高精度曲面建模(HASM)是一种全新的曲面建模方法,其整个过程可分为偏微分方程的离散、采样方程建立和代数方程组求解3个阶段。目前所采用的求解对称正定方程组的方法主要是共轭梯度法。为了解决HASM的计算速度问题,本文给出了2种新的预处理共轭梯度算法,分别为不完全Cholesky分解共轭梯度法和对称逐步超松弛预处理共轭梯度法。实验表明,不完全Cholesky分解共轭梯度法收敛速度最快,且这2种预处理方法均比其他方法具有更快的收敛速度。
坡度作为最基本的地形因子,是构建地学分析模型的基础数据,基于格网DEM的坡度计算模型的精度分析一直是地学分析的重要研究内容。本文通过分析计算坡度的 差分模型误差来源及特征,提出了一种新的模型——5节点二阶差分模型。其基本思想是顾及多距离邻近点高程信息,采用5×5分析窗口,建立单倍格网和两倍格网的差分计算线性组合模型。并通过数学分析的理论推导证明该模型可以显著提高计算精度。实验选取典型数学曲面并对其采用不同的分辨率(1m和5m)进行离散化精度验证。计算结果表明,与现有的差分模型相比,5节点二阶差分模型可以显著提高坡度的精度,对应于两种分辨率的DEM,该模型计算坡度的精度可以分别提高7×104倍、3×103倍以上,表明该模型对于高分辨率DEM数据更为适用。本研究不仅丰富了数字地形分析的方法体系,为相关地学模型分析提供更精确的坡度数据,而且为将来改进地形曲率因子等计算模型提供了一定的参 考和借鉴。
合理规划学校布局是实现义务教育均衡发展和落实就近入学政策的一个重要途径。为满足县市级中小学校空间布局规划需求,本文以区位配置优化方法解决学校区位选址问题。以平均入学距离为目标,以学校总数、学校学额为约束条件,分别构建P中值指派规划和整型规划数学模型。根据学校与居民地之间的空间分布特征进行模型简化,使模型计算效率大幅度提升。因指派规划模型约束矩阵每列非零元素不超过2个,分枝切割算法能获得近似最优解(与最优目标之差小于0.01%);整型规划模型约束矩阵近似于完全单位模矩阵,分枝切割算法通常能获得最优解。在ArcGIS 10 Geoprocessing框架中,整合ArcGIS网络分析、Coin-or Python线性规划建模工具PuLP 1.4.7和线性规划软件Cplex 12,实现模型建模、模型解算和优化结果可视化。在配置Intel 酷睿2双核2.44GHz CPU和2GB内存的计算机环境中,对于有1276个居民点和50所学校的县域进行网络分析、模型建模、模型结算和结果输出。优化结果表明:学校布局调整后学生平均入学距离明显降低,本文构建的优化模型在县市级较大规模的学校选址规划中具有实用价值。
本文以土壤CEC和土壤全氮为研究对象,在河南省黄河以北6个地市选取870个样点,并随机均分为两个数据集,进行了制图对比分析;同时研究了Kriging法、IDW法和以点代面法制图结果的稳定性及其与精度的关系,以及影响因素。结果表明:采用实测数据与预测数据的交叉验证并不能用来衡量制图结果的稳定性,验证精度高低并不表示采用不同数据集制图结果可能会重现的概率;而且采用不同的方式进行精度检验,结论也会有所不同。采用不同抽样集合制图,Kriging法和IDW的结果较稳定,两者较接近,其相对误差>0.3的区域均不超过20%,且相对差异度高值区的空间分布格局相对分散;而以点代面法制图结果不稳定,相对误差>0.3的区域达到54.21%,且差异度较高的图斑相对集中,呈大片状分布。制图结果稳定性受到实测数据分布特征和局部地区土壤的高度变异性的影响,其中Kriging方法制图结果的不稳定性受样点分布格局的影响较另两种方法要大,而IDW法和以点代面法受实测数据自身变异性影响更明显。
本文通过对Shapefile文件进行扩展,使用改进的基态修正模型,构建了一种ArcGIS的时空数据模型,支持对时空变化过程的存储、分析和模拟,同时支持传统的GIS空间分析功能。本研究还设计和实现了一种基于多时态矢量数据集的时空数据变化过程发现和时空数据转换算法,此算法可以自动提取多个时态之间的变化过程,将多时态数据转换成基于Shapefile的时空数据模型存储。鉴于该数据模型,设计和实现了时空数据的快照恢复、变化查询、历史演化分析和数据更新方法,验证了模型的可应用性。
