綜合應(yīng)用一：基于遙感的自然生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

1、遙感應(yīng)用實(shí)習(xí)報告班級：小組：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)老師：測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二零一七年一月遙感應(yīng)用實(shí)習(xí)是遙感原理與應(yīng)用與遙感圖像處理課后進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)，是進(jìn)一步理解、 掌握遙感影像處理理論的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。遙感信息是測繪、資源調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、 災(zāi)害評價等諸方面應(yīng)用的主要數(shù)據(jù)源。各個部門對遙感專業(yè)人才的需求也日益凸顯， 遙感作為一門技術(shù)性很強(qiáng)的專業(yè)，加強(qiáng)實(shí)習(xí)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)是非常必要的。一、教學(xué)目標(biāo)和基本要求實(shí)習(xí)要求學(xué)生能進(jìn)一步理解遙感圖像的含義、遙感圖像的表達(dá)及對遙感圖像的基本操作， 能獨(dú)立設(shè)計或應(yīng)用遙感圖像處理軟件進(jìn)行目的驅(qū)動的專題操作。因此，要求每個學(xué)生都必須認(rèn)真對待，并保質(zhì)保量完成實(shí)習(xí)任務(wù)，不得馬虎敷

2、衍。希望通過本次實(shí)習(xí)達(dá)到以下幾方面的目的：1 掌握遙感圖像處理軟件的基本使用方法；2 會使用遙感圖像處理軟件進(jìn)行遙感影像的處理操作，掌握遙感影像處理的一般流程和步驟方法；3 能夠基于所學(xué)的遙感原理及其圖像處理的相關(guān)理論知識，結(jié)合遙感圖像處理軟件解決實(shí)際工程的應(yīng)用問題，能夠進(jìn)行方案設(shè)計、 處理并分析數(shù)據(jù)并通過信息綜合得到有效的結(jié)論；4通過提高部分的練習(xí)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，提高學(xué)生適應(yīng)社會發(fā)展的能力；5通過實(shí)習(xí)加強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解與掌握。二、實(shí)習(xí)地點(diǎn)固定教室 2 教 304。三、時間內(nèi)容和時間安排序號內(nèi)容日程安排1 基礎(chǔ)部分自定義坐標(biāo)系、幾何校正、正射校正、圖像鑲嵌、圖像融合

3、、圖像裁剪、圖像分類及后處理、動態(tài)監(jiān)測2016/12/26-2016/12/272 提高部分高光譜分析、目標(biāo)探測與識別、植被分析工具、地形可視化與分析、波段與波譜運(yùn)算、輻射定標(biāo)與大氣校正、面向?qū)ο髨D像分類、立體像對dem 提取2016/12/28 -2016/12/30 3 中期考核針對已學(xué)習(xí)內(nèi)容抽題考核2017/01/03 4 綜合部分基于遙感的自然生態(tài)環(huán)境監(jiān)測2017/01/03 -2017/01/05 基于遙感的草原與沙漠化監(jiān)測基于 modis 數(shù)據(jù)氣溶膠遙感監(jiān)測基于環(huán)境小衛(wèi)星的湖泊水質(zhì)遙感監(jiān)測林冠狀態(tài)遙感動態(tài)監(jiān)測5 整理實(shí)習(xí)相關(guān)內(nèi)容和提交成果2017/01/06 基于遙感的自然生態(tài)環(huán)境

4、監(jiān)測目錄基于遙感的自然生態(tài)環(huán)境監(jiān)測. 1 目錄 .1 摘要 .2 背景.3 1 數(shù)據(jù)獲取 .4 1.1 自定義坐標(biāo)系 4 1.2 正射糾正 4 2 預(yù)處理 .4 2.1 圖像配準(zhǔn) 4 2.2 圖像融合 4 3 生態(tài)因子生成 .4 3.1 大氣校正 4 3.2 植被坡度計算.4 3.3 土壤指數(shù)計算 .5 3.4 坡度計算 .5 3.5 自然生態(tài)因子歸一化 .5 4 生態(tài)環(huán)境評價 .5 5 總結(jié).6 摘要：自然生態(tài)環(huán)境是指存在于人類社會周圍的對人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生直接或間接影響的各種天然形成的物質(zhì)和能量的總體，是自然界中的生物群體和一定空間環(huán)境共同組成的具有一定結(jié)構(gòu)和功能的綜合體，且未受人類干擾

