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塔里木河流域生态环境动态监测系统研究与开发

作　者: 谭克龙
导　师: 任志远
学　校: 陕西师范大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 遥感监测系统 生态监测系统 网络地理信息系统 塔里木河流域 数字流域 生态预警
分类号: X87
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 5次
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内容摘要


近年来，随着现代生态环境研究和现代信息技术的发展，3S技术正在不断深入和广泛地应用于生态环境领域，数字生态监测系统建设成为重要的发展趋势。但是目前国内实际运行的生态环境遥感监测系统还很少，技术手段还很不完善，遥感和GIS没有实现有机的融合，生态信息的提取主要依靠目视解译或人机交互的办法，图像处理和GIS商业软件难于满足大区域、复杂系统的需求，许多软件不能有效集成，系统信息难以实现有效共享，导致在现阶段还是难于全面、准确、迅速地实现生态环境的实时动态监测和预报，直接影响了保护措施和调控对策的实施效果。塔里木河流域面积102×10~4km~2，是我国重要的少数民族聚居区，国家级棉花、石油化工基地和21世纪能源战略接替区，具有十分重要的政治、军事和经济战略地位，但近几十年来，随着人口增加，社会经济发展，水资源的无序开发和低效利用，下游近400km河道断流萎缩，尾闾台特玛湖干涸，中下游植被衰败，并有向上游发展的趋势，生态环境严重恶化。本论文根据塔里木河流域生态变化特征和生态保护治理与管理需求，在国家重大项目“塔里木河流域水量调度管理系统”支持下，利用组件式GIS技术进行二次开发，为塔里木河流域设计、研发、建立了生态环境动态监测系统。通过对“塔里木河流域生态环境动态监测系统”平台理论、总体设计与开发的深入研究，取得了以下重要成果和结论。1．在“数字流域”框架体系下，以生态环境遥感业务流程为主线，充分应用并集成“3S”技术手段，开发建立了生态环境遥感数据采集、传输、存储管理、动态监测、分析与预警，及信息共享的大型综合性、业务化运行系统。系统操作简单，使用方便，结构合理，逻辑关系清楚，实用性强。采用“数据流集成式”的体系结构，以数据集成为中心，以各子系统间数据流动关系为纽带，把整个系统集成为基于子系统数据间关系紧密、物理结构松散的组件式系统，为数字塔里木河流域建设奠定了基础。2．根据塔里木河流域生态环境及相关因素的数据现状和未来发展趋势，采用数据仓库管理技术，以及空间数据和属性数据一体化、多源数据无缝集成、海量空间数据存储技术的建库思想，设计了可以实现拓扑和非拓扑、空间和属性、矢量-栅格一体化的流域空间数据库，科学地解决了如何在“计算机”中对流域的“复杂实体”和“海量空间数据”进行有效组织和一体化管理问题，建立了塔里木河流域多源、多尺度、多类型、跨带的无缝、海量空间数据库。3．采用不同尺度、不同时间分辨率的遥感影像数据，构建了多层次、多目标的流域生态环境监测运行体系。根据塔里木河地物类型、地形等区域特征，采用分级分类的思想，研发了大区域生态环境遥感信息自动提取模块，应用于塔里木河流域内的土地利用、荒漠化、植被、盐渍化等专题信息提取，信息提取精度达到87％，校正后达到95％，建立了大规模信息提取技术应用的方法和技术标准。为方便信息自动提取和人机交互解译，设计建立了全新、完善的知识库系统，提高了信息提取、交互解译和动态监测的精度，实现了解译标志和参考信息系统化管理。4．研究开发实现了遥感与GIS功能的有机融合。分别基于IDL语言和AO控件开发，在统一界面下实现了遥感影像数据处理、标志建立、信息提取、编辑校正、动态监测和分析统计的一体化工作流程；其次，在“数据流集成式”的体系结构下，遥感监测信息还可以利用生态分析子系统的强大空间分析能力进行数据的深层分析和运算，实现生态预警和土地利用变化趋势分析。克服了以往遥感图像处理软件和GIS软件各自的弱点，将遥感图像处理、信息提取与GIS编辑分析功能有效地集成为实用性更强的系统。5．将CA模型与GIS的专业分析有机地结合在一起，综合考虑了多种影响因素，建立了大范围的土地利用趋势分析(GeoCA-Landuse)模型，开发了塔河流域“三源一干”土地利用趋势分析模块。为流域长远规划提供了决策支持，极大地提升了系统的辅助决策能力。论文研究在遥感信息自动提取，RS与GIS一体化，大型综合性、运行化生态遥感监测系统研制等方面具有一定创新，对生态环境遥感监测系统研究具有重要的推动作用，对“数字流域”建设也具有参考价值。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-13
第一章 绪论  13-30
  1.1 研究背景  13-24
    1.1.1 生态环境研究发展趋势  13-15
    1.1.2 遥感技术应用发展动态  15-18
    1.1.3 地理信息系统发展动态  18-21
    1.1.4 “数字流域”发展现状  21-24
  1.2 生态环境遥感监测系统建设中存在的问题  24-25
  1.3 研究意义  25-27
  1.4 研究的目标与内容  27-28
    1.4.1 目标  27
    1.4.2 内容  27-28
  1.5 研究的思路与原则  28-30
第二章 研究区概况  30-39
  2.1 流域生态环境概况  30-37
    2.1.1 概况  30-31
    2.1.2 流域生态环境要素  31-35
    2.1.3 生态系统划分  35
    2.1.4 主要生态环境问题  35-37
