2.1.2 研究任务

（1）研究线面关系转换的技术思路和实现方法分析线状地物变更与数据更新带来的问题，深入研究线状地物与相关土地调查要素之间的关系，针对线状地物与相关土地调查要素之间的各种存在方式和关系，研究线状地物面化实现方法和技术路径。

（2）评价线状地物面化对土地调查要素、数据和图形展现的影响在研究线状地物面化的技术思路和方法的同时，特别研究线状地物与行政界线、权属界线、地类界线同属同一空间位置时的线状地物面化后的图形展现、数据统计等问题，评价线状地物面化对行政界线、权属界线、地类界线、图斑面积、地类面积、线状地物面积、图形表达等相关土地调查要素、数据和展示的影响。

（3）提出线面关系转换理论可能性和工程可行性结论根据线状地物与相关土地调查要素之间的关系，设计不同种类、不同数量级的模拟实验数据。在模拟实验数据实验、分析的基础上，选择实际数据，进行实际检验、分析，探索和提出线面关系转换理论可能性和工程可行性的结论。

……..

 

2.2 理论分析

首先针对线状地物的空间特征，分析线状地物和相关土地调查要素之间的几何图形关系与属性逻辑关系；通过研究线和线之间、线和面之间的拓扑关系，提出线面转换的空间模型和数据关系，利用空间分析理论和方法，分析土地调查数据中线面关系转化的数学损耗，研究线面关系转化的可能性。

 

2.3 实验检验

在理论分析的基础上，利用缓冲区分析、临近分析、空间叠加、空间裁剪、空间抽取等空间分析方法，建立线状地物面化模型，并评价线状地物面化对图斑面积、地类面积、线状地物面积、图形表达等相关土地调查要素、数据和展示的影响，提出线面关系转换工程实现的可行性。最后选择 2 个经过测评的土地调查数据库更新系统（ArcGIS 平台和 MapGIS 平台）对各种理论分析模型进行实际验证。

……..

 

第 3 章 基本概念......6

3.1 线状地物 ......6

3.2 地类图斑 ......7

3.3 缓冲区 ....7

3.4 土地调查数据间拓扑关系 ........9

第 4 章 面化方法....15

4.1 缓冲区生成方法 ....15

4.2 线状地物面化方法 ......18

4.3 线面化边界生成详细算法 ......20

第 5 章 线面关系转换模型建立....32

5.1 单条线状地物面化 ......32

5.2 多条线状地物面化 ......44

5.3 线状地物面化影响 ......56

 

第6章 实验检验与分析

 

6.1 模拟模型实验检验

建立一个模拟模型，模拟线状地物与线状地物分离、相交和相近，线状地物与图斑分离、相交等可能的各种情况，见图 6.1。利用模拟模型中单转折角的线状地物分析检验单转折角的线状地物面化模型；多转折角线状地物分析多转折角面化模型；利用模拟模型中的所有线状地物分析多条线状地物面化模型以及线状地物面化后与图斑的拓扑关系。数据来源于合肥市土地调查数据库中的庐江县线状地物。所选区域以安徽省合肥市庐江县为案例实验检验。所选区域是周瑜故里、温泉之乡、矿业大县。全县辖 17 个镇，2 个省级经济开发区，1 个国家级台湾农民创业园，231 个村及社区。国土面积 2348 平方公里，北接省会合肥，东临中国第五大淡水湖—巢湖，南近“黄金水道”—长江。境内有西河、兆河（三级航道）等河流，属长江水系。

………..

 

结论

 

（1）从理论上分析，利用角平分线法可以实现单条线状地物的面化。利用凸角圆弧法只能实现特殊情况下的单条线状地物面化；一般情况下，对单条线状地物而言，凸角圆弧法的面化结果和土地调查数据中实际面积计算值之间存在理论误差。

（2）多条线状地物面化可以看成多条中的每条线状地物面化的集合，多条线状地物面化后总面积与土地调查数据中的总面积差也可以看成是每条线状面化前后差的代数和。同样，从理论上分析，利用角平分线法可以实现多条线状地物的面化。利用凸角圆弧法只能实现特殊情况下的多条线状地物面化；一般情况下，对多条线状地物而言，凸角圆弧法的面化结果和土地调查数据中实际面积计算值之间存在理论差。

（3）对于具有共同端点的线状地物，一般情况下，面化后在端点处会出现多边形重叠现象，经过拓扑处理通过融合方式可消除重叠。线状地物面化后的面积与线状地物在土地调查中的面积相比，除特殊情况之外，在计算模型中一般均存在理论上的误差，这个误差主要来自于线状地物端点或折点处面化过程中面积的损失。

（4）线状地物面化成线状图斑可作为土地资源调查中的地类面积统计的一种方式。在面积计算方面，线状地物处于图斑边界上时，因为线状地物面化后处于图斑边界内外两侧的线状地物面积并不相等，在扣除面积的计算模型中，与土地调查数据库中线状地物的扣除模型相比较存在理论上的误差损耗。

（5）通过对线状地物面化模型的实验检验，发现实验结果和理论分析结果基本一致，线状地物面化后的面积与面化前相比均出现误差。

…………

参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

1.1 选题依据及研究意义

地铁作为繁华都市的现代化交通方式。地铁相比于其他交通工具，比如公交等，能够做到充分利用地下空间和避免城市地面的拥挤以为外，还具有污染小、运载量大、快速、准时、舒适、方便等优点，因此发展速度迅猛并越来越受人们的亲睐。当今世界上已开通了地铁线路 300 多条，总长度已达到 6000 多千米；并且，地铁的建设与使用对提升城市的综合地位具有重大意义[1]。国内很多地铁项目的精密平面控制网复测都不是一样的，由此对每一项地铁工程精密平面控制网进行的复测方案和数据处理分析都存在很大的不同，优化的复测方案和可靠的数据对工程的质量有着至关重要的作用。当地铁在行驶中，为达到安全、舒适和平顺的效果，故地铁轨道线路几何参数必须是高精度的，其误差应达到毫米级或者亚毫米级。而精密的控制测量技术是轨道高精度几何线形的基础。因此，高精度的测量是地铁工程施工建设的重要保证[2]。为了使得地铁在设计中得到优化和能够顺利进行施工建设，测量定位工作是必不可少的一项工作。地铁建设过程中，由于地铁控制点位于施工建设区附近，而且地铁建设的工期很漫长，受到外界各种因素的影响，可能会造成控制点产生位移，从而会不同程度地影响地铁的各项建设工作，因此，在地铁建设过程中，地铁的精密平面控制网复测能有效的发现各种因素对地铁工程影响和危害，确保地铁工程施工质量。从而展开对地铁 GPS 网点的稳定性分析及研究，判定点位的稳定情况等。深圳地铁九号线具体概况如下：线路西起于南山区红树湾站，经下沙、车公庙、景田、梅林、泥岗、红岭、人民南、终于文锦。线路主要经过新开发的南山区、市中心福田区、繁华的罗湖区。线路全长约为 25.38km，全部为地下线路，共设车站 22 座，其中换乘站设 10 座。全线于深圳湾公园站东北侧设置车辆段和笔架山公园内设置停车场，与 7 号线共用侨城东车辆段、体育北两座 110kv 主变电所。

……..

