地球信息科学学报

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地球信息综合分析

中国LULUCF碳核算与决策支持系统设计与开发

赵志平, 邵全琴, 王军邦, 卢鹤立, 陈卓奇

2010, 12(6): 743-752.

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为了服务于我国气候公约谈判和陆地生态系统碳循环管理,对我国已建立的观测、数据、模型和方法进行有效集成,实现对全国陆地生态系统碳平衡、LULUCF活动碳汇效应,以及各种履约对策综合影响的动态评估,基于IPCC理念和方法,以.NET和ArcG IS为平台,设计开发了中国LULUCF碳核算与决策支持系统。本文首先介绍了系统原型设计和基本结构,然后,详细叙述中国LULUCF碳核算与决策支持系统的11个主要模块的算法及功能实现,系统数据集成和管理方式,系统决策实现和对比分析。该系统采用C#语言进行开发,采用五层次结构模式,运用关系型数据库存储空间数据,实现了空间数据和属性数据一体化的无缝管理。该系统功能齐备并且具有扩展性,可以接受不同的核定方案,进行多途径、多方案、多情景的比对,能为我国第二次全国温室气体清单编制和LULUCF活动碳汇效应计量提供可靠、高效的方法,为国家参与气候公约谈判和履约提供所需要的基础数据和科学依据。

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地球信息综合分析

大柳塔采煤塌陷区土壤含水量的空间变异特征分析

赵红梅, 张发旺, 宋亚新, 荆恩春, 卫文, 韩占涛

2010, 12(6): 753-760.

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通过研究采煤塌陷区土壤水空间分布及动态变化特征,查明了采煤塌陷对土壤含水量的影响,这对矿区生态环境保护、塌陷区土地复垦等具有重要指导意义。以大柳塔双沟采煤塌陷区为试验区,利用传统统计学和地统计学方法分析了采煤塌陷条件下的包气带土壤水空间变异特征。研究结果表明:由于采煤塌陷造成塌陷区土壤层位在垂向上倒置、重组,引起土壤粒度、容重、孔隙度等土壤物理特性的改变,使塌陷区土壤含水量比非塌陷区显著降低,在不同深度层（0~60 cm）分别减少14.2%~21.9%;在垂向分布上塌陷区土壤水分也表现出较强的变异性,其离散系数在不同深度（0~60 cm）与非塌陷区的差值在19.2%~50%之间。根据试验区0 cm、20 cm、40 cm、60 cm四个层面土壤含水量的Kriging插值等值线图显示,土壤含水量低值区均位于塌陷区内的塌陷坑部位,证明地表的地裂缝、塌陷坑、塌陷洞等塌陷形态对土壤持水能力的影响颇为显著。采煤塌陷区土壤含水量降低、空间变异性增强直接导致了地表植被生存环境的恶化,地表景观被严重破坏。

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地球信息综合分析

能源保障风险综合评价指标体系研究——以煤炭和石油为例

赵建安, 李红强, 郎一环, 郑景云

2010, 12(6): 761-766.

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能源保障风险综合指标体系研究是能源保障风险评价的基础工作和重要内容。其中,煤炭和石油作为我国能源供给与消费的主体,其保障风险源于资源、生产、运输、市场和消费五大方面。煤炭和石油保障风险的综合评价实质上,是在对各风险源产生风险可能性展开评估的基础上进行集成和综合,进而形成煤炭和石油保障综合风险指数。本文借鉴有关风险研究的综合评价方法,运用层次分析模型,形成由目标层、准则层、子准则层和指标层等4个层次、共14个指标的保障风险识别与评估指标体系,并构建了煤炭和石油保障综合风险度,以及各风险源风险度的评价模型。根据评价模型计算得到的煤炭和石油保障综合风险度指数(ESCR I),在此基础上对煤炭和石油保障风险进行综合的等级划分,并将其风险可能性划分为极低、低、中、高、极高5个级别。这一研究结果可在煤炭和石油保障风险乃至在整个能源保障风险评估与管理中,为辨识、预测和应对风险提供理论与方法上的参考。

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地球信息综合分析

Kriging插值和序贯高斯条件模拟算法的对比分析

赵彦锋, 孙志英, 陈杰

2010, 12(6): 767-776.

