空天地一体化对地观测网不仅是最具发展前途的高新技术领域之一,也是保障国家安全、经济社会发展的重要基础设施。本文首先全面论述了对地观测网研究的主要理论问题、关键技术、发展现状和趋势;然后,介绍了国产卫星遥感数据的一体化综合快速处理技术,在此基础上论述了广义空间信息网格的概念和内涵;最后指出,需以提供快速、精确和实时的空间信息服务为目标,加快开展对地观测网的理论与技术研究,推进数字地球走向智慧地球的转变。
GIS属性相似度量有相似系数及以空间位置的空间自相关。这2种方法都不能计算全域为背景的次区域相似性问题,而以隶属函数的粗糙度量很好地解决了这个问题。本文利用粗糙集计算了GIS的离散型数据的次区域相似度量。利用邻域粗糙集计算了连续属性值的上下近似逼近,并利用邻域信息粒子计算连续属性值的粗糙隶属问题,从而计算连续属性值次区域相似度量问题。本文方法能度量次区域而不是全域或单个元素之间的空间相关与自相关问题,考虑了全区域背景下的GIS相似问题。并针对GIS连续属性值,利用距离函数和邻域粗糙集来划分连续属性的上下近似,以及分类问题,提出一种基于邻域信息粒子的粗糙隶属函数。最后利用粗糙相似度量公式度量GIS次区域的相似问题。
自20世纪70年代后期以来,淮河流域不断遭受工业点源污染和其他面源污染,媒体也陆续报道了淮河流域"癌症村"的出现。本文探讨了淮河流域14个监测县5810个行政村的消化道肿瘤与环境因子之间的空间分布规律。作者从流域和行政区划等多维空间角度出发,通过全局的最小二乘法线性回归和稳健回归对环境因子进行筛选分析,以局部地理加权回归方法探测各类环境因子,在不同地区对贝叶斯调整的上消化道肿瘤死亡率的影响程度,建立了消化道肿瘤死亡的风险评估模型,其中,包括地表水水质等级、浅层地下水质量分级、河网密度、土壤多环芳烃含量分级、化肥施用量和经济密度等6类环境危险因素。根据局部回归模型中各监测点环境因子的回归系数和统计学检验结果,提取出当地主要的环境影响因素。从14个监测县区总体上看,地表水水质等级和GDP与肿瘤呈负相关,其他环境因子均与肿瘤死亡存在正相关。但从局部角度看,不同地区环境影响因子种类和影响强度有较大差别。其中淮河流域江苏段以化肥施用量、土壤多环芳烃含量、GDP和河网密度为主要影响因子,安徽段以土壤多环芳烃含量和化肥为主,河南段主要是以地下水质量分级、河网密度和化肥为主,同时河南沈丘县地表水水质等级对当地影响较大。山东段虽然也探测出来部分环境危险因子的存在,但没有发现其与肿瘤死亡的关联关系,尚需进一步深化研究。
为解决卫星监测目标解译过程中"长事务处理"及多用户编辑带来的问题,实现对监测目标多个时刻状态的有效存储与管理,支撑卫星监测任务。首先,分析了ArcSDE的版本控制原理,研究其在卫星监测目标管理中的应用可行性;其次,在对卫星监测目标管理及任务需求分析的基础上,设计出基于ArcSDE版本技术的卫星监测目标存储、管理平台框架,主要包括目标解译过程中各解译版本对比、历史回溯及冲突协调处理等核心功能模块,实现对卫星监测目标各解译结果之间的访问查看、对比及目标历史状态的再现;最后,利用ArcGIS Engine进行二次开发,通过对系统主要功能的实现与验证表明,系统能有效提供卫星监测目标历史重构、跟踪分布等支撑。
GIS应用正面对空间数据规模日益增加和空间分析算法复杂度逐渐提高的挑战,本文提出一种基于MySQL空间数据库集群与MPI的并行计算库分布式空间分析框架的解决方案。该框架使用MySQL空间数据库集群解决大量空间数据存储与管理问题,利用MySQL Spatial的Replication机制加强空间数据的冗余备份和并发访问控制,同时使用MPI负责分布式计算节点间的通信减少人工控制通信的开发成本。并行框架的任务管理与调度系统采用优先队列式管理,通过Master节点监控集群状态,合理分发计算任务实现负载均衡和容错。最后,以多边形Overlay算法为例,研究其在该并行空间分析系统下的并行策略,采用数据并行的管道流水线作业方式在框架中运行测试,结果表明,该并行框架相比串行算法可以得到可靠的加速比。
