地理信息系統(tǒng)原理與方法結(jié)課論文

1、. 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4495123591.國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc449512359 h 1HYPERLINK l _Toc4495123601.1國研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc449512360 h 1HYPERLINK l _Toc4495123611.2國外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc449512361 h 2HYPERLINK l _Toc4495123621.3國外研究面臨的問題 PAGEREF _Toc449512362 h 2HYPERLINK l _Toc4495123632.所需要的數(shù)據(jù) PAGE

2、REF _Toc449512363 h 2HYPERLINK l _Toc4495123643.研究思路和方法 PAGEREF _Toc449512364 h 2HYPERLINK l _Toc4495123653.1研究思路 PAGEREF _Toc449512365 h 2HYPERLINK l _Toc4495123663.2研究方法 PAGEREF _Toc449512366 h 2HYPERLINK l _Toc4495123674.結(jié)論和展望 PAGEREF _Toc449512367 h 2HYPERLINK l _Toc449512368參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc449

3、512368 h 2基于GI技術(shù)的海岸線提取研究綜述報(bào)告(地球信息科學(xué)與技術(shù)064141班，時(shí)，2201410081)摘要：地理信息系統(tǒng)作為一門集計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息學(xué)、地理學(xué)等多門科學(xué)于一體的新興學(xué)科，正以其實(shí)用性、科學(xué)性深入到各行各業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域，也即將成為人們的日常生產(chǎn)和生活必不可少的一局部。本文在總結(jié)地理信息系統(tǒng)開展歷程的根底上，簡要地談了談地理信息系統(tǒng)的開展前景，以使更多的人了解地理信息系統(tǒng)的開展，關(guān)注地理信息系統(tǒng)的未來。岸線是地表最為獨(dú)特的特征，也是海岸最古老和直觀的表現(xiàn)形式?！鞍毒€位置shoreline position被國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)IUGS指定為 27 個(gè)全球性地質(zhì)指標(biāo)Geoi

4、ndicator之一1。岸線分析是研究海岸系統(tǒng)演變的根本方法和重要容。因此利用GIS技術(shù)對(duì)海岸線進(jìn)展考察研究及其應(yīng)用可以到達(dá)方便準(zhǔn)確跟高效率的要求，進(jìn)一步拓展GIS的研究特別是在延伸海岸線方面的深入是形式所迫切要求的。本文從前人對(duì)GIS在海岸線方面具體考察研究為例，總結(jié)前人的研究方法和結(jié)果。關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng)；海岸線；岸線分析1.國外研究現(xiàn)狀1.1國研究現(xiàn)狀我國的GIS研究工作開場(chǎng)于20世紀(jì)80年代初，以1980年中科院遙感應(yīng)用研究所成立全國第一個(gè)地理信息系統(tǒng)研究室為標(biāo)志J縱觀其開展歷程，也可以歸納為四個(gè)階段：籌備階段(19781980)、起步階段(1980l985)、開展階段(1985l9

5、95)、產(chǎn)業(yè)化階段(1996年以后)。而我國地理信息系統(tǒng)在海岸線方面的應(yīng)用始于開展階段到產(chǎn)業(yè)階段期間，近年來 , 分形理論無論在數(shù)學(xué)根底還是在應(yīng)用方面都有快速開展 , 并且在眾多學(xué)科領(lǐng)域中取得令人矚目的成功應(yīng)用分形理論研究中國海岸線性質(zhì)已有不少論述。但到目前為止,對(duì)于海岸線模擬、海岸線分維以及海岸線長度這三種根本性質(zhì),眾多學(xué)者往往只針對(duì)其中一個(gè)進(jìn)展研究 ,尚未見到將這三種根本性質(zhì)進(jìn)展綜合研究。這是由于我國GIS在海岸線方面開展時(shí)間比擬短暫，在*些方面限于技術(shù)人才延伸深度的有限，由此仍存在極大考驗(yàn)。同樣雖然起步較晚,但是有后發(fā)優(yōu)勢(shì)可以少走彎路,以比擬高的起點(diǎn)開展GIS的理論研究和開發(fā)應(yīng)用工作。在

