1.  緒論 

1.1  研究背景及意義 
如今，我國各行各業(yè)都在迅速發(fā)展，對(duì)環(huán)境和資源的影像越來越大，地理環(huán)境和自然資源的承受能力一再受到挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展帶來巨大挑戰(zhàn)。如何正確高效的處理資源、生態(tài)、環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)各要素之間的關(guān)系，需要及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地把握地理國情的變化，因此地理國情普查隨之提出[1]。 2010年12月20日，時(shí)任國務(wù)院副總理的李克強(qiáng)同志對(duì)我國測(cè)繪工作做出“要加強(qiáng)基礎(chǔ)測(cè)繪和地理國情監(jiān)測(cè)”的重要批示，首次從國家的高度做出加強(qiáng)地理國情監(jiān)測(cè)的決策[2]。2012年10月，國家財(cái)政部正式批復(fù)地理國情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，至此，我國的地理國情普查前期試點(diǎn)工作拉開序幕。2013年2月28日，國務(wù)院開展地理國情普查的重要通知，定于2013年至2015年之間開展全國第一次地理國情普查工作，為后期常態(tài)化地理國情檢測(cè)打好基礎(chǔ)[3]。 我國地理國情要素復(fù)雜,如何準(zhǔn)確快速的提取地理國情要素成為地理國情監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)[4-5]。道路要素作為地理國情要素的重要組成部分，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)方面發(fā)揮著不可輕視的作用。另外，道路要素信息作為地理國情信息普查中地表覆蓋的重要內(nèi)容，進(jìn)行地表覆蓋道路要素的提取研究，對(duì)于開展地表覆蓋普查具有非常重要的意義[6]。 隨著航空航天衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展和不斷改進(jìn)，高分辨率遙感影像已廣泛的應(yīng)用于地理信息數(shù)據(jù)的快速獲取以及基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的更新等工作過程中。因此，國家測(cè)繪地理信息局?jǐn)M定以優(yōu)于1  米的高分辨率航空航天遙感影像數(shù)據(jù)作為第一次地理國情普查的主要數(shù)據(jù)源，充分利用覆蓋全國陸地面積的1:50000  基礎(chǔ)地理信息、1:10000  基礎(chǔ)地理信息以及海量的1:5000和1:2000  等大比例尺基礎(chǔ)地理信息等資源[7]，各地根據(jù)不同特點(diǎn)，整合利用各種手段進(jìn)行普查工作。遙感影像的分辨率隨著遙感科技的進(jìn)步不斷提高，衛(wèi)星遙感影像的空間分辨率由  10m、5m、2m、1m、甚至  0.61m  逐步提高到  0.5m[8]。地理國情普查中主要應(yīng)用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)見表1-1。 
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1.2  國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
地理國情對(duì)既有數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行挖掘和整理并進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，可以給經(jīng)濟(jì)建設(shè)和政府決策提供基礎(chǔ)支持。目前美歐等發(fā)達(dá)國家在地理國情監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)取得了一定成果；國內(nèi)也已進(jìn)行了地理國情監(jiān)測(cè)方面的理論技術(shù)研究，并取得了一定的科研成果，促進(jìn)了我國第一次地理國情普查的全面開展。 美國國家基金委員會(huì)（NSF）在 2000 年針對(duì)美國國家層面所面臨的重大環(huán)境問題提出建立國家生態(tài)觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)（NEON）。NEON 項(xiàng)目現(xiàn)正處在后期建設(shè)階段，預(yù)計(jì)到 2016 年能夠建設(shè)完成并實(shí)現(xiàn)運(yùn)行[11]。 歐盟于 2003 年啟動(dòng)了“全球環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)計(jì)劃（GMES）”，用來獲得影響地球和氣候變化的各類信息。GMES 項(xiàng)目在 2014 年完成了全部設(shè)計(jì)目標(biāo)。GMES 目前主要服務(wù)于陸地、海洋和大氣監(jiān)測(cè)以及應(yīng)急管理和安全等方面[12]。 日本于 2001 年啟動(dòng)了“亞太地區(qū)環(huán)境革新戰(zhàn)略項(xiàng)目（APEIS）”，是由亞洲太平洋地區(qū)各國有關(guān)科研機(jī)構(gòu)參與研究的重大戰(zhàn)略項(xiàng)目。作為 APEIS 項(xiàng)目子課題之一的環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)子項(xiàng)目（IEM）通過建立一個(gè)綜合性的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)亞太地區(qū)的生態(tài)環(huán)境破壞和退化以及生態(tài)脆弱地區(qū)進(jìn)行長期的監(jiān)測(cè)和研究[12]。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國國力有了大幅提升，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平高速發(fā)展，測(cè)繪成果在各行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，多個(gè)專業(yè)部門都根據(jù)各自部門的職責(zé)和需要，開展了國土、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、環(huán)保、海洋等專題信息階段調(diào)查或普查工作[2]。例如國土資源局  2007  年開展的第二次全國土地調(diào)查、林業(yè)局  2009  年啟動(dòng)第八次全國森林資源清查工作、水利局  2010  年開展的全國第一次水利普查等，為地理國情普查項(xiàng)目的開展提供了有益經(jīng)驗(yàn)。另外，我國在土地利用、生態(tài)環(huán)境、城市變化等方面的監(jiān)研究，也為地理國情普查項(xiàng)目的開展奠定了基礎(chǔ)[13]。目前，我國地理國情監(jiān)測(cè)業(yè)已步入正式建設(shè)開發(fā)階段，地理國情普查工作已正式開啟。 綜上所述，不難看出，在歐美等發(fā)達(dá)國家，地理國情監(jiān)測(cè)擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，豐富的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，多種形式的信息獲取和監(jiān)測(cè)手段[8]。另外，國外成功的地理國情監(jiān)測(cè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于我國地理國情普查工作的開展具有很好的借鑒意義[14]。 
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2.  地理國情普查道路分類要求及特點(diǎn)分析