 

1.2 国内外研究现状

随着测绘技术迅猛的发展，尤其是 GPS 定位测绘技术在各个领域的应用中倍受亲睐。而复杂的函数、随机模型是 GPS 观测数据的特点，正处于探索研究阶段，尚需做更深层的研究和分析。随着 GPS 定位技术的诞生和快速的发展，从而处理 GPS 数据的理论也越来越完善。早在 1933 年，莱曼等提出经典假设理论，该理论。1967 年由巴达尔[4](baarda)提出了一种应用于测量界的理论，就是人们常说的可靠性理论：检验出数据的粗差。二十世纪 80 年代，Forstner 与斯图加特大学合作，对附有参数的外部可靠性进行了研究，可靠性理论[5]就是在两个 n 维备选假设作为前提条件下提出的。Forstner, Heck 等人提出了 t 检验，而 Pope, Koch 等得出了 T 检验。在检验存在多个粗差的实验中，Forstner, Koeh 等又得出了 F 检验。而在处理基线问题上：美国学者 B.W.Remondi 于 1984 年系统性地给出了单基线情况下利用同步载波相位观测值进行精密相对定位的数学模型和方法,并得到 10-6的相对定位精度[6]。B.W.Remondi 又在 1993 年提出将双频技术和双极化技术改正电离层误差两种技术结合改正电离层折射误差二阶项和三阶项的方法[7]。至此可靠性理论广泛应用各种工程建设中。

…………

 

第二章 精密工程控制网复测理论基础

 

2.1 测量的基础知识

高斯-克吕格坐标系统定义为:其投影均为直线，而且这两条直线的关系是相互垂直的，中央子午线和赤道交点为原点 0，以中央子午线的投影的直线为坐标纵轴 x 轴，设定北方向为正；赤道投影的直线为坐标横轴 Y 轴，设定东方向为正。如图 2.2 所示。综合式子(2.4)和(2.5)可得出，2 s 总是正值，表明将椭球面上长度投影至高斯面上，结果总是变长的，而且离中央子午线越远，产生的变形也就越厉害。由以上分析可知，将实测值归算到参考面，再将参考面上的值投影到高斯面上，在距离上都会存在变形量，且当 H>0m 时，两者对应的符号是相反的，从而可以消除掉一定量的投影变形值[29]。

 

……..

 

2.2 GPS 控制测量与数据处理分析

三维约束平差是以基线解算所得到的三维静态基线向量为观测值，在平差过程中引入会使 GPS 网的尺度、方向和位置发生变化的外部起算数据，从而实现GPS 网成果由基线解算时 GPS 卫星星历所采用的参照系(WGS-84)到特定参照系的转换，得到在特定参照系下的经过用户约束条件约束的点三维空间坐标[35]。在网进行约束平差时，并非固定所有起算点，而是选取网内部的两个己知点作起算点，检查剩余的点位，计算它们平差后的坐标与原坐标的差值，并进行对比分析，以坐标差异大小作为判定已知点质量好坏的标准，差异不明显者，说明其质量很好；反之差异明显者，说明点位存在问题[40]。由 GPS 基线的空间斜距，将其经过高程归化和投影改正，投影到约束平差时己知点所在的地面坐标系中，并将该边长(d)与两个地面己知点平面坐标反算出的距离(d0)进行比较，根据差异大小来判断约束平差所采用的己知点是否可靠[43]。本章阐述了本文研究所需的基本理论和相关评定方法，包含几种参考椭球参数的确定与高斯-克吕格坐标系；分析了 GPS 技术原理、其独有的特点以及其相应复测数据处理及精度分析原理；研究了五种基准点兼容性检查方法；最后阐述分析了几种常用稳定性分析的方法，为本文所要研究的内容提供强有力的理论基础。

……..

 

第三章 城市地铁首级 GPS 控制网复测方案探讨....16

3.1 深圳市轨道交通地铁九号线首级 GPS 控制网复测工程概况 ........16

3.2 城市地铁首级 GPS 控制网复测方案 .......19

3.2.1 城市地铁首级 GPS 控制网复测原则.........19

3.2.2 城市地铁首级 GPS 控制网复测方案.........19

3.3 本章小结 ........21

第四章 城市地铁首级 GPS 控制网数据处理.......22

4.1 首级 GPS 控制网复测实施 ........22

4.2 首级 GPS 控制网精度分析 ........26

4.3 起算点兼容性对复测成果影响分析 .......35

4.4 约束平差及复测控制点稳定性分析 .......38

4.4.1 约束平差..........38

4.4.2 复测控制点稳定性分析.....44

4.5 隧道外 GPS 控制点复测误差对隧道横向贯通误差的影响 ..........51

4.6 本章小结 ........52

第五章 结论与展望.......53

5.1 结论 .....53

5.2 展望 .....53

 

第四章 城市地铁首级GPS控制网数据处理及控制点稳定性实例分析

 

4.1 首级 GPS 控制网复测实施

深圳市地铁九号线整条复测线路分布于南山区、福田区、罗湖区，这三个区域均为人口密集区，尤其是罗湖区的文锦站、向西村站、人民南站和鹿丹村站位于老城区，建筑物密集度很大。在具体实施工作中，为保证全线控制点坐标的连贯性，联合原测网所使用的已知点进行全网约束平差，约束平差计算得到本次复测成果之后，将其与原测成果进行比较分析，评定控制点稳定性，进而确保地铁施工的质量。GPS 静态差分技术是深圳地铁九号线首级 GPS 控制网复测所采用的技术，而外业观测时严格按照第三章的表 3.3 里的内容操作，限于精度要求与仪器的配备情况，复测外业采用了四套经过检验合格的 Trimble 5700 静态接收机，其标称精度为(5mm+1×10-6D)。进行外业数据采集时，按照设计的时段观测调度表有序地进行，确保复测数据的质量和工程进度。当四台接收机观测完成一个同步时段时后，进入下一个同步环，采用边连的方式进行，两台接收机固定不动，其余两台接收机搬迁到一下两个控制点位上，其中采用翻滚式的时候，应改变固定的不动的两台接收机的仪器高。

……….

 

结论

 

本论文是在与中建南方投资有限公司深圳地铁九号线 BT 工程项目部合作的基础上，通过对该项目的详细论述得出以下研究成果:

（1）探讨研究了复测控制网的复测原则，为保持与原测网一致性，采用了城市独立坐标系，以便地铁施工建设等工作的开展。

（2）对深圳市地铁九号线工程首级 GPS 控制网复测并处理复测数据，统计和分析了重复基线较差、独立环闭合差、点位椭圆参数、同步环闭合差、和坐标闭合差，取得高质量成果数据。

（3）综合分析了 GPS 复测数据的精度和质量，为高级点的兼容性分析、控制点稳定性分析提供了数据基础。

（4）以深圳地铁九号线实际工程做为实例分析，运用五种检验起算点数据的兼容性，判定出起算点的精度是否合格，论证得出检查点法是实际工程中检验已知点兼容性的一种效率高、可靠、实用的方法。

（5）复测与原测坐标较差值和点位中误差比较的方法，进行稳定性分析，该方法比较适合应用于此类工程的建设。

（6）研究了复测成果的点位误差对地铁区间隧道施工横向贯通误差产生的影响程度，对地铁隧道施工起到指导性作用。

…………

参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

1.1 研究背景与意义

进入 21 世纪，随着信息和网络技术的不断发展，经济社会的不断进步，数字城市建设已成为城市建设的核心内容[1]。特别是近年来我国在经济建设方面取得巨大成就的同时，也面临着新的机遇和挑战[2]，各行各业对地理信息资源的需求成倍增长，从国家安全到个人的出行，都依赖于精确、实时的地理空间信息，如何提高城市信息化水平，满足发展需求，已成为城市管理者的首要任务[3]。地理空间框架是空间信息基础设施的主要组成部分，是现代社会信息化发展的基础发展平台[4]。胡锦涛总书记在 2003 年明确要求各级测绘单位部门要“推进数字中国地理空间框架建设，加快信息化测绘体系建设，提高测绘保障服务能力”；李克强同志在 2009 年指出“加强自主创新，着力构建数字中国”。在此背景下国务院在关于加强测绘工作的意见中也要求各级测绘部门和单位要将提供权威、准确、标准的基础地理信息公共平台作为目前测绘部门的重要任务[5]。国家“十一五”期间，为加快推进数字中国地理空间框架建设，形成信息化测绘技术体系，国家测绘局立项开展数字城市地理空间框架建设试点项目。项目根据我国城市建设和管理的实际需要，在全国选择几个有条件的城市，构建城市地理信息公共平台，开展数据信息采集、整理、建库以及应用系统开发等工作，以促进地理信息资源利用最大化，使之能够更好的为我国国民经济建设服务[6]。同时随着汕头市社会经济的快速发展、信息化建设的不断提高，空间地理信息对城市公共管理、应急处理、公共服务的推动作用越来越明显，同时为领导的决策提供依据和参考[7]。为了加快推进汕头市信息化建设，满足现代化城市管理的需求，有必要开展数字汕头地理空间框架建设和应用研究[8]。地理空间框架是“数字汕头”建设的支撑体系与核心内容，是国民经济和社会信息化统一的空间定位与地理信息公共平台。为了实现汕头市各级部门间的地理空间数据共建共享，避免重复建设，需要建立一个汕头市权威的、统一的数字城市地理空间框架，这对地理信息资源应用朝着科学集约化方向发展起到非常重要的作用，并且能有效提高汕头市的城市管理水平[9]。

…..

