《地理信息技术》练习二

《地理信息技术》练习二如何在白天和夜间获取的热红外图像中识别水体和道路、森林和草地、土壤和岩石？地物具有反射、透射和发射电磁辐射的能力。遥感器透过3.5-5.5μm和8-14μm区间上的大气窗口，探测地物表面发射的电磁辐射。这点不同于可见光和近红外遥感。地物本身具有热辐射特性，热红外像片记录了地物热辐射。各种地物热辐射强度不同，在像片上具有不同的色调和形状构像，这是我们识别热红外像片地物类型的重要标志，热红外像片的直接解译标志主要包括：1)色调：色调是地物亮度温度的构像。判读热红外像片时，关键是要细致区分影像色调的差异。影像的不同灰度表征了地物不同的辐射特征。影像正片上深色调代表地物热辐射能力弱，浅色调代表地物热辐射能力强。形状与大小：热红外探测器检测到物体温度与背景温度存在差异时，就能在影像上构成物体的“热分布”形状。地物大小：地物的形状和热辐射特性影响物体在热红外像片上的尺寸，当高温物体与背景具有明显热辐射差异时，即使很小物体，如正在运转的发动机，高温喷气管、较小的火源，都可以在热红外像片上表现出来，由于高温物体向外辐射，因此它在影像中的大小往往比实际尺寸要大。4)阴影：热红外影像上的阴影是目标地物与背景之间辐射差异造成的，分为冷阴影和暖阴影。(2)根据热红外影像解译标志，可以识别不同的地物：1)水体与道路：在白天热红外像片上，由于水体具有良好的传热性，一般呈暗色调。相比之下，道路在影像上呈浅灰色至白色，这因为构成道路的水泥、沥青等建筑材料，白天接受了大量太阳热能，又很快转换为热辐射的缘故。午夜以后获取的热红外像片，河流、湖泊等水体在影像上呈浅灰色至灰白色，而道路呈现暗黑色调，这因为水体热容量大，散热慢，而道路在夜间散热快。2)树林与草地：白天的热红外影像上，树林呈暗灰至灰黑色。这因为在白天树叶表面存在水汽蒸腾作用，降低了树叶表面温度，使树叶的温度比裸露地面的温度要低。夜晚，树木在热红外影像上多呈浅灰色调，有时呈灰白色，这因为树林覆盖下的地面热辐射使树冠增温。草地在夜晚热红外像片呈黑色调或暗灰色调，这因为夜间草类很快地散发热量而冷却的缘故。3)土壤与岩石：热红外影像上土壤含水量不同，其色调也不同。在午夜后拍摄的热红外影像中，土壤含水量高，呈现灰色或灰白色调，土壤含水量低呈现暗灰色或深灰色，这因为水体的热容量大，在夜间热红外辐射也强。一般裸露的岩石白日受到太阳爆晒，在夜间的热红外像片上呈淡灰色，例如玄武岩往往呈灰色至灰白色，花岗岩呈灰色至暗灰色，这是由于岩石的热容量较大，夜晚有较高的热红外辐射能力所致。2.论述GIS在医疗卫生方面的应用GIS与流行病研究由于流行病是用于描述和解释某种疾病的发病率，从空间的角度来看，流行病学需要很好地描述流行病发病率空间分布特征的手段，进而可以研究发病率模型，以发现流行病和周围环境的关系。通常，GIS在流行病研究中主要提供了如下三个方面的功能：流行病数据的可视化：假定要使用一组点来表示某个人群的发病率，而通常无法直接获得点数据，而只能获得整个区域——如人口普查区或其它行政区划单元——的数据，这些数据包括了疾病的发病率及各疾病的年龄结构。由于各个空间区域的大小各异，使得表现发病率的空间分布时不直观，一个解决的办法是采用比较统计地图，在比较统计地图上，各个单元的大小与具有发病危险的人口数目成比例，然后将发病率绘制在该图上，这样可以利用GIS，清楚地将流行病数据的空间分布可视化。空间数据分析：实际上，空间数据可视化与空间数据分析的界限是十分模糊的，如制作比较统计地图需要对地理空间进行变换。由于各个区域人口的分布是不均匀的，为了分析流行病病例的空间分布，通常采用的一种方法称为密度估算(DensityEstimation)。该方法是采用一个移动窗口(MOVingWindow)覆盖于栅格化的位置点上，计算每个窗口内的密度，采用这种方法，关键是确定窗口的大小。流行病模型：在识别出每个流行病的空间分布聚集区之后，一个重点的研究是确定流行病和其周围环境的关系，这将有助于验证对流行病发病原因的假定。