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兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 摘要 随着3 s 技术的应用，我国生态环境监测信息化水平在不断提高，但是表现 出分散发展、随机性强和短期研究多的特征，没有建立统一标准的信息系统。根 据这一现状，本文探讨提出了建立生态环境监测评价信息系统的目标、结构和原 则。 本文选择1 9 9 8 和2 0 0 4 年两期s p o t 和t m e t m 融合遥感数据，对研究区的土 地利用土地覆被变化进行了分析，并在此基础上对研究区生态服务价值总量进 行了估算，探讨了研究区生态环境交化的主要驱动因子。 讨论与小结： ( 1 ) 1 9 9 8 年至2 0 0 4 年研究区耕地面积减少了3 1 5 ，林地增加5 2 ，增幅 较大，草地减少3 2 l ，水域增加2 5 1 ，居住工矿交通建设用地增加l 7 0 。 1 9 9 8 年土地利用程度指数( 2 3 4 1 5 ) 略大于2 0 0 4 年土地利用程度指数( 2 3 1 2 7 ) 。 ( 2 ) 研究区土地覆被类型存在地形上的垂直分异：草地一坡耕地梯田一草地 一林地，坡耕地梯田一草地一林地和坡耕地梯田一林地一草地三种模式，这种差异 与水分在黄土坡面上存在垂直差异和土壤有机质含量在黄土坡面上存在垂直差 异有关。 ( 3 ) 1 9 9 8 年和2 0 0 4 年研究区生态服务价值总量分别为6 9 1 6 1 9 万元和 8 3 3 0 。7 7 万元，其中农林草三种类型资源价值量分别占总价值量的9 2 0 8 和 9 2 6 0 。按照价值贡献率对面积贡献率的比值排序可得到1 9 9 8 年和2 0 0 4 年分别 为：水 林 农 草；水 林 草 农。 ( 4 ) 从气温、降水等反映大尺度环境因子来看，生态环境仍然有恶化的趋 势，但是从研究区土地利用土地覆被变化( l u c c ) 情况来看，水土保持和退耕 还林还草工程的实施对研究区土壤养分的改善、水源的涵养等局地性的小气候确 实起到了改善的作用。 关键词：遥感；g i s ；6 p s ：土地利用土地覆被变化( l u c c ) ；生态服务价值；静 宁； 兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 a b s t r a c t l h ei n f o r m a f i o n i z a t i o nm o n i t o r i n g ，a s s e s s m e n t ，a n dm a n a g e m e n to fe a 3 0 一e n v i r o n m e n t o fc h i n ah a sb e e ni m p r o v i n g c o n s t a n t l y , b u td e v e l o p sd i s p e r s e d l yr a n d o m l y , a n df o r s h o r tt e r m i nt h i sp a p e rt h a tt h es t r u c t u r eo ft h ei n f o r m a t i o ns y s t e mo fm o n i t o r i n g ， a s s e s s m e n t ，a n dm a n a g e m e n to fe c o e n v i r o n m e n t ，t h eg o a l o fc o n s t r u c t i n gt h e i n f o r m a t i o ns y s t e mf o rm o n i t o r i n ga n de v a l u a t i o n ，a n dt h er u l e so f c o n s t r u c t i n gt h e e c o l o g i c a lm o n i t o r i n g a n da s s e s s m e n ts y s t e mw e r e p u tf o r w a r d 1 1 1 ep a p e rh a ss t u d i e dl a n d - u s ea n dl a n d - c o v e rc h a n g eb a s e do nt h ef u s i o no fs p o t a n dt m e t m 。