（地球探测与信息技术专业论文）gis和遥感技术下宜生指数模型研究.pdf

摘要 通过分析宜生指数模型所需数据的信息特征，对土壤类型、草地 类型、地形、地上生物量等信息的遥感提取方法进行研究。利用g i s 和r s 技术，解析锡林郭勒盟草地蝗虫监测调查数据和历年虫害发生 资料，探索蝗虫适宜性分布和生态环境因子之间的深层关系。本文主 要研究内容如下： 研究传统模型解析存在的问题，提出智能化模型构建原理和方 法，将模型的定义与方法分离，建立基丁二接口技术的动态模型生成器。 通过接口与协议完成模型的藿构和计算。满足蝗虫测报模型的多冈子 分析和不确定性问题。 以遥感作为生境因子信息提取的途径，摸清生境因子与草地蝗虫 种群的发生、繁育之间关系的机理，对蝗虫发生与土壤类型、草地类 型、地上生物量、地形等生境冈子的适宜性做出评价，并给出相应宜 生指数、建立宜生指数评价模型。 利用遥感与地理信息系统领域的新技术和新方法，将宜生指数属 性空间化，实现多源信息复合。从空问上对生境适宜性进行评价，利 用评价结果反映未来蝗虫发生的潜在可能性。利用宜生指数模型，生 成基于像元的锡林郭勒盟宜生指数图和草地蝗虫密度图。 关键词宜生指数模型遥感提取方法地理信息系统模型生成器 生境因子 a b s t r a c t t h r o u 幽ta n a l y z i n gt h ed a t a si n f oc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e lo f i n d e xo ff i t t i n gh a b i t a t ，t h er e m o t es e n s i n ge x t r a c t i n gm e t h o d sf o rt h e t y p eo fs o i l ，t h et y p eo fg r a s s l a n d ，t h ed r i e dm a t e r i a l ( d m ) o fo v e r g r o u n d a n dt e r r a i na r es t u d i e d a l s o ，t h em o n i t o r i n ga n di n v e s t i g a t i n gd a t aa n d c o l l e c t e dd a t ao fx i l i n g u o l e m e n ga r ea n a l y z e da n d t h ed e e pr e l a t i o n s h i p b e t w e e nd i s t r i b u t i o na n dh a l 9 i t a t sa r ee x p o r e d ，u s i n gg i sa n d r s t e c h n o l o g y t h em a i ns t u d yc o n t e n t si nt h ed i s s e r t a t i o na r e a sf o l l o w s ： s t u d yo fp a r s eo ft r a d i t i o n a lm o d e l s ，m n gt h e o r ya n dm e t h o d so f d e s i g n i n gi n t e l l i g e n t i z e dm o d e l sa p a r to fd e f i n i t i o na n dm e t h o d s i ti s c o n s t i t u t e dm o d e lb u i l d e rb a s e do nc o n n e c t e dt e c h n i q u e t h er e b u i l da n d c a l c u l a t i o no ft h em o d e li sc o m p l e t e db yc o n n e c t i o na n da g r e e m e n ti n o r d e rt om e e ts e v e r a lf a c t o r sa n a l y s i sa n du n c e r t a i np r o b l e m s u s i n gr e m o t es e n s i n ga sa l la p p r o a c ht h a te x t r a c t si n f of r o mt h e f a c t o ro fh a b i t a t s t u d yo fh a b i t a to fg r a s s h o p p e r , o c c u r r e n c eo f g r a s s h o p p e rc o m m u n i t y a n db r e e d i n g i ti se v a l u a t e dt h et y p eo fs o i l ，t h e t y p eo f g r a s s l a n d ，t h ed r i e dm