基于遥感和典范对应分析方法优化生态地理分区——以中国区域为例

选取适当生态地理边界对遥感影像进行分割,降低分区单元内土地覆盖复杂程度,可有效提高遥感土地覆盖分类精度.本研究将气象、高程、土壤等环境数据与季节性植被遥感信息相结合,利用典范对应分析(CCA)和k均值聚类等进行生态地理分区的划分,旨在提出适用于区域遥感地表分类的生态地理分区方案.以我国为例的研究结果表明,季节性植被遥感信息与CCA相结合,能够有效筛选出区域生物地理格局主导环境因子,可将这些主导因子作为生态地理分区的区划指标.本研究中,温度要素是我国生物地理格局的主导驱动力,水分要素次之.以MODIS MCDl2C1(2005年)和GlobCover(2004~2006年)全球土地覆盖分类产品来评价生态地理分区内土地覆盖复杂程度,结果表明,本研究的生态地理分区在土地覆盖类型均数、主要土地覆盖类型面积比例以及主、次要土地覆盖类型面积比例之和等方面,均优于已有研究结果,且主、次要土地覆盖类型的植物物种和性状特征差异比较明显,表明利用表征植被季节特征的环境主导因子进行生态地理区划,可以有效降低生态地理分区内地表覆盖复杂程度,更利于地表覆盖遥感分类.     

基于区间值模糊C-均值算法的土地覆盖分类

用区间值数据描述聚类原型特征更符合遥感数据的模糊性特点,即传感器获取的地物反射光谱的不确定性和不均匀性在影像上的反映.本文以遥感影像数据为基础构建了区间值数据模型,并提出一种区间最大相异度量方法,进而进行基于区间值数据的模糊C-均值聚类.利用珠三角地区SPOT5卫星和青海玉树附近的TM影像数据进行基于区间值模糊C-均值算法的土地覆盖分类实验.结果表明区间值数据的模糊C-均值算法兼顾了模糊聚类的泛函特性和地物反射光谱的条带特点,从而可以明显改善聚类效果,尤其可以降低"同物异谱"现象对聚类结果的不利影响,而区间最大相异度量可实现基于多波段遥感影像构建的区间向量的最大可分离度,有效抑制类间光谱混叠造成的错分现象,进一步改善聚类效果,最终结果明显优于传统的模糊C-均值聚类方法.     

全球30m空间分辨率耕地遥感制图研究

耕地是全球地表覆盖制图中重要的地表覆盖类型之一,其变化影响着人类社会经济发展、粮食安全与生态环境保护.现有全球耕地制图产品空间分辨率较粗,缺乏高空间分辨率的全球耕地数据产品.本研究利用全球2000/2010两期30m空间分辨率遥感影像数据集(Landsat TM/ETM+、HJ-1)、MODIS 250m空间分辨率NDVI时间序列数据及多种参考资料,针对全球尺度30m影像中耕地提取的难点,提出基于像元、对象和知识3个层次的耕地提取方法,即基于像元尺度多特征优化的耕地分类提取、基于对象的耕地自动判别以及基于信息服务和先验知识的交互式对象处理,完成了全球两期30m耕地遥感制图,并对全球耕地的面积等信息进行统计分析.结果表明,全球2000年和2010年耕地总面积分别为19.03亿ha和19.60亿ha.精度评价结果表明,两期全球30m耕地遥感制图总体精度均达到92%以上.本研究研制的2000/2010两期的全球耕地遥感数据产品,在空间分辨率和分类精度上均优于国际上同类产品,为全球粮食安全、生态环境监测和全球变化等研究提供了重要基础数据.     

全球陆表水体高分辨率遥感制图

陆表水体是地表覆盖的重要组成之一,是气候变化研究、生态环境评估和宏观调控分析等不可或缺的重要基础信息.本文介绍了全球地表覆盖遥感制图项目中陆表水体总体研制情况.项目通过收集、处理美国陆地卫星Landsat TM/ETM+、国产环境减灾星(HJ-1)等影像,实现了2000年、2010年两个基准年度的全球30 m分辨率多光谱影像的有效覆盖,影像纠正精度满足1:20万制图要求,两期影像配准中误差控制在1个像元以内.根据30 m分辨率尺度的水体光谱特征与几何形态,合理地设计提取指标,结合基于像元分类法简单易操作、面向对象分类法可综合利用各种规则知识的优势,开展水体信息的精细化提取,最后利用人机交互来进一步优化完善分类结果,实现全球水体的高精度遥感制图.完成的全球陆表水体数据成果GlobalLand30-water 2000和GlobalLand30-water 2010,属目前全球尺度下最高分辨率的分类成果,自评估总体精度为96%.该数据是开展全球陆表水体空间分布格局分析、揭示地域差异、研究时空波动规律以及进行生态环境健康诊断等相关研究工作的重要基础数据.     

