（地圖制圖學(xué)與地理信息工程專(zhuān)業(yè)論文）基于時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的礦區(qū)土地資源變化研究.pdf

遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 l 摘要 礦產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)采引發(fā)了嚴(yán)重的資源環(huán)境問(wèn)題。在各種資源、環(huán)境 與災(zāi)害問(wèn)題中，礦區(qū)土地資源的破壞是最為直接嚴(yán)重的。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用遙感技術(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)已取得了很多有益 的成果，但針對(duì)礦區(qū)這一特殊的地理區(qū)域研究還甚少。本文就此為研究對(duì) 象，利用多源多時(shí)相遙感圖像為主要數(shù)據(jù)源，建立了基于時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的礦 區(qū)土地資源信息系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)土地資源的動(dòng)態(tài)管理與分析。 本文以沈南三個(gè)礦區(qū)為研究區(qū)域，結(jié)合遙感與g i s 空間信息技術(shù)對(duì)礦 區(qū)土地資源的時(shí)空變化進(jìn)行了初步探討和研究，具體研究?jī)?nèi)容如下： 首先，在探討現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上。分析礦區(qū)特有的時(shí)空特性， 提出了基于特征的分層時(shí)空數(shù)據(jù)模型。 其次，以多源多時(shí)相遙感圖像為數(shù)據(jù)源，在建立礦區(qū)土地資源分類(lèi)體 系基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)土地資源信息進(jìn)行了模型提取研究，得到了礦區(qū)各時(shí)相 土地資源信息及相鄰時(shí)相的土地變化信息。 最后，綜合礦區(qū)各種歷史、現(xiàn)實(shí)資料建立了礦區(qū)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 礦區(qū)資源與環(huán)境的管理，并利用g i s 空間分析功能對(duì)礦區(qū)土地資源信息進(jìn)行 時(shí)空演變規(guī)律分析。 關(guān)鍵詞：時(shí)空數(shù)據(jù)模型；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：空間分析；時(shí)空分析 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 i i a b s t r a c t t h ee x p l o i t a t i o no fm i n e r a lr e s o u r c e sc a u s e dt h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m i n t h es e r i e sp r o b l e m ，t h eb r e a k a g eo ft h el a n di nm i n i n ga r e ai sm o s td i r e c t l y s e r i o u s t h i st e x tm a k eu s eo ft h er e m o t es e n s i n gp i c t u r e ，b u i l tu pt h er e s o u r c e s i n f o r m a t i o n s y s t e m o ft h em i n i n ga r e ai nb a s eo ft h es p a t i a l - t e m p o r a l d a t a b a s e t h i st e x tt a k es h e n n a n sd i s t r i c ta st h er e s e a r c ho b j e c t ，c o m b i n er sa n d t h eg i st e c h n i q u e s r e s e a r c hc o n t e n t si sa sf o l l o w s f i r s t l y ，s t u d y t h ee x i s t i n g s p a t i a l - t e m p o r a l d a t am o d e l s p a t i a l t e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i ci n m i n i n ga r e a ，p u tf o r w a r d s p a t i a l t e m p o r a ld a t am o d e l a n da n a l y z e t h el a y e r i n g s e c o n d l y ，t a k eh a v i n gs o u r c e sa n dd i f f e r e n tt i m e sr e m o t e s e n s i n g a st h ed a t as o u r c e ，i nb u i l d i n gu pc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mo ft h el a n di n a r e a ，g e tt h el a n dr e s o u r c e si n f o r m a t i o na n dv a r i e t yi n f o r m a t i o n l a s t l y ，i n t e g r a t ev a r i o u sh i s t o r ya n dr e a l i s t i cd a t ai nm i n i n ga r e a u pt h es p a t i a l t e m p o r a ld a t a b a s e ，r e a l i z et h em i n e r a la r e ar e s o u r c e s m a n a g e m e n to ft h es u r r o u n d i n g s ，a n dm a k eu s eo ft h eg i ss p a c e f u n c t i o nt oe x t r a c tt h er e s o u r c e si n f o r m a t i o no ft h em i n e r a la r e al a n d p i c t u r e m i n i n g t ob u i l t a n dt h e a n a l y s e k e yw o r d s ：s p a t i a l t e m p o r a ld a t am o d e l ；t h ed y n a m i cs t a t em o n i t o r ；t h es p a c e a n a l y s e ；s p a t i a l t e m p o r a la n a l y s i s 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 l 緒論 1 1 選題背景 人們對(duì)地球資源的開(kāi)采、加工和利用是促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要 因素，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背后資源環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越引起人們的注意。礦區(qū)作為 一種特殊的地理區(qū)域，由于礦產(chǎn)資源大規(guī)模開(kāi)采和其他人類(lèi)活動(dòng)的影響， 大大改變了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)，產(chǎn)生了嚴(yán)重的生態(tài)破壞 和環(huán)境污染。礦山的生態(tài)環(huán)境影響具體體現(xiàn)在水文地質(zhì)環(huán)境的破壞、水體 污染嚴(yán)重、土地的占用與破壞。尤其是礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)造成的土地資源破壞和引 發(fā)的嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。