a t e r i a l ( d m ) o f o v e r g r o u n da m d t e r r a i n ；a n d 蜥n gac o r r e s p o n d i n gf i t t i n gi n d e x ，s e tu pa ne v a l u a t e dm o d e lo ff i t t i n g h a b i t a t s t u d yo fn e wt e c h n i q u ea n dm e t h o db yr e m o t es e n s i n ga n dg i s ， w h i c hi st oa c h i e v ei n d e xf i r i n gh a b i t a te x t e n s i v e l ya n dm u l t ii n f o e o m p o s t i n g f r o ms p a c e ，e v a l u a t ef i t t i n g h a b i t a to fg r a s s h o p p e r ，a n d f o r e c a s tp o s s i b i l i t yo fo c c u r r e l l c eo fg r a s s h o p p e r t h em a i nc o n t e n t s i n c l u d em a k i n gam a pa b o u tf i t t i n gh a b i t a ta n dd e n s i t yo fg r a s s h o p p e ri n b a s e do np i c t u r ee l e m e n to fx i l i n g g u o l e k e y w o r d s t h em o d e lo fi n d e xo ff i t t i n gh a b i t a t ；r e m o t es e n s i n g e x t r a c t i n gm e t h o d s ；g i s ；m o d e lb u i l d e r ；t h ef a c t o ro f h a b i t a t u 原刨性声明 本人声明，所呈交的学位论文足本人在导师指导f 进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均己在在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：2 生年三月盟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校町以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名毕摊名拉啉必j 月手日 中南夫学碗p 论文第一章堵论 第一章绪论 1 1 草原蝗虫测报模型研究现状 1 1 1 国内外蝗虫测报模型研究现状 2 0 世纪8 0 年代未，固外己开始应用g i s 和r s 等技术对争地蜱虫的种群动念进 行监测，建丘相应的方法和模型。澳大利亚号家k i mp b r y c e s o n 用l a n d s a t m s s 数据，在建芷了蜱虫产卵调查资料与植被指数之问相关关系的基础上，进行 澳大利哑新南威尔士省的沙地蜱虫产卵分布评价，以预测后续年份蜱虫发， i 状况 。联合围粮农组织的j u h i e l k e m a 和j r o f f e y 等利用n o a a a v h r r 资 料进行了1 9 8 0 1 9 8 1 年西 蜱灾大暴发时期蜱虫生境评价方面的研究“1 ，他们认 为该地区绿色植物的，物龟与降水关系密切，而蜱虫密度又与植物生物鼍相天， 为此，他们采用归一化植被指数( n d v i ) 提取生物鼍信息，在此基础上提出用f 指示生境变化和蜱虫发生潜在可能性的计算模型。此外，遥感技术在蜱虫监测方 面的研究也得以陆续开展。如l m c c u l l o c h 、d m h u n t e r 等采用1 9 8 1 年 l a n d s a t m s s 资料并进行4 、5 、7 波段的假彩色合成。通过目视判读方法进 行澳大利亚东部地区成灾蜱虫的生境分类”1 。 2 0 世纪9 0 年代初，g i s 技术只趋成熟和普及，推出了不少成功的商业化g i s 软件，空间分析和应用模型逐步完善，生物学家们开始应用g i s 作为蜱虫研究中 进行数据分析的辅助工具，尤其足用于研究蝗虫种群动态与各类生态环境因子之 问的关系。a l e x a n d r e v l a t c h i n i n s k i i 在西伯利亚东部地区的研究可以说是遥感与 g i s 应用于蜱虫研究的一个典型范例“3 ，他利用g i s 进行相关专题地图、历年蝗 虫调查图、调查样地资料( 1 9 3 0 - - 1 9 9 5 ) 等的数据管理、提取和分析，研究该地 区草地蜱虫种群动态与生境因子问的关系，所使用的专题地图涉及地形、土壤、 植被、土地利用、草场等多个方面。