（土壤学专业论文）图形图像一体化中几个关键问题的研究.pdf

摘要 本研究以县级土地变更调查上作的要求和特点为出发点，提出了一套图形图像一体化进行 _ 十地利用动态监测的技术方案，并在怀柔、昌平进行试点t 作在试点区的_ 十- 地利片 动态监测 中得到了成功的应用。另外根据图形图像一体化的要求，提出了用多项式逼近进行跨带坐标变 换的方法，并计算出了实际的跨带运算公式，取得了较好的效果；图形图像一体化要求图形图 像及属性的互查，在m a p g i s 平台上进行二次开发，实现了图形图像及属性数据的互奁，并成 功的运用到图形图像一体化管理中。在本研究中，得到了如下的研究结论： ( 1 ) 图形图像一体化进行土地利用动态监测的方法是可行的，并具有“工期短、误差小、速度 快、费用低、数据可靠性高”的优点；怀柔、昌平试点工作区的土地利用变更调查的实践表明： 图形图像一体化其j i 于七地莆j 用变更调查能满足土地利用动态监铡的及时性、准确性和动态性的 要求，能替代传统的土地利用变更调查技术。 ( 2 ) l ：1 万地形图几何校正时重采样的方法应选择最近邻域法，而不是三次卷积法 ( 3 ) 研究采用的分幅处理的策略是可行的，它有利于提高土地利用动态监测的效率和精度。分 幅处理可以使多人在多台计算机上同时进行工作，提高了土地利用动态监测工作的效率，最大 误差为4 9 2 4 米，中误差为1 2 8 3 米可以保证土地利用动态监洳的精度。 ( 4 ) 所用的多项式用于跨带计算在小于5 x 5 个地形图分幅的范围内可以保证跨带坐标变换的 精度，但大于5 x 5 个地形图分幅，其精度就会降低。 关键词：土地利用动态监测，图形图像一体化，跨带计算 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i co fl a n du s ec h a n g ei n v e s t i g a t i o ni nt h ec o u n t y l e v e l ，t h es c e n a r i ot h a tc a r r y i n go u tl a n dr i s ed y n a m i cm o n i t o r i n gb yt h ei n t e g r a t i o no fg r a p ha n d i m a g ew a sp u tf o r w a r di nt h i ss t u d y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nh u a i r o n gc o u n t ya n dc h a n g p i n g d i s t r i c ts h o w e dt h a tt h i ss c e n a r i ow a sf e a s i b l e i na d d i t i o n ，p o l y n o m i a la p p r o x i m a t i o nm e t h o dw a s a d o p t e dt or e a l i z et h ec o o r d i n a t ec o u n t e r c h a n g ei nd i f f e r e n tb a n d ，a n dt h ec a l c u l a t i n gf o m a u l aw a s a l s od e d u c e di nt h i ss t u d y t h em u t u a lq u e r yb e t w e e ng r a p h ，i m a g ea n da t t r i b u t ew a sa c h i e v e db y s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tb a s e do nt h es o f t w a r em a p g i s t h er e s u l tw a ss u c c e s s f u l l yu s e di n t ot h e i n t e g r a t i o no f g r a p ha n di m a g e t h er e s u l t so f t h i ss t u d yw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i tw a sf e a s i b l et oc a r r yo u tl a n du s ed y n a m i cm o n i t o r i n gb yt h ei n t e g r a t i o no ft h eg r a p ha n d i m a g e t h i ss c e n a r i oc a ns h o r t e nt h ew o r kt i m e ，d e c r e a s et h ee r r o r , q u i c k e nt h es c h e d u l