做法之一是将空气、水质的空间分布与流行病的空间分布进行对比研究，2)医疗设施规划不论是在发达国家还是发展中国家，随着“规划需从当地的实际情况出发”的观点的不断被认可，一种以医疗中心为主的观点也不断被采纳。这意味这不再为了所谓声望而投资大型医疗基地，而代之以建造更多面向小社区的诊所，以方便大众。这时，显然需要一种办法来提供人口统计和发病率的详细资料医疗设施需求。在进行这种医疗设施定位时，GIS可以发挥的重要作用。3)联系流行病学与医疗实施规划—空间决策支持系统在医学地理学中，地理流行病学和医疗设施规划是两个最主要的领域。建立两者间的桥梁，需要包括空间决策支持系统，如果分析显示在特殊的局部区域存在健康问题，此时，空间决策支持系统将提供工具及策略来处理这一问题。地理信息系统发展趋势与展望随着计算机和信息技术的发展，GIS的内容与技术也在迅速地变化着。GIS发展趋势有如下几个方面：1)GIS标准化发展随着GIS应用领域的不断扩大，专业的GIS软件也在不断地增多，各个软件系统之间在相通性、互操作等方面还有一定距离，目前尤其是在数据结构、系统模型等方面的差异日趋紧迫，限制了GIS的通用性，成为信息与资源共享的瓶颈。因此，GIS标准化的制定是面临的一个主要问题和发展趋势。GIS要对软件、硬件、数据等要素进行必要的标准化，这样才能实现更有效、广泛地使用GISoGIS的标准化将在国际、国家、省、市、县和机构范围内多层次地进行，其内容可能包括到GIS的各个组成部分、各个操作过程、各种数据类型、软件硬件系统等。GIS网络化发展计算机网络技术的发展改变了信息交流的距离与关系。对于GIS的发展，是起到至关重要的作用。网络的发展使地理数据在空间上共享成为可能，用户通过网络可以对分散存储在不同地域的得数据库进行生产、更新、维护和管理，通过网络浏览器可以直接在网上进行数据的各类空间操作，使用网络提供的各类模型进行模拟，直接产生新的数据结果。目前网络化在GIS应用方面还有一定局限，主要表现为地理数据的传输的瓶颈，因为GIS数据量较大，现在网络宽带的能力在中远距离的大量数据传输过程中，速度不够令人满意；网络安全、数据保密等方面随着网络化的发展，其矛盾也越来越显现出来。网络技术如何在GIS领域得到有效的使用，充分、恰当地发挥出它的潜能仍然是需要人们探索的问题。系统模块化和专门化发展目前，大多数GIS软件和系统还是被作为一个整体存在。许多软件提供全面的GIS功能可以在任何一种需要GIS的部门使用，没有具体专业领域的限制；但是这些软件系统不是针对某个部门的，从使用GIS系统的用户角度上看，很多用户只是需要GIS软件中的部分功能，而目前GIS软件设置使得用户在购买GIS系统时往往要求整个软件一起购买。因此，GIS要进行模块化发展，使用户可以根据自己的需要，选购相应的模块。另外，GIS的各种功能要与各个专业领域进行更直接的深度融合，为GIS软件的专业化做好准备。将来的各类应用系统中，GIS可能将作为一个必须的部分存在。4）GIS大众化发展GIS不仅在科研领域和企业中越来越受到人们重视，甚至在人们日常生活中也潜移默化地改变着人们的生活。使用地理信息系统相应的功能来定向、定位和导航，进行路线选取，生活服务设施查找寻找，如餐馆、旅店、娱乐中心、购物中心、银行、旅游景点等，GIS已经广泛地渗透到人们生活的方方面面，并改变着人们的生活习惯与方式。4.综合比较我国北斗卫星导航定位系统与美国GPS系统。（1）覆盖范围：北斗导航系统是覆盖我国本土的区域性、全天候导航系统。覆盖范围东经约70°-140°，北纬5°-55°。GPS是覆盖全球的全天候导航系统，能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星，实际上最多能观测到11颗。（2）卫星数量和轨道特性：北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。导航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。（3）定位原理：北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。