（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于时空数据库的矿区土地资源变化研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 摘要 矿产资源的过度开采引发了严重的资源环境问题。在各种资源、环境 与灾害问题中，矿区土地资源的破坏是最为直接严重的。 国内外学者利用遥感技术对生态环境进行动态监测已取得了很多有益 的成果，但针对矿区这一特殊的地理区域研究还甚少。本文就此为研究对 象，利用多源多时相遥感图像为主要数据源，建立了基于时空数据库的矿 区土地资源信息系统，初步实现对矿区土地资源的动态管理与分析。 本文以沈南三个矿区为研究区域，结合遥感与g i s 空间信息技术对矿 区土地资源的时空变化进行了初步探讨和研究，具体研究内容如下： 首先，在探讨现有时空数据模型的基础上。分析矿区特有的时空特性， 提出了基于特征的分层时空数据模型。 其次，以多源多时相遥感图像为数据源，在建立矿区土地资源分类体 系基础上，对矿区土地资源信息进行了模型提取研究，得到了矿区各时相 土地资源信息及相邻时相的土地变化信息。 最后，综合矿区各种历史、现实资料建立了矿区时空数据库，实现对 矿区资源与环境的管理，并利用g i s 空间分析功能对矿区土地资源信息进行 时空演变规律分析。 关键词：时空数据模型；动态监测：空间分析；时空分析 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 选题背景 人们对地球资源的开采、加工和利用是促进社会经济高速发展的重要 因素，但经济发展的背后资源环境问题越来越引起人们的注意。矿区作为 一种特殊的地理区域，由于矿产资源大规模开采和其他人类活动的影响， 大大改变了矿区生态系统的物质循环和能量循环，产生了严重的生态破坏 和环境污染。矿山的生态环境影响具体体现在水文地质环境的破坏、水体 污染严重、土地的占用与破坏。尤其是矿产开发造成的土地资源破坏和引 发的严重生态环境问题。制约着矿区资源与环境的可持续发展，因此应用 当代先进的科学技术对矿区土地资源进行动态监测与分析，为矿区资源环 境的治理与重建提供决策服务具有重大的意义。 遥感技术作为目煎一种先进的信息采集方式，具有信息量大、成本低 和快速的特点，是生态环境监测中非常重要的技术手段。运用遥感技术进 行矿区生态环境动态监测，为合理开发矿产资源提供基础性数据资料。 地理信息系统( g i s ) 作为区域规划、管理和决策的现代化工具，不仅具有 可供存储、查询，检索的空间型数据库( 一般按地理坐标) ，而且包括若干 个分析评价模型，知识库以至专家系统，以实现信息( 数据) 的叠加、复合、 分析评价、动态显示及专题制图等功能，从而不仅可以展现空间实体的现 状，还有可能再现自然演化与社会进步的历史过程，预测未来的发展趋势 【2 】 本文以矿区为研究对象，运用遥感技术对矿区土地资源进行动态监测 ，在此基础上综合矿区各种历史、现实资料建立矿区时空数据库，实现对 矿区资源与环境的管理，并利用g i s 空间分析功能对矿区土地资源信息进行 时空演变规律分析。 1 2 相关领域国内外研究现状 保存并有效地管理历史变化数据，以方便将来重建历史状态、跟踪变 化、预测未来，这样的g i s 称为时态地理信息系统( t e m p o r a lg i s ，简称 辽宁工程技术大学硕士学位论文 t g i s ) 。时空数据模型是一种有效组织和管理时态地理数据、属性、空间 和时间语义更完整的地理数据模型。在t g i s 的研究中最基本最迫切的就是 时空数据模型的研究，时空数据模型的优劣，不仅决定了t g i s 操作的灵活 性和功效，而且影响和制约着t g i s 其他方面的研究和发展。目前国际上已 有l a n g r a n 、c h r i s m a n 、p e u q u e t 等人提出了一系列时空数据模型，国内也有 陈军、龚建雅、舒红等人在这方面作了细致的研究，取得了一定的成绩。 提出的具有代表性的时空数据模型主要有序列快照模型、基态修正模型、 空间一时间组合体模型、空间一时间立方体模型、面向对象的时空数据模 型和基于特征的时空数据模型等。时空分析主要应用于环境变迁研究、土 地利用土地覆盖变化研究、地籍管理、交通管理、地质灾害预测。 目前国内外已有许多科学工作者利用遥感技术对矿区资源环境监测做 了研究。在国外，l e g g 利用遥感技术对地表采矿引起的环境问题和矿区土 地复垦做了定性评价；v e n k a t a r a m a n 等综合遥感数据和有限的基础数据定 性分析了矿区植被、土地利用、地表水、地下水和土质受矿产开发的影响 程度；c h r i s t i a n 和w o l 龟a n g 将遥感、地理信息系统和地下水模拟结合起来 研究了地下采矿引起的地表变形、地下水变化和地表植被变化三者的关系。 