地理信息系统原理与方法结课论文.docx

1、地理信息系统原理与方法结课论文基于GI技术的海岸线提取研究综述报告(地球信息科学与技术064141班，冯时，2201410081)摘要：地理信息系统作为一门集计算机科学、信息学、地理学等多门科学于一体的新兴学科，正以其实用性、科学性深入到各行各业、各个领域，也即将成为人们的日常生产和生活必不可少的一部分。本文在总结地理信息系统发展历程的基础上，简要地谈了谈地理信息系统的发展前景，以使更多的人了解地理信息系统的发展，关注地理信息系统的未来。岸线是地表最为独特的特征， 也是海岸最古老和直观的表现形式。“ 岸线位置”（shoreline position） 被国际地质科学联合会 （IUGS） 指定为

2、 27 个全球性地质指标（Geoindicator） 之一1。 岸线分析是研究海岸系统演变的基本方法和重要内容。 因此利用GIS技术对海岸线进行考察研究及其应用可以达到方便精确跟高效率的要求，进一步拓展GIS的研究特别是在延伸海岸线方面的深入是形式所迫切要求的。本文从前人对GIS在海岸线方面具体考察研究为例，总结前人的研究方法和结果。关键词：地理信息系统；海岸线；岸线分析1.国内外研究现状1.1国内研究现状我国的GIS研究工作开始于20世纪80年代初，以1980年中科院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志J纵观其发展历程，也可以归纳为四个阶段：筹备阶段(19781980)、起步

3、阶段(1980l985)、发展阶段(1985l995)、产业化阶段(1996年以后)。而我国地理信息系统在海岸线方面的应用始于发展阶段到产业阶段期间，近年来 , 分形理论无论在数学基础还是在应用方面都有快速发展 , 并且在众多学科领域中取得令人瞩目的成功 应用 分形理论研究中国海岸线性质已有不少论述 。但到目前为止,对于海岸线模拟 、海岸线分维以及海岸线长度这三种基本性质,众多学者往往只针对其中一个进行研究 ,尚未见到将这三种基本性质进行综合研究 。这是由于我国GIS在海岸线方面发展时间比较短暂，在某些方面限于技术人才延伸深度的有限 ，由此仍存在极大考验。同样虽然起步较晚,但是有后发优势可以少

4、走弯路,以比较高的起点开展GIS的理论研究和开发应用工作。在我国,GIS几乎进入所有与空间信息相关的领域,在海岸线方面的具体方面也比较全面，利用GIS分析海岸线地理信息而催生的独立产业已经成。在我国利用GIS的沿海资料市场需求旺盛,软件迅速发展,应用不断成熟,专业公司快速成长。同时国家鼓励高新技术发展的政策将激励GIS在海岸线研究方面的发展。为沿海的经济、社会、文化、军事等方面带来更多的便利和效益。1.2国外研究现状国外地理信息系统的发展分为以下几个方面：开拓阶段(20世纪6O年代)、巩固阶段(20世纪70年代)、突破性阶段(20世纪80年代)、社会化阶段(20世纪90年代)。而具体应用于海岸

5、线则处于巩固阶段到突破性进展阶段。比我国的开始时间相对较早，同时在人才、设备、科技等方便也比较有利。例如Boak等对岸线的定义和监测技术进行了总结和评述， 指出目前面临的挑战是完善岸线指标特征定量和基于过程的理解， 以及岸线指标与自然水陆界线的空间关系 。Gens对利用遥感技术提取和监测岸线的有关技术方法做了较为详细的研究， 认为相关技术的发展已趋成熟， 可以为更复杂的海岸监测场景所服务。1.3国内外研究面临的问题（1）人才问题（2）认识问题（3）数据质量问题（4）安全问题（5）网络通讯建设不同步等问题2.所需要的数据光学影像、 SAR影像、 LiDAR数据、 视频数据等。具体例如地形图、 海

