地球信息科学学报

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地球信息综合分析

多层次格网模型的近邻指数聚类生态区划算法与实验——以新疆北部地区区划为例

袁烨城, 周成虎, 覃彪, 欧阳

2011, 13(1): 1-11. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00001

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在综合考虑气候、植被、地貌等因素的基础上,提出一种基于多层次格网模型的最近邻指数-模糊聚类生态区域划分算法 (Nearest Neighbor Index Fuzzy Clustering, NNI-FC)。该算法采用"自下而上"的方式,首先,利用离散格网单元之间的严格相似性形成区划的核心分区;然后,通过最近邻指数统计分析细碎分区的空间格局及其面积覆盖率,再以模糊聚类方法将相似度最大的细碎区聚合归并,即可得到相应的生态区划方案。数值实验证明了该算法可以很好地体现区域的分异特征,并且具有较高的效率。

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地球信息综合分析

近30年来青海省三江源区草地的土壤侵蚀时空分析

黄麟, 邵全琴, 刘纪远

2011, 13(1): 12-21. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00012

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分析了青海省三江源区草地生态系统土壤侵蚀的空间差异,以及草地退化与土壤侵蚀的关系,并对该区近30年来土壤侵蚀的动态变化进行描述。结果表明,该区域微度以上土壤侵蚀面积占源区总面积的46.47%,而草地生态系统发生微度以上土壤侵蚀的面积比例达56.04%。源区土壤侵蚀类型是以冻融侵蚀伴随着水力侵蚀或风力侵蚀的复合侵蚀为主,分别占源区土壤侵蚀总面积的41.93%和20.48%,侵蚀程度以轻度为主。源区土壤侵蚀受垂直地带性和区域地貌格局的影响,水力侵蚀、风力侵蚀、冻融复合型侵蚀分别发生在3200~4600m、2800~3600m和4400m以上的海拔范围内,以及5~25°、<3°与5~15°的坡度范围内,与坡向关系不大。风力侵蚀和冻融复合型侵蚀的程度随海拔升高而呈增加趋势,而水力侵蚀则呈下降趋势。对20世纪70年代中后期-90年代初、90年代初-2004年两个时段土壤侵蚀的比较发现,20世纪90年代以来三江源区的土壤侵蚀状况在前期加剧的情况下更加恶化,而气候暖干化导致的多年冻土退化和长期超载过牧导致的草地生态系统退化是造成三江源区草地生态系统土壤侵蚀加剧的主要因素。

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地球信息综合分析

Arc Hydro Tools及多源DEM提取河网与精度分析——以洮儿河流域为例

曾红伟, 李丽娟, 柳玉梅, 李斌, 张永萱

2011, 13(1): 22-31. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00022

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本文简要分析了HYDRO1K、SRTM3-2、ASTER GDEM 3种数据源基本特征,对数据的水平空间分辨率、现势性、覆盖范围、误差来源进行了比较;阐述了Arc Hydro Tools提取数字河网、划分流域及子流域方法的关键步骤;并以洮儿河流域为研究对象,分析了有(无)河网辅助条件下,3种初始DEM在不同地貌类型中数字河网提取、流域及子流域划分的准确度。研究结果表明:(1)无河网辅助条件下,中山、低山-丘陵地区用三种DEM提取的数字河网与实际均比较吻合;平原地区HYDRO1K提取的主河道与真实主河道相似性较高,而SRTM3-2、ASTER GDEM均出现较大偏差,ASTER GDEM偏差更大;3种DEM提取的流域边界与实际流域边界存在一定的偏差;(2)有河网辅助的条件下,经过河网与流域边界校正后,3种DEM在中山、低山-丘陵地区提取的数字河网,以及平原地区提取的主河道与真实河网与主河道相似性很高,SRTM3-2、ASTER GDEM提取的数字河网改善明显;3组DEM提取的流域边界与实际流域边界较为接近,其中,HYDRO1K提取的流域边界与实际边界基本吻合。