b a s eo nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h ep a p e re s t i m a t e de c o s y s t e ms e r v i c e s v a l u eo f t h es t u d ya r e a ，a n dd i s c u s s e dt h ed r i v i n gf a c t o ro f e c o e n v i r o n m e n tc h a n g ei n t h es t u d ya r e a b r i e fs u m m a r ya n dd i s c u s s i o ni n d i c a t et h a t ： ( 1 ) t h el a n d - u s ea n dl a n d c o v e rc h a n g e sa r ea sf o l l o w ：c u l t i v a t e dl a n da r e ar e d u c e d 31 ，w o o d l a n da r e ai n c r e a s e d5 2 ，g r a s s l a n da r e ar e d u c e d3 2 1 ，w a t e ra r e a i n c r e a s e d2 5 1 ，c o n s t r u c t i o nl a n da r e ai n c r e a s e d1 - 7 0 ，t h ec o m p r e h e n s i v el a n du s e i n d e xi d2 3 ，4 1 5i n1 9 9 8 。a n d2 3 1 2 7i n2 0 0 4 ，r e d u c e d0 2 8 8 f 2 ) t h el a n d - u s ea n dl a n d - c o v e ri sd i f f e r e n tv e r t i c a l l y i nt h es t u d ya r e a ，t h e r ea r e g r a s s l a n d c u l t i v a t e d l a n d t e r r a c e l a n d g r a s s l a n d - w o o d l a n d ， c u l t i v a t e dl a n d t e r r a c e l a n d g r a s s l a n d - w o o d l a n d ，a n d c u l t i v a t e dl a n d t e r r a c el a n d w o o d l a n d g r a s s l a n d ( 3 ) t h ee c o s y s t e m s e r v i c e sv a l u eo ft h es t u d ya r e ai s6 9 1 6 1 9 x 1 0 4y u a n ，a n d 8 3 3 3 0 7 7 x 1 0 4y u a n 1 1 1 et o t a lo f c u l t i v a t e dl a n d ，w o o d l a n d ，a n dg r a s s l a n do f f e r e dt h e m a i ne c o - s y s t e ms e r v i c e sv a l u e ，b e i n g9 2 0 8 i n19 9 8 ，a n d9 2 6 0 i n2 0 0 4 t h e c o n t r i b u t i o no ft h ee c o s y s t e ms e r v i c e sv a l u ei s ：w a t e ra r e a w o o d l a n d c u l t i v a t e d l a n d g r a s s l a n di n 1 9 9 8 ，a n dw a t e ra r e a w o o d l a n d g r a s s l a n d c u l t i v a t e dl a n d i n 2 0 0 4 ( 4 ) b a s e d o nf l a es t u d yo f c h a n g eo fa i rt e m p e r a t u r ea n dp r e c i p i t a t i o n ，t h ed i r e c t i o no f e c o e n v i r o n m e n tw o r s e ni sc o n t i n u o u s b a s e do nt h es t u d yo f l a n d u s ea n dl a n d c o v e r c h a n g e ，w a t e ra n ds o i lp r e s e r v e dp r o j e c ta n dg r a i nf o rg r e e np r o j e c tr e f o r m e dt h e w a t e ri ns o i l a n dp r e s e r v et h ew a t e r h e a d k e yw o r d ：r e m o t es e n s i n g ；g i s ；g p s ；l a n d u s e c o v e rc h a n g e ；e c o 。