e ，r e d u c et h e c o s ta n di m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h ed a t a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si nh u a n r o n gc o u n t ya n d c h a n g p i n gd i s t r i c ts h o w e dt h a ti n v e s t i g a t i n gt h el a n du s ec h a n g eb yt h ei n t e g r a t i o no fg r a p ha n d i m a g ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fi n - t i m e ，p r e c i s i o na n dd y n a m i co fl a n du s ed y n a m i cm o n i t o r i n g ， a n di tc a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a lm e t h o d ( 2 ) d u r i n g t h eg e o m e t r i cc o r r e c t i o no f l ：1 0 0 0 0 t o p o g r a p h i c m a p t h e n e a r e s t n e i g h b o r m e t h o d w a s t h eb e r e rr e s a m p l i n gm e t h o d ，b u tn o tc u b i cc o n v o l u t i o nm e t h o d ( 3 ) t h em e t h o dt op a r t l yp r o c e s si m a g e sw a sf e a s i b l e ，i tc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no f l a n du s ed y n a m i cm o n i t o r i n g m a n yp e o p l ec a l lw o r ks i m u l t a n e o u s l y , w h i c hi n c r e a s e dt h ew o r k e f f i c i e n c y t h em a x i m u me r r o rw a s4 9 2 4 ma n dt h er o o tm e a ns q u a r ee r r o rw a s1 2 8 3 m w h i c h s h o w e dt h ep r e c i s i o nw a si m p r o v e d ( 4 ) t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so ft h ep o l y n o m i a lf o r m u l aa d o p t e dt oc a l c u l a t ei nd i f f e r e n tb a n dw e r e a c c u r a t ew h e nu s e dt o5 x 5p a r t e dt o p o g r a p h i cm a p ，i t sp r e c i s i o nw o u l dd e c r e a s ei ft h em a pw a s b i g g e rt h a n5 x 5p a r t e dt o p o g r a p h i cm a p k e yw o r d s ：l a n du s ed y n a m i cm o n i t o r i n g ，i n t e g r a t i o no f g r a p ha n di m a g e ，c r o s s b a n dc a l c u l a t i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 时间：年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 时间：年月日 时间：年月r 第一章前言 1 1课题的研究背景及意义 1 1 1 研究意义 土地是人类生存与发展的基础，耕地是土地的精华。我国人口众多、土地资源有限，现有 的耕地后备资源相对不足，随着人口的增长，人地之间的矛盾日益突山。据统计，我国耕地仅 占世界耕地的9 ，而人口却占世界人口的2 1 ，人口以每年接近1 的速度增长，耕地则以每 年o 2 的速度在减少，保护耕地、确保农业的可持续发展势在必行。 “十分珍惜和合理利用每寸土地，切实保护耕地”是我国的一项基本国策，为了准确的掌 握我国土地利用的现状，在原国家土地管理局的组织下，于1 9 8 6 1 9 9 , 4 年完成了全国县级土地 利用现状的调查工作，获取了东部1 ：1 万、西部1 ：5 万、部分地区1 ：1 0 万的土地利用现状 图，其后的变更调查是在土地详查成果的基础上，根据变更申报到现场勘察，在详查图上标绘 宗地变化的边界位黄、权属变化和土地利用类型的变化，填写土地变更登记表。这种传统的变 更方法费工、费财，有相当大的主观成分，数据的客观性与准确性受到限制，不能适时地进行 _ _ 卜地利用信息变更和规划方案调整，土地利用的现势性无法得到保证。因此“如何运用新的技 术手段进行土地利用动态监测、保证土地利用的现势性和准确性”是一个有意义的研究课题。 1 1 2 研究背景 进入2 l 世纪以来，空间信息技术有了前所未有的巨大发展。陆地资源卫星的地面分辨率 已有八十年代初期的3 0 m ，发展到当前的印度i r s ( 5 8 m ) ，美国的i k o n o s ( 1 m ) ，和以g p s 为代表的全球卫星定位技术的应用，给测绘界和空间信息用户带来了革命性的变化。把先进的 空间信息技术引入到新一轮土地利用变更调查中去，既是现代土地利用变更调查对新技术、新 方法发展的需要，又是地利用管理与决策部门及时快速准确地获取地利用动态变化信息的 需要。 随着遥感技术的发展光学、热红外和微波等大量不同卫星传感器对地观测的应用，获取 的同一地区的多种遥感影像数据，包括多时相、多光谱、多传感器、多平台和多分辨率的遥感 数据越来越多。与单源遥感影像数据相比，多源遥感影像数据所提供的信息具有冗余性、互补 性和合作性，如何从这些数据中提取比从单源数据中更丰富、更可靠、更有用的信息成为土地 利用动态监测中急需解决的问题，即信息融合问题。在信息融合中，各个不同来源遥感数据的 信息表示方法的优劣最终影响信息融合系统的各项性能指标。如何将遥感和地理信息、不同来 源的遥感信息融合、如何快速生成及更新遥感信息和地理信息系统是当前急需解决的问题。图 形图像一体化技术为解决这一问题提供了新的思路，该技术集成了遥感数据丰富的信息和地理 中国椒业大学硕士学位论文第一章前音 信息系统强大的空问分析和存储能力，使不同遥感数据、遥感数据与地理信息系统数据的集成 应成为可能。本研究在这种背景下，结合“北京市第二次十地详查项目”，对图形图像一体化 用于十地利用动态监测及其应用中存在的几个问题进行相应的探讨，本研究中所提到的图形图 像一体化主要是指土地利用动态监鼬中地理信恳系统数据与遥感数据的体化。 1 2 相关研究综述 1 2 ，1 国内外研究现状 自8 0 年代以来，信息复合技术得到了迅速的发展。信息复合技术已被广泛应用于计算机视 觉、| t 业检测、机器人智能和图像处理等诸多领域，其优势表现在：增加信息的利用率、提高 信息的可信度和精度、增强对目标物的检测与识别能力、扩展信息的时问和空间覆盖范围等。 近年来。信息融合引起了世界范围内的普遍关注，美、日、欧共体等发达国家和组织在一些重 大研究项目中实施了信息融合计划，并陆续开发出一些实用性的运行系统。为跟踪国际前沿， 我国政府也把信息融合技术列为与计算机技术、空同技术等高新技术- 井列的关键技术。 信息复合包括遥感图像间的复合以及遥感图像与地理信息系统间的复合，地理信息系统能 对地理资料进行空间储存、空间转换和空间分析。其特点在于不仅具有对空间资料进行预处理 和后处理的能力，而且具有对空间资料进行分析和展示的能力( 冯兆东，1 9 9 5 ) 。然而，把由现 有图件和数据库获取的大量土地利用数据或地表原始数据输入地理信息系统后，这些基本信息 源需要其它资料( 如人口和社会经济变化特征等) 的不断补充( k e n tm 等，1 9 9 3 ) 。地理信息 系统和遥感相结合可以在遥感处理过程中有效的利用地理信息系统的数据，并可把遥感处理 结果作为数据源来补充和修正地理信息系统数据( 支 j 震等，1 9 9 5 ) ；刘行华t 1 9 9 2 ) 研究了遥感、 地理信息系统和制图一体化实用技术方法，对黄土丘陵区和沙漠地区t m 数据进行了特征分析， 给出了分层分类和地理信息系统辅助分类结果经模糊推理和人机交互修改，据提“纯”的遥 感专题数据作为地理信息系统的动态信息源，对地理信息系统进行扩充与更新。杨一鹏等( 2 0 0 2 ) 用遥感数据找到土地利用变化区域，依靠g p s 精确定位，再利用g i s 平台进行空间数据组织、 分析、管理与可视化，分析了1 9 8 6 1 9 9 6 年鹿泉市土地利用动态的变化情况。燕琴等( 2 0 0 2 ) 对高分辨率( 1 r n ) 的多光谱i k o n o s 影像在土地利用变化动态监测中的应用方法进行了研究 试验，通过对结果的分析及与其它常规方法结果豹对比分析，提出了将多光谱i k o n o s 影像和 全色s p o t 影像叠加做主分量变换，然后选取适宜的特征分量进行假彩色合成的方法，来生成 光谱特征变异影像以突出变化信息，该组合方法不仅e 保持原有影像的丰富信息。而且可突出 变化信息，充分展示了( o n o s 影像的巨大应用潜力。 