  2.2 流域信息化现状  37-39
第三章 系统总述  39-60
  3.1 系统总体结构  39
  3.2 系统逻辑结构  39-41
  3.3 系统功能概述  41-42
  3.4 各子系统间关系和接口  42-46
    3.4.1 子系统数据流动关系  42-44
    3.4.2 数据接口  44-45
    3.4.3 软件接口  45-46
  3.5 系统开发运行环境  46-49
    3.5.1 软件平台  46-47
      3 5 1.1 遥感处理基础平台  46
      3.5.1.2 GIS基础平台  46-47
      3.5.1.3 空间数据引擎  47
      3.5.1.4 数据库基础平台  47
    3.5.2 硬件设备  47-48
    3.5.3 软件在硬件设备中的配置  48-49
  3.6 系统建设关键技术  49-60
    3.6.1 遥感信息自动提取技术  49-50
    3.6.2 空间数据无缝镶嵌技术  50-51
    3.6.3 海量空间数据管理技术  51-52
    3.6.4 基于数据流的系统集成技术  52-53
    3.6.5 遥感与GIS集成技术  53-54
    3.6.6 土地利用趋势分析地理元胞自动机  54-57
    3.6.7 基于WebGIS的信息共享技术  57-60
第四章 数据管理与数据库子系统  60-103
  4.1 数据分类与数据源  60-64
    4.1.1 属性数据  60-61
      4.1.1.1 水文数据  60
      4.1.1.2 社会经济数据  60-61
      4.1.1.3 水利工程数据  61
      4.1.1.4 生态环境数据  61
    4.1.2 空间数据  61-64
      4.1.2.1 遥感影像数据  61-63
      4.1.2.2 空间基础地理图形数据  63
      4.1.2.3 生态环境专题图形数据  63-64
      4.1.2.4 GPS控制点数据  64
    4.1.3 多媒体数据  64
  4.2 数据标准及元数据  64-78
    4.2.1 代码设计  64-74
      4.2.1.1 代码设计原则  65
      4.2.1.2 代码标准  65-74
    4.2.2 数据字典  74-75
    4.2.3 元数据库  75-78
      4.2.3.1 元数据分级与特征  76-77
      4.2.3.2 元数据库主要内容  77
      4.2.3.3 元数据入库  77-78
  4.3 数据建库  78-99
    4.3.1 主要技术指标  78-80
      4.3.1.1 数据库范围  78
      4.3.1.2 数学基础  78-79
      4.3.1.3 数据组织  79
      4.3.1.4 数据量分析  79-80
    4.3.2 无缝空间数据库设计与构建  80-84
      4.3.2.1 问题的提出  80-81
      4.3.2.2 无缝数据库  81
      4.3.2.3 缝隙产生原因  81-82
      4.3.2.4 数据缝隙类别和表现  82-83
      4.3.2.5 无缝镶嵌技术  83-84
    4.3.3 海量空间数据存储  84-86
      4.3.3.1 空间数据存储技术  84-86
      4.3.3.2 影像金字塔结构  86
      4.3.3.3 影像数据压缩  86
    4.3.4 基础数据库  86-95
      4.3.4.1 数据内容  86-87
      4.3.4.2 数据存储结构  87-88
      4.3.4.3 空间索引设计  88-89
      4.3.4.4 入库数据校验  89-92
      4.3.4.5 数据入库  92-95
    4.3.5 主题数据库  95
    4.3.6 成果数据库  95-99
      4.3.6.1 成果数据库内容  95-96
      4.3.6.2 命名规范  96
      4.3.6.3 数据入库  96-97
      4.3.6.4 结构设计  97-99
  4.4 数据库管理子系统设计与实现  99-103
    4.4.1 子系统结构  99
    4.4.2 子系统接口  99-100
    4.4.3 子系统功能  100-103
第五章 生态环境动态监测子系统  103-136
  5.1 监测体系构建  103-108
    5.1.1 全流域高时间分辨率、低空间分辨率监测  105
    5.1.2 “四源一干”中等空间分辨率监测  105-107
    5.1.3 干流典型区高分辨率监测  107-108
  5.2 子系统结构  108-109
  5.3 系统内部数据关系  109
  5.4 子系统模块功能  109-123
    5.4.1 图像处理模块  112-113
    5.4.2 知识库模块  113-115
    5.4.3 信息提取模块  115-120
      5.4.3.1 植被覆盖度信息提取  116
      5.4.3.2 植被类型信息提取  116-117
      5.4.3.3 土地沙质荒漠化信息提取  117-119
      5.4.3.4 土壤盐渍化信息提取  119
      5.4.3.5 土地利用信息提取  119-120
    5.4.4 动态监测模块  120-121
    5.4.5 数据管理模块  121-123
