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2014年环境影响评价师《技术方法》精讲笔记47

作者:编辑TAO     文章来源:国和网校    发布时间:2013-08-14    浏览:

  第五步,分类精度评价。

  对计算机分类结果的准确进行分析,通常采用选取有代表性的检验区的方法。检验区一般有三种类型。

  监督分类的训练区大多数遥感图像处理软件,都提供这种检验方法。然而这 种方法往往对分类精度的估计偏髙。其实,训练区只能反映训练地点的同质性和训练类别间的差异性,它并不能真正反映分类结果的准确度。

  指定的同质检验区在选择训练区时,故意多先取一些训练区,在监督分类时, 只使用其中的部分训练区,其余的训练区用于对分类结果进行精度估计。

  随机选取检验区在进行分类的影像上随机抽取检验区,与分类结果图进行对 比,看是否与实际相符。

  (2)地理信息系统。

  ①基本概念。地理信息系统(geographic information system,GIS),是在计算 机支持下,对空间数据进行釆集、存储、检索、运算、显示和分析的管理系统。这里的空间数据指不同来源和方式的遥感和非遥感手段所获取的数据。它有多种数据 类型,包括地图、遥感数据和统计数据等,其共同特点是都有确切的空间位置。

  空间数据是各种地理特征和现象间的符号化表示,包括空间位置、属性特征和 时态特征三个部分。空间位置数据描述地物所在位置,这种位置既可以根据大地参考系定义,如大地经纬度坐标,也可以为地物间的相对位置关系,如空间上的距离、 邻接、重叠、包含等属性数据,又称为非空间数据,是描述地物特征的定性或定量 指标,即描述了地物的非空间组成部分,包括语义与统计数据等。时态特征是指数据釆集或地理现象发生的时刻或时段。在景观动态分析中,时态数据非常重要,越 来越受到科研工作者的重视。

  ②地理信息系统的数据结构。在数据库中数据组织的结构称为数据结构,它 有效地表达各数据项间的关系。在GIS数据库中大致有以下三种数据结构:矢量结 构、栅格结构和层次结构。

  矢量结构主要用于表示在线化地图中,地图元素数字化的数据,基本的数据 元素为点、向量、线段和多边形。

  点(point) 为基本的地图数据元素,由一对(X,坐标表示。在地理信息 系统中,点可以大致分为结点、顶点、实体点、注记点和标号点等。结点(node) 为特殊点,表示线段特征的两个端点,即起点和终点;弧点(vertex)表示线段和 弧段的内部点;实体点(point entity)用来表示一个实体,如城市的中点、油井等 点状实体;注记点主要用来定位注记;标号点(label point)用于记录多边形的属

  性,存在于多边形内或多边形的重心点上。

  向量(vector) 由连接两点而构成,从起点到终点构成一定的方向性。

  线段(line) 由两个结点及两个结点间的一组序点组成,它包括一个或若干 个连续的向量。

  多边形(polygon) 表示面状空间实体的空间分布,是由一条或若干条线段 组成一闭合范围。

  栅格结构栅格数据结构是将连续空间离散化,通常是将工作区均匀地划分为 栅格而构成网格结构,网格的形状有三角形、六边形、正方形、矩形等。人们通常釆用正方形网格,也可以由遥感图像的像元直接构成网格结构。网格单元是最基本 的信息存储和处理单元,网格的行列号隐含了空间实体的空间分布位置,对每个网 格单元记录相应空间实体的属性值。

  层次结构层次结构是为了有效地压缩栅格结构数据,并提高数据存储的效率 而出现的一种新的数据结构。它建立在逐级划分的图像平面基础上,每一次把图像划分为四个子块,故又称为四分树表示法。

  ③地理信息系统的功能。

  空间数据的录入空间数据的录入是地下信息系统首先要进行的任务,包括数 据转换、遥感数据处理、数字测量等。其中已有地图的数字化录入,是目前广泛釆用的手段,但它也是最耗费人力资源的工作。在输入前,首先要对空间数据进行分 层,然后确定要录入哪些图层以及每个图层所包括的具体内容。此外,由于数字化 过程是一个非常耗时的过程,所以不可能一次完成,在两次输入之间的地图位置可 能相对于数字化仪面板而发生移动,造成前后两次输入的坐标发生偏移或旋转。具体解决的方法是,在每次录入之前,利用控制点(ticpoints)对地图进行重新定位, 这样两次输入的坐标,就可以根据定位点坐标间的关系进行匹配。

