基于GIS的苏州市湖荡面积量算方法研究及应用开题报告

1. 研究目的与意义

1、该课题的研究背景；

1.1 这是一个信息化的时代，所谓社会信息化，是以计算机信息处理技术和传输手段的广泛应用为基础和标志的新技术革命，影响和改造社会生活方式与管理方式的过程。社会信息化指在经济生活全面信息化的进程中，人类社会生活的其他领域也逐步利用先进的信息技术，建立起各种信息网络；同时，大力开发有关人们日常生活内容，不断丰富人们的精神文化生活，提升生活质量的过程。同时，随着生产力的发展，科学技术的进步，以及产业结构的调整，也就是我们所说的城市化，各类环境污染问题也就相伴而生，比如大气污染、城市垃圾、水污染、光污染、噪音污染及城市热岛效应等，严重的破坏了城市的生态环境，越来越成为人们关注的焦点。

1.2地理信息系统发展

2. 研究内容和预期目标

2.1主要研究内容

基于gis的苏州市，包括张家港市、常熟市、太仓和昆山市在内的所有内陆湖、荡的面积计算及研究方法。

苏州属于亚热带季风海洋性气候，四季分明，降雨量充沛，地势低平，全市面积8488.42平方公里。西抱太湖，北临长江，内陆湖荡繁多，水资源充沛，但随着城市不断发展，住房面积和商业用地不断增多，耕地减少，水资源在工业上的应用得到提升，湖荡面积也在逐年减小。本课题就是基于gis对苏州市的湖荡面积进行计算，并对计算方法进行研究，以了解面积变化曲线，对提高水资源利用率提供帮助。

3. 研究的方法与步骤

3.1、该课题拟采用的主要技术路线与方法；

遥感卫星影像配准→ArcGIS数字化→面积计算

3.2、研究步骤

本课题中用到的卫星遥感影像是以WGS84位参考系的第16级高分影像，所以省去了Erdas的利用。如果是需要用Erdas对TM/IRS影像来处理，就有以下流程：

第一步： 影像配准。

同一区域里一副图像（基准图像）对另一幅图像的校准，以使两幅图中的同名像元配准。本课题的遥感影像采用的是第十六级精度、WGS84参考坐标系，在GOOGLE EARTH上调取8-10个已知二维坐标数据点进行配准，得到标准影像图。这也就称作为图像纠正，借助于一组地面控制点，对一副影像进行地理坐标的纠正，也成为地理参照。

配准目的：（1）在定性应用遥感时，例如我们想动态检测湖泊形状和面积的变化，必须通过配准才能是图像之间具有可比性，从而达到我们的研究目的。（2）在遥感的定量研究中，例如要反演所感兴趣的地方参数，也需要通过配准才能确定具体的目标。

配准原理：

(一) 多项式纠正模型:

①一次多项式

Xw=a0 a1*Xb a2*Yb

Yw=b0 b1*Xb2* bYb

②二次多项式

Xw=a0 a1*Xb a2*Yb a3*Xb^2 a4*Yb^2 a5*Xb*Yb

Yw=b0 b1*Xb b2*Yb b3*Xb^2 b4*Yb^2 b5*Xb*Yb

③三次多项式

Xw=a0 a1*Xb a2*Yb a3*Xb^2 a4*Yb^2 a5*Xb*Yb a6*Xb^3 a7*Yb^3 a8*Xb^2*Yb

a9*Xb*Yb^2

Yw=b0 b1*Xb b2*Yb b3*Xb^2 b4*Yb^2 b5*Xb*Yb b6*Xb^3 b7*Yb^3 b8*Xb^2*Yb

b9*Xb*Yb^2

求系数:

通过寻找控制点（GCP）去求系数，有几个未知数就至少要几对控制点！一次至少要

有个经验式: GCPmin=(t 1)(t 2)/2……其中t为多项式的次数,GCP单位为控制点的”对数”;

选取控制点:

在几何校正中，GCP点的选择是最重要，也是工作量最大的，对于一个精确的校正必须使用精确的地面控制点，图像中所有其它点的校正坐标均由地面控制点外推所得。被定位的地面控制点必须散布在整幅图像上，GCP点分布越均匀，数量越多，校正的可靠性越高。

我们所选的点在图像上要容易辨认，地面上最好可以实测，具有较固定的特征,不会随时间的变化而变化(例如城市的十字路口).另外在没有经过地形纠正的图像上选取控制点时,应在同一地形高度上进行(即要先消除地形的影响,可以用正射纠正). 同时也可以有选择的去除一些效果不好的控制点，以达到最佳效果.

控制点的精度和选取的难易程度是与图像的质量,地物的特征及图像的空间分辨率密切相关的.

控制点好坏的评价标准:RMS

RMS（均方根）误差是在用转换矩阵对一个GCP作转换时，所期望输出的坐标与实际输出的坐标之间的偏差。估算坐标和原坐标之间的差值大小代表了其每个控制点几何纠正的精度.

xi和yi是输入的原坐标；

xr和yr是逆变换后的坐标。

通过计算每个控制点的RMS,即可检查有较大误差的地面控制点,又可得到累积的总体均方根误差.

