GIS辅助遥感影像分类面积提取技术和方法研究
摘要
国家863项目“重大行业3S应用示范——农业”是为了发展“精准农业”开展的科研项目。本项目研究的目标之一是开发基于3S(GPS、GIS、RS)技术的作物品质与肥水调优栽培系统。为了开发实用的GIS系统，增强系统遥感影像预处理模块功能，提出本课题要求——“GIS辅助遥感影像分类面积提取技术和方法研究”。
本论文在研究“3S”、模式识别、遥感影像处理理论基础上，提出了在GIS辅助下的遥感影像分类提取作物面积的方法。论文中着重论述遥感影像从转入到预处理，到神经网络分类器分类，再到分类后处理，以及面积统计等环节的设计及实现。
本课题遥感影像模式分类所基于BP神经网络分类器，在GIS功能辅助下，提高了地物分类的精度，能够为本系统的决策及其他操作打下基础。本课题的研究为今后GIS下集成遥感影像处理功能，实现GIS辅助影像分类，提供理论依据和实践经验。
本课题实现了RS作为系统的重要信息源与GIS的集成，克服了传统提取作物面积时必须使用遥感影像处理软件的缺陷。遥感影像处理模块能够实现信息控制、查询、统计等多种功能。
通过采用WebGIS技术、ComGIS技术、组件技术以及公式识别等技术，实现了B／S网络模式的作物品质与肥水调优栽培系统。本系统的开发填补了我国农业科学中作物品质遥感领域的空白，达到国内领先水平。本系统已通过国家863课题专家组的验收，即将在实验区投入使用。
"3S experiment in agriculture", a national"863 "scientific item, is being carried out to develop "Precision Agriculture". One task of this item is to establish a system, Crop Quality Monitoring & Decision Making Supporting in Optimizing Fertilization and Irrigation (QM&OFI). In order to complete QM&OFI and strengthen the module of RS-Image pretreating, a task is brought forward. That is "Research in RS-Image Classification assisted by GIS to estimate the area of crop".
Based on studying theories such as "3S", Pattern Recognition and RS-Image processing, the way to estimate area is designed and realized. This paper lays stress on the realization of RS-Image classification, from image importing to pretreating, from image classifying to post-treating and area estimating.
The classifier of BPNN assisted by GIS improves precision of RS-Image classification and will make decision or other operations reliably. The research provides great references in experience and theory for the development of integration of RS-Image processing in GIS.
The software of RS-Image processing, which is indispensable in traditional classification, isn't needed any more in this system when RS as the important information origin integrates with GIS. The RS-Image pretreating module has various functions, such as information management inquiry and statistic etc.
This paper realized QM&OFI, a B/S net mode system, based on technologies of WebGIS,ComGIS and formula recognition etc. At present, QM&OFI is the first system applying RS to monitoring crop quality in agriculture in China and plays a leading role. The system has been accepted by experts, and is going to be used in test.
本论文在研究“3S”、模式识别、遥感影像处理理论基础上，提出了在GIS辅助下的遥感影像分类提取作物面积的方法。论文中着重论述遥感影像从转入到预处理，到神经网络分类器分类，再到分类后处理，以及面积统计等环节的设计及实现。
本课题遥感影像模式分类所基于BP神经网络分类器，在GIS功能辅助下，提高了地物分类的精度，能够为本系统的决策及其他操作打下基础。本课题的研究为今后GIS下集成遥感影像处理功能，实现GIS辅助影像分类，提供理论依据和实践经验。
本课题实现了RS作为系统的重要信息源与GIS的集成，克服了传统提取作物面积时必须使用遥感影像处理软件的缺陷。遥感影像处理模块能够实现信息控制、查询、统计等多种功能。
通过采用WebGIS技术、ComGIS技术、组件技术以及公式识别等技术，实现了B／S网络模式的作物品质与肥水调优栽培系统。本系统的开发填补了我国农业科学中作物品质遥感领域的空白，达到国内领先水平。本系统已通过国家863课题专家组的验收，即将在实验区投入使用。
"3S experiment in agriculture", a national"863 "scientific item, is being carried out to develop "Precision Agriculture". One task of this item is to establish a system, Crop Quality Monitoring & Decision Making Supporting in Optimizing Fertilization and Irrigation (QM&OFI). In order to complete QM&OFI and strengthen the module of RS-Image pretreating, a task is brought forward. That is "Research in RS-Image Classification assisted by GIS to estimate the area of crop".