s y s t e m s e r v i c e sv a l u e ；j i n g n i n g ； 原创性声明 x7 3 1 6 9 7 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进 行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的 内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：三娅 日 期：j 丛上 末镌爱j 爱g 舅惑 0 j t ，r 饰 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同 意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许 论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学 位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：尹埋睾导师签名：二堕日期：迎划 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 致谢 毕业迫近，方知时光短暂。论丈虽已完稿，然有许多不尽如人 意之处，还待今后继续完善。感谢黄土高原世行贷款科研课题项目 课题组提供数据支持! 本文是在导师董晓峰先生和王建华先生的指导下完成的，在此 表示诚挚的感谢! 感谢潘竞虎先生提供的无私帮助! 感谢六年来所有 关心我、帮助我、支持我的老师和同学们! 刘理臣 2 0 0 5 年5 月 兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 第一章论文研究的意义与研究区概况 1 论文研究意义 3 s 技术( r s r e m o t es e n s i n g ，遥感；g i s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ， 地理信息系统；g p s n a v i g a t i o n s a t e l l i t e t i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ，导航卫星测时和测距全球定位系统) 是独立发展起来的支撑 现代地学的空间技术工具，三者结合的主要表现在：一是r s 为g i s 动态地提供 和更新多种数据；二是g i s 能够提高r s 空间数据分析能力及分析精度；三是g p s 不仅为r s 数据和g i s 提供精确的定位功能，还可以和g i s 相结合实现测量和监 控导航等功能；四是利用r s 数据和g i s 实现g p s 定位遥感信息查询。 我国的3 s 技术研究与应用始于7 0 年代末8 0 年代初，在g i s 数据库理论和 数据库建设的探索；地理空间数据精度、数据采集：空间数据分析模型，空间数 据的管理与可视化表达；w e b g i s ，3 d g i s 的研究；3 s 集成研究、g i s 与专家系统 集成研究；国产g i s 软件的开发；地理信息产业化等领域中取得了较大的进展和 突出的成就。2 0 世纪8 0 年代中期到2 1 世纪初期我国进行了三次基于遥感的全 国土壤侵蚀调查，并公布了相应成果；十五期间国家启动了“数字黄河”工程， 包括防汛指挥、水资源管理、水土保持、电子政务等应用系统和信息化基础设施， 这是新时期我国地理信息系统应用的典型代表。 我国生态环境监测信息化也在不断提高，但表现出分散发展、随机性强和短 期研究多的特征，没建立统一标准的信息系统，迫切要求在国家统一标准和规范 的指导下，充分利用现有资源，国家层面和地方层面相结合，综合信息系统与专 题信息系统，建立规范化的生态环境监测管理信息系统，促进资源的共享，提高 管理与决策的时效性、广泛性、科学性，保证政务工作高效性和公众参与，以保 证生态环境保护与建设可持续发展。 2 国内外3 s 技术研究和应用的进展 2 1 国际3 s 技术研究和应用的进展 2 0 世纪6 0 年代，加拿大为了处理大量的土地调查资料，建立地理信息系统 c g i s ，1 9 7 1 年投放市场“1 1 ；同一时期的美国哈佛大学的计算机图形与空间分析 兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 实验室，建立通用的制图软件包，竭力发展空间分析模型和软件。 2 0 世纪7 0 年代，美国、加拿大、英国、德国、瑞典和日本等国对3 s 的研 究工作做了大量投入。美国研发了以g i r a s 为代表的5 0 多个地理信息系统，用 于获取和处理地理信息；日本在7 0 年代中期也开始建立国土信息系统，为国家 和地区土地规划服务；瑞典在全国、区域和城市层面上分别建立了土地测量信息 系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划信息系统等。这一时期，世界上发展 了许多功能较强的地理信息系统，并且包含了大量数据库，但这些系统的分析功 能并没有明显的提高，而且数据库的容量一般都比较小。 2 0 世纪8 0 年代，随着计算机技术的迅速发展，3 s 技术也逐步走向成熟，并 得到广泛应用。