面向地表覆盖更新的时空目标不一致性探测方法研究

论文摘要

地表覆盖是指地球表面各种生物与物理覆盖综合体,其空间分布及随时间的变化是气候模拟、生态评估、地理国情监测等不可或缺的重要基础地理信息。随着对地观测技术的发展,利用遥感影像提取地表覆盖信息已成为当前的一种主要技术手段。由于地物光谱、纹理、时相等特征复杂多样,加上时相适宜、质量优良的影像数据难以全面覆盖,往往导致地表覆盖更新前后多期产品数据不一致。为确保地表覆盖更新质量,工程生产实践中,地表覆盖数据质检主要以人工检核为主、部分自动化检核为辅,耗时、费力,迫切需要一种面向地表覆盖更新的数据不一致性自动化探测方法。已有探测地理空间数据不一致性研究多注重于矢量地形数据,对栅格分类数据的不一致性研究相对不足。为此,研究面向栅格地表覆盖更新的数据不一致性探测是当前工业界和学术界的一项重要任务。参考地形要素空间不一致性检测分析,本文提出了顾及栅格空间拓扑关系的地表覆盖时空目标不一致性探测方法,包括地表覆盖栅格空间拓扑关系计算、基于置信区间的空间初判规则构建,以及基于拓扑时序链匹配的时空目标不一致性判断,研究的主要内容及成果如下:（1）提出了基于现代逻辑量词的栅格空间拓扑关系计算方法。总结了基于分解、整体思想的空间关系模型,计算了现有栅格空间关系4交叉模型、9交叉模型对地表覆盖目标空间关系描述的不足,分析了带孔洞的栅格地表覆盖目标几何复杂性、约当曲线邻域悖论,研究利用现代逻辑量词（?）与（?）,提出了栅格空间拓扑关系描述方法-量词3元组模型（3-Tuple Quantifiers Model,3TQM）,结合形态学膨胀算子与地图代数,设计了栅格空间拓扑关系计算的邻域搜索算法,解决了带孔洞的栅格地表覆盖目标与简单目标的空间拓扑关系计算问题。（2）提出了基于置信区间的空间初判规则构建方法。指出了地表覆盖空间分布及变化复杂性、分类体系差异性是造成地表覆盖数据质检规则获取难的主要原因,分析概括了现有空间规则发现方法,建立了空间关系发生频数统计直方图,提出了空间初判规则发现的置信区间集合代数法,利用空间谓词与逻辑连接词形式化表达了空间初判规则,解决了地表覆盖数据质检规则匮乏问题。（3）提出了基于拓扑时序链匹配的时空目标不一致性判断方法。分析了地形要素不一致性判断与地表覆盖要素不一致性判断的差异性,指出了空间初判规则判断地表覆盖错分目标存在不确定性,发现了地表覆盖目标空间关系时间连续性对错分目标判断的必要性,提出了基于地表覆盖时空目标语义一致性约束、几何一致性约束、空间拓扑关系一致性约束的不一致性匹配判断技术框架与计算方法,实现了更新期地表覆盖错分目标后验判定,消除了错分目标初判的不确定性问题。（4）研发了面向栅格地表覆盖数据更新的时空目标不一致性探测系统原型。利用 Microsoft Visual Studio 2010+Esri ArcEngine 10.2 实现了探测系统原型的功能设计、界面设计,以及相应功能代码编写。按照栅格空间拓扑关系计算、空间初判规则构建、拓扑时序链匹配,以6景2015更新期GlobeLand30为实验区（每景数据的覆盖范围约12万平方公里）,以耕地目标为例,提取了 4类、20余条空间初判规则,并以矢量点标注了探测的更新期地表覆盖错分目标。人工核查、统计计算了不一致性探测的总体有效性达88.2%。以40×40均匀布点采样方式,统计验证了人工修改后较修改前的数据质量总体精度提高了 10.3%,证明了本文顾及栅格空间拓扑关系的地表覆盖时空目标不一致性探测方法可行性,为大范围地表覆盖更新数据质量检测提供了一种可操作性方法。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 地表覆盖与更新

1.1.1 地表覆盖的科学意义

1.1.2 地表覆盖遥感制图

1.1.3 地表覆盖数据更新

1.2 空间数据质量控制

1.2.1 数据质量标准

1.2.2 不一致性划分

1.3 地表覆盖时空目标不一致性问题

1.3.1 地表覆盖数据错分

1.3.2 时空目标不一致性实例

1.4 空间数据不一致性探测研究现状

1.4.1 矢量地形数据不一致性

1.4.1.1 几何结构

1.4.1.2 多重表达

1.4.1.3 典型地理要素

1.4.1.4 拓扑关系

1.4.2 栅格分类数据不一致性

1.4.2.1 初分类信息提取阶段

1.4.2.2 分类后处理阶段

1.5 论文研究思路与结构安排

1.5.1 研究思路

1.5.2 结构安排

2 地表覆盖栅格空间拓扑关系计算

2.1 空间数据模型

2.1.1 矢量数据模型

2.1.2 栅格数据模型

2.2 空间关系描述

2.2.1 空间度量关系

2.2.2 空间拓扑关系

2.2.3 空间方向关系

2.3 地表覆盖栅格空间特殊性

2.3.1 目标几何复杂性

2.3.2 Jordan曲线邻域悖论

2.4 基于现代逻辑量词的拓扑关系计算方法

2.4.1 现代逻辑量词

2.4.2 量词3元组模型

2.4.3 栅格空间邻域搜索算法

2.5 本章小结

3 基于置信区间的空间初判规则构建

3.1 地表覆盖质检规则获取难题

3.1.1 空间分布及变化复杂性

3.1.2 分类体系多样性

3.2 空间规则发现

3.2.1 空间规则分类

3.2.2 规则发现方法分类

3.3 置信区间集合代数法

3.3.1 置信区间

3.3.2 空间约束关系提取

3.3.3 空间初判规则表达

3.4 本章小结

4 基于拓扑时序链匹配的时空目标不一致性判断

4.1 地表覆盖时空目标不一致性判断特征

4.1.1 单期初判规则判断的不确定性

4.1.2 多期拓扑关系时间连续性

4.2 目标匹配方法分类

4.2.1 语义匹配

4.2.2 几何匹配

4.2.3 多特征混合匹配

4.3 拓扑时序链匹配方法

4.3.1 拓扑时序链匹配技术框架

4.3.2 时空目标不一致性匹配计算

4.4 本章小结

5 系统原型研发与实验分析

5.1 系统原型研发

5.1.1 系统开发环境

5.1.2 系统功能设计

5.1.3 系统界面设计

5.2 主要实验结果

5.2.1 实验区域

5.2.2 空间初判规则构建

5.2.3 时空目标不一致性探测

5.2.4 有效性与数据质量评估

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 GLOBELAND30质检工作总结

6.2 主要创新点

6.3 未来研究工作展望

参考文献

致谢

作者简介

在学期间发表学术论文

在学期间参加科研项目

主要获奖

文章来源

类型: 博士论文

作者: 康顺

导师: 陈军

关键词: 地表覆盖更新,不一致性,空间关系,规则匹配,栅格

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 自然地理学和测绘学,计算机软件及计算机应用

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: P208

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000111

总页数: 122

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