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地球信息综合分析

数字河网提取的影响参数优化分析

陈俊明, 林广发, 杨志海, 陈瀚阅

2011, 13(1): 32-37. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00032

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数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是提取数字河网的主要数据源。但是,由于在受到带有尺度效应的DEM空间分辨率和数字河网提取过程中,汇流面积阈值等参数的影响,使得河网提取的结果具有很大的主观性,因此,如何优化两者的取值,对于更准确地模拟地表河网具有重要的意义。本文以厦门市作为研究区,以1∶1万的全要素地形图作为原始数据并构建空间分辨率为2.5m的DEM,同时采用最邻近方法将该DEM重采样成网格大小分别为5m,10m,20m,40m,80m,160m和320m等一系列网格相互嵌套的DEM数据,并对重采样后的各DEM数据分别取汇流面积阈值为0.9km²,2.7km²,4.5km²,7.2km²,9km²,13.5km²和18km²,利用D8算法和ArcGIS软件中的Hydrology模块进行数字河网提取,最后,计算河道总长度作为特征指标,定量分析河道总长度、DEM空间分辨率,以及汇流面积阈值三者之间的函数关系,并进一步探讨DEM空间分辨率和汇流面积阈值的优化取值,研究结果表明:(1)河道总长度与阈值、DEM分辨率三者之间的关系满足一复合函数表达式;(2)当阈值保持不变时,河道总长度随DEM分辨率的不断变小而呈减小趋势,反之,当DEM分辨率确定时,河道总长度随阈值的不断变大而减小;(3)根据三者之间函数关系的数学分析结果,研究区提取河网的最适宜分辨率和最适宜阈值分别为40m和7.2km²。经过对比分析,根据最适宜参数所提取的河网数据与分辨率为2.5m的SPOT5厦门遥感影像的水系总体上吻合最好。

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地球信息综合分析

三峡库区小江流域水环境综合区划

王晶晶, 王文杰, 郎海鸥, 饶胜, 王维, 白雪

2011, 13(1): 38-47. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00038

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本研究以三峡库区小江流域为研究对象,在综合考虑陆域、水体、社会经济对流域水环境影响的基础上,建立了水环境综合区划的指标体系,同时根据DEM划分了流域综合区划的基本单元。在主导因素法和空间叠置法的基础上,通过GIS分析工具,对小江流域的水环境进行了综合区划,分为3个一级区域,分别为北部水源涵养和保育区,南部污染控制区,以及小江干流富营养控制区。并根据区域的不同特点,提出了区域面临的主要环境问题、环境保护要求,以及措施。其中,北部水源涵养和保育区植被生态效益不高,退化明显,要求保护好现有林分,严禁乱砍滥伐,实施封山育林;南部污染控制区林草覆盖度较低,水土流失十分严重,工业污染源排放是造成水质变化的最主要因素,需要以污染控制为主;小江干流富营养化控制区是三峡库区最大的消落带区,要求在妥善安置移民的同时,重点加强水体富营养化的治理。本文通过小江流域的案例研究,提出了小江流域水环境分区管理的方法,为我国水环境综合管理提供了技术借鉴。

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地理信息系统设计与分析

图形化的地学耦合建模环境与原型系统设计

张子民, 周英, 李琦, 毛曦

2011, 13(1): 48-57. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00048

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耦合建模是近年来地学研究使用的重要方法。建模框架是应用较多的一类地学耦合建模环境。由于要求研究者完成耦合模型的程序编码,在一定程度上降低了它的可用性,同时也带给使用者更多的负担。本文以建模框架ESMF作为基础,对构建完全图形化的地学耦合建模环境中的问题和解决方法进行探讨。主要包括:根据确定的耦合模式及其隐含的模型调用和数据依赖关系,建立耦合模型代码的自动生成机制;以模型元数据为基础,提出表达模型变量语义相似性的OCF方法,进而给出校验耦合模型之间的时空一致性和变量匹配与否的方法。根据以上研究,设计图形化的地学耦合建模环境原型系统,并开发测试场景对其进行检验。结果表明,系统能够检测出测试场景中所有的错误耦合操作,而对于正确的耦合行为,耦合模型被顺利地创建并在ESMF中完全运行。

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地理信息系统设计与分析

服务式 2D、3D 结合GIS 的核心问题及其解决方案

宇林军, 潘影

2011, 13(1): 58-64. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00058

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3D GIS是GIS的发展方向,其研究尚处于基础理论阶段,目前,市场上还不存在成熟的真3D GIS。2D、3D结合是实现3D GIS的一条有效途径。服务式2D、3D结合GIS则是在服务式构架下实现2D GIS与三维可视化技术的无缝结合,即由GIS服务器提供传统的2D GIS服务,客户端提供用户界面及2D、3D数据融合渲染等功能。实现服务式2D、3D结合GIS的核心是如何在网络条件下,进行大规模数据传输及客户端2D、3D数据的实时融合渲染。本文针对此核心问题提出了基于C/S框架的2D、3D结合GIS系统构架,其核心包括基于LOD(Level of Detail)模型的客户端渲染构架及基于双缓存机制的数据服务构架。本文基于此系统构架开发了一个原型系统,使用ArcGIS Engine开发了GIS服务端,在World Wind开源软件的基础上,实现了三维客户端。二维GIS服务端为三维客户端提供基本的GIS服务,如查询,缓存区分析等。系统运行结果表明该服务式构架解决了服务式2D、3D结合GIS的关键问题,为进一步构建应用系统奠定了基础。该系统构架亦适用于B/S构架。实践证明在此框架的基础上通过将客户端封装为Web控件可实现基于B/S构架的服务式2D、3D结合。

