坡谱信息熵尺度效应及空间分异

选取陕北黄土高原48个不同地貌类型区,以其对应的1∶10000及1∶50000数字高程模型(DEM)为数据源,运用比较分析与数理统计的方法,分析了坡谱信息熵在陕北黄土高原的空间分异特征及尺度效应。结果显示,坡谱的信息熵在一定程度上可以反映地表的复杂度,坡谱信息熵和沟壑密度间有较好的幂函数关系,随着坡谱信息熵的增大,样区沟壑密度也增大。坡谱信息熵的空间分异和陕北黄土高原的黄土地貌形态在空间上的变异是相关的,可将其作为地貌类型划分的判别因子之一。     

面向高光谱矿物填图的多特征结合降维方法研究

高光谱影像具有图谱合一的特点,图像空间信息是遥感影像的重要信息,但以往基于最佳波段选择的降维方法中只考虑基于灰度统计的特征空间信息,忽视了图像空间信息,而且计算量大。综合高光谱遥感影像的特征空间与图像空间信息,提出了一种多特征结合的高光谱影像降维方法并应用于矿物填图中。统计分析波段相关性并划分不同特征子空间;计算各波段的分形维数,在各子空间选择分形维数较小的波段作为候选波段;在候选波段中,计算待识别地物光谱间的相关系数,并快速选择出最佳波段组合。经实验,应用该方法选出的最佳波段组合影像清晰、不同蚀变矿物对比明显,根据特征选择提取出的矿物蚀变信息与应用成熟的光谱角制图(SAM)提取结果大致相同,表明结合图像空间和特征空间的降维方法能够选择出理想的波段组合,有效降低高光谱数据的维数,信息提取效果好。      

分形定量选择遥感影像最佳空间分辨率的方法与实验

遥感影像观测尺度是遥感信息提取研究的重要内容之一,也是遥感信息提取的焦点。以往,遥感影像尺度特征的分析大多基于地统计学,其主要体现遥感影像中的线性特征,而实质上遥感影像中既存在线性特征,又存在非线性特征。因此,在深入剖析遥感影像尺度效应及分形特征机理的基础上,本文探讨了分形理论定量选择遥感影像最佳空间分辨率（也称最佳像元观测尺度）的方法。以IKONOS全色影像的建筑用地、耕地、林地为研究对象,分别使用FBM、DBM、TPM 3种分形维数计算模型,实现了3种地物在不同空间分辨率下分形维数的计算。实验结果表明,每种地物的分形维数是随空间分辨率的增大,总体呈下降趋势,且在某些特征空间分辨率上会出现拐点。从遥感影像尺度效应分析可知,遥感影像空间格局随尺度的不同,其内部结构也不同。且随着尺度的增大,很多细节将会被忽略,影像的粗糙度也随着降低。而分形维数是目前为止描述对象自相似性和不规则度的唯一基本量化值,其直观上与物体表面的粗糙程度相吻合。因此,这些拐点对应的分形维数对地物的最佳空间分辨率的选择具有一定指示意义。通过本文研究可知,使用分形理论方法研究遥感影像最佳空间分辨率（或最佳像元观测尺度）,打破以往观测尺度方法研究范畴,从不同角度去分析遥感影像观测尺度问题对GIS研究与地学应用具有一定的理论和指导意义。     

基于CT扫描红层砂岩孔隙多标度分形维数的确定方法

岩石作为一种典型的多孔介质,其内部孔隙结构、形态特征极为复杂,运用常规线性系统内参数描述较为困难,因而采用非线性系统内分形维数这一参数来定量表征孔隙结构的非线性分布特征较为合适。岩石内部孔隙结构分布具有统计意义上的分形特征,因此分形维数的确定对于定量表征孔隙结构分布规律,以及揭示岩石各种力学行为与物理力学指标有着重要意义。将图像处理与阈值分割、分形理论和数理统计相结合,针对CT扫描切片图像,三维重建孔隙结构空间分布模型,计算Hausdorff测度空间下孔隙结构分布盒维数与集束维数。同时,针对孔隙结构空间分布复杂程度的定量表征,提出体素盒维数与圆柱体空间集束维数假想,并通过多种数理统计方法进行假设检验。最后,指出孔隙结构分布是一种多标度分形模型,仅仅单个维数无法描述其全部细节特征,需采用多重分形谱来更为全面表征孔隙分布的细观特征。研究结果表明,Hausdorff测度空间下的平面盒维数可较为全面表征平面孔隙分布特征,但对于针对灰度CT图像构建的体素盒维数可替代传统意义下定义的盒维数,在细观尺度下能更可靠、准确、全面地定量表征孔隙体积分布规律; 集束维数实质是用来定量表征孔隙位置分布规律,若等于欧氏维数,则表明孔隙位置分布具有随机性。      