6、图、 航片和卫片等。例如在文章基于遥感和 GIS的江苏省海岸线时空变化中，Landsat MSS/TM/ETM+影像作为数据源， 时间跨度为1973年至 2012年。 所有的 Landsat影像数据都从美国地质调查局 （USGS）网站得来。大部分数据是经过精确几何校正和地形校正的 L1T 级 （Level 1T） 产品。 若无必须的地面控制点或高程数据， 则被处理成 1G级产品或 1Gt级产品。而在基于 RS、 GIS 集成技术的黄河三角洲海岸线变迁研究一文中提到RS影像数据是本课题研究的主要数据源包括幅28幅陆地卫星 MSS和 TM影像数据（1976-2004 年），其中1985年以前数据类

7、型为 TM7，波段，地面分辨率 30m； 图像数据经过辐射校正、几何校正和噪声去除后，采用空间域处理和频域处理的方法对上述图像进行增强处理，然后，选用合适的近红外波段，定出水体与陆地分界阀值，从而区分出水体与陆地。3.研究思路和方法3.1研究思路（1）数据获取和预处理。数据的获取和预处理是研究的准备和前提，数据获取的准确度也是研究精度甚至是否能够加以加以进一步应用的决定性要要素。预处理能够提取有效信息，减弱无效甚至干扰信息，提高数据的准确度，为以后的处理减轻了难度。例如覆盖江苏省全部海岸需要三景 Landsat影像数据 （图 1）， 为便于叙述， 按照影像的覆盖区域， 把江苏省岸线分为北、 中

8、、 南三个部分。 由于三景影像分别位于三个相邻的卫星轨道上， 难以保证它们成像时间完全一致， 只能对三景影像分别进行分析。 同时， 考虑到江苏省海岸线的特点、 数据本身的问题 （如云覆盖、 成像质量等） 和数据的可获取性， 本研究取大约 5 年为间隔选择影像数据。 所选数据如表 1 所示， 北部和南部各选 9景影像，中部选择10景影像。另外为保证数据几何精度的一致性， 需要对所选影像进行预处理。 主要包括： 对部分几何处理精度低的影像利用 ERDAS 软件进行图像配准， 配准精度小于 0.5个像元； 对于成像质量不好或有薄云覆盖的影像， 进行图像增强； 由于 Landsat 7 ETM+机载扫

9、描行校正器 （SLC） 故障导致 2003年 5月 31 日之后获取的图像出现了数据条带缺失， 影响使用， 采用 SLC-off模型加以修复。 为了遥感影像数据解译的准确性， 于 2012年 7 月开展江苏海岸带的现场勘察 ， 同时结合其他文献资料作为遥感数据的补充。（2）岸线提取和数字化。岸线提取是将所需的海岸线的资料从所得到的全部数据资料中提取出来，以便于精确处理海岸线的数据资料。数字化是将提取出的海岸线的影像资料转化成数字的形式，更利于计算机的输入存储和输出，为下一步的运用计算机进行图像制作奠定基础。海岸线一般指海陆交界线， 为多年平均大潮高潮时水陆分界的痕迹线， 受自然和人为因素影响，

10、 海岸线始终处于动态变化中 。 海岸线的高度动态性决定了现实中并不存在一条固定的“线”， 通常根据具体情况采用不同的岸线指标 （shoreline indicator） 或代理岸线 （shoreline proxy） 来表征真实岸线的位置。例如在文章基于遥感和 GIS 的江苏省海岸线时空变化中，考虑到江苏沿海海堤不断向海域推进， 目前的海岸线已成为人工岸线。 尽管堤坝的建设主要受人为控制， 但多数堤坝在一定程度上反映了海岸的自然淤涨趋势， 其实际位置在理论上基本位于海岸线向海一侧 。 因此， 本研究采用最外侧的海堤作为岸线指标。江苏沿岸海堤多由石英质粗砂构成， 成像特征明显， 比较平直且清晰可