6、我國,GIS幾乎進(jìn)入所有與空間信息相關(guān)的領(lǐng)域,在海岸線方面的具體方面也比擬全面，利用GIS分析海岸線地理信息而催生的獨(dú)立產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成。在我國利用GIS的沿海資料市場(chǎng)需求旺盛,軟件迅速開展,應(yīng)用不斷成熟,專業(yè)公司快速成長。同時(shí)國家鼓勵(lì)高新技術(shù)開展的政策將鼓勵(lì)GIS在海岸線研究方面的開展。為沿海的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化、軍事等方面帶來更多的便利和效益。1.2國外研究現(xiàn)狀國外地理信息系統(tǒng)的開展分為以下幾個(gè)方面：開拓階段(20世紀(jì)6O年代)、穩(wěn)固階段(20世紀(jì)70年代)、突破性階段(20世紀(jì)80年代)、社會(huì)化階段(20世紀(jì)90年代)。而具體應(yīng)用于海岸線則處于穩(wěn)固階段到突破性進(jìn)展階段。比我國的開場(chǎng)時(shí)間相對(duì)較早，

7、同時(shí)在人才、設(shè)備、科技等方便也比擬有利。例如Boak等對(duì)岸線的定義和監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)展了總結(jié)和評(píng)述，指出目前面臨的挑戰(zhàn)是完善岸線指標(biāo)特征定量和基于過程的理解，以及岸線指標(biāo)與自然水陸界限的空間關(guān)系。Gens對(duì)利用遙感技術(shù)提取和監(jiān)測(cè)岸線的有關(guān)技術(shù)方法做了較為詳細(xì)的研究，認(rèn)為相關(guān)技術(shù)的開展已趨成熟，可以為更復(fù)雜的海岸監(jiān)測(cè)場(chǎng)景所效勞。1.3國外研究面臨的問題1人才問題2認(rèn)識(shí)問題3數(shù)據(jù)質(zhì)量問題4平安問題5網(wǎng)絡(luò)通訊建立不同步等問題2.所需要的數(shù)據(jù)光學(xué)影像、 SAR影像、 LiDAR數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。具體例如地形圖、海圖、航片和衛(wèi)片等。例如在文章“基于遙感和 GIS的省海岸線時(shí)空變化“中，Landsat MSS/

8、TM/ETM+影像作為數(shù)據(jù)源，時(shí)間跨度為1973年至 2012年。所有的 Landsat影像數(shù)據(jù)都從美國地質(zhì)調(diào)查局USGS得來。大局部數(shù)據(jù)是經(jīng)過準(zhǔn)確幾何校正和地形校正的 L1T 級(jí)Level 1T產(chǎn)品。假設(shè)無必須的地面控制點(diǎn)或高程數(shù)據(jù)，則被處理成 1G級(jí)產(chǎn)品或 1Gt級(jí)產(chǎn)品。而在“基于 RS、 GIS 集成技術(shù)的黃河三角洲海岸線變遷研究“一文中提到RS影像數(shù)據(jù)是本課題研究的主要數(shù)據(jù)源包括幅28幅陸地衛(wèi)星 MSS和 TM影像數(shù)據(jù)1976-2004 年，其中1985年以前數(shù)據(jù)類型為 TM7，波段，地面分辨率 30m；圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過輻射校正、幾何校正和噪聲去除后，采用空間域處理和頻域處理的方法對(duì)上述圖

