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陆面水体监测中卫星遥感数据适宜性评价方法研究
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曾开祥董文陶迎春陈秀万余涛
作为地球表层三大地物(水、土壤、植物)之一,水既是人类生存和发展的最基本资源,又是影响全球气候变化的最活跃因子之一。充分利用遥感技术对地面水体进行动态监测,是水资源一环境一灾害系统研究的重要内容,也是遥感应用研究的重点和难点。近20年来,运用遥感技术监测水域面积、水位以及蓄水量的动态变化,使得陆地水体的动态监测具有广阔的前景,卫星遥感数据在大范围水体监测中已开始发挥重要作用。
世界各国非常重视对地观测系统的发展。截至2013年3月5日,全球已成功发射6596个航天器,其中对地观测卫星2248颗。全球20多个国家和地区目前共有在轨观测类卫星187颗,而且还在不断发射新的卫星,制定新的卫星发展计划。随着多平台、多时相、多光谱和多分辨率遥感影像数据以惊人的数量快速涌来,这就自然地引出用多源遥感信息描述同一对象时,如何选择最优数据源的问题。同时,由于研究经费的限制,某些项目不可能获取大量的多种遥感影像。
因此,针对用户监测目标,探讨从众多卫星数据源中选取最优的数据,即开展卫星遥感数据适宜性评价方法研究,对于推动对地观测系统更广泛的应用,提高应用效益具有重要的意义。
一、适宜性研究现状
适宜性的概念最先出自生物学家达尔文进化论中的适应观点学说,此后“适应观”被应用于许多研究人和自然关系的科学当中,最具代表性的是地理学中的适应论。适宜性评价的基础前提是认为地物的每个方面都具有内在的特征,或者适宜,或者不适宜某种计划中的活动。适宜性通过对地物不同方面的系统性、多因子分析来确定。最初的适宜性评价主要针对土地利用和景观生态等,经过几十年的发展,应用范围已经有很大程度上的扩展。
我国学者在遥感数据适宜性评价方面做了一些研究。如董斌、陈立平等选取2000年和2006年时相相近的TM遥感影像作为山东黄河流域的基本数据源,采用监督分类法、专家分类法进行森林资源的分类和验证,运用层次分析和模糊数学法建立森林资源生态适宜性综合评价模型;吕云峰等对土地的适宜性进行评价,并利用层次分析法来确定土地适宜性的评价因子。
在国际上,适宜性评价也主要应用于土地、生态、景观、植被、城市规划、水质等领域。如P.Wandahwa等基于计算机专家系统和GIS技术,通过气候、土壤和地形因素对肯尼亚西部种植除虫菊的适宜性进行评价,结果表明有42%的土地被认为是适合除虫菊的栽培,其中5%的面积是非常合适的,其余的都有某种形式的限制。
国内外学者虽然在适宜性评价方面做了许多研究和应用工作,但将适宜性评价应用于多源遥感卫星数据选择,在文献中尚未见到。
二、适宜性评价方法
适宜性评价方法主要包括经验法、极限条件法、人工智能法和数学方法。
经验法通过评价人员与当地科技人员和有实际经验的人讨论,并依据研究对象的具体情况和评价人员多年的经验,决定如何将各单项的适宜等级综合为总的适宜等级。
极限条件法主要强调主导因子的作用,运用“木桶原理”,将单项因子评价中的最低等级直接作为综合评价的等级。
人工智能法主要包括人工神经网络方法和遗传算法。人工神经网络方法模拟人脑的功能,具有自组织、自适应的能力。遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和进化机制发展起来的高度并行、随机、自适应有哪些信誉好的足球投注网站算法。
数学方法以权重法为中心,即确定各个参评因子及其权重,然后对两者的乘积加总,以和作为分等级的根据。数学方法主要分为多因素综合评定法(指数和法)和模糊综合评判法。多因素综合评定法将各参评因子按其对评价对象适宜性贡献或限制的大小进行经验分级或统计分级赋值,然后用各参评因子指数之和来表示评价对象适宜性的高低。其中各参评因子及其权重系数可利用回归分析法、层次分析法(AHP)、专家征询法等来确定。模糊综合评判法对参评因子和适宜性等级建立隶属函数,对参评因子的评价由参评因子对每一个适宜性等级的隶属度构成,评定结果是参评因子对适宜性等级的隶属值矩阵;参评因子对适宜性的影响大小用权重系数表示,构成权重矩阵,将权重矩阵与隶属值矩阵进行复合运算,得到一个综合评价矩阵,表示该单元对每一个适宜性等级的隶属度。
三、适宜性评价的实现
鉴于以上几种适宜性评价方法的优缺点,就卫星遥感数据对陆面水体监测的适宜性评价,本文采用极限值法与指数和法相结合的方法。
1.指标体系构建
为了客观、全面、科学地选取适合的卫星数据对水体适宜性进行监测,在研究和确定卫星遥感数据监测水体适宜性评价指标体系时,要遵循科学、全面、独立、定量和定性相结合的原则。
在本研究中,将平水期水体和洪水期水体作为监测对象。经过广泛调研并征求水体遥感监测专家的意见,决定平水期使用光学传感器,洪水期使用光学和微波传感器。对陆
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