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地理信息系统设计与分析

突发性大气污染事故应急监测系统的设计与开发

陈文君, 陈锁忠, 都娥娥, 王衍斐

2011, 13(1): 65-72. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00065

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本文对突发性大气污染事故应急监测系统的总体需求、体系结构、功能模块和关键技术进行了分析。通过分析突发性大气污染事故应急监测工作业务流程,提出系统的建立需在存储和管理多种应急监测相关数据的基础上,并与应急监测业务保持一致。为保证系统的高安全性、实时性与可靠性,采用部署在局域网内的客户机/服务器体系结构。本文详细阐述了系统的基础信息管理、应急监测响应、现场应急监测、事故恢复监测四大功能模块,并分析了系统建设过程中对于多种空间对象的定位与查询、大气污染危险区界定、监测数据的表达与分析这三处包含空间位置信息处理的关键技术。结果表明,相对于传统手段,本文的研究成果有利于应急监测人员快速响应与处理突发性大气污染事故。

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地理信息系统设计与分析

气候海面变化数据检索系统的实现与应用

孙健, 袁林旺, 闾国年, 俞肇元, 谢志仁

2011, 13(1): 73-79. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00073

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对地学数据进行GIS统一管理与检索分析,实现数据的空间化显示和数据挖掘,是数据共享网建设的重要发展方向。本文以地球系统科学数据共享网中的气候-海面变化数据集为例,在气候-海面变化数据模型研究基础上,进行了相关数据库的统一规划、设计与管理;同时基于.NET、ArcIMS开发平台,利用ASP.NET、ADO.NET等工具开发了气候-海面变化数据检索系统,用户可在统一平台下实现基本数据、专题、空间和文献的单一检索或多角度集成检索。此外,通过GIS初步实现了一些数据分析和数据挖掘功能,以及文献空间化及相关地学数据的可视化。本系统初步实现了面向用户服务的统一存储管理、发布、检索与共享,是将科学数据中心由单纯的数据下载中心向数据服务中心转变的一次有益尝试。

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地理信息系统设计与分析

基于ArcGIS Server的气象设备监控系统的设计与实现

吴彤, 倪绍祥, 张春晖, 吴小铭

2011, 13(1): 80-87. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00080

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以ArcGIS Server为技术支撑,对气象设备监控系统进行了深入研究。以JSF和ArcGIS Server技术为基础,结合WebGIS关键技术,以"中国气象局综合气象观测系统运行监控平台——气象设备运行监控子系统"为研究实例,设计了遵循MVC模式的WebGIS模型,并在模型的基础上实现了系统的研发。系统的主要功能包括:设备运行状态监控、要素填图、极端天气情况监测、超极值数据监控、数据质量评价和信息综合显示等。WebGIS模型将系统的逻辑架构分为四层,即:客户端、Web层、WebGIS应用服务层、数据库层等。其中,Web层主要实现MVC模式中的视图功能。系统的业务逻辑主要通过服务对象调用GIS服务器上的ArcObjects和ArcGIS Server提供的应用程序接口、Web控件等来实现。数据库层通过ArcGIS SDE 和Oracle实现对空间数据的存储与管理。

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地理信息系统设计与分析

基于ArcGIS Engine的车辆监控GIS系统开发

吴建华

2011, 13(1): 88-94. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00088

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基于GPS/GIS的车辆监控调度系统可以实时了解车辆的位置、速度、方向等状态信息,为人们提供了一种全新的车辆管理手段。客户端车辆监控GIS系统是车辆监控系统中重要的组成部分,对其进行研究开发具有较强的现实意义与应用价值。针对实际的车辆监控项目的应用需求,本文采用ArcGIS Engine、Oracle数据库和 Visual Basic 6.0等开发工具,利用MapControl、TocControl、ToolbarControl控件、ICommand、ITool、IToolBarDef等接口开发了监控中心客户端软件——车辆监控GIS系统。在开发车辆监控GIS软件的过程中,我们设计了车辆监控GIS系统的技术框架,实现了原型系统和关键功能,建立了数据库。其关键功能包括:长度或面积量算时坐标的动态转换、IFeatureCache接口缓存技术的捕捉、自定义车辆符号的动态显示(符号方向随着车辆运行方向动态变化)、历史轨迹的查询与绘制和车辆最新位置信息提取与定位等。研究结果表明:系统实现方法简单实用,有助于优化系统结构及提高开发效率;系统功能使用方便、快捷,能够满足实际应用的需求,对相关GIS系统的建设具有参考价值。