在国内，郭达志等己全面分析了遥感技术和其他先进技术在矿区生态环境 监测中应用的可行性，并对晋城、铜川、开滦等矿区作了实际应用，对矿 区的大气、塌陷进行了遥感调查分析；雷利卿等在山东肥城矿区应用遥感 技术通过对矿区受污染植被和水体信息的提取，探讨了适合矿区环境研究 的遥感图像处理方法。国内外科学工作者利用遥感技术对矿区生态环境监 测研究主要体现在以下两个方面：一方面，是利用不同时相的波段组合图、 指数变化图和土地覆盖类型变化图来体现地表信息的变化，从而进行矿区 生态环境动态监测，但往往是定性或半定量分析，并且多是单个大面积的 矿区，对于大范围分布零散的矿区研究甚少；另一方面，是将遥感信息与 其他调查数据( 如土质、水质等数据) 相结合，具体研究采矿引起的土质变 化、水质变化、地表变形等，虽然细致、透彻，但费时、费力 g i s 在矿山的应用目前研究主要集中在系统间理、数据标准、空间分析 模型、数据结构等方面。盛业华灯提出了m g i s 的基本内容、关键技术、建 辽宁工程技术大学硕士学位论文 设策略及相关的技术问题，研究了矿业g i s 开发中的矿图数据库、构件化技 术等问题并对3 d m g i s 及其数据结构、可视化等进行了一些初步的探讨。 综上所述时空分析在许多领域取得了一定的成果，但还是停留在表面 的时空分析基础上，出现这种情况的根本原因在于自然过程和社会过程的 复杂性涉及到了时间和空间不断变化的大量变量之间的相互作用缺乏与 g i s 集成的时空模型。尽管遥感与g i s 应用于土地资源变化的研究取得了较 大的进展，但对于工矿区这一特殊的地理区域来说，相关的研究还很少。 另外在利用遥感技术建立时空数据库对矿区的生态环境进行动态监 测，这方面的研究实例还很少。本文就此方面做了初步尝试，结合高分辨 率、多源、多时相遥感时空演化数据建立矿区时空资源信息系统，并对矿 区土地资源变化进行监测和时空演变分析。 1 3 研究主要目标、内容及方法 1 3 1 研究目标与意义 在教育部博士点基金项目“基于3 s 的矿区资源环境监测和决策系统研 究”的支持下，本课题研究的目的在于以多源多时相卫星遥感影像为主要 信息源、通过图像处理，分析矿区土地资源变化的遥感信息机理，提取矿 区陆面信息，在g i s 支持下进行空间分析和综合评价，研究矿区近2 0 年来 的土地资源变化尤其是地面塌陷的遥感机理、演变机制、调控策略，以服 务于矿区可持续发展的需要。 1 3 2 研究主要内容与方法 本文研究的主要内容与方法如下： ( 1 ) 针对多时相、多源、高分辨率遥感数据，在分析陆面演变遥感信息 特征的基础上，对遥感图像的波段组合进行分析，提出优化的组合方案。结合 研究区特点，将分区分层监督分类法用于土地资源覆盖分类，最后通过对多 源、多时相遥感图像的变化检测获得近2 0 年来矿区土地资源变化数据。 ( 2 ) 将以上遥感图像解译的土地资源变化数据做为构建时空数据库的 基础，并结合矿区地形图、d t m 及测量资料、以往的遥感或航摄图像资料、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 矿区土地利用图、矿区地质图及文字报告、矿床( 体) 产状图及文字报告、 采掘工程图、井上下对照图、市政工程图、矿区开发设计报告、环境监测 资料、技术经济与社会统计资料、矿区建筑资料、其它人文资料等建立矿 区资源信息系统。 ( 3 ) 借助g i s 空间分析功能实现对矿区土地资源变化信息的任意查询 和分析。将土地监测信息通过系统的分析模型和g i s 的功能模块进行处理 获得矿区土地资源的时空演变规律。 本文结合r s 与g i s 现代测绘手段对矿区土地资源变化监测具体技术流 程图如下： 图1 1 技术路线框架图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 矿区时空数据库设计 随着计算机技术的迅速发展，目前g i s 正在向集成化、时空一体化和智 能化方向发展。时态g i s 的研究已成为g i s 研究的一个重点，而时态g i s 的 核心是时空数据库技术，因此研究时空数据库对时态g i s 的发展具有重要的 意义。 在过去几十年中，数据库领域的研究人员在空间数据库和时态数据库 的研究上取得了很大成果，但对于它们的研究一直是相互独立的。其中空 间数据库研究空间数据的表示、存储，处理和查询等，而时态数据库研究 如何表示和处理数据库中随时间变化的数据，通常是传统数据。