发达国家开始将3 s 广泛用于国土规划、管理决策支持，同时发 展中国家也开始发展独立的地理信息系统。学者利用3 s 技术来研究全球厄尔尼 诺现象和全球沙漠化问题，美国应用3 s 技术，对美国三里岛核泄漏事件在2 4 小 时内就做出反应，并迅速地对核扩散进行影响评价。3 s 技术应用由单一功能、 分散发展向多功能的、数据共享的综合性信息系统发展 2 2 我国3 s 技术研究和应用的进展 2 2 1 我国3 s 技术理论研究 6 i s 是一种研究空间信息的技术系统( 陈述彭1 9 8 3 ) “1 3 。g i s 具有自己独 立的研究任务，这就是以数字形式综合和分析信息( 黄杏元1 9 8 9 ) “1 1 。在2 0 世纪 8 0 年代初期，我国学者已经注意到g i s 在地理学研究中的重要作用。9 0 年代，地 理信息系统的技术发展，也促使人们进一步思考与探讨g i s 发展有关的理论与方 法问题，逐步形成地理信息科学。 在g i s 数据库建立方面刘岳等学者进行了大量研究和实践工作，这些从技术 上推进数据库建设。例如：资源数据库的建立和应用( 刘岳等1 9 8 4 ) 。1 h “；微 机汉字大地测量数据库系统的设计( 陈晓勇1 9 8 7 ) “。1 ；面向目标数据模型在地理 属性数据库中的应用( 李德仁1 9 9 1 ) “1 1 ；城市地籍数据库数据模型的建立( 赵地 红1 9 9 3 ) ：1 ：2 5 万地图数据库的设计与实现( 范小林1 9 9 4 ) “。”等等。 在数据模型方面的研究，例如：机助制图中面向多边形地理要素的数据结构 ( 黄杏元1 9 8 4 ) “；多界面三维g i s 拓扑关系研究( 李青元1 9 9 8 2 0 0 0 年自然 科学基金项目) ；g i s 全信息对象关系数据模型研究( 周世健1 9 9 8 2 0 0 0 年自然 兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 科学基金项目) 。 在空间数据管理和数据分析方面的研究，例如：开展这方面工作的人包括： 地学数据库的数学基础( 胡鹏1 9 8 9 ) 1 - 1 2 ；用数据库实现地图信息的管理和查询 ( 黎全忠1 9 9 1 ) 1 - t 3 ；g i s 的数据组织与处理方法( 龚健雅李德仁1 9 9 4 ) “。1 “：g i s 中超媒体信息表达与可视化查询语言研究( 李满春1 9 9 9 2 0 0 1 年自然科学基金 项目) ；模糊分析学在空间信息分析中的应用初探( 王建华1 9 9 8 ) “。“。 在3 s 集成研究、w e b g i s 方面也进行了大量研究，例如：遥感、地理信息系 统与全球定位系统集成理论与关键技术( 李德仁1 9 9 7 1 9 9 9 年国家自然科学基金 资助项目) ，被列为“九五”科技攻关重中之重项目，遥感、地理信息系统与全球 定位系统集成与综合应用，这代表了地理信息系统发展的一个重要方向。地球系 统科学与卫星对地观测系统( 陈俊勇1 9 9 7 ) 1 - 1 6 ：论g p s 、r s 与g i s 集成的定义、 理论与关键技术( 李德仁1 9 9 7 ) 1i t g i s 应用体系结构发展及w e b g i s 实现方法 与应用研究( 郭腾云1 9 9 9 ) c l - 1 8 ；一种三维g i s 混合数据结构研究( 李德仁李清泉 1 9 9 7 ) “。”等等。 此外我国学者还在地理信息系统与专家系统集成方面做了大量研究，例如： 黄土地区土壤侵蚀模式专家系统的研究( 马蔼乃1 9 8 8 1 9 9 0 年自然科学基金) ； 基于地理信息系统的地图设计与专家系统研究( 张文星1 9 9 1 1 9 9 3 年自然科学 基金) ：从g i s 数据库中发现知识( 李德仁等1 9 9 5 ) “2 ”等等。 2 2 2 我国3 s 技术应用进展 在数据库建立方面：从2 0 世纪5 0 年代至8 0 年代，总参测绘局和国家测绘局 系统开展了一系列航空摄影测量和地形测图，进行了两次几乎覆盖全国的航空摄 影“，绘制了我国1 ：2 5 万和i ：1 0 万的地形图；1 9 8 2 年，中科院地理研究所建 成全国县界数据库；1 9 8 4 年，中国国家基础地理信息系统( n f g i s ) 开始立项，该系 统包括核心要素数据库( d l g ) 、数字高程模型数据库( d e m ) 、数字栅格地图数据库 ( d r g ) 、数字影像数据库( d o m ) 、地名数据库、大地数据库、土地覆盖数据库等七 个数据库；2 0 世纪8 0 年代中期到2 1 世纪初期我过进行了三次基于遥感的全国 土壤侵蚀调查，并公布了相应成果；十五期间国家启动了“数字黄河”工程，包 括防汛指挥、水资源管理、水土保持、电子政务等应用系统和信息化基础设施， 这是新时期我国地理信息系统应用的典型代表。 兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 地理信息系统在资源调查、评价、管理和监测中的应用方面：2 0 世纪8 0 年 代初刘岳在北京十三陵地区开展了土地信息系统应用研究“。