  一般数字化的方式有两种,即点方式(point mode)和流方式(stream mode)。 点方式是操作人员按下一个键时,釆集一个点的坐标,当输入点状地物时,必须采 用点方式输入;线状地物和多边形地物的输入可以釆用点方式,也可以釆用流方式输入。采用点方式录入时,操作者有选择地录入曲线上的釆样点,一般原则是可以 在曲线较平直的地方少采集釆样点,而在较弯曲的地方适当增加釆样点的数量,以 保证能够反映出曲线的特征;釆用流方式输入地物时,当操作者沿着曲线移动游标 时,计算机自动记录经过点的坐标,可以增加录入的速度。但是,采集点的数量往往比点方式多,从而造成数据量过大,这可以通过一定的采样原则对采样点进行实 时釆样来解决。目前大多数系统釆用两种采样原则:距离流(distance stream)和 时间流(time stream)0采用时间流录入时,当要输入的曲线较平滑时,操作人员 移动游标的速度较快,这样记录点的数目较少;可是当曲线较弯曲时,游标移动较慢,记录点的数目较多。而釆用距离流输入时,很容易遗漏曲线的拐点,使曲线开

  头失真。在实际的输入过程中,可以根据不同的录入对象,而采用不同的录入方式。

  空间数据的查询空间数据的查询是地理信息系统的基本功能之一。在地理信 息系统中,空间数据常用的查询包括两种形式,即由属性数据查找空间位置和由空间位置查找属性数据,也就是人们所说的图形和属性互查。第一类查询是按属性信 息的要求查找空间位置,如在中国植被图上查询暗针叶林的分布状况,这和一般的 非空间的关系型数据库的SQL查询没有什么区别,根据图形和属性的对应关系, 将查询的结果在图上釆用制定的颜色显示出来;第二类查询是根据对象的空间位置查询有关属性信息,绝大多数地理信息软件都提供一个查询工具,让用户通过光标, 用点、线、矩形、圆、不规则多边形等工具选中地物,显示被选中地物的属性列表, 并进行有关统计分析。

  此外,按照地物的空间关系地理信息系统还提供了复杂的查询方式。主要有: 空间关系查询和地址匹配查询。前者主要用于查询满足特定空间关系(拓扑、距离、 方位等)的地物,后者是根据街道的地址来查询地物的空间位置和属性信息,是地 理信息系统特有的一种查询功能。

  空间数据分析是地理信息系统的核心功能之一。地理空间数据库是地理信息 系统进行空间分析的必要基础。根据数据性质的不同,可以将空间分析分为:基于空间图形数据的分析、基于非空间属性数据的分析和基于二者的联合分析。空间分 析通常釆用逻辑运算、数理统计分析和代数运算等数学手段。

  下面着重介绍地理信息系统空间分析的基本功能,包括缓冲区分析、叠加分析、 路径分析以及空间数据的合并和派生等。

  缓冲区(buffer)分析在实际工作中,经常会遇到这样的问题,如需要知道 高速公路通过区都经过哪些居民点。这在高速公路建设中是一个非常重要的问题,因为涉及居民的搬迁问题。在城市规划中,需要确定公共设施(商场、邮局、银行、 医院、车站和学校等)的服务半径等。所有这些问题,均是一个临近度问题,而缓 冲区分析是解决这类问题的最重要的空间分析工具。

  在地理信息系统中,可以对线状、点状、面状地物进行缓冲区分析的缓冲区, 可以是等宽度的或不等宽度的。此外对于线状地物有双侧对称、双侧不对称或单侧缓冲区,对于面状地物有内侧和外侧缓冲区,这要根据具体应用的要求来决定。

  叠加(overlay)分析在绝大多数地理信息系统中,地理空间数据是以图层的 形式来表示的,同一个地区的所有数据图层集表达该地区地理景观的内容,图层可 以用矢量结构点、线、面表示,也可以用栅格结构来表示。叠加分析实际上是将几个数据图层进行叠加,产生新的数据图层的操作过程,新的数据图层综合了原来两 个或多个图层所具有的属性。叠加分析又可以分为点与多边形的叠加、线与多边形 的叠加、多边形与多边形的叠加及栅格图层的叠加。

