用于在土地覆盖转换上进行远程感知的WEBGIS框架外文翻译资料

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用于在土地覆盖转换上进行远程感知的WEBGIS框架

Grazia Caradonna1, Antonio Novelli1, Eufemia Tarantino1,

Raffaela Cefalo2, Umberto Fratino1

1DICATECh, Politechnic of Bari, Via Orabona 4, 70125, BARI, Italy

2GeoSNavLab, University of Trieste, p.le Europa 1, 34127, TRIESTE, Italy

摘要

地中海地区在过去几十年里经历了严重的土壤退化。在这方面，利用卫星数据进行仔细的土地观测对于了解自然资源的长期使用模式和促进其可持续的管理以监测和评价潜在的退化是至关重要的。考虑到这个问题的环境和政治利益，迫切需要一个集中的存储库和机制来共享地理空间数据、信息和土地变化的地图。地理空间数据收集是许多用户最重要的任务之一，因为在访问和使用数据方面存在着巨大的障碍。通过将现有的免费和开放源码软件结合到地理信息系统(FOSS4G)实现WebGIS，可以克服这个限制。

本文初步探讨了采集光栅数据的方法。

通过处理开放的多时间和多尺度卫星数据，以获取土地退化现象的指标(即土地覆盖/土地利用分析、植被指数、趋势分析等)。然后，我们描述了一种设计WebGIS框架的方法，以便通过地图来传播信息。在POSTGIS数据库和OpenLayers库的帮助下，扩展了WebGIS的基本功能。Geoserver通过定制来建立和增强网站功能，使用PostgreSQL和创新工具开发各种高级查询，以高效地进行多层叠加分析。最终产品是一个简单的系统，它不仅提供了交互式咨询的机会，而且还可以下载经过处理的遥感数据。

关键词：WebGIS，卫星数据，LU/LC，植被分析。

1. 介绍

荒漠化是由于人为活动和气候变化(Varghese amp; Singh, 2016)所导致的旱地生态系统的持续退化。联合国环境与发展会议(环发会议)通过的《21世纪议程》将荒漠化定义为“干旱、半干旱和干燥的半湿润地区的土地退化，由各种因素造成，包括气候变化和人类活动”(Sombroek amp; Sene, 1993)。然而，很难区分主要原因(Meyer amp; Turner,1992)。现在，这种现象被认为是21世纪的一个主要的环境问题(Bank, 2003)，因为它降低了涉及生态和经济过程的土壤肥力，这是不同地理尺度下的环境特征。

世界各地开发了几个项目来研究和评价沙漠化。在欧洲委员会资助的项目中，MEDALUS项目(地中海沙漠化和土地利用)确定了环境敏感的区域(ESAs) (Brandt amp; Thornes, 1996;Kosmas, Kirkby, amp; Geeson, 1999)。意大利和西班牙、葡萄牙和希腊是欧洲最受此现象影响的国家，主要分布在南部地区的一些沿海地区(普利亚、巴西利卡塔、卡拉布里亚)，以及主要岛屿(西西里岛和撒丁岛)(科斯卡雷利，卡洛伊罗，米尔维诺，索里索瓦尔沃， 2015)。土地利用和植被动力学分析表明，它是对环境资源可持续管理的正确解释的关键要素(Sepehr, Hassanli, Ekhtesasi, amp; Jamali, 2007)。

根据几项研究，遥感可以帮助生成评估植被覆盖分布所需的大量信息(Harris, Carr, amp; Dash, 2014;Im et al .,2012;Muthumanickam et al., 2011)，干旱和半干旱环境监测的景观退化(Chen， Sakai, Moriya, Koyama,amp; Cao, 2013)和沙漠化评估的环境变化(Lam, Remmel, amp; Drezner, 2010;韦尔斯,博克,维森,和Rossner, 2004)。通过GIS平台上的多期卫星图像(Liu, Gao, amp; Yang, 2003)对荒漠化严重性地图的解读，可以通过持续观察，准确地评估趋势分析，从而支持该问题的预测和管理(Han, Zhang, Zhang, amp; Wan, 2015)。

通过植被指数分析，即归一化植被指数(NDVI)和土地覆盖/土地利用(LULC)地图解释，对植被损失的评估，是量化荒漠化的最佳方法。归一化植被指数是最常用的植被指数(Tucker, 1979)，用于绘制植被的时空变化(Lamchin et al., 2016)。它在-1到 1的范围内变化，它是由许多不同空间和时间分辨率的卫星数据集提供的。仅NDVI不能反映干旱或非干旱情况;它证明了其在监测荒漠化过程中与环境分析有关的有效性。

