荒漠化監(jiān)測(cè)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)

荒漠化監(jiān)測(cè)生態(tài)環(huán)境學(xué)院水土保持與荒漠化防治學(xué)科主講：楊光2009年9月荒漠化監(jiān)測(cè)是對(duì)地球表面或其上的某一地區(qū)的荒漠化現(xiàn)象進(jìn)行定期或不定期的觀測(cè)、最終以某種媒介形式進(jìn)行表述、評(píng)價(jià)的行為，因而荒漠化監(jiān)測(cè)（特別是遙感監(jiān)測(cè)）必然涉及地球形狀、地球參數(shù)、地圖投影系、比例尺與分幅、“3S”技術(shù)等一系列問題。因此，我們首先從與荒漠化監(jiān)測(cè)相關(guān)的幾個(gè)問題入手，逐漸過渡到荒漠化監(jiān)測(cè)問題本身。第二章荒漠化監(jiān)測(cè)的理論與

技術(shù)基礎(chǔ)地球表面的復(fù)雜性使認(rèn)識(shí)和表述地球的形狀非常不易?，F(xiàn)在的地球形狀是由大地水準(zhǔn)面決定的。所謂的大地水準(zhǔn)面是指假設(shè)將海水引入陸地后形成的有一定水面高的面，但其形狀不易為數(shù)學(xué)公式所表述，因而用橢圓體進(jìn)行近似。這樣，作為地圖對(duì)象的地球形狀就成為以沿橢圓短軸為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而成的橢球面。這一形狀既是地圖學(xué)的基礎(chǔ)，也是我們進(jìn)行荒漠化監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。2.1地球形狀及地球參數(shù)

2.1.1地球形狀2.1.2地球參數(shù)在近似地確認(rèn)了地球形狀之后，就可以用地球參數(shù)（長半軸a，短半軸b，離心率e，扁平率f）來描述地球形狀了。一般地，世界各國都是以自己的國家為中心測(cè)定和計(jì)算地球參數(shù)的，迄今為止的地球參數(shù)有20余種。即使是在選定了地球橢圓體之后，也還存在一個(gè)選定的橢圓體如何與實(shí)際地球匹配、定位的問題。因此，在從事荒漠化監(jiān)測(cè)，不僅要注意各國所采用的基準(zhǔn)橢圓體（ReferenceEllipseid），而且還要注意該基準(zhǔn)橢圓體與地球的相對(duì)位置關(guān)系。離心率定義為橢圓兩焦點(diǎn)間的距離和長軸長度的比值。

各種地球橢圓體的形狀參數(shù)表測(cè)算者發(fā)表年代長半軸（m）短半軸b（m）扁平率f離心率eDelambr006356103.00327.6239980.07807203Eberesl006356103.00300.8020380.08147294Eberesl356356075.41300.8017000.08147298Besse166356078.96299.1528130.08169683Clark406356584.00294.9814270.08227147Clark156356515.00293.4663000.08248315Harknes006356727.00300.2000000.08155303Helmerl19016378200.006356818.00298.3000000.08181366Hayford19066378388.006356912.00297.0007450.08199179Willisch19156378372.006356896.00297.0000000.08199189國際基準(zhǔn)橢圓19246378388.006356912.00297.0000000.08199179Heiskanen19266378397.006356921.00297.0000000.08199173Krassowskij1940,19426378245.006356863.00298.2997380.08181337Fisher19606378163.006356781.29298.3000000.08181333IAU-6419646378160.006356775.00298.2500000.08181964IAU-6719676378160.006356774.52298.2471670.08182057WGS-7219726378135.006356750.52298.2600000.08181881NWL-9D19736378145.006356759.77298.2500000.08182018SAO-SE319736378140.006356755.22298.2560000.08181936IAU-7619766378140.006366755.29298.2570000.08181922GRS-8019806378137.006356755.00298.2570000.08181406GRS-80改訂19846378136.006356751.03298.2570000.08181974WGS-8419866378137.006356752.31298.2572230.08181919在荒漠化監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查等涉及制圖的工作中，一般是按如下原則考慮和選擇地球形狀和參數(shù)的：（1）繪制世界地圖、各大洲地圖等以廣泛地域?yàn)閷?duì)象區(qū)域的小比例尺地圖時(shí)，可視地球?yàn)榘霃?370km的球體；（2）繪制100km2以內(nèi)地域的單幅地圖時(shí)，可將地表面作平面處理；（3）繪制中、大比例尺地圖時(shí)，一張圖幅的對(duì)象地域雖然狹小，但如果需要對(duì)廣大地區(qū)進(jìn)行地圖拼接時(shí)就得將地球作為橢球體考慮。對(duì)于必須保證精度的小比例尺地圖，也需如此處理。