 

1.2 国内外研究现状

自从美国前副总统艾伯特•戈尔于 1998 年提出数字地球这一概念后[10]，数字城市在数字地球概念的引导下逐渐产生，并且作为数字地球的组成的数字城市热已开始席卷全球，之后世界各国相继展开了数字城市的理论研究和工程实践，数字城市建设的理念就慢慢开始形成。国外数字城市建设从起步到成熟大致经历了以下四个阶段：GIS 系统建设时期；网络技术应用建设时期；专业领域系统建设时期；面向对象需求的综合建设时期[11-15]。当前，欧美等西方发达国家在推进数字城市建设方面已做了大量的基础性工作，这些基础性工作主要集中在空间数据基础设施建设方面，其中具有代表性的是美国和欧盟。美国在 1994 年克林顿颁布总统令，实施美国“国家空间数据基础设施计划”(NSDI)[16]，2003 年布什又颁布了“地理空间一站式访问”(GOS)计划，使美国政府和民政能够方便的访问地理空间信息[17]。欧盟也于 2001 年和 2005 年分别提出了“欧洲空间信息基础设施计划”（INSPIRE）[18]和“I2010”计划[19],希望在整个欧洲建立一个统一的基础地理信息平台，使各成员国都能够享受到标准化的地理信息服务，为各国政府和民众提供更加方便的地理信息数据[20]。此外还有新加坡提出的“智能城市”，日本电信与京都大学等合作开发的网上虚拟京都等[21]。虽然国外做了大量的基础性工作，积累了大量的数字城市研究经验，但是目前还没有哪个国家成熟、完整的“数字城市”被完全实现，“数字城市”直到现在还只是一个理念[22]。

……..

 

第二章 数字汕头地理空间框架建设需求分析与建设目标

 

2.1 需求分析

为了全面了解汕头市政府企事业单位对地理空间信息的需求，汕头市国土资源局通过发调查函、实地走访、座谈会和电话询问等多种方式对全市 20 个相关单位进行调研，了解被调研单位现有地理空间信息数据情况、使用现状，以及对本项目的需求和建议，为科学、合理确定目标和工作内容奠定了基础。通过调研分析，一方面信息化技术在汕头市相关部门已经得到一定程度的应用，应用系统建设在一定程度上提高了业务部门的工作效率，满足了人们对息的获取需求；另一方面，缺乏基于位置的空间信息服务，缺少地理空间信息数据，也成为制约部门网上办公以及公众服务的重要问题，很多部门由于难于获取所需的空间信息，信息化工作的建设进度缓慢，甚至于搁置停滞不前。进一步调查可以清楚看到不能满足业务需求的原因，如图 2.1 所示，主要原因集中在缺少共享交换平台、获取费用昂贵、保密问题、反映实地情况不好等方面。

………

 

2.2 建设目标

根据需求分析,数字汕头地理空间框架建设的开发和建设目标如下：随着地理信息资源应用的不断深入，以及政府管理与决策智能化水平的提高，各部门不再满足于类型与尺度单一、内容简单、质量差的地理空间数据，需求日益丰富与多样。建设数字汕头地理空间框架，首先应该在已有基础地理信息数据的基础上，加大数据采集投入，对已有信息进行补充与完善，通过统一标准和面向信息化要求的技术处理，建立一个高质量、多类型、多尺度并且持续更新的基础地理信息数据库。这个数据库是所有功能平台与应用系统的基础。公共平台地理空间数据是一种战略性、基础性的资源，需要人力、物力、财力的支撑才能获取。随着各行各业、不同部门信息化工作的推进，对地理空间数据的需求将达到一个新的水平。目前，重复投资建设的情况十分严重，为了保护国家宝贵资金，提高资金使用效率，迫切需要一套能共享数据与功能的平台。依托地理信息公共平台，政府部门、企事业单位和社会公众能够通过在线的方式获取相关的地理信息，达到地理信息的高效利用以及安全的流动，除此之外，平台还为二次开发提供接口和可扩展空间。

……….

 

第三章 数字汕头地理空间框架总体设计.....8

3.1 设计依据.....8

3.2 安全保障体系....9

3.3 平台运行支撑环境..........9

3.4 总体设计..........10

3.4.1 框架逻辑结构.........10

3.4.2 框架应用模式.........11

3.4.3 总体技术架构.........12

第四章 基础地理信息数据库的设计与建立......14

4.1 基础地理信息数据库设计....14

4.2 基础地理信息数据库的建立.......18

第五章 地理信息公共平台的设计与实现..........26

5.1 地理信息公共平台设计 .......26

5.2 地理信息公共平台数据集建设..........28

5.3 地理信息公共平台服务功能设计......29

5.4 地理信息公共平台的实现....31

 

第六章 典型应用示范系统的开发与应用

 

6.1 概述

应用是地理空间框架建设的出发点和落脚点，也是检验建设成果的主要因素。在数字汕头地理空间框架的建设过程中，我们选择了数字汕头旅游地理信息公众服务系统、汕头市三旧改造监管系统、汕头市规划成果公告系统、汕头市海洋信息管理系统和汕头市数字园林信息管理系统等五个有代表性的系统作为应用示范建设。这五个系统涵盖了承建单位、政务部门和社会公众五个不同应用对象，本章将重点研究汕头市海洋信息管理系统的开发与实现,并简单阐述其它应用系统。汕头海洋与渔业局的应用作为数字汕头地理空间框架建设的一个典型应用，充分利用汕头地理信息公共平台的电子地图服务[45]，更好的为海域的资源管理提供实时最新的基础底图，结合功能区划、海域确权、海岛地名的专题数据，利用计算机技术、网络技术、数据库技术和 GIS 技术，充分利用目前已有的专题数据，利用 GIS空间查询和空间分析等手段，实现对业务的图形化管理，提高规划工作的效率[46]。

……..

 

总结

 

本文通过分析国内外数字城市的研究现状，并根据汕头市的实际情况，设计完成了数字汕头地理空间框架，建立了基础地理信息数据库，搭建了地理信息公共平台，并开发实现了五个典型应用示范系统，推进了汕头市政府各部门间数据的共建共享机制建设，推动了汕头市的城市信息化进程，为汕头市的经济发展和城市管理提供强有力的保障。通过对数字汕头地理空间框架建设及应用研究，本文所做的主要研究工作及成果如下：

1、数字汕头地理空间框架基础地理信息数据库的建立。结合汕头市现有的基础测绘成果，按照国家和行业标准，运用 AutoDesk Map 及 ArcGIS 软件进行图形数据处理，采用 Geodatabase 空间数据模型和 Oracle 数据库软件，分别建立了大地测量数据库、数字线划图数据库、数字正射影像数据库、数字高程模型数据库，并开发了基础数据库管理软件对所有基础地理信息数据进行管理。

2、地理信息公共平台的建立。地理信息公共平台是依照通用性、先进性、唯一性和安全性原则，以基础地理信息数据库和公共平台数据及为基础整合资源，并通过网络进行数据交互、采集、更新和维护。平台基于 NewMap GIS 系列软件和 SOA面向服务体系架构,采用分版运行模式，建成了分别在政务外网和互联网两套网络中运行的汕头市地理信息公共平台。平台具备空间定位、地图浏览、空间查询、统计分析、互联互通、二次开发、运行维护等功能。

3、开发了五个具有代表性的应用示范系统。基于数字汕头地理信息公共平台提供的二次开发应用模式，开发了数字汕头旅游地理信息公众服务系统、汕头市三旧改造监管系统、汕头市规划成果公告系统、汕头市海洋信息管理系统和汕头市数字园林信息管理系统这五个系统作为典型应用示范系统，实现了地理空间信息可视化浏览、查询、分析等功能，为政府管理部门及社会公众提供高效、可靠的地理空间信息服务，推动了汕头市信息化发展。