Based on studying theories such as "3S", Pattern Recognition and RS-Image processing, the way to estimate area is designed and realized. This paper lays stress on the realization of RS-Image classification, from image importing to pretreating, from image classifying to post-treating and area estimating.
The classifier of BPNN assisted by GIS improves precision of RS-Image classification and will make decision or other operations reliably. The research provides great references in experience and theory for the development of integration of RS-Image processing in GIS.
The software of RS-Image processing, which is indispensable in traditional classification, isn't needed any more in this system when RS as the important information origin integrates with GIS. The RS-Image pretreating module has various functions, such as information management inquiry and statistic etc.
This paper realized QM&OFI, a B/S net mode system, based on technologies of WebGIS,ComGIS and formula recognition etc. At present, QM&OFI is the first system applying RS to monitoring crop quality in agriculture in China and plays a leading role. The system has been accepted by experts, and is going to be used in test.
引文
[1] 科技部国家遥感中心．地理信息系统与管理决策．北京：北京大学出版社，2000．72-174．
[2] 康晓风，王乃斌，杨小唤．粮食种植面积提取方法的发展与现状．资源科学，2002，9：8-12
[3] 冯仲科，聂玉藻，赵春江等．精准林业．北京：中国林业出版社，2002．4-6
[4] 李树楷．初论“3S”技术一体化信息技术．环境遥感，1995，10：11-15
[5] 刘小勇，盛建东．地理信息系统(GIS)与精确农业．新疆农机化，2001，6
[6] 褚庆全，李林．地理信息系统(GIS)在农业上的应用及其发展趋势．中国农业科技导报，2003，5：22-26
[7] 李爽，丁圣彦，许叔明．遥感影像分类方法比较研究．河南大学学报(自然科学版)，2002，6：70-73
[8] 杨鹏，唐华俊，刘佳．作物遥感估产中自动分类方法研究进展与展望．中国农业资源与区划，2000，6：57-60
[9] 吴健平，杨星卫．遥感数据监督分类中训练样本的纯化．国土资源遥感，1996，26(1)：36-41
[10] 方勇．证据推理应用于多源信息融合分析．遥感学报，2000，4(2)：106-111
[11] 杜去艳，周成虎．水体的遥感信息自动提取方法．遥感学报，1998，2(4)：264-269
[12] 章杨清等．利用分维向量改进神经网络在遥感模式识别中的分类精度．环境遥感，1994(2)：68-72．
[13] Min Hart, Lei Cheng, Hua Meng. Application of four-layer neural network on information extraction. Neural Networks, 2003. 6-7: 547-553
[14] Fried. M.A, Brodeley CE. Decision Tree Classification of Land Cover from Remotely Sensed Data. Remote Sens. Environ, 1997(61): 399-409
[15] 李爽．张二勋．基于决策树的遥感影像分类方法研究．地域研究与开发，2003，2：17-21