目前数据 库领域的研究人员逐渐认识到应该集成物理对象的时间和空间属性，研究 能体现时间、空间和时空数据库概念并且同时捕获数据的时间和空间特性 的数据库，即时空数据库( s p a t i o - t e m p o r a l d a t a b a s e ) 。时空数据库的目的是 存储和管理随时间变化的空间数据。时空数据库是t g i s 的核心支持软件， 对时空数据库的研究将大大推动t g i s 的进一步发展，其研究成果也可应用 于c a d 和多媒体数据库等多个领域。 2 1 时空数据库的研究现状 国外对时空数据库的研究较早并建立了一些专门研究机构。欧洲科研 开发d g x i i 委员会发起建立的一个培养和交流的研究网络 c h o r o c h r o n o s l ；美国国家地理信息分析中心( n c g i a ) 于1 9 9 4 年将“g i s 中的时空推理”列为十大最有潜力研究课题之一；i s p r s 成立了“空间数据 库的时态特征与数据更新”工作小组。国内主要集中在几所大学和中科院 部分研究所：北京大学将空间数据库作为一个重点研究课题；上海复旦大 学进行了g i s 中数据技术的研究：武汉测绘科技大学也在进行空间数据库和 时空数据库的研究工作；南京航天航空大学正在进行基于可扩充数据库的 空间分析d b m s 和时空分析d b m s 的研究工作。时空数据模型是时空数据库 的基础，国内外在时空数据模型的研究中取得了重大的成果，基本建立了 具有时空分析与查询的时空数据模型。就其时空数据模型的发展可分为序 列快照模型、基态修正模型、基于事件的时空数据模型、时空复合模型、 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 面向对象的时空数据模型。不同的时空模型就其自身的优缺点，我们应该 针对不同的研究需要采用不同的时空数据模型。 2 2 矿区时空数据模型 2 2 i 时空数据模型 一般的时空数据库应支持两种类型时域数据，它们包括有效时间( v a l i d t i m e ) 和事务时间( t r a n s a c t i o n t i m e ) 。有效时间是关于对象在现实世界中存 在的时间，而事务时间代表对象事实作为存储数据存储到数据库中的时间。 根据空间数据库所支持的时间类型不同可定义为4 种不同的空间数据库模 型，分别为快照模型、时空复合模型、t t m 模型和双重时域模型。快照模 型和传统关系数据库具有相同的结构，时空复合模型和t t m 模型分别增加 了事务时间和有效时间，而双重时域空间数据库模型则可同时对有效时间 和事务时间提供支持，正是基于有效时间和事务时间的本质特性，使得双 重时域空间数据库模型可支持完全的对象历史信息操作“1 。 ( 1 ) 时间片快照模型 时间片快照模型( t i m es l i c es n a p s h o t sm o d e l ) 对地图等空间对象的表 示是以记录了固定空间数据的快照序列来完成的，所有关于空间对象信息 的变化均以预先定义的快照序列来反映，而快照的基本组成可以为图层、 表格等空间对象粒子。这种空间模型的优点很明显就是简单和直观，但是 每一个独立的快照仅仅存储了当时的有效值，而前后快照的区别不能直接 表示，因此需要高代价来完成此处理操作，并且在不考虑体积等级的变化 情况下，对于每一完整时间片快照的产生都需要把所有的无改变数据全部 复制，因此效率较低。另在改进时间片快照模型中的基本状态提供了对变 化的简要描述，它表示了空间对象的状态及其描述的界限，尽管该改进模 型降低了对未改变数据的存储，但是对当前的快照的处理必须依前一快照 为参考。 ( 2 ) 时空复合模型 时空复合模型( s p a c et i m ec o m p o s i t em o d e l ) 将带有历史信息对象的所 有变化记录在快照中，它和带有基本状态信息的时间片快照模型相似，但 辽宁工程技术大学硕士学位论文 是对空间对象的表示基于时间分解成更小的分片，该分片定义为某一区域 最大的公共时空单元，且具有其独立的时间属性集。 ( 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 ) ，由相互联系的3 部分组成，它们分 别为基于特征的模型( 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 ) 和基于时间的模型( t i m e b a s e dm o d e l ) 。