…………

参考文献（略）

 

 

第一章绪论

 

第一节选题背景与研究意义

改革开放以来，我国不断进行改革，在完善社会主义市场经济体制时在经济上取得了长足的进步，已经跃升为世界第二经济体，仅次于美国。如此快速发展的背景下，我国的城镇化进程也在不断推进，由刚建国初期的贫穷落后的农村社会迈入了现代化、工业化的社会，我国城镇常住人口超过农村人口，城镇化率超过50%，这就标志着我国已经发生了翻天覆地的变化。这两个“首次”意义重大，深刻表明我国已经向现代化的社会转变了，改变了传统的农村社会的落后面貌，同时，也可以看到在新型城镇化进程中我国已经迈入快速发展的薪新阶段。我国政府在做政府报告时就提出了推进城镇化战略的重要性，并且随着经济的增长，越来越把城镇化作为重大的发展战略，还进一步提升到了国家战略。在逐渐进入到改革深水期的同时，重视民生，提高人民生活水平，建设符合中国实际情况的新型城镇化发展格局，坚持发展绿色经济和循环经济，注重以人为本的发展方式。逐步改变传统的城乡结构，缩小差距，统筹小城镇发展和大城市发展的协调性，促进新型城镇的工业化、现代化、信息化的发展，合理规划城镇发展格局。政府己深刻认识到不断完善和推进新型城镇化发展助力我国经济社会持续、快速、协调、稳定发展有重要作用。我国近几年城镇化的发展已渐入佳境，逐渐加入快速发展的行列，但在快速发展的同时我们也应该以更加清醒的认识到在我国的发展中存在的问题，严重的外部不经济而导致经济社会面临的各个方面的严重后果，要求我们在进入更高层次上的社会主义现代化国家道路中必须要解决这些问题，克服经济发展的负面效应对经济的发展的阻碍作用，推行新型城镇化发展战略，对传统的城镇化到了进行策略上的调整和结构布局上的优化。

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第二节国内外研究成果综述

从城镇化效率这一概念来看，是从城镇化发展系统对效率的测度的角度，通过实证来对城镇化的投入产出问题进行分析。国内外学者对于城镇化理论、城镇化效率理论进行了一定的研究，并形成了一系列的理论研究体系，值得我们的学习和借鉴。本节主要介绍关于国内外的一些研究成果，以对本题的研究有一定的指导和借鉴作用。西班牙工程师塞罗达1867年在《城镇化基本理论》一书中第一次提出了urbanization这一概念，成为研究城镇化的开端。他在本书中对“城镇化”和“乡村化”这两个概念进行了区分。到20世纪，“城镇化”这一词风靡全球。欧美学派以西蒙?库兹涅茨，克拉克，罗西为代表，他们只是把城镇化简单地理If为人口的变迁和转移过程的规律，表现为部分农村人口由农村地区逐渐向城镇地区转移的过程，或者是城镇人口所占的比重逐渐增加的过程。该理论认为在时间和空间的不断演变过程中，城镇地区与农、f地区的分布和演进都是连续的，并且都是有农村逐渐的转变为城镇，这是一个逐渐演变的连续过程，它们之间不存在非常明确的界限?。国外学者主要从人口、产业及伴随城镇发展所产生的变化及其过程的角度对其进行定义。如：美国学者埃尔德认为人口在发展进程中出现的不断地聚集的过程就是城镇化过程的全部含义，重点强调在城镇化进程中大量人口变迁与聚集的历史过程，他认为人口意义上的城镇化具有重要意义即为城镇化。

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第二章理论基础

 

第一节城镇化理论

产业结构演进理论——配第-克拉克定理论强调产业结构的全面转换，并且指出经济的高增长导致生产结构的搞变换。英国经济学家威廉•配第在其著作的《政治算术》中描述过的，他将三次产业的劳动者生产收入的差异进行对比分析，发现制造业比农业进而商业比制造业能够获得更多的收入。由于劳动力都有向收益高的部门流动趋势，在存在收入差异的情况下，就促进了为了追求更高利益的劳动力在部门间的移动。1940年C ? G?克拉克在《经济进步的条件》一书中阐述过，随着劳动者的收入水平逐渐提高，就会出现劳动力转移的情况，逐渐由第一产业向二、三产业流动。经济的进步带动劳动力首先由第一产业向第二产业转移，随后当劳动者的收入水平仅一步提高，达到一定水平时，劳动力会进一步由第二产业向第三产业转移。产业结构在随着城镇化不断推进的过程由第一产业逐渐向第二、第三产业的升级演进，逐渐由劳动密集型产业转型升级为技术密集型和资本密集型产业结构，与此同时，劳动力的分布也随着产业结构的演进比重发生变化。因此，城镇化首先是产业结构的转型升级，与此同时劳动力在第二、三产业的比重在整个国民经济构成中的比重逐渐增加，城镇化水平随之越来越高。

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第二节效率评价理论

在经济学中，效率(Efficiency)是指在生产过程中投入与产出的相对关系，是考察经济单位整个系统的经营绩效的重要指标，涵盖了评价对象的各个方面的综合能力，主要包括对市场竞争力、资源配置是否有效配置、投入产出情况以及循环经济可持续发展能力的考查。作为经济学研究的核心问题之一，过内外学者们对效率问题的研究有很多，成果也很多，但至今尚未给出具体统一的定义。而效率理论的发展大致经历了古典经济学的效率理论、边际学派的效用理论、福利经济学及新古典经济学的效率理论、萨谬尔森的效率理论到法约尔的前沿效率理论的过程。第一，古典经济学的效率理论中，亚当斯密在《国富论》中描述了价格在市场中有效地进行配置资源的作用，调动资源向边际收益较高的地方流动，他认为“看不见的手”能够促进经济运行的效率。在市场的自主调控下，资源能够自由地向效益最高的地区流动，从而提高的投资收益率，使得整体的效率提高。但是亚当斯密的局限性在于未考虑社会资源的有限性。第二，边际学派的效用理论，是在均等利益原理的基础上提出的资源配置的效率标准，资源流出的部门由于资源投入量减少而配置效率逐渐增加，而资源流入的部门则因资源投入量的增加而降低了配置效率。通过资源的边际效用的变化来对效率进行研究。

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第三章新型城镇化效率评价实证分析.......   25

第一节 Super-SBM 模型....... 25

一、Super-SBM 模型....... 25

二、用Super-SBM模型进行新型城镇化效率.......26

第二节指标的选取....... 26

一、指标选取原则....... 26

二、指标选取说明....... 27

第三节我国城镇化的发展状况....... 29

第四节实证分析.......    33

第四章结论与建议....... 37

第一节本题主要结论....... 37

第二节新型城镇化效率提升的对策建议....... 37

 

第三章新型城镇化效率评价实证分析

 

第一节Super-SBM模型

2002年Tone提出SBM为基础的DEA效率分析法，即在构建DEA模型的时候，考虑其松弛变量，再研究由于角度和径向选取对投入产出松弛度的影响。将所有的DMU可以划分为有效率的DMU和无效率的DMU，形成帕累托边界。作为非径向非角度的数据包络分析方法（DEA)，它遵循DEA的基本思想，用相对最有的技术前沿面包络投入产出数据集。与以往的处理方法不同，Super-SBM模型把松弛变量直接放入目标函数中进行求解，以此解决了投入和产出松驰性的问题。Super-SBM模型可以直接通过软件求解，不用事先设定生产函数，也不用考虑指标量纲等问题，这些优点有效解决决策单元存在投入冗余和产出不足的问题。在式（3.1)中A是权重向量，5是目标函数，〃是第）个DMU的项投入，为第j个DMU的r项产出。在效率评价过程中，可能出现多个DMU都是相对有效的情况，从而计算得到的效率值会出现同时为1的情况，为了解决这个问题，Tone提出了以修正松她变量为基础的超效率模型，即Super-SBM模型。通过利用该模型的求解效率评价问题，计算结果可以允许有的DMU的相对效率均有效的效率值得到具体值，这些效率值允许大于1，因而可对多个SBM的均是相对有效的单元继续进行评价，获得不同的效率值并进行排序。

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结论

 