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地图与地学模型设计及模拟

网络地图集成于GIS桌面系统的方法及试验

李木梓, 徐柱, 黄泽纯, 卢彩霞, 穆永磊

2011, 13(1): 95-101. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00095

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网络地图可以快捷地提供海量空间数据,用户可通过其提供的API方便地将其嵌入到定制的网络应用中,同样,将其集成到功能丰富的GIS桌面系统中是必要的、有益的。但目前主流的网络地图如Google地图、Bing地图等,与主流GIS桌面系统所支持的OGC的WFS、WMS、WCS等空间数据服务发布规范不兼容,因而不能被GIS桌面系统直接使用。为了解决这一问题,本文提出了一种将二者集成的思路与方法,即利用网络地图的可下载性和GIS桌面系统的可扩展性,采用配置机制实现统一编程接口,将不同站点、不同类型的网络地图作为GIS桌面系统的自定义图层处理。在实验验证中,我们采用ArcGIS Desktop作为实验平台,以自定义扩展模块实现功能,以自定义工具条实现用户访问界面,将Google中文和英文地图、Bing地图、Esri在线地图等4类12种大型网络地图以自定义图层的形式实时、动态、全比例尺地加载到ArcGIS Desktop中,供显示、利用,实现了独立桌面系统和独立网站之间的连接。本文提出的方法具有一定的实用价值和较广泛的应用前景,对实现类似的集成和定义网络地图访问接口标准具有参考价值。

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地图与地学模型设计及模拟

3D-GIS的高切坡一体化模型设计与实现

唐中实, 王彦佐, 辛宇, 吴奋陟, 周伟强, 周斌

2011, 13(1): 102-108. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00102

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现有的3D-GIS空间数据结构在构建地下数据及地上－地表－地下三维空间对象一体化表达方面存在不足。本研究扩展了传统GIS三维空间数据结构,提出了地上－地表－地下三维空间对象一体化表达模型,并在关键技术研究基础上,用C# + OpenGL实现了模型可视化,并实现了地上－地表－地下三维空间对象浏览、查询、剖面分析等功能。此研究成果应用到了三峡库区高切坡监测预警信息系统中,突破了传统三维空间可视化表达和空间数据结构的局限,具有重要的理论和实践意义。

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地图与地学模型设计及模拟

数据空间自相关性对关联规则的挖掘与实验分析

陈江平, 黄炳坚

2011, 13(1): 109-117. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00109

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传统的空间关联规则挖掘,一般是使用属性关联规则的挖掘算法,对空间数据进行泛化处理,不考虑空间数据的空间自相关性,也没有考虑空间自相关与空间关联规则的关系。本文运用改进的Apriori算法对某一数据进行空间关联规则挖掘,并对同一数据进行空间自相关分析,比较两种方法反映的属性的相关性,探讨了数据的空间自相关性对空间关联规则挖掘的影响。论文采用2000年英国的HAYFEVE患病数据集和当时的气温、降雨数据作为实验数据。采用两种方法处理相同的数据集,即Apriori方法和空间自相关方法,发现二者的结果中所得的一项关联规则和二项关联规则一致,证明了通过研究数据的空间自相关性也能获得准确的关联规则,且数据的空间自相关性对关联规则的挖掘存在作用和影响。如何定量度量一元空间自相关对空间关联规则的影响,以及利用二元空间自相关结果作为空间关联规则候挖掘的候选频繁项集,进而提高挖掘效率是本文的进一步工作。