在国外，h a r r i s 、e h l e r s 等用s p o t 全色影像与多光谱影像、侧视雷达影像与多光谱影像 进行了研究与实验，通过融合处理来提高多光谱影像的清晰度，提出了依据像元、并通过映射 变换的较简单融合方法；m i c h a l a kw z ( 1 9 9 9 ) 根据地理信息系统在土地利用变化分析中的运 用讨论了遥感数据输入地理信息系统的可能性和实用性。提出了改善地理信息系绕中遥感数据 2 ：里坚些尘耋翟士兰竺兰；：j ：兰= 要i ：耋 的综合和分析的研究课题。a s p i n a l li u ( 1 9 9 9 ) 等利_ | = j 地理信息系统和遥感数据一体化技术绘 制了苏格兰l ：2 5 万土地利用与地表覆盖物图，为土地利用与十地利用规划提供了科学依据。 斯里兰卡监测局的遥感中心于1 9 9 9 年利用i r s i c 5 8 米遥感影像制作1 ：5 万的地图数据 ( w t g ) ；荷兰的国际空间测量与地球科学院也曾用遥感影像制作了l ：1 0 万的地图数据；美 国、西欧等发达国家也利用卫星遥感为泰国、墨西哥、肯尼等第三世界国家制作了中小比例 尺的士地利用图。遥感图像数据及其成果信息实际上已成为地理信息数据库中最活跃的信息种 类之一，这些方面的进展都说明了土地利用动态监测中图形图像一体化的科学性与可操作性。 1 2 2 本研究的主要问题及关键技术 本研究是在“北京市第二次土地详查”项目的支持下进行的，在县级土地利用变更调查中， 采用g i s 和r s 集成的方法进行土地详查，在专业图像处理软件e n v i 和地理信息系统软件 m a p g i s 的支持下，利用高分辨率遥感影像和现有土地利用现状图复合而成的影像地图，进行土 地利用现状调查。本研究主要是基于前人的研究成果，结合二次详查中工作的实际需求，以提 高十地利爿j 动态监测的精度、减少士地利用动态监测的工作量，方便管理的角度出发，探讨图 形图像一体化技术在土地利用动态监测中的应用。 图形图像一体化研究的主要内容包括不同时相、不同分辨率影像间的信息复台、影像数据 和g i s 数据间的复合、图形图像一体化应用于土地利用动态监测中的方法研究、面临的困难及 其解决的方法等，虽终找到一种合理的信息复合方法，以减少土地利用动态监测外业和内业的 工作量，提高土地利用动态监测的精度。本研究提出的图形图像一体化管理的方法对于减少十 地利用动态监测内、外业的工作量，提高士地利用动态监测的精度，缩短土地利用动态监测的 周期方面是很有意义的。 中国农业人学硕士学位论文第二章县级土地利用动态监测中图形图像一体化廊用方法的研究 第二章县级土地利用动态监测中图形图像一体化 应用方法的研究 2 1 图形图像一体化进行土地利用动态监测概述 十地利用动态监测中图形图像一体化应用主要是指高分辨率遥感影像资料经过数字图像处 理后，作为网格数据存入地理信息系统中，通过与其它信息的复合处理得到有效的应用。图形 图像一体化应用最终产品的表现形式为影像地图( 图2 - 1 ) 。影像地图是以遥感影像为基础内容 的一种地图形式，是根据一定的数学规则按一定的比例尺将地图信息和地理基础信息缩编到以 地球表面影像为背景信息的平台上，它不仅具有遥感多平台、多时相、多波段的特色及信息丰 富、现势性强、信息周期短、宏观动态性强的优势而且具有地理信息系统较高的空间数据管 理和灵活的空间数据综合分析能力( 赵振家，1 9 9 6 ) 。它体现了基本图形要素与遥感影像表现形 式上的统一。影像地图充分利用高分辨率遥感技术，增强了地图的现势性和动态分析能力，以 地形图作为其定位数据基础，以高几何分辨率印度卫星数据和t m 数据融合后的图像作为其背 景，不但类型边界明显，而且地物特征清晰，利于地貌、植被、水体、居民点以及土地利用和 覆盖类型等的识别及边界的确定，提高了土地利用变更调查的精度。 图2 1 影像地图 4 中国农业_ 人学硕士学位论文 第一章县级土地利用动态监测中图形图像一体化应用方法的研究 2 1 1 基础资料及数据处理 2 1 1 1 土地利用现状数据 第一次土地详查绘制了东部l ：1 万、西部1 ：5 万的十地利用现状图( 图2 - 2 ) ，为土地利 用变更调查提供了完整、可靠的资料，但随着经济的发展，土地利用格局不断发生变化。二次 详查的目标就是为了解决一次详查以来土地利用现状与现有数据滞后，特别是当前耕地和建设 用地面积不清的问题。通过此次详查工作，力求快速、真实、准确地摸清全市土地利用现状， 为十地利用总体规划、基本农田保护、十地评价、用地监察和执法检查工作服务，将土地管理 提高到一个新的水平。 图2 - 21 ：1 万的土地利用现状图图2 - 31 ；1 万的扫描地 | 毒图 2 1 1 21 ：1 万扫描地形图( 图2 3 ) 由于一次详查的土地利用现状数据存在一些问题，不能作为影像地图的定位数据基础，为 了保证土地利用动态监测的精度，采用配准后的扫描地形图作为影像地盈的定位数据基础。 2 1 1 3 遥感影像数据的选择和处理 遥感影像数据的选择 美国航天局在2 0 世纪6 0 年代发射了“雨云”等气象卫星和“阿波罗”等载人航天器用摄 影机拍摄了第一批地球卫星照片。