2.1 基于地理國情的道路劃分
地理國情普查分類是以需求為導(dǎo)向，通過現(xiàn)有基礎(chǔ)測(cè)繪成果為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展，以適用可行為原則進(jìn)行確定的。以要素的類型、屬性特征、關(guān)系和作用四個(gè)基本因素作為信息分類的基本依據(jù)，結(jié)合不同部門的使用要求與目的將普查信息進(jìn)行分類[3]。基于地理國情普查內(nèi)容劃分原則 ①以需求為導(dǎo)向的原則 分析國家戰(zhàn)略和發(fā)展規(guī)劃和各個(gè)行業(yè)在規(guī)劃、管理等日常業(yè)務(wù)工作中對(duì)環(huán)境、資源、基礎(chǔ)設(shè)施等的需求，確定地理國普查內(nèi)容的具體要求[3]。 ②以現(xiàn)有基礎(chǔ)拓展的原則 對(duì)現(xiàn)有的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的內(nèi)容以及現(xiàn)行生產(chǎn)技術(shù)方法進(jìn)行分析和整理，尋找與地理國情監(jiān)測(cè)常態(tài)化之后內(nèi)容的不同之處，確定地理國情普查過程中需派生、拓展或補(bǔ)充的內(nèi)容和指標(biāo)[3]。 ③可行性原則 在制定地理國情普查主要內(nèi)容和指標(biāo)的過程中，要充分考慮測(cè)繪部門的專業(yè)特點(diǎn)和今后長期開展常態(tài)化地理國情監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際情況，使普查信息的采集、存儲(chǔ)、分析和應(yīng)用內(nèi)容和指標(biāo)必須具有可行性[3]。
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2.2 面向地理國情的遙感影像道路特征分析
特征是用來描述地物信息的一種重要屬性，在遙感影像地類信息提取過程中起著舉足輕重的作用[27]。遙感影像中有著豐富的影響對(duì)象特征信息，有光譜、形狀、紋理、上下文語義關(guān)系特征和自定義特征等[28]。道路信息由于使用的鋪設(shè)材料不同，有瀝青、水泥和碎石泥土等。瀝青路面在真彩色的影像上表現(xiàn)為灰色，水泥路面一般表現(xiàn)為高亮的白色，與建筑物的光譜信息容易混淆。在形狀特征上，，道路以線狀的形式存在，具有一定的長度、寬度，一般情況下長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度。在地理國情普查提取道路的過程中可以根據(jù)道路的不同類型，如鐵路、公路、城市道路和鄉(xiāng)村道路分別進(jìn)行提取。道路影像對(duì)象的知識(shí)庫構(gòu)建是道路多種特征的有機(jī)集合，選擇合理適用的道路特征構(gòu)建道路特征知識(shí)庫能夠取得明顯的道路提取效果[30]。本文在實(shí)驗(yàn)中主要選取道路影像對(duì)象的均值特征、亮度特征、標(biāo)準(zhǔn)差特征以及長寬比和密度等參數(shù)特征對(duì)道路知識(shí)庫特征庫進(jìn)行構(gòu)建。
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3. 道路提取關(guān)鍵技術(shù)研究 ....... 13
3.1  影像分割方法研究..... 13
3.2 道路分類方法研究 ...... 18
3.2.1 eCognition 分類方法相關(guān)理論研究 .... 19
3.2.2 最鄰近分類法 ............ 20
3.2.3  隸屬函數(shù)法 ...... 21
3.3  面向地理國情的道路提取結(jié)果篩選方法研究 ...... 23
4. 面向地理國情普查的道路提取 ............ 25
4.1  研究區(qū)概況 ........ 25
4.1.1  測(cè)區(qū)范圍 .......... 25
4.1.2  測(cè)區(qū)概況 .......... 25
4.2  研究區(qū)數(shù)據(jù)源及實(shí)驗(yàn)軟件選取 ............ 26
4.2.1  研究區(qū)數(shù)據(jù)源 ........... 26
4.2.2  實(shí)驗(yàn)分區(qū)說明 ........... 26
4.3  影像預(yù)處理 ........ 29
4.4  道路影像分割實(shí)驗(yàn) ..... 30
4.4.1  影像分割尺度參數(shù)設(shè)置 .... 30
4.4.2  道路分割最優(yōu)尺度的獲取 ......... 30
4.5  道路分類實(shí)驗(yàn) .... 41
4.6  面向地理國情普查的道路篩選 ............ 48
4.7  面向像元道路提取 ..... 49
4.8  道路提取質(zhì)量評(píng)價(jià) ..... 53
5. 總結(jié)與展望 ........ 57
5.1  研究總結(jié) ............ 57
5.2  展望 ........... 57