3S技术支持下鄱阳湖区地质构造调查分析

采取遥感(RS)技术对鄱阳湖区地质构造TM影像特征进行分析,建立湖区不同断裂遥感解译标志.利用人机交互方式解译出湖区不同断裂,借助地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)将该区的地质构造信息和相关地质资料进行空间叠加对比和实地验证分析的基础上,对该区地质断裂及活动性断裂构造进行深入研究和遥感影像新构造类型分区.     

基于面向对象的无监督分类的遥感影像自动分类方法

为了实现无任何先验知识的高分辨率遥感数据的自动分类,并进一步提高自动分类精度和效率,提出了一种基于面向对象的无监督分类方法(Object Oriented Unsupervised Classification).具体步骤如下:首先对遥感影像进行分割,得到一系列空间上相邻、同质性较好的分割单元,然后对分割单元进行特征提取,得到分割单元的对象特征(光谱特征、纹理特征等多特征信息),进而对分割单元进行基于对象特征马氏距离聚类.最后,通过分类后处理(类别合并、错分类别调整等)得到最终的分类结果.通过实验表明:本文提出的方法不仅能够利用影像中更多的特征信息进行聚类而且还可以有效地减少聚类对象的个数,从而使自动分类的精度和效率都得到较大的提升.     

全球30m分辨率人造地表遥感制图研究

伴随着全球人口增长与经济发展,城镇化进程预计将在全球范围内持续加速,而人造地表是城镇化在地表覆盖上的直接体现.一方面,人造地表的扩张为工业生产、经济活动、人员居住等提供合适的场地;另一方面,人造地表深刻改变了地球的自然表面,进而影响地表热量交换、水文过程以及生态系统等自然过程.因此,对全球人造地表进行精确制图对于自然科学与社会科学等相关领域研究都具有重要意义.本研究以全球2000与2010年两个基准年的30m分辨率遥感影像为基础,完成了全球两期30m分辨率的人造地表制图任务.首先,根据人造地表的地理内涵与30m分辨率影像上提取的可行性,从斑块层面上提出适用于该尺度的人造地表定义;其次,考虑到人造地表的光谱复杂性与空间异质性,对现有像素级分类与对象级分割技术进行组合,以实现较高精度的人造地表斑块提取;最后,通过人工编辑与质量控制的手段,进一步保证全球范围内的人造地表制图精度.独立精度评价结果显示,该地表覆盖分类产品的用户精度达到80%以上.可以认为,该套产品是目前全球尺度上,人造地表或相关地表覆盖类型产品中分辨率与精度都最高的分类成果.该数据将为开展全球城镇时空格局分析、生态环境健康诊断等相关研究工作提供重要的基础数据.     

基于自适应区间二型模糊聚类的遥感土地覆盖自动分类

遥感影像土地覆盖分类面临"类别密度差异显著"、"同谱异物"和"同物异谱"等不确定性问题,传统的分类方法(如FCM)因不能描述高阶模糊不确定性,无法完成准确建模,使分类误差较大,而二型模糊集恰是处理此类不确定性的有效工具.在引入二型模糊集新概念和自适应降型新方法的基础上,提出一种自适应二型模糊分类方法(A-IT2FCM):(1)基于样本集模糊距离度量构建面向分类的区间二型模糊集,以尽可能降低对先验知识和预设参数的依赖,从而满足自动分类的要求;(2)给出一种自适应探求等价一型代表(模糊)集合的高效降型方法,在此基础上进行自适应区间二型模糊聚类.实验数据为珠海横琴和北京颐和园的SPOT5影像数据,对比方法有AIT2FCM、基于Karnik-Mendel算法降型和基于Tizhoosh提出的简易降型方法的区间二型模糊C均值聚类以及作者前期研究提出的区间值模糊C-均值算法(IV-FCM).实验结果表明,A-IT2FCM方法分类效果佳,在类别具有较大密度差异和多重模糊性时能得到比FCM及IV-FCM更精确的边界和更连贯的类别,适于处理遥感影像土地覆盖类别的深层不确定性;同时在"光谱混叠"现象严重时,可以获得比对比方法更稳健、精度更高的影像自动分类结果,且时间复杂度明显低于基于Karnik-Mendel方法.     