制約著礦區(qū)資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，因此應(yīng)用 當(dāng)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)礦區(qū)土地資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析，為礦區(qū)資源環(huán) 境的治理與重建提供決策服務(wù)具有重大的意義。 遙感技術(shù)作為目煎一種先進(jìn)的信息采集方式，具有信息量大、成本低 和快速的特點(diǎn)，是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中非常重要的技術(shù)手段。運(yùn)用遙感技術(shù)進(jìn) 行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為合理開(kāi)發(fā)礦產(chǎn)資源提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)資料。 地理信息系統(tǒng)( g i s ) 作為區(qū)域規(guī)劃、管理和決策的現(xiàn)代化工具，不僅具有 可供存儲(chǔ)、查詢(xún)，檢索的空間型數(shù)據(jù)庫(kù)( 一般按地理坐標(biāo)) ，而且包括若干 個(gè)分析評(píng)價(jià)模型，知識(shí)庫(kù)以至專(zhuān)家系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)信息( 數(shù)據(jù)) 的疊加、復(fù)合、 分析評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)顯示及專(zhuān)題制圖等功能，從而不僅可以展現(xiàn)空間實(shí)體的現(xiàn) 狀，還有可能再現(xiàn)自然演化與社會(huì)進(jìn)步的歷史過(guò)程，預(yù)測(cè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) 【2 】 本文以礦區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)礦區(qū)土地資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) ，在此基礎(chǔ)上綜合礦區(qū)各種歷史、現(xiàn)實(shí)資料建立礦區(qū)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 礦區(qū)資源與環(huán)境的管理，并利用g i s 空間分析功能對(duì)礦區(qū)土地資源信息進(jìn)行 時(shí)空演變規(guī)律分析。 1 2 相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 保存并有效地管理歷史變化數(shù)據(jù)，以方便將來(lái)重建歷史狀態(tài)、跟蹤變 化、預(yù)測(cè)未來(lái)，這樣的g i s 稱(chēng)為時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)( t e m p o r a lg i s ，簡(jiǎn)稱(chēng) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 t g i s ) 。時(shí)空數(shù)據(jù)模型是一種有效組織和管理時(shí)態(tài)地理數(shù)據(jù)、屬性、空間 和時(shí)間語(yǔ)義更完整的地理數(shù)據(jù)模型。在t g i s 的研究中最基本最迫切的就是 時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究，時(shí)空數(shù)據(jù)模型的優(yōu)劣，不僅決定了t g i s 操作的靈活 性和功效，而且影響和制約著t g i s 其他方面的研究和發(fā)展。目前國(guó)際上已 有l(wèi) a n g r a n 、c h r i s m a n 、p e u q u e t 等人提出了一系列時(shí)空數(shù)據(jù)模型，國(guó)內(nèi)也有 陳軍、龔建雅、舒紅等人在這方面作了細(xì)致的研究，取得了一定的成績(jī)。 提出的具有代表性的時(shí)空數(shù)據(jù)模型主要有序列快照模型、基態(tài)修正模型、 空間一時(shí)間組合體模型、空間一時(shí)間立方體模型、面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模 型和基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型等。時(shí)空分析主要應(yīng)用于環(huán)境變遷研究、土 地利用土地覆蓋變化研究、地籍管理、交通管理、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)。 目前國(guó)內(nèi)外已有許多科學(xué)工作者利用遙感技術(shù)對(duì)礦區(qū)資源環(huán)境監(jiān)測(cè)做 了研究。在國(guó)外，l e g g 利用遙感技術(shù)對(duì)地表采礦引起的環(huán)境問(wèn)題和礦區(qū)土 地復(fù)墾做了定性評(píng)價(jià)；v e n k a t a r a m a n 等綜合遙感數(shù)據(jù)和有限的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)定 性分析了礦區(qū)植被、土地利用、地表水、地下水和土質(zhì)受礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)的影響 程度；c h r i s t i a n 和w o l 龜a n g 將遙感、地理信息系統(tǒng)和地下水模擬結(jié)合起來(lái) 研究了地下采礦引起的地表變形、地下水變化和地表植被變化三者的關(guān)系。 在國(guó)內(nèi)，郭達(dá)志等己全面分析了遙感技術(shù)和其他先進(jìn)技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境 監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性，并對(duì)晉城、銅川、開(kāi)灤等礦區(qū)作了實(shí)際應(yīng)用，對(duì)礦 區(qū)的大氣、塌陷進(jìn)行了遙感調(diào)查分析；雷利卿等在山東肥城礦區(qū)應(yīng)用遙感 技術(shù)通過(guò)對(duì)礦區(qū)受污染植被和水體信息的提取，探討了適合礦區(qū)環(huán)境研究 的遙感圖像處理方法。國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者利用遙感技術(shù)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān) 測(cè)研究主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面，是利用不同時(shí)相的波段組合圖、 指數(shù)變化圖和土地覆蓋類(lèi)型變化圖來(lái)體現(xiàn)地表信息的變化，從而進(jìn)行礦區(qū) 生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，但往往是定性或半定量分析，并且多是單個(gè)大面積的 礦區(qū)，對(duì)于大范圍分布零散的礦區(qū)研究甚少；另一方面，是將遙感信息與 其他調(diào)查數(shù)據(jù)( 如土質(zhì)、水質(zhì)等數(shù)據(jù)) 相結(jié)合，具體研究采礦引起的土質(zhì)變 化、水質(zhì)變化、地表變形等，雖然細(xì)致、透徹，但費(fèi)時(shí)、費(fèi)力 g i s 在礦山的應(yīng)用目前研究主要集中在系統(tǒng)間理、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、空間分析 模型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面。