这类研究的一个显著特点是针对草原地区的 草地蝗虫进行，原因町能足由于草地蜱虫迁移能力弱，更容易受地形、土壤、上 地利用状况等相对稳定的因f 影响，这类因子的数据主要来自各类号题地图；相 反，主要分布于沙漠地区和农区的“飞蝗”具有较强的选择和适应环境的能力， 对动态生境要素的变化更为敏感，丽这类动态要素的信息往往需利用遥感加以监 测。s c h e l lsp 和l o c k w o o dj a ( 1 9 9 7 ) 利用g i s 分析了美国w y o m i n g 地区3 1 年的蜱 虫发生与分伟调查数据，分析了蝗灾发生的空间分布及变化特征，以确定易发， 蜱灾的地方，进行蜱虫种群动态与相关生态因子之问的空间关联分析，并建苞了 中南大学硕i + 论芷第一章绪论 由坡度、土壤深度和上壤侵蚀度3 个变量描述的蜱虫易爆发区的刚旷i 模型“1 。 9 0 年代中后期至今，生物学家们利用7 物数量分析方法定量地研究了蜱虫发 生与，l 念环境因子之间关系的机理片成功地建芷了一些预测模型。目前这方面的 模犁钉近1 0 种之多，大致可分为3 类，即，物模型、统计模掣和机理模型。当前 我国广大牧区备葶地管理部门普遍采用的足“有效基数预测模型”，属生物模型。 相比之下，统计模型种类更为丰富，国内外现肓的统计模型包括备类相关模型( 如 蜱虫密度与气候因子的相关模型) 、马尔柯夫链模型、环境闽值模型、灾变理论 模型等。 1 1 2 蝗虫灾害测报模型国内研究进展 在图内这方面的研究刚刚起步，技术还不很成熟。这方面的研究工作也有报 道。南京师范大学在遥感与g i s 支持下，进行了环青海湖地区草地蝗虫测报方法 与模型研究”1 ，以环青海湖地区这一蜱灾高频发生的生态脆弱区作为研究区，用 遥感、g i s 等现代技术手段，对影响蜱虫发生的地形( 海拔、坡向、坡度) ”1 、土 壤( 类璎、质地、水分含量、p h 值) 、植被( 类型、结构) 、气候条件( 关键生长 期的气温、降水) 4 1 等主要生境因子进行动态监测，并建芷多级模糊综合评判预 测模型，实现对草地蜱虫发生的预测，利用模糊聚类模型进行蜱虫生境划分。 在蜱虫灾害的预测研究方面，国内现有研究主要集中在从生物学角度来探讨 蜱虫灾害的发生规律，即主要从蜱虫的生活史着手研究蜱虫发生规律及其成灾机 理。如根据宽须蚁蜱的生活史、生活习性及发生与气象因素之间的关系，建立 了发生期和发生量与温度和降水的回归预测公式“。康乐等利用聚类分析、主成 分分析等多种数学分析方法进行蝗虫种群数量、生物垦和能值的比较，以研究不 州蜱虫种在生态系统中的地位和作用以及种群动态和种群问相互关系m 】。根据狭 翅锥蜱的发生规律，气象因素对发生期的影响，建立了温度和降水量与l 龄蝗虫 发生高峰期的回归预测公式，并总结了发生期与气候的关系，测定了各龄蝗卵的 发育起点温度和有效积温“”。 近年来，随着g i s 、r s 技术的广泛应用，国内学者也已丌始研究如何通过蝗 虫灾害的监测来减轻和控制蝗灾最大限度地挽刚经济损失，建壶= 蜱虫区域性地理 信息系统数据库，综合应用”3 s ”技术调查和评估蜱虫发生地的景观特征及其影响 的芙键因f ，建立蜱虫实时监测网络系统“”。对不同生态地理区成灾蜱虫的种类、 发生期、发生量及发生程度进行系统监测，以研究成灾蜱种的中长期测报技术： 研制实用的计算机预测模型，包括不同时空尺度、种群不f | 司发育阶段的时空动态 模型、成灾蜱虫的物候学模型等，以对蜱虫的迁飞、定向以及发生趋势、范围等 作出精确预测，为科学决策提供依据“”。 2 j 由 等角度，对有效荜数预测法模型、灾变理论模型和二态马尔柯夫链模型进行了分 析比较。在此基础t ，提出了多级模糊综合评判模型，分别从空州上和时脚上进 行评价，利用评价结果预测未来蜱虫发生的潜在可能性“”“。 有学者从影响蜱虫发生的气候这一关键因子入手，提出了蜱虫发生的宏观测 报概念模型和微规测报概念模型。其思路为，在进行预测前，首先基于区域进行 预测，以整个区域是否发生大范围蜱虫灾害为预测对象，从大气候条件入手。如 果发生的条件合适，预测当年会有蜱虫大爆发，则进行更进一步的预测，重点是 进行蜱虫发生地的空日j 定位，否则不必要做进一步预测。宏观测报模型以整个青 海湖地区为预测对象，以与蜱虫发生等级密切相关的某些时段气候条件为判断指 标，采用因子加权平均预测法建立“”。 有学者在甘加高山草原地区，建立了狭翅锥蜱以及蜱虫混合种群的发生期和 发生量与气象因子之日j 的叫归预测模型“”。 1 2 生态测报模型特征 空间性：灾害测报模型与地理对象的空间位置、分布差异密切相关，在应用 中必须注重遥感模型的地学空间运算特征。 多样性：灾害测报模型的表示形式，可以是数学的，也可以是 e 数学的，并 且灾害测报模型在人脑中的表示与在计算机中的表现足不同的。模型一般都足具 有语义背景的，在人脑中，模型通常表现为某些规则、语义或者是公式，但在计 算机中，模型表现为程序代码的形式，并且灾害测报模型一定呵以用程序的形式 进行表示。在应用中，就需要将模型的不同表达形式进行转换，最终通过计算机 进行计算分析。 复杂性：灾害测报问题通常是比较复杂的，并且受人的干预与影响因素很多。 因此，很难用纯数学的方法对地理信息系统中处理的问题进行全面、准确、定星 地描述。