经过长期准备，特别是对各种地物光谱特征和遥感图像数据 处理，分析判读技术的研究后，美国于1 9 7 2 年7 月2 3 日发射了第一颗地球资源卫星( i j r i s ) ， 专r j 从事地球资源遥感，直到1 9 9 9 年9 月2 4 日，美国发射了i k o n o s 商用卫星它的对地分 辨率为1 米。目前，遥感卫星已发展成为拥有气象、资源、雷达和海洋卫星等系列的卫星观测 系统，分辨率由1 0 0 0 m 、1 0 0 m 、2 0 m 、1 0 m 向i m 发展，现在在轨的民用遥感卫星近2 0 颗，己 获取了海量的地球观测数据( 徐冠华，1 9 9 6 ) 。鉴于土地利用动态监测的特点，所选的遥感影像 5 数据应满足f 列条件： ( 1 ) 噪声小，清晰度高；( 2 ) 最好在作物生长季节内，因为满足这两个条件的影像从光谱 上可以区分的土地利用类型是最多的。目前，可供选择的1 1 星遥感数据有：美国陆地卫星( t m ， 3 0 米) 、法国s p o t 卫星( 全色波段1 0 米) 、印度卫星( i r s 一1 c ，全色波段5 8 米) 和美国i k o n o s ( 全色波段1 米) 高分辨率卫星遥感影像数据。鉴于土地利用动态监测的精度要求及经济上的 考虑。本研究选用多波段的陆地卫星t m 数据( 图2 - 5 ，技术参数见表2 2 ) 与印度卫星i r s 1 c ( 图2 _ 4 ，技术参数见表2 - 1 ) 进行彩色融合的方案。( i k o n o s 卫星数据虽然定位精度上要高 t - i r s 1 c 。但其成本大约是印度卫星的2 0 倍左右，故不采用) ，利用t m 多波段影像与i r s 1 c 影像融合后的数据既有较高的几何分辨率，又有较高的光谱分辨率，类型边界明显，地物特征 清晰，利于地貌、植被、水体、居民点以及土地利用和覆盖类型等的识别及边界的确定，提高 了土地利用变更调查影像判读的准确性。 固2 4i r s i c 遥感图像 表2 - li r s 卫星主要技术参数 图2 - 5 t m 遥感图像 6 中国农业火学硕上学位论文 第一章县级土地利用动态监测中图彤图像一体化应用方法的研究 表2 - 2t m 卫星主要技术参数 遥感影像数据处理的相关理论 1 ) 遥感影像的几何校正 考虑到人气湍流、地表曲面、卫星平台姿态变化等多方面的影响，原始影像数据存在有非 线形的随机几何误差，因而需要几何校正。 图像中的几何畸变可以表示为图像上各象元的位置坐标与地图坐标系中目标地物坐标的差 异，所谓几何校正，就是对遥感图像上目标的空间分布进行地面实况的校正。几何校正的控制 点是在e n v i 软件的支持下通过人机交互产生的，校正转换公式为： jx c = a o + a l x + a e y + a 3 x y + a 4 x + a s y l 儿= 6 b + b l x + b 2 y + b 3 x y + b 4 x 2 + 玩y 2 “式1 式中a 。、a 、d b6 ，为校正系数，这些系数由控制点与影像上相应的同名点数据( 控 制点) 求解线性方程组得到。上述多项式中次数选择与所选控制点的数量有着密切的关系，理 论上，1 次多项式的控制点的数最不应少于3 个，2 次多项式的控制点的数据不少于6 个，3 次 多项式的控制点的数量不少于1 0 个，实际上为了保证较高的校正精度，控制点数至少为理论值 的3 倍。 把图像的变形看成某种曲面，地图格网是规则的平面。从理论上讲，任何曲面都能以适当 高次的多项式来拟合，式( 1 ) 为非线性几何校正，在校正后的输出地图坐标上设定正方格求山 格点上对应的图像数据，可是在该输出图像坐标系的格点上，对应的输入图像坐标通常不是整 数，多数情况下落入内个像元中间。因此必须进行重采样，重采样成熟的图像处理技术有：双 线内插法、最近邻域法与三次卷积法，最近邻域法是以距离插点最近的观测点的灰度值为所求灰 度值；双线内插法是用内插点周围的4 个观测点的灰度值进行线性内插得出所求点的灰度值； 而三次卷积则是用内插点周围的1 6 个观测点的灰度值，用三次多项式函数得出所求点的灰度 值。经反复试验比较，三次卷积法的效果最好，它的优点不仅使图像的亮度连续，几何上比较 精确，而且还能较好的保留高频部分。 7 2 ) 遥感图像的匹配 在遥感应瑗中，为了敷得蹇好粒应弼缓象，往往簧对上露医季露瓣稳、不嚣馋感嚣获撄弱 多种遥感数据进行综台研究。这就要求不同来源的图像互相匹配，即磷求同一地物的影像在不 同图像中的位置相互重髓。匹配分为两种方式：一是对不同来源的图像进行相互匹配一相对匹 配；二楚针对某一标准空间( 如地形幽) ，将不同来源的图像与之匹配绝对匹配a 从本质上来 谖，匹醚与凡谤校正一群，帮需要把菜鹜像菸为标壤，分辑萁它强豫程薅于蠢壤鬻弱变形， 然后用浆一能够反映这种j l 何变形的数据模型将其它图像全部校准到这一标准图像中来( 章孝 灿，1 9 9 7 ) 。 3 ) 直方嘲调整 室方潮是对图像每亮度闻隔淹德元猿数的统诗，蹙菠阕隔可入凳鞴定，嚣爵l 冀楚均匀的， 也可以怒不均匀的。图像的亮度直方图给出了该图像概貌的总的描述，如一幅图像的明暗状况 及对比度婚，通过直方i n - i 反映出来。