煤矿生产安全管理是一项复杂的系统工程,安全生产管理中的生产条件合理评估,应急情况下人员的避灾及救援是煤矿安全生产的研究热点。本文在分析国内煤矿安全生产现状的基础上,对煤矿安全生产信息系统进行了总体设计,探讨了系统的总体结构、数据组织,详细设计了井下运输、矿井通风、井下给排水、井下供电、安全应急等煤矿安全生产的业务应用功能,从技术实现的角度阐述了系统的开发环境、数据建库和系统集成等关键技术,以某煤矿为例,在Supermap平台上实现了避灾路径分析、运输网络、通风网络、供电网络、给排水网络分析等分析功能,为煤矿管理与安全生产提供了科学的决策支持。
细粒子气溶胶物理和光学参数定量卫星遥感反演一直是环境和气候领域研究人员关注的重要课题。气溶胶参数卫星业务遥感产品主要是反演气溶胶光学厚度,它体现大气中气溶胶总含量的信息,而获取气溶胶谱分布函数有助于进一步了解气溶胶物理特性,并提高气溶胶其他参数的遥感探测精度。目前,陆地气溶胶卫星反演面临两个关键问题:一是气溶胶模式;二是地表反射贡献的去除,偏振遥感在这两方面有其独有的优势。本文以多角度偏振方法,采用RT3辐射传输模型建立矢量查找表,利用法国PARASOL探测器一级数据反演了京津唐地区的细粒子气溶胶光学厚度和谱分布参数,并使用AERONET地基观测数据对反演结果进行验证,结果表明:偏振方法能较高精度地实现细粒子气溶胶光学厚度反演,而谱分布的反演还需进一步改进。
尺度效应往往会制约着定量遥感反演的精度,对地学信息进行空间尺度转换是生产实践的必然要求,而常用的尺度转换模型多利用光谱数据进行差值计算,不适合升尺度和降尺度转换。由于土壤含水量数据具有区域变化量的随机性和结构性特点,本文以15m分辨率的ASTER图像像元为基本单元,采用点克里格法完成ASTER 15m至7.5m分辨率的土壤含水量数据降尺度转换,从分维数的相似程度上来看,转换结果是合理的;并利用块状克里格法对地面实测样点数据进行点到7.5m分辨率的面数据升尺度转换,将升尺度和降尺度转换结果与实测样点均值相比较,结果表明:7.5m分辨率的实测样点土壤水均值误差在1.5782-5.019之间,块状克里格法获取的升尺度土壤含水量数据与点克里格法获取的降尺度土壤含水量数据之间误差则为1.2825-5.0481,可见克里格法考虑了点与周边的关系,所获得的土壤含水量值要优于未考虑空间异质性的土壤含水量平均值。
本文利用2008-2011年HJ-1B/CCD可见光-近红外数据,以及HJ-1B/IRS热红外数据,采用遥感算法反演北京市地表温度,并用MODIS地表温度产品对反演结果进行了初步验证。同时分析了北京市热岛效应的年际、年内变化趋势。另利用热场变异指数分析其空间分布特征,以及NDVI、NDBI与城市下垫面对热岛效应的影响。结果表明:(1)2008-2010年北京市热岛强度总体呈上升趋势,2011年有所缓解,4年热岛强度分别为:5.2℃、5.2℃、9.2℃、8.2℃;(2)北京市2010年四季存在明显热岛现象,夏季最强,春、秋次之,冬季最弱,四季热岛强度分别为8.2℃、9.4℃、9.2℃、4.3℃;(3)2008-2011年北京市热岛空间分布特征表明,房山区和大兴区的南部热岛效应逐年缓解,2011年昌平区热岛效应比前3年明显,植被和水体形成城市冷岛;(4)地表温度与NDVI呈明显负相关,与NDBI呈正相关,城市热岛效应与下垫面类型存在明显相关性。
本研究以遥感分析北京城市绿地对地表温度的影响,研究包括绿地提取、绿量估算、地表温度反演,地表温度和绿量相关分析。并以高精度Rapid Eye遥感影像,提取了五环内的绿地面积(197.3km2,占城区总面积的29.6%),且估算绿量总值为2450.7km2。同时用2009年7月20日的Landsat5 TM 6波段数据进行地表温度反演,低温区、中温区、次热岛和热岛区域所占的五环内城区面积的比例分别为12.3%,34.7%,40.4%和12.6%。绿量和地表温度呈负相关关系:y=-1278.7x+60650,城市绿地可以使城区平均温度降低2.6℃。
