3-地球信息圖譜理論

1、第三章 地球信息圖譜理論,2005.9,3 地球信息圖譜理論,3.1 地球信息圖譜概念 3.2 地球信息圖譜的分類 3.3 地球信息圖譜的應用領域 3.4 地球信息圖譜的生成與傳輸模式 3.5 地球信息圖譜工作流程 3.6 Case Study,3.1 地球信息圖譜概念,圖是指地圖、圖像、圖形、圖表等空間信息的表現(xiàn)形式。 譜是不同類型事物特征有規(guī)律的序列編排，如光譜、色譜。 圖譜是指經過分析綜合的地圖、圖像、圖表形式,反映事物和現(xiàn)象空間結構特征與時空序列變化規(guī)律的一種信息處理與顯示手段。圖譜兼有“圖”與“譜”的雙重性,即包括具有地理空間的圖形表達和按特征有規(guī)則的排序。,3.1 地球信息圖譜概念

2、,地球信息圖譜是應用地學分析的系列多維圖解來描述現(xiàn)狀，并通過建立時空模型來重建過去和虛擬未來。陳述彭 地球信息圖譜是通過遙感、計算機制圖與地理信息系統(tǒng)的大量地球信息的空間分析與地學認知，以圖形概括與綜合集成的圖譜形式揭示地球系統(tǒng)及其各要素和現(xiàn)象的宏觀、中觀與微觀的成因機制、形態(tài)結構、組成物質、動態(tài)變化規(guī)律，并經過推理、反演與預測，有利于事物和現(xiàn)象更深層次的認識，有可能總結出重要的科學規(guī)律。,地球信息圖譜的功能,借助圖譜可以反演和模擬時空變化，即可反演過去、預測未來; 可利用圖的形象表達能力，對復雜現(xiàn)象進行簡潔的表達; 多維的空間信息可展示在二維地圖上，從而大大減小了模型模擬的復雜性; 在數(shù)學模

3、型的建立過程中，圖譜有助于模型構建者和使用者對空間信息及其過程的理解。,3 地球信息圖譜理論,3.1 地球信息圖譜概念 3.2 地球信息圖譜的分類 3.3 地球信息圖譜的應用領域 3.4 地球信息圖譜的生成與傳輸模式 3.5 地球信息圖譜工作流程 3.6 Case Study,3.2 地球信息圖譜的分類,按照圖譜內容： (1)大地構造圖譜。除常規(guī)大地構造圖的內容外,還可表示不同構造體系的時空動態(tài)變化。 (2)地震圖譜。除常規(guī)地震震中分布外,可增加地震成因類型(同地質構造與活動斷層關系等)與時空變化規(guī)律。 (3)水系圖譜。表示除詳細水系與水網(wǎng)密度外,還增加不同水系結構特征及時空演變過程,以及河流

4、流量的時空變化規(guī)律。 (4)熱帶氣旋圖譜。不只表示各月熱帶氣旋(臺風)的路徑或典型熱帶氣旋形成過程。 (5)垂直帶圖譜。表示不同氣候帶、不同干濕區(qū)及不同地形的垂直變化形成的自然景觀與生態(tài)、環(huán)境的垂直結構變化(包括地形、氣候、植被、土壤、土地利用、農業(yè)等特征) 。 (6)植物圖譜。不只表示不同氣候帶、不同干濕區(qū)的植被類型,而且還顯示植被時空演變及復原植被。 等等,3.2 地球信息圖譜的分類,按照圖譜功能： (1)征兆圖譜。 反映事物和現(xiàn)象的狀況和問題 (2)診斷圖譜。 借助工具，找出問題，形成認識 (3)實施圖譜。 調控方案,黃海輻射沙洲水下數(shù)字地形,華北平原土壤含水量,土壤侵蝕過程模擬,3 地

5、球信息圖譜理論,3.1 地球信息圖譜概念 3.2 地球信息圖譜的分類 3.3 地球信息圖譜的應用領域 3.4 地球信息圖譜的生成與傳輸模式 3.5 地球信息圖譜工作流程 3.6 Case Study,3.3 地球信息圖譜的應用領域,全球變化研究。 變化序列反映環(huán)境變遷，預測環(huán)境變化。 區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究。 通過對大量數(shù)據(jù)的分析形成發(fā)展模式，為政府決策提供依據(jù)。 農業(yè)生產規(guī)劃。 例如：農作物病蟲害圖譜。 資源調查和評價。 資源的分布規(guī)律。 環(huán)境監(jiān)測。 環(huán)境污染指數(shù)圖譜。 其他：城市規(guī)劃、減災防災等。,區(qū)域可持續(xù)發(fā)展虛擬系統(tǒng),3 地球信息圖譜理論,3.1 地球信息圖譜概念 3.2 地球信息圖譜的分