土地利用/土地覆盖图对于进一步了解土地变化机制和模拟不同尺度环境和相关生态系统变化的影响是必不可少的(Turner,1995)。可以使用几种方法生成LULC映射，但是其中一些方法非常昂贵，而且通常不方便映射大型区域。人工神经网络(ANNs)作为一般的模式识别系统，对输入数据没有预先的统计模型，因此它们是一种很好的改变方法。在没有地面参考资料的情况下，对历史卫星图像进行检测分析(Kavzoglu amp; Mather, 2003;)。

然而，利用卫星数据来解释沙漠化现象的重大障碍仍然存在，这主要是由于访问和处理数据方面的困难。

互联网已经变得越来越容易获得，因此技术人员在过去几年里寻找数据和信息的方式发生了巨大的变化(Chang amp; Caneday, 2012)。在互联网应用中，基于web的空间数据服务(WebGIS)开辟了新一代的信息通道。WebGIS具有共享数据的潜力，为有限地理信息系统的用户提供方便的访问(Soto-Garcia, delor - amor - saavedra, Martin-Gorriz, amp; Martinez-Alvarez, 2013)，并收集特定主题的数据和信息，支持知情决策(Mathiyalagan, Grunwald, Reddy, amp; Bloom, 2005) (Orellana , Del Sagrado amp; Del AGuila, 2011)。自由开源软件(FOSS)是一个程序，它的许可给用户自由运行和修改程序的任何目的。GIS-related的自由/开源软件的全面列表可以在http：//opensourcegis.org上找到。根据Wheeler (1)， FOSS的可靠性、性能、可伸缩性、安全性和总体拥有成本至少与它的专有竞争对手一样好或更好，在某些情况下，它们是优于私有竞争对手的优越选择。

本研究的重点是开发一种WebGIS，以协助决策者监测基于遥感和矢量数据集的土地覆盖变化。该系统不仅可以帮助用户在种植季节对植被状况进行全面的研究，还可以对干旱等恶劣条件提出警告。利用MLP前馈神经网络方法处理多时间的LANDSAT卫星图像，并将其描述为两个研究区域，分别为Foggia和Taranto(意大利Apulia地区)。选择高时间分辨率卫星数据(即SPOT VGT S10 NDVI)来填充WebGIS档案，以便更好地解释植被状况和土地覆盖转换(Perovicn , 2016 ; Sharma amp; Mishra,2012)。使用PostgreSQL和PostGIS作为地理扩展来建立数据库。该系统是使用一套自由和开源软件(FOSS)设计的，它完成了所有的实现需求，包括地理信息系统(GIS)软件、Apache和Geoserver作为web服务器和Mapfish框架，其中有两个在客户端组件Openlayers和ExtJS。

1. 数据和方法

三个不同的免费网上数据集：陆地卫星5号拍摄场景，VGT NDVI（时间序列为1999 - 2013年期间）和阿普利亚区的技术制图。

选定研究区域是阿普利亚地区(意大利南部)(Fig.1)。特别是，归一化植被指数(NDVI)地图显示了整个地区，而LULC地图产生了两个特定领域：塔兰托省和加尔地区。阿普利亚是最东部地区的意大利，俯瞰着亚得里亚海和爱奥尼亚海。香港主要是平面和希尔。最大的领土的一部分(81.4%)用于农业，林业和半自然区域覆盖大约13.3%的地区(Zalidis,Stamatiadis , Takavakoglou , Eskridge , Misopolinos 2002; Montanarella , 2000)。水体覆盖约1.2%，在包括自然湖泊和人工湿地在内的土地上，（Todorovic, amp; trisorio liu zzi , 2012)。该遗址的特点是地中海具有强烈的内变性和显著的年际变化的异型季节实施。平均而言，降雨在这一年里的分布相当不稳定。

即使在过去的几十年里，极端的降雨事件已经变得越来越频繁，但在10 - 3月份，最小值为600毫米。LANDSAT数据是从USGS网站下载的(http：//www.usgs.gov)。美国地质勘探局 1级地形校正 (L1T)。在WGS84 - UTM平面坐标(Tarantino, Novelli , quilino , Figorito , amp; Fratino , 2015年)中，L1T数据在GeoTiff 格式中可用。)。一级处理包括无线电公制测量、系统的几何校正、精密校正和由于局部地形起伏而使用的数字视差校正 (Figorito , Mancini， Novelli , amp; Tarantino , 2014)。

图1 研究区域

Tab. 1. Landsat 5-TM场景在塔兰托省LULC地图中的应用