本文以1990、1995、2000、2005年的上海市土地利用遥感监测数据为基本数据源,分析了1990-2005年上海市城市空间扩展 的时空特征。同时利用SLEUTH模型对城市空间扩展进行了模拟和精度验证,并对未来30年上海市城市空间扩展进行了预测。结果显示:1990-2005年,上海市城市空间扩展明显,城市面积净增加81 278hm2,净增长10.14%;在扩展的时间过程上呈现先减缓后加剧的趋势,2000-2005年城市用地扩展最为剧烈,城市面积净增加40 668hm2,净增长5.08%,填海造陆是该时期城市扩展的典型特征。SLEUTH模型可以较好地模拟预测上海市城市空间扩展的时空过程,不同时期模拟与遥感监测结果的Kappa系数最高达到了0.8476;未来30年,上海市城市用地将以年平均增长率1.63%的速度扩展,2040年城市用地面积将达到152 685hm2。城市扩展将占用耕地41 824hm2,年平均占用耕地1200hm2。城市扩展的方式主要是边缘增长,东部的浦东新区沿五洲大道向海方向、南部的徐汇区沿沪闵高架路向南,以及西部的嘉定区和青浦区沿京沪高速两侧向西的地区 均是未来城市扩展的主要方向。
全球及区域尺度的土地覆盖数据是陆地表层过程研究的重要基础。土地覆盖遥感制图是全球变化和区域可持续发展研究重要的支撑数据,制图精度评价对于数据生产者和数据用户都具有非常重要的意义。2011年在鄱阳湖地区的野外考察共采集包括定点验证、GPS以及解译标志3种类型的土地覆盖样点321个,本文利用剔除了时间差异影响后的287个土地覆盖样点,将样点的实际土地覆盖类型与遥感制图中相应位置的土地覆盖类型进行对比,并利用分层次评估法,即分别在土地覆盖一级类和二级类两个尺度上,采用正确得1分,错误得0分的计分方法,对2005年中国1:25万土地覆盖遥感制图在鄱阳湖地区的精度进行实地验证。结果表明:(1)在土地覆盖一级类型尺度上总体的制图精度为61.67%。其中,湿地/水体的制图精度为100%,农田的制图精度为98.4%,森林的制图精度为80.0%,聚落和草地的精度均低于20%。(2)在二级类型尺度上总体的制图精度为44.25%。其中,2个草地和3个森林及1个农田的二级类型的分类精度为0,旱地、城镇建设用地和农村聚落的分类精度也很低,分别为21.1%、29.0%和1.7%。实地调查发现,2005年左右的全国1:25万土地覆盖遥感制图基本上反映了鄱阳湖地区的土地覆盖状况。但是,对于一些具有过渡性质的土地覆盖类型,如森林和草地等,仅依靠遥感技术准确识别区分仍有一定的难度。
将地学知识与影像标定相结合,一直是目视解译或计算机自动分类制图的主要手段。传统的目视解译方法能够充分利用地学知识,但需要大量的人力、物力,效率较低;计算机分类中尚未出现比较成熟的高效运用地学知识的分类方法。已有研究表明,分类样本可以作为地学知识的载体,将地学知识融入分类过程中;此外,无监督聚类可以显著提高样本选取的效率,有助于提供足够的样本,为将地学知识高效地融入计算机分类提供了一定的基础。本文提出一种以前期土地利用数据辅助与影像聚类相结合的样本自动选取方法。利用自动选取的样本,通过最大似然分类器对TM影像进行分类,并与手动选取样本分类的方法进行了对比分析。研究结果表明,在分类效果上,本文提出的前期土地覆被辅助下的分类样本自动选取方法,优于手动选取样本的方法,提高了分类效率。在水体、林地、园地、城镇建设用地等7种类型上的分类整体精度达到84.18%,kappa系数为0.8066;手动选取样本进行分类的整体精度为77.04%,kappa系数为0.7196。
森林植被信息提取是遥感影像分类中的难点,仅利用光谱信息难以提取森林植被的类型,本文以门头沟区森林植被占主要土地覆被类型为研究对象,选择HJ-1影像面向对象提取不同地物信息。由于研究区地形复杂,采用多尺度分割方法,对不同地物设置不同分割参数,实现不同地物分层提取。根据光谱、纹理及几何等特征选择合适的特征参数,构建隶属度函数,逐级提取研究区的土地覆被类型,并与传统的最大似然法进行对比。结果表明:面向对象的分类方法在门头沟区森林植被二级信息提取的精度为83%,与传统方法相比有了较大的提高。