盛業(yè)華燈提出了m g i s 的基本內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)、建 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)策略及相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，研究了礦業(yè)g i s 開(kāi)發(fā)中的礦圖數(shù)據(jù)庫(kù)、構(gòu)件化技 術(shù)等問(wèn)題并對(duì)3 d m g i s 及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、可視化等進(jìn)行了一些初步的探討。 綜上所述時(shí)空分析在許多領(lǐng)域取得了一定的成果，但還是停留在表面 的時(shí)空分析基礎(chǔ)上，出現(xiàn)這種情況的根本原因在于自然過(guò)程和社會(huì)過(guò)程的 復(fù)雜性涉及到了時(shí)間和空間不斷變化的大量變量之間的相互作用缺乏與 g i s 集成的時(shí)空模型。盡管遙感與g i s 應(yīng)用于土地資源變化的研究取得了較 大的進(jìn)展，但對(duì)于工礦區(qū)這一特殊的地理區(qū)域來(lái)說(shuō)，相關(guān)的研究還很少。 另外在利用遙感技術(shù)建立時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè)，這方面的研究實(shí)例還很少。本文就此方面做了初步嘗試，結(jié)合高分辨 率、多源、多時(shí)相遙感時(shí)空演化數(shù)據(jù)建立礦區(qū)時(shí)空資源信息系統(tǒng)，并對(duì)礦 區(qū)土地資源變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和時(shí)空演變分析。 1 3 研究主要目標(biāo)、內(nèi)容及方法 1 3 1 研究目標(biāo)與意義 在教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目“基于3 s 的礦區(qū)資源環(huán)境監(jiān)測(cè)和決策系統(tǒng)研 究”的支持下，本課題研究的目的在于以多源多時(shí)相衛(wèi)星遙感影像為主要 信息源、通過(guò)圖像處理，分析礦區(qū)土地資源變化的遙感信息機(jī)理，提取礦 區(qū)陸面信息，在g i s 支持下進(jìn)行空間分析和綜合評(píng)價(jià)，研究礦區(qū)近2 0 年來(lái) 的土地資源變化尤其是地面塌陷的遙感機(jī)理、演變機(jī)制、調(diào)控策略，以服 務(wù)于礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的需要。 1 3 2 研究主要內(nèi)容與方法 本文研究的主要內(nèi)容與方法如下： ( 1 ) 針對(duì)多時(shí)相、多源、高分辨率遙感數(shù)據(jù)，在分析陸面演變遙感信息 特征的基礎(chǔ)上，對(duì)遙感圖像的波段組合進(jìn)行分析，提出優(yōu)化的組合方案。結(jié)合 研究區(qū)特點(diǎn)，將分區(qū)分層監(jiān)督分類(lèi)法用于土地資源覆蓋分類(lèi)，最后通過(guò)對(duì)多 源、多時(shí)相遙感圖像的變化檢測(cè)獲得近2 0 年來(lái)礦區(qū)土地資源變化數(shù)據(jù)。 ( 2 ) 將以上遙感圖像解譯的土地資源變化數(shù)據(jù)做為構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的 基礎(chǔ)，并結(jié)合礦區(qū)地形圖、d t m 及測(cè)量資料、以往的遙感或航攝圖像資料、 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 礦區(qū)土地利用圖、礦區(qū)地質(zhì)圖及文字報(bào)告、礦床( 體) 產(chǎn)狀圖及文字報(bào)告、 采掘工程圖、井上下對(duì)照?qǐng)D、市政工程圖、礦區(qū)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)報(bào)告、環(huán)境監(jiān)測(cè) 資料、技術(shù)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料、礦區(qū)建筑資料、其它人文資料等建立礦 區(qū)資源信息系統(tǒng)。 ( 3 ) 借助g i s 空間分析功能實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)土地資源變化信息的任意查詢(xún) 和分析。將土地監(jiān)測(cè)信息通過(guò)系統(tǒng)的分析模型和g i s 的功能模塊進(jìn)行處理 獲得礦區(qū)土地資源的時(shí)空演變規(guī)律。 本文結(jié)合r s 與g i s 現(xiàn)代測(cè)繪手段對(duì)礦區(qū)土地資源變化監(jiān)測(cè)具體技術(shù)流 程圖如下： 圖1 1 技術(shù)路線框架圖 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 礦區(qū)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，目前g i s 正在向集成化、時(shí)空一體化和智 能化方向發(fā)展。時(shí)態(tài)g i s 的研究已成為g i s 研究的一個(gè)重點(diǎn)，而時(shí)態(tài)g i s 的 核心是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，因此研究時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)時(shí)態(tài)g i s 的發(fā)展具有重要的 意義。 在過(guò)去幾十年中，數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域的研究人員在空間數(shù)據(jù)庫(kù)和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù) 的研究上取得了很大成果，但對(duì)于它們的研究一直是相互獨(dú)立的。其中空 間數(shù)據(jù)庫(kù)研究空間數(shù)據(jù)的表示、存儲(chǔ)，處理和查詢(xún)等，而時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)研究 如何表示和處理數(shù)據(jù)庫(kù)中隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，通常是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)。目前數(shù)據(jù) 庫(kù)領(lǐng)域的研究人員逐漸認(rèn)識(shí)到應(yīng)該集成物理對(duì)象的時(shí)間和空間屬性，研究 能體現(xiàn)時(shí)間、空間和時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)概念并且同時(shí)捕獲數(shù)據(jù)的時(shí)間和空間特性 的數(shù)據(jù)庫(kù)，即時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)( s p a t i o - t e m p o r a l d a t a b a s e ) 。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的目的是 存儲(chǔ)和管理隨時(shí)間變化的空間數(shù)據(jù)。時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)是t g i s 的核心支持軟件， 對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究將大大推動(dòng)t g i s 的進(jìn)一步發(fā)展，其研究成果也可應(yīng)用 于c a d 和多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)等多個(gè)領(lǐng)域。 2 1 時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究較早并建立了一些專(zhuān)門(mén)研究機(jī)構(gòu)。歐洲科研 開(kāi)發(fā)d g x i i 委員會(huì)發(fā)起建立的一個(gè)培養(yǎng)和交流的研究網(wǎng)絡(luò) c h o r o c h r o n o s l ；美國(guó)國(guó)家地理信息分析中心( n c g i a ) 于1 9 9 4 年將“g i s 中的時(shí)空推理”列為十大最有潛力研究課題之一；i s p r s 成立了“空間數(shù)據(jù) 庫(kù)的時(shí)態(tài)特征與數(shù)據(jù)更新”工作小組。