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基于知识发现的珠江口湿地识别监测及演变规律挖掘研究

作　者: 刘凯
导　师: 黎夏
学　校: 中国科学院研究生院（广州地球化学研究所）
专　业: 环境科学
关键词: 珠江口湿地知识发现数据挖掘遥感雷达遥感演变规律关联规则决策树神经网络
分类号: X87
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

湿地是一种介于水生生态系统(深水湖、海洋)和陆地生态系统(森林、草地)之间的一种重要而又特殊的生态系统，湿地是地球上最具生产力的生态系统之一，也是最富生物多样性的生态系统之一，它不仅能为人类的生产、生活提供多种资源，同时还具有很高的经济价值、环境效益和多种生态功能。由于近几十年来人类活动日益频繁，使得我国湿地资源急剧减少，以有效监测与合理保护湿地为目的的湿地遥感监测及其相关研究已成为湿地研究领域的一个重要研究方向。遥感技术与GIS技术在湿地资源现状调查、动态变化监测和湿地制图等领域已经得到了广泛的应用。遥感技术所具有的观测范围广、信息量大、信息定量化、数据更新快、多时相、多平台、历史资料丰富、可对比性强等优点，使得遥感技术在湿地领域的相关研究中显得十分突出和重要。且随着近些年来计算机软件、硬件的不断完善，GPS和GIS技术的飞速发展和普及，“3S”技术的结合使得遥感技术在湿地研究中的应用范围及利用效率大大提高。本文以珠江三角洲的核心地区(珠江口)作为研究区域，利用知识发现与数据挖掘方法从多时相、多分辨率、多种成像方式的遥感图像(光学遥感、微波遥感)中获取不同类型的湿地信息，并且监测了近20年来珠江口湿地的动态变化，分析其变化特征，同时利用时空关联规则挖掘方法来获取湿地演变与人类活动之间的关联规则。研究结果将为珠江口地区湿地资源的可持续利用提供了基础数据和决策依据，具有重要的理论意义、实践意义和社会意义。本文通过全面分析、讨论得到如下的主要结论：(1)在湿地遥感识别、动态监测研究中，知识发现与数据挖掘方法是一种十分有效的方法，能够取得较好的分类精度。本文研究中共使用到了决策树算法、神经网络算法、粗糙集算法、支持向量机算法和朴素贝叶斯算法。(2)决策树算法识别湿地信息的精度最高。本文的研究表明，在使用的多种知识发现方法中，决策树算法的分类精度最高，且对遥感数据的要求较少。而其他的分类方法均需要在满足一定条件下，才能够得到较高的分类精度。(3)1988～2004年珠江口湿地资源持续减少。本文利用4个时相的Landsat TM数据监测了珠江口湿地资源的动态变化，并分析了湿地资源的变化速率、双向动态度以及湿地资源的空间分布重心位移。分析结果表明，从1988年开始，珠江口的湿地资源在持续减少，但到了2002年，部分湿地资源受到了保护和恢复，面积略有增加。(4)关联规则方法可以获取湿地演变规律。关联规则也是一种知识发现方法，它能够获取不同的项(湿地与其他影响因子)之间的关联性。本文以东莞市城市湿地为例，在像元尺度、镇区尺度和格网尺度三个尺度级别上挖掘湿地资源演变与社会经济统计属性因子、环境属性因子、土地利用属性因子之间的关联规则。研究表明，格网尺度是挖掘湿地演变关联规则的最佳空间尺度；东莞市城市湿地演变(减少)与环境属性因子的增加、外来人口数目的增加、农业人口与农业总产值的降低、城市用地的扩张之间具有强关联性。(5)不同分辨率、不同成像方式的遥感数据在湿地遥感研究中得到了成功的应用。本文在利用遥感技术与知识发现方法研究湿地资源时，使用到了被动成像的光学遥感数据SPOT(融合后其空间分辨率2.5m)与TM图像(空间分辨率30m)，还有主动成像的雷达数据Envisat ASAR(空间分辨率30m)与Radarsat SAR图像(空间分辨率6m)，均取得了较好的应用。研究表明，多源遥感数据的结合使用能够将各自的优势综合起来，弥补单一遥感数据信息量的不足，扩大了各自信息的应用范围，同时还能够提高湿地信息提取的精度。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-12
第一章绪论  12-22
  第一节研究意义及国内外研究现状  12-18
    一、研究意义  12-14
    二、国内外湿地遥感研究现状  14-17
    三、存在问题  17-18
  第二节研究内容介绍  18-21
    一、研究内容  18-19
    二、论文技术路线  19-21
  第三节论文架构  21-22
第二章研究区域、研究方法介绍及图像预处理  22-38
  第一节研究区域介绍  22-23
  第二节研究方法介绍  23-28
    一、知识发现与数据挖掘方法  23-26
    二、空间数据挖掘的过程  26-28
  第三节研究使用图像介绍  28-33
    一、Landsat TM图像  28-30
    二、SPOT图像  30
    三、Radarsat SAR图像  30-31