5、或人扶持， 在一定空間和時間范圍內(nèi)依靠生物及其環(huán)境本身的自我調(diào)節(jié)來維持相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。典型的自然生態(tài)系統(tǒng)有森林、草原、荒漠以及海洋生態(tài)系統(tǒng)，還有介于水陸之間的濕地生態(tài)系統(tǒng)。中國的地理地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多樣，不適合人類居住的國土比重偏高，自然生態(tài)條件相對惡劣。占52% 的國土面積是干旱、半干旱地區(qū)，90% 的可利用天然草原存在不同程度的退化，沙化、鹽堿化等中度以上明顯退化的草原面積約占半數(shù)。極度脆弱的自然環(huán)境給中國生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)帶來巨大的挑戰(zhàn)。與此同時，中國是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，災(zāi)害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高，對人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展構(gòu)成重大威脅。在社會發(fā)展過程中，過于

6、追求經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)創(chuàng)新，對環(huán)境保護(hù)重視度不夠。特別是前些年在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中往往以犧牲環(huán)境資源作為代價，這也導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境受到較大的破壞， 其所產(chǎn)生的負(fù)面影響也開始不斷顯現(xiàn)出來。近年來國家對生態(tài)環(huán)境問題越來越重視，為了加強(qiáng)對環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，確保生態(tài)系統(tǒng)平衡發(fā)展，則需要做好生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作，實(shí)現(xiàn)社會的健康、持續(xù)發(fā)展。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強(qiáng)，環(huán)境監(jiān)測工作越來越重要，其作為環(huán)境保護(hù)工作中非常重要的一個環(huán)節(jié)，通過對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測， 能夠有獲得重要的數(shù)據(jù)資料， 以來引對環(huán)境質(zhì)量及受污染程度進(jìn)行判斷，從而為相關(guān)部門制定政策及開展環(huán)境保護(hù)工作提供重要的依據(jù)。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測主要是利用各種生態(tài)學(xué)方法和手段來監(jiān)

7、測生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能，通過對生態(tài)條件及變化因素進(jìn)行分析，從而有效的反映環(huán)境壓力及環(huán)境變化的趨勢。相較于城市環(huán)境衛(wèi)質(zhì)量監(jiān)測及工業(yè)污染監(jiān)測，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測具有自身的獨(dú)特性。主要是對人類活動對人類所處的生態(tài)環(huán)境的綜合影響進(jìn)行監(jiān)測，以草原、濕地、湖泊、海洋、森林、農(nóng)田、氣候及動植物等作為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的對象。 可以說生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是在環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 以環(huán)境監(jiān)測的理論和實(shí)踐作為其發(fā)展的重要基礎(chǔ)。通過生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能夠?yàn)楦顚哟蔚沫h(huán)境管理和決策部門服務(wù)，從而制定出生態(tài)環(huán)境規(guī)則及生態(tài)設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的有效保護(hù)。關(guān)鍵字：自然生態(tài)環(huán)境生態(tài)環(huán)境監(jiān)測背景：利用（湖北襄樊市部分區(qū)域） 10 米的 sp

8、ot 和 tm 融合影像， 提取相關(guān)生態(tài)因子，應(yīng)用較成熟的自然生態(tài)環(huán)境評價模型完成整個自然生態(tài)環(huán)境評價流程。專題涉及很典型的數(shù)據(jù)預(yù)處理 （正射校正、 圖像配準(zhǔn)、圖像融合、大氣校正等） 、植被覆蓋度計算、地形因子提取、土壤指數(shù)計算等內(nèi)容。 除了使用 envi 主模塊功能外，還需要用到大氣校正擴(kuò)展模塊中的快速大氣校正工具（quac ） 。主要的技術(shù)流程圖如下：第一步：正射糾正全色影像第二步：多光譜與全色影像配準(zhǔn)并融合，得到較高分辨率的多光譜影像第三步 ;生態(tài)因子生成第四步：生態(tài)環(huán)境評價大氣校正定義北京54 坐標(biāo)系spot panl1 數(shù)/dem 數(shù)據(jù)圖像配準(zhǔn)歸一化模型圖像融合tm 影像工程區(qū)粗裁剪