根据第三章的实证分析，我们主要能够得出以下结论：

第一，效率低下。通过实证可以看出，近几年我国的城镇化效率整体仍然不是很高，缺乏效率。由于制度变化的影响，在我国城镇化进程中经历的阶段波动很大，直到最近几十年才真正意义上开始了新型城镇化的进程，发展比较缓慢。我国新型城镇化发展起步晚，总体的水平不高，同时，在发展过程中整体的效率水平不高。同时，因为受地理位置的重大影响，我国各个地区的发展出现严重的不平衡，导致区域发展差异较大。

第二，资源配置不合理。在发展进程中，效率不高是普遍现象，在投入产出方面没有达到最优的收益率。我国各个省际的效率分析结果能够看出投入冗余，产出不足的现象明显，这导致整个系统的运行效率低下，并造成了严重的资源浪费现象，不能够合理使用资源，严重缩短了资源的使用期限，不利于以后的经济发展。

第三，非期望产出较大。由于在城镇化进程中，非期望产出工业固体废弃物的排放量相对较多，使得有效的产出不足，使得有效的投入产出比不能实现最大收益，严重影响了整个系统的运行效率，也阻碍了经济的可持续发展。

第四，区域发展不均衡。根据实证分析，可以看出我国的新型城镇化发展在东部、中部和西部出现严重的不平衡，而且在各个地区的内部的差异也很大。由于区域内部发展不平衡，阻碍了区域发展的联动机制的作用，不能够很好的形成整体的规模经济效益。应该注重缩小差距，紧密联系周边地区，辐射周边城镇并积极带动周边发展，形成有效的联动机制，带动整个国家的高效率发展。

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参考文献（略）

 

 

第 1 章 绪论

 

1.1 研究的背景

我国南北方因所处的地理环境的差异导致其降雨量和河流分布相差极大。南方每年都会有富足的水流向大海，北方则长期处于干旱缺水的情况。尤其是平原地区，缺水已严重影响到人们的生产和生活。与此同时，人们的节水意识较为落后，水资源循环使用技术差，水资源的污染问题也相当严重。为了解决上述这些问题，我国组织修建了南水北调工程。其目前为止是世界上最大的水利枢纽工程。该工程牵涉到我国的四大流域和十几个省市区，涉及到的水量及输水距离都为世界之最。南水北调工程经过对跨区域的水资源合理整合，使南北方的资源得到较为均匀的分配使用。从而改善了我国南方内涝北方干旱的状况，为我国北方的水资源短缺做出了重大贡献，为南北方的经济发展、社会发展和人们的生产生活提供了极大的发展空间。南水北调工程大体设计为三条路线，分别为东线工程、中线工程和西线工程。该工程使得我国境内的几条主要河流相连通，从而形成总体布局为“四横三纵”，继而使我国境内的河流资源充分整合在一起，进行南水北调，东西互补的合理布局。对于南水北调中线工程来说主要是从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿唐白河流域西侧过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口后，经黄淮海平原西部边缘，在郑州以西孤柏嘴处穿过黄河，继续沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。南水北调中线工程竣工后可达到的供水区域为 15.5 万平方千米，主要解决北京附近的各个省地区的用水问题。根据设计中线的干渠大约为 1200 多公里，每年可进行的调水量为 130 亿立方米。南水北调中线线路见图1-1[1]。从图 1-1 中可以看出南水北调中线工程穿过的省会为河南的郑州和河北的石家庄，还有两个省的其他多个市从而到达首都北京和直辖市天津。如果中线修建完成，将会缓解北京、天津、河北、河南等沿线的各个城市的用水危机，并且可以满足周边土地的灌溉和生态用水的需求，改善长期以来我国北方大多城市对地下水的依赖，为保护地下水起到重大作用。所以说南水北调是一项有着巨大现实意义的伟大巨作。

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1.2 研究的必要性

膨胀土的问题不止发生在南水北调工程中，在我国的其他建筑工程中都客观存在。我国地域辽阔因此膨胀土的分布也非常的广泛，其中湖北、河北、山东等多个省市区均发现膨胀土。在国外也有相同的发现，膨胀土遍布世界的各个地方如在美国的多个州均发现了膨胀土，美国每年因为膨胀土的原因损失上千万美元[3]。此外膨胀土还不同程度分布于印度、欧洲、加拿大和中东等广大地区[4]。人们对膨胀土的认识起源于 1938 年美国开垦局在俄勒冈州的一例基础工程中。膨胀土具有一种特有的性质胀缩性，在遇水和失水反复的情况下极易形成裂隙同时承载力降低，常常会使建筑物发生移动、表面出现裂隙、整体倾斜等破坏[5]。我国历史上多次发生膨胀土滑坡，例如南水北调中线工程总干渠陶岔渠首 4.4km 长引水渠开挖施工中，曾经多次发生过边坡塌陷的事故[6]。中国膨胀土主要分布是在中部和西部地区，分布如图 1-2[7]。从图可以看出，膨胀土主要集中分散在长江流域附近，其他地域也有少量分布。

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第 2 章 膨胀土的介绍

 

2.1 膨胀土的成因

随着对膨胀土研究的深入，人们对成因研究越来越重视。1974 年在莫斯科举行的有关会议上，岩土的成因被当作一项重要的内容而提出。其中讨论了岩土形成的环境及形成的演变过程等重要的具有现实意义的问题，为我们以后研究岩土提供了宝贵的经验。根据资料我们得知因为母岩不同，形成的环境状况不同，从而形成了不同的膨胀土。他们的性质几乎一样，差异性表现在成分的组成。膨胀土主要化学成分为 Al2O3、SiO2和 Fe2O3。矿物成分为伊利石、蒙脱石和高岭石。据不完全统计国际著名膨胀土的成因及形成条件大体如表 2-1 所示。对我国膨胀土的成因及其它地质特征亦取得了一些初步的资料。我国的膨胀土大部分分布在中西部地区见下表 2-2，从表中我们可以清楚地观察到膨胀土的分布地域、地貌特征和母岩、成因类型和矿物成分。从以下表还可知，膨胀土的成因与当地的环境气候和地貌地质条件有关。我国膨胀土的分布为从西南的高原地带到华北的平原地带的各个流域冲击形成的平原、盆地、河谷等地。膨胀土的分布多为各种火成岩地区，为膨胀土的发生发育提供了较为丰富的物质基础。从上表可以看出，云南和广西一带的膨胀土的母岩大多为泥灰岩和粘土岩，经过堆积或冲刷形成。陕西和湖北的则经过各种变质岩和岩浆岩的风化经贵水流的搬迁而形成。

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2.2 膨胀土的工程特性

膨胀土的胀缩性主要由于土壤中的水与黏性物质如蒙脱石、伊利石等矿物质的相互作用，增大矿物质的体积从而产生膨胀[32]。这种膨胀表现在可以破坏土体表层的任何建筑物，使之产生变形、裂缝、沉降不均等破坏。如果膨胀土在体积膨胀时遇到外界荷载的阻力，妨碍其继续膨胀变大时，那么土体就会产生一种应力即为膨胀力。与膨胀相反的是收缩，当膨胀土失水情况下，其体积就会减小通常伴有裂隙发生。显而易见导致膨胀土发生膨胀和收缩现象的主要是因为水的存在[33]。倘若没有水介质的存在，那么所谓的膨胀与收缩将不会发生。即使膨胀土中存在膨胀力，但如果力没有达到足以抵抗外界荷载时，那么也不会看到膨胀的现象。但是此时在土体内积聚了膨胀力，一旦积聚的膨胀力达到足以破坏外荷载的力后或外界的阻抗力消失时那么膨胀土就会爆发其强大的破坏力。由此可见膨胀土的胀缩性质其实就是一个比较复杂的物理-化学-力学效应的过程[34]。表 2-3为膨胀土的膨胀与收缩实验结果。当膨胀土内含水量周期变化时，膨胀土会出现反复胀缩变化。若膨胀土出现反复胀缩的次数较多，那么膨胀土达到稳定时所需的时间会减小，膨胀速率会加快，但膨胀量会减小。膨胀土的膨胀率随着胀缩次数的增加而减少。当膨胀土多次循环胀缩时，其最大收缩率会下降。