对象特征 模型用来管理不同对象的特征如i d 、对象名、占有空间和标识定义符号等， 方位模型负责对象的详细信息管理包括位置信息和拓扑关系信息等，而时 间模型负责记录管理对象的历史信息，当确定的对象发生改变时则一个对 象历史事件被存储到该模型的历史事件列表中。 ( 4 ) 双重时域概念模型 双重时域概念模型( b i t e m p o r a lc o n c e p t u a lm o d e l ) 与前述各空间模型不 同，它支持双重时域数据处理，既支持对空间对象的有效时间的操作处理， 又支持对空间对象的历史时间的操作处理，并且定义了两种不同时域据的 联系。 国内外对于时空数据模型的研究已取得了累累硕果，但就其应用于矿 区这方面的研究还很少，在本次研究中主要针对矿区这一特殊区域的土地 资源信息进行了时空演变分析，提出了适合矿区监测的时空数据模型，由 于我们主要是针对矿区迸二十年的演变分析，关心的是矿区在土地资源上 的时空迁移，因此我们提出了基于特征的时空数据模型。 2 2 2 基于特征的时空数据模型 特征是地球空间上可以用数据描述的客观现象，表达了用来描述空间 实体的数据集的标识与封装，是客观存在，能看得见，或纯粹是概念上的( 如 行政区) 具有属性与地理描述信息的实体。特征在客观世界中存在于两个层 次中：一个是特征类型；另一个是特征实例。特征类型是指具有公共特性 的地理现象。特征实例是客观存在的具体的地理现象，这些地理现象可以 被唯一的标识，可以通过时空坐标系统进行时间和空间的定位n ”。 基于特征的o i s 就是将地理特征作为建模的基本单元，从几何信息、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 专题信息与语义信息及时态信息几方面对地理特征进行描述的g i s 设计方 法。基于特征g i s 使用户更容易接受和理解较复杂的逻辑概念，避免过于 繁琐的技术细节，从而使应用模型更容易建立和应用。由于现有的时空数 据模型多是从计算机表达的角度出发，并不是面向地学问题的，缺少对地 理实体或现象的显示定义和基础关系描述，不能在语义层次上实现数据共 享。因此专家学者们纷纷提出需要一种高层次的、综合的方案来描述地理 特征实体及具有目标性质的地理现象“”。在这种背景下，基于特征的思想 被提出来。 基于特征的时空数据模型与传统时空数据模型的区别在于： ( 1 ) 建模对象不同。前者对地理特征建模，后者是对空间几何目标建 模： ( 2 ) 信息载体不同。前者以特征实例作为地理信息集成的平台，将空 间、时间和专题统一到特征实例中，载体具有明确的地理意义。后者是以 空间或时空几何目标作为载体，载体地理意义不确切、应用价值低i ( 3 ) 前者在时空专题信息集成的同时，具有地理现象集成的特点，有 利于海量时空数据的有序组织，便于查询与复杂地学分析。后者管理的是 不断被碎分的地理现象时空几何目标，在数据组织、管理和分析上存在严 重缺陷“。 采用基于特征的时空数据模型更适合于表达土地资源的变化，因此在 本系统中，基于该方法来组织数据。结合矿区土地利用分类体系，构成一 个较完整的适合于描述矿区土地资源的特征分类体系。 2 2 3 特征分类及赋值 为了研究矿区陆面信息的动态演化过程，本研究不对土地利用类型进 行细分，因此我们对矿区土地类型进行了如下分类，即水域、建设用地、 绿地、塌陷地。其中水域包括湖水、区域积水、河流、水库、水塘；建设 用地包括居民地、工矿用地和交通用地；绿地包括植被与农田；塌陷地主 要是采煤塌陷地。 我国已对土地利用动态监铡进行了土地类型的标准分类，根据矿区研 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 究需要我们在参考国家土地类型分类基础上，建立了矿区土地利用动态监 测的特征分类体系。根据上述矿区土地分类体系，我们可以将矿区土地特 征类型分类为：湖水、区域积水( 塌陷地积水) ，河流、水库、水塘、居民地、 工矿用地、交通用地、植被、农田、塌陷地1 1 个特征分类，在保留原土地 利用分类的i d 号基础上又增加了塌陷地等分类i d 号作为属性码。见表2 - l 。 表2 i 矿区土地特征分类体系 土地特征类型编码 湖水 塌陷地积水 河流 水库 水塘 居民地 工矿用地 交通用地 植被 农田 塌陷地 在建立基于特征的时空模型中，赋时空值是一个重要的部分。在赋值 中，我们定义了时间参考系如：年、周期、持续时间等，具体特征类型赋值 如下： ( 1 ) 时间属性的赋值 通常时间属性有两种：事件和状态。在土地利用中，我们一般不把“事 件”作为一个时间属性，因为土地利用没有“事件”特征。相反，我们用“状 态”作为时间属性，保存状态的起始年份。指定e 代表“事件”，s 代表“状 态”。指定一个状态的起始年代用两位数表示。