6、類 3.3 地球信息圖譜的應用領域 3.4 地球信息圖譜的生成與傳輸模式 3.5 地球信息圖譜工作流程 3.6 Case Study,3.4 地球信息圖譜的生成與傳輸模式,3 地球信息圖譜理論,3.1 地球信息圖譜概念 3.2 地球信息圖譜的分類 3.3 地球信息圖譜的應用領域 3.4 地球信息圖譜的生成與傳輸模式 3.5 地球信息圖譜工作流程 3.6 Case Study,地球信息圖譜工作流程,生態(tài)系統(tǒng)綜合評估的地球信息圖譜模型建立流程圖,3 地球信息圖譜理論,3.1 地球信息圖譜概念 3.2 地球信息圖譜的分類 3.3 地球信息圖譜的應用領域 3.4 地球信息圖譜的生成與傳輸模式 3.5

7、地球信息圖譜工作流程 3.6 Case Study,3.6 Case Study1國家863信息領域前沿探索性項目基于多源空間數(shù)據(jù)的地學信息提煉、虛擬重組與派生技術,技術領域：集成模式識別、數(shù)據(jù)庫知識發(fā)現(xiàn)、GIS空間分析和遙感圖像自動分類等技術。 內容：完成了用于地學對象空間分布格局的自動或半自動識別和提煉的方法。 主要算法：采用數(shù)學形態(tài)學中的邊界提取、條件膨脹、連通單元面積計算等算法,結合地物紋理識別、集聚距離遍歷計算等手段,同時配合圖像灰度增強、二值化、形態(tài)學濾波等圖像處理算法,完成從遙感圖像中識別黃土峁、梁等地貌單元和提煉其空間分布格局的操作;采用鄰域搜尋加結構化賦值的算法完成從DEM中

8、識別溝谷等地物并提煉其空間分布格局的操作。,3.6 Case Study2余姚市土地利用信息圖譜,本研究擬由耕地、園地、林地、建設用地、水域、未利用地的變化作為主要研究對象,將處理后的1990年和2003年的土地利用數(shù)據(jù)導入ArcGIS軟件中,利用GIS空間分析功能分別建立2003年余姚市土地利用類型分布格局信息圖譜和19902003年余姚市不同土地利用類型變化信息圖譜。,研究結果,通過對圖譜的分析得出,余姚市土地利用變化的原因主要是受社會經濟發(fā)展和政策的影響，在13a期間,由于工業(yè)化和城市化進程加快,余姚市土地利用方式發(fā)生較大改變,主要的轉變軌跡為耕地面積逐漸減少,建設用地和林地面積增加,而

9、且這些土地利用變化的現(xiàn)象存在著明顯的空間差異化情形。,3.6 Case Study3黃河三角洲土地利用時空復合變化圖譜分析,葉慶華、劉高煥、田國良等 中國科學 D 輯 地球科學 2004, 34 (5): 461474,簡介,以黃河三角洲40a(19561996年)土地利用4期空間數(shù)據(jù)(1956年，1984年，1991年，1996年)為基礎，合成了一系列土地利用圖譜，包括3個時序單元的土地利用變化圖譜，40a變化過程圖譜，并通過建立信息重映射表對圖譜單元時空復合信息進行重新分類、提取與綜合，即圖譜重構，提取了黃河三角洲40a土地利用變化的“漲勢”系列圖譜、40a“漲勢”變化過程圖譜和40a土地

10、利用時空演變模式圖譜 圖譜分析采用空間查詢與統(tǒng)計分析、圖譜單元分類排序、土地利用變化轉移矩陣三種方法相結合，逐一分析不同時序單元、不同時間尺度土地利用格局的變化規(guī)律，并分析了40a土地利用時空演變模式圖譜的區(qū)域分異特征運用圖譜方法對區(qū)域性土地利用“動態(tài)變化過程中的空間格局 ”與“空間格局的動態(tài)變化過程”進行了一體化的綜合研究。,1 土地利用變化時空復合圖譜研究方法,當我們對復雜系統(tǒng)的機理還不了解或認識較模糊、利用系統(tǒng)狀態(tài)變量來描述系統(tǒng)的行為特征較為困難或根本不可能建立起解析模型時，我們可借助于圖形來定量地描述系統(tǒng)的初步狀態(tài)及其邊界條件，利用序列化的專題圖來反映系統(tǒng)多尺度狀態(tài)或不同條件下的形態(tài)特