國(guó)內(nèi)主要集中在幾所大學(xué)和中科院 部分研究所：北京大學(xué)將空間數(shù)據(jù)庫(kù)作為一個(gè)重點(diǎn)研究課題；上海復(fù)旦大 學(xué)進(jìn)行了g i s 中數(shù)據(jù)技術(shù)的研究：武漢測(cè)繪科技大學(xué)也在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)庫(kù)和 時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的研究工作；南京航天航空大學(xué)正在進(jìn)行基于可擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫(kù)的 空間分析d b m s 和時(shí)空分析d b m s 的研究工作。時(shí)空數(shù)據(jù)模型是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù) 的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外在時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究中取得了重大的成果，基本建立了 具有時(shí)空分析與查詢(xún)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。就其時(shí)空數(shù)據(jù)模型的發(fā)展可分為序 列快照模型、基態(tài)修正模型、基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型、時(shí)空復(fù)合模型、 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文6 面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型。不同的時(shí)空模型就其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，我們應(yīng)該 針對(duì)不同的研究需要采用不同的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。 2 2 礦區(qū)時(shí)空數(shù)據(jù)模型 2 2 i 時(shí)空數(shù)據(jù)模型 一般的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)支持兩種類(lèi)型時(shí)域數(shù)據(jù)，它們包括有效時(shí)間( v a l i d t i m e ) 和事務(wù)時(shí)間( t r a n s a c t i o n t i m e ) 。有效時(shí)間是關(guān)于對(duì)象在現(xiàn)實(shí)世界中存 在的時(shí)間，而事務(wù)時(shí)間代表對(duì)象事實(shí)作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的時(shí)間。 根據(jù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)所支持的時(shí)間類(lèi)型不同可定義為4 種不同的空間數(shù)據(jù)庫(kù)模 型，分別為快照模型、時(shí)空復(fù)合模型、t t m 模型和雙重時(shí)域模型?？煺漳?型和傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)具有相同的結(jié)構(gòu)，時(shí)空復(fù)合模型和t t m 模型分別增加 了事務(wù)時(shí)間和有效時(shí)間，而雙重時(shí)域空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型則可同時(shí)對(duì)有效時(shí)間 和事務(wù)時(shí)間提供支持，正是基于有效時(shí)間和事務(wù)時(shí)間的本質(zhì)特性，使得雙 重時(shí)域空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型可支持完全的對(duì)象歷史信息操作“1 。 ( 1 ) 時(shí)間片快照模型 時(shí)間片快照模型( t i m es l i c es n a p s h o t sm o d e l ) 對(duì)地圖等空間對(duì)象的表 示是以記錄了固定空間數(shù)據(jù)的快照序列來(lái)完成的，所有關(guān)于空間對(duì)象信息 的變化均以預(yù)先定義的快照序列來(lái)反映，而快照的基本組成可以為圖層、 表格等空間對(duì)象粒子。這種空間模型的優(yōu)點(diǎn)很明顯就是簡(jiǎn)單和直觀，但是 每一個(gè)獨(dú)立的快照僅僅存儲(chǔ)了當(dāng)時(shí)的有效值，而前后快照的區(qū)別不能直接 表示，因此需要高代價(jià)來(lái)完成此處理操作，并且在不考慮體積等級(jí)的變化 情況下，對(duì)于每一完整時(shí)間片快照的產(chǎn)生都需要把所有的無(wú)改變數(shù)據(jù)全部 復(fù)制，因此效率較低。另在改進(jìn)時(shí)間片快照模型中的基本狀態(tài)提供了對(duì)變 化的簡(jiǎn)要描述，它表示了空間對(duì)象的狀態(tài)及其描述的界限，盡管該改進(jìn)模 型降低了對(duì)未改變數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，但是對(duì)當(dāng)前的快照的處理必須依前一快照 為參考。 ( 2 ) 時(shí)空復(fù)合模型 時(shí)空復(fù)合模型( s p a c et i m ec o m p o s i t em o d e l ) 將帶有歷史信息對(duì)象的所 有變化記錄在快照中，它和帶有基本狀態(tài)信息的時(shí)間片快照模型相似，但 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 是對(duì)空間對(duì)象的表示基于時(shí)間分解成更小的分片，該分片定義為某一區(qū)域 最大的公共時(shí)空單元，且具有其獨(dú)立的時(shí)間屬性集。 ( 3 ) t t m 模型 t t m 模型( t e m p e s tt r i a dm o d e l ) ，由相互聯(lián)系的3 部分組成，它們分 別為基于特征的模型( f e a t u r e b a s e dm o d e l ) 、基于方位的模型 ( l o c a t i o n e s b a s e dm o d e l ) 和基于時(shí)間的模型( t i m e b a s e dm o d e l ) 。對(duì)象特征 模型用來(lái)管理不同對(duì)象的特征如i d 、對(duì)象名、占有空間和標(biāo)識(shí)定義符號(hào)等， 方位模型負(fù)責(zé)對(duì)象的詳細(xì)信息管理包括位置信息和拓?fù)潢P(guān)系信息等，而時(shí) 間模型負(fù)責(zé)記錄管理對(duì)象的歷史信息，當(dāng)確定的對(duì)象發(fā)生改變時(shí)則一個(gè)對(duì) 象歷史事件被存儲(chǔ)到該模型的歷史事件列表中。 ( 4 ) 雙重時(shí)域概念模型 雙重時(shí)域概念模型( b i t e m p o r a lc o n c e p t u a lm o d e l ) 與前述各空間模型不 同，它支持雙重時(shí)域數(shù)據(jù)處理，既支持對(duì)空間對(duì)象的有效時(shí)間的操作處理， 又支持對(duì)空間對(duì)象的歷史時(shí)間的操作處理，并且定義了兩種不同時(shí)域據(jù)的 聯(lián)系。 國(guó)內(nèi)外對(duì)于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究已取得了累累碩果，但就其應(yīng)用于礦 區(qū)這方面的研究還很少，在本次研究中主要針對(duì)礦區(qū)這一特殊區(qū)域的土地 資源信息進(jìn)行了時(shí)空演變分析，提出了適合礦區(qū)監(jiān)測(cè)的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，由 于我們主要是針對(duì)礦區(qū)迸二十年的演變分析，關(guān)心的是礦區(qū)在土地資源上 的時(shí)空遷移，因此我們提出了基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。 