[16] Mahesh Pal, Paul M. Mather. An assessment of the effectiveness of decision tree methods for land cover classification. Remote Sensing of Environment, 2003, 86: 554-565
[17] 李爽，丁圣彦，钱乐祥．决策树分类法及其在土地覆盖中的应用．遥感技术与应用，2002，17(1)：6-17．
[18] 钱乐祥，陈云增．福建植被景观空间格局及其环境响应特征．河南大学学报(自然科学版)，2000，30(4)：66-73
[19] 胡伟平，何建邦．GIS支持下珠江三角洲城镇建筑覆盖变化遥感监测分析．遥感学报，2003，5：201-207
[20] X. Liand A.G.O. Yeb. Principle component analysis of stacked multi-temporal images for the monitoring of rapid urban expansion in the Pearl River Della. Remote Sensing, 1998,19(8): 1501-1518
[21] 游代安．GIS辅助的遥感影像处理与分析技术的研究．信息工程大学测绘学院硕士论文，2001，7
[22] 王莹，刘敏莺，黄文骞．GIS对遥感影像分类判读的辅助作用．海洋测绘，2002，5：12-15
[23] 陈述彭，赵英时．遥感地学分析．北京：测绘出版社，1990，175-197
[24] 吴健平．区域土地利用／土地覆被遥感调查，上海：华东师范大学出版社，1999．21-24
[25] 陈述彭，鲁学军，周成虎．地理信息系统导论．北京：科学出版社，2000．1-8
[26] 黄杏元，马劲松，汤勤．地理信息系统概论(修订版)．北京：高等教育出版社，2001．2-5
[27] 宋晓冬，叶嘉安．地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用．北京：科学出版社，1996．4-7．
[28] 何建邦，蒋景瞳．我国GIS的回顾和当前发展的若干问题．地理学报，1995，50：13-23．
[29] 邬伦，刘瑜，张晶等．地理信息系统原理、方法与应用．北京：科学出版社，2001．333-335．
[30] 徐明．面向对象知识库系统CAOBS/V1.2的设计与实现．计算机研究与发展，1998，35(8)：678-683．
[31] 钟耳顺．GIS技术开发、应用与产品化．1998年地理信息系统年会论文集，1998．2
[32] 张明金，张平．核心地理信息系统设计研究．地理学报，1995，50
[33] 郝平，李瑞麟，应时彦等．组建式地理信息技术．浙江工业大学学报，2001，29(3)：301-304．
[34] 宋关福，钟耳顺．组件式地理信息系统研究与开发．图像图形学报，1998，3(4)：313-317．
[35] 何勇，方慧，冯雷．基于GPS和GIS的精细农业信息处理系统研究．农业工程学报，2002，18(1)：145-149．
[36] 符海月．基于ComGIS的退耕还林还草项目评价信息系统研究．兰州：西北师范大学，2002．
[37] 韩海洋，龚建雅．开放地理信息系统的内涵与地理信息互操作性的实现．测绘通报，1999，6：22-25．
[38] 刘明微．GIS和专家系统集成技术的研究．重庆：西南农业大学，2002．100-105
[39] Andries Van Dam, Dick Puc.The History of Computer Graphics Standards Development.Computer Graphics, 1998, 2:
[40] 曾松峰，李满春等．基于B/S结构的土地市场信息系统．计算机应用，2001，1：81-83
[41] D. Goodenough. Thematic Mapper and SPOT Integration with a Geographic Information System. PE&RS, 1988, 54(2)
[42] M. EhIeRS, al. Intergration of Remote Sensing with Geographic Information System: A Necessary Evolution. PE&RS, 1989, 55(1)
[43] 王野乔，赵华昌．遥感信息与地理数据覆合研究．环境遥感，1989 4(1)：529-600
[44] 吴健平．区域土地利用／土地覆被遥感调查．上海：华东师范大学出版社，1999
[45] 张超．地理信息系统．北京：高等教育出版社，1994
[46] 赵荣，陈丙咸．地理信息系统和遥感结合的现状及发展趋势．遥感技术与应用，1991，6(3)：31-37．
[47] MANFRED EHLERS．遥感与地理信息系统向空间信息综合处理的方向发展．遥感技术与应用，1991，6(1)：50-53