碳循环模型是模拟陆地生态系统,估计和预测不同尺度碳收支格局和变率的重要手段。但传统碳循环模型应用中存在数据处理量大、运算复杂、互操作性差、难以推广等问题。由开放地理信息联盟(OGC)制定的网络处理服务(WPS)标准为实现碳循环模型的发布、共享、重用与组合,促进碳循环模型的发展和应用提供了一种新的途径。本文遵循OGC WPS标准,以SOA设计了碳循环模型服务平台的整体架构,详细描述了平台模型接口设计、模型算法开发、WPS服务的封装与发布、平台浏览器客户端界面开发等关键环节的实现方法,为用户提供了碳循环相关数据和模型服务的发布、管理、调用、组合、异步交互、状态监控和结果可视化等功能。并以VPM模型服务链为应用实例,演示碳循环模型WPS服务开发、封装、调用和组合的方法,展示了该服务平台的功能。该平台的建立为我国碳循环模型研究的发展提供了技术支撑。
鄱阳湖是我国第一大淡水湖,具有洪水调蓄、水源涵养等重要生态服务功能。掌握鄱阳湖地区土地覆盖的空间分布格局和规律,对于评价其环境保护和生态服务功能具有重要作用。本文利用环境卫星影像、2005年鄱阳湖地区土地覆盖数据,经遥感解译分析获取了鄱阳湖地区2010年土地覆盖现状数据及其空间分布格局图。研究表明:(1)采用2010年的环境星影像结合2005年土地覆盖数据,人工目视解译得到的2010年土地覆盖数据的精度为80.4%。(2)景观生态学、GIS及统计学的思想和方法可以为土地覆盖空间特征的定量分析提供技术支持。文中采用的斑块面积指数、斑块形状指数、不同土地覆盖类型的邻接指数,从不同角度反映了鄱阳湖地区土地覆盖的空间分布格局及景观特征。(3)景观指数能定量说明土地覆盖景观的形状、大小、数量和空间组合,能反映景观的生态环境特点、人类活动及社会经济状况。面积特征指数显示研究区农村聚落的离散度及破碎度最高;斑块形状指数反映出研究区水体形状趋于规则化,其受到人类的"围湖造田,围湖造地"及防洪工程建设的干扰。(4)不同土地覆盖类型的邻接指数能定量说明相邻类型在物质交换、结构与功能的相互影响及土地资源形成机制、演替过程等。水田与常绿阔叶林的邻接关系反映了人类"毁林开荒"活动对林地与水田演替关系的影响;水田与农村聚落的邻接关系,表明研究区耕地保护的重点是城镇及农村周边耕地的保护;城镇建设用地的邻接关系表明了人类生活所需的生活条件,为"移民建镇"工程提供了科学依据。分析认为:鄱阳湖地区是以耕地为主的农业区,并且有丰富的水资源及森林资源,但今后要重视农村土地的集约化利用、水资源保护、耕地资源保护和自然资源的合理开发利用。
景观指数作为定量描述景观特征的指数,具有明显的尺度效应。进行景观指数的尺度效应研究,对进一步理解格局与尺度之间的关系具有重要意义。本文以TM影像为基础,选择山西省运城市平原、丘陵、山地及综合地貌4种不同地貌类型,对7个常用景观指数进行了多尺度效应分析。结果表明:不同地形上斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、结合度(COHESION)3个指数有明显的粒度效应,随粒度的增加呈现逐渐减少的变化趋势;最大斑块指数(LPI)、周长面积比分维数(PAFRAC)、景观聚集度(CONTAG)和Shannon多样性指数(SHDI)4个指数随粒度的增加几乎不发生变化。不同地貌的景观指数随幅度的变化规律比较复杂,景观形状指数(LSI)随幅度的增加呈现逐渐增加的趋势,其余6个指数在较小幅度范围内变化比较复杂,但随着幅度的增大有逐渐趋于平稳的趋势。针对研究区不同地貌类型,其景观指数在不同粒度和幅度下有较大区别,可以根据景观指数值的大小来区分地貌的复杂程度。