（4）定位精度：北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度约20ns。（5）用户容量：北斗导航系统由于是主动双向测距的询问——应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，GPS的用户设备容量是无限的。（6）生存能力：和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，定位解算在中心控制系统而非用户设备完成。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。（7）实时性：“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。地理系统空间的分型划类（或地理界线或过渡带）研究的两种常用统计方法是什么？它们之间的关系如何？聚类分析与判别分析是确定地理系统空间分型划类（或地理界线或过渡带）的常用统计分析方法。聚类分析法是新近发展起来的一门多元统计分类法，它可避免传统分类法的主观性和任意性的缺点。但应指出，如对地理数据处理不当，或一味地追求方法的新颖，有时分类的结果可能与地理实际不相符合，这一点应特别引起注意。一种科学的分类法，应能正确地反映客观地理事物的内在联系，并能表达出它们之间的相似性和差异性。聚类分析是根据地理变量（或指标或样品）的属性或特征的相似性、亲疏程度，用数学的方法把它们逐步地分型划类，最后得到一个能反映个体或站点之间、群体之间亲疏关系的分类系统。在这种分类系统中，首先我们要根据一批地理数据或指标找出能度量这些数据或指标之间相似程度的统计量；然后以统计量作为划分类型的依据，把一些相似程度较大的站点（或样品）首先聚合为一类，而把另一些相似程度较小的站点（或样品）聚合为另一类，……。这样，关系密切的站点（或样品）便聚合到一小类，而关系疏远的站点（或样品）则聚合到一大类，直到把所有的站点（或样品）都聚合完毕，最后便可根据各类之间的亲疏关系，逐步画成一张完整的分类系统图，又称谱系图。聚类分析法的基本特点是：事先无需知道分类对象的分类结构，而只需要一批地理数据；然后选好分类统计量，并按一定的方法进行计算；最后便能自然地、客观地得出一张完整的分类系统图。判别分析是根据地理对象的一些数量特征，来判别其类型归属的一种统计方法。它对地理类型的划分和区界（地理界线）的判定具有重大意义。判别分析的基本原理是两个准则的确定。即：费歇和贝叶斯准则。判别分析与聚类分析既有相同之处，又有差别。相同处在于：都能确定地理类型；不同点在于：判别分析兼有判别和分类的两种性质，但以判别为主，判别分析必须事先已知类型为前提，而聚类分析则不必事先已知类型，类型的划分是聚类的结果。判别分析的作用，可概括为以下三点：第一，对已分好的类型进行合理性检验；第二，判别某地地理类型的归属问题和确定区域界线；第三，评价各要素特征值在判别分析中贡献率的大小。栅格数据及其主要编码方式。栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。因此，栅格结构是以规则的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。栅格数据的主要编码方式包括：（1）直接栅格编码：这是最简单直观而又非常重要的一种栅格结构编码方法，就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐个象元记录，也可以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录，为了特定目的还可采用其他特殊的顺序。（2）压缩编码方法：目前有一系列栅格数据压缩编码方法，如键码、游程长度编码、块码和四叉树编码等。其目的是用尽可能少的数据量记录尽可能多的信息，其类型又有信息无损编码和信息有损编码之分。具体的压缩编码方法有：a）链码：又称为弗里曼链码或边界链码，链码可以有效地压缩栅格数据，而且对于估算面积、长度、转折方向的凹凸度等运算十分方便，比较适合于存储图形数据。