9、像進(jìn)展增強(qiáng)處理，然后，選用適宜的近紅外波段，定出水體與陸地分界閥值，從而區(qū)分出水體與陸地。3.研究思路和方法3.1研究思路1數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理。數(shù)據(jù)的獲取和預(yù)處理是研究的準(zhǔn)備和前提，數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確度也是研究精度甚至是否能夠加以加以進(jìn)一步應(yīng)用的決定性要要素。預(yù)處理能夠提取有效信息，減弱無效甚至干擾信息，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，為以后的處理減輕了難度。例如覆蓋省全部海岸需要三景 Landsat影像數(shù)據(jù)圖 1，為便于表達(dá)，按照影像的覆蓋區(qū)域，把省岸線分為北、中、南三個(gè)局部。由于三景影像分別位于三個(gè)相鄰的衛(wèi)星軌道上，難以保證它們成像時(shí)間完全一致，只能對(duì)三景影像分別進(jìn)展分析。同時(shí)，考慮到省海岸線的特點(diǎn)、數(shù)據(jù)本身

10、的問題如云覆蓋、成像質(zhì)量等和數(shù)據(jù)的可獲取性，本研究取大約 5 年為間隔選擇影像數(shù)據(jù)。所選數(shù)據(jù)如表 1 所示，北部和南部各選 9景影像，中部選擇10景影像。另外為保證數(shù)據(jù)幾何精度的一致性，需要對(duì)所選影像進(jìn)展預(yù)處理。主要包括：對(duì)局部幾何處理精度低的影像利用 ERDAS 軟件進(jìn)展圖像配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度小于 0.5個(gè)像元；對(duì)于成像質(zhì)量不好或有薄云覆蓋的影像，進(jìn)展圖像增強(qiáng)；由于 Landsat 7 ETM+機(jī)載掃描行校正器SLC故障導(dǎo)致 2003年 5月 31 日之后獲取的圖像出現(xiàn)了數(shù)據(jù)條帶缺失，影響使用，采用 SLC-off模型加以修復(fù)。為了遙感影像數(shù)據(jù)解譯的準(zhǔn)確性，于 2012年 7 月開展海岸帶的現(xiàn)場(chǎng)

11、勘察，同時(shí)結(jié)合其他文獻(xiàn)資料作為遙感數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。2岸線提取和數(shù)字化。岸線提取是將所需的海岸線的資料從所得到的全部數(shù)據(jù)資料中提取出來，以便于準(zhǔn)確處理海岸線的數(shù)據(jù)資料。數(shù)字化是將提取出的海岸線的影像資料轉(zhuǎn)化成數(shù)字的形式，更利于計(jì)算機(jī)的輸入存儲(chǔ)和輸出，為下一步的運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)展圖像制作奠定根底。海岸線一般指海陸交界限，為多年平均大潮高潮時(shí)水陸分界的痕跡線，受自然和人為因素影響，海岸線始終處于動(dòng)態(tài)變化中。海岸線的高度動(dòng)態(tài)性決定了現(xiàn)實(shí)中并不存在一條固定的“線，通常根據(jù)具體情況采用不同的岸線指標(biāo)shoreline indicator或代理岸線shoreline pro*y來表征真實(shí)岸線的位置。例如在文章“基于

12、遙感和 GIS 的省海岸線時(shí)空變化“中，考慮到沿海海堤不斷向海域推進(jìn)，目前的海岸線已成為人工岸線。盡管堤壩的建立主要受人為控制，但多數(shù)堤壩在一定程度上反映了海岸的自然淤漲趨勢(shì)，其實(shí)際位置在理論上根本位于海岸線向海一側(cè)。因此，本研究采用最外側(cè)的海堤作為岸線指標(biāo)。沿岸海堤多由石英質(zhì)粗砂構(gòu)成，成像特征明顯，比擬平直且清晰可辨。也有相當(dāng)局部為土堤，堤頂兩側(cè)及外坡均栽植草木，可借助位置、形態(tài)和植被特征加以分辨。但由于圖像分辨率所限、多條海堤并存及其它線狀地物的干擾，完全自動(dòng)提取仍存在困難，本研究采用半自動(dòng)化的方法提取海岸線。首先，對(duì)所選影像的近紅外波段進(jìn)展圖像分割和閾值化處理，生成二值圖像；然后，借助