例如：居民地指定s 9 6 代表 1 9 9 6 年后的状态，或指定s 9 6 9 8 代表1 9 9 6 年到1 9 9 8 年的状态。 ( 2 ) 时间关系的赋值 我们有2 种时间关系：简单的时间关系和连续的时间关系。我们指定 佗 如 ” 鸵 如 如 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 0 “s i ”为简单时间关系的值，指定“s u i d e n l ，i d e n 2 ”为连续时间关系的值。 特征连续总是包括空间和时间，例如：“s u 1 2 。1 6 ”被认为是从n o 1 2 到 n o 1 6 的连续地块。 特征实例表达；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，每个数据记录表达了某一特征实例的一个时态版本。i d 包含了这一 特征实例的标识码和版本号，s t a r d a t a i d 表示该特征实例版本在哪个年份 出现，e n d d a t a l d 表示该特征实例版本在哪个年份出现中消亡。l a n d u s e t y p e 表示土地利用现状，作为主要的特征属性。决定着特征实例的产生和消亡。 只要该属性不变，其它属性( 包括几何属性) 所引起的变化都作为该特征实 例的不同版本。特征实例i d 号的编码原则：”前两位是土地利 用的二级分类编码，接着六位为图斑号，最后三位是版本号。前八位唯一 标识一个特征实例，不同的版本号反映了该实例的发展过程。 在时空数据库的组织上我们将其分为：历史库、变化库、现状库，分 别存储矿区历史数据、相邻土地类型转变的变化数据以及现状数据。现时 和历史数据采用分层进行存储，以具有同一利用类型地理实体为基本存储 单元，并在数据库表中作为一个记录。存储地理实体具有唯一的标识编码 i d ，地理实体的主要属性改变( 面积用途) 将使其改变旧实体将存储在历史 库中，新实体具有新的标识编码存储在现时库中，新旧实体的关系存储在 历史现状关系表中，并通过建立对问标记反映时间变化过程。图2 1 为矿区 时空数据库的结构图，图2 2 为遥感影像更新土地过程图。 图2 l 时空数据库结构图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 - 2 遥感影像更新土地利用过程图 2 3 矿区时空数据库建立 本研究主要采用多源多时相的遥感数据源提取矿区近二十年的资源变 化信息，并结合现有的矿区地形图、土地利用图等建立矿区时空数据库， 其具体过程如下： ( 1 ) 采用高分辨影像q u i c k b i r d 更新矿区2 0 0 5 年土地资源利用数据， 并导入所有的相关土地利用数据，建立基础数据库。 ( 2 ) 将不同时相的遥感影像通过上述监测解译方法提取出相邻时相土 地利用变化数据，同时将其存储到变化库中建立动态变化档案文件。 ( 3 ) 通过遥感影像解译对矿区历史影像进行土地资源的提取及矢量化 并完全存储到历史库中，建立历史快照模型可以重建矿区历史土地资源信 息状况。 基于上述方法，我们建立了基于特征的时空数据模型和土地利用失控 数据库，实现时空变化分析及历史重现，主要实现了以下时态信息的查询 与分析： ( 1 ) 查询某一特征实例的变化过程 通过调用现状库( c u r r e n t l d ) 、变化库( c h a n g l d ) 、历史库( h i s t o r y l d ) 相 应字段得到某一特征实例的变化情况。用以下语句表述： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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 特征实例前八位编码+ “”) 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 ) 查询某一给定时间( t ) 的快照。 由于矿区是个小范围的区域，历史变化数据量小，这里我们采取对历 史数据完全存储的方案，因此在查询某一给定时间的快照时我们可以调用 单独存储的历史库，与土地利用现状图进行同时比较显示，非常直观的显 示不同历史时期的土地利用状况。 ( 3 ) 查询相f 临年份土地利用类型变化和面积统计 在变化库中存储了土地利用类型在相邻时段的变化信息和面积统计信 息，我们可以根据年份字段和土地特征类型字段查询变化库中某地类的面 积变化信息。