高(多)光谱数据的背景-异常子空间模型研究

本文引用独立成分分析与盲信号分离的理论,从遥感高(多)光谱数据的基本统计特征出发,对其概率密度分布作出了分类与解释,并同图像数据的背景与异常建立了联系。在此基础上,对高(多)光谱数据点阵分布的空间几何结构进行了深入的研究分析,推断出遥感高(多)光谱数据集合的高维空间属于低维几何结构-"超平面"形态,而包含蚀变信息在内的异常点群通常会游离在"超平面"之外。然后,对主成分分析(PCA)的信号-噪声模型加以引申,提出了遥感图像多元数据集合高维空间的背景-异常信号子空间可划分的概念,并给出了子空间划分的阈值估计方法。同时,探讨了遥感图像的端元数目、多波段数据集合的本征维数、主要背景地物数目三者之间的关系;通过西藏驱龙地区两种类型遥感数据的实例分析,说明了本文所讨论的光谱数据空间的低维结构以及背景-异常子空间模型在遥感高(多)光谱数据分析应用中的正确性与实用性。研究结果表明:尽管不同自然景观区的遥感图像的光谱变化复杂,而它们的光谱数据空间属于低维几何结构,以及背景-异常(含噪声)子空间的可分性是其具有共性的本质特征。在统计意义上蚀变异常在遥感高(多)光谱数据集合中是可识别的。     

基于NMR和SEM技术研究陆相页岩孔隙结构与分形维数特征——以松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩为例

为了表征陆相页岩的孔隙结构和分形特征,选取松辽盆地长岭断陷沙河子组陆相页岩作为研究对象,通过X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)图像分析、核磁共振(NMR)实验,运用分形维数理论,讨论NMR分形维数与矿物组成、地球化学参数、物性参数之间的相互关系,并且通过SEM图像提取技术定量化研究页岩储层孔隙特征。结果表明:沙河子组陆相页岩具有多种孔隙类型、孔径分布复杂、非均质性较强的特点。基于弛豫时间截止值,可将NMR分形维数划分为束缚流体孔隙分形维数(0.060 9～1.420 4)和可动流体孔隙分形维数(2.964 0～2.986 9)。矿物组成与分形维数的关系显示石英含量与束缚流体孔隙分形维数成负相关关系,黏土矿物含量与束缚流体孔隙分形维数成正相关关系;NMR分形维数与有机质含量呈线性相关,与成熟度不存在明显相关性;这说明矿物组成和有机质含量对NMR分形维数起明显的控制作用。储层物性方面,NMR分形维数与孔隙率成线性负相关关系,而与渗透率成正相关关系,说明NMR分形维数能够作为衡量物性的重要指标。总体来说,SEM图像分形维数可以用来反映孔隙形态的多样性和页岩孔隙的发育程度;NMR分形维数与储层物性之间的关系可用于评价页岩储层质量。     

遥感与GIS的青海湖岸线分维研究

讨论了TM图像以及分形几何学对青海湖岸线问题的求解算法,同时估算了不同像元尺度下,青海湖的岸线长度得出青海湖岸线的分形维数为1.0237,并探讨了其地学意义,研究表明,分形维数不仅是一种可行的表达岸线特征的方法,而且岸线分维数的计算可大大减少工作量和提高工作效率,可见遥感与GIS技术在岸线分维数的计算中,具有十分良好的应用前景。     

图像分析计算水系分形维数的改进方法与应用

水系分形维数的计算与分析,有助于深入理解其与地貌发育、流域径流和侵蚀产沙等过程之间的关系。从分形维数的计算原理,提出了一种在MATLAB环境下,能够同时计算水系计盒维数和信息维数的方法,改进了现有通过图像分析计算分形维数的不足。采用已知分形维数的规则分形集进行验证,结果表明:该方法单独对图像载体上的目标图形(关注区域)进行处理,不受其与整幅图像的比例的限制能够自动确定最佳的对目标图形进行网格分割覆盖的递减等分条件,计算精度高利用元胞数组实现了网格的自动分割,程序紧凑,可读性增强。最后以泾河、北洛河水系为例,说明了该方法的应用过程。本研究为水系分形维数的科学计算提供了新的思路。     