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本文对Kriging插值与序贯高斯条件模拟值的算法联系进行了推导,并将两种计算结果和原始数据的统计参数作了对比。结果表明,Monto-carlo方法求得的序贯高斯条件模拟值经数学变换后等同于已知数据和此前模拟数据共同参与的Kriging插值结果与一个随机偏差的和,该随机偏差的均值为0,方差为Kriging误差方差。最优性条件导致Kriging插值结果的方差较原始数据降低了1个Kriging误差方差,造成Kriging平滑效应,其空间变异函数值降低,但自协方差函数值不变。序贯高斯条件模拟避免了平滑效应,其方差、变异函数和自协方差函数均不变,而其模拟值的误差方差较Kriging误差方差增加了1倍,表明1次随机模拟值的误差比Kriging插值大。然而,多次随机模拟值的平均值与Kriging插值的地理制图效果近似,可以弥补局部估值误差大的不足。因此,在应用中,Kriging插值是提供局部最优估计的方法,但却低估了全局的空间变异。而序贯高斯条件模拟的优点,在于提供若干等可能概率的模拟结果以进行估值的不确定性评价,并再现全局的空间可变性。

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地理信息系统应用分析

面向地图集编制的地图可视化设计——以《中华人民共和国人口与环境变迁地图集》为例

韩嘉福

2010, 12(6): 777-783.

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地图集的地图可视化设计与单幅地图不同,需要以地图集的总体设计思想为依据,在地图设计与表达时反映指标体系的科学完整性,体现地图集的总体协调性。本文以《中华人民共和国人口与环境变迁地图集》为例,详细介绍了以多指标、长时间序列为特征的人口与环境变迁地图的可视化设计与表达方法,包括:系列地图、结构及其数量变化、构成比例变化、数量变化及其对比关系、累积数量变化、多指标数量累积及其对比、相对某一时间基点变化、单指标多年统计特征的变化、单指标两个时期数据的对比等。该方法以对相关指标现状的表达为基础,重点强调制图对象变迁特征,表达指标体系之间的联系和区别。相关地图可视化设计方法可广泛应用于其他类似专题地图的设计过程中。

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地理信息系统应用分析

南方山地丘陵土地利用类型的地形影响GIS分析——以江西省为例

张方方, 齐述华, 舒晓波, 廖富强

2010, 12(6): 784-790.

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分布广泛的山地丘陵,地形复杂多样,生态环境脆弱,不合理的土地利用方式会造成生态环境的破坏,导致严重的水土流失。分析山地丘陵区土地利用的地形控制机制,对于山地丘陵区土地利用开发与水土保持等生态保护之间权衡提供科学依据而具有重要现实意义。因此,本文以南方山地丘陵分布较广泛的江西省为例,在SRTM数字高程模型(DEM)的支持下,利用中国资源环境数据中心基于Landsat遥感解译的2000年土地利用数据,分析了江西省土地利用结构与高程、坡度和坡向等地形因子的关系。结果表明地形因子是影响江西省土地利用方式的一个重要因素,具体表现在:(1)随着高程和坡度的增加,耕地面积及占土地总面积的比例都呈下降趋势,南坡耕地面积和比例都大于北坡的耕地面积和比例;(2)在低海拔区,林地面积占土地总面积比例随着海拔高程的增加而增加,当海拔高于400米时,基本稳定;(3)居民点和工矿用地受高程和坡度的影响较大,受坡向影响较小;(4)草地的面积随着海拔的增加呈下降趋势,但其面积比随着高程增加呈缓慢增加,受坡度和坡向的影响较小。

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地理信息系统应用分析

基于粗糙集的交通道路与城镇用地扩展关系分析

曹峰, 宋海荣, 葛咏, 李德玉

2010, 12(6): 791-796.

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交通道路是城镇用地扩展的重要驱动力因素之一,对城镇用地的扩展具有积极的作用。城镇用地的扩展也不断地对交通道路的发展提出新的需求。目前,众多的数理方法和空间模型已用以研究交通道路与城镇用地扩展之间的相互作用。为了更加有效地分析交通道路与城镇用地扩展的作用关系,以更加有效地研究交通道路与城镇用地扩展的相互作用程度和模式,需进一步探索新的技术方法和手段。本文利用粗糙集理论,以广东省城镇化问题为例,从一个新的角度来研究交通道路与城镇用地扩展之间的关系。结果表明,使用粗糙集抽取的反映交通道路和城镇用地扩展的决策规则可以有效地反映交通道路与城镇用地扩展的关系,对于城镇化的研究具有一定的指导作用。

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地理信息系统应用分析

京津冀都市区经济增长空间分异的GIS分析

董冠鹏, 郭腾云, 马静

2010, 12(6): 797-805.