2 2 2 基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型 特征是地球空間上可以用數(shù)據(jù)描述的客觀現(xiàn)象，表達(dá)了用來(lái)描述空間 實(shí)體的數(shù)據(jù)集的標(biāo)識(shí)與封裝，是客觀存在，能看得見(jiàn)，或純粹是概念上的( 如 行政區(qū)) 具有屬性與地理描述信息的實(shí)體。特征在客觀世界中存在于兩個(gè)層 次中：一個(gè)是特征類(lèi)型；另一個(gè)是特征實(shí)例。特征類(lèi)型是指具有公共特性 的地理現(xiàn)象。特征實(shí)例是客觀存在的具體的地理現(xiàn)象，這些地理現(xiàn)象可以 被唯一的標(biāo)識(shí)，可以通過(guò)時(shí)空坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間和空間的定位n ”。 基于特征的o i s 就是將地理特征作為建模的基本單元，從幾何信息、 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 專(zhuān)題信息與語(yǔ)義信息及時(shí)態(tài)信息幾方面對(duì)地理特征進(jìn)行描述的g i s 設(shè)計(jì)方 法?；谔卣鱣 i s 使用戶更容易接受和理解較復(fù)雜的邏輯概念，避免過(guò)于 繁瑣的技術(shù)細(xì)節(jié)，從而使應(yīng)用模型更容易建立和應(yīng)用。由于現(xiàn)有的時(shí)空數(shù) 據(jù)模型多是從計(jì)算機(jī)表達(dá)的角度出發(fā)，并不是面向地學(xué)問(wèn)題的，缺少對(duì)地 理實(shí)體或現(xiàn)象的顯示定義和基礎(chǔ)關(guān)系描述，不能在語(yǔ)義層次上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共 享。因此專(zhuān)家學(xué)者們紛紛提出需要一種高層次的、綜合的方案來(lái)描述地理 特征實(shí)體及具有目標(biāo)性質(zhì)的地理現(xiàn)象“”。在這種背景下，基于特征的思想 被提出來(lái)。 基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型與傳統(tǒng)時(shí)空數(shù)據(jù)模型的區(qū)別在于： ( 1 ) 建模對(duì)象不同。前者對(duì)地理特征建模，后者是對(duì)空間幾何目標(biāo)建 模： ( 2 ) 信息載體不同。前者以特征實(shí)例作為地理信息集成的平臺(tái)，將空 間、時(shí)間和專(zhuān)題統(tǒng)一到特征實(shí)例中，載體具有明確的地理意義。后者是以 空間或時(shí)空幾何目標(biāo)作為載體，載體地理意義不確切、應(yīng)用價(jià)值低i ( 3 ) 前者在時(shí)空專(zhuān)題信息集成的同時(shí)，具有地理現(xiàn)象集成的特點(diǎn)，有 利于海量時(shí)空數(shù)據(jù)的有序組織，便于查詢(xún)與復(fù)雜地學(xué)分析。后者管理的是 不斷被碎分的地理現(xiàn)象時(shí)空幾何目標(biāo)，在數(shù)據(jù)組織、管理和分析上存在嚴(yán) 重缺陷“。 采用基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型更適合于表達(dá)土地資源的變化，因此在 本系統(tǒng)中，基于該方法來(lái)組織數(shù)據(jù)。結(jié)合礦區(qū)土地利用分類(lèi)體系，構(gòu)成一 個(gè)較完整的適合于描述礦區(qū)土地資源的特征分類(lèi)體系。 2 2 3 特征分類(lèi)及賦值 為了研究礦區(qū)陸面信息的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，本研究不對(duì)土地利用類(lèi)型進(jìn) 行細(xì)分，因此我們對(duì)礦區(qū)土地類(lèi)型進(jìn)行了如下分類(lèi)，即水域、建設(shè)用地、 綠地、塌陷地。其中水域包括湖水、區(qū)域積水、河流、水庫(kù)、水塘；建設(shè) 用地包括居民地、工礦用地和交通用地；綠地包括植被與農(nóng)田；塌陷地主 要是采煤塌陷地。 我國(guó)已對(duì)土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)鍘進(jìn)行了土地類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)，根據(jù)礦區(qū)研 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 究需要我們?cè)趨⒖紘?guó)家土地類(lèi)型分類(lèi)基礎(chǔ)上，建立了礦區(qū)土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān) 測(cè)的特征分類(lèi)體系。根據(jù)上述礦區(qū)土地分類(lèi)體系，我們可以將礦區(qū)土地特 征類(lèi)型分類(lèi)為：湖水、區(qū)域積水( 塌陷地積水) ，河流、水庫(kù)、水塘、居民地、 工礦用地、交通用地、植被、農(nóng)田、塌陷地1 1 個(gè)特征分類(lèi)，在保留原土地 利用分類(lèi)的i d 號(hào)基礎(chǔ)上又增加了塌陷地等分類(lèi)i d 號(hào)作為屬性碼。見(jiàn)表2 - l 。 表2 i 礦區(qū)土地特征分類(lèi)體系 土地特征類(lèi)型編碼 湖水 塌陷地積水 河流 水庫(kù) 水塘 居民地 工礦用地 交通用地 植被 農(nóng)田 塌陷地 在建立基于特征的時(shí)空模型中，賦時(shí)空值是一個(gè)重要的部分。在賦值 中，我們定義了時(shí)間參考系如：年、周期、持續(xù)時(shí)間等，具體特征類(lèi)型賦值 如下： ( 1 ) 時(shí)間屬性的賦值 通常時(shí)間屬性有兩種：事件和狀態(tài)。在土地利用中，我們一般不把“事 件”作為一個(gè)時(shí)間屬性，因?yàn)橥恋乩脹](méi)有“事件”特征。相反，我們用“狀 態(tài)”作為時(shí)間屬性，保存狀態(tài)的起始年份。指定e 代表“事件”，s 代表“狀 態(tài)”。指定一個(gè)狀態(tài)的起始年代用兩位數(shù)表示。例如：居民地指定s 9 6 代表 1 9 9 6 年后的狀態(tài)，或指定s 9 6 9 8 代表1 9 9 6 年到1 9 9 8 年的狀態(tài)。 ( 2 ) 時(shí)間關(guān)系的賦值 我們有2 種時(shí)間關(guān)系：簡(jiǎn)單的時(shí)間關(guān)系和連續(xù)的時(shí)間關(guān)系。我們指定 佗 如 ” 鴕 如 如 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文1 0 “s i ”為簡(jiǎn)單時(shí)間關(guān)系的值，指定“s u i d e n l ，i d e n 2 ”為連續(xù)時(shí)間關(guān)系的值。 特征連續(xù)總是包括空間和時(shí)間，例如：“s u 1 2 。1 6 ”被認(rèn)為是從n o 1 2 到 n o 1 6 的連續(xù)地塊。 特征實(shí)例表達(dá)；f e a t u r e ( i d ，s t a r t d a t a i d ，e n d d a t a l d ，l a n d u s e t y p e ) 。 其中，每個(gè)數(shù)據(jù)記錄表達(dá)了某一特征實(shí)例的一個(gè)時(shí)態(tài)版本。i d 包含了這一 特征實(shí)例的標(biāo)識(shí)碼和版本號(hào)，s t a r d a t a i d 表示該特征實(shí)例版本在哪個(gè)年份 出現(xiàn)，e n d d a t a l d 表示該特征實(shí)例版本在哪個(gè)年份出現(xiàn)中消亡。l a n d u s e t y p e 表示土地利用現(xiàn)狀，作為主要的特征屬性。決定著特征實(shí)例的產(chǎn)生和消亡。 只要該屬性不變，其它屬性( 包括幾何屬性) 所引起的變化都作為該特征實(shí) 例的不同版本。特征實(shí)例i d 號(hào)的編碼原則：”前兩位是土地利 用的二級(jí)分類(lèi)編碼，接著六位為圖斑號(hào)，最后三位是版本號(hào)。前八位唯一 標(biāo)識(shí)一個(gè)特征實(shí)例，不同的版本號(hào)反映了該實(shí)例的發(fā)展過(guò)程。 在時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的組織上我們將其分為：歷史庫(kù)、變化庫(kù)、現(xiàn)狀庫(kù)，分 別存儲(chǔ)礦區(qū)歷史數(shù)據(jù)、相鄰?fù)恋仡?lèi)型轉(zhuǎn)變的變化數(shù)據(jù)以及現(xiàn)狀數(shù)據(jù)?