9、工程區(qū)矢量土壤指數(shù)計算自然生態(tài)因子歸一化工程區(qū)影像圖像裁剪坡度計算dem 數(shù)植被蓋度計算正射糾正指數(shù)評價法確定評價方法自然生態(tài)環(huán)境評價圖一、 數(shù)據(jù)獲取以 spot10 米全色數(shù)據(jù)和tm30 米多光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。1.1 自定義坐標(biāo)系：常用到的地圖坐標(biāo)系地理坐標(biāo)系和投影坐標(biāo)系。地理坐標(biāo)系是以經(jīng)緯度為單位的地球坐標(biāo)系統(tǒng)， 投影坐標(biāo)系是利用一定的數(shù)學(xué)法則把地球表面上的經(jīng)緯線網(wǎng)表示到平面上， 屬于平面坐標(biāo)系。 因?yàn)樵搮^(qū)域所用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是北京54 坐標(biāo)系，自定北京54 坐標(biāo)系。在envi 中自定義坐標(biāo)系分三步：定義橢球體、基準(zhǔn)面和定義坐標(biāo)參數(shù)。1.2 正射糾正對高分辨率的全色影像進(jìn)行正射糾正，全色影像是

10、10 米的 spot pan 數(shù)據(jù)，以 drg 作 為控制點(diǎn)的選擇源，打開相關(guān)文件，啟動正射糾正工具，選擇控制點(diǎn)，輸出結(jié)果。二、數(shù)據(jù)預(yù)處理2.1 圖像配準(zhǔn)以 spot pan 正射糾正結(jié)果作為基準(zhǔn)影像， 對 tm 影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)； 打開 le71240382002245edc01_subset.img 和 spotpan-orth.img 文件并顯示。打開幾何校正模塊， 選擇顯示spot 文件為基準(zhǔn)影像（base image ） ， 顯示 tm 文件為待校正影像（ warp image） ，采集地面控制點(diǎn)，選擇一定數(shù)量的控制點(diǎn)之后（至少 3 個） ，可以利用自動找點(diǎn)功能?？偟膔ms 值小于

11、1 個像素時，完成控制點(diǎn)的選擇。設(shè)置校正相關(guān)參數(shù)。輸出校正結(jié)果。2.2 圖像融合用工程區(qū)矢量數(shù)據(jù)（湖北襄樊市部分區(qū)域）分別裁剪spot 和 tm 影像，對裁剪結(jié)果進(jìn)行圖像融合，得到工程區(qū)域 10 米的多光譜影像。將低分辨率的多光譜影像與高分辨率的單波段影像重采樣生成成一副高分辨率多光譜影像遙感的圖像處理技術(shù)，使得處理后的影像既有較高的空間分辨率，又具有多光譜特征。 圖像融合除了要求融合圖像精確配準(zhǔn)外，融合方法的選擇也非常重要， 同樣的融合方法在用在不同影像中，得到的結(jié)果往往會不一樣。三、生態(tài)因子生成結(jié)合現(xiàn)有資料情況，并依據(jù)評價指標(biāo)選取的原則，選取植被、土壤、地形三個最基本的要素作為評價區(qū)域自然

12、生態(tài)環(huán)境的生態(tài)因子。以“植被蓋度”和“土壤指數(shù)”作為植被和土壤的生態(tài)因子，“坡度”作為地形因子。植被蓋度和土壤指數(shù)采用前人研究成果， “坡度”是基于 dem 計算獲取。統(tǒng)一將這些生態(tài)因子進(jìn)行歸一化處理。為了更加精確地從影像中提取生態(tài)因子，增加圖像大氣校正環(huán)節(jié)。3.1 大氣校正這個過程使用 envi 中的快速大氣校正工具完成， 這個工具的大氣校正結(jié)果一般是基于物理模型精度的15% 。如果這個步驟需要用到 flaash 工具以提高校正精度，在幾何校正之前就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳感器定標(biāo)。 打開“. 4- 快速大氣校正 sub-tm-spot-gs.img”和“襄樊部分地區(qū)矢量邊界.shp ”，利用矢量區(qū)

13、域生成掩膜文件進(jìn)行大氣校正，分別顯示大氣校正前和大氣校正后的圖像，對大氣校正前后圖像波譜曲線的對比分析。3.2 植被蓋度生成根據(jù)實(shí)際情況，植被對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度，依據(jù)植被的覆蓋度分為 10 級 ， 覆 蓋 度越 大 編 碼 值 越 大 。 植 被 覆 蓋 度 是 根 據(jù)ndvi 估 算 模 型 ：fc=(ndvi-ndvimin)/(ndvimax-ndvimin) 其 中ndvi 是 歸 一 化 指 標(biāo) 指 數(shù) ，ndvimax 表示區(qū)域最大 ndvi 值，ndvimin 表示區(qū)域最小的 ndvi 值。3.3 土壤指數(shù)生成土壤的組成與土壤侵蝕等現(xiàn)象息息相關(guān)，這里采用的是裸土植被指數(shù)作為