  点与多边形的叠加即计算多边形对点的包含关系,并进行属性处理,既可以将

  多边形的属性加到其中的点上,也可以将点的信息加到多边形上。通过点与多边形 的叠加,可以得到每个多边形类型里有多少个点,判断点是否在多边形内;此外还可以描述在多边形内部点的属性信息。例如,将辽宁省矿产资源分布图和辽宁省政 区图进行叠加,同时将政区图多边形的属性信息加到矿产的数据表中,可以查询指 定市有多少种矿产、储量有多少;也可以查询指定类型的矿产在哪些市里有分布等。

  线与多边形的叠加通常用于判断线是否落在多边形内。叠加的结果是产生一个 新的数据图层,每条线被它穿过的多边形打断成新弧段图层,同时产生一个相应的 属性数据表记录原线和多边形的属性信息。比如线状图层为河流,经过叠加,我们可以查询任意多边形内的河流长度,计算它的河流密度等。

  多边形与多边形的叠加是gis常用的功能之一。将两个或多个多边形图层进行叠加产生一个新多边形的操作,结果将原来的一个多边形分隔成几个多边形,新图 层中的每个多边形均具有输入图层和叠加图层中多边形的所有属性,然后就可以对 新的图层进行各种空间分析和查询操作。

  栅格图层的叠加栅格数据是地理信息系统中比较典型的一种数据层面,在栅 格地理信息系统中,建立不同数据层面之间的数学联系是GIS的一个典型功能。空 间模拟尤其要通过各种数学方程将不同数据层面进行叠加运算,以揭示某种空间现象或空间过程。在栅格地理信息系统中,可以通过地图代数(map algebra)来实现。它有三种不同的类型:常数与数据层面的代数运算、数据层面的数学变换(指数、对数、三角变换等)、数据层间的代数运算(加、减、乘、除、乘方等)和逻辑运 算(与、或、非、异等)。

  下面给出在长白山工作的一个实例来加以说明(常禹,2001)。长白山温度和 降水与经度、纬度和海拔的数学模型为:

  ^mean=41.882 2+0.105 2.1ong_1.148 6*lat-0.005 4 alt (3-45) Rmean=5 917.206 7-7.150 3o long-102.211 6-lat+0.182 7.alt (3-46)

  式中:long ----- 经度数据层;

  lat——纬度数据层; alt——海拔数据层;

  /mean——年平均温度,°C ;

  空间数据的更新显示地理信息系统的一个重要功能就是数据更新方便快捷。 传统的地图更新需要花费大量的人力和物力,首先要进行野外调查,接着在室内对调查资料进行整理,最后成图。这一过程就意味着,在一个地理区域内的所有地物 均需要重新绘制成图,而不考虑其是否发生变化,从而造成了极大的浪费。运用地 理信息系统,可以只对局部空间数据进行更新,从而给数据的更新提供了极大的方便,也使成本大大降低。

  空间数据的显示是将点、线、面状地物以符号或色彩等形式在计算机屏幕上显示出来,以便于数据的修改和空间查询。

  空间数据的打印输出指将设计好的专题地图在硬拷贝输出设备上打印输出的过程,硬拷贝设备包括点阵打印机、喷墨打印机、激光打印机以及各种绘图仪等, 根据输出设备的不同,可以输出黑白或彩色图件。

  地理信息系统的其他功能地理信息系统还具有对空间数据局部删除、局部截 取和分割等功能。局部删除是应用删除图层将输入图层中相应的地理区域删除,而产生新的结果图层;局部截取是利用截取图层将输入图层中相应的地理区域截取下 来,而产生新的图层;空间数据的分割是运用分割图层将输入图层分割成多个结果 图层的过程。