[48] 秦其明．遥感图像自动解译面临的问题与解决的途径．测绘科学，2000，25(2)：21-24
[49] 陈述彭，赵英时．遥感地学分析．测绘出版社，1990
[50] 李俊祥．基于3S技术的中国动部常绿阔叶林区植被遥感分类研究．华东师范大学2000年读博士学位论文
[51] 方红亮．地学应用中的遥感图像处理若干问题的分析．地理研究，1997，16(2)：97-103
[52] 熊祯等．分层神经网络算法．测绘学报．2000，29(3)：229-235
[53] 骆剑承等．遥感地学智能图解模型支持下的土地覆盖土地利用分类．自然资源学报，2001，16(2)：179-183
[54] 江东，王建华．人工神经网络在遥感中的应用与发展．国土资源遥感，1999，2：12-17
[55] 术洪磊．GIS辅助下的基于知识的遥感影像分类方法研究．测绘学报，1997，26(4)：328-335
[56] 甘甫平等．基于遥感技术的土地利用与土地覆盖的分类方法．国土资源遥感，1999，4：40-44
[57] 王耀南，李树涛，毛建旭．计算机图像处理与识别技术，北京：高等教育出版社，2001，6：198-209、260-269
[58] Paola J D, Schowengerdt R A. A review and analysis of back propagation neural networks for classification of remotely sensed multi-spectral imager. Int J Remote Sensing, 1995,16(16): 3033-3058
[59] 彭天强，李弼程．一种基于证据理论与神经网络的遥感影像分类方法．数据采集与处理，2003，6 ：170-174
[60] M. DELCARMEN VALDES,M. INAMURA. Improvement of remotely sensed low spatial resolution images by back-propagated neural networks using data fusion techniques. Int J Remote Sensing, 2001, 4(22): 629-642
[61] 于秀兰．空间多传感器遥感图像融合分类技术的研究．哈尔滨：哈尔滨工业大学，1999，
[62] 邢帅，谭兵，李建胜，徐青，耿则勋．基于小面元的多源遥感影像高精度配准方法．测绘学院学报，2003，6：124-128
[63] 李四海．提高遥感数据分类应用的有效途径．国土资源遥感，1995，(4)：1-4
[64] Liu J_G. Pixel block intensing modulation adding spatial detail to TM band 6 thermal imargy. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(3):2477-2491
[65] Parrot J. F, rand H. Detection and classification of circular structures on SPOT images.IEEE T G&RS, 1992, 30(5):996-1005
[66] Ulbrich K. A., Hechendorff VP. D., Satellite images for recognition of landscape and landuse changes, ISPRS Journal of Photogrammetry&Remote Sensing, 1998, 53(4):235-243
[67] 谈正．神经网络计算机及其在遥感应用中的展望，环境遥感，1991，6(3)：210-215
[68] 张永生．遥感图象信息系统．北京，科学出版社，2000．4
[2] 康晓风，王乃斌，杨小唤．粮食种植面积提取方法的发展与现状．资源科学，2002，9：8-12
[3] 冯仲科，聂玉藻，赵春江等．精准林业．北京：中国林业出版社，2002．4-6
[4] 李树楷．初论“3S”技术一体化信息技术．环境遥感，1995，10：11-15
[5] 刘小勇，盛建东．地理信息系统(GIS)与精确农业．新疆农机化，2001，6
[6] 褚庆全，李林．地理信息系统(GIS)在农业上的应用及其发展趋势．中国农业科技导报，2003，5：22-26
[7] 李爽，丁圣彦，许叔明．遥感影像分类方法比较研究．河南大学学报(自然科学版)，2002，6：70-73
[8] 杨鹏，唐华俊，刘佳．作物遥感估产中自动分类方法研究进展与展望．中国农业资源与区划，2000，6：57-60
[9] 吴健平，杨星卫．遥感数据监督分类中训练样本的纯化．国土资源遥感，1996，26(1)：36-41
[10] 方勇．证据推理应用于多源信息融合分析．遥感学报，2000，4(2)：106-111