11、辨。 也有相当部分为土堤， 堤顶两侧及内外坡均栽植草木， 可借助位置、 形态和植被特征加以分辨。 但由于图像分辨率所限、 多条海堤并存及其它线状地物的干扰， 完全自动提取仍存在困难， 本研究采用半自动化的方法提取海岸线。 首先， 对所选影像的近红外波段进行图像分割和阈值化处理， 生成二值图像； 然后， 借助 ArcGIS 提供的快速矢量化工具 ArcScan提取矢量的线要素； 最后， 对得到的矢量线要素比照原始图像进行手工编辑修改。（3）误差计算。误差的大小直接影响研究结果的准确度和精度，因此计算误差的值可以估计研究结果的精度问题，决定此项研究以后运用的方面和参考价值。 从遥感影像处理到数字岸

12、线获取过程中会引入各种误差， 主要包括季节误差 （记为es）、 几何校正误差 （记为 eg）、 地形校正误差 （记为 e）、 t 配准误差 （记为 er）、 数字化误差（记为 ed）。在以大堤作为岸线指标的情况下， 理论上选择冬季的影像， 因此时植被最少， 植被的生长状况对判读大堤实际位置的影响也最小。 但由于 Landsat数据自身的特性， 研究区内数据的可获取性和可利用性受到限制， 本研究所选影像的成像日期涵盖了一年中所有月份。 而在不同的季节， 大堤附近不同的植被长势会对解译大堤的准确位置带来不同的影响。 春冬两季影响最小， es设为 0.5个像元； 夏秋两季影响最大， es设为 1 个

13、像元。 几何校正误差和地形校正误差为影像提供下载之前处理产生的误差， 都可以在元数据文件中获取。 配准误差是将图像下载到本地之后， 对于那些空间位置不能够很好匹配的数据进行图像配准产生的误差。 因此， er值为配准过程中实际产生的总体误差。 数字化误差是提取矢量岸线的过程中产生的误差。（4）岸线变化建模。在完成数据获取预处理和岸线数据提取及误差分析后，接下来就是岸线变化建模。数字有利于计算机的输入存储和输出，但对于岸线的变化仅利用数字并不直观明显，因此需要进行岸线的变化建模，变化建摸能够直观简明的揭示出岸线的地质变化，也是利用GIS进行海岸线分析处理的关键步骤。常用的岸线变化建模方法是垂直断面

14、法， 该方法已由美国地质调查局开发成 ArcGIS的扩展模块 DSAS （Digital Shoreline Analysis System） 。 本研究即采用该工具计算江苏省岸线变化率。 其中， 基线 （Baseline） 的创建是在所提取数字岸线的基础上， 利用缓冲区 （Buffer） 的方法通过手工修改完成。 断面间隔约 1 km， 与岸线的总体趋势基本垂直。4183期 李 行 等： 基于遥感和 GIS 的江苏省海岸线时空变化考虑岸线的位置不确定性 （E ）， i 利用加权线性回归方法计算每条断面上的岸线变化率。 第 i 条岸线的权重 （w） i 等于其总的位置误差 （E ） i 方的倒

15、数， 即：wi = 1 E i2 （2）上式可以得知， 岸线的位置不确定性越大， 权重越小， 对回归趋势线的影响也越小，而趋势线的斜率就是岸线变化率。 正值表示淤涨， 负值表示侵蚀。局部岸段平均岸线变化率可以通过对应范围内所有断面上岸线变化率的平均值求得。假设每条断面上加权线性回归的 95%的置信区间是随机和独立的， 那么局部岸段平均岸线变化率的不确定性就可以通过下式求得。(5)结果分析。结果分析是利用GIS进行海岸线研究的最后一步，进行结果分析不仅能够在总结本次研究中得到海岸关于研究的需求信息还能在总结此次研究的优点和不足的基础上获得经验。例如在文章基于 GIS和分形理论的海岸线模拟方法研究