13、ArcGIS 提供的快速矢量化工具ArcScan提取矢量的線要素；最后，對(duì)得到的矢量線要素比照原始圖像進(jìn)展手工編輯修改。3誤差計(jì)算。誤差的大小直接影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確度和精度，因此計(jì)算誤差的值可以估計(jì)研究結(jié)果的精度問題，決定此項(xiàng)研究以后運(yùn)用的方面和參考價(jià)值。從遙感影像處理到數(shù)字岸線獲取過程中會(huì)引入各種誤差，主要包括季節(jié)誤差記為es、幾何校正誤差記為 eg、地形校正誤差記為 e、 t 配準(zhǔn)誤差記為 er、數(shù)字化誤差記為 ed。在以大堤作為岸線指標(biāo)的情況下，理論上選擇冬季的影像，因此時(shí)植被最少，植被的生長狀況對(duì)判讀大堤實(shí)際位置的影響也最小。但由于 Landsat數(shù)據(jù)自身的特性，研究區(qū)數(shù)據(jù)的可獲取性和

14、可利用性受到限制，本研究所選影像的成像日期涵蓋了一年中所有月份。而在不同的季節(jié)，大堤附近不同的植被長勢(shì)會(huì)對(duì)解譯大堤的準(zhǔn)確位置帶來不同的影響。春冬兩季影響最小， es設(shè)為 0.5個(gè)像元；夏秋兩季影響最大， es設(shè)為 1 個(gè)像元。幾何校正誤差和地形校正誤差為影像提供下載之前處理產(chǎn)生的誤差，都可以在元數(shù)據(jù)文件中獲取。配準(zhǔn)誤差是將圖像下載到本地之后，對(duì)于那些空間位置不能夠很好匹配的數(shù)據(jù)進(jìn)展圖像配準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差。因此， er值為配準(zhǔn)過程中實(shí)際產(chǎn)生的總體誤差。數(shù)字化誤差是提取矢量岸線的過程中產(chǎn)生的誤差。4岸線變化建模。在完成數(shù)據(jù)獲取預(yù)處理和岸線數(shù)據(jù)提取及誤差分析后，接下來就是岸線變化建模。數(shù)字有利于計(jì)算機(jī)的

15、輸入存儲(chǔ)和輸出，但對(duì)于岸線的變化僅利用數(shù)字并不直觀明顯，因此需要進(jìn)展岸線的變化建模，變化建摸能夠直觀簡明的提醒出岸線的地質(zhì)變化，也是利用GIS進(jìn)展海岸線分析處理的關(guān)鍵步驟。常用的岸線變化建模方法是垂直斷面法，該方法已由美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)成 ArcGIS的擴(kuò)展模塊 DSAS Digital Shoreline Analysis System。本研究即采用該工具計(jì)算省岸線變化率。其中，基線Baseline的創(chuàng)立是在所提取數(shù)字岸線的根底上，利用緩沖區(qū)Buffer的方法通過手工修改完成。斷面間隔約 1 km，與岸線的總體趨勢(shì)根本垂直。4183期行等：基于遙感和 GIS 的省海岸線時(shí)空變化考慮岸線的位置

16、不確定性E ， i 利用加權(quán)線性回歸方法計(jì)算每條斷面上的岸線變化率。第 i 條岸線的權(quán)重w i 等于其總的位置誤差E i 方的倒數(shù)，即：wi = 1 E i2 2上式可以得知，岸線的位置不確定性越大，權(quán)重越小，對(duì)回歸趨勢(shì)線的影響也越小，而趨勢(shì)線的斜率就是岸線變化率。正值表示淤漲，負(fù)值表示侵蝕。局部岸段平均岸線變化率可以通過對(duì)應(yīng)圍所有斷面上岸線變化率的平均值求得。假設(shè)每條斷面上加權(quán)線性回歸的 95%的置信區(qū)間是隨機(jī)和獨(dú)立的，則局部岸段平均岸線變化率的不確定性就可以通過下式求得。(5)結(jié)果分析。結(jié)果分析是利用GIS進(jìn)展海岸線研究的最后一步，進(jìn)展結(jié)果分析不僅能夠在總結(jié)本次研究中得到海岸關(guān)于研究的需求