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基于GIS技术和探索性空间数据分析(ESDA)方法,利用京津冀都市区1995-2007年人均GDP数据,对京津冀都市区经济发展水平、经济增长率及其和初始发展水平动态关系进行了深入的研究。研究表明:(1)京津冀都市区经济差异和空间集聚都呈逐步扩大趋势,空间依赖增强,经济差异和空间集聚呈较高的正相关关系,京津冀都市区经济发展水平空间集聚的增加,在一定程度上加大了经济差异。(2)京津冀都市区内部形成了两大空间集聚区,一个以北京、天津、唐山为核心的高经济发展水平的集聚区;另一个是以承德、张家口和保定为核心的低经济发展水平的集聚区。(3)初始经济发展水平局部空间自相关类型不同的区域,经济增长率与初始发展水平的动态关系不同,初始发展水平高的空间集聚区表现出明显的经济收敛性,而初始发展水平低的空间集聚区中的多数地区则有落入"恶性循环累积陷阱"的倾向。

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地理信息系统应用分析

变精度粗糙集下的GIS面目标拓扑关系扩展研究

廖伟华

2010, 12(6): 806-810.

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空间拓扑关系一直是GIS研究热点。本文在分析了GIS面目标拓扑关系的基础上,引入粗糙集概念。在Pawlak粗糙集中,把RCC模型中面目标看成粗糙集中的等价类划分,不考虑边界的模糊性和边界,RCC模型的关系表达模型不变。而在变精度粗糙集中,由于引入多数包含β因子,除PO(X,Y)和POI(X,Y)外,RCC模型其他关系表达模型也不会变化,并且这些关系属于β=0的特例。在PO(X,Y)模型中由于两个面目标存在公共相交部分,及X∩Y≠φ。因此,当C(X,Y)≤β,即X与Y中的公共元素的数目,大于X中元素数目的50%时,显然可以得到Y⊇^βX。因此,在变精度粗糙集中,我们认为两个面目标PO(X,Y)有两种集合表达形式Y⊇^βX和Y⊄^βX,并由此作出了POI(X,Y)和PO(X,Y)在变精度粗糙集下的面目标相交拓扑关系拓展图。

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地理信息系统应用分析

基于WSRF的网格空间服务及其管理

高秉博, 谢传节, 曾少斌

2010, 12(6): 811-818.

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网格技术与空间信息技术的结合,产生了空间信息网格。空间信息网格能够汇集各种空间信息资源,进行一体化管理,支持资源共享,提供"按需服务"的能力。"按需服务"要求能根据用户的要求,提供多样性服务,即能自动发现所有满足用户需求的空间信息资源或其组合,并评估各个资源或其组合,按一定目的选择资源,提供服务。但是由于网格的动态性,使得使用者较难得到现势性很好的空间信息资源的信息,直接影响了空间信息网格"按需服务"的能力。将传统的空间信息服务技术直接融入网格不能解决这一问题。为了解决该问题,提高"按需服务"的可靠性,本文根据支持资源状态和服务分离的网格框架W SRF,提出了W SRF设计网格空间服务及其管理的方案。即在空间信息资源节点,除了将信息资源以标准服务的方式提供使用,还以W SRF的方式组织资源的状态并提供访问和订阅;网格中央节点收集、维护和管理各子节点的服务和资源状态信息,提供信息访问接口以支持"按需服务"所必需的资源选择。最后按照该方案实现了一个简单的空间数据网格。

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地理信息系统应用分析

基于ACE的海量三维空间数据通信研究

田宜平, 彭元

2010, 12(6): 819-827.

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三维可视化已成GIS发展的潮流,这必然会导致空间数据量的激增,通过集群系统和并行数据库系统可以很方便地解决海量数据的存储管理问题。但是,在海量环境下,一般数据库管理系统提供的查询接口,仍然难以满足实时三维场景可视化的速度需求。因此研究C/S模式下海量三维空间数据的高效调度成为三维GIS发展亟须突破的难点。在数据库服务器端和客户端之间加上应用服务器端,提供数据缓存、预调度等功能,减少服务器端磁盘I/O所带来的时间消耗,可以明显加速数据调度。本文系统分析了这种客户端/应用服务器端/数据服务器端模式下三维空间数据通信的难点和主要设计挑战,并针对三维GIS的数据访问特征,设计了一套能满足三维GIS实时调度的通信应用层协议。以ACE中前摄器框架为基础,结合线程池技术提出分层策略,搭建了海量三维空间数据的通信架构,它是一种面向对象的构架,可以方便地进行功能的定制和扩展。

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地球信息综合分析

Google Earth COM API及KML技术在旅游管理信息系统开发中的应用

马立广, 曹彦荣

2010, 12(6): 828-834.