面向地震应急的遥感影像快速定位研究

为实现地震应急期间非常规手段获取的遥感影像的快速定位, 提出了建立序列影像航线方程实现影像快速定位的思路和方法, 开发了影像快速自动定位程序。 以玉树地震应急期间获取的多景无地理参考信息的高分辨率航空遥感影像为实验对象, 在人工交互方式对初始影像进行粗定位的基础上, 利用本方法实现了系列影像的快速定位。 通过随机抽样点验证定位精度, 二次函数相对于一次函数拟合精度较好, 表明在损失一定精度的同时可大大提高影像快速定位的效率, 满足地震应急的需求。     

集水区尺度景观格局与过程的时空动态分析:美国俄勒冈州塞勒支盆地1977-2000年的变化

在集水区尺度利用景观生态学的原理进行分析和管理是现代生态学与地理科学的一个重要课题.在人口增长和经济发展的压力下,集水区的格局和过程己受到人类活动越来越强烈地干扰.赛勒支盆地是一个典型的美国太平洋西北部沿海地区的集水区,本文以此为例,研宄了美国俄勒冈州中部集水区尺度的景观格局和过程在人类活动干扰下的时空动态.通过卫星遥感影像的应用,我们对1977年到2000年间赛勒支盆地土地覆盖的变化进行了检测.我们用陆地资源卫星1977年的多光谱影像(MSS), 1988年的专题影像(TM)' 2000年的增强专题影像(ETM+)高精度地定量分析了森林演替系列(如,演替后期的老针叶林和成熟针叶林,演替前期的年轻针叶林,以及更新的幼林）和其它土地覆盖类型的变化.景观的空间格局通过多种格局指数,例如,缀块指数、缀块形状复杂性指数、以及连接指数等进行了分析.同时,基于美国太平洋西北部主要森林类型和其它土地覆盖类型碳通量和碳贮量的空间数据库和文献资料,我们对 1977-2000年赛勒支盆地中的碳库及其在人类活动干扰下的变化作了测定.研宄结果揭示出,因为森林皆伐,老针叶林和成熟针叶林在1977-2000年间显著地减少,分别由占整个盆地土地覆盖面积的23%和12%, 减少为12%和7%;与此相反,年轻针叶林和无林地则分别从24%和5%增加为43%和14%.同时,因为采伐等干扰,留存的老针叶林和成熟针叶林空间分布格局的破碎度也迅速增加.集水区的碳收支在 1977-2000期间发生了巨大的变化.在收获干扰的压力下,在1977-2000年间,整个集水区的生态系统碳贮量从 17640797t 减少到 13405720t;净生态系统生产力(Net Ecosystem Production, NEP)由每年 100462tC 减少为每年76800tC.     

基于时间序列HJ-1/CCD数据的土地覆盖分类方法

土地利用数据是遥感应用中普遍使用的基础数据,对于遥感应用的效果起着非常重要的作用.随着中国环境与灾害监测预报小卫星星座(HJ星座)的成功发射,使得中高分辨率数据的重访周期达到了2天.因此,本研究利用了HJ-1/CCD数据同时具有较高时间和较高空间分辨率的特点发展了一种基于时间序列HJ-1/CCD数据的土地覆盖分类方法;该方法既利用了较高空间分辨数据的纹理与光谱信息,也利用了较高时间分辨率数据捕捉到了地表随时间的变化信息,从而利用地物在时间维上的差异提高了土地覆盖分类与土地利用制图的精度.该方法被应用于辽宁大伙房水库与青海黑泉水库区域2010年土地利用制图,经检验发现该方法制作的土地利用图与传统方法制作的土地利用图相比制图精度得到了极大提高;在辽宁大伙房水库和青海黑泉水库地区精度分别达到了95.76%和83.78%,Kappa系数分别为0.9423和0.8165.     