  ④常用的GIS工具软件。

  a) 国外GIS软件。目前国外开发的地理信息系统软件比较常用的主要来自 两家美国公司ESRI和Maplnfo开发的软件产品。ESRI公司产品主要有PC- Arc/Info、Workstation Arc/Info、Desktop Arc/Info 和 Arc View GIS。PC-Arc/Info 主 要包括 Arcedit、Arcplot、Tables、Networks、Overlay 几个模块。Arcedit 用于图 形的编辑和修改;Arcplot用于空间数据的显示和专题图的制作;Tables用于对属 性数据库进行管理;Networks用于网络分析;Overlay主要用于对空间数据进行 叠加分析。Workstation Arc/Info基本模块提供的功能和微机版Arc/Info的功能相 当。其他7些实现特定功能的扩能模块,包括TIN (地面立体模型的生成、显示 和分析)、GRID (针对栅格数据的分析处理模块)、ArcScan (扫描矢量化模块)、 COGO (处理空间要素的空间关系)、ArcPress (图形输出模块)和ArcSDE (空 间数据引擎);ArcCatalog (对元数据的定位、浏览和空间数据管理)、ArcToolbox (常用数据分析处理功能组成的工具箱)。ArcView GIS是桌面地理信息系统,实 现了对地图数据、属性数据、统计图和开发语言等多种文档的管理。此外,还提供了一些扩展模块,包括Spatial Analyst (栅格数据的建模分析)、Network Analyst (网络分析)、ArcPress (制图输出)、3D Analyst (利用DEM实现三维立体透视图)、 Image Analyst (影像分析处理)、Tracking Analyst (直接接收和回放实时数据,实 现对GPS的支持)。

  Maplnfo Professional是Maplnfo公司的主要软件产品,支持多种本地或远程数 据库,较好地实现了数据的可视化,可以生产各种专题地图。此外还可以进行空间查询和一些简单的空间分析运算,如缓冲区分析等。该公司还推出了对Maplnfo Professional进行二次开发的MapBasic语言,釆用与Basic语言一致的语句和函数, 便于用户掌握,通过二次开发,能够扩展MapBasic的功能,并和其他应用系统集成。

  b) 国产GIS软件。国产GIS软件近年来发展很快,参加国产地理信息系统软 件2001年测评的软件已达43个,其中基础软件5个,桌面软件1个,专项工具软

  件13个,应用软件24个。比较优秀的软件在技术和市场上均有明显的竞争力。下面介绍几种目前应用较广的国产地理信息系统软件。

  MapGIS是由中国地质大学开发的地理信息系统软件,其功能模块包括:数据输入模块,数学化仪、扫描仪、GPS输入;数据处理模块,矢量数据的编辑修改、错误检查、投影变换等;数据输出模块,空间数据和属性数据的打印输出; 数据转换,与其他系统间的数据交换;数据库管理,空间库和属性库的管理;空 间分析,叠加分析、网络分析、DTM分析;图像处理,影像配准、镶嵌、处理分 析;电子沙盘模块;生成三维地形立体图;数字高程模型,DEM的生成及其相应 的操作分析。

  GeoStar是由武汉测绘科技大学开发的地理信息系统软件,其功能模块包括: GeoStar,是系统的核心,包括从数据输入到制图输出的整个GIS工作流程;GeoGrid, 数字地形模型和数字正射影像的处理和分析;GeoTin,建立TIN和DEM,进行相 关分析运算和三维立体图的生成;Geolmager,遥感影像的处理和制图; GeoImageDB,建立多尺度的遥感影像数据库系统;GeoSurf,因特网空间信息发布系统;GeoScan,图像扫描矢量化模块。

  CityStar是由北京大学开发研制的地理信息系统软件,其功能模块包括:编辑模块,空间数据的录入、编辑、修改;查询分析模块,空间数据的查询、分析和管 理;制图模块,专题地图的修饰、地图符号制作及影像地图制作等;扫描矢量化模 块,线画地图的扫描输入;可视开发模块,包括OCX控件,便于用户进行二次开 发;遥感图像处理模块,遥感影像的纠正、增强、变换、分类等;数字地形模块, DEM的生成及其相关运算;三维模块,生产三维地形模型;GPS模块,GPS数据 的接收、显示和分析。

  总之,上述软件都是针对各自特定的领域开发的,在应用到生态评价中时,针 对性都不强,或者说比较适用于解决部分问题。生态学家还应发展适于自己使用的软件。

 

 

 

 

     

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