16、中，其具体的结果分析为：利用 两种方法对海 岸线进行了 模拟算法的研究 ,着重探讨了科契方法在已知分维条件下的模拟 ,并编写了相关的程序 ,实际运行效果良好 . 对于分维未知 ,即需求算 分维的条件下 ,只 要将 T设为自 变量 ,分维值就成为因变量 ,通过不断调整 T的值 ,就可以得到不同的分维值 ,形成的分形元不同 ,模拟结果也不一样 .机中点细分内 插法 ,也是如此 .利用这种思路也能自行设计出其他分形元。通过上述模拟过程及结果 ,可以看到: a.控制点左右着曲线的大致轮廓 , b.海岸线的曲折度与分维值是成正比的 c.多次模拟结果显示 ,在同一分维条件下 ,对同一海岸线进行模拟 ,结果

17、是“ 随机中点细分内 插法”生成的模拟岸线的曲折度往往比“改进后的科契曲 线方法”的小 ,而“改进后的科契曲 线”体现的细节比“随机中点细分内插法”更丰富 .因此 ,在实际操作过程中 ,“改进后的科契曲 线法” 往往用 于大比例尺地图海岸线的模拟 。 d.无论是“随机中点细分内 插法” ,还是“改进后的科契曲线法” ,其迭代次数仅与曲 线的粗糙程度有关 。e.海岸线的分形性质是客观存在的 , f.现实中的海岸线十分复杂 ,形状也是各异多变。在不同条件下 ,分形元、 分维值、 粗糙度、 控制点等参数之间的选择 ,对最终模拟结果有着决定性的影响，但其内 在因素、 相互关系以及各种方法之间的应用条件

18、等等问题 ,都值得进一步深入的研究 .最后需要指出的是 ,由于自然界的复杂性和不规则性 ,任何模拟只能是建立在一定条件下、 一定限度内 ,任何模拟结果 ,经过放大浏览 ,都会发现它们之间微结构相差还是很大的 . 因此 ,如何更精确、 更逼真地再现海岸线的神奇面目 ,也是进一步研究的目标 .。3.2研究方法（1）科契曲线的生成方法。首先从一个简单的图形出 发 (这个图形被称做源图),按照一定的规律进行不断变形 ,即利用 分形元代替原图上的每一条直线段 ,然后将变形后的图形作为源图 ,利用 类似更小的分形元来进行变形 ,直至满足给定的迭代次数 .。（2）分形插值方法。分形插值是一种有别于传统的代数

19、多项式插值和样条函数插值的插值方法 。 分形插值方法是依据迭代函数系建立起来的一种新的数值方法 , 可以更加有效的 、逼真的模拟具有分形性质的几何体 , 如自然景物 、地形地貌等 。在二维欧式空间 R2中给定 n +1 个点( xi , yi) , i = 0 , 1 , 2 , , n寻求一个连续函数 f(x) , 使得f( xi) = y i , i = 0 , 1 , 2 , , n。（3）海岸线分维的计算方法。分维是描述空间和客体的一个重要参数 ,相对经典维数而言 ,其可以为整数 ,也可为分数 . 而实际测定分形维数的方法很多 ,人们往往总结 成“网格法”和“ 量规法”等方法 2 .根

20、据分形理论 ,有Nn = Crn- D ( 1)其中 , Nn 是特征线度为 rn 的物体数目 , C是比例常数 , D称做分维数 .为了确定 D ,将式 (1)改写为D = ln(Nn+ 1 /Nn )/ln(rn /rn+ 1)( 2)图 1所示为两种曲 线的分形元 .(a) 中点细分内 插分形元 (b) 科契曲线分形元图 1 两种曲线的分形元根据式 (2) ,图 1(a)所示分形元的维数应该是D = ln(2/1)/ln(1/ratio) (3)其中 ,ratio= rn+ 1rn.而图 1(b)所示分形元的维数应该是D = ln(4/1)ln( ( 2r+ 2rcos (T)/r (4