11、征、變化，并在此基礎上進行邏輯推理演算，尤其是進行圖形運算(如空間拓撲疊加)，制定數(shù)據(jù)挖掘的規(guī)則、解釋數(shù)據(jù)挖掘的結果，理解其地學機理。 因此，對于變化機理還不十分了解的土地利用/土地覆被變化研究，可以從其空間格局及其序列化變化過程專題圖來演算其變化規(guī)律。,1 土地利用變化時空復合圖譜研究方法,1 土地利用變化時空復合圖譜研究方法,土地利用圖譜就是各時間段內土地利用變化的空間屬性過程一體化數(shù)據(jù)。 土地利用圖譜單元是我們研究土地利用“格局與過程”時空動態(tài)變化的基本時空復合體信息單元。,2 黃河三角洲的多重生態(tài)界面,水沙兩相河流黃河 水鹽兩相運移控制著土壤的發(fā)育方向。 海陸兩相作用海岸帶活躍的動力環(huán)

12、境使之易受自然災害的影響。 河海兩相交匯形成復雜的河口環(huán)境與生物多樣性。 （水量）豐枯兩相不均成為影響黃河三角洲可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。 墾牧兩相移動是黃河三角洲特有的不合理“游墾”、“游牧”生產方式，歷史上人們長期形成了隨黃河尾閭擺動而“游墾”的土地利用方式，在生態(tài)系統(tǒng)還未發(fā)育成熟的新淤河灘地上耕作，土壤次生鹽漬化后，則棄置。,2 黃河三角洲的多重生態(tài)界面,脆弱的生態(tài)環(huán)境，疊加上人類活動的影響，黃河三角洲的生態(tài)災害趨于多元化、復雜化。研究黃河三角洲土地利用的時空變化規(guī)律，對于有效防止生態(tài)災害的發(fā)生具有重要意義，可為黃河三角洲制定合理的開發(fā)利用戰(zhàn)略提供參考依據(jù)。,3 黃河三角洲土地利用數(shù)據(jù)來源和處理

13、,利用ARC/INFO和ERDAS等軟件對歷史地圖數(shù)字化、修正現(xiàn)有矢量數(shù)據(jù)、對遙感影像進行分類，利用野外調研數(shù)據(jù)進行檢驗，最后采用誤差矩陣進行評價(精度都達到90%以上)。主要利用了如下4期土地利用數(shù)據(jù). (1) 1956年土地利用數(shù)據(jù)(I : 5萬)主要來源于1956年航測地形圖和歷史調查圖，研究區(qū)范圍由1954年海岸線和1991年行政邊界共同界定，是一個“虛擬的東營市”。 (2) 1984年土地利用數(shù)據(jù)(1:10萬)來源于1984年10月4日TM影像監(jiān)督分類，并用80年代中期野外調查數(shù)據(jù)進行修正，采用同期TM影像上的海岸線與東營市行政邊界來界定研究區(qū)范圍(東營市于1983年10月1日建市)

14、。 (3) 1991年土地利用數(shù)據(jù)(1:5萬)來源于黃河三角洲1991年1:5萬地形圖及其土地利用數(shù)據(jù)，并根據(jù)1991年9月TM影像對其海岸線和部分空間數(shù)據(jù)作了修正。 (4) 1996年土地利用數(shù)據(jù)(1:10萬)來源于1996年9月20日TM影像，并使用1:1萬東營市土地利用圖和1:1萬航片測繪圖(由東營市土管局規(guī)劃站提供)進行更新和修正。,對采樣數(shù)據(jù)的歸一化、標準化處理,在ARC/INFO中，取1956年、1984年、1991年、1996年4期數(shù)據(jù)的最外緣邊線進行編輯，產生一個統(tǒng)一外邊界，將4期數(shù)據(jù)統(tǒng)一邊界修訂。 這4期數(shù)據(jù)都采用高斯一克呂格投影(橫軸墨卡托投影)，其投影橢球體為Krasov