2 “：应用微机地理信 息系统进行土地质量评价的尝试( 李刚泰传1 9 8 8 年) 1 - z a i 土地资源评价信息系 统一以延安为例( 傅伯杰d ，a 戴维森1 9 8 9 ) “1 ；地理信息系统在土地适宜性 评价中的应用( 黄杏元等1 9 9 2 ) 1 - 2 s ；三北防护林资源与环境动态监测信息系统研 究，微机资源与环境监测预报信息系统设计与研究( 承继成1 9 8 9 - 1 9 9 1 年自然科 学基金) 。 3 s 在其他方面的应用，例如：1 9 9 2 年北京市测绘设计研究院引入国外的设 备与g i s 软件开始建立北京市城市基础地理信息系统：微机城市总体规划信息系 统设计与研究( 陈军1 9 8 9 1 9 9 1 年自然科学基金) ；以南京为例的城市地籍信息 系统的建立与应用( 陆漱芬1 9 8 9 1 9 9 1 年自然科学基金) ：城市信息系统中h b d s 研究( 崔宏伟1 9 8 9 一1 9 9 1 年自然科学基金) 。国务院综合国情地理信息系统( 简称 9 2 0 2 工程) ；张善余等以大中小三个城市的研究为例，开展了基于g i s 的城市人 口地理空间分析( 1 9 9 9 2 0 0 1 年自然科学基金) ；长白山火山灾害险情预测与灾情 对策信息系统研究( 张洪岩1 9 9 6 - 9 8 自然科学基金 ；基于g i s 的洪旱灾害遥感 信息模型研究( 马蔼乃1 9 9 6 - 9 8 年自然科学基金) ；地理信息系统支持下的暴雨 滑坡灾害动态风险评价( 周成虎1 9 9 9 2 0 0 1 年自然科学基金) ；黄河三角洲洪水 灾情分析信息系统研究；以海岸带为基线的地理数据库试验研究( 张晋 1 9 8 9 1 9 9 1 年自然科学基金) ；数字长江河道试验一以南京以下长江为例( 闾国 年1 9 9 9 2 0 0 1 年自然科学基金) ；g i s 支持下苏锡常地区地下水开采与地面沉降 模拟研究( 黄家柱9 8 2 0 0 0 年自然科学基金) ；1 9 9 0 年水利部遥感中心开发的全 国水土保持信息系统。 3 研究区地理位置及概况“ 静宁县属黄河一级支流渭河水系的葫芦河流域，总面积2 1 9 3 平方公里。研 究区( 见图1 1 ) 位于静宁县的西北部，面积4 1 6 1 6 平方公里。 静宁县项目区属黄土丘陵沟壑第三副区。水土流失严重，年土壤侵蚀模数为 9 3 6 0 万吨每平方公里，为极强度侵蚀。研究区区地势呈西北高东南低，长期以 来，由于内外营力的共同作用，地形地貌演变为梁峁起伏，沟壑纵横，沟谷深切， 兰州大学硕士学位论文 幕于3 s 技术的生态环境变化监测评价 地表支离破碎，沟壑密度达3 5 千米每平方公里，植被稀少，水土流失严重。研 究区地处大陆内部，受东南季风影响较弱，多年平均降水量4 4 2 8 m m ，最大年降 水量6 9 0 4 m m ，最小年降水量2 2 8 m m 。降水量年际变化大，年内分配极不均衡， 其中7 9 月降水占年总降水量的7 0 以上，且多以暴雨的形式表现。区内灾害 性气候主要为冻害、冰雹和干旱。地带性土壤主要为黑垆土和黄绵土、红粘土， 在自然和人为因素的长期作用下，在黄土丘陵区形成的耕作土壤主要有黄绵土、 红粘土和新积土。黄绵土广泛分布于沟壑、梁峁坡地和沟掌、湾台地；红粘土主 要分布于沟底或坡底；新积土主要分布在河谷里。土壤的有机质含量很低，平均 为0 ，5 - 1 0 4 左右；全氮含量平均为0 3 9 0 。0 9 ，速效磷很低，小于3 p p m 的 面积占耕地面积的8 0 左右；全钾含量比较丰富，平均为1 8 8 ，速效钾平均 含量约i o o p p m 。由于长期以来的过度垦殖，天然植被屡遭破坏仅零星残存，天 然草场退化、荒芜。现保存有天然次生林、人工林面积在项目区很少，人工草场 林草种类稀少。农作物以冬小麦、玉米、马铃薯、糜谷等为主，经济作物主要是 油料胡麻。植被覆盖度大于3 0 。项目区植被稀疏，树种主要有用材林杨、柳、 刺槐等，经济树种有苹果、梨、杏等，灌木有柠条、沙棘等，牧草以紫花苜蓿、 草木樨、沙打旺等为主。1 9 9 8 年项目区共有人口4 2 1 2 0 人，其中农业人口4 2 1 2 0 人，农村劳力1 8 9 0 0 万个。2 0 0 4 年项目区共有人口4 3 6 9 0 人，其中农业人口4 3 6 9 0 人，农村劳力2 1 2 0 0 个。 固11 ：睁宁县研究区s o p t 数据疆盖范围( 1 - 4 8 e 0 0 3 0 1 4 等为1 ：5 0 0 0 0 地形围幅号) 兰一h i 大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 参考文献： 1 1 秦其明管理地球的工具 岫广东教育出版社广东1 9 9 5 7 1 2 ， 1 2 陈述彭地理信息系统的探索与试验 j 地理科学1 9 8 3 3 ( 4 ) ：2 8 7 3 0 2 1 3 黄杏元等地理信息系统发展趋势 j 地理学报1 9 8 9 4 4 ( 2 ) ：2 3 0 2 3 6 1 4 刘岳粱启章资源数据库的建立和应用 j 自然资源1 9 7 9 15 刘岳，粱启章专题地图多边形软件系统 j 测绘学报1 9 8 