，F(xiàn)時(shí) 和歷史數(shù)據(jù)采用分層進(jìn)行存儲(chǔ)，以具有同一利用類(lèi)型地理實(shí)體為基本存儲(chǔ) 單元，并在數(shù)據(jù)庫(kù)表中作為一個(gè)記錄。存儲(chǔ)地理實(shí)體具有唯一的標(biāo)識(shí)編碼 i d ，地理實(shí)體的主要屬性改變( 面積用途) 將使其改變舊實(shí)體將存儲(chǔ)在歷史 庫(kù)中，新實(shí)體具有新的標(biāo)識(shí)編碼存儲(chǔ)在現(xiàn)時(shí)庫(kù)中，新舊實(shí)體的關(guān)系存儲(chǔ)在 歷史現(xiàn)狀關(guān)系表中，并通過(guò)建立對(duì)問(wèn)標(biāo)記反映時(shí)間變化過(guò)程。圖2 1 為礦區(qū) 時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)圖，圖2 2 為遙感影像更新土地過(guò)程圖。 圖2 l 時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)圖 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 - 2 遙感影像更新土地利用過(guò)程圖 2 3 礦區(qū)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建立 本研究主要采用多源多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)源提取礦區(qū)近二十年的資源變 化信息，并結(jié)合現(xiàn)有的礦區(qū)地形圖、土地利用圖等建立礦區(qū)時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)， 其具體過(guò)程如下： ( 1 ) 采用高分辨影像q u i c k b i r d 更新礦區(qū)2 0 0 5 年土地資源利用數(shù)據(jù)， 并導(dǎo)入所有的相關(guān)土地利用數(shù)據(jù)，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。 ( 2 ) 將不同時(shí)相的遙感影像通過(guò)上述監(jiān)測(cè)解譯方法提取出相鄰時(shí)相土 地利用變化數(shù)據(jù)，同時(shí)將其存儲(chǔ)到變化庫(kù)中建立動(dòng)態(tài)變化檔案文件。 ( 3 ) 通過(guò)遙感影像解譯對(duì)礦區(qū)歷史影像進(jìn)行土地資源的提取及矢量化 并完全存儲(chǔ)到歷史庫(kù)中，建立歷史快照模型可以重建礦區(qū)歷史土地資源信 息狀況。 基于上述方法，我們建立了基于特征的時(shí)空數(shù)據(jù)模型和土地利用失控 數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空變化分析及歷史重現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)了以下時(shí)態(tài)信息的查詢(xún) 與分析： ( 1 ) 查詢(xún)某一特征實(shí)例的變化過(guò)程 通過(guò)調(diào)用現(xiàn)狀庫(kù)( c u r r e n t l d ) 、變化庫(kù)( c h a n g l d ) 、歷史庫(kù)( h i s t o r y l d ) 相 應(yīng)字段得到某一特征實(shí)例的變化情況。用以下語(yǔ)句表述： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 s e l e c t + f r o mf e a t u r e ，w h e r e ( i dl i k e 特征實(shí)例前八位編碼+ “”) a n d ( f c a t u r e c u r r e n t i d = c h a n g i d ；h i s t o r y i d ) ( 2 ) 查詢(xún)某一給定時(shí)間( t ) 的快照。 由于礦區(qū)是個(gè)小范圍的區(qū)域，歷史變化數(shù)據(jù)量小，這里我們采取對(duì)歷 史數(shù)據(jù)完全存儲(chǔ)的方案，因此在查詢(xún)某一給定時(shí)間的快照時(shí)我們可以調(diào)用 單獨(dú)存儲(chǔ)的歷史庫(kù)，與土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行同時(shí)比較顯示，非常直觀的顯 示不同歷史時(shí)期的土地利用狀況。 ( 3 ) 查詢(xún)相f 臨年份土地利用類(lèi)型變化和面積統(tǒng)計(jì) 在變化庫(kù)中存儲(chǔ)了土地利用類(lèi)型在相鄰時(shí)段的變化信息和面積統(tǒng)計(jì)信 息，我們可以根據(jù)年份字段和土地特征類(lèi)型字段查詢(xún)變化庫(kù)中某地類(lèi)的面 積變化信息。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 3 礦區(qū)土地資源變化的遙感監(jiān)測(cè)機(jī)理 3 1 礦區(qū)土地資源變化主要形式 礦區(qū)是一種特殊的地理區(qū)域，由于礦物開(kāi)采、加工導(dǎo)致其區(qū)域土地資 源的嚴(yán)重破壞，并有其特殊的演變形式，根據(jù)實(shí)地調(diào)查，結(jié)合沈陽(yáng)礦區(qū)實(shí) 際情況，將其土地資源特征分為以下幾種：建設(shè)用地( 含居民地、公共建設(shè)用 地、交通用地、礦區(qū)用地等) 、水域、綠地( 含農(nóng)田和植被) 、山體、塌陷地。 由于礦區(qū)開(kāi)采及其區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展陸面信息也隨之演變，它的主要演變形 式見(jiàn)表3 i 。 表3 1 礦區(qū)陸面演變狀態(tài)表 建設(shè)用地 一 一 x 、 水域 x 綠地 、 、 山體 塌陷地 、 表中，“一”表示有可能但很少發(fā)生，“”表示常見(jiàn)的陸面演變 情況，“x 表示不可能發(fā)生的演變情況 3 2 礦區(qū)遙感監(jiān)測(cè)機(jī)理 根據(jù)上表我們可以看出礦區(qū)土地資源變化的主要形式，下面就對(duì)其主 要變化形態(tài)及遙感特征進(jìn)行探討。 ( 1 ) 綠地一塌陷地 礦區(qū)的開(kāi)采直接導(dǎo)致陸面特別是綠地與農(nóng)田的破壞、塌陷形成了塌陷 區(qū)，并可能產(chǎn)生積水現(xiàn)象。塌陷地在遙感影像上表現(xiàn)為灰度變化、紋理結(jié) 構(gòu)變化，并且隨時(shí)相不同而動(dòng)態(tài)變化，可以進(jìn)行識(shí)別。 ( 2 ) 塌陷地一可利用土地 通過(guò)土地復(fù)墾可以將塌陷地恢復(fù)到可利用狀態(tài)，其在光譜特征、空問(wèn) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文1 4 關(guān)系，內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面都發(fā)生了明顯的變化，可以通過(guò)遙感影像進(jìn)行識(shí)別與 監(jiān)測(cè)。 ( 3 ) 綠地一建設(shè)用地 在礦區(qū)建設(shè)與發(fā)展中多占用農(nóng)林用地轉(zhuǎn)化為礦區(qū)建設(shè)用地。這也是城 鎮(zhèn)土地利用變化的普遍表現(xiàn)形式，在這方面利用遙感影像進(jìn)行城鎮(zhèn)土地的 變化監(jiān)測(cè)已經(jīng)非常廣泛，但礦區(qū)有其特殊性。 3 3 礦區(qū)土地資源遙感監(jiān)測(cè)主要技術(shù)流程 國(guó)內(nèi)外對(duì)于土地資源的遙感監(jiān)測(cè)已做了大量的研究，本文就礦區(qū)這一 特殊的地理區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用多源多時(shí)相遙感影像對(duì)其土地資源的變 化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析，具體研究技術(shù)路線和方案如下圖3 1 。 