15、sky，投影帶中央經線為117E.所有數(shù)據(jù)都采用grid數(shù)據(jù)格式，取30mX30m格網(wǎng)單元進行重采樣，統(tǒng)一空間分辨率。,4 黃河三角洲土地利用系列圖譜合成,由于土地利用變化圖譜單元是進行土地利用“格局與過程研究”的基本時空復合體功能單元，根據(jù)空間、屬性和過程特征進行圖譜單元的劃分與合成是創(chuàng)建系列圖譜的兩個關鍵步驟。 圖譜單元是由相對均質的空間單元和相對單一的過程單元(時序單元)集成的，它與地理單元一樣，也是多級別、多尺度的，可以依據(jù)時空尺度、研究目的以及特定的原則進行綜合與分類，建立多級別的圖譜單元分類體系。 在空間、過程與屬性特征的地學分析基礎上，建立一系列土地利用圖譜，既包含了土地利用狀況

16、的空間差異性信息，又包含著地理過程時序變化的信息，它能夠將時空變化研究復合為一體，是“格局與過程集成研究”的有效途徑。,對于黃河三角洲土地利用系列圖譜，構造步驟如下:,(1)確定研究尺度下的基本單元。 (2)合成空間屬性過程一體化圖譜單元。以基本單元為基礎，在Arc/info GRID模塊中，利用地圖代數(shù)運算方法，對上述4期土地利用空間數(shù)據(jù)進行地圖代數(shù)運算，合成空間屬性過程一體化圖譜單元。 (3)消除“噪聲”干擾。在以上生成的土地利用圖譜，土地利用變化類型繁多，且夾雜著“噪聲”，對于分析土地利用變化時空演變信息來說，太繁雜就不容易抓住主要矛盾，所以，需要弱化冗余信息干擾，消除“噪聲”干擾。 (

17、4)漲勢和落勢,(1)確定研究尺度下的基本單元,1)確定地理單元(空間單元). 2)時序單元的確定(時間尺度，即采樣時間間隔),1)確定地理單元(空間單元),由于地理環(huán)境條件的連續(xù)性、漸變性、過渡性和波動性等特征，因而相對均質的地理單元之間界線的確定一直是困擾地學家的難題. 在采用地理信息系統(tǒng)作為工具的單元研究中，經常采用規(guī)則網(wǎng)格法，即采用具有一定分辨率的離散的規(guī)則網(wǎng)格作為基本地理單元.雖然其精度受到網(wǎng)格分辨率的影響，但它的產生過程和應用過程，都適于計算機處理，非常靈活、方便。 本文就是采用grid數(shù)據(jù)，將提取的4期土地利用類型數(shù)據(jù)，統(tǒng)一生成30m grid單元的空間屬性一體化數(shù)據(jù)，作為基本空

18、間地理單元進行運算。,2)時序單元的確定(時間尺度，即采樣時間間隔),因為不同采樣時刻往往對應著地理單元不同的屬性狀態(tài)，所以對于特定地理過程的研究往往要依賴于采樣時刻及其時間間隔。 在某一地理景觀上的某個地理事件或者某一屬性特征發(fā)生變化的基本時序單元就是在一定尺度上能夠監(jiān)測到這一變化的“最小時間間隔”。時序單元太大或者太小都無法保證地理事件研究的客觀性，如果研究的地理過程不止一個，那么就應該取其中最小的時間尺度作為基本時序單元. 對于黃河三角洲土地利用這一復雜的“人地互動式”非線性地理過程而言，隨著每年的陸進海退，其變化比較頻繁而且迅速，研究土地利用變化過程的最小時序單元應為一年，但由于歷史情

19、況調查的難度和數(shù)據(jù)提取時間的限制，本文提取了上述4期土地利用數(shù)據(jù)，基本數(shù)據(jù)采樣時間是多尺度的，其時序單元(時間尺度)分別為28a (19561984年)、7a (1984一1991年)和5a (1991一1996年).,(2)合成空間屬性過程一體化圖譜單元,方法是以時間序列為軸，對每一個空間單元的1位數(shù)編碼的Value值進行操作，將時間上相鄰的各期數(shù)據(jù)兩兩合成，生成2位數(shù)編碼的復合數(shù)據(jù)，即把前一采樣時刻空間單元的屬性值作為十位數(shù)、把后一采樣時刻空間單元的屬性值作為個位數(shù), 生成屬性值為兩位數(shù)編碼的“空間與過程”復合數(shù)據(jù), 即“時空復合體”。此時每個空間單元的Value值都記錄了自己在不同采樣時