。RMS误差以坐标系统的距离来表示。如果原坐标是数据文件坐标，那么RMS误差是用像元数的距离.例如，RMS误差是1意味着参考像元与逆转换像元之间的距离是1个像元。

通常我们会指定一个可以接受的最大总RMS误差,如果实际的超过了这个,则需要删除具有最大RMS误差的地面控制点(但是在实际情况中, 如果图像的某一特殊区域只有一个GCP，那么剔除它可能导致更大的误差),必要时选取新的控制点或调整旧的控制点;改变坐标变换函数式重新计算多项式的系数;重新计算RMS误差。

（1）最邻近像元法

重采样

由于输出图像的像元点在输入图像中的行列号不是或不全是整数关系,所以需要根据输出图像上的各像元在输入图像中的位置,对原始图像按一定规则重新采样,进行亮度值的插值运算,建立新的图像矩阵.

常用的内插方法有:

(1) 最邻近法: 将最邻近的像元值赋予新像元.

优点: a 不引入新的像元值 ，适合分类前使用； b 有利于区分植被类型，确定湖泊浑浊程度，温度等； c 计算简单，速度快

缺点:最大可产生半个像元的位置偏移,改变了像元值的几何连续性，原图中某些线状特征

会被扭曲或变粗成块状 .

(2) 双线性内插法 : 使用邻近4个点的像元值,按照其据内插点的距离赋予不同的权重,进行线性内插.

优点:a 图像平滑，无台阶现象。线状特征的块状化现象减少；b 空间位置精度更高

缺点:a 像元被平均，有低频卷积滤波效果,破坏了原来的像元值,在波谱识别分类分析中,会引起一些问题。b边缘被平滑，不利于边缘检测。

(3) 三次卷积内插法 : 使用内插点周围的16个像元值,用三次卷积函数进行内插.

第二步：数字化。

本课题中采用的是要素矢量化。

（1）要素编辑的一般步骤

（2）创建新图层（要素类）：点、线、多边形

（3）编辑环境及工具

（4）点要素编辑

（5）线要素编辑

（6）多边形要素编辑

本课题要用到线要素编辑和多边形要素编辑

①要素编辑的一般步骤：

（1）在ArcCatlog中创建新的要素类

（2）在ArcMap中加载新建的要素类，如有必要，加载经过配准的扫描地图

（3）在ArcMap中打开“编辑器”工具栏，执行其中的 “开始编辑”命令，进入编辑状态。

（4）利用“编辑器”的功能完成地图要素的分层提取，打开图层的属性表，输入要素的相关属性

（5）在编辑过程中，点击“编辑器”中的“保存编辑”可以随时保存修改的结果，点“停止编辑”完成编辑。

②创建新图层（要素类）

ArcCatalog中可以创建矢量数据集(shape文件和地理数据库geodatabase = “要素类”)

点：Point

线：Line

多边形：Polygon

在ArcMap中提供了全面的工具，可以完成矢量数据的编辑

空间数据

属性数据

（1）在创建图层时指定坐标系统

（2）在ArcMap中指定数据框（定义地图）的坐标系统

（3）在创建图层（要素类）的时候除指定坐标系外，还需要指定要素类的坐标范围

（4）可以从已有的数据导入或手动指定这个范围

（5）添加新建的图层，添加已配准的影像图层，在编辑器中，点击“开始编辑”，并在目标图层中选中要编辑的图层。

3.3面积计算：（1）属性表添加面积字段，对数字化后的湖荡面积进行统计计算

（2）利用ToolBox中的空间分析进行面积计算

面积计算测算方法：（1）方格网法。（2）三角网法（3）多边形法

4. 参考文献

[1]让森林走进城市，让城市拥抱森林中国城市低碳经济网 2012-9

[2] 张序 都市森林植被三维绿量计测及三维表达 研究报告 2012-4

[3]李冰冰、金晓玲“绿量”在城市绿化中的应用研究 湖南省“十二五”重点学科(风 景园林学)资助项目1001-0009(2012)o7-0107-o4 2012-1

5. 计划与进度安排

第一阶段（前期研究阶段）2006年2月29日至2022年3月13日（2周）

研究国内、外城市城市水体保护、管理和利用情况，以及基于gis的空间分布分析、面积提取技术现状和发展趋势。熟悉开发软件，arcgis、google earth等遥感、地理信息系统和数理统计分析软件

arcgis：arcgis产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的gis平台。arcobjects包含了大量的可编程组件，从细粒度的对象（例如单个的几何对象）到粗粒度的对象（例如与现有arcmap文档交互的地图对象）涉及面极广，这些对象为开发者集成了全面的gis功能。每一个使用arcobjects建成的arcgis产品都为开发者提供了一个应用开发的容器，包括桌面gis（arcgis desktop），嵌入式gis（arcgis engine）以及服务gis（arcgis server）。