第二届全国大学生GIS应用技能大赛内容及规程
一、 技能大赛内容
题目：遥感图像处理、遥感信息提取与应用分析
1、现有某区域一幅有投影信息的单波段遥感图像（tm00.img）、DEM数据、两幅多光谱遥感图像(tm01.img\tm02.img)及该区域的矢量数据图层文件(bound.shp)，其中有一幅多光谱图像无投影信息（tm02.img），现需要对无投影信息的多光谱图像进行几何校正、镶嵌、裁切等处理，并利用矢量数据裁剪镶嵌后的多光谱数据，利用裁剪后的多光谱数据及DEM数据，提取区域植被覆盖信息。
竞赛要求：
① 以有投影信息的单波段遥感图像为参考空间，对tm02img进行几何校正；命名为jztm02img， 对jztm02img及tm01.img进行镶嵌，并用bound.shp进行裁剪，记录主要操作过程及结果，要求结果中体现几何校正中控制点分布、控制点数量，RMS要求在0.5个像元内。
② 利用裁剪后的多光谱数据及DEM数据，提取区域缓坡植被信息、非朝北缓坡植被、陡坡植被、水体、裸地、背景区，提取规则如下：
朝北缓坡植被：NDVI大于0.25，坡度小于20°，朝北
非朝北缓坡植被：NDVI大于0.25，坡度小于20°，非朝北
陡坡植被：NDVI大于0.25，坡度大于等于20°
水体：NDVI小于等于0.25，波段4的DN值大于0且小于20
裸地：NDVI小于等于0.25，波段4的DN值大等于20
背景区：NDVI小于等于0.25，波段4的DN值等于0
要求规则表达正确，统计各类植被信息百分比，并对分类结果进行专题制图，专题要求有经纬网、图名、指北针、比例尺、图例，制图符合规范。
2、现有某地区2000年8月15日与2011年8月22日的两时相TM遥感图像（tm20000815.img\tm20110822.img），要求采用适当的分类方法提取该区域两时相的土地利用信息，提取两时相土地利用变化信息，要求分类合理，列出土地利用变化变化转移矩阵，并分析可能导致土地利用类型变化的主要原因，完成土地利用变更报告，制作两时相土地利用类型专题图，并对整个信息提取过程进行分析与评价。（要求用栅格数据格式进行处理）
3、从上述两时相土地利用类型数据中提取建设用地，进行栅矢转换，利用GIS空间叠加分析功能提取两时相建设用地空间变化信息，并计算建设用地年均变化面积，对属性数据表进行修改，增加建设用地年均变化字段，制作区域建设用地年均变化空间分布专题图。
二、 技能大赛规程
1、参赛团队现场抽签，按抽签上的标号到指定机位就座。
2、所有决赛试题都已存放在每台参赛计算机，由组委会人员现场抽取题号作为决赛试题。
3、比赛时间3小时，中间休息时间由各团队自己掌握。
4、比赛过程中请各位选手注意以下事项（若违反则团队成绩记为零分）：
1) 参赛选手必须服从工作人员安排，不得干扰比赛进行。
2) 所有选手不得离开指定的区域范围。
3) 同组选手之间可以小声讨论，不得大声喧哗，影响到其他参赛团队。
4) 不同组选手之间严禁任何交流，不得开启手机。
5) 决赛时所有资料已存放计算机，参赛时的过程文件和结果文件存放在指定目录，严禁参赛选手使用移动设备拷贝资料。
6) 参赛过程中，网络仅限于互相访问同组成员计算机，不得访问他人计算机。
7) 比赛文档中不能出现学校名称、带队老师等个人信息，仅写组号。
8) 比赛结果放在D:\gisgx0+抽签号命名的文件夹中，并将结果文档拷贝到本组的U盘上。
解题步骤：
摘要：基于ArcGIS、RS等专业知识及技术，对无投影信息的多光谱图像进行几何校正、镶嵌、裁切等处理，并通过处理多光谱及DEM数据，提取该区域植被覆盖信息，后采用适当的分类方法提取该区域两时相的土地利用信息和土地利用变化信息，制作土地利用变化变化转移矩阵、两时相土地利用类型专题图及区域建设用地年均变化空间分布专题图。对整个信息提取过程进行分析与评价，分析可能导致土地利用类型变化的主要原因。
1提取区域植被覆盖信息
1.1 几何校正tm02
（1）在Envi Classic中，分别加载tm02.img和有投影信息的单波段遥感图像tm00.img到两个显示框中（图1.1），点击主菜单中【Map】/【Registration】/【Select GCPs: image to image】，在打开的对话框中，选择基准图像tm00.img，待校正影像为tm02.img（图1.2）。
图1.1 打开两幅影像到两个窗口中
图1.2 选择基准影像和待校正影像
（2）点击【Add Point】添加控制点，添加4个控制点后，点击【Predict】按钮可自动预测到该点附近，选择足够且分布均匀控制点后，点击【Option】/【Automatically Generate Tie Points】，修改参数（图1.3），后点击【Show List】,在打开的对话框中，点击【Option】/【Order Points by Error】按错误大小排序，可以看到，最大错误RMS为0.4967（图1.4），符合要求，进行下一步操作。
图1.3 自动生成控制点参数设置
图1.4 控制点列表