20、刻的上地利用狀態(tài)，也就是說，它就是“記憶”土地利用變化過程的信息單元。這些基本單元就是空間一屬性一過程一體化的圖譜單元，其相應的“時空復合體”數(shù)據(jù)，就是土地利用圖譜。 分別是1956-1984年、1984-1991年和1991-1996年三個時序單元的土地利用圖譜。運用同樣方法將4期土地利用數(shù)據(jù)合成value值為4位編碼的時空復合體，即1956-1996年期間的土地利用變化過程圖譜，以研究各空間單元上每一個采樣時刻的土地利用狀態(tài)及其時空演變規(guī)律.。,(3)消除“噪聲”干擾,在生成的土地利用圖譜中，土地利用變化類型繁多，且夾雜著“噪聲”，對于分析土地利用變化時空演變信息來說，太繁雜就不容易抓住主

21、要矛盾，所以，需要弱化冗余信息干擾、消除“噪聲”干擾。,(4)“漲勢”和“落勢”,土地利用的變化包括兩個方面，一是轉入(input)，即由其他用地類型轉移到本用地類型的部分；二是轉出(output)，即原用地類型除不變區(qū)外、轉移到其他用地類型的部分。 為了把握土地利用增長“轉移”情況(即“轉入”)，通過設定分類原則，建立重映射表、進行圖譜單元重構，創(chuàng)建“漲勢” 、“落勢”系列圖譜，并合成40a來“漲勢”變化過程圖譜來研究40a來土地利用變化時空演變過程中的主要矛盾.,5 黃河三角洲土地利用系列圖譜分析,土地利用圖譜分析由三個部分組成： 第一是土地利用圖譜時空復合體數(shù)據(jù)，它的每一個圖譜單元都記錄

22、了該空間單元在這個時序單元采樣時刻的土地利用類型，圖譜單元類型是由該空間各單元上地利用類型的變化決定的； 第二是主要圖譜單元排序表，即主要土地利用變化類型表，按其面積講行大小排序，由圖譜數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計運算得到； 第三是轉移矩陣，即一定時序單元內各上地利用類型之間面積轉移矩陣和概率轉移矩陣。 其中，第一部分是整個圖譜分析的核心。土地利用圖譜在不同時序單元中分析土地利用的空間變化，并可利用空間屬性過程一體化格網(wǎng)單元上記憶的信息，在圖上查詢到研究時段內任一土地利用轉移變化類型發(fā)生的空間位置。借助于各個時期的土地利用圖譜，我們就能清晰把握黃河三角洲土地利用時空格局的變化過程。,5 黃河三角洲土地利用系列

23、圖譜分析,1956-1996年土地利用變化過程圖譜分析 40a的土地利用變化過程圖譜是由40a的4個采樣時刻(即1956年，1984年，1991年，1996年)的土地利用類型數(shù)據(jù)共同合成，圖譜產生了3274類具有4位編碼的圖譜單元，其中215類圖譜單元覆蓋了變化面積的80%。從圖譜中可以明顯看出，40年來，利用方式沒有發(fā)生變化的耕地主要分布在研究區(qū)地勢較高的南部和西部，即廣饒縣南部魯中山地山前沖洪積平原W和利津縣境內的西部地區(qū)。發(fā)生變化的耕地主要集中在平穩(wěn)耕作區(qū)的外圍，即近海一側，其中耕牧反復、耕牧次生鹽漬化的圖譜單元主要聚集在1855年海岸帶、近代與現(xiàn)代三角洲堆積體之間的交接洼地上，面積4.

24、8 X 104 hm2。這是典型的農牧交錯帶，土地利用變化頻繁。 40年來整個黃河三角洲呈現(xiàn)從西部、南部的農業(yè)耕地往東往北依次過渡到牧草地、鹽堿地、灘涂(水域)直到新生陸地、海域這一土地利用格局在這種過渡帶的分布格局中，耕地始終占據(jù)著優(yōu)勢，而在耕地與牧草地的交錯帶上，即近、現(xiàn)代三角洲堆積體的交接洼地上，除了4. 4 X 104 hm2的牧草地被墾殖后狀態(tài)平穩(wěn)以外，其余的牧草地總是處于反反復復的波動狀態(tài)之中，與鹽堿地相伴相隨，時而鹽堿，時而放牧，時而耕作，生態(tài)形勢很脆弱。,結論1,40年來黃河三角洲土地利用變化具有明顯的時空分異特征，在時段上表現(xiàn)為：1956-1984年間，土地利用方式的改變以墾殖和開發(fā)為主；而到了1984-1991年間，耕地、牧草地退化為鹽堿地就成為面積最大的土地利用轉換方式；在1991-1996年間，對鹽堿地、難利用地的墾殖與放牧成了上地利用變化方式的主旋律，形成耕地、牧草地退化與墾殖并舉的局面。 在空間格局上表現(xiàn)為：由開發(fā)最早、地勢最高