荒漠化制圖方法的規(guī)范與否決定了制圖質(zhì)量及制圖的效率，尤其是制圖編碼的標(biāo)準(zhǔn)化減少了數(shù)據(jù)匯總的難度。2.2地圖投影地圖是將呈球面的地球表面在片面上進(jìn)行表示的一種圖示形式。地球是一個(gè)龐大的球體，如果只是考察地球表面上相當(dāng)狹小的某一范圍時(shí)，是可以近似作為平片面處理的。但當(dāng)考慮面積增大到某個(gè)省、某個(gè)國家、某大陸乃至世界地圖時(shí)，就象把一個(gè)乒乓球破開、壓平時(shí)必然產(chǎn)生破裂或褶皺一樣，地球的形狀、大小和相互關(guān)系無法得以正確表示，必然產(chǎn)生許多誤差。盡可能減少誤差以便將地物的形狀、位置在平面上進(jìn)行表示的方法，稱為地圖投影。地圖投影就是在平面上將地球上的經(jīng)緯度線加以表示的一種方法。

某地經(jīng)緯度地圖橫縱坐標(biāo)地圖投影2.2.1地圖投影變形在地圖投影時(shí)，把球面上的經(jīng)緯線網(wǎng)轉(zhuǎn)換到投影平面上，轉(zhuǎn)換后的地圖上的經(jīng)緯線網(wǎng)格必然產(chǎn)生變形，這種變形稱為地圖投影變形。這種變形主要反映在三個(gè)方面，即長度變形、面積變形和角度變形。長度變形指投影后地圖上不同地點(diǎn)和不同方位上的地球表面實(shí)際距離與相應(yīng)圖面距離的比值（比例）各不相同，從而無法從地圖上量算和比較不同地點(diǎn)和不同方位的景物之間的距離的變形。對(duì)于反映廣大區(qū)域的小比例尺地圖來說，在投影中心（中央經(jīng)線、基準(zhǔn)緯線、基準(zhǔn)大圓、基準(zhǔn)小圓）處可以獲得正確的比例尺，而在其它區(qū)域就得不到正確的比例尺。離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，長度變形越大；即使是同點(diǎn)，不同方向上的長度變形也是各異的。面積變形是指投影所得地圖上的面積比例隨地點(diǎn)而改變，其結(jié)果是導(dǎo)致不能在地圖上量算和比較景物所占的面積。角度變形是指地圖上角度同相應(yīng)景物在球面上的相應(yīng)角度不相等，例如在地球儀上成直角的經(jīng)線和緯線，在地圖上經(jīng)緯線不成直角。要完全消除投影變形是不可能的。投影時(shí)只能根據(jù)地圖的應(yīng)用目的，犧牲上述三個(gè)變形中某個(gè)方面的精度要求，設(shè)計(jì)、開發(fā)或選擇可保證地圖應(yīng)用精度要求的地圖投影方法。為此，目前的地圖投影法已多達(dá)千種以上。一般地，大型地理信息系統(tǒng)軟件都支持幾種常用的地圖投影法，市面上也有專門進(jìn)行地圖投影轉(zhuǎn)換的軟件出售。2.2.2地圖投影的分類（1）根據(jù)地圖投影變形性質(zhì)的分類①等距離投影②等面積投影③等角投影④任意投影對(duì)等距離、等面積、等角度投影而言，等距離要求只能在地圖上的一小部分內(nèi)實(shí)現(xiàn)，即使是在等角、等面積圖中也可以實(shí)現(xiàn)。但等角、等面積條件卻不可能在同一張圖上實(shí)現(xiàn)，等角、等面積要求互相沖突，等面積的獲取是以犧牲等角為代價(jià)；反之，等角的獲得又以犧牲等面積為代價(jià)的。（2）根據(jù)投影面與球面位置關(guān)系的分類在地圖投影中，首先將不可展的球面投影到一個(gè)可展的曲面上，然后將曲面展開成平面，從而得到不同投影。其中，投影曲面可以是圓柱面、圓錐面及平面；投影面和地球的位置關(guān)系既可以是投影面同地軸垂直又可以是重合或斜向相交。根據(jù)投影面與地球表面的相交關(guān)系，可對(duì)地圖投影進(jìn)行如下分類：①方位投影②圓柱投影③圓錐投影不同投影的投影面和球面的關(guān)系圖