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 3 矿区土地资源变化的遥感监测机理 3 1 矿区土地资源变化主要形式 矿区是一种特殊的地理区域，由于矿物开采、加工导致其区域土地资 源的严重破坏，并有其特殊的演变形式，根据实地调查，结合沈阳矿区实 际情况，将其土地资源特征分为以下几种：建设用地( 含居民地、公共建设用 地、交通用地、矿区用地等) 、水域、绿地( 含农田和植被) 、山体、塌陷地。 由于矿区开采及其区域经济的发展陆面信息也随之演变，它的主要演变形 式见表3 i 。 表3 1 矿区陆面演变状态表 建设用地 一 一 x 、 水域 x 绿地 、 、 山体 塌陷地 、 表中，“一”表示有可能但很少发生，“”表示常见的陆面演变 情况，“x 表示不可能发生的演变情况 3 2 矿区遥感监测机理 根据上表我们可以看出矿区土地资源变化的主要形式，下面就对其主 要变化形态及遥感特征进行探讨。 ( 1 ) 绿地一塌陷地 矿区的开采直接导致陆面特别是绿地与农田的破坏、塌陷形成了塌陷 区，并可能产生积水现象。塌陷地在遥感影像上表现为灰度变化、纹理结 构变化，并且随时相不同而动态变化，可以进行识别。 ( 2 ) 塌陷地一可利用土地 通过土地复垦可以将塌陷地恢复到可利用状态，其在光谱特征、空问 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 4 关系，内部结构方面都发生了明显的变化，可以通过遥感影像进行识别与 监测。 ( 3 ) 绿地一建设用地 在矿区建设与发展中多占用农林用地转化为矿区建设用地。这也是城 镇土地利用变化的普遍表现形式，在这方面利用遥感影像进行城镇土地的 变化监测已经非常广泛，但矿区有其特殊性。 3 3 矿区土地资源遥感监测主要技术流程 国内外对于土地资源的遥感监测已做了大量的研究，本文就矿区这一 特殊的地理区域为研究对象，利用多源多时相遥感影像对其土地资源的变 化进行了监测与分析，具体研究技术路线和方案如下图3 1 。 矿区土地资源监测与分析 多源多时相遥感影像 li 各时期土地资源调查ji 社会经济调查统计 备时相土地资源信息提取 变化分析及精度分析 获得不同时期土地专题图 地理信息系统r 1 分析评价模型 结果输出( 图形，图像、文本) 图3 1 遥感监测技术流程图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 矿区土地资源遥感监测与分析 4 1 研究区概况 针对研究需要。我们选择沈阳南三大矿区作为本次研究区域，即林盛 矿( 一矿) 、红菱矿( 二矿) 和红阳矿( 三矿) 所覆盖的区域，占地大约 2 0 0 平方公里，沈南矿区的经纬度范围：东经：1 2 3 。0 7 0 9 1 ”1 2 3 。2 3 3 5 9 ”， 北纬：4 l o l 9 。3 4 7 ”4 1 0 3 9 0 3 ，8 ”。 4 2 数据源 为了研究矿区从建矿初期到开采中期以及开采现状的土地演化规律我 们根据沈阳矿区特点分别选择了多时相的l a n d s a t 、q u i e k b i r d 数据源。遥 感数据源的具体情况如下表4 1 所示： 表4 - 1 遥感数据源 为了建立矿区土地资源监测与管理系统我们同时也收集了矿区的非遥 感数据，主要包括以下资料：1 9 7 6 、1 9 9 5 、2 0 0 1 、2 0 0 5 年l ：2 0 0 0 地形图； 矿区的八大矿图、行政区划、并田边界、煤炭资源赋存、开采现状、地质 构造和地质灾害分布地图、矿区土地利用图、环境监测资料( 水体、噪声、 大气、地表沉陷、土地复垦) ，人文资料。 4 3 多源多时相遥感影像预处理 在矿区土地资源变化研究中，准确提取每一时相的土地利用覆盖信息 并对多时相遥感影像准确配准是土地利用动态信息获取的基础，而对遥感 影像的增强与融合可以提高影像的分辨率有助于影像信息的分类。因此在 进行动态信息提取之前，必须对遥感数据进行预处理，主要包括以下两个 辽宁工程技术大学硕士学位论文 步骤：一是儿何精校正与配准；二是图像增强与融合。 4 3 1 遥感影像几何精纠正与配准 为了得到统一基准下的不同时期研究区域的遥感影像，我们首先要对 不同时期的遥感影像进行几何精纠正与配准最后裁减出相同范围的研究区 影像，具体过程如下； ( 1 ) 遥感影像几何精校正 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。我们首先在研究区采集了均匀分布且明显可见的5 0 个 g p s 控制点，然后对2 0 0 5 年q u i c k b i r d 影像进行几何精纠正，选用通用的 2 阶多项式变换，并采用立体卷积插值法进行重采样，几何纠正时的精度 控制在r m s t m 5 t m 7 ；并且水体在这三个波段上灰度值都是最小的，因此采用t m 4 + t m s + t m 7 可以增大这种差异，有利于水体与其他地物的特征形成更鲜明的 对比。 