[11] 杜去艳，周成虎．水体的遥感信息自动提取方法．遥感学报，1998，2(4)：264-269
[12] 章杨清等．利用分维向量改进神经网络在遥感模式识别中的分类精度．环境遥感，1994(2)：68-72．
[13] Min Hart, Lei Cheng, Hua Meng. Application of four-layer neural network on information extraction. Neural Networks, 2003. 6-7: 547-553
[14] Fried. M.A, Brodeley CE. Decision Tree Classification of Land Cover from Remotely Sensed Data. Remote Sens. Environ, 1997(61): 399-409
[15] 李爽．张二勋．基于决策树的遥感影像分类方法研究．地域研究与开发，2003，2：17-21
[16] Mahesh Pal, Paul M. Mather. An assessment of the effectiveness of decision tree methods for land cover classification. Remote Sensing of Environment, 2003, 86: 554-565
[17] 李爽，丁圣彦，钱乐祥．决策树分类法及其在土地覆盖中的应用．遥感技术与应用，2002，17(1)：6-17．
[18] 钱乐祥，陈云增．福建植被景观空间格局及其环境响应特征．河南大学学报(自然科学版)，2000，30(4)：66-73
[19] 胡伟平，何建邦．GIS支持下珠江三角洲城镇建筑覆盖变化遥感监测分析．遥感学报，2003，5：201-207
[20] X. Liand A.G.O. Yeb. Principle component analysis of stacked multi-temporal images for the monitoring of rapid urban expansion in the Pearl River Della. Remote Sensing, 1998,19(8): 1501-1518
[21] 游代安．GIS辅助的遥感影像处理与分析技术的研究．信息工程大学测绘学院硕士论文，2001，7
[22] 王莹，刘敏莺，黄文骞．GIS对遥感影像分类判读的辅助作用．海洋测绘，2002，5：12-15
[23] 陈述彭，赵英时．遥感地学分析．北京：测绘出版社，1990，175-197
[24] 吴健平．区域土地利用／土地覆被遥感调查，上海：华东师范大学出版社，1999．21-24
[25] 陈述彭，鲁学军，周成虎．地理信息系统导论．北京：科学出版社，2000．1-8
[26] 黄杏元，马劲松，汤勤．地理信息系统概论(修订版)．北京：高等教育出版社，2001．2-5
[27] 宋晓冬，叶嘉安．地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用．北京：科学出版社，1996．4-7．
[28] 何建邦，蒋景瞳．我国GIS的回顾和当前发展的若干问题．地理学报，1995，50：13-23．
[29] 邬伦，刘瑜，张晶等．地理信息系统原理、方法与应用．北京：科学出版社，2001．333-335．
[30] 徐明．面向对象知识库系统CAOBS/V1.2的设计与实现．计算机研究与发展，1998，35(8)：678-683．
[31] 钟耳顺．GIS技术开发、应用与产品化．1998年地理信息系统年会论文集，1998．2
[32] 张明金，张平．核心地理信息系统设计研究．地理学报，1995，50
[33] 郝平，李瑞麟，应时彦等．组建式地理信息技术．浙江工业大学学报，2001，29(3)：301-304．
[34] 宋关福，钟耳顺．组件式地理信息系统研究与开发．图像图形学报，1998，3(4)：313-317．
[35] 何勇，方慧，冯雷．基于GPS和GIS的精细农业信息处理系统研究．农业工程学报，2002，18(1)：145-149．
[36] 符海月．基于ComGIS的退耕还林还草项目评价信息系统研究．兰州：西北师范大学，2002．
[37] 韩海洋，龚建雅．开放地理信息系统的内涵与地理信息互操作性的实现．测绘通报，1999，6：22-25．
[38] 刘明微．GIS和专家系统集成技术的研究．重庆：西南农业大学，2002．100-105
[39] Andries Van Dam, Dick Puc.The History of Computer Graphics Standards Development.Computer Graphics, 1998, 2:
[40] 曾松峰，李满春等．基于B/S结构的土地市场信息系统．计算机应用，2001，1：81-83