21、)如 果 T= 60 , 则 由 式 (4) 可 以 得 到 D 值 为1. 261 9,其图形正是人们最常用的科契雪花曲 线的分形元 .反 之 , 如 果 给 定 D 值 , 也 可 以 通 过 式 (3)或式 (4)计算得到 ratio 和 T值 ,即可得到基于不同分维值的曲线分形元 .基于以上思路 ,利用不同的分形元来模拟各种维数下的海岸线 .由 于上述两种方法的区别在于分形元的构成不同 ,但实现思路却基本相似 , 故只 就 第 2种 方法 改进后 的科 契曲 线法 进行探讨。 .4.结论和展望在实验过程中对于分维未知 ,即需求算分维的条件下 ,只要将 T设为自变量 ,分维值就成为因变量

22、 ,通过不断调整 T的值 ,就可以得到不同的分维值 ,形成的分形元不同 ,模拟结果也不一样。对于随机中点细分内插法 ,也是如此。利用这种思路也能自行设计出其他分形元。通过上述模拟过程及结果 ,可以看到：(1)控制点左右着曲 线的大致轮廓 ,因此 ,选择控制点的原则是: 尽量选择海岸线明显的拐点处 ; 控制点之间的距离不要相差太大 . (2)海岸线的曲折度与分维值是成正比的 ,即分维值越大 ,曲 线的曲折度越大 .但在不同的模拟方法之间 ,即使是同一分维值 ,二者模拟曲 线的曲折度也是不一样的 ,故不能将二者进行简单的比较 . (3)多次模拟结果显示 ,在同一分维条件下 ,对同一海岸线进行模拟

23、,结果是“ 随机中点细分内 插法”生成的模拟岸线的曲折度往往比“改进后的科契曲 线方法”的小 ,而“改进后的科契曲 线”体现的细节比“随机中点细分内插法”更丰富 .因此 ,在实际操作过程中 ,“改进后的科契曲 线法” 往往用 于大比例尺地图海岸线的模拟 。 (4)无论是“随机中点细分内 插法” ,还是“改进后的科契曲线法” ,其迭代次数仅与曲 线的粗糙程度有关 ,迭代数越大 ,海岸线的粗糙程度也越大 ,但对曲 线的分维值几乎没有影响 ,而这正是海岸线具有自 相似性的特征体现 。 (5)海岸线的分形性质是客观存在的 ,分维值是表征其自 相似特征的良好参数 . 而据此采用 的分形模拟在海岸线生成、

24、 分维计算等方面的应用 不失为一种典型的方法 . 该方法对海岸线、 构造线等其他多种自然界中存在的线实体的分形研究都是具有启发与借鉴意义 。 (6)现实中的海岸线十分复杂 ,形状也是各异多变 . 在不同条件下 ,分形元、 分维值、 粗糙度、 控制点等参数之间的选择 ,对最终模拟结果有着决定性的影响但其内 在因素、 相互关系以及各种方法之间的应用条件等等问题 ,都值得进一步深入的研究 .最后需要指出的是 ,由于自然界的复杂性和不规则性 ,任何模拟只能是建立在一定条件下、 一定限度内 ,任何模拟结果 ,经过放大浏览 ,都会发现它们之间微结构相差还是很大的。因此 ,如何更精确、 更逼真地再现海岸线的

25、神奇面目 ,也是进一步研究的目标 。参考文献：1周江,李佩武,庄振业,刘冬雁. 基于组件GIS的海岸线分形模拟研究J. 海洋湖沼通报,2008,02:67-74.2周江,印萍,程荡敌,方晶,岳军. 基于GIS和分形理论研究的海岸线图像和分维以及长度J. 海洋地质与第四纪地质,2008,04:65-71.3陆娟,王建,石丽. 基于GIS和分形理论的海岸线模拟方法研究J. 中国图象图形学报,2003,06:96-100.4何庆成,张波,李采. 基于RS、GIS集成技术的黄河三角洲海岸线变迁研究J. 中国地质,2006,05:1118-1123.5李行,张连蓬,姬长晨,刘红樱,黄巧华. 基于遥感和GIS的江苏省海岸线时空变化J. 地理研究,2014,03:414-426.