b）游程长度编码：栅格图像常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。一种编码方案是，只在各行（或列）数据的代码发生变化时依次记录该代码以及相同的代码重复的个数；另一种方案是逐个记录各行（或列）代码发生变化的位置和相应代码。C）块码：块码是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单位的代码组成。d）四叉树：又称四元树或四分树，是最有效的栅格数据压缩编码方法之一。四叉树将整个图像区逐步分解为一系列被单一类型区域内含的方形区域，最小的方形区域为一个栅格象元。分割的原则是，不管是哪一层上的象限，只要划分到仅代表一种地物或符合既定要求的少数几种地物时，则不再继续划分，否则一直划分到单个栅格象元为止。论述当代遥感技术及其应用的发展方向。随着遥感数据应用的不断发展，遥感技术本身也在不断走向成熟。为了适应当前地球信息科学从静态到动态、从区域到全球、从地表到太空的研究需要，遥感技术也相应地呈现出以下发展趋势：（1）遥感平台多样化，大型化与微小型化平台相辅相成在当前大型的专题卫星不断发展的同时，造价相对较低的小卫星群，获取信息的周期短，空间分辨率高，适应性强，使地球空间信息的获取与使用更方便。（2）向更高的空间、温度、光谱分辨率方向发展遥感技术发展的另一个趋势是其分辨率大幅度提高，平均每10年提高一个数量级。空间分辨率、温度分辨率逐步提高，光谱分辨率的提高表现在：随着对能透过大气的各类电磁波谱的充分利用，向红外、远红外和微波方面扩展，已经基本能覆盖大气窗口的所有部分，包括可见光、近红外、短波红外和微波区域。高光谱发展迅速，光谱段划分越来越细。（3）全方位、多时相、定量化的对地观测全方位、多时相、定量化的对地观测系统正在形成，且成为遥感技术发展的一个新趋向。目前，遥感已可以获得3维空间的数据。雷达微波技术的发展，更使用户可以获得全天候的遥感数据，这一切都为遥感动态监测创造了条件，使遥感技术真正实现了“4维”（空间维和时间维）信息获取。（4）空间数据获取、处理的智能化①遥感传感器的可编程性。②影像识别和影像知识挖掘的智能化。③遥感数据自动配准算法。（5）遥感信息定量化研究是当前遥感发展的前沿。遥感信息定量化研究涉及到传感器性能指标的分析与评价、大气参量的计算与大气订正方法和技术、对地定位和地形校正方法与技术、计算机图像处理与算法实现、地面辐射以及各种遥感应用模型和方法、观测目标物理量的反演和推算等多种学科及领域。其中，传感器定标、大气订正和目标信息的定量反演是遥感信息定量化的三个主要研究方面。遥感广泛应用于许多方面，在资源调查、灾害监测、海洋渔业、地质找矿等领域取得明显经济效益。但总的看来，其应用的整体水平还不能满足实用的要求，需要大力提高实时监测与处理能力。遥感应用实质上是个“反演”问题，涉及从遥感原始测量值中模拟和反演各类有价值的地表参数，如地表反照率、地表真实温度、土壤水分、植被结构等，如何提高反演能力和精度问题十分关键。同时，在对学科现象充分理解的前提下，把地学规律、过程经过抽象转换，建立有价值的、深化的遥感应用分析模型是重要的发展方向之一。.请分别用关系模型、网络模型和面向对象模型表示下图M：关系模型:实体与面MIMII面与线IaCbIICed线与结点面向对象模型：实体与面MIMII面与线IaCbIICed线与结点aN1N2bN2N3CN1N3dN4N3eN1N4点坐标文件N1X1Y1Z1N2X2Y2Z2N3X3Y3Z3N4X4Y4Z4.为了完成城市道路拓宽改建分析，论述需要那些空间数据，并描述在GIS支持下的分析流程。（1）利用建立缓冲区、拓扑叠加和特征提取,计算一条道路拓宽改建过程中的拆迁指标。明确分析的目的和标准目的是计算由于道路拓宽而需拆迁的建筑物的建筑面积和房产价值，道路拓宽改建的标准是：道路从原有的20m拓宽至60m；拓宽道路应尽量保持直线；部分位于拆迁区内的10层以上的建筑不拆除。一-6分(2)准备进行分析的数据