基于景观形状指数的地表覆盖检验样本自适应抽样方法

大范围地表覆盖常常具有极强的空间异质性,直接影响着检验样本的数量计算与空间布设.致使传统抽样方法在区域样本量确定、地类间样本量分配和样本空间分布方面存在着较大局限性.本文提出了一种顾及地表覆盖空间异质性的样本抽样方法,计算验证区域、区内地类和抽样格网三个层级的景观形状指数,推导出基于区域级景观形状指数及面积的区域样本量解析计算公式,建立了顾及地类级景观形状指数的样本量内曼分配公式,提出了基于格网级景观形状指数曲线的样点抽取方法,为大范围地表覆盖验证提供了定量化的自适应抽样方法.以毛里塔尼亚、西班牙和孟加拉三个国家为验证区域进行的实验表明:(1)基于区域级景观形状指数的样本量解析计算,较好地顾及了地表覆盖空间异质性强弱的影响,有效实现了区域样本量的自动调整;(2)引入地类级景观形状指数的内曼分配计算,有效提高了稀少类的抽样比例,解决了现有抽样方法难以顾及稀少类的问题;(3)在格网级景观形状指数曲线所构成的异质性强度空间中抽取样点,可使样本分布兼顾破碎与均质地域.此外,在西班牙区域进行了精度对比,发现本文提出的自适应抽样方法的精度评价结果更接近真实精度,尤其是稀少类的精度评价准确度平均提高了10%以上.     

王艳，廖明生，李德仁等.利用长时间序列相干目标获取地面沉降场.地球物理学报，2007

方法，相干目标分析是利用时间序列多景影像获取地表稳定反射体——高相干点目标的新方法.实验区选择上海市主城区约100 km2 区域，InSAR的实验数据采用覆盖1992～2000年间的25景ERS-1/2的单视复影像.在无先验沉降场模型的情况下，实验结果显示该实验区的地面沉降场在时间范围上跨越8年，平均观测时间采样率约为4个月，垂直形变精度优于5 mm，满足我国对城市地面沉降形变观测的要求.研究结果表明该方法可以用于今后大时间/空间尺度上的高精度地表形变观测.     

王艳，廖明生，李德仁等.利用长时间序列相干目标获取地面沉降场.地球物理学报，2007

方法，相干目标分析是利用时间序列多景影像获取地表稳定反射体——高相干点目标的新方法.实验区选择上海市主城区约100 km2 区域，InSAR的实验数据采用覆盖1992～2000年间的25景ERS-1/2的单视复影像.在无先验沉降场模型的情况下，实验结果显示该实验区的地面沉降场在时间范围上跨越8年，平均观测时间采样率约为4个月，垂直形变精度优于5 mm，满足我国对城市地面沉降形变观测的要求.研究结果表明该方法可以用于今后大时间/空间尺度上的高精度地表形变观测.     

中国主要土壤高光谱反射特性分类与有机质光谱预测模型

土壤可见-近红外漫反射光谱是当前对地遥感观察和土壤近地传感器研究的重要方向,同时也被认为是土壤数字制图、精确农业和土壤资源调查等方面最重要的数据获取技术.从中国西藏、新疆、黑龙江、海南等地采集16种土类的1581个土壤样本,经干燥过筛后统一采用ASD光谱仪测量了其室内可见-近红外反射光谱(350~2500 nm).对所有的土壤光谱数据采用Savitzky-Golay平滑加一阶微分进行转换,来减少大样本数据受到实验室光学测试环境条件差异的影响,然后对数据进行主成分变换降维处理.引入模糊k-means方法进行大样本光谱数据的最佳分类数目计算,并将中国土壤光谱数据分成五类,各自代表了不同的土壤矿物和有机组分,主要类型与国际同行类似成果有可比性.最后提出了采用土壤光谱分类方法结合偏最小二乘回归法(PLSR)方法建立土壤有机质的光谱分类-局部预测模型,结果比未分类直接采用PLSR方法的一阶微分-全局预测模型的精度有了显著提高,其预测模型的R2和RPD两个指数分别从0.697和1.817提高到0.899和3.158.     