礦區(qū)土地資源監(jiān)測(cè)與分析 多源多時(shí)相遙感影像 li 各時(shí)期土地資源調(diào)查ji 社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查統(tǒng)計(jì) 備時(shí)相土地資源信息提取 變化分析及精度分析 獲得不同時(shí)期土地專(zhuān)題圖 地理信息系統(tǒng)r 1 分析評(píng)價(jià)模型 結(jié)果輸出( 圖形，圖像、文本) 圖3 1 遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程圖 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 礦區(qū)土地資源遙感監(jiān)測(cè)與分析 4 1 研究區(qū)概況 針對(duì)研究需要。我們選擇沈陽(yáng)南三大礦區(qū)作為本次研究區(qū)域，即林盛 礦( 一礦) 、紅菱礦( 二礦) 和紅陽(yáng)礦( 三礦) 所覆蓋的區(qū)域，占地大約 2 0 0 平方公里，沈南礦區(qū)的經(jīng)緯度范圍：東經(jīng)：1 2 3 。0 7 0 9 1 ”1 2 3 。2 3 3 5 9 ”， 北緯：4 l o l 9 。3 4 7 ”4 1 0 3 9 0 3 ，8 ”。 4 2 數(shù)據(jù)源 為了研究礦區(qū)從建礦初期到開(kāi)采中期以及開(kāi)采現(xiàn)狀的土地演化規(guī)律我 們根據(jù)沈陽(yáng)礦區(qū)特點(diǎn)分別選擇了多時(shí)相的l a n d s a t 、q u i e k b i r d 數(shù)據(jù)源。遙 感數(shù)據(jù)源的具體情況如下表4 1 所示： 表4 - 1 遙感數(shù)據(jù)源 為了建立礦區(qū)土地資源監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)我們同時(shí)也收集了礦區(qū)的非遙 感數(shù)據(jù)，主要包括以下資料：1 9 7 6 、1 9 9 5 、2 0 0 1 、2 0 0 5 年l ：2 0 0 0 地形圖； 礦區(qū)的八大礦圖、行政區(qū)劃、并田邊界、煤炭資源賦存、開(kāi)采現(xiàn)狀、地質(zhì) 構(gòu)造和地質(zhì)災(zāi)害分布地圖、礦區(qū)土地利用圖、環(huán)境監(jiān)測(cè)資料( 水體、噪聲、 大氣、地表沉陷、土地復(fù)墾) ，人文資料。 4 3 多源多時(shí)相遙感影像預(yù)處理 在礦區(qū)土地資源變化研究中，準(zhǔn)確提取每一時(shí)相的土地利用覆蓋信息 并對(duì)多時(shí)相遙感影像準(zhǔn)確配準(zhǔn)是土地利用動(dòng)態(tài)信息獲取的基礎(chǔ)，而對(duì)遙感 影像的增強(qiáng)與融合可以提高影像的分辨率有助于影像信息的分類(lèi)。因此在 進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息提取之前，必須對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括以下兩個(gè) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 步驟：一是兒何精校正與配準(zhǔn)；二是圖像增強(qiáng)與融合。 4 3 1 遙感影像幾何精糾正與配準(zhǔn) 為了得到統(tǒng)一基準(zhǔn)下的不同時(shí)期研究區(qū)域的遙感影像，我們首先要對(duì) 不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行幾何精糾正與配準(zhǔn)最后裁減出相同范圍的研究區(qū) 影像，具體過(guò)程如下； ( 1 ) 遙感影像幾何精校正 本次研究主要采用了q u i c k b i r d 高分辨影像和中低分辨率的 c e b e r s 、t m 影像。我們首先在研究區(qū)采集了均勻分布且明顯可見(jiàn)的5 0 個(gè) g p s 控制點(diǎn)，然后對(duì)2 0 0 5 年q u i c k b i r d 影像進(jìn)行幾何精糾正，選用通用的 2 階多項(xiàng)式變換，并采用立體卷積插值法進(jìn)行重采樣，幾何糾正時(shí)的精度 控制在r m s t m 5 t m 7 ；并且水體在這三個(gè)波段上灰度值都是最小的，因此采用t m 4 + t m s + t m 7 可以增大這種差異，有利于水體與其他地物的特征形成更鮮明的 對(duì)比。 從表3 7 中我們發(fā)現(xiàn)在所有的各種地物種，只有水體具有t m 2 + t m 3 t m 4 + t m 5 、t m 2 + t m 3 t m 5 + t m 7 的特征。綜合上訴水體在各波段中的特 征及相互關(guān)系，我們可以建立以下水體提取模型： 模型l ；( t m 2 + t m 3 ) - ( t m 4 + t m s ) 0 模型2 ：( t m 2 + t m 3 ) 一( t m 5 + t m 7 ) 0 模型3 ：t m 4 + t m 5 + t m 7 1 0 或( t m 2 + t m 3 ) 一( t m s + t m 7 ) 1 0 以有效免除多提或誤提的水體，具體提取過(guò) 程我們采用e r d a s 軟件利用其建模功能( m o d e lm a k e r ) 構(gòu)建上述模型對(duì)沈 南礦區(qū)水體進(jìn)行了提取實(shí)驗(yàn)并取得了很好的效果，見(jiàn)圖4 7 、4 8 分別為上 述兩個(gè)模型提取的水體效果圖，其中白色顯示為提取信息。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖4 - 7 模型l 提取的水體圖4 - 8 模型2 提取的水體 ( 2 ) 建設(shè)用地提取 研究區(qū)內(nèi)建設(shè)用地主要包括居民用地( 開(kāi)闊地) 、工礦用地( 開(kāi)闊地) 和交 通用地( 道路) 。提取建設(shè)用地最好的波段組合應(yīng)為可見(jiàn)光、近紅外、中紅 外、熱紅外，所以根據(jù)t m 各波段特性，選取t m 3 、t m 4 、t m 7 或t m 4 、 t m 5 、t m 7 = 波段的組合較好，為此我們利用前面分類(lèi)結(jié)果，先對(duì)研究區(qū) 建設(shè)用地進(jìn)行光譜特征分析，灰度值及組合特征分析見(jiàn)表4 - 9 、圖4 - 9 所示。 表4 - 9 建設(shè)用地提取波段組合特征 m c a n 地類(lèi)tm4tm7t m 4 t m 5t m 4 t m 3t m 4 t m 5 t m 7 水體 積水 道路 綠地 3 3 6 3 6 6 2 7 ，2 6 4 6 5 2 1 2 6 3 8 5 4 開(kāi)闊縫7 5 5 1 3 6 裸山1 0 0 9 6 4 1 2 0 5 7 1 0 8 7 6 3 3 6 2 5 6 4 3 6 3 3 9 0 l 8 6 4 8 5 2 3 - 4 7 3 5 4 8 8 6 4 1 1 4 6 6 3 7 3 1 7 8 4 6 3 2 - 2 7 9 6 0 5 5 - 1 9 7 8 1 6 8 5 6 8 2 5 2 4 3 9 6 9 6 4 0 2 7 1 3 3 2 9 6 1 5 0 2 6 2 農(nóng)田4 5 8 7 5 5 7 2 5 82 6 9 9 i4 2 18 3 1 3 2 6 6 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖4 - 9 建設(shè)用地提取波段組合特征圖 從上表統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，建設(shè)用地有以下特征： 建設(shè)用地和裸山在每個(gè)波段上的灰度值都是最大的。 建設(shè)用地的t m 4 、t m 7 灰度值非常接近，而其他地物中只有裸山具 有這一特性。 建設(shè)用地的t m 4 、t m 3 灰度值非常接近，地面積水也具有這一特性， 但通過(guò)上節(jié)水體的提取模型很容易剔出。 盡管建設(shè)用地和裸山具有相似的光譜特征，但二者具有不同的紋理 特征可以進(jìn)行識(shí)別。 根據(jù)上述分析，我們選取( t m 4 t m 7 ) 0 分別進(jìn)行初 步提取，再目視判別將山體的數(shù)據(jù)剔出，由于沈南基本為平原所以這一工 作非常簡(jiǎn)單，對(duì)照各期地形圖進(jìn)行濾除即可，按照上述方法我們對(duì)1 9 9 5 年 t m 圖像進(jìn)行了建設(shè)用地的提取見(jiàn)圖4 1 0 所示，其中白色顯示為提取信息。 ( 3 ) 植被與農(nóng)田提取 圖4 1 0 建設(shè)用地提取圖 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 為了研究需要植被與農(nóng)田可以不必細(xì)分，這里歸為“綠地”進(jìn)行提取， 通常利用植被指數(shù)對(duì)綠地進(jìn)行提取，本文采用植被指數(shù)r v i 、標(biāo)準(zhǔn)化植被 指數(shù)n d v i ( 公式見(jiàn)下所示) ，對(duì)研究區(qū)綠地進(jìn)行提取。 