…………

 

第 3 章 理论研究和工程实例分析........18

3.1 工程概述.....18

3.1.1 水文情况......18

3.1.2 地质条件......18

3.2 计算模型.....19

3.3 边坡渗流分析.........19

3.4 可靠度分析.......26

3.5 计算结果分析.........30

3.6 本章小结.....36

第 4 章 FLAC-slope 软件的边坡稳定分析.......38

4.1 FLAC-slope 软件介绍........38

4.2 模型建立.....40

4.3 模型网格划分.........41

4.4 计算结果.....42

4.5 结果分析.....46

4.6 本章小结.....47

 

第 4 章 FLAC-slope 软件的边坡稳定分析

 

4.1 FLAC-slope 软件介绍

FLAC 软件是由 Itasca 公司最早开发出来的，该款软件实用性较为强大，最开始的开发用途为满足矿山行业复杂的岩石力学问题。由于软件的具有的一些独特的能力和功能随后被应用于各行各业的岩石问题，现在成为国际岩石界应用最为广泛的一款软件。该软件还具有强大的数值模拟能力，它是一个二维有限差分程序，可以分析三类问题，分别是轴对称问题、平面应力及平面应变问题。FLAC软件采用的是有限差分法中的拉格朗日连续介质法。该法是通过数值计算来求解偏微分方程，并用有限差分的近似公式来替换每一处的导数，进而用代数方程的问题来近似替代偏微分方程的问题[56]。其中，求解的过程包括三个环节，分别是区域离散化、近似替代和逼近求解。FLAC-slope 软件是 FLAC 软件中的一个模块，主要解决渠道边坡中遇到的有关稳定性问题。这款软件不但可以解决一些较大的变形问题，同时还可以模拟出边坡沿某一滑裂面下滑。FLAC-slope 软件可以定义不同的边坡物理量，根据材料的特性使用相应的本构方程来真实的反应边坡的动态变化。FLAC-slope 软件进行的边坡稳定性分析是以强度折减法为基本理论基础的[54]。应用强度折减法模拟出来的边坡稳定分析不用事先假定滑裂面的形状和滑出位置。软件的计算结果就能反映出边坡的应力应变情况。在强度折减法中，渠道边坡的稳定性安全系数是指土体的强度参数在边坡达到临界破坏状态时所进行的折减程度。强度折减法主要是利用公式（4-1）与（4-2）来对岩土体的强度参数进行调整。

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结论

 

本文以南水北调中线工程河北段某标段膨胀土渠道边坡为研究对象，利用两种技术手段对其进行了稳定性研究，即理论计算和 FLAC-slope 软件模拟。主要研究了两种情况（渠坡排水可靠有效、失效）下三种工况（施工期、满水期、1/3 设计水深）的渠坡稳定性，得到结论：

（1）渠坡最危险潜在滑裂面是类似于圆弧面的曲面，坡脚处具有最大剪应变和局部应力集中，是潜在滑裂面的最危险部位。

（2）从 FLAC-slope 模拟得到的渠坡稳定安全系数可知，排水失效状态下的稳定安全系数，比排水可靠有效状态下的稳定安全系数，有明显降低。说明渠坡坡在排水失效情况下，稳定安全度大为降低。

（3）膨胀土渠坡内排水设施的可靠有效性，对渠坡稳定可靠度具有十分显著的影响。且地下水位引起的渗流逸出点，距干渠内输水水面高差愈大，影响也愈大。

（4）渠道边坡土体物理力学指标 c、ф、γ的变异度δф、δc、δγ降低时，边坡稳定可靠指标β显著提高。降低膨胀土渠坡土壤特性参数δγ、δc、δф的变异度，对提高渠坡稳定性密切相关。

系统的应用打下了坚实的基础。

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参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

1.1 论文研究背景

机械振动广泛地存在于人们的日常生活与生产过程之中，多数情况下振动是有害的。一般来说，振动控制主要包括两个方面：一方面是对有利的振动进行利用，例如振动捣固、振动筛等；另一方面是对有害的振动进行抑制。有害的机械振动会严重影响精密仪器与仪表的加工与测量性能，降低光洁度与加工精度；加快构件的疲劳与磨损，缩短机器的使用寿命，甚至会导致结构性的破坏。飞机、汽车等交通运输工具的机械振动不仅恶化乘载条件，还会引起破坏。对于舰船来说，振动及其引起的噪声有着特殊的危害，严重地影响舰船的战斗力[1][2]。根据舰船振动噪声与声呐的关系，对振动噪声进行抑制可以在很大程度上提高声呐的探测能力。这决不是简单地从工作环境的舒适性方面考虑的，重点是提高舰艇的隐蔽性和防卫能力[3]。主要体现在以下几个方面：（1）提高舰艇的隐蔽性。目前，对水下目标进行探测主要是利用水声，而减振降噪不仅能减小本舰辐射的水声，还可以减小对本舰声呐的干扰，提高其探测能力，这两点都有助于提高舰艇的隐蔽性[4]。（2）减小舰艇被水中兵器击中的可能性。现在的鱼雷有水声指导装置，水雷都有声信号引爆装置。（3）改善船员的工作环境。振动引起的噪声通过船体传播到舱室，导致船员疲劳与误操作，这一点对于提高舰艇的战斗力意义重大。在舰船中，机械振动主要是由往复、旋转、流体类等动力装置和机械设备引起的线谱振动，特别是低频段的线谱振动[5]。控制此类振动是提高舰船隐蔽性和战斗力的主要途径之一。

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1.2 振动主动控制规律的研究概况

目前在振动主动控制中应用最普遍的是闭环控制，它的实质是通过输出或适当的系统状态反馈和一定的控制规律，来决定作动器的作用力。常用的振动主动闭环控制通过前馈和反馈来实现。振动主动控制规律的设计可以分为两种，一种是基于被控对象系统数学模型的设计方法。该方法是在事先了解被控对象的内部结构和参数的基础上，建立其数学模型。然后基于此数学模型采用现代控制理论的方法得到最优的主动控制规律，如极点配置法、PID 控制、模态控制、变结构控制、最优控制和鲁棒控制等，这一种通常是反馈控制。另一种则不需要知道被控对象的结构，而是将其视为“黑箱”只检测输出或系统状态变量作为反馈信号，根据算法的自寻优特点获得最优控制规律，如模糊控制、自适应控制、神经网络控制等，这一种既有前馈也有反馈控制。用于振动主动控制的控制规律有很多，实践中应结合具体的问题在满足实时性、精确性、鲁棒性的前提下选择合适的控制规律。随着计算机技术与现代控制理论的快速发展，振动主动控制技术已经在航空、车辆、船舶等多个领域展开了积极的研究与实验。在发达国家，Mitsuashi 等人采用自适应控制算法，研究了船用柴油机双层主动隔振系统，并在拖船 Fukae MaruⅢ中进行了试验研究，中间质量在 1-100Hz频带范围内的振动速度级衰减量大于 30dB[17]。在 CMAC 会议上，Moriyuki 等人发表了其针对柴油机发电机组主动隔振技术的研究成果[18]，包括控制算法、作动器类型、安装位置等。Winberg 把惯性式电磁作动器应用在一艘豪华游艇中，采用自学习算法对它的推进主机进行了主动隔振实验[19]。

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第二章 鲁棒 H∞控制理论

 

2.1 鲁棒控制的概念

不管采用什么样的方法设计控制系统，控制器的设计一般总是在被控对象动态行为信息的基础上进行的。而在处理实际控制问题时，一般的，难以保证被控对象数学模型的精确性，即便数学模型精确，但是模型可能过于复杂，需要对其进行简化之后，再去设计控制器。除了模型不精确之外，随着控制系统的环境或工作条件的变化（如负载的变化、机械系统的磨损等），元器件老化造成其放大倍数、性能的变化，被控对象的动态特性也会随之改变，从而使得被控对象的模型产生了误差（也叫不确定性），偏离设计控制器时所依据的标称动态特性。因此在设计控制系统时，必须考虑系统的模型误差，设计控制器，使得即使模型有一定的误差时，控制系统可以保持稳定，还可以达到预期控制指标。这就是鲁棒控制的概念。在进行鲁棒控制系统的设计时需考虑两个重要的鲁棒概念：鲁棒性能和鲁棒稳定性。一般把设计控制器时依据的被控系统模型称为标称系统，把被控系统模型由于各种原因偏离标称系统的误差称为摄动[64]。(1)鲁棒性能，设计控制器使控制系统在被控对象模型存在误差时，系统仍然能满足期望的系统品质，如跟随性能、干扰抑制性能等，那么就称该系统具有鲁棒性能。(2)鲁棒稳定性，设计控制器使控制系统在被控对象模型存在误差时，系统仍然能稳定性，就称该系统具有鲁棒稳定性。鲁棒 H∞控制考虑了摄动对系统的影响，控制器设计可以全部在时域中进行，将性能指标和鲁棒稳定问题放在一起分析与研究，建立一个具有鲁棒稳定性且能达到期望的控制指标的控制系统。

……….