一般情况f ，由于遥感图像的旋度分布集中程较窄的区 间，从两g | 起图像细节的模糊，为了馒图像细节清晰，舞使一些目标褥到突出，达到增强图像 雏舀鹄，可通过改造煮方圈静方法来实瓒。 4 ) 数据融合 遥感卫星影像记录了某一时间，菜一波长下的地表瞬间现状。不同的传感器由于其特殊性 只接述了耢究对象 鼋一个测嚣。所谓的信息融合是将不翔传感爨遥感影像数据源所提供静信息 貊醴综合，获墩更高臻艇静影像信息，黼时消除各静佟惑器闯静售纛踅余和矛蓐，秘滇互补， 增强图像中信息的清晰艘，提高解译精度、可靠性，从而形成目标相对完整一致的信息描述。 图像融合必须解决以几何纠正为基础的空间匹配问题，几何校正的目标之一就是使印度卫星数 据( i r s ，i c ) 鄂t m 数摄处于同一个地疆坐标中。印发翌星( 见图2 - 4 ，全色波段资辩) 几何 分辨率菇，可以识剐蹬魄物盼细节，砥t m ( 觅图2 - 5 ，多光谱资糕) 波段划分纲，帮所谓光谱 分辨率商，反映地物色调差异明显。如将这两种影像融合在一起，生成一幅彩色影像。就能发 挥各自的优势，充分挖掘各自的信息数据。影像融合通常有三种方法，h s i 变换法、b r o v e y 配 赋法与k - l 变换法。下蠢叛i r s 垂l t m ( 3 、4 、7 波段) 为铡分绍： h s i 变换法：根据哉废学理论，一个蒙元的颜色是融表色系统三个分量决定的，都色度( h ) 、 饱和度( s ) 和色彩强度( i ) ，这三个分量是各自独立的，而人的眼睛的色彩感知对色彩强度i 的分辩能力要比其它两个分量高，分辨如物体主要靠1 分量，因此可以将i r s 遥感影像全色波 段5 8 ，b 霉分辨率熬数攘遗孬对魄疫靛 串，壤箕获发豹筠毽与方差圈1 分量要求螺一羧，著躅 拉伸后i r s 灰度数据代替1 分量，持褥次反变换原来t m 遥感数据中的7 、4 、3 波段构成的 r g b 颜色表示系统中，缴成新的彩色图像。其优点是能把强度和颜饿有效分开，但感颜色有所 失真。 b r o v e y 交换法：瞧穆配斌法，它怒遴；雯归一诧蜃的t m 三个波段与嵩分辫率影像象积寒瑾 强影像的信息。其公式如下： p i = ( p 。+ ) ( s3+xs4+xs7 ) 冀巾，魏表示融会瓣第i 波段戆灰袭， 。l 表示i l l s * 1 c 全色波袋抟获度，x s 裘零第i 波 中国农业人学硕士学位论史第二章县级十地利用动态监测中图形图像一体化应用方法的研究 段的多光谱影像灰度。增强后的三个波段分别赋于r g b ，形成真彩色融合影像。其优点是色凋 良好，几乎完整的保持了原始影像的色调信息。 k l 变换法：k l 变换法与h i s 方法很相似，所不同的是它是利用k l 变换将t m 的7 、4 、 3 波段交换到三个互不相关的分量上，再用拉伸后的i r s 1 c 数据代替第一分量，再进行k l 反 变换，得到的三个波段分别赋于r g b ，形成真彩色融合影像。它所形成的图像色调也有所失真。 遥感影像数据的处理 遥感影像的处理是在专业遥感图像处理软件e n v i 和图像处理软件p h o t o s h o p 6 0 的支持下 进行的主要分为以下几个步骤： 以i r s 影像数据为基准的t m 影像数据的配准： 遥感图像的融合首先要解决的是不同图像数据间的空间匹配问题，以i r s 影像数据为基准 的t m 影像数据的配准就是为了使它们处于同一空间坐标下。数据配准应遵照以下几个方面的 原则：( 1 ) 所选的控制点在影像范围内均匀分布，即要保证图像范围的四角和中央位置都有控 制点分布，且控制点应是图像中的明显地物，如道路的交叉点、田块的边缘等；( 2 ) 一般地区 配准的误差不大于0 5 个像元，平原地区严格控制在0 5 个像元以内：( 3 ) 采用二次多项式校正 和三次卷积重采样。 t m 与i r s 数据融合 经过反复比较，我们采用h i s 变换法进行t m 与i r s 的数据融合。在融合前应对遥感数据 作直方图调整、数字滤波等处理，以防止融合影像有较大的嗓声。融合效果的检查采用目视检 查的方法，具体方法如下：( 1 ) 融合影像不应存在叠影现象；( 2 ) 融合影像整体亮度均匀、色 彩反差适中；( 3 ) 融合影像中不存在较大的噪声；( 4 ) 融合影像色彩信息尽可能丰富，这样可 提高影像的可判读性：( 5 ) 融合影像的色彩尽可能模拟天然彩色，一般情况下，城区为灰色， 水域为黑色或兰色，林地及有作物耕地为绿色等。 用士地利用现状图进行粗校正及1 ：1 万分幅切割 将融合后的影像数据以土地利用现状图为标准进行配准，配准后的影像咀1 ：1 万的分幅为 单位进行切割，将切割后的分幅影像作为工作基础图件。切割后的分幅影像有以下几个方面的 特点：( 1 ) 缩小了图像的大小( 一般为4 0 x 5 0 c m ) ，方便外业工作中图件的携带：( 2 ) 提高了 工作效率，以后的工作可以多人在多台计算机上同时进行。 