2 1 6 刘岳，梁启章地理信息网格法软件系统及其应用 j 地理科学1 9 8 4 4 ( 1 ) ：8 1 8 8 1 7 陈晓勇微机汉字大地测量数据库系统的设计 j 武汉测绘科技大学学报1 9 8 71 2 ( 3 ) ：5 2 6 3 卜8 李德仁面向目标数据模型在地理属性数据库中的应用 j 武汉测绘科技大学学 报1 9 9 1 1 6 ( 4 ) ：l 一8 1 9 】赵地红城市地籍数据库数据模型的建立 j 山东矿业学院学报1 9 9 3 1 2 ( 1 ) ：3 6 4 0 1 1 0 范小林1 ：2 5 万地图数据库的设计与实现 j 测绘科技1 9 9 4 1 ：1 5 1 1 1 黄杏元机助制图中面向多边形地理要素的数据结构 j 南京大学学报1 9 8 4 ：9 0 卜1 2 2 胡鹏地学数据库的数学基础 j 武汉测绘科技大学学报1 9 8 91 4 ( 3 ) ：7 7 8 6 卜1 3 黎全忠用数据库实现地图信息的管理和查询 j 计算机工程与科学1 9 9 1 1 ：1 2 1 7 卜1 4 龚健雅，李德仁g i s 的数据组织与处理方法 j 测绘通报1 9 9 4 1 ：2 8 3 7 卜1 5 王建华，模糊分析学在空间信息分析中的应用初探 j 测绘学报1 9 9 6 1 n 一1 6 陈俊勇地球系统科学与卫星对地观测系统 j 地球信息1 9 9 7 3 1 一1 7 李德仁论g p s 、r s 与g i s 集成的定义、理论与关键技术 j 地理信息世界1 9 9 7 1 卜1 8 郭腾云g i s 应用体系结构发展及w e b6 i s 实现方法与应用研究 j 科技导报1 9 9 9 9 ：4 3 4 7 卜l g 李德仁，李清泉一种三维g i s 混合数据结构研究 j 测绘学报1 9 9 7 2 6 ( 2 ) ：1 2 8 一1 3 3 卜2 0 李德仁，程涛从g i s 数据库中发现知识 j 测绘学报，1 9 9 5 2 4 ( 1 ) ：3 7 4 4 1 2 1 树人关于建立国土基础信息系统若干问题的探讨 j 测绘通报9 ：5 8 卜2 2 刘岳，粱启章，沈洪全土地信息系统及其试验研究一以北京十三陵地区为倒 5 地理与农 业8 6 9 3 ( 卜2 3 李刚，秦伟应用微机地理信息系统进行土地质量评价的尝试 m 科学出版社，北京1 9 8 8 卜2 4 傅伯杰，d a 戴维森土地赉源评价信息系统一以延安为例 j 水土保持学报1 9 8 9 3 ( l ) ：卜9 卜2 5 黄杏元，林增春土地资源信息系统及其运用的试验研究 j 环境遥感1 9 9 2 1 ( 3 ) ：1 9 0 2 0 1 卜2 6 黄土高原水土保持世行贷款静宁县二期项目监测评价报告 6 兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化黼测评价 第二章数据处理与数据获取 1 遥感数据处理 本研究采用1 ：5 0 0 0 0 比例尺地形图、t m 多光谱数据、s p o t 全波段数据和q b 编程数据( 捆绑) 。采用多源遥感信息时，图像的几何纠正和配准是遥感数据融合 的关键和基础，其好坏直接决定融合的效果。1 1 。 1 1 地形图纠正。扫描地形图，得到的t i f f 格式的文件，按照公里网格，采用 二次方多项式法和邻近点插值重采样法进行几何精纠正，得到具有g a u s sk r u g e r 投影信息，椭球体为k r a s o v s k y 的电子地形图，作为工作的基础和标准。 一般多项式纠正法。1 “”1 ，选取地形图和影像上的几个同名地物点为控制点， 通过纠正公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 将影像坐标( x ，y ) 转换为图上的大地坐标( x ，y ) 。 x = + ( a 1 x + a 2 y ) + ( a 3 x 2 + a 4 x y + a 5 y 2 ) + ( 矾x 3 + a t x 2 y + a 8 x y 2 + a g y 3 ) 十( 2 1 ) y = b 0 + ( b 。x + b 。v ) + ( b 。x 2 + b 。x y + b 5 y 2 ) 十( b 。x 3 + b ，x 2 y + b 。x y 2 + b 。y 3 ) + ( 2 2 ) 利用已知控制点的坐标值按最小二乘法求解多项式的系数a ，b ，( i ，j = 0 ，l ，2 ，n ) ，n 为控制点数，然后利用公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 进行几何纠正。 1 2 本次研究主要使用s p o t 数据提供的空间信息。 为了使融合的数据具有良好的空间分辨率，对s p o t 图像进行边缘清晰和纹 理增强处理。然后参照标准地形图采用同名像元和二次方多项式法进行几何精纠 正，累积误差控制在l o 米以内，采用1 0 米像元和邻近点插值法重采样。 1 3 在本研究中主要使用t m 图像提供的光谱信息。 