2.2.3地圖投影的選擇采用什么樣的投影方法作圖，是制圖工程中必須最初決定的內(nèi)容。選擇投影方法時(shí)必須考慮地圖的應(yīng)用目的、比例尺、對(duì)稱地域的形狀、面積、緯度等因素，此外也需考慮投影計(jì)算、經(jīng)緯線作圖難易、展開后編輯工作是否便利等因素。不管是多么理想的投影方法，如果它計(jì)算繁復(fù)、經(jīng)緯線形狀復(fù)雜以至于影響以后的編輯工作，那么也不能采取這樣的投影方法。當(dāng)然，如果是應(yīng)用計(jì)算機(jī)制圖就另當(dāng)別論。此時(shí)應(yīng)主要考慮投影方法的適宜性。（1）根據(jù)比例尺進(jìn)行選擇：①大、中比例尺地圖：由于作圖范圍是幾乎可以不考慮圖形變形的狹小區(qū)域，國土基本圖、地形圖、地勢(shì)圖、城市規(guī)劃圖、比例尺在一至二萬分之一的地圖、以及測(cè)量中所用的平面直角坐標(biāo)等，可主要應(yīng)用橫軸圓柱等角投影法（橫軸麥卡托投影）或多面體投影法。日本以前的地形圖多用多面體投影法，現(xiàn)在則主要使用國際橫軸麥卡托投影法。②小比例尺地圖：五十萬分之一以下的地圖、大區(qū)地圖、省區(qū)地圖、國土態(tài)勢(shì)系列地圖、百萬分之一的國際地圖等，一般應(yīng)用多圓錐投影、等角圓錐投影等。（2）根據(jù)地圖使用目的進(jìn)行選擇地圖，一般可分為一般地圖與特殊地圖兩類。對(duì)于一般地圖，可在考慮地圖比例尺、對(duì)象區(qū)域形狀、緯度等條件的基礎(chǔ)上選擇投影方法；但對(duì)于特殊地圖就必須選擇特殊的投影方法。如：①航空?qǐng)D：等角圓錐投影、等角圓錐投影等；②航海圖：麥卡托投影；③大圈航海圖、無線方位探察圖：心射投影；④統(tǒng)計(jì)圖：各種等面積投影方法。2.2.4投影轉(zhuǎn)換實(shí)際從事荒漠化監(jiān)測(cè)時(shí)，在下述一些情形下可能要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換：（1）從事跨區(qū)域的荒漠化監(jiān)測(cè)工作，而不同的區(qū)域又采用的是不同的投影系時(shí)。此時(shí)，為了綜合制圖，就需要把不同的投影系統(tǒng)一到某一種投影系上；（2）監(jiān)測(cè)中擬使用不同時(shí)期的圖形資料，而兩個(gè)或幾個(gè)時(shí)期的地圖投影又不同，此時(shí)也需要進(jìn)行投影系轉(zhuǎn)化，投影系統(tǒng)一后才能混合使用這些資料；（3）當(dāng)監(jiān)測(cè)是由小區(qū)域的大比例尺做起，最后匯總到省（區(qū)）乃至全國一級(jí)時(shí)，也必須進(jìn)行投影系的轉(zhuǎn)換工作；（4）GPS使用的是地心坐標(biāo)系（WGS-84），使用時(shí)如果所用的接受器沒有將WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為你正在使用的坐標(biāo)，也必須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；（5）雖然同為衛(wèi)星定位系統(tǒng)，但美國的GPS（WGS-84）與前蘇聯(lián)的GLONASS（SGS-85）卻采用的是不同的坐標(biāo)系。當(dāng)需要同時(shí)使用這兩種全球定位系統(tǒng)以提高精度時(shí)，就需要進(jìn)行投影系的轉(zhuǎn)換工作。2.2.5我國主要應(yīng)用的投影方法：