在灾害测报模型中，模型的描述通常采用定量与定性相结合的方法；模 型的设计也必须要考虑到人的因素，留有人为干预的余地。 动态性：任何灾害现象都不是孤立的、静止的，生物学特性、时b j 特性同样 也是灾害测报模型所要考虑的因素。因此，模型的设计需要考虑到时效性和同步 性的问题n ”。 模糊性：测报模型研究的对象难以像物理学和化学那样给出清晰的定义，它 是多个复杂的地理、生态、生物、人类活动过程的综合体，很难用特定的定理、 定律进行精确的描述9 1 。 由以上特点可见，灾害测报模型建立的过程将非常复杂，特别是涉及到生物 -i-r-l。-f l 中南夫学硕卜论艾 第一章绪论 学、生态学、地理学以及数学模型的生成和运算，具有太多不确定性。随着地理 环境的变化，其灾害测报模型也将是不断变化。 1 3 模型解析的关键问题 由于模型算法的成熟，模型本身的算法引发的问题越来越少，相反由模型实 现技术和模型组织技术所引发的问题越来越多。 在模型规范和规则方面，由于模型编制和组织技术随着摸犁的增多，模型类 型千差万别，不规范的模犁数据变得越来越复杂，直接影响到模型的存储方式、 解析方式和模型管理方式。根据行业的需要，制定行业性模型规范，是行业性模 型管理系统需要解决的首要问题。 ， 模型解析技术需要卣临的另一个问题足：必须实现模型与数据、模型与方法、 方法与数据三方面的分离。所谓模型与方法的分离足指模型的定义不涉及方法的 实现，对模型所调用的方法进行修改并不影响模型的使用，反之对模型的修正也 不必修改所调用的方法。决策者不必关心方法调用在变量的连接、参数传递等技 术上的问题：模型与数据的分离是指决策者对数据库的操作不改变模型，修改模 型不会对系统数据库产生影响。模型与方法、数据分离技术避免了决策者操作失 误造成的不一致，也提高了模型和方法的可重用性，使模型生成与数据连接对决 策者透明1 2 ”。 1 4 目前研究存在的问题和本文的主要工作 1 4 1 以往研究中存在的若干不足 ( 1 ) 多因子测报模型的建设基本还是停留在定性的分析上。是针对某一种群 或者是某一特定区域构造的，模型和参数的地域性特征使得模型很难进行推广。 如何量化生境因子对蜱虫灾害发生的影响力；结合主要蝗虫种类的生物乍态特 性，揭示蜱虫种群的消长规律及其环境影响因素，从系统的观点考虑协调因子的 影响强度和分级指标，以逐步形成适合于各不同地域情况的筝地蜱虫综合评价模 型，使模型和方法具有多元性，进而向区域化迈进。 ( 2 ) 从国内外对预测模型的研究状况看，多数研究旨侧重f 生物学原理或单 纯利用统计学方法，而很少将两者结合起来构建相应的预测模型。对于机理模型， 目前的研究尚不多见，它是生物学与统计学相结合的一类模璎。 ( 3 ) 缺乏边缘学科、交叉学科新方法、新技术的引入。由于受课题经费限制， 研究常常只停留在单一区域、单一种类、单学科内进行，造成模型推广困难。 4 中南大学硕f 论艾第一章绪论 1 4 2 本文的主要工作和研究线路 研究要在g i s 和遥感技术环境下，探讨与前复杂摸型生成原理和动态模型 建设中需要解决的上要问题。并以林郭勒篮为研究对象，探索蜱虫发生的适宜性 尘境因子，详细介绍了在各生境冈子与蜱虫发尘的关系并给出相应宜生指数。以 此为基础利用遥感和g i s 技术建芷草地蜱虫7 境宦 指数模型。利用宜生指数模 型，借鉴国内外草地蜱虫测报经验，建茳内蒙占蜱虫顾警系统。以下为本次研究 的要技术路线和模型建立方法。 ( 1 ) 指出当前传统模型建设存在的问题，提出智能化模型构建原理和方法， 建茳基f 接口技术的动态模裂生成器。通过接 1 与协议完成模型的莺构和计算。 满足蝗虫测报模型的多因子分析和不确定性| 口j 题。 ( 2 ) 对于不同种类的蜱虫，或蜱虫的不同发商阶段，不同的生境因子对其影 响程度和方式均有所不同。利用遥感技术，提取和分析，境因子背景数据，摸清 生境因子与当地蜱虫种群的发生、繁育之间关系的机理。对蝗虫发生与上壤类型、 草地类型、地上生物鼍、地形等生境因子的适宜性做出评价，并给出相应宜生指 数、建立基于像元的宜生因子等级图。 ( 3 ) 充分利用遥感领域的新技术和新方法，更快速、准确和经济地提取更为 丰富的生境因子信息。由于草地蜱虫的空日j 聚集范围在大尺度上为1 3 1 6 k i n ， 小尺度上为3 0 0 1 3 0 0 m ，为蜱虫的插值模拟提供了技术支持。在宜生指数分级 的基础上，结合其他生境因子建立基f 多种生境因子栅格数据的草地蜱虫宜生预 测模犁。 ( 4 ) 给出蝗虫灾害预测的技术路线，加强g i s 技术在蝗虫及其灾害监测中 应用的研究。g i s 技术现已很好地展示出在这方面的应用潜力，特别是它可将遥 感数据与蜱虫生境特征数据及历史蜱害记录进行复合与分析。建立内蒙占蜱虫灾 害预警号家系统和各类型因子的背景数据库。 ( 5 ) 在遥感和g i s 环境下蝗虫宜生指数评价模璎研究技术路线如图1 1 所示 中南大学硕卜论定 第一章绪论 图l 一1 研究技术路线图 x 中南大学硕卜论文第一章g i s 动态模型t 成技术j 原理 第二章g is 动态模型生成技术与原理 模型是现实世界的再现。