（3）点击【File】/【Save Table to ASCII】导出控制点（图1.5），关闭【Show List】对话框，后点击【Option】/【Warp File（as Image to Map）】，在打开的对话框中，设置X\Y分辨率为30m，重采样方法为三次卷积，设置输出路径并重命名为“jztm02”。
图1.5 导出控制点
图1.6 导出校正后图像对话框
1.2 镶嵌
在Envi 5.1中，点击【Tool Box】/【Mosaic】/【Seamless Mosaic】，在打开的对话框中，输入tm01.img和校正后的jztm02.omg影像，忽略背景值设置为0，其他参数默认（图1.7），点击【Export】，设置输出路径并命名为“镶嵌.dat”（图1.8），镶嵌后的影响如图1.9所示。
图1.7 镶嵌对话框
图1.8 设置输出路径
图1.9 镶嵌后影像
1.3 裁剪
在Envi 5.1中，点击【Regions of Interest】/【Subset Data from ROIs】，在打开的窗口中，输入栅格数据：裁剪.dat，裁剪范围选择：bound.shp，设置输出路径并命名为“tm_clip”，裁剪后的影像如图1.10所示。
图1.10 裁剪后影像
1.4 提取区域植被覆盖信息
点击【Tool Box】/【Classification】/【Decision Tree】/【New Decision】，打开决策树设计页面。
（1）基于NDVI分类。双击Node 1结点，打开【Edit Decision Properties】对话框，在该对话框中设置名称及表达式（{ndvi} gt 0.25），点击OK，在接着打开的对话框中设置NDVI数据源为tm_clip，点击OK，即可得到基于NDVI的分类结果。
（2）基于坡度分类。右击NDVI值>0.25的类/【Add Children】，即添加两个子孩子于植被类；双击NDVI值>0.25结点，打开【Edit Decision Properties】对话框，在该对话框中设置名称及表达式（{slope} lt 20），点击OK，在接着打开的对话框中设置slope数据源为DEM，点击OK后，即可得到基于坡度的分类结果：坡度小于20°为缓坡植被，大于20°为陡坡植被。
（3）基于坡向分类：右击缓坡类/【Add Children】，即可添加两个子孩子于缓坡类；双击缓坡类，打开【Edit Decision Properties】对话框，在该对话框中设置名称及表达式（{aspect} lt 90 or {aspect} gt 270 ），点击OK，在接着打开的对话框中设置aspect数据源为DEM，点击OK后，即可得到基于坡向的分类结果：坡向小于90°或大于270°为朝北缓坡植被，其余的为非朝北缓坡植被（图1.11）。
图1.11 提取朝北缓坡植物公式
（4）基于亮度分类：点击NDVI值<=0.25的类/【Add Children】，即可添加两个子孩子于该类；双击该类，打开【Edit Decision Properties】对话框，在该对话框中设置名称及表达式（{b1 gt 0 b1 lt 20}），点击OK，在接着打开的对话框中设置DN值数据源为tm_clip，点击OK，即可得到基于DN值的分类结果：DN值大于0小于20的区域为水体。其他区域再添加规则，bt=0，当亮度值为0时为背景值，不为0时为NoData值。
（5）修改颜色：分别双击各结点，选择合适的颜色（图1.12），即可得到完整的决策树图（图1.13）。
图1.13 修改颜色
图1.13 决策树
（6）执行决策树：点击【Options】/【Execute】,在打开的对话框设置输出路径并重命名为class_result（图1.14），即可得到基于决策树分类结果，在ArcGIS中制作专题图如图1.15所示。
图1.14 保存分类结果对话框
图1.15 某地植被覆盖专题图
说明：此处用到Envi内置函数“slope”和“aspect”进行决策分类，只需选择数据源为DEM数据即可，也可先在ArcGis中利用工具【坡度】和【坡向】分别提取坡度和坡向，再用提取好的坡度及坡向图层进行决策分类，为节省时间，不再重复叙述。
（7）统计各类植被信息所占百分比。点击【Statistics】/【Computer Statistics】,在打开的对话框中，勾选基本统计（图1.16），即可统计各类植被信息所占百分比（表1）。
图1.16 Computer Statistics对话框
表1 各植被信息所占百分比
|
类别 |
所占百分比 |
|
朝北缓坡植被 |
14.61% |
|
非朝北缓坡植被 |
19.31% |
|
陡坡植被 |
6.64% |
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水体 |
0.19% |
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裸地 |
18.96% |
|
背景区 |
40.30% |
可以看出，林地占40.35%（其中朝北缓坡植被占14.61%，非朝北缓坡植被占19.31%，陡坡植被占6.64%，），裸地占18.96%，水体占0.19%，背景区占40.30%。且由专题图可以直观看出，在研究区域范围内，裸地和林地占极大部分，而水体所占部分较少。在林地中，非朝北缓坡植被占最大，其次是朝北缓坡植被，陡坡植被占比最小。