14、土壤因子，同樣將裸土植被指數(shù)值劃分為 10 級，如果質(zhì)量越好編碼值越大。土壤指數(shù)利用模型裸土植被指數(shù)模型： grabs = vi-0. 09178 bi+ 5. 58959。 vi 和bi 分別為穗帽變換的綠度指數(shù)和土壤亮度指數(shù)。bi 和 vi 指數(shù)可分別用來評價裸土和植被的行為，vi 指數(shù)與不同植被覆蓋有較大的相關(guān)性，土壤亮度對植被指數(shù)有相當(dāng)大的影響， 裸土信息變化的主要部分是由它們的亮度造成的，故由 bi 和 vi 線性組合形成的裸土植被指數(shù)能很好地反映土壤的裸露情況。3.4 坡度生成利用 dem-10m.img 數(shù)據(jù)文件進(jìn)行坡度生成。5.5 生態(tài)因子歸一化坡度對水土流失影響最大。 一般情

15、況下，侵蝕量和坡度成正相關(guān)，將工程區(qū)劃分 10 級坡度 類型，按坡度越低越有利于土地資源利用的原則，較低的坡度區(qū)賦予較高分值。 各指標(biāo)的量化分值依其對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度，采用統(tǒng)一順序原則，即按照它們對生態(tài)環(huán)境正向影響的大小，從高到低分為若干級，對環(huán)境質(zhì)量貢獻(xiàn)越大，編碼值越大，反之則編碼值越小。各個參評因子數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化化后是一組反映其屬性特征的數(shù)值，其值介于 11 0 之間。四、 生態(tài)環(huán)境評價自然生態(tài)環(huán)境評價的方法很多，但公認(rèn)的、常用的方法只有幾種，如指數(shù)法與綜合指數(shù)法、特爾斐法、景觀生態(tài)學(xué)法、評分迭加法等。結(jié)合實(shí)際情況，本專題選擇的是簡單實(shí)用的指數(shù)法與綜合指數(shù)法。選擇的評價模型是指數(shù)法與

16、綜合指數(shù)法： e=w1 *sv+w2 *ss +w3 *st 這里使用權(quán)重值為： w1=0.7 ，w2=0.2 ，w3=0.1 ，根據(jù)每個因子貢獻(xiàn)量大致估算的權(quán)重。用掩膜文件處理背景區(qū)域， 得到的環(huán)境評價結(jié)果是一個單波段的灰度圖像，我們進(jìn)一步分成 4 個環(huán)境級別，評級等級綜合評價指數(shù)說明優(yōu) 910 自然生態(tài)環(huán)境基本未受到破壞，生態(tài)結(jié)構(gòu)合理、穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復(fù)能力很強(qiáng)。良 69 自然生態(tài)環(huán)境基本未受到破壞，生態(tài)結(jié)構(gòu)比較合理、穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復(fù)能力較強(qiáng)。中 46 自然生態(tài)環(huán)境基本受到破壞，生態(tài)結(jié)構(gòu)基本合理、穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復(fù)能力較弱。差 14 自然生態(tài)環(huán)境

17、破壞嚴(yán)重， 生態(tài)結(jié)構(gòu)不合理， 生態(tài)系統(tǒng)自身功能和自我恢復(fù)能力很弱。從統(tǒng)計結(jié)果看，評價指數(shù)在49 范圍內(nèi)占大多數(shù)（近88%） ，說明該地區(qū)大部分區(qū)域的自然生態(tài)處于良好和一般狀態(tài)；有大于22%綜合評價處于優(yōu)秀，大部分集中在平原且耕地作物長勢較好以及森林腹地； 還有 12%綜合評價處于很差， 其中水域部分占了大部分，其余主要集中在居民地、交通用地區(qū)域。五、 總結(jié)通過自定義坐標(biāo)系，對高分辨率的全色影像進(jìn)行正射糾正，全色影像是10 米的spot pan 數(shù)據(jù)，以drg 作 為控制點(diǎn)的選擇源。以spot pan 正射糾正結(jié)果作為基準(zhǔn)影像，對 tm 影像進(jìn)行圖像配準(zhǔn)；用工程區(qū)矢量數(shù)據(jù)（湖北襄樊市部分區(qū)域）分別裁剪spot 和tm 影像，對裁剪結(jié)果進(jìn)行圖像融合