由于现实世界内在的复杂性及其组成成分问的相巨 作用，模型往往被设计成一个简化的、易f 处理的现实世界的缩影，可以帮助人 们理解、描述或预测现实世界中事物是如何i = 作的( 曾杉，2 0 0 2 ) 。v o nn e u m a n n ( 1 9 6 1 ) 认为，科学的主要任务就足建盘数学模璎，而陈彦光等人( 2 0 0 4 ) 将这一 命题引入地理学，认为地理学的土要任务仍足建证具有空间特性数据模型，也称 为空间模型。 地理信息系统主要依赖f 应用摸犁，特别是模型的分析能力与模氆的模拟能 力，并生成相应的解决方案供用户选择，以实现相应的决策。 模型是事先定义好的特定领域知识与关系知识的体系结构，所做的不过是在 实际应用过程中，提供给用户一系列的工具，使用户通过模型运算获得不同计算 结果，并选择某个运算结果加以应用；目前的研究大部分侧熏于地理信息系统与 灾害测报模型本身的研究，鲜有从系统使用者的角度出发探讨问题，只注重问题 的结果，对问题处理的过程几乎无效，造成疗法及技术与现实相分离：对于解决 领域问题，使用的模型反映的是模型的构建旨对问题的理解与定义，用户无法将 自己的隐性知识加以应用，从束也就无法真正有效地解决不断变化的环境因子问 题；所以，随着地理信息系统应用的深入，地理信息系统从空日】数据管理和显示 制图走向模跫分析，在确定性模型和统计模型不能满足解决实际问题需要的时 候，要求采用新的建模方法，使系统具有面向问题求解的能力。因此在开发地理 信息系统时，必须开发具有一定智能化水平的模璎构建工具和模型管理系统。 2 1 地理信息系统中模型表达方式 地理信息系统中的模型在计算机中的表达方式，可以有以下几种方式： 第一种方式是数据方式，这种方式本质t 是一种关系运算。模型在此种方式 下为一组参数集与表示模型结构特征的数据集合的框架。输入的数据集在此关系 框架下进行关系运算，并输出运算的数据集。也即输入数据集通过模型参数集合 映射到输出数据集。 第二种方式为逻辑方式。这是一种通过人工智能，使用谓词逻辑、语义网络、 逻辑树和关系框架等表达模型的一种方式。比较常用的谓词逻辑方法，将模型分 解为四个基本组成要素：模型结构、约束集、参数集和变量集。这当中的每一部 分部可以使用相关的谓词表示，将数值计算隐含在谓词当中。定量的计算模型通 过逻辑形式表达后，可以与定性的知识统一起来，使用谓词演算的方法，实现对 7 第：章g i s 动态模掣t b 览技术l j 原理 应用程序方式。将模型的输入、输出以及模型算法通过程序来 型是以子稃序存贮，每个子程序往往带有通用的程序结构。模 嵌入到系统中。这种表达形式的模跫，主要适合用于描述结构 模型的共孛性与灵活性很差。 时没有考虑环境、参数及一些外因的变化，造成所建立的模型 能使用一次。模型和数据的接口没有设计好，往往一种模型只 据。建模苔和利用模型决策者缺乏进行充分的交互，用户只能 选用建好的模型。模型和模型之日j 的数据传输的接口没有设计好，只能单个模型 辅助决策，模氆组合能力差。 蝗虫灾害测报模型足甚于生态学、地理学以及种群生物学机理的复杂系统。 系统的环境变化和内部因素的变化都会引起模型结构的变化，不仅影响模型的计 算结果，而且还影响模型的推理分折。涉及到模型藿构的问题，不同的模型生成 原理对应着不同的模型藿构方法，内容量要涉及到模型的维数、阶数、约束条件 等。所以在模型的建立、解析以及管理上具有灵活性，模型通过接口和协议动态 完成模型构建、运算及管理。 2 2 1 模型生成器开发思想 建模方法，都是侧重模型的分析与模型的建立过程，对于模型系统运行时与 人的交互性往往局限于某蝗参数的修改，不能够实现建模过程的交互。模型一旦 建立，如果原始模型所刻画的系统发生变化，模型的计算结果将会产生很大偏差： 灾害测报模型侧重于数据或结果的呵视化表达和模型的图形化的分析与模拟的 研究；而模型的建立往往也是某个领域专家的工作，模型的表达形式对于普通用 户根本无法理解；用户若想修改模型以实现自己计算中的某些功能根本不可能。 随着网络的发展，模裂的建立也往往要求具育协作性，但却缺乏强有力的模型协 作与表达工具。 有的决策过程可能比较简单，决策规则少、步骤简单，其决策思想和方法可 以直接用程序的算法来方便地表达和实现，这种情况也可不构建独立的决策模型 来用软件解析，而直接编写决策子模块，将决策原则和体现在软件的算法中。但 此种方案的弊端足不便于对决策过程修改和扩充，决策思想稍有改变就要修改软 件的原代码，只适用于个别特殊情形。 ， x 中南大学坝卜论艾第节g i s 动态模掣牛喊技术j 蟓理 决策模型是软件对各种决策规则的算法描述，或者说是应用程序设计语占对 决策模型的解释过程。一个决策模氆可能不便于用一个规范的数学表达式来表 示，但呵分解为多个数学表达式( 算术表达式和逻辑表达式) ，软件应用常规的 计算，判断、选择、循环、枚举等常规算法来分步解析不同优先级的数学表达式， 从而实现对整个模型的解折。这个决策过程可能要涉及到多次的数据库访问、栅 格图件的遍历、矢最图的属性查找或多边形查找，也可能涉及到多个数据表的统 计分折以及多图层的复合运算。 系统的实际决策结果必须经过有关专家的讨论、分析和评价，可能会发现模 型的片面性或不完静，甚至发现使用决策模型的结果是错误的。