 

2.2 鲁棒 H∞控制理论的实质与特点

H∞控制理论是一种以 H∞范数为控制指标，在有理数空间，通过优化控制闭环系统传递函数阵的 H∞范数获得具有鲁棒性能的控制器的控制理论。其控制器设计先要建立系统的数学模型，然后结合控制系统目的指标和稳定性需求建立相应约束，将模型转化为标准 H∞控制问题对应的增广被控对象模型，最终以一定的数学方法求解出该 H∞控制器。设计 H∞控制系统时，对外界干扰的设定由单一信号转变成满足某条件的单一信号的集合，而且还充分考虑了被控对象模型的各种误差，因此最后求解得到的 H∞控制器可以较好地对多种外界干扰进行控制，并使标称系统与实际系统都具有比较好的鲁棒稳定性。H∞控制方法的优势还体现在其自身设计的以下两个特点[65]：

（1）频域成形技术。H∞控制系统的设计实际上是通过调整系统闭环传递函数阵的奇异值域形状，使系统达到一定的控制性能指标，这一点源于古典控制的思想。H∞控制系统的设计又是一个现代控制理论解析法进行寻优的过程，不仅体现了古典与现代的结合，又弥补了各自的缺点。

（2）H∞控制器不需要在线调节。不同于模糊控制、自适应控制、神经网络控制等控制方法，H∞控制系统在设计过程中就对外界干扰、系统模型的各种误差等不确定性因素及系统的性能指标都进行了充分的考虑。因此它具有控制器不需要在线调整，可靠性高、易于实现、实时性好的优点。

………..

 

第三章 单层主动隔振系统模型的建立.......21

3.1 单层主动隔振系统的实际模型.....21

3.2 单层隔振系统控制通道模型的建立.........25

3.3 H∞反馈控制系统设计 ........29

3.4 自适应前馈 x-LMS 控制系统设计 .....33

3.5 本章小结.....38

第四章 主动控制系统的仿真研究.........39

4.1 鲁棒 H∞控制器的设计 ......39

4.2 鲁棒 H∞控制系统仿真研究 ....43

4.3 自适应前馈 x-LMS 控制系统仿真研究 ....48

4.4 验证算法鲁棒稳定性的仿真.........54

4.5 比较与分析.......55

4.6 本章小结.....57

第五章 总结与展望.........59

5.1 研究总结.....59

5.2 研究展望.....60

 

第四章 主动控制系统的仿真研究

 

4.1 鲁棒 H∞控制器的设计

H∞控制问题的解对加权函数的选择十分敏感，加权函数的微小变化都可能使 H∞控制问题无解。设计 H∞控制器需要对被控对象的特性、系统能达到的性能指标及系统的约束条件等有深刻的理解，而且往往要对系统的各种要求进行折中考虑。第二章、第三章分别给出了求解控制器的方法和选择权函数的基本原则。因此本章将根据外扰的信息用试探的方式给出权函数，然后求解相应的 H∞控制器，通过仿真研究该控制器是否满足要求，从而判断给出的加权函数是否合适。就这样在不断的试探中获得合适的加权函数阵和相应的 H∞控制器。选择灵敏度加权函数    1W s 时需要了解外界干扰的频率特性，本文的研究目的是对动力装置产生的振动进行控制，动力装置是转速分别为 1500r/min（1 号）和 3000r/min（2 号）的三相异步电机。这里采用第三章控制通道建模中测量设备与方法认识外扰通道的频率特性。让 1 号电机单独运行，给隔振台提供激振力，采集受控点处加速度传感器的输出信号，其时域图与频域分析如图 4-1 所示。由频域分析可以看出 1 号电机单独激振时，受控点处的误差信号是 25Hz 左右的正弦信号。

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总结

 

为对H∞控制算法和实际中应用较多自适应前馈x-LMS控制算法的在振动控制中的应用进行研究，本文在实验室条件下搭建了实际的动力装置单层主动隔振系统，其中控制器为 dSPACE1103，由两台三相异步电机作为激励源提供激振力。采用最小二乘系统辨识法建立了单层隔振系统的单自由度和双自由度控制通道的离散传递函数模型。建立了基于 H∞控制算法和自适应前馈 x-LMS 控制算法的单自由度和双自由度单层主动隔振系统。由此在 Simulink 中建立仿真模型，进行了一系列的仿真工作。取得的研究成果如下。

（1）在实验室条件下建立了基于 dSPACE 的动力装置单层隔振模拟试验台，选择递推最小二乘系统辨识法建立了单自由度和双自由度单层隔振控制通道的离散传递函数模型。

（2）对鲁棒 H∞控制算法和 H∞控制器的求解方法进行了研究，将单层主动隔振问题转化为 H∞混合灵敏度问题，总结了性能鲁棒性加权函数和鲁棒稳定性加权函数的选择方法。根据被控对象的频率特性选择了合适的加权函数，利用MATLAB 中的鲁棒工具箱设计了相应的 H∞控制器，建立了 H∞单自由度和双自由度反馈控制系统模型。

（3）简单介绍了自适应前馈 x-LMS 控制的基本原理，对单自由度自适应前馈 x-LMS 控制系统进行了适当的改进。结合本文研究对象建立了单频、多频的单自由度和双自由度前馈 x-LMS 单层隔振系统模型。

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参考文献（略）

 

 

第一章绪论

 

1.1引言

高讳地区电离层离子外流被早期的Explorer31, S3-3及最近的Polar，IMAGE和Cluster等极地轨道航天器观测了至少30年。长时间的观测使人们积累了丰富的高讳电离层外流的时间、空间、组成成分、形态和结构的观测资料。最初，人们认为上行离子流主要是由H+和He+组成，因为它们能克服引力势能到达电离层的高海拔位置，而较重的0+则容易受到引力的束缚[12]。110?&11311和Dobson (1980)通过ISIS-2的测量也确认了在海拔1400Km附近的极风中存和He+[i3]。并且通过DE-1观测，Naga等人发现在距离地心近3个地球半径的轨道上He+和H+的比率在0.01至1之间变化。然而在对早期的Polar卫星上TIDE仪器测量数据的的分析中，Su等人在外流的热离子中除了发现了和He+还发现了 0+，并且在海拔5000Km处0+/H+的密度比值的平均值约为3.5，通量比约为4.2，而在8个地球半径处He+/0+/H^的密度比为1:6:38,通量比为1:4:66。通过1971-89A和S3-3的离子质谱仪，Shelley和Sharp等人确认了 0+的能量并由此推断出低海拔的电离层是磁层等离子体的重要来源。Comn[i7]等人观测到了能量范围在10eV — 17KeV的上行He+只有H+和0+的一半。分析DE-1的观测结果发现等离子体流包含了约90%的0+, 10%的H+, He+和04分别占1%,且在1.3 — 2.1个地球半径的高度处0+, H+, He+，CT的平均密度分别为600，50, 15，7cm-3。从DE-1上的观测结果显示在海拔1000~4000Km 的范围，0+, iT, He+的平均密度分别是 1000:100:10 cm-3,这个组成比例和Pollock等人的结果是一致的。从他们的分析中，Chancilerfi9]等人提出在他们所测试的所有海拔范围，随着通量提高到Fia7, 0+密度会增加，但H+和He+密度对Fia7的通量变化不敏感,从夏天到冬天，0+密度下降了约3倍。