2监督分类
对比两幅影像及研究区特性，最终确定水域、沙地、裸地、草地、人工表面、耕地6类土地利用类型。
1.1 样本选取
（1）点击主菜单ROI，打开【ROI Tool】对话框，在ROI Tool对话框中，点击创建新ROI按钮
，并设置ROI Name、ROI Color等。
（2）绘制感兴趣区：点击多边形按钮，在图像窗口中目视确定水域区域，单击鼠标左键绘制感兴趣区；当绘制结束时，双击鼠标左键完成一个感兴趣的绘制。重复此步骤，绘制多个水域类感兴趣区。
重复步骤（1）-（2），依次绘制沙地、裸地、草地、人工表面、耕地感兴趣区（图2.2）。
图2.1 设置感兴趣区属性
图2.2 选取分类样本
2.2 计算可分离性
计算ROI可分离性。点击【Options】/【Compute ROI Separability】，即可计算任意感兴趣区间的Jeffries - Matusita距离和转换分离度（图2.3）。可以看出，所有样本可分离度均大于0.85，无须重新选取样本，可进行下一步处理。
图2.3 可分离性
在ROI Tool对话框中，选择【File】/【Save As】,设置输出路径，将所有训练样本保存为外部文件(. xml)。
2.3 监督分类
（1）点击【Tool Box】/【Classification】/【Supervised Classification】/【Support Vector Machine Classification】。
（2）在打开的对话框中，选择要分类的图像：点击【Select Classes from Regions】后，单击【Select All Items】按钮，选择全部的训练样本，设置Output Rule Images为"Yes", 设置输出路径并命名为“tm2000815_class”，点击OK，执行监督分类。分类后的结果如图2.4所示。
图2.4 00年影像监督分类结果
2.4 分类后处理
点击【Toolbox】/【Classification】/【Post Classification】/【Clump Classes】，在打开的对话框中（图2.5），处理图层选择所有分类图层，点击确定后，即可得到分类后处理图像（图2.6）。
图2.5 分类后处理对话框
图2.6 分类后处理结果
2.5 绘制检验样本ROI
点击主菜单ROI，绘制检验样本ROI（图2.7）。
图2.7 绘制检验样本ROI
重复以上步骤，利用监督分类法进行2011年土地利用监督分类。
点击【Tool Box】/【Classification】/【Post Classification】/【Confusion Matrix Using Ground True ROIs】,选择Classification Input File为监督分类后的影像，并选择样本ROIs，将最终分类结果与地表真实感兴趣区相匹配，点击OK，即可得到分类结果与真实地物的混淆矩阵。
图2.8 2000年分类结果混淆矩阵
图2.8 2011年分类结果混淆矩阵
可以看出，2000年分类精度（Overall Accuracy）为94.36%，Kappa系数为0.915，2011年分类精度为84.847%，Kappa系数为0.811，精度在可接受范围内，可进行下一步处理。制作专题图层如图2.9所示。
（1）2000年土地利用类型图
（2）2011年土地利用类型图
图2.9 土地利用专题图层
图2.10 转置矩阵结果
3提取建筑用地空间变化
3.1 栅格转矢量
（1）提取建筑用地。打开ArcGIS，点击【Spatial Analyst Tools】/【条件分析】/【提取函数】，输入表达式“Value”=3（建筑用地value值为3），设置输出路径并命名为“post_class”（图3.1）。
图3.1 条件函数对话框
（2）栅格转面。点击【转换工具】/【由栅格转出】/【栅格转面】，输入栅格数据building_2000（图3.2），点击确定后得到2000年建筑用地矢量图。
图3.2 栅格转面对话框
（3）融合。为方便后续计算，将图像进行融合处理。点击【地图处理】/【融合】。输入转换为矢量数据的建筑物（图3.3），确定后即可得到融合后数据。
图3.3融合对话框
重复上述步骤处理2011年土地利用图像，得到结果如图3.4所示。
图3.4建筑物矢量图
3.2 计算面积
（1）分别在00_building和11_building中新建一个字段，右击该字段后点击【计算几何】，单位选择平方米。
图3.5计算各自建筑物面积
（2）相交。点击【地图处理】/【相交】，输入两期建筑物矢量图（图3.6）。
图3.6相交对话框
（3）擦除。点击【地图处理】/【擦除】，输入要素分别选择00和11年建筑物，擦除要素选择相交后的图层（图376）。
图3.7擦除对话框
（4）计算年平均变化面积。新建一个字段，【按属性选择】后点击【栅格计算器】，得到年平均变化面积字段（图3.8）。
图3.8 年平均变化面积
图3.9 建筑用地变化图