这就要根据号家 意见对决策模型作反复修改和扩充，最后才能完成一个科学、合理、实用的决策 模型。 所以说，由于决策过程的复杂性，和测报模型的不确定性，必须要求模型是 可修改和扩充的。模型，e 成器通过语义逻辑和数学语占完成模型的动态生成和管 理。 2 2 2 模型生成器原理 通用g i s 的空日j 分折功能对于大多数的应用问题是远远不够的。生态灾害预 测领域要有自己独特的钏羽模型，而且灾害决策过程常常处住不断变化的经济和 生态环境之中，这就要求灾害决策支持系统能对决策过程灾害模型、参数、约束 条件、内部外部影响因素等及时予以改变或扩充。 目前实现通用g i s 空间分析功能与各种领域专用模型的结合主要有两种途 径。其一是松散耦合式。即除g i s 外，借助其他软件环境实现专用模型，其与 g i s 之间采用数据通讯的方式联系。其二是嵌入式。即在g i s 中借助g i s 的通用 功能来实现应用领域的专用分析模型。上述两种方式总体上对用户定义t 4 己的争 用模型的支持程度部是不够的。目前的g i s 离支持实现数据集定义、模型定义、 模型生成和模犁检验的全过程仍有相当大的距离。 专家模型分解为属性一逻辑或数学运算逻辑条件，并没置图件和影像的掩膜 ( m a s k ) ，分组保存在模型管理器内。模型生成器还可实现支持对模型的修改， 由两个部分组成，第一部分定义模型，将模型按照规定好的协议解析为不同类型 的模型文件。首先把模型按类型分为不同的段组成，段由不同的公式组成。编制 模型应先设置段，然后编辑和设置公式。第二部分通过读取解析好的模型参数文 件，通过接口完成数据的连接及运算。 9 x 中南大学埽! 论定第+ 节g l s 动志模掣乍b 瑟技术j 原理 2 2 3 模型生成器与通用软件包的比较 f 1 1 从功能结构比较 通用软件包的各模型程序通过菜单连接起来，各模犁程序分别挂在菜单底层 模跫程序之玎】除了和集单连接外，没有其他任何联系。这样，备模型程序是相对 独立的。当使用完一个模型后还要使用另一个模型时，不町能连续进行。模碟生 成器的各标准模型通过生成嚣连接成具体解决某一类问题的具体模型，加入到模 型管理系统中之后，再使用运行，可以达到较好的效果。 ( 2 ) 从数学描述比较 软件包相、 于一个m 的集合，是程序的集合软件包中没有存储m 之间关系。 模型乍成器是一个程序，它可以访问一个算法集合s ，s 也足m 的集合。每个模 型生成器中包括m 之间的某种组合关系算法，这些算法表现在每个g 的s 2 上。 多个模型生成器组成模型生成器集合。 ( 3 ) 从用户视图比较 从决策苦的使用情况来看，模璎生成器不需要用户对模型有充分的技术了 解，只要知道要解决什么问题，就可在模型生成器中寻找相应的模型类型，模型 之日j 的组合则由模型生成器完成。而模型软件包则需要用户对模型的具体功能有 所了解，才能在使用时，通过对多个模型的反复使用达到目的。这个连接过程是 交给用户的，增加了使用难度，因此，模型软件包一般都需要再进行二次开发， 才能成为较为实用的产品田l 。 2 2 4 模型生成器参数文件 模型的运算和管理主要通过参数文件确定，主要的参数文件有以下： f u n c t i o n d a t ：该文件是空间分折与运算中所应用函数的数据字典，文本格式。 每行一个函数，由4 个字符串构成( 空格为间隔符) 。前3 个是整数，分别对应函 数类型码( 也叫操作码) 、操作数个数、整数或浮点数码( 0 为整数操作，1 为浮点 数操作) 。 r a s t e r d a t ：该文件记录一次运行所涉及的所有图及图层，文本格式。每行记 录一个图或图层，由5 个字符串组成( 空恪分隔) ，分别足：图层编号、读写类型 ( o ：读，1 ：写) ，像元数据位数( 8 ，1 6 ， 3 2 ) 、图层名，图像文件路径。 t a b l e d a t ：该文件记录一次运行所涉及的所有数据衷，文本格式。每行记录 一个表，由7 个字符串组成( 空格分隔) ，分别是：表编号、读写类型( 0 ：读，l ： 写) 、数据类型( 0 为整数，1 为浮点数) 、表的行数、表的列数、表格文件路径( 含 文件名) 、所关联的图层( 或图) 编号。 1 0 x 中南大学顾十论文 第二章g i s 动态模型生成技术与原理 o p e r a t i o n 。d a t ：一次运行的运算序列码，空间分析与运算模块自动解析、严 格按代码自动执行。当多段运行时，各段所访问的图和表允许有交叉( 重叠) ，即： 后面段中可以访问前面段中所访问的图和表，不仅各段所使用的只读数据是共享 的，而且后面段中所访问表和图的数据可以是前面段的运行结果。 2 2 5 功能及界面 模型生成管理器宗旨是充分分析草原空间信息的具体特点，尽可能多、详细 地录入专家知识，针对不同决策对象，构建尽可能完备的计算机决策模型。主要 针对基于栅格的草原生态监测专题数学模型的解析和运算。主要功能是专家知识 的录入、多种决策模型的构建和维护，支持数组下标访问方式的分组模型，指定 模型内各组运算的逻辑关系。模型解析和运算分为四类： ( 1 ) 多表、多图的像元遍历复合分析与运算。 ( 2 ) 多图层，多表的点遍历运算。， ( 3 ) 单图的复杂、特殊处理分析。 ( 4 ) 运算。 