基于最大熵的CA模型及其城市扩张模拟

城市用地的扩张模拟是土地利用/土地覆盖变化(LUCC)研究的核心问题之一.文章耦合了最大熵模型(Maxent)与元胞自动机(CA),并提出一种新的城市扩张模型(Maxent-CA),模型简单并可以从单期遥感影像中获取转换规则.以2000年中国地区的遥感数据为基础数据,结合人口密度、到城市的距离等空间变量,构建了Maxent-CA模型并分析其训练样本、邻域空间结构和空间尺度等,实现对模型的参数校正与验证.研究发现,当训练样本的采样比例与城市用地的转变量在全区的占比相匹配而且采用冯诺依曼邻域结构时,模型将得出更好的模拟结果.随着空间分辨率的降低模拟结果的空间结构变得简单,但是模拟精度也会受到明显影响.与传统逻辑回归CA模型对比, Maxent-CA能够很好地避免产生城市中心团簇的现象,将有助于得出更接近于真实情况的模拟结果,也能很好地满足大区域的城市扩张模拟的需求.     

基于单时相全极化SAR影像的建筑物震害信息提取

建筑物震害信息提取不仅是震害评估的主要工作,同时对应急救援的快速有效实施也有一定的指导意义。利用震后一景全极化SAR影像提取建筑物震害信息,既可提高信息提取的速度,也可保证提取的精度。文章利用H/α/A-Wishart非监督极化分类方法,结合基于最小异质性准则聚合的层次聚类算法,对建筑物震害信息进行提取。以2010年4月14日青海玉树地震震后一景全极化SAR影像为例进行实验,实验结果表明该文研究的方法在建筑物震害信息提取应用中是有效可行的。     

嫦娥一号图像数据处理与全月球影像制图

“中国首次月球探测工程全月球影像图”是我国第一幅覆盖月球的遥感影像图, 将成为嫦娥工程后期探测和月球科学研究的重要基础图件. 详细介绍了嫦娥一号CCD图像数据的获取、数据特点和数据质量, 描述了图像数据的处理方法和流程, 按制图规范对图像数据进行了镶嵌拼接和处理, 制作了覆盖全月球的1:250万比例尺影像图, 并进行了影像图的定位精度分析. 数据处理和制图结果表明, 嫦娥一号CCD数据及其定位精度能够满足1:250万比例尺的制图要求, 制作的“中国首次月球探测工程全月球影像图”, 其相对定位精度优于240 m, 平面定位精度约为100 m~1.5 km, 定位精度略好于2005联合控制网(ULCN2005)和克莱门汀基础地图(2.0版); 对所有像元进行了逐一光度校正, 大大改善了全球图像的一致性, 是目前覆盖最全、图像质量最好、定位精度最高的全月球影像图.     

全球陆表湿地潜在分布区制图及遥感验证

由于城市化和农业垦殖等人类活动不断增强,很多湿地生态系统受到侵占或干扰.保护湿地资源需要准确的湿地分布.然而由于湿地类型复杂多样,地面调查困难,大范围湿地分布制图很难完成.目前还没有专门用于湿地保护和规划且有较高分辨率的全球湿地分布数据.采用水文、气候数据结合1 km分辨率的混合地形指数(CTI)数据,利用陆表湿地和地下水位的关系,模拟出不考虑人类活动影响状况下30 s分辨率的全球陆表湿地潜在分布区.这是最高分辨率的全球陆表湿地的潜在分布数据.模拟结果显示全球陆表湿地潜在分布区面积达到3.316×107 km2.用遥感获得的实际湿地数据对陆表湿地模拟结果进行精度验证,总体精度达到83.7%.本次模拟结果可以作为构建全球湿地实际分布数据库的基础.由于模拟过程未考虑农业灌溉、建坝等人类活动对湿地的干扰破坏,因此本文对陆表湿地潜在分布区的模拟结果大于当前几种全球土地覆盖制图产品中湿地的面积.本文采用方法所需数据相对较少,精度高于其他产品.     

多分类器组合方法的遥感技术研究

将光谱聚类方法应用于高光谱遥感数据处理,对低反射率地物信息的提取取得较好效果;同时采用决策树的多分类器组合方法提取高光谱遥感影像信息,经对比研究发现其效果明显优于单个分类器。