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地理信息技术的发展,推动了旅游业信息化的进展。特别是随着生态环境保护意识的增强,生态旅游的行为和内容也逐步纳入到旅游信息和旅游资源管理范畴中。本文采用Google Earth COM API,基于开放式KML数据标准,探讨开放式地理信息技术在旅游资源管理信息系统中的应用。与读者分享基于KML数据标准,对多元异构的旅游资源数据进行的标准化分类组织和整合的技术方法,介绍使用Google Earth三维数字地球平台提供的免费API快速实现旅游景观资源的可视化,旅游景观资源和信息的快速查询与空间定位功能,以及旅游景观资源的3D自动漫游飞行功能的实现途径和方法,归纳总结开发中的技巧和经验。并实际应用Google Earth COM API与C#.Net语言联合开发了旅游资源管理信息系统,为部门管理旅游资源信息和公众交互访问旅游资源提供便捷的技术平台,也为同类型的旅游资源信息系统的研发提供技术参考。

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内蒙古中部MODIS植被动态监测分析

王军邦, 陶健, 李贵才, 庄大方

2010, 12(6): 835-842.

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对中分辨率成像光谱仪(MODIS)250m空间分辨率的每8天NDVI卫星遥感数据,利用年平均NDVI及一元线性回归方法,分析了2000-2008年内蒙古中部地区植被变化趋势。结果表明,近9年内蒙古中部地区79.60%地区的植被总体上保持稳定,17.33%的地区得到了明显改善,3.06%的地区仍存在较强的退化或沙化趋势。退化或沙化地区主要分布在内蒙古农牧交错带北部边缘,成条带状分布,反映了农牧交错带地区生态仍然较为脆弱,需要进一步关注和保护,东南部地区的植被恢复明显。植被年际动态主要受该地区暖干化气候影响,气候变暖造成植被NDVI增加,而降水波动导致NDVI随之变化,降水的作用是气温的2.8倍,有些地区可达到11倍之多。

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证据推理的遥感图像分类方法与应用

武岩, 李华朋, 王煜国

2010, 12(6): 843-849.

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遥感图像分类一直是遥感研究领域的核心问题。然而,传统遥感分类方法在地物复杂地区不能取得满意效果。不但分类精度不够理想,分类灵活性也存在不足。本文尝试引入证据推理"软"分类方法,选择小兴安岭山区一景TM遥感图像,基于用户知识和经验,通过人机交互处理,以累计信任度(CBV)最大为划分像元归类的原则得到证据推理方法的分类图像。结果表明,整体分类精度从最大似然法的78.74%提高到82.28%,kappa系数从0.67提高到0.71。但该方法对于裸地分类精度不高,通过人为设定各类别CBV阈值的方法,获得了人为干预的证据推理方法分类图,其整体分类精度达到了87.80%,kappa系数也达到了0.81,所有类别的生产者和用户精度相比于最大似然法都有提高。研究表明,证据推理方法在遥感分类精度和分类灵活性方面都具有优越性。

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多色彩高空间分辨率遥感影像矢量边缘信息提取算法与应用

刘建华

2010, 12(6): 850-854.

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相对单波段灰度影像而言,多波段高空间分辨率遥感影像中可用于边缘检测的光谱信息更加丰富。鉴于Canny算子在灰度图像边缘检测中的优越性能,本文利用输出融合策略对其适用于高空间分辨率遥感影像矢量边缘检测作了改进。基于可视化开发平台VC++.NET,编程实现了福州市航拍的高空间分辨率遥感影像红绿蓝三个标准波段在RGB、IHS、Y IQ、YUV、C IELUV色彩空间中对各种地物矢量边缘信息的有效提取。对高空间分辨率遥感影像矢量边缘各分量的分析认为,由于波谱范围差异的影响,在上述色彩空间中不同地物类型边缘检测时响应程度具有显著的不同。本文研究结果表明,该算法参数设置和色彩空间选择对高空间分辨率遥感影像矢量边缘信息提取有较大的影响。

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北京一号小卫星数据的城市景观格局监测分析——以徐州市城区为例

杜培军, 单丹丹, 夏俊士, 刘培

2010, 12(6): 855-862.