广东省大陆海岸线分形特征及空间分异

【目的】海岸线是陆地与海洋的分界线,蕴含丰富的海岸带资源环境信息。广东省海岸线是我国最长的省域岸线,研究其分形特征和空间分异,为观察和理解海岸系统提供一个量化维度。【方法】采用盒维数方法分析广东省全省和珠三角、粤东、粤西的大陆海岸线分形特征,对不同岸线分形水平和区域海岸线结构进行比较与分析,揭示岸线分形的空间差异及其产生机理。【结果与结论】广东省海岸线具有分形特征,全省分形维值为1.106 8,珠三角、粤东和粤西三个地区的分形维值分别为1.102 5、1.113 2和1.128 4,体现出空间分异性,表明粤西相较于其他区域曲折程度更高,珠三角曲折程度低于粤东、粤西和广东省全省的曲折程度。广东省海岸线分形维空间异质性源于各区域岸线的类型及结构的不同。研究成果可为建立科学、合理、规范的广东省海岸线认知以及为海岸带开发、整治及规划用海提供科学依据。     

辽河东部凸起太原组页岩孔隙分形特征

页岩孔隙结构具有良好的分形特征,孔隙结构的分形维数能定量描述孔隙结构的复杂程度。以辽河东部凸起为例,应用高压压汞方法研究了页岩孔隙结构及其不规则性,计算了页岩孔隙分形维数。研究结果表明,辽河东部凸起太原组页岩孔隙分形无标度区为0.09~60 μm,孔隙分维数为2.378~3.007,随着分形维数的增大,页岩的非均质性增强,压汞实验得出的页岩孔径分布特征也证明了页岩的孔隙分形维数可以用来定量描述页岩储层岩石孔隙结构的微观非均质性;数学拟合表明分形维数与有机质含量相关性差,反映页岩中无机孔隙为主体孔隙类型;分形维数与石英含量呈较弱的正相关而与黏土矿物含量呈较强的负相关性,表明黏土矿物含量对页岩孔隙结构影响明显。分形维数与页岩的渗透率和孔隙度均具有很好的负相关性,分形维数越大,岩心的渗透率和孔隙度越小,表明分形维数越大,孔隙结构越趋于复杂,不利于气体的渗流和产出。      

高时间分辨率遥感在土壤质地空间变化识别中的应用

在土壤信息推测研究中,遥感技术通常被作为辅助手段,用来提供地形和植被数据,并利用它们与土壤之间的关系推导土壤空间信息。然而,在平原等地形平缓的农业区,易于观测的地形和植被等环境因素,通常与土壤的协同程度较低,不能有效用于推测土壤质地等属性的空间变化。对于这类地区,如何寻找新的易于获取的变量,以准确地揭示土壤属性的空间变化,是需要解决的问题。本文提出了利用高时间分辨率遥感捕捉这类地区土壤质地空间变化的方法。采用光谱-时间响应线对多时相的光谱数据进行组织表达,使用光谱信息散度定量刻画不同光谱-时间响应线之间的差异。结果显示,在相同的地形和植被条件下,土壤质地相同的区域,其地表动态反馈模式明显相似;土壤质地不同的区域,其反馈模式也明显不同;土壤质地越相似,反馈模式也呈相似趋势。这表明,高时间分辨率遥感获取的地表动态反馈能够有效地指示土壤质地的空间差异。本文的工作表明了高时间分辨率遥感在土壤空间变化识别方面的应用潜力。     

典型地物波谱库的数据体系与波谱模拟

本文讨论典型地物波谱知识库的数据体系与地物波谱模拟的相关问题 ,并给出波谱知识库支持的农业定量遥感应用示例。波谱知识库的数据体系强调波谱参数与环境参数的配套 ,波谱数据测量是在相关规范的支持下完成的 ,质量控制贯穿于数据采集的全过程。波谱模拟通过遥感物理模型完成 ,模拟波谱计算包括地表参数的时间、空间扩展与遥感物理模型运算。最后以作物生长模型结合植被组分光谱模型和冠层遥感模型为核心 ,构造了定量遥感的农业示例。     

Evaluating Spatial Heterogeneity of Land Surface Hydrothermal Conditions in the Heihe River Basin

Land surface hydrothermal conditions(LSHCs) reflect land surface moisture and heat conditions, and play an important role in energy and water cycles in soil-plant-atmosphere continuum. Based on comparison of four evaluation methods(namely, the classic statistical method, geostatistical method, information theory method, and fractal method), this study proposed a new scheme for evaluating the spatial heterogeneity of LSHCs. This scheme incorporates diverse remotely sensed surface parameters, e.g., leaf area index-LAI, the normalized difference vegetation index-NDVI, net radiation-Rn, and land surface temperature-LST. The LSHCs can be classified into three categories, namely homogeneous, moderately heterogeneous and highly heterogeneous based on the remotely sensed LAI data with a 30 m spatial resolution and the combination of normalized information entropy(S') and coefficient of variation(CV). Based on the evaluation scheme, the spatial heterogeneity of land surface hydrothermal conditions at six typical flux observation stations in the Heihe River Basin during the vegetation growing season were evaluated. The evaluation results were consistent with the land surface type characteristics exhibited by Google Earth imagery and spatial heterogeneity assessed by high resolution remote sensing evapotranspiration data. Impact factors such as precipitation and irrigation events, spatial resolutions of remote sensing data, heterogeneity in the vertical direction, topography and sparse vegetation could also affect the evaluation results. For instance, short-term changes(precipitation and irrigation events) in the spatial heterogeneity of LSHCs can be diagnosed by energy factors, while long-term changes can be indicated by vegetation factors. The spatial heterogeneity of LSHCs decreases when decreasing the spatial resolution of remote sensing data. The proposed evaluation scheme would be useful for the quantification of spatial heterogeneity of LSHCs over flux observation stations toward the global scale, and also contribute to the improvement of the accuracy of estimation and validation for remotely sensed(or model simulated) evapotranspiration.     

