基于形式概念分析的土壤侵蚀遥感图像分类研究

摘要

土壤侵蚀已成为全球性的环境问题,严重威胁着人类的生存与发展,遥感技术作为能够宏观记录土壤侵蚀退化标志如地表裸露程度、地形地貌、植被覆盖度和土地利用方式的改变等信息而成为土壤侵蚀调查与监测的重要技术手段。本文针对土壤侵蚀调查中遥感应用现状提出了如何利用计算机技术将人类的土壤侵蚀认知经验知识化以及发现遥感影像中潜在的土地利用分类规则与土壤侵蚀强度分级模式,为实现高度智能化的人机交互式解译方法提供更丰富专家知识的研究问题。针对该研究问题,在对现行遥感图像挖掘理论与方法详细分析、比较的基础上,本文尝试在土壤侵蚀遥感调查领域中引入形式概念分析理论这一新型数据挖掘理论,为区域土壤侵蚀遥感解译提供一种新的研究思路与方法。基于以上的研究问题与研究思路,本文依托“湖北省水土保持监测网络与信息系统建设工程”项目开展了具体的研究工作,取得了一些有实际应用价值的研究成果。
　　论文首先详细分析了传统遥感影像分类技术,给出了引入形式概念分析理论作为本文研究方法的理由;全面介绍了形式概念分析理论相关概念及其基础概念格理论,并在对概念格的经典构造算法进行总结分析的基础上,基于其不完全覆盖理论实现了最佳不完全覆盖的概念格构造算法以及在概念格结构中提取分类规则的算法;为了保证分类规则的简洁性与无冗余性,基于族集最小覆盖理论实现了概念格的内涵缩减从而达到分类规则的属性约简;为了验证基于形式概念分析理论挖掘知识的有效性以及基于该规则集合的分类应用,本研究实现了启发式分类器的构建,并在分析支持度阈值和置信度阈值大小对分类器精度影响的实验基础上,得出了当支持度阈值为1-3％、置信度阈值为0.4-0.6时,所构造的分类器的准确率最高的实验结论,这些理论与实验为土壤侵蚀遥感图像挖掘研究提供了理论指导。
　　其次,论文分析了研究区的土壤侵蚀现状、数据资料收集现状以及遥感影像特点,以ENVI4.2作为开发平台,以IDL作为开发语言,实现了以已解译的土地利用类型图层中小斑为单位的遥感影像Landsat ETM+1-5,7波段的光谱特征、6个波段间两两组合得到的15个波段相关性特征、基于灰度共生矩阵的8个纹理特征(均值、方差、逆方差、对比度、非相似性、熵、角二阶矩,相关性)的提取以及坡度、高程、土地利用类型、土壤侵蚀强度等四个基础地理数据层的处理,并以此构建多源空间数据库,为形式概念分析理论的挖掘工作奠定了数据基础。
　　再次,论文以构建的多源空间数据库为基础,开展了形式概念分析理论在土壤侵蚀遥感调查解译中的具体挖掘工作。首先以地物分类为目标,通过对样本数据的选择以及各地物的光谱特征、波段相关性特征-、纹理特性、坡度高程特征的分析,实现了形式概念分析理论在土地利用类型分类规则挖掘中的应用,并对以挖掘出的分类规则为基础构建的分类器进行验证与精度评价,实验结果表明挖掘出的规则与知识与特征分析相吻合,而且以此构建的分类器较之与决策树算法C4.5和监督分类法在分类精度上表现出一定的优势;其次以侵蚀强度等级分级为目标,在对各土地利用类型的样本数据进一步分析的基础上,实现了形式概念分析理论在各土地利用类型的侵蚀强度分级模式挖掘中的应用,在对结果进行详细分析的基础上证明了规则的有效性与可信度。
　　论文最后对本文的研究成果进行总结,并归纳了有待继续研究的一些问题。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 土壤侵蚀调查遥感应用现状

1.3 现有方法的局限性分析

1.4 研究思路与技术框架

1.5 论文的组织结构

1.6 本章小结

2 土壤侵蚀调查中的遥感图像分类技术

2.1 遥感技术介绍

2.2 遥感图像挖掘与遥感图像分类

2.3 遥感图像常用分类方法及比较

2.4 本章小结

3 形式概念分析理论与方法研究

3.1 形式概念分析理论基本概念

3.2 形式概念分析理论基础－概念格理论

3.3 概念格的构建算法

3.4 最佳不完全覆盖概念格构造算法

3.5 本章小结

4 基于形式概念分析的分类研究

4.1 问题描述

4.2 概念格的分类规则提取

4.3 启发式分类器的构造

4.4 本章小结

5 形式概念分析理论应用中的数据准备

5.1 研究区介绍与资料收集

5.2 地理数据的处理

5.3 遥感影像处理与特征提取

5.4 多源空间数据库构建

5.5 本章小结

6 基于形式概念分析的土壤侵蚀遥感分类应用研究

6.1 基于形式概念分析的土地利用类型分类研究

6.2 基于形式概念分析的土壤侵蚀强度分级研究

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 结论与讨论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文目录