从表3 7 中我们发现在所有的各种地物种，只有水体具有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。综合上诉水体在各波段中的特 征及相互关系，我们可以建立以下水体提取模型： 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 以有效免除多提或误提的水体，具体提取过 程我们采用e r d a s 软件利用其建模功能( m o d e lm a k e r ) 构建上述模型对沈 南矿区水体进行了提取实验并取得了很好的效果，见图4 7 、4 8 分别为上 述两个模型提取的水体效果图，其中白色显示为提取信息。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 - 7 模型l 提取的水体图4 - 8 模型2 提取的水体 ( 2 ) 建设用地提取 研究区内建设用地主要包括居民用地( 开阔地) 、工矿用地( 开阔地) 和交 通用地( 道路) 。提取建设用地最好的波段组合应为可见光、近红外、中红 外、热红外，所以根据t m 各波段特性，选取t m 3 、t m 4 、t m 7 或t m 4 、 t m 5 、t m 7 = 波段的组合较好，为此我们利用前面分类结果，先对研究区 建设用地进行光谱特征分析，灰度值及组合特征分析见表4 - 9 、图4 - 9 所示。 表4 - 9 建设用地提取波段组合特征 m c a n 地类tm4tm7t m 4 t m 5t m 4 t m 3t m 4 t m 5 t m 7 水体 积水 道路 绿地 3 3 6 3 6 6 2 7 ，2 6 4 6 5 2 1 2 6 3 8 5 4 开阔缝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 农田4 5 8 7 5 5 7 2 5 82 6 9 9 i4 2 18 3 1 3 2 6 6 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 - 9 建设用地提取波段组合特征图 从上表统计分析发现，建设用地有以下特征： 建设用地和裸山在每个波段上的灰度值都是最大的。 建设用地的t m 4 、t m 7 灰度值非常接近，而其他地物中只有裸山具 有这一特性。 建设用地的t m 4 、t m 3 灰度值非常接近，地面积水也具有这一特性， 但通过上节水体的提取模型很容易剔出。 尽管建设用地和裸山具有相似的光谱特征，但二者具有不同的纹理 特征可以进行识别。 根据上述分析，我们选取( t m 4 t m 7 ) 0 分别进行初 步提取，再目视判别将山体的数据剔出，由于沈南基本为平原所以这一工 作非常简单，对照各期地形图进行滤除即可，按照上述方法我们对1 9 9 5 年 t m 图像进行了建设用地的提取见图4 1 0 所示，其中白色显示为提取信息。 ( 3 ) 植被与农田提取 图4 1 0 建设用地提取图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 为了研究需要植被与农田可以不必细分，这里归为“绿地”进行提取， 通常利用植被指数对绿地进行提取，本文采用植被指数r v i 、标准化植被 指数n d v i ( 公式见下所示) ，对研究区绿地进行提取。 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 ) 通常我们采用n d v i o 对绿地进行提取，但研究发现部分建设用地特别 是工矿区低层建筑、村镇建筑物一些象元也呈现出n d v i 0 的特征，即 t m 4 t m 3 0 的现象，但其差值一般很小，可以设置t m 4 t m 3 k l 或 d v i = t m 4 t m 3 k 2 ，实验采用k i = l o 或k 2 = 1 2 。根据此模型我们对研究区 进行了绿地的提取，见图4 1 l ，其中白色显示为提取信息。 倒4 - 1 1 绿地提取图 ( 4 ) 塌陷地的提取“1 研究区的塌陷地主要是采煤引起的塌陷土地，同时伴随着采水导致的 地面沉降等新的塌陷形式。沈南矿区开采时间长，范围大，地面塌陷也相 当严重，特别在雨季塌陷地还有积水，以面状或斑点状形态与线蓝色背景 形成鲜明的对比。 