海面溢油对海洋生态的影响具有频率高、范围广和危害大的特点。卫星遥感已成为海面溢油监测的重要手段。本文从海面油膜光谱特性出发,与常用的光学卫星传感器建立对应关系,根据对不同光学遥感卫星的空间分辨率、时间分辨率、幅宽和波段数等主要物理参数的对比分析认为,MODIS传感器和HJ-1卫星有较强的海面溢油监测能力。故此,采用MODIS、BJ-1、HJ-1和FY-3光学卫星影像,对2006年3月和2011年6月渤海海面溢油污染事故进行了遥感监测。MODIS遥感图像可以清晰反映出2006年和2011年这2次溢油污染事故中海面油膜信息,HJ-1卫星遥感影像则能反映出2011年溢油污染事故中海面油膜信息,而BJ-1和FY-3卫星遥感影像不能反映出海面油膜信息。HJ-1、BJ-1和FY-3卫星在波段设置上相似,但是,BJ-1和FY-3卫星不能反映出油膜信息,所以,本文进一步对这2次溢油事件中的MODIS遥感影像的油水光谱反差和海水光谱方差进行计算,并对结果进行比较分析,实验结果表明,当MODIS某一波段的海水光谱方差小于油水光谱反差时,则该波段可以显示出油膜信息;而当油水光谱反差小于或接近海水方差时,则不能反映出海面油膜信息。从波谱响应、空间分辨率和时间分辨率,以及监测实例中说明MODIS传感器有较强的海面溢油监测能力。
海面溢油对生态环境造成了严重危害,故及早发现和尽快处理对降低事故影响和经济损失起着至关重要的作用。合成孔径雷达(SAR)是观测海面溢油、快速检测和事故态势分析判断的有效技术途径。本文针对SAR图像的海面溢油检测,提出了一种特征概率函数的双阈值分割方法。首先,通过高低阈值分割提取不同层次的灰度信息,再利用密度估计提取灰度的空间分布信息,然后,通过构建概率函数对油膜和类油膜区域进行形态学分类,最后,结合辅助信息,获得最终的海面溢油检测结果。本文利用香港中文大学卫星地面站接收的ENVISAT ASAR图像开展实验,结果表明,本文提出的方法能够准确地排除由风场或者水流场导致的低散射区域,有效地检测和识别生成不久的中型油膜,从而有助于溢油事故的早期预警与处置。
海岸工程对海岸带经济发展和生态环境影响很大。随着海岸工程建设迅猛的发展,采用遥感的方法对海岸工程变化进行遥感监测显得尤为重要。本文以北京一号小卫星(BJ-1)资料为数据源,利用多种变化监测的方法对天津港和曹妃甸港区2006年和2010年的海岸工程变化进行监测。结果显示,波段替换法与SVM分类相结合的方法在2个重点研究区域精度最高,其总体精度和Kappa系数分别为92.35%和0.7902;面向对象的方法精度和稳定性其次,其总体精度和Kappa系数分别为91.77%和0.7732。
高分辨率遥感技术(包括高空间分辨率和高光谱分辨率)是新世纪以来地质勘查领域的重要新技术、新方法。本文以新疆塔里木盆地北缘巴什布拉克铀矿区和柯坪地区为例,研究了Quickbird高空间分辨率卫星遥感技术和CASI(Compact Airborne Spectrographic Imager)/SASI (Shortwave infrared Airborne Spectrographic Imager)航空高光谱遥感技术在铀矿勘查中的应用。首先,介绍了Quickbird和CASI/SASI高分辨率遥感数据的特点和处理方法;然后,分析了Quickbird高空间分辨率遥感技术在新疆塔里木盆地北缘巴什布拉克铀矿区油气还原褪色蚀变识别与空间分布规律分析中的应用,为铀矿油气还原成因研究和外围找矿方向提供重要依据;并研究了Quickbird与CASI/SASI两种高分辨率遥感技术在新疆塔里木盆地北缘柯坪地区铀矿勘查中的应用,发现了萨拉姆布拉克铀矿化带及其铀矿化蚀变空间分布特征,确定了铀矿化蚀变类型,预测了铀矿找矿靶区,为该地区铀矿勘查的新突破提供了重要依据。上述应用表明,高分辨率遥感技术在铀矿地质勘查领域可以取得很好的应用效果,值得广大遥感地质工作者今后进一步深入挖掘其应用潜力。