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1.2研究意义

电离层离子向磁层的传输称为离子上行。离子上行过程可分为两类：整体离子上行和离子获能过程。在整体离子上行中，所有离子获得一个整体上行速度，其能量最高达几个eV,具体包括沿开放磁力线的主要由H+构成的极风以及0+离子占主导的极光带高速整体上行离子流。在离子获能过程中，只有一部分上行离子获能，成为超热或能量更高的离子，比如离子束，离子锥，横向加速离子和上涌离子流等。发生在不同位置的离子上行事件有着不同的形态特征并与不同的加速机制相联系，利用统计方法分析离子上行事件时空分布与变化特征，对深入认识上行过程有重要意义。总而言之，高讳电离层通过对流电场，粒子沉降和场向电流与磁层紧密耦合在一起，并受太阳风与行星际磁层的直接控制，在太阳风一磁层一电离层一热层親合过程中起着重要作用。因此，对极区电离层等离子体上行的观测分析有助于理解和预测电离层、磁层中的相关空间天气现象。由过去一系列对电离层离子上行的研究，人们发现地磁活动和太阳活动是影响离子上行的通量、通量密度、速率强度、发生率、上行离子的组成成分及其分布的重要因素。然而究竟是地磁活动和太阳活动中的哪些参量影响着电离层离子上行，影响程度又如何，这将是本文要研究的内容。本文的参量选取将基于国内外相关离子上行文献。在2004年从多卫星不同高度的角度考察了极区电离层0+上行，并指出极区电离层0+上行与行星际磁场之间存在关系。虽然它们具体之间存在什么关系文章中并没有给出，但是不可否认离子上行与行星际磁场有关联。

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第二章电离层离子上行

 

2.1磁层中电离层离子的源区

磁层中电离层离子的源区在于极区电离层，对这一源区的划分是建立在离子分布函数及其位置的基础上的，可将其具体划分为四个区域。在这四个区域中，上行离子的成份、能量、通量等都有所不同。极光区高速上行离子流发生在极光区，出现高度从400Km到1500Km，甚至更高。当上行速率达到约IKm/s时，其通量密度为10i3cnrVi。它可能是由较低高度的0+碰撞加热或极光离子沉降区域的电子温度增加引起的。一般来说，极光区高速上行离子流主要由0+组成，其中偶尔也有N0+。极光区高速上行离子流中的离子不能直接到达逃逸速度，但是有足够的能量到达更高的髙度，直到离子获能区域。极区电离层顶部（约500Km)的极光区高速上行离子流的存在第一次由Alouettel的数据分析得到。DE-2观测到该类离子上行随着时间和地域的变化而变化，并且一般被限制在很窄的髙度区域内，较大的离子上行往往发生在有强对流的区域。DE-2还观测到在600~1000Km的高度，无论在白天一侧还是夜晚一侧，在极光区离子上行的发生率要大于下行，而在极盖区离子上行的发生率要小于下行。在此高度上，离子上行和下行的分界比在更低一点的高度更明显。在该区域磁活动越剧烈，离子上行的变化也越剧烈[32]。Loranc[33H^为该区域的整体离子上行是由碰撞加热和漂移引起的。但Liu[34]W究得到软电子（<50eV)沉降才是驱动该区域离子上行的主要原因。

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2.2极区电离层离子上行分类

近30年来，在高玮电离层，卫星、雷达和地面探测仪器观测到多种离子上行过程，这些上行过程使电离层成为磁层离子的主要源区。根据上行机制的不同，这些离子上行过程可分为两类。整体离子上行（bulk ion flows)。在该过程中所有的离子获得整体的上行速度，该过程具体又包括：极风（polarwind)、极光区高速上行离子流(auroral bulk ion upflow)。离子获能过程（ion energization process)。在该过程中只有一部分离子被激发加速，该过程具体又包括：离子束（ionbeams)、离子锥（ionconics)、离子横向加速（transversely accelerated ions，简称为TAI,是离子锥的一种特殊情况）和上涌离子流（upwellingions，简称UWI)。下面对这几种离子上行过程分别进行介绍：“极风”这个术语是Axford模仿太阳风这个词造出来的，用来描述极区电离层中在开放磁力线上或接近开放磁力线上热离子的双极（ambipolar)外流。极风能够发生在所有的地方时和极区韩度，是背景离子被双极电场和其它驱动力加速的结果。极风的能量一般只有几eV，它主要由iT，He+组成，在高于1500一2000Km的高度能够达到超音速。极风在白天一侧的上行速率一般大于夜晚一侧。极风中IT和He+的存在第一次是由ISIS-2上的离子探测设备观测到的[14]。1993年极风中重离子0+的存在第一次是由Akebono观测到的。迄今为止，前人已对极风进行了很多研究，也提出了大量的理论模型。

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第三章以速度为上行判据的统计分析......... 15

3.1卫星数据采集与处理......... 15

3.1.1 DMSP 卫星......... 15

3.1.2 Wind 卫星......... 16

3.1.3离子漂移速度数据......... 17

3.2以速度为上行判据的0+上行事件的定义......... 19

3.3离子上行与磁纬的关系......... 20

3.4离子上行与磁地方时的关系......... 22

3.5离子上行与太阳天顶角的关系......... 30

3.6本章小结 .........32

第四章以净通量为上行判据的统计分析......... 34

4.1以净通量为上行判据的0+上行事件的定义......... 34

4.2上行事件事例 .........35

4.3离子上行与磁暴的关系......... 38

4.4离子上行与行星际磁场方向的关系......... 38

4.5离子上行与季节的关系 .........40

4.6物理机制讨论 .........43

4.7本章小结 .........45

第五章总结与展望......... 46

5.1论文主要研究成果......... 46

5.2研究展望 .........47

 

第四章以净通量为上行判据的统计分析

 

4.1以净通量为上行判据的0+上行事件的定义

地磁活动和太阳活动是影响离子上行的通量、通量密度、速率强度、发生率、上行离子的组成成分及其分布的重要因素。因此，讨论离子上行与磁暴、行星际磁场和季节等因素的关系就具有很重要的意义。以速度为判据的0+上行事件的定义虽然能很好地处理离子上行与磁讳、磁地方时和太阳天顶角的关系，但是它并不能很好地处理离子上行与行星际磁场方向、季节等因素的关系。因此，需要给出新的0+上行事件的定义来处理这些因素的关系。首先，给出新的0+上行事件的定义：对DMSPF13的任意运行一圈，当一定范围内（根据高韩顶部电离层离子上行的特性和DMSPF13卫星本身的特点，本文只考虑南半球磁讳的区域或北半球磁讳ML4rk60°的区域。）的总的0+离子团具有向上运动的速度时，称之为一个总的0+上行事件，简称一个上行事件。在该区域范围内，将任一有效点处的离子速度矢量Vz (在高讳地区，Vz近似于离子沿地磁场方向的速度，所以很多研究中用Vz直接替代离子沿地磁场方向的速度[45])和0+离子密度相乘，就能得到该有效点处的0+离子沿地磁场方向的通量，对所有0+离子通量求和，则可得该区域的0+离子沿地磁场方向的净通量。

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结论

 

对DMSPF13卫星2000—2005年半个太阳活动周期内观测到的平静期和磁暴期的离子漂移速度数据和Wind卫星2000~2005年半个太阳活动周期内观测到的行星际磁场数据进行分析处理，对极区顶部电离层离子上行进行研究，主要考察平静期和磁暴期离子上行强度，以及不同行星际磁场方向、磁地方时和季节对离子上行的影响。将上行至少持续12秒（4个有效数据点)，上行最大值大于200m/s记为一个上行事件，得到以下结论：在北半球上行事件主要发生在MLT 6:00—19:00的区域，在南半球上行事件主要发生在MLT 17:00—19:00的区域，且上行事件的速率都主要集中在200—500m/s 之间；在北半球随着太阳天顶角角度的增大，上行事件总数先减小后增加，在太阳天顶角为105度时上行事件发生率最大，在南半球随着太阳天顶角角度的增大，上行事件总数也在增加，在太阳天顶角为120度时上行事件发生率最大。

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参考文献（略）