本文首先对我国能源和矿产资源日益增长的需求现状,分析了目前地质找矿所面临的诸多难题,及国内外探索新一代矿物勘查技术的研究现状,然后,系统地介绍了"光谱地壳"的基本概念、研究内容和建设意义。文中指出,"光谱地壳"计划的提出,旨在针对地表和地壳表层,实现高光谱技术对地球表面的地质填图和矿物蚀变信息的遥感探测,以及对岩芯的光谱探测,建立地壳高光谱数据库集,满足以高光谱探测技术对地壳表层一定范围内矿物的识别和探矿需求。 "光谱地壳"计划瞄准国家战略需求,强化技术创新与应用模式创新,提高星载、机载高光谱遥感矿产资源探测能力,建立地面光谱测量平台及地下岩芯光谱扫描、编录、分析平台,发展由天基、空基、地基,地下岩芯探测构成的一体化"光谱地壳"遥感立体探测体系。"光谱地壳"计划是我国高光谱遥感技术发展的顶层设计,拟将解决遥感直接找矿和深部找矿的勘查难题,以带动我国整体勘查技术水平的提高和发展。
传统的图像分辨率降低主要是通过图像重采样实现的。多进制小波是近年来发展的小波分析理论的一个新的分支,它在正交性、紧支性、光滑性方面都优于二进制小波。本文首先介绍图像分辨率定量降低的需求与传统的图像分辨率降低方法;然后,以多进制小波的时频多分辨率特性,把多进制小波变换应用于定量降低图像分辨率,并用三进制小波变换进行了图像分辨率降低实验,提取三进制小波的低频分量作为降低分辨率后的图像;最后,通过与常用的图像重采样方法,如最临近法、双线性插值法及其衍生的邻域平均法的结果进行定性与定量评价,结果表明多进制小波在图像分辨率定量降低方面具有明显的优势。
MODIS等全球叶面积指数(LAI)产品空间分辨率偏低(250m~7km),不能满足高空间分辨率遥感应用的需求。为获取大区域高空间分辨率LAI,有必要对物理模型用于高空间分辨率遥感影像LAI反演的可行性进行探讨。本文基于4-scale模型LAI反演算法,以甘肃省张掖为研究区,利用TM 影像实现研究区人工林LAI反演。反演算法考虑了反射率入射-观测角度对LAI与植被指数关系的影响和植被冠层尺度的集聚程度。利用地面实测LAI数据对反演结果进行验证与分析,并与NDVI经验模型进行对比,同时分析LAI反演结果对波段反射率敏感性。结果表明: 4-scale模型LAI反演结果与实测LAI一致性良好(R2=0.67,RMSE=0.50),且优于NDVI经验模型(R2=0.59,RMSE=0.67);当LAI大于2时,4-scale模型LAI反演算法误差小于NDVI经验模型,能有效避免植被指数的饱和现象;红光波段反射率减小时,引起4-scale模型LAI反演结果的变化幅度比其增大时更高,且影响程度大于近红外波段反射率。研究表明,4-scale 模型LAI反演算法可用于TM数据反演人工林LAI,模型应用普适性较强。
叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)是表征植被冠层结构的核心参数。在地面对LAI的间接测量是遥感反演算法验证和改进的重要手段,而目前基于Beer-Lambert定律的森林LAI地面间接测量方法存在着严重的低估问题。本文通过理论分析,指出Beer-Lambert定律在应用到森林叶面积指数测量时,LAI低估的根本原因来源于叶面积体密度、消光路径及叶倾角投影G函数在空间上的不均匀性,并定量评估了冠层非随机分布对LAI测量结果的影响,发现植被冠层的非随机分布会对LAI的测量带来20％~40%的误差。这一结论,对于Beer-Lambert定律的简单修正应用于森林LAI间接测量时仍存在着较大的局限性,尚未能根本上解决LAI的低估问题,故间接测量LAI的理论和方法需进一步深入研究。
土壤盐碱化是世界面临的一大难题。微波遥感探测土壤具有优势,L波段对土壤含水量和含盐量较为敏感。为了分析不同盐类对土壤介电特性的影响,本文利用L波段(1.43 GHz)微波谐振腔测量了我国盐碱土中普遍存在的3种盐类(NaCl,Na2SO4,NaHCO3)土壤样品的介电常数,研究了土壤介电常数与含水量、含盐量和盐种类的关系。得出结论:实部主要由土壤的含水量决定,含盐量对实部的影响无明显规律;虚部值随含水量和含盐量的增加而增大;3种盐类土壤介电常数虚部随含盐量变化呈现不同的递增趋势,在含盐浓度一定的条件下,虚部值是ε″ NaCI>ε″ NaHCO3>ε″ Na2SO4;在某一含盐量点3种盐类土壤虚部随含水量变化的斜率不同,以此能将3种盐类区分。该研究为建立含不同盐类土壤介电常数模型和微波遥感监测土壤盐碱化提供了实验的依据。