本模型生成器主要针对基于以遥感影像数据为基础的模型运算，具有强大的 模型解析能力运算结果可能涉及到多次的数据库访问、栅格图件的遍历、矢量 图的属性查找或多边形查找，也可能涉及到多个数据表的统计分析以及多图层的 复合运算。主要界面如下图2 - 1 所示： 图2 - 1 模型管理器用户界面图 x 中南大学硕十论文第：章g i s 动塞模犁生成技术螅理 3 地理信息系统中模型的存储 以往在地理信息系统建设中，人们将精力过多地集中于g i s 系统的研制， 对f 模型本身的投入与系统的应用不成比例。此外，由于很多都足采用应用程序 的方式表达模型，使得模型的共亭性与疋活性很差，模型苣复建设，使用效率不 高。随着地理信息系统应用面的拓展，模型的需求也越束越广，不可避免地需要 寻找新的解决方法。模型库就是为了有效地生成、管理和使用模型而提出来的解 决方法。模璎库将足解决地学模型高效利用的一条必由之路，尽管模型库的发展 还处于二探索阶段。 目前，模型库系统从功能和功能结构上町以雷作由三部分组成：基础模型库、 应用模型库与模型库管理系统。 基础模型库用来存储通用的、需要多次霞复使用的基础模型，其作用类似于 程序设计中的函数库或控件：应用模型库存储用户自己开发用来解决领域问题的 模型，相当于程序设计中用户自己开发的手h 序。通过基础模型库以及建模工具， 可以构造应用模型库；模型库管理系统用来管理、维护基础模型库与应用模氆库 的应用环境，用户通过人机交互界面与模氆库管理系统发生关系，并对模型库进 行管理。 模型库借鉴了程序设计与数据库的思想，通过库方式管理系统或用户的模 型。用户的模型则町以通过某个特定的模璎构造环境，以“组件式”的方式进行 构建，实现模型的重用以及应用模犁的构建。模犁的衷示形式比较统一，模型易 于扩充；模型的表示与模型的计算可以独立进行，易于模型的优化、推理：模型 表示与计算数据也相对独立，便f 模型移植、集成、共享等；这样，可以满足不 同用户的需要，而且模型的构建也更灵活、有效、实用【2 3 1 。 11-1lj，j1 j j 中南大学硕t 论史 钨一帝蜱虫嗣撒模掣生境网了分析 第三章遥感环境下宜生指数模型生境因子分析 3 1 蝗虫群落多样性的生境因子特点 ( 1 ) 综合性：每一个生境因子都是在与其它因子的相互影响、相互制约中起 作用的，任何一个因子的变化都会在不同程度上引起其它因子的变化。 ( 2 ) 非等价性：对蜱虫起作用的诸多因子足 # 等价的，其中必有l 一2 个起 主要作用的e 导因于。主导因子的改变常引起 乍多其它生境因子发生明显变化， 不同种类的蜱虫对不同影响因子的适应能力和反应不同。 ( 3 ) 不可替代性和互补性：生态因f 虽 e 等价，但部不町缺少，一个因子的 缺失不能由另一个因子来替代。但其一因子的数量不足，有时可以靠另一因子的 加强而得到调剂和补偿。 ( 4 ) 限定性：蜱虫在生长发商的不同阶段往往需要不同的7 境因子或生境因 子的不同强度。因此某一生境因子的有益作用常常只限于生物，长发育的某一特 定阶段。 ( 5 ) 直接作用和间接作用，这些因子中，有些是直接作用因子，如气温、降 水直接影响蜱虫的活动，植破类型及其生物量影响蝗虫取食；而另一些因子是间 接起作用的，如地形的坡度和坡向，它们通过影响水、热条件的重新分配而影响 蝗虫的活动i ”。 3 2 生境因子背景数据 3 2 1 遥感数据源选择 用于草地蜱虫生境监测的遥感信息源应选择空间分辨率l o 米一l 公里的信 息源。就生境类型而言，获取信息应以t m ，s p o t 磁带信息为主。其主要遥感 信息特征如下： ( 1 ) l a n d s a t 数据：t m 遥感数据为l a n d s a t - 4 5 的t m 传感器所获得，空间 分辨率为3 0 m ( 其中t m 6 热红外波段为1 2 0 m ) ，成像波段7 个，灰度分级为2 5 6 级，重复周期为1 6 d ，制图幅宽1 8 5 k r n ，重叠为1 3 k i n ，每景覆盖面积为3 4 2 2 5 k m 2 。 7 个成像波段为：t m i 蓝波段( 0 4 5 , - 0 5 2u m ) ，t m 2 绿波段( o 5 2 o 6 0p m ) ， t m 3 红波段( 0 6 3 - , - 0 6 9u m ) ，t m 4 近红外波段( o 7 6 加9 0u m ) ，t m 5 中红外波 段( 1 5 5 1 7 5u m ) ，t m 6 热红外波段( 1 0 4 - - 1 2 6u m ) ，t m 7 中红外波段( 2 0 8 2 3 5 。m ) 。l a n d s a t 7 的e t m + 数据与t m 数据基本相同，但其波段数为8 个，增加 中南大学确i i 仑芷第一帝蝉虫删搬模犁生境网子分析 了全色波段( o 5 o 9 u 面，全色波段的空间分辨宰为1 5 m 。 ( 2 ) s p o t 的数据：法国s p o t 卫星轨道高度足8 3 2 公阻，轨道倾角：9 8 7 2 1 0 ， 轨道周期为1 0 1 4 6 9 分圈，重复周期为3 6 9 圈2 6 天，降交点时问是上午1 0 ：3 0 分，十j 描带宽度为6 0 公蟹，两侧侧视角为+ - 2 7 。