17、信息還能在總結(jié)此次研究的優(yōu)點(diǎn)和缺乏的根底上獲得經(jīng)歷。例如在文章“基于 GIS和分形理論的海岸線模擬方法研究“中，其具體的結(jié)果分析為：利用兩種方法對(duì)海岸線進(jìn)展了模擬算法的研究 ,著重探討了科契方法在分維條件下的模擬 ,并編寫了相關(guān)的程序 ,實(shí)際運(yùn)行效果良好 . 對(duì)于分維未知 ,即需求算分維的條件下 ,只要將 T設(shè)為自變量 ,分維值就成為因變量 ,通過不斷調(diào)整 T的值 ,就可以得到不同的分維值 ,形成的分形元不同 ,模擬結(jié)果也不一樣 .機(jī)中點(diǎn)細(xì)分插法 ,也是如此 .利用這種思路也能自行設(shè)計(jì)出其他分形元。通過上述模擬過程及結(jié)果 ,可以看到: a.控制點(diǎn)左右著曲線的大致輪廓 , b.海岸線的曲折度與分

18、維值是成正比的 c.屢次模擬結(jié)果顯示 ,在同一分維條件下 ,對(duì)同一海岸線進(jìn)展模擬 ,結(jié)果是“隨機(jī)中點(diǎn)細(xì)分插法生成的模擬岸線的曲折度往往比“改良后的科契曲線方法的小 ,而“改良后的科契曲線表達(dá)的細(xì)節(jié)比“隨機(jī)中點(diǎn)細(xì)分插法更豐富 .因此 ,在實(shí)際操作過程中 ,“改良后的科契曲線法往往用于大比例尺地圖海岸線的模擬。 d.無論是“隨機(jī)中點(diǎn)細(xì)分插法 ,還是“改良后的科契曲線法 ,其迭代次數(shù)僅與曲線的粗糙程度有關(guān)。e.海岸線的分形性質(zhì)是客觀存在的 , f.現(xiàn)實(shí)中的海岸線十分復(fù)雜 ,形狀也是各異多變。在不同條件下 ,分形元、分維值、粗糙度、控制點(diǎn)等參數(shù)之間的選擇 ,對(duì)最終模擬結(jié)果有著決定性的影響，但其在因素、

19、相互關(guān)系以及各種方法之間的應(yīng)用條件等等問題 ,都值得進(jìn)一步深入的研究 .最后需要指出的是 ,由于自然界的復(fù)雜性和不規(guī)則性 ,任何模擬只能是建立在一定條件下、一定限度 ,任何模擬結(jié)果 ,經(jīng)過放大瀏覽 ,都會(huì)發(fā)現(xiàn)它們之間微構(gòu)造相差還是很大的 . 因此 ,如何更準(zhǔn)確、更逼真地再現(xiàn)海岸線的神奇面目 ,也是進(jìn)一步研究的目標(biāo) .。3.2研究方法1科契曲線的生成方法。首先從一個(gè)簡單的圖形出發(fā) (這個(gè)圖形被稱做源圖),按照一定的規(guī)律進(jìn)展不斷變形 ,即利用分形元代替原圖上的每一條直線段 ,然后將變形后的圖形作為源圖 ,利用類似更小的分形元來進(jìn)展變形 ,直至滿足給定的迭代次數(shù) .。2分形插值方法。分形插值是一種有