在保证同名像元点的灰度值在4 、3 、2 三个波段上保持原来大小顺序不变和 灰度值差异扩大的基础上对t m 多光谱数据进行信息增强和辐射纠正，参照标准 s p o t 图像利用同名像元对其进行几何精纠正，累积误差控制在1 0 米以内，采 用1 0 米像元和近邻法重采样，实现州图像和s p o t 图像的配准。1 。 1 4 多源遥感数据融合。 在e r d a si m a g i n e 下，采用主成分变换，得到的融合图像具有1 0 米空间分 辨率和较好的光谱分辨率。主成分变换是建立在影像统计特征基础上的多维线性 变换具有方差信息浓缩、数据量压缩的作用，可以更准确地揭示多波段数据结构 内部的遥感信息，常以高分辨率数据替代多波段数据变换以后的第一主成分来达 兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 到融合的目的”1 。 1 5 快鸟数据处理。 利用g p s 采点获得数据对快鸟数据进行几何纠正。 一一一一。一一一一一。一一一一_ 一一一一一。一一一”。一h _ 一_ 一_ 一一_ 一一一一一一一一一- 一一 s p o t 图像数字地形图 t m 图像 0 图像纹理增强等处理l l 图像配准 l l 图像色彩变换等处理 l 料十 麦f j 逆1 l 分l 卜 蒺n 冀i s p o t 、t m 融合图像 一一j 图21 ：研究区遥感图像数据处理流程图 2 数据获得 本次研究选择1 9 9 8 和2 0 0 4 年两期s p o t 和t m 融合遥感数据。t m 数据为4 ， 3 ，2 波段合成假彩色影像。由于s p o t 数据包含的空间信息和t m 多波段数据包 含的光谱信息，该融合数据能够满足自然要素的解译和动态分析。为了保证数据 纠正精度，采用同名像元进行几何精纠正。采用公众参与，典型农户、农田调查 的方法和收集政府公布的相关年鉴数据来获取，社会经济和部分自然环境要素的 数据。 表21 ：数据获取与处理 3 遥感数据解译标志的建立和解译精度控制 要想准确地提取遥感信息必须建立科学实用、操作性很强的解译标志，这一 兰型查堂堡主兰竺笙苎 苎王i ! 垫查塑兰查堑垄壅些些塑! 塑塑 方面取决于对地面特征的认识，另一方面取决于对遥感信息的理解，必须在充分 考虑上述两方面的基础上建立适当分类系统和解译标志。本文采用甘肃省黄土 高原水土保持监测评价与管理信息网络化研究项目中的分类系统和解译标志。 遥感图像用光谱特征、几何特征以及地物空间分布特征来表现地物信息，解译时 必须充分认识和综合考虑不同地类的分布空间规律、形态规律、和不同时相的影 像特性。 本研究在g i s 软件下进行交互式人工解译。宽度大于2 个像元的线状地物用 双线表示，最小图斑像元数为2 x 8 ，普通地物最小国斑像元数为6 6 ，特殊地 物最小图斑像元数为4 x 4 ，解译精度控制在l 一2 像元( 1 0 2 0 米) ，并在 判读过程中，充分参考地形图等辅助资料。 表22 研究区t m 、s p o t 卫星影像融合数据分类系统 1 农田 n 耕地 l l l _ 平豫耕地 影像形态：圈斑几何形状不规则，地块较小、分散，地类界限明显 影像色调：色调以红、淡红、鲜红、淡蓝为主，没有种植时为灰色或灰白色 影像纹理：影像纹理较袒糙 空间特征：主要分布在盆地山前地带、河流冲积、洪积平原和黄土塬地 主要作物：主要有小麦、玉米、高粱、谷子、麋子- 大豆、油菜、土豆等 1 2 沟昝地 影像特征。几何特征属于不规则，地块较大、连片，界限明显并局部有条状形态 影像色调：色调里现红、淡红、粉红、灰白及白色，因种植期或干旱有些地块里现自或灰白色 影像纹理：影像纹理粗糙，不同地区不同地段地类问色差较大 空间特征：一般分布在黄土地区丘棱前缓坡以及墚、弗之上 主要作物：主要有小麦、玉米、高粱、咎子等 1 1 3 梯田 影像形态：几何特征规则，界限明显井呈现阶梯式的条带状形态 影像色调：影像色调呈现出黑红、洪红、淡红、粉红、灰白及白色 影像纹理：影像纹理较租糙 一般状况下分布在黄土丘陵的坡及缓坡之上 主要作物：主要有小麦、玉米、高粱，谷子、油菜等 1 1 4 工程梯田 影像形态：新造梯田问于裸土但阶梯状明显 影像色调：影像呈现灰色或自色 影像纹理：影像纹理较均匀 空间特征：一般状况下分布在黄土丘陵的坡及缓坡之上主要有小麦、玉米、高粱、谷子、油菜等 1 1 5 条田 影像形态t 沿等商线以水平或条带状阶梯式分布，人工扰动明显，与梯田相比从宽度上看有很大差剐 影像色调：影像呈现红、淡红、灰白色 影像纹理：影像纹理特别不明显 空惘特征。主要分布在黄土丘瘦地区的中坡坡面上 主要作物。主要有小麦、玉米、高粱、谷子、油菜等 1 1 6 菜地 影像形态：主要分布在居民点周围主要有马铃薯、白菜、辣椒、番茄等 影像色调：多以彖带或片状零星分布 墅堡丝里：丝堡坚垄墼垄塾 9 兰州大学硕士学位论文 基于3 s 技术的生态环境变化监羽i 评价 空间特征：主要分布在居民点周围 主要作物：主要有马铃薯、白菜、辣椒、番茄等 2 林地 2 2 乔木、灌木及其它林地 2 2 1 乔术林 影像形态：影像上可以看出形状不规则，但于其它地类间边界润滑清晰 影像色调：色调有暗红( 阔叶林) 、鲜红( 针叶林) ，色调越深受坡度坡向及水分影像越大 影像纹理：从单一林种来看色调较均匀，影像纹理细腻 空间特征：主要分布在坡地、谷地两坡、山顶、平原等 主要林种：主要有杨树柳树等 2 2 2 。