[41] D. Goodenough. Thematic Mapper and SPOT Integration with a Geographic Information System. PE&RS, 1988, 54(2)
[42] M. EhIeRS, al. Intergration of Remote Sensing with Geographic Information System: A Necessary Evolution. PE&RS, 1989, 55(1)
[43] 王野乔，赵华昌．遥感信息与地理数据覆合研究．环境遥感，1989 4(1)：529-600
[44] 吴健平．区域土地利用／土地覆被遥感调查．上海：华东师范大学出版社，1999
[45] 张超．地理信息系统．北京：高等教育出版社，1994
[46] 赵荣，陈丙咸．地理信息系统和遥感结合的现状及发展趋势．遥感技术与应用，1991，6(3)：31-37．
[47] MANFRED EHLERS．遥感与地理信息系统向空间信息综合处理的方向发展．遥感技术与应用，1991，6(1)：50-53
[48] 秦其明．遥感图像自动解译面临的问题与解决的途径．测绘科学，2000，25(2)：21-24
[49] 陈述彭，赵英时．遥感地学分析．测绘出版社，1990
[50] 李俊祥．基于3S技术的中国动部常绿阔叶林区植被遥感分类研究．华东师范大学2000年读博士学位论文
[51] 方红亮．地学应用中的遥感图像处理若干问题的分析．地理研究，1997，16(2)：97-103
[52] 熊祯等．分层神经网络算法．测绘学报．2000，29(3)：229-235
[53] 骆剑承等．遥感地学智能图解模型支持下的土地覆盖土地利用分类．自然资源学报，2001，16(2)：179-183
[54] 江东，王建华．人工神经网络在遥感中的应用与发展．国土资源遥感，1999，2：12-17
[55] 术洪磊．GIS辅助下的基于知识的遥感影像分类方法研究．测绘学报，1997，26(4)：328-335
[56] 甘甫平等．基于遥感技术的土地利用与土地覆盖的分类方法．国土资源遥感，1999，4：40-44
[57] 王耀南，李树涛，毛建旭．计算机图像处理与识别技术，北京：高等教育出版社，2001，6：198-209、260-269
[58] Paola J D, Schowengerdt R A. A review and analysis of back propagation neural networks for classification of remotely sensed multi-spectral imager. Int J Remote Sensing, 1995,16(16): 3033-3058
[59] 彭天强，李弼程．一种基于证据理论与神经网络的遥感影像分类方法．数据采集与处理，2003，6 ：170-174
[60] M. DELCARMEN VALDES,M. INAMURA. Improvement of remotely sensed low spatial resolution images by back-propagated neural networks using data fusion techniques. Int J Remote Sensing, 2001, 4(22): 629-642
[61] 于秀兰．空间多传感器遥感图像融合分类技术的研究．哈尔滨：哈尔滨工业大学，1999，
[62] 邢帅，谭兵，李建胜，徐青，耿则勋．基于小面元的多源遥感影像高精度配准方法．测绘学院学报，2003，6：124-128
[63] 李四海．提高遥感数据分类应用的有效途径．国土资源遥感，1995，(4)：1-4
[64] Liu J_G. Pixel block intensing modulation adding spatial detail to TM band 6 thermal imargy. International Journal of Remote Sensing, 1998, 19(3):2477-2491
[65] Parrot J. F, rand H. Detection and classification of circular structures on SPOT images.IEEE T G&RS, 1992, 30(5):996-1005
[66] Ulbrich K. A., Hechendorff VP. D., Satellite images for recognition of landscape and landuse changes, ISPRS Journal of Photogrammetry&Remote Sensing, 1998, 53(4):235-243
[67] 谈正．神经网络计算机及其在遥感应用中的展望，环境遥感，1991，6(3)：210-215
[68] 张永生．遥感图象信息系统．北京，科学出版社，2000．4