  5.5 应用实践研究  123-136
    5.5.1 阿克苏河流域1: 10万土地利用变化研究  123-131
      5.5 1.1 塔里木河流域土地利用分类系统  124-125
      5.5 1.2 阿克苏河流域土地利用状况及动态变化  125-131
    5.5.2 喀尔达依1:1万植被动态变化研究  131-134
    5.5.3 专题成果数据精度评价  134-136
第六章 生态分析子系统  136-179
  6.1 子系统结构与数据流程  136-138
    6.1.1 子系统总体结构  136
    6.1.2 子系统数据流程  136-138
  6.2 子系统功能  138-140
  6.3 生态环境预警分析分系统  140-148
    6.3.1 分系统结构  141-142
    6.3.2 技术方案与数据流程  142-143
    6.3.3 模型构建与模块功能  143-148
      6.3.3.1 沙质荒漠化预警分析  143-146
      6.3.3.2 盐渍化预警分析  146-147
      6.3.3.3 植被盖度预誓分析  147
      6.3.3.4 地下水预警分析  147-148
      6.3.3.5 河道水流预警分析  148
  6.4 土地利用趋势分析分系统  148-176
    6.4.1 分系统功能结构  149-154
      6.4.1.1 土地利用叠加分析模块  149-152
      6.4.1.2 土地利用转移分析模块  152-153
      6.4.1.3 土地利用趋势分析模块  153-154
    6.4.2 土地利用CA模型研究与应用  154-176
      6.4.2.1 CA模型的理论基础  154-155
      6.4.2.2 研究内容及技术路线  155-157
      6.4.2.3 阿克苏流域土地利用变化分析  157-161
      6.4.2.4 GeoCA-Landuse模型的建立  161-173
      6.4.2.5 模型运行  173-176
  6.5 综合制图分系统  176-179
    6.5.1 分系统功能  176-177
    6.5.2 符号库开发  177-179
第七章 业务处理与信息服务子系统  179-215
  7.1 子系统结构  180-181
    7.1.1 子系统总体结构  180-181
    7.1.2 子系统逻辑结构  181
  7.2 主要技术路线  181-188
    7.2.1 技术架构  181-183
    7.2.2 动态报表的实现  183-188
    7.2.3 功能扩展  188
  7.3 功能模块划分  188-190
  7.4 专业业务处理分系统  190-197
    7.4.1 分系统功能  190-194
    7.4.2 分系统流程及开发实现  194-197
      7.4.2.1 数据管理  194
      7.4.2.2 数据图形化查询  194-195
      7.4.2.3 图形图像服务  195-196
      7.4.2.4 文档管理  196-197
  7.5 日常办公业务处理分系统  197-204
    7.5.1 分系统基本功能  197-199
    7.5.2 核心功能流程及开发实现  199-204
      7.5.2.1 收发文管理  200
      7.5.2.2 车辆管理  200-201
      7.5.2.3 个人办公  201-202
      7.5.2.4 图片库  202-203
      7.5.2.5 信息管理  203-204
      7.5.2.6 协同办公  204
  7.6 塔河网信息服务分系统  204-211
    7.6.1 塔河网信息服务栏目内容与功能  205-208
      7.6.1.1 栏目结构与内容  205-207
      7.6.1.2 塔河网信息服务功能  207
      7.6.1.3 网站信息更新  207-208
    7.6.2 邮件系统  208-210
    7.6.3 塔河论坛  210
    7.6.4 网络上报  210-211
  7.7 系统维护  211-215
    7.7.1.1 用户管理  211-213
    7.7.1.2 日志管理  213-215
第八章 系统安全  215-224
  8.1 数据库安全性设置  215-218
    8.1.1 物理安全  215
    8.1.2 逻辑安全  215-218
  8.2 应用系统安全性设置  218-221
    8.2.1 数据权限  218
    8.2.2 用户权限设计  218-221
  8.3 系统外部安全保证  221-224
    8.3.1 网络安全  221-222
      8.3.1.1 配备防火墙  221-222
      8.3.1.2 扫描系统  222
      8.3.1.3 病毒防护  222
    8.3.2 安全制度  222-224
第九章 结语  224-227
  9.1 成果与创新  224-225
  9.2 完善与扩展展望  225-227
参考资料  227-233
科研和发表论文情况  233-234
致谢  234

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境质量评价与环境监测 > 环境遥感
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