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遥感技术与应用

基于街道空间数据及GPS测量的SRTM-DEM 校正和插值细化

肖飞, Parrot J. F., 杜耘, 凌峰

2011, 13(1): 118-125. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00118

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针对城市地区SRTM 数字高程模型,本文引入街道空间分布信息作为辅助数据,并结合GPS实地测量,对DEM中具有空间相关性的误差部分进行修正,从而尝试在一定程度上提高SRTM数据的垂直精度和空间分辨率。本文以墨西哥城Xico地区为例,解析SRTM DEM像元分辨率单元内地物表面平均高程值的组成结构;分析形成DEM高程值的地物组分之间的空间关系并根据GPS实地测量数据进行检验;探讨SRTM DEM中具有空间相关性系统偏差的产生原因;计算街道空间分布和SRTM 数据中与其具有空间相关性的系统误差之间的定量关系;并评估SRTM数据在该区的总体高程偏差。根据辅助数据与DEM系统误差之间的空间关系,通过GIS空间运算实现SRTM DEM的校正和细化。结果表明,与原始SRTM数据相比,校正细化后的DEM其整体高程偏差,以及与街道建筑结构相关的系统误差,均能够得到一定程度的校正和改进,并能较好地反映城区实际地面高程和城区建筑结构信息。在其他地形数据缺乏情况下,尽管计算结果受SRTM自身数据精度所限,但利用含有空间定位信息的辅助数据,对现有较低空间分辨率的DEM进行误差校正及细化,仍可在一定程度上消减与辅助数据相关的空间误差,提高DEM数据精度,从而为相关研究提供更精确的基础地形资料。

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遥感技术与应用

高光谱影像的 M-ICA 地物识别算法与应用

林志垒, 晏路明

2011, 13(1): 126-132. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00126

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高光谱遥感能以纳米量级宽度的窄波段及多达数百个的波段,对目标进行连续的光谱成像,但其海量数据及相邻波段高度相关造成的数据冗余却制约着它的应用。因此,对高光谱遥感影像分类须进行有效的处理、寻找最优特征,以增强地物的最大可分性。本文首先针对EO-1 Hyperion高光谱影像波段维数高、相关性强和数据量大等特点,利用独立成分分析(ICA)方法进行影像特征提取,并提出一种改进的ICA算法(M-ICA)。试验证明该算法的运算效率明显高于传统FastICA算法,其平均迭代次数和平均迭代时间分别仅为后者的14.49%和17.32%。然后为验证该方法在地物类型提取方面的有效性,分别对M-ICA的特征提取结果,主成分分析(PCA)的特征提取结果和未经特征提取的原始数据进行分类试验。结果表明,经M-ICA处理后的数据的地物类型提取总体精度达到90.57%,比后两者分别高出约10.8%和20.0%。由此表明,M-ICA是一种收敛速度很快的地物类型影像特征提取算法,能有效地实现对高光谱影像数据降维并提高地物特征的可分性。

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遥感技术与应用

藏北地区三种时序NDVI重建方法与应用分析

宋春桥, 游松财, 柯灵红, 刘高焕

2011, 13(1): 133-143. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00133

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遥感植被指数时间序列数据集,已广泛应用于陆地生态环境变化监测与模拟、植被覆盖动态变化分析、植被物候特征识别与信息提取等多方面的研究。但其因受遥感器采集与传输过程、大气条件、地面状况等诸多因素的影响,时序NDVI数据包含各种噪声,因此研究者们发展了一系列时间序列曲线重建方法。本文对近年来提出或改进的重建算法原理、优缺点进行阐述;然后,选择当前最为常用的3种方法,即非对称高斯函数(AG)拟合、双Logistic曲线(D-L)拟合和Savitzky-Golay(S-G)滤波法,以藏北地区不同土地覆被类型样点像元NDVI时间序列为实例,对算法的去噪效果、保真性能、生长峰值及细节处理效果等方面进行比较研究。结果表明,AG与D-L拟合两种算法具有较好的一致性,但对生长峰值模拟有所差异;3种方法对荒漠、荒漠草原、草原、灌丛、作物用地及林地等不同覆被类型各具优势,表现出区域、覆被类型和应用目的差异性。最后,基于AG拟合算法对整个藏北地区2007-2009年MODIS NDVI时间序列进行重建,处理后像元NDVI空间格局异质性减弱。

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遥感技术与应用

粤北地热资源遥感调查探测模式与应用

姚金, 李静荣, 凌造

2011, 13(1): 144-150. https://doi.org/10.3724/SP.J.1047.2011.00144

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目前,地热资源勘查仍以传统的物探方法为主,这样在探测区地热宏观环境条件不明时,就会出现投资风险大或盲目开采的情况;而遥感对地热资源的探测是弥补这一不足的先进技术。本文利用陆地卫星遥感数据处理方法进行了有效的遥感地质解译,依据陆地卫星红外遥感数据所反映的地物辐射温度差异特点,对遥感影像进行波段差值运算、HIS(HLS)彩色变换的增强处理,获得了工作区范围内的热异常分布格局。另通过遥感地质解译、地面调查等综合分析,剔除地热假异常,有效提取了地热异常的分布范围。综合热红外遥感地热异常和遥感地质解译及野外实地调查所获得的地质、构造、地形地貌等信息,建立有利于形成地下热水的信息模式,以指导实际寻找未知区域地下热水工作。上述实例说明,该技术方法切实可行,值得进一步研究和推广。

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