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为了推进北京一号小卫星遥感数据在城市景观生态研究中的应用,针对其全色影像4m分辨率、多光谱影像32m分辨率的特点,试验分析北京一号小卫星影像在城市景观格局变化中的应用效果和特点。通过对不同分类器的比较,选择支持向量机分类器对多光谱影像、全色影像、全色与多光谱融合影像三个数据集进行景观组分分类,结果表明,全色与多光谱融合影像的分类精度最高。利用多时相、多光谱遥感数据统计分析了城市景观组分与格局变化,表明32m空间分辨率的多光谱影像可以用于城市景观格局变化和土地覆盖变化分析。本文全面试验和分析评价了北京一号多分辨率数据在城市景观格局研究中的应用效果。通过对同一年份全色影像和多光谱影像计算的景观格局指标的分析表明,全色数据能更有效地描述景观详细信息,多光谱数据可展现城市景观的整体格局,而融合后对景观格局分析能够获得优于单一数据的效果。试验和分析表明,北京一号小卫星4m全色高分辨率影像和32m多光谱数据的波段组合,能从不同尺度揭示城市景观格局和变化过程。

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面向对象图像识别的地学理解方法的优化与应用

许效, 杨晓梅, 龚剑明

2010, 12(6): 863-869.

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近年来,面向对象技术的应用愈加广泛,以适应不同应用目的下不同地物复杂度的图像处理与信息提取要求。本文详细分析了面向对象信息提取方法中存在的问题,提出将传统像元级光谱分类与面向对象信息提取技术相结合,通过最大似然光谱分类和地学统计分析获取图像区域的先验知识,包括不同类型地物光谱混淆情况和图像复杂程度的定性描述等,以反映图像处理与信息提取的难度大小及技术要求,利用预分析获得的知识优化面向对象信息提取技术流程中图像分割参数设置及分类器的构造等,用于克服面向对象方法参数选取的盲目性和结果的多样性。并以SPOT5高分辨率遥感图像为例,通过常规方法和改进方法的对比,证明本试验方法有利于真实地分割地物基元,提高分类精度、效率和训练器性能。

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遥感石漠化信息的提取

胡顺光, 张增祥, 夏奎菊

2010, 12(6): 870-879.

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石漠化信息提取是多种信息综合分析、反馈的过程。通过分析当前石漠化分级体系,对比喀斯特地区与石漠化范围、土地利用与石漠化关系,并结合当前石漠化信息提取关键技术研究认为:目前的石漠化分级体系在划分级别、分级指标、分级区域等方面存在巨大差异,将尺度划分引入石漠化等级体系是统一石漠化等级划分差异的有力途径;充分利用基于内容的特征识别算法进行喀斯区的圈定可以有效提高石漠化信息提取精度;利用已有的土地利用矢量数据,通过合理转换进行石漠化信息提取是重要研究思路;传统的建立石漠化解译标志、改进植被指数模型以及建立波谱关系模型等石漠化信息提取方法无法很好融合石漠化综合指征,提出基于遥感的石漠化综合指标度进行石漠化信息的提取方法。

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青藏高原数字照片植被覆盖度自动算法与应用

贾建华, 胡勇, 刘良云

2010, 12(6): 880-885.

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覆盖度是植被评价的重要指标,也是遥感反演的关键参数。估算植被覆盖度的常用方法是目测法,但这种方法受观测人员的主观影响。近年来有研究人员利用冬小麦垂直数字照片的HLS颜色空间的色度特征,设计了自动提取覆盖度算法,具有较高的计算精度。但青藏高原植被颜色丰富多样,下垫面背景色彩差异很大,这种常规覆盖度自动提取算法存在困难。论文分析了青藏高原地表垂直数字照片的图像颜色特征,发现超绿色算法对绿色植被比较敏感,能够增强植被和背景的灰度差异,有效抑制土壤背景干扰。并采用K均值聚类算法,设计了青藏高原植被覆盖度的自动提取软件。通过将覆盖度自动提取结果和人工监督分类进行比较,两者误差在5%以内。此外,通过分析分类后的结果图像,提出了进一步改进的方法。

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古遗址区形迹特征的影像融合信息识别分析——以陕西省五陵原遗址为例

李京忠, 刘咏梅

2010, 12(6): 886-891.

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本研究以陕西省汉五陵原为研究区域,基于高分辨率影像(DOM航片)、多光谱影像(ALOS多光谱影像)和Quickbird融合影像数据,对五陵原遗址区结构性线状特征信息进行了提取。结果表明:融合后使影像隐含的空间纹理得到明显增强。用Gram-Schmidt方法的DOM和ALOS多光谱+NDVI融合影像,清晰地反映了遗址区的结构性线状特征;而Canny算法的边缘检测,能很好地提取遗址区显性和大量隐性的线状特征,对古遗迹的解译具有重要指示意义。

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