高斯––克呂格投影

高斯––克呂格投影是等角橫切圓柱投影。它假設(shè)一個(gè)橢圓柱面橫切在橢球面的一條子午線（中央經(jīng)線）上，橢圓柱的中心軸通過地球橢球中心，然后按等角條件將中央經(jīng)線兩側(cè)一定正負(fù)差范圍內(nèi)的區(qū)域投影到橢圓柱面上，再將橢圓柱面展平而得到的投影（圖a）。其投影坐標(biāo)關(guān)系為，以中央經(jīng)線的投影作為X軸，赤道投影作為Y軸，兩軸交點(diǎn)O為原點(diǎn)，其經(jīng)線和緯線的投影均為曲線（圖b）。高斯－克呂格投影示意圖

這種投影中的中央經(jīng)線投影為直線，其長度等于球面實(shí)際長度，沒有變形，其余經(jīng)線為向極點(diǎn)收斂的弧線，距中央線越遠(yuǎn)，變形越大。為使邊緣變形不致過大，采用分帶投影的方法。以6°投影帶為例，赤道上邊緣部分的最大長度變形不大于0.14%，面積最大變形不大于0.27%。我國處于中緯度地帶，其變形數(shù)值更小。因?yàn)?°帶是從西向東每6°為一帶，全球共分60個(gè)帶，依次編號(hào)1～60。我國位于13帶至23帶之間（如下圖）。高斯－克呂格投影分帶示意圖高斯––克呂格投影的主要優(yōu)點(diǎn)為：①等角性質(zhì)，適于系列比例尺地圖的編制與使用；②經(jīng)緯網(wǎng)與直角坐標(biāo)的偏差不大，便于閱讀使用；③計(jì)算工作量小，直角坐標(biāo)和子午收斂角值只需計(jì)算一個(gè)帶，全球可通用。因此，我國各種大中比例尺地形圖均采用該投影方法。其中萬分之一地形圖采用3°帶，二萬五千分之一至五十萬分之一地形圖采用6°帶。此外，目前世界大多數(shù)國家的地形圖也都使用此種投影方法。2.3比例尺與地圖分幅按比例尺的大小可以將地圖分為大、中、小比例尺三類，具體標(biāo)準(zhǔn)如下所示：大比例尺地圖：比例尺大于或等于1:10萬的地圖；中比例尺地圖：比例尺在1:10萬到1:100萬的地圖；小比例尺地圖：比例尺在小于或等于1:100萬的地圖?；颈壤叩匦螆D的分幅、編號(hào)是在國際規(guī)定的1:100萬地形圖基礎(chǔ)上，按經(jīng)緯度進(jìn)行分幅和編號(hào)的。2.3.11:100萬地圖的分幅與編號(hào)

百萬分之一國際標(biāo)準(zhǔn)圖幅按緯差4°、經(jīng)差6°劃分。即從赤道起向兩極，緯差6°為一列，依次用字母A、B、C、D、……S表示，經(jīng)度從180°算起自西向東，每經(jīng)差6°為一行，依次用1、2、3、……60表示（如下圖）。編號(hào)的書寫順序是列號(hào)在先、行號(hào)在后，二者之間劃一短線。比如：北京在百萬分之一地圖上是處于第J列、第50行，故其編號(hào)為J－50。1:100萬地圖的分幅與編號(hào)圖2.3.21:50萬、1:20萬、1:10萬地圖的分幅與編號(hào)這三種比例尺地圖的分幅、編號(hào)是在百萬分之一地圖的基礎(chǔ)上按一定經(jīng)差和緯差進(jìn)行劃分的，劃分后分別在百萬分之一地圖的分幅編號(hào)后加上各自的代號(hào)；（1）1:50萬地圖：按經(jīng)差3°、緯差2°進(jìn)行劃分，即一幅百萬分之一的地圖可劃分為四幅五十萬分之一的地圖，后綴編號(hào)為A、B、C、D等，如J－50－A；（2）1:25萬地圖：按經(jīng)差1°、緯差40′劃分，共可劃分出36幅圖。后綴編號(hào)是用帶括號(hào)的自然數(shù)序列（1到36）從左到右、從上到下排列的。如J－50－（3）；（3）1:10萬地圖：按經(jīng)差30′、緯差20′進(jìn)行劃分，共可劃出144幅圖。后綴編號(hào)是用不帶括號(hào)的自然數(shù)序列（1到144）從左到右、從上到下排列的。如J－50－5。1：50萬、1：20萬、1：10萬地形圖分幅編號(hào)示例圖