    四、Envisat ASAR图像  31-32
    五、论文中所使用的遥感图像的对比  32-33
  第四节遥感图像预处理  33-38
    一、Radarsat SAR数据的预处理  33-34
    二、Envisat ASAR数据的预处理  34-35
    三、Landsat TM图像辐射校正  35-36
    四、遥感图像的几何纠正  36-38
第三章湿地信息的遥感识别与提取  38-91
  第一节基于传统遥感分类方法的湿地信息提取  38-45
    一、非监督分类  39-40
    二、监督分类  40-42
    三、混合分类法  42-43
    四、分层分类法  43
    五、遥感分类精度评定方法  43-45
  第二节基于决策树算法的湿地信息提取  45-53
    一、决策树算法介绍  45-47
    二、基于TM图像和ASAR图像的珠江口湿地信息的决策算法提取  47-53
  第三节基于神经网络算法的湿地信息提取  53-64
    一、神经网络算法介绍  53-55
    二、基于神经网络与数据融合的红树林群落分类  55-64
  第四节基于粗糙集算法的湿地信息提取  64-73
    一、粗糙集算法介绍  64-67
    二、基于粗糙集算法的湿地信息提取  67-73
  第五节基于支持向量机算法的湿地信息提取  73-80
    一、支持向量机算法介绍  73-77
    二、基于支持向量机算法的湿地信息提取  77-80
  第六节基于朴素贝叶斯算法的湿地信息提取  80-84
    一、贝叶斯算法介绍  80-82
    二、基于TM图像和朴素贝叶斯分类算法的湿地信息提取  82-84
  第七节湿地信息提取的精度对比分析与讨论  84-91
    一、知识发现分类方法的评估与比较  84-86
    二、基于保持法的分类精度评估  86-89
    三、基于10折交叉验证法的分类精度评估  89-90
    四、结论与讨论  90-91
第四章湿地动态变化遥感监测与分析  91-123
  第一节动态变化监测的方法与评价指标  91-96
    一、动态变化监测的方法  91-94
    二、动态变化监测的度量与评价指标  94-96
  第二节基于3个时相TM图像的珠江口红树林湿地动态变化监测  96-106
    一、3个时相的红树林湿地信息提取  96-101
    二、精度分析  101-103
    三、变化分析与讨论  103-106
  第三节基于4个时相TM图像的珠江口湿地动态变化分析  106-116
    一、4个时相珠江口湿地信息提取  106-110
    二、精度分析  110-111
    三、动态变化分析  111-116
  第四节基于Envisat图像的湿地快速变化监测  116-121
    一、2个时相基塘湿地信息提取  116-120
    二、精度分析  120
    三、变化分析与讨论  120-121
  第五节湿地动态变化监测小结  121-123
    一、湿地变化遥感监测的发展趋势  121
    二、湿地变化监测存在的问题  121-123
第五章基于知识发现的湿地时空演变规律挖掘研究  123-146
  第一节关联规则挖掘方法介绍  123-125
  第二节湿地时空演变规律挖掘研究  125-134
    一、研究对象  125-126
    二、城市湿地的多尺度时空分布  126-128
    三、数据准备及预处理  128-131
    四、湿地时空演变布尔关联规则提取及筛选  131-132
    五、湿地时空演变关联规则分析  132-134
  第三节格网尺度湿地时空演变关联规则挖掘研究  134-141
    一、样本属性的空间自相关性分析  134-136
    二、样本数据的量化  136-138
    三、湿地时空演变量化关联规则提取及筛选  138
    四、格网尺度湿地时空演变量化关联规则分析  138-141
  第四节湿地演变的驱动因素分析——以东莞市湿地演变为例  141-146
    一、自然驱动因素  141-142
    二、人类活动驱动因素  142-146
第六章论文的主要结论、建议与创新点  146-150
  第一节论文的主要结论  146-147
  第二节建议与问题  147-149
  第三节论文的主要创新点  149-150
主要参考文献  150-171
附录一论文图索引  171-173
附录二论文表索引  173-175
附录三硕博连读期间发表的论文目录  175-176
附录四硕博连读期间参与的科研项目目录  176-177
附录五致谢  177-179

基于知识发现的珠江口湿地识别监测及演变规律挖掘研究

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