HJ-1A/1B卫星具有较高时空分辨率,是提取水稻等农作物种植面积的潜力数据源。本文以江汉平原腹地的监利县及周边相邻区域为研究区,根据水稻物候历,选取样区水稻生长关键期的多时相HJ-1A/1B卫星数据,利用水稻移栽期的水分信息和生长期的归一化植被指数(NDVI)变化信息,结合陆表水系数(LSWI)、短波红外波段的反射率(RIRS-B2)、差归一化植被指数(DNDVI),构建了HJ卫星数据的水稻种植面积识别方法,提取了研究区2009-2011年水稻种植面积,得到面积精度和样本点精度均不小于90%,Kappa值不小于0.80的结果。
近20年以来,随着我国经济结构的调整和农村劳动力的转移,部分地区冬闲田的面积呈明显增长态势。为了科学、合理及高效地利用冬闲田资源,本研究以长江中下游农业区为实验区,利用长时间序列NDVI数据,结合研究区耕地空间分布和农作物在出苗期和成熟期NDVI变化特征,构建了NDVI动态阈值法的冬闲田遥感监测方法,进而对研究区2007至2008年冬闲田的空间分布和闲置时间进行了提取分析。研究发现,2007至2008年,我国长江中下游农业区冬闲田总面积为20.55万km2,占耕地总面积的45.49%。冬闲田集中分布于研究区北部和西北部的江苏、安徽、河南、湖北、湖南和江西的西北部地区,其中,湖北、湖南和江苏是冬闲田分布面积最多的省份,3省冬闲田面积占了研究区冬闲田总面积的53.41%。
青海三江源区是长江、黄河、澜沧江3大河流的发源地。草地是该区域的主体生态系统,高寒草甸是其主要类型。近30年来,三江源地区草地发生了大面积的退化,不同退化程度的高寒草甸光谱特征是高寒草甸遥感分类和退化监测的重要依据。2009年8月作者在青海省三江源区对高山嵩草、矮嵩草和藏嵩草3种未退化高寒草甸,以及4种不同退化程度的高山嵩草草甸,进行了地面光谱测量和草地样方调查。同时对实测光谱曲线进行了比较,提取和分析了它们在557nm、675nm和760nm处反射率,以及"红边"斜率。结果表明,3种高寒草甸的光谱曲线,以及4种退化程度高寒草甸和未退化高寒草甸的光谱曲线在557nm处的反射率差异较小,在675nm和760nm处的反射率及"红边"斜率存在明显差异,能有效区分高寒草甸,可为高寒草甸遥感自动分类和退化监测提供依据。不同退化程度的高寒草甸地上生物量与其光谱曲线的"红边"斜率和归一化植被指数(NDVI)线性拟合的确定系数分别为0.93和0.87,其相关性较好,可用于高寒草甸地上生物量的估算。本文提取的光谱反射率的"红边"斜率不仅能有效区分3种典型高寒草甸和不同退化程度的高寒草甸,且与高寒草甸地上生物量的关系优于NDVI,对高寒草甸识别分类,退化监测和生物量估算有重要意义。
陆源入海排污口是主要的海洋污染源之一,陆源入海排污口调查是海洋环境监测的重要内容。故此,针对陆源入海排污口监测与评价的业务需求,参照现行"陆源入海排污口及邻近海域生态环境监测指南"(HY/T086-2005), 在综合考虑各类卫星传感器应用能力与经济性的基础上,研究提出了一种利用多尺度卫星遥感数据对陆源入海排污口监测的方法。通过中分辨率卫星遥感数据的水质参数反演,结合水体光谱特征,进行渤海海域水质评价,划分重点监测区域,再利用高分辨率遥感影像,进行排污口的解译与制图。试验结果表明,该方法可以准确识别陆源入海排污口的分布及污染类型,对该区环境整治具有深远科学意义。
本文利用美国地质勘查局(USGS)波谱数据库,重建了斑岩铜矿典型蚀变带主要蚀变矿物在ASTER卫星数据对应的反射率曲线,综合分析了主要蚀变矿物的波谱曲线特征,建立了ASTER数据B1、B4、B6、B7和B1、B3、B4、B8主成分分析模型,分别提取典型蚀变带中泥化-绢英岩化类和青磐岩化蚀变矿物组合信息,并以秘鲁南部阿雷基帕省斑岩铜矿区为例,利用研发的技术方法,分别提取了研究区白(绢)云母、高岭石、蒙脱石、明矾石和伊利石等泥化-绢英岩化类蚀变矿物组合信息,绿泥石、绿帘石和方解石等青磐岩化蚀变矿物组合信息。同时结合区域化探资料开展了斑岩铜矿靶区遥感综合找矿预测,经高分辨卫星图像验证,与已知斑岩铜矿床对比表明,本文的方法具有较好的效果。