，扫描带宽是9 5 0 公哩。s p o t - i - 3 的h r v 数据空间分辨窄为2 0 m ( 其中全色波段为1 0 m ) ，成像波段4 个，灰度分 级为2 5 6 级( 其中全色波段为6 4 级) ，重复周期为2 6 天。制图幅宽6 0 k i n 或1 1 7 k i n ， 重叠9 k m 。4 个成像波段为：1 为绿波段( o 5 0 加5 9um ) ，2 为红波段( o 6 l o 6 8 um ) ，3 为近红外波段( o 7 9 o 8 9 um ) ，4 为全色波段( o 5 1 - 4 ) 7 3um ) 。s p 0 1 二4 0 的h g r 数据与h r v 数据基本相同，但s p o t - 5 的h r v 数据空问分辨率为1 0 m ， 其余令色波段可达5 m 甚至2 5 m 。 表3 - 1s p o t 波段数据特征 波谱范围分辨率1 1 1 b l0 5 0 0 5 9 u m 2 0 多光籼 b 。2 。黑：。6 8 。u m 2 0 2 0 s w i r1 5 8 一l7 5 u m 2 0 全色 b 20 6 1 0 6 8 u i a1 0 l a n d s a t 、s p o t 等陆地卫星均属j ：太阳同步，近极地轨道卫星。因所搭载的 遥感器不同，所获得的数据特征和质量也不一样。在成像波段方面，虽然各个卫 星上遥感器的波段数多少不，但对应波段的区间范围基本相同。这些成像波段 的数据均或强或弱地反映了对应区域地衷地物的反射与发射光谱特征，利用这些 波段的数据可以最大限度地获得各种地学信息。其中，蓝、绿波段主要用于传输 植物、水体信息；红波段对裸露地表、植被、土壤、岩性、地层、构造、地貌、 人文特征等均可提供丰富的信息；近红外波段盯用于研究植物性状、勾绘水体、 区分土壤湿度等；中红外波段主要用于识别植物与土壤水分含量，岩矿与土壤类 型，区别云和雪等；热红外波段可探测常温的热辐射差异，用于热测定与热制图， 土壤湿度研究等睇”。 4 ( 3 ) m o d i s 数据：主要有三个特点，其一，美国n a s a 对、_ i 0 d i s 数据实行全球 免费接收，足较为廉价的数据源；其二，m o d i s 数据涉及波段范围广( 3 6 个) ， 数据分辨宰较n o a a 有很大改进( 2 5 0 m 、5 0 0 m 、1 0 0 0 m ) ；其三，每天至少得到两 次白天和两次黑夜的更新数据。根据国际经验，利用最新的o d i s 数据对草原生 产力进行监测町以成为目前我国草原生产力监测最廉价实用的有效办法。为了尽 量满足对我国草原生产力监测的需要，中国科学院地理科学与资源研究所全球变 1 4 中南大学硕i 论文第三章蝉虫涮报摸掣乍境闪了分析 化信息研究中心自2 0 0 1 年起建屯起t e r r a m o d i s 地面站，每天接收m o d i s 数据。 表3 - 2m o d i s 技术指标表 指杯 7 0 5 公里降轨上午1 0 ：3 0 过境，升轨p 午l ：3 0 过境，太吁i 步，近搬地 吲轨道 每分钟2 0 3 转，与轨道垂赶 2 3 3 0 公哩1 0 公里 直径1 7 7 8 坦米 1 2 比特 2 5 0 米、5 0 0 米、1 0 0 0 米 5 年 扫描频率 测绘带宽 望远镜 革化 空间分辨率 设计寿命 3 2 2 数据预处理 预处理i 上要包括遥感影像的辐射校正、几何校正、图像日j 镶嵌、图像切割以 及投影变换、不同平台与不同时相影像的精确匹配等。辐射校正用于处理由于传 感器受到地面照明条件、大气条件以及传感器拍摄的几何特征及其响应特性等冈 素的影响，导致地物表现的反射率误差。几何校正是用于校正那些由于系统本身 所导致影像反映真实地物的畸变以及由于一些随机畸变等。在传感器接收地面信 息时，由于传感器本身以及遥感平台的因素，往往使获得的遥感影像发生变形， 致使不能真实反映地物信息。因而，我们必须对其进行校正等处理。 这里我们藿点考虑的是几何校正。几何畸变原因足遥感成像时，由于飞行器 的姿态( 测滚、俯仰、偏舵) 以及高度、速度、地球自转等因素而造成图像相对于 地面目标而发生畸变，表现为像元相对于地面目标实际位置发生挤压、扭曲、拉 伸和偏移等等，以及遥感传感器系统本身所造成的畸变。进行几何校正的目的就 是最大限度地弥补由这些因素所导致的变形。 几何畸变一方面主要是由于系统本身所导致的变形，另一方面是由于一些随 机因素所导致的变形。我们进行校正也要从这两方面去考虑，一般地面接受站对 一些系统所导致的变形已经给予校正，这哩我们重点考虑随机因素以及一些未知 系统因素所导致的畸变给予校正；校正由于随机因素所导致的变形，我们一般通 过地面控制点( g c p ) 来实现。其原理是坐标转换以及重采样。 坐标转换中有直接法和间接法。直接法就是从原始影像上的像元出发，按照 下列公式求出校正后的影像上的像元坐标。 1 5 中南人学硕t 论文 第二章蜱虫洲报摸犁t 境 q 了分析 然后，将原始影像上像元坐标( x ，y ) 处的厌度值赋给校正后的影像上( x ，y ) 处的像元的灰度值。式中f x 和f y 为直接校正的唑标转换函数。 间接法就是从校正后影像上像元坐标出