扫描1 ：l 万地形图数据的配准 由于地形图数据是地形图图件经扫描后得到的，为了校止其扫描变形，同时使地形图具有 地理坐标，也要对其进行几何配准，它以公里网格的交点为其控制点进行几何配准，其校正结 果图件的误差应小于l 米，检查的措施是对校正结果的公里网格点坐标进行读取，因为公里网 格交叉点的理论值是己知的，这样就可以检查校正结果的精度。 遥感影像数据的分幅精校正 由于一次详查的数据存在一些闷题，不能作为影像地图的定位数据基础。我们采用扫描地 形图作为影像地图几何校正的定位数据基础。从前面所述的数字影像几何校正的原理可知，在 9 中国农啦丈学硕士学位论文 第二章县级地零j 瓣动态蓝测孛黧澎鹜像一 奉拖巍糟方法静研究 儿何纠正道程中每个像元都不可避免的要进行一次坐标变换的计算，而在实践中，奠纠正变换 函数往往楚复杂鹃蔽包耱较多戆瑶羲，这样对予犬嚣袄豹绸歪赘会耗费大量麴对闼，为了苇豹 时间，同时提高纠正的精度，我们采取分幅纠正的办法，鞲1 ：1 万盼北京市图幅棱合袭来切分 遥感影像，井用纠止后的1 ：1 万的扫描地形图分别对镣幅数字影像进行纠正，这个方法的合理 性是显而舄见的，正如一条连续的曲线可由一系列分段的直线来逼近样，此方法可以保证影 像逮萤耱发簿合蟪零l 鲻凌态蓝涮薛要袋。 为了保证同名点的精度，可以从以下几类地物中滤择作为地面控制点：( 1 ) 河流中桥的中 心点；( 2 ) 公路与公路、公路与铁路的交点；( 3 ) 偏遨地区路的交点( 4 ) 其它标忐性地物。所 选的控制点应保证在地形图与影像圈中存在且没有发生变化。 耩选控翱点应均匀努蠢在鹜像范弱国，且每个分壤控翻点懿数鼙不能少子| 5 个，尼偿校正 控制点避取时平原的误麓在一个像元以内，山区不趣 藏2 个像元。对于山区的图像控制点难以 寻找，可以采用几幅相邻图像拼合后校豇三的方法解决。几何校正仍采用多项式和三次港积重采 样。 影像溅赞生成 在软件的支持下，使图形图像数据疆由h 显示，形成影像地国。 掩饰出图 在p h o t o s h o p 软传中，擞标题、比铡尺、脚注等燕馋工雩# ，出鞫矧手内业预解译与抖业约 参考圈传。 圈2 - 6 影像地黉的生或过穰 1 0 罱 中国农业大学倾士学位论文第二章县级土地利用动态监测中图形图像一体化应用方法的研究 2 1 2 图形图像一体化技术用于土地利用动态监测的方案及其技术难点 2 1 2 1 图形图像一体化技术用于土地利用动态监测的方案 本研究所用的土地利用动态监测的方案是：用上述步骤生成的影像地图作为变更的依据， 通过目视解译的办法，找出地块形状发生变化或图斑地类属性不一致的地块，若遥感影像能清 楚的反映变化地块的变更边界和变更地类，则根据影像地图直接更新现有的土地利用现状数据 库，在外业中确认这些变化。如不能在内业中确认，则应在外业中实际测量。参照全国土地 资源现状详查内业技术规程，采用如下数据库更新方法： l 内业变更、出图i 兰；已 图2 7 图形图像一体化技术用于土地利用动态监测的方案 中国农业大学顾卜学位论文 第二章县级土地利用动态临测中图形幽像一体化施用方法的研究 2 1 2 2 图形图像一体化技术用于土地利用动态监测的技术难点及解决方法 影像地图的精度保证 由于一次详查数据相对于现有数据滞后，因此不能作为影像地图的定位基础，本研究中采 用1 ：1 万的扫描地形图( 配准误差小丁1 米) 作为影像地图的定位基础。几何校正时，每个分 幅的控制点数量在1 5 个以上，且均匀分布在影像范围内，平原地区其控制点误差控制在1 个像 元内，山区及丘陵区误差控制在2 个像元内，这种方法的优点是减小了图像的大小，多幅幽像 可以在多台计算机上同时进行提高了图像处理的效率同时还可以提高几何校正的精度。但 这种方法为后期的解译成果的拼接与合井带来了新的问题，如何减少拼接的丁作量是我们在影 像地图的生成过程中就应考虑的问题。解决这个问题的方法就是在几何校正时，在分幅影像的 边缘附近人为的多选控制点，减少它几何畸变的程度，从而减少拼接时的工作量。 1 ：1 万地形图几何校正时重采样方法的选择 地形图是影像地图的定位基础，它的精度直接影响到最终产品的质量。本研究中遥感影像 几何校正时重采样的方法多为三次卷积法，但在对地形图进行几何校正时，重采样方法如果采 用三次卷积法，地形图上的信息就会大量丢失( 图2 8 ) ，影响对遥感影像几何校正时地面控制 点的选取，这是因为扫描地形图为黑白二值图，它的灰度值只有0 和2 5 5 两个值，三次卷积重 采样是用内插点周围的1 6 个观测点的灰度值用三次卷积函数得出所求点的灰度值，因此它可 能为0 和2 5 5 中间的值，系统会自动将这些值并为0 或2 5 5 ，信息自然会大量丢失。经反复比 较，在对地形图进行几何校正时，用最近邻域法进行重采样效果是最好的( 图2 9 ) 。 图2 - 8 三次卷积法重采样得到的地形图 圈2 - 9 最近邻域法重采样得到的地形图 表2 - 3 三次卷积法与最近邻域法结果比较 1 2 。笔童兰裂昱慧竿黧蓼茗釜羹桨蓑毒籍嚣? 蓑禁篓嚣蓑警嚣慧 燮苎黧燃黧竺鬈糕嘉淼蒸裁淼嚣黼_ 襞氅髦黧：阜鬈冀篓；凳凳冀筹黧，在嚣器薹篇芏：6 蓄蒜茹美文 等兰慧挈的慧篙羹麓毛冀墨麓淼? 凳薹麓曩雯磊王导主呈若姜箍赢 燮开芝，黧萎辔豢淼淼糍篓獬薹鬟 茹澎 塑驾篡平黧霎登蓑：耄雯黧毳篡罂皇羹誊嚣磊? 