4.  面向地理國情普查的道路提取 

4.1  研究區(qū)概況 

濟(jì)寧市兗州區(qū)位于魯西南平原，東臨“三孔”，北依泰山，是濟(jì)寧市組群結(jié)構(gòu)大城市的經(jīng)濟(jì)中心。總面積 535.1 平方千米，耕地 60 余萬畝，人口 60 萬，轄 7 鎮(zhèn) 5 個(gè)街道辦事處，492 個(gè)行政村，30 個(gè)居民委員會(huì)。兗州歷史悠久，夏禹劃天下兗州九州其一，幾千年來兗州先后為郡、州、府所，是政治、經(jīng)濟(jì)、文化、軍事中心。兗州交通非常便利，有“九州通衢，齊魯咽喉”之稱，縱向有京滬鐵路貫穿，橫向有新石鐵路跨越。公路更是四通八達(dá)，國道、高速等數(shù)十條公路干線再次構(gòu)筑成網(wǎng)，區(qū)內(nèi)公路里程總長達(dá) 630 余千米，公路覆蓋密度是全國平均水平的 3 倍[46]。兗州區(qū)道路覆蓋密集，道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，道路提取較為繁瑣，如何高質(zhì)量的提取兗州道路提取成為一個(gè)難點(diǎn)。 由于兗州城區(qū)遙感影像中道路信息十分豐富，空間關(guān)系十分復(fù)雜；本文依據(jù)地理國情普查中道路的劃分結(jié)果，選取道路的二級(jí)類作為研究對(duì)象具有典型意義。本文從兗州區(qū)影像中分別選取包含鐵路、公路、城市道路、鄉(xiāng)村道路 4 個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)作為研究對(duì)象。以 eCognition 為平臺(tái)，用面向?qū)ο蟮牡缆诽崛》椒▽?duì)四個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)分別進(jìn)行分割和分類實(shí)驗(yàn)研究。 

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總結(jié)

本文在地理國情普查的大背景之下，利用山東省濟(jì)寧市兗州區(qū)的 WordView-II 高分辨率遙感影像，進(jìn)行道路提取研究。針對(duì)道路不同分類，選取 4 個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)作為實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行基于 eCognition 的面向?qū)ο蟮牡缆诽崛?shí)驗(yàn)和基于像元的監(jiān)督分類道路提取實(shí)驗(yàn)；并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中不同道路分類提取精度和質(zhì)量作出評(píng)價(jià)分析。 主要研究內(nèi)容和成果如下： 
①基于 eCognition 軟件研究了面向地理國情普查的道路提取過程中應(yīng)用的分割和分類理論，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)獲得了實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)不同道路類型的最優(yōu)分割尺度：鐵路、公路、城市道路、鄉(xiāng)村道路的最優(yōu)分割尺度分別為 105、75、70、100。 
②針對(duì)地理國情普查內(nèi)容指標(biāo)要求，研究了地理國情普查道路提取的特點(diǎn)；并根據(jù)該特點(diǎn)和要求提出了一套基于地理國情普查的鄉(xiāng)村道路篩選流程，該流程能夠有效的篩選符合普查要求的道路信息。 
③針對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行面向?qū)ο蠛兔嫦蛳裨牡缆贩诸愄崛?duì)比實(shí)驗(yàn)，得到了面向?qū)ο蟮奶崛》椒ㄔ趯?shí)驗(yàn)區(qū)道路提取中優(yōu)于基于像元的監(jiān)督分類提取方法的結(jié)論；另外，利用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行道路信息提取，并針對(duì)大面積連片區(qū)域的鄉(xiāng)村道路的篩選之后，除城市道路外，道路信息提取的精度達(dá)到了 80%以上，證明了基于 eCognition 的面向?qū)ο蟮牡缆沸畔⑻崛〗Y(jié)果基本能夠滿足地理國情普查的需要。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：55930