灌木林 影像形态：灌术基本沿等高线，其它地段生长在低地中，但形状很不规则 影像色调；影像呈现红、鲜红、粉红和暗红色( 是由于坡面、地段、土壤、水分等原因) ，色差较大 影像纹理：影像纹理细腻清晰，在同一色调中差异不大 空间特征：主要分布在黄土沟壑的沟头及坡面和塬面上 主要林种：主要以杂灌为主 2 2 3 四旁林 影像形态：主要以线或条带状分布 影像色调：影像呈红色、鲜红色 影像纹理；影像纹理细腻清晰 空间特征：主要分布在田间河边，路边，居民点周围和坡面 主要作物：主要有柳树、杨树等 2 2 4 果园 影像形态：大多数以线状、格状、点状和片状分布 影像色调：以红、鲜红和粉红的线格状、点状分布为主 影像纹理：从影像纹理上看比较杂乱，不规则 空间特征：主要分布在田间、河边、路边、居民点周围 主要林种：有苹果、杏树、桃树等 3 草场 3 3 草地 3 3 天然草地 影像形态：形态各异，连片分布地类边界明显，大多数在人类活动较少的地方 影像色调：以鲜红、红、淡红、粉红为主，红色越鲜说明水分条件越好，红色越演说明水分条件越差 影像纹理：影像质地较细腻、纹理清晰、颜色均一，不同地类间色差明显 空间特征：一般分布在山区缓坡、丘陵陡坡上及河间滩地等 主要种群：主要有针茅、冰草及杂草等 3 3 2 人工草地 影像形态：几何特征规则、界线明显呈现条带状或块状形态 影像色调：以鲜红、红为主，红色越鲜说明术分条件越好 影像纹理：影像纹理细腻捕晰，色调均一 空间特征：主要生长在较干燥的地方( 黄土丘陵和山地边缘) 主要静群：主要有末本科的黑麦草、早熟汞等 4 水体 4 4 水域 4 4 1 河渠 影像形态：几何形状明显，河弯曲不定，支干渠相对较直 影像色调：影像呈现深蓝色、兰蓝色或淡蓝色( 颜色不一主要受时像、季像河天气的影像) 影像纹理：影像质低较细腻、纹理清晰、颜色均匀 空间特征：主要分布在平厚、川间耕地以及山问沟谷内 主要名称：主要有渭河、环江等 4 4 2 水库及坑塘 影像彤态：几何形态较明显，人工建造痕迹明显( 大坝) 影像色调：深蓝、篮、淡蓝色，淡颜色均匀 影像纹理：影像质低较细腻、颜色均匀 空间特征：主要分布在平原、川间谷内，周围有居民地 5 建设用地 5 5 居民地 ! ! ! ：兰堕星垦垫 1 0 兰州大学硕士学位论文基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 影像形态：几何特征明显，形状多样，边界清晰 影像色调：影像色调为灰、灰白、白色 影像纹理：影像纹理较粗糙、边界清晰 空间特征：主要分布在平原、山区盆地、黄土塬、黄土坡季沟谷盆地台地等 主要名称：主要有静宁、平凉、庆阳等 5 5 农村居民地 影像形态：几何特征明显，较规则 影像色调：呈灰及灰白色 影像纹理：影像纹理较粗糙、显得较乱 空间特征：主要分布在绿洲、耕地及路边( 黄土地区的塬面、坡上均有分布) 等 主要名称：主要有康塬，蔡家塬等 5 5 3 工矿及交通用地 影像形态：形态主要以片状和线状分布 影像色调：以灰色、白色为主 影像纹理：影像纹理较细腻清晰 空间特征：一般分布在城镇和交通较发达的地区，交通线路四通八达 主要名称：主要有2 1 1 、3 0 9 国道 6 荒漠 6 6 ，未垦地 6 6 1 河滩地 影像形态：呈现不规则的条带状或片状 影像色调：影像颜色呈现灰、灰白及白色 影像纹理：影像颜色较均匀 空间特征：基本分布在河流两岸及河心岛上 6 6 2 裸土地 影像形态：地类边界线不规则 影像色调：影像呈白色 影像纹理：影像质地较细、均匀 空阊特征：主要分布在较干早的地段( 山间陡坡、琏坎、丘陵) 6 6 3 沙地 影像形态：呈现不规则的条带或片状，基本与河流流向一致 影像色调：影像颜色呈现白、灰白及灰色 影像纹理：影像颜色较均匀 空间特征：主要分布在河流两岸及河心岛上 6 0 4 ，盐碱地 影像形态：几何特征不明现，边界清晰 影像色调：影像星现红、灰、灰白、白色 影像纹理：影像质地较细腻，颜色较均匀 窆塑鲎堑! 圭塞坌壹垄塑墅墼焦墨堡查垦王塑塑：塑鎏垄蔓鳖垫墨 表2 3 ：静宁、崆峒、庆阻t m 、s p o t 卫星影像融合数据解译标志 用地类型代码 经度纬度采像影像 平原耕地 l l l1 0 5 7 5 9 0 5 0 3 5 5 9 0 3 6 7 沟谷地 1 1 2 1 0 57 2 2 4 4 43 5 5 6 0 8 6 1 兰州大学硕十学位论文基于3 s 技术的生态环境变化监测评价 梯田 1 1 3t 0 5 7 5 7 7 6 l3 5 5 3 8 3 2 5 工程梯田 i 1 41 0 5 7 6 6 3 6 13 5 5 4 8 3 3 9 条田 1 1 51 0 5 7 7 6 2 0 63 5 5 5 0 7 5 8 菜地11 61 0 5 ，7 5 9 6 7 8 3 5 5 8 8 3 4 2 乔木林 2 2 11 0 5 7 5 0 4 6 73 5 5 3 4 2 1 4 灌木林 2 2 21 0 5 7 8 6 7 1 13 55 5 9 6 4 4 四旁林 2 2 31 0 57 8 0 2 4 43