闽台建设用地图像数据空间特征分形对比研究

利用2002年闽、台ASTER影像数据,运用分形几何学理论、数理统计方法,对闽台建设用地分布的空间特征进行分析。研究结果表明,分维值是定量刻画土地利用类型空间格局的重要参数,对遥感影像中直接提取土地利用类型的图形因子进行不同区域土地利用分形结构的差异研究,具有快速、方便、准确的性质。闽、台建设用地斑块的空间分布具有分形特征,其空间形态受自然和人文两方面因素,特别是地形地貌和交通的影响十分明显。同时台湾建设用地的平均斑块面积、分维值和规模大的斑块比重均高于福建,反映了闽、台建设用地空间特征的区域差异,这对闽、台两地,特别是福建省加强建设用地规划,合理配置空间资源,及福建省加强中心城市建设和交通规划等方面具有重要的指导意义。     

Implication of Surface Fractal Analysis to Evaluate the Relative Sensitivity of Topography to Active Tectonics,Zagros Mountains,Iran

Fractal geometry is increasingly becoming a useful tool for modeling and quantifying the complex patterns of natural phenomena. The Earth's topography is one of these phenomena that have fractal characteristics. This paper investigates the relative sensitivity of topography to active tectonics using ASTER Global Digital Elevation Model. The covering divider method was used for direct extraction of surface fractal dimension(D surf) to estimate the roughness-surface of topography with aid of geographic information system(GIS)techniques. This evaluation let us highlight the role of the geomorphic and tectonic processes on the spatial variability of fractal properties of natural landforms.Geomorphic zones can be delineated using fractal dimension mapping in which variability of surface fractal dimension reflects the roughness of the landform surface and is a measure of topography texture. Obtained results showed this method can be a quick and easy way to assess the distribution of land surface deformation in different tectonic settings. The loose alluvial deposits and irregularities derived by tectonic activity have high fractal dimensions whereas the competent formations and higher wavelength folded surfaces have lower fractal dimensions.According to the obtained results, the Kazerun Fault Zone has a crucial role in the separation of the Zagros Mountain Ranges into the different lithological,geomorphological and structural zones.     

基于地表通量特征的城市不透水表面定量热红外遥感反演

城市不透水地表格局通过改变城市下垫面结构,引起地表反照率、比辐射率、地表粗糙度的变化,从而对地表辐射和能量平衡产生直接影响。不透水地表能增强地表显热通量,导致地表波文比升高,因此地表波文比的空间差异可推算城市人工不透水表面的分布。本研究选择北京市为实验区,应用Landsat TM卫星热红外遥感数据,采用PCACA模型及理论定位算法,对城市地表波文比进行反演,进而计算遥感地表波文比空间分布数据与城市不透水表面比例数据之间的相关关系,构建回归方程,实现北京市城区与近郊区人工不透水表面百分比分布的定量估算,最后以高分辨率遥感数据获取的城市人工不透水表面比例数据进行结果验证。结果表明,采用PCACA模型定量反演城市地表波文比数据,利用地表波文比数据与不透水表面比例数据之间的相关关系可实现城市人工不透水表面百分比数据的定量估算;波文比值不仅可在遥感像元水平定性判定不透水像元,还可对混合像元中的不透水比例进行较高精度的定量反演,其相关系数R²值为0.731。此方法有效地揭示了城市不透水下垫面对地表热通量影响的机制以及空间定量关系。     

土地利用变更的遥感应用分析

发现变化区域和变更类型是土地利用变更信息提取的主要任务,随着遥感技术的发展,土地利用变化信息提取的方法趋向于结合高分辨率的卫星影像和现有的影像处理方法来产生变化信息模板。本文全面总结分析了土地利用变更信息获取的技术和方法,并在此基础上进一步研究了基于RS和GIS技术的土地利用变更信息获取技术方法,以及高分辨率遥感影像在土地利用变更信息提取中的应用分析。