2.3.31:5萬、1:2.5萬、1:1萬地圖的分幅與編號(hào)這三種比例尺的地圖都是在1:10萬地圖的基礎(chǔ)上按一定經(jīng)差和緯差劃分，然后分別在該1:10萬地圖分幅編號(hào)的后面加上各自的分幅編號(hào)的。（1）1:5萬地圖：將一幅十萬分之一的地圖劃分為四幅五萬分之一的地圖，然后在該十萬分之一地圖編號(hào)的后面綴以A、B、C、D等，如J－50－5－B；（2）1:2.5萬地圖：將一幅五萬分之一地圖劃分為四幅二萬五千分之一的地圖，然后在該五萬分之一地圖編號(hào)的后面綴以1、2、3、4等，如J－50－5－B－4；（3）1:1萬地圖：將一幅十萬分之一地圖劃分為五十四幅萬分之一的地圖，然后在該十萬萬分之一地圖編號(hào)的后面綴以帶括號(hào)的1、2、3、……54。如J－50－5－（15）。1：5萬、1：2.5萬、1：1萬地形圖分幅編號(hào)示例圖2.4地形圖選擇匹配及TM圖像處理技術(shù)

2.4.1地形圖選擇匹配在圖像處理的同時(shí)，必須建立一套正確的解譯方法。衛(wèi)星影像的目視解譯，涉及植被本身和氣候資源、地貌資源、地表水資源以及土地利用等各個(gè)方面。因此必須采用多學(xué)科相結(jié)合的綜合性解譯方法。2.4.2TM圖像處理技術(shù)——荒漠化監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)（1）系統(tǒng)建立的目的和意義：遙感技術(shù)以其多平臺(tái)、多層次、多波段、短周期、低價(jià)格等特點(diǎn)，已廣泛用于資源、環(huán)境、生態(tài)研究的眾多領(lǐng)域，是獲取實(shí)時(shí)性資料的重要手段。為了從大量遙感數(shù)據(jù)中獲取我們監(jiān)測(cè)荒漠化所需要的重要信息，建立荒漠化監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)是必須的，也是必要的。（2）荒漠化監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)的構(gòu)成及功能荒漠化監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)的構(gòu)成：①硬件組成：SGI系列工作站，CHALLENGE服務(wù)器，OCTANE1，OCTANE2等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。HP750CM噴墨繪圖儀、磁帶機(jī)等輸入輸出設(shè)備。②軟件組成：ER—MAPPER5.1、ERRDAS8.3等圖像處理軟件?；哪O(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)的功能如下圖所示。目前，我們正利用該系統(tǒng)進(jìn)行荒漠化監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)的處理工作，并將不斷完善。荒漠化監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)處理信息系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)輸入幾何校正圖象信息增強(qiáng)信息特征提取結(jié)果輸出圖象自動(dòng)分類荒漠化監(jiān)測(cè)遙感數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)示意圖

（3）荒漠化監(jiān)測(cè)的TM圖像處理技術(shù)

①

TM圖像的特點(diǎn)：TM圖像是目前人們廣泛應(yīng)用的航天遙感圖像，概括地說，它具有如下特點(diǎn)：較高分辨率，30米×30米；波段信息大，有7個(gè)通道；覆蓋面大，每景185km×185km；獲取速度快；幾何精度高，利于計(jì)算機(jī)處理，分類能力好；價(jià)格中等。

②

TM圖像處理技術(shù)：我們進(jìn)行圖像處理的目的主要是為了在大范圍內(nèi)掌握荒漠化的情況，能夠全面、迅速地提供信息，輸出高質(zhì)量的圖像，為目視判讀和分類提供依據(jù)。我們的基本思路如下圖。選擇信息源幾何校正波段組合圖像增強(qiáng)、拉伸變換加載地理信息提取有關(guān)信息分類、制圖輸出TM圖像處理流程圖代號(hào)地類TM4，5，3假彩色合成圖像影像特征11水田紅（稻熟期）或藍(lán)黑色（未種稻，但有水），邊界清淅，色調(diào)均勻，規(guī)則塊狀12