薹喜篓篙蓑蒜蒜菇轰 要一慧鬣篇意絮翳鬻需嚣磁嚣拦畔阡“。 同一位置上的线与弧段分离当这种分离大于o 1 “啊瓤蛤纵班”2 。 固2 1 0 节点平差示意图 一戮鬟黧麓嚣耄鋈慧装鬈鬈篇搿篙蓑 蒙嬲黑：篆豢絮嚣燃黧嚣赋辜罴箫数蒜淼 竺苎慧军毳掣嚣龛军凳慧枭：纂状黧蓊淼箸器器篡，决芸磊i 8 篡 黛望黧纛戮喜萼巢茎翟篇黧淼篇淼誊茹嘉 黧銮奎氅轰嚣黧鬟：差慧笔兰? 麓篙嚣罢冀焉荐罴 燃篓裟然毒紫裟篆罴嚣荔淼羞筹鬟”蓉磊蒿 萎訾篓黧警篓娄= 笺零昙慧簏：零篙嚣鬈警篙笋翟根嘉嘉茹茹 黧黧个篡徽黧茎篡蒜搿淼鬈嚣翟淼嚣 和面积统计时，可能会出现问题；二是改变属性厍缔构瑁目口弟一仪脯于镊。“1 8 7 。耋登是琶军篡二篙冀霎篙，蓑蓑篇妻筹? 鬟茭裟妻夏慧凳霎芸誊篙鐾荔霎茬 翟篓霉慧士黧慧籍篓嚣i ，出萎嘉淼，鬈凳罢篇蓊釜蒸磊芸 祭瀑冀慧嚣豁鬻嚣 g g x ? 患詈篇搿淼荔基 式不仅对判读人员要求较高，而且判读的工作量也非 哒网恩广里”“。”1 “。 监测技术的推广。根据这种情况，程昌秀( 2 0 0 1 ) 提出了一种g i s 与r s 一体化的变更地块判 别方法。参考遥感图像常规分类技术利判别方法的思想、算法和理论，根据土地利用变更地块 识别应用的特殊性对算法做了相应的改造。将土地利用变更地块的识别变通成对标准地类的识 别，同时引入“落入”、“误判高发区”的概念以降低变更地块的漏判率。并根据此算法基于t i t a n g i s 平台开发了3 s l u c s 软件，对任一随机试验平均2 5 4 的漏判率和5 2 5 的误判率使该软 件可基本代替土地利用动态监测中人工判读的工作，从而减少了人工判读的工作量。 2 2 图形图像一体化技术用于土地利用动态监测的技术可行性 根据上述所讨论的方案，我们在怀柔、昌平做了试点工作，完成了怀柔、昌平两地的土地 利用动态监测工作。下面以试点的工作为例介绍图形图像一体化技术在土地利用动态监测中的 具体应用。 2 2 1 图形图像一体化技术用于土地利用动态监测概述 图形图像一体化在试点区的应用主要分以下三步： ( 1 ) 内业预变更内业- ：作人员以影像地图为基础，在软件的支持下对影像地图进行预变更 对于在影像地图上能够清晰判别的土地利用变更情况，直接在土地利用现状图上修改、标明， 然后打印预变更的成果，供外业工作人员参考。 ( 2 ) 外业实测外业工作人员根据内业预变更成果到实地进行测量，把测量结果转绘到图上 同时填写外业工作手薄，以供内业工作人员修改土地利用数据库用。 ( 3 ) 内业变更内业工作人员根据外业成果图和外业手薄变更土地利用现状数据库。 2 2 2 图形图像一体化技术用于土地利用动态监测的技术可行性 本研究在试点区以g p s 测量点坐标为“真值”检查该方法的可行性，g p s 测量值作为“真 值”的首要条件是g p s 必须达到一定的精度，本研究中采用是t r i m b l e 公司的g e o i i i 型接收机， 它采用后差分处理的方式时的精度可达亚米级本研究以实际的测绘点检测g p s 测量值的精度 ( 见表2 - 4 ) 。遥感影像的分辨率为5 8 5 8 米，由表2 - 4 可以看出，g p s 测量值与标准测绘点 的最大误差为1 8 3 7 米，小于遥感图像半个像元的误差，因此它可以作为遥感图像目视解译的 “真值”。检测的方法首先是在影像地图上标注出待测地物，然后用g p s 进行实地测量。 图形图像一体化用于土地利用动态监测的误差如表2 - 5 所示，本研究所用方法进行土地利 用动态监测，其点位位移的最大值为4 9 4 2 米、中误差为1 2 8 3 米，北京市第二次土地详查要求 的精度平原区为5 米因此它的精度可以满足第二次土地详查的精度要求，这种方法用于十地 利用动态监测是可行的。 4 中围农业大学硕上学位论文第二章县级土地利用动态监测中图形图像一体化应用方法的研究 2 2 2 1 以g p s 为“真值”的可行性 表2 _ 4g p s 所测数据与标准测绘点的误差比较( 单位：m ) 点号g p s _ x g p sy 测绘点一x测绘点一y 误差x误差y点位移 2 2 2 2 误差比较 表2 - 5 本文所用方法与g p s 所测值之间的误差比较( 单位：m ) 点号 g p s _ xg p s _ y 影像一x 影像y 误差x 误差y位移 最大值 最小值 3 9 4 7 0 5 5 33 8 74 4 4 0 2 0 3 0 2 93 9 4 7 0 5 5 5 2 2 24 4 4 0 1 9 94 2 6l8 3 5 36 0 34 0 4 3 3 9 4 7 8 1 8 7 4 2 54 4 3 9 4 8 1 5 1 73 9 4 7 8 1 8 6 0 0 44 4 3 9 4 8 0 9 2 314 2 105 9 415 4 0 3 9 4 7 7 2 6 5 4 7 94 4 4 0 8 2 0 5 8 53 9 4 7 7 2 6 60 0 44 4 4 0 8 2 39 2 30 5 2 533 3 833 7 9 3 9 4 7 7 6 3 4 5 4 34 4 3 9 5 2 9 8 7 23 9 4 7 7 6