塌陷地呈现以下特征；在空间结构上呈现出坑状结构并且呈现出连 续状和高低起伏状态，并且伴随有积水情况，特别是由于我们的影像通常 选取在9 , 9 份，塌陷地的积水非常严重；光谱特性上看，由于塌陷地实际 上是由绿地、荒地、水域以及少数建设用地组合而成，其光谱特性不能用 统一的模式进行描述，既有各种覆被单独存在的象元，又有多种覆被引起 的混合象元，因此基于光谱特性进行塌陷地的提取非常困难，必须根据其 辽宁工程技术大学硕士学位论文 特征及有关知识进行提取。 塌陷地知识特征：提取积水的时态性、积水区应在开采煤层的缓冲区 范围内、土地利用的动态变化。根据塌陷地特征建立基于光谱特性和知识 的塌陷区提取模型。模型l ：基于塌陷区积水的提取模型；模型2 ：基于土 地覆盖因子变化的提取模型。这里就其模型2 进行简单的介绍。 基于土地覆盖因子变化的提取模型；以某一矿区中心( 或矿区井田边 界) 为基础做缓冲区分析，半径r 1 根据矿区开采面积确定，得到区域r l ； 在区域r 1 内划定土地利用变化范围r 2 ，由多时相遥感图像分类信息或g i s 基础信息确定变化模型，提取符合塌陷地特点的区域；根据r 2 和知识推 理原则，确定可能的塌陷地象元集合r 3 ；根据经验统计数据，确定外推 半径r 2 ，以r 3 边界为基础，向外作缓冲区r 4 ，即可作为提取的塌陷地。 本文采用了其模型2 ，借助g i s 分析功能分别对1 9 9 5 年、2 0 0 1 年的t m 影 像进行了塌陷地的提取见图4 1 2 。 1 9 9 5 年塌陷地 2 0 0 1 年塌陷地 图4 1 2 矿区塌陷地提取图 4 4 3 2 相领时段地物变化信息提取 利用不同时相的遥感影像可以提取出相邻时段的土地利用变化信息， 为了研究矿区近2 0 年来的土地利用变化情况，我们对1 9 7 6 、1 9 8 1 、1 9 9 5 、 2 0 0 1 、2 0 0 5 年的影像进行了地物变化信息的提取，主要采用了两种方法： 一种是直接基于遥感图像、通过多时相图像综合分析评价：另一种则是利 用所提取的信息、分类结果在g i s 的支持下，结合空间分析模型进行分析 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 0 研究，即分类后比较法。在本次研究中根据上节的研究成果，由于已经获 得了各对相各地物的分类信息，因此本文主要采用了第二种方法在g i s 的 支持下对研究区进行了变化信息的提取与分析，具体过程如下； ( 1 ) 各类提取地物在g i s 下进行矢量化处理并添加属性信息入库 将各地物提取图通过栅格矢量化入库，在这过程中我们应当注意以下 问题：将提取图与已有地形图进行对比分析，剔出有误信息，再将图像进 行聚类统计、过滤分析、去除分析以去除大量小多边形，最后对图像进行 平滑处理防止产生大量的“岛”多边形。经过上述处理后的图像我们可以 在g i s 的支持下添加属性信息、编码后入库。 ( 2 ) 对相邻时相的相同地物进行g i s 叠加分析、面积量算 通过对相邻时相的相同地物进行变化检测，提取出变化信息，如图4 1 3 所示。最后对变化图像再进行上面的矢量化处理入库，借助g i s 功能对变 化区域进行面积统计。 1 9 9 5 年水体提取图 2 0 0 1 年水体提取图 1 9 9 5 2 0 0 1 年水体变化图 图4 一1 31 9 9 5 - 2 0 0 1 年水体变化监测 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 矿区土地资源的时空演变分析 5 1 矿区土地变化时空特征分析 时空分析的基础资料来源于地形图，统计资料、历史资料和遥感数据 等。对这些资料的分析和处理需要一系列技术方法。己经成熟的技术方法 主要包括数理统计方法、遥感方法、地理信息系统方法和模型方法，这些 方法主要用于对地学现象进行描述、解释、预测和制定优化政策，借助于 g i s 技术，运用空间数据分析方法对时空变化特征进行分析，可以使数据 表征更加直观和形象。 5 1 1 时间序列分析 时间序列的分析其目的是为了了解给定时段内研究区土地利用地状态 在时间轴上发生的一系列变化“”，即研究各土地类型的数量、方式和强度 随时闻发生的改变。 5 1 1 1 矿区土地利用，覆盖结构变化 矿区土地利用覆盖结构变化主要反映其面积总量随时间的变化，依据 上述不同时期的土地利用覆盖分类结果，同过g i s 叠加与统计分析功能计 算得各地类土地利用结构情况见表5 1 所示。 表5 一l 土地利用覆盖结构 1 9 7 61 9 8 11 9 9 52 0 0 l 2 0 0 5 类型 面积比例面积比例面积比例 面积比例面积比例 ! ! 里：! 垫21 1 坐：! ! 丝2堡璺：!l 丝2垡堡：!( 堑! 堡里：21 丝! 水体】4 8 56 3 8i 5 2 36 5 4 1 0 5 74 5 47