20、別于傳統(tǒng)的代數(shù)多項(xiàng)式插值和樣條函數(shù)插值的插值方法。分形插值方法是依據(jù)迭代函數(shù)系建立起來的一種新的數(shù)值方法 , 可以更加有效的、逼真的模擬具有分形性質(zhì)的幾何體 , 如自然景物、地形地貌等。在二維歐式空間 R2中給定 n +1 個(gè)點(diǎn)( *i , yi) , i = 0 , 1 , 2 , , n尋求一個(gè)連續(xù)函數(shù) f(*) , 使得f( *i) = y i , i = 0 , 1 , 2 , , n。3海岸線分維的計(jì)算方法。分維是描述空間和客體的一個(gè)重要參數(shù) ,相對(duì)經(jīng)典維數(shù)而言 ,其可以為整數(shù) ,也可為分?jǐn)?shù) . 而實(shí)際測(cè)定分形維數(shù)的方法很多 ,人們往往總結(jié)成“網(wǎng)格法和“量規(guī)法等方法 2 .根據(jù)分形理

21、論 ,有Nn = Crn- D ( 1)其中 , Nn 是特征線度為 rn 的物體數(shù)目 , C是比例常數(shù) , D稱做分維數(shù) .為了確定 D ,將式 (1)改寫為D = ln(Nn+ 1 /Nn )/ln(rn /rn+ 1)( 2)圖 1所示為兩種曲線的分形元 .(a) 中點(diǎn)細(xì)分插分形元 (b) 科契曲線分形元圖 1 兩種曲線的分形元根據(jù)式 (2) ,圖 1(a)所示分形元的維數(shù)應(yīng)該是D = ln(2/1)/ln(1/ratio) (3)其中 ,ratio= rn+ 1rn.而圖 1(b)所示分形元的維數(shù)應(yīng)該是D = ln(4/1)ln( ( 2r+ 2rcos (T)/r (4)如果 T=

22、60 , 則由式 (4) 可以得到 D 值為1. 261 9,其圖形正是人們最常用的科契雪花曲線的分形元 .反之 , 如果給定 D 值 , 也可以通過式 (3)或式 (4)計(jì)算得到 ratio 和 T值 ,即可得到基于不同分維值的曲線分形元 .基于以上思路 ,利用不同的分形元來模擬各種維數(shù)下的海岸線 .由于上述兩種方法的區(qū)別在于分形元的構(gòu)成不同 ,但實(shí)現(xiàn)思路卻根本相似 , 故只就第 2種方法改良后的科契曲線法進(jìn)展探討。 .4.結(jié)論和展望在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)于分維未知 ,即需求算分維的條件下 ,只要將 T設(shè)為自變量 ,分維值就成為因變量 ,通過不斷調(diào)整 T的值 ,就可以得到不同的分維值 ,形成的分形元

23、不同 ,模擬結(jié)果也不一樣。對(duì)于隨機(jī)中點(diǎn)細(xì)分插法 ,也是如此。利用這種思路也能自行設(shè)計(jì)出其他分形元。通過上述模擬過程及結(jié)果 ,可以看到：(1)控制點(diǎn)左右著曲線的大致輪廓 ,因此 ,選擇控制點(diǎn)的原則是: 盡量選擇海岸線明顯的拐點(diǎn)處 ; 控制點(diǎn)之間的距離不要相差太大 . (2)海岸線的曲折度與分維值是成正比的 ,即分維值越大 ,曲線的曲折度越大 .但在不同的模擬方法之間 ,即使是同一分維值 ,二者模擬曲線的曲折度也是不一樣的 ,故不能將二者進(jìn)展簡單的比擬 . (3)屢次模擬結(jié)果顯示 ,在同一分維條件下 ,對(duì)同一海岸線進(jìn)展模擬 ,結(jié)果是“隨機(jī)中點(diǎn)細(xì)分插法生成的模擬岸線的曲折度往往比“改良后的科契曲線方法的小 ,而“改良后的科契曲線表達(dá)的細(xì)節(jié)比“隨機(jī)中點(diǎn)細(xì)分插法更豐富 .因此 ,在實(shí)際操作過程中 ,“改良后的科契曲線法往往用于大比例尺地圖海岸線的模擬。