r v i = t m 4 t m 3 n d v l 2 ( t m 4 一t m 3 ) ( t m 4 + t m 3 ) 通常我們采用n d v i o 對(duì)綠地進(jìn)行提取，但研究發(fā)現(xiàn)部分建設(shè)用地特別 是工礦區(qū)低層建筑、村鎮(zhèn)建筑物一些象元也呈現(xiàn)出n d v i 0 的特征，即 t m 4 t m 3 0 的現(xiàn)象，但其差值一般很小，可以設(shè)置t m 4 t m 3 k l 或 d v i = t m 4 t m 3 k 2 ，實(shí)驗(yàn)采用k i = l o 或k 2 = 1 2 。根據(jù)此模型我們對(duì)研究區(qū) 進(jìn)行了綠地的提取，見(jiàn)圖4 1 l ，其中白色顯示為提取信息。 倒4 - 1 1 綠地提取圖 ( 4 ) 塌陷地的提取“1 研究區(qū)的塌陷地主要是采煤引起的塌陷土地，同時(shí)伴隨著采水導(dǎo)致的 地面沉降等新的塌陷形式。沈南礦區(qū)開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)，范圍大，地面塌陷也相 當(dāng)嚴(yán)重，特別在雨季塌陷地還有積水，以面狀或斑點(diǎn)狀形態(tài)與線藍(lán)色背景 形成鮮明的對(duì)比。 塌陷地呈現(xiàn)以下特征；在空間結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出坑狀結(jié)構(gòu)并且呈現(xiàn)出連 續(xù)狀和高低起伏狀態(tài)，并且伴隨有積水情況，特別是由于我們的影像通常 選取在9 , 9 份，塌陷地的積水非常嚴(yán)重；光譜特性上看，由于塌陷地實(shí)際 上是由綠地、荒地、水域以及少數(shù)建設(shè)用地組合而成，其光譜特性不能用 統(tǒng)一的模式進(jìn)行描述，既有各種覆被單獨(dú)存在的象元，又有多種覆被引起 的混合象元，因此基于光譜特性進(jìn)行塌陷地的提取非常困難，必須根據(jù)其 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 特征及有關(guān)知識(shí)進(jìn)行提取。 塌陷地知識(shí)特征：提取積水的時(shí)態(tài)性、積水區(qū)應(yīng)在開(kāi)采煤層的緩沖區(qū) 范圍內(nèi)、土地利用的動(dòng)態(tài)變化。根據(jù)塌陷地特征建立基于光譜特性和知識(shí) 的塌陷區(qū)提取模型。模型l ：基于塌陷區(qū)積水的提取模型；模型2 ：基于土 地覆蓋因子變化的提取模型。這里就其模型2 進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 基于土地覆蓋因子變化的提取模型；以某一礦區(qū)中心( 或礦區(qū)井田邊 界) 為基礎(chǔ)做緩沖區(qū)分析，半徑r 1 根據(jù)礦區(qū)開(kāi)采面積確定，得到區(qū)域r l ； 在區(qū)域r 1 內(nèi)劃定土地利用變化范圍r 2 ，由多時(shí)相遙感圖像分類(lèi)信息或g i s 基礎(chǔ)信息確定變化模型，提取符合塌陷地特點(diǎn)的區(qū)域；根據(jù)r 2 和知識(shí)推 理原則，確定可能的塌陷地象元集合r 3 ；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定外推 半徑r 2 ，以r 3 邊界為基礎(chǔ)，向外作緩沖區(qū)r 4 ，即可作為提取的塌陷地。 本文采用了其模型2 ，借助g i s 分析功能分別對(duì)1 9 9 5 年、2 0 0 1 年的t m 影 像進(jìn)行了塌陷地的提取見(jiàn)圖4 1 2 。 1 9 9 5 年塌陷地 2 0 0 1 年塌陷地 圖4 1 2 礦區(qū)塌陷地提取圖 4 4 3 2 相領(lǐng)時(shí)段地物變化信息提取 利用不同時(shí)相的遙感影像可以提取出相鄰時(shí)段的土地利用變化信息， 為了研究礦區(qū)近2 0 年來(lái)的土地利用變化情況，我們對(duì)1 9 7 6 、1 9 8 1 、1 9 9 5 、 2 0 0 1 、2 0 0 5 年的影像進(jìn)行了地物變化信息的提取，主要采用了兩種方法： 一種是直接基于遙感圖像、通過(guò)多時(shí)相圖像綜合分析評(píng)價(jià)：另一種則是利 用所提取的信息、分類(lèi)結(jié)果在g i s 的支持下，結(jié)合空間分析模型進(jìn)行分析 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文3 0 研究，即分類(lèi)后比較法。在本次研究中根據(jù)上節(jié)的研究成果，由于已經(jīng)獲 得了各對(duì)相各地物的分類(lèi)信息，因此本文主要采用了第二種方法在g i s 的 支持下對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了變化信息的提取與分析，具體過(guò)程如下； ( 1 ) 各類(lèi)提取地物在g i s 下進(jìn)行矢量化處理并添加屬性信息入庫(kù) 將各地物提取圖通過(guò)柵格矢量化入庫(kù)，在這過(guò)程中我們應(yīng)當(dāng)注意以下 問(wèn)題：將提取圖與已有地形圖進(jìn)行對(duì)比分析，剔出有誤信息，再將圖像進(jìn) 行聚類(lèi)統(tǒng)計(jì)、過(guò)濾分析、去除分析以去除大量小多邊形，最后對(duì)圖像進(jìn)行 平滑處理防止產(chǎn)生大量的“島”多邊形。經(jīng)過(guò)上述處理后的圖像我們可以 在g i s 的支持下添加屬性信息、編碼后入庫(kù)。 ( 2 ) 對(duì)相鄰時(shí)相的相同地物進(jìn)行g(shù) i s 疊加分析、面積量算 通過(guò)對(duì)相鄰時(shí)相的相同地物進(jìn)行變化檢測(cè)，提取出變化信息，如圖4 1 3 所示。最后對(duì)變化圖像再進(jìn)行上面的矢量化處理入庫(kù)，借助g i s 功能對(duì)變 化區(qū)域進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)。 1 9 9 5 年水體提取圖 2 0 0 1 年水體提取圖 1 9 9 5 2 0 0 1 年水體變化圖 圖4 一1 31 9 9 5 - 2 0 0 1 年水體變化監(jiān)測(cè) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 礦區(qū)土地資源的時(shí)空演變分析 5 1 礦區(qū)土地變化時(shí)空特征分析 時(shí)空分析的基礎(chǔ)資料來(lái)源于地形圖，統(tǒng)計(jì)資料、歷史資料和遙感數(shù)據(jù) 等。對(duì)這些資料的分析和處理需要一系列技術(shù)方法。己經(jīng)成熟的技術(shù)方法 主要包括數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、遙感方法、地理信息系統(tǒng)方法和模型方法，這些 方法主要用于對(duì)地學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行描述、解釋、預(yù)測(cè)和制定優(yōu)化政策，借助于 g i s 技術(shù)，運(yùn)用空間數(shù)據(jù)分析方法對(duì)時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，可以使數(shù)據(jù) 表征更加直觀和形象。 5 1 1 時(shí)間序列分析 時(shí)間序列的分析其目的是為了了解給定時(shí)段內(nèi)研究區(qū)土地利用地狀態(tài) 在時(shí)間軸上發(fā)生的一系列變化“”，即研究各土地類(lèi)型的數(shù)量、方式和強(qiáng)度 隨時(shí)聞發(fā)生的改變。 5 1 1 1 礦區(qū)土地利用，覆蓋結(jié)構(gòu)變化 礦區(qū)土地利用覆蓋結(jié)構(gòu)變化主要反映其面積總量隨時(shí)間的變化，依據(jù) 上述不同時(shí)期的土地利用覆蓋分類(lèi)結(jié)果，同過(guò)g i s 疊加與統(tǒng)計(jì)分析功能計(jì) 算得各地類(lèi)土地利用結(jié)構(gòu)情況見(jiàn)表5 1 所示。 表5 一l 土地利用覆蓋結(jié)構(gòu) 1 9 7 61 9 8 11 9 9 52 0 0 l 2 0 0 5 類(lèi)型 面積比例面積比例面積比例 面積比例面積比例 ! ! 里：! 墊21 1 坐：! ! 絲2堡璺：!l 絲2垡堡：!( 塹! 堡里：21 絲! 水體】4 8 56 3 8i 5 2 36 5 4 1 0 5 74 5 47