Understanding GIS

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出版者:
作者:Harder, Christian; Ormsby, Tim; Balstrom, Thomas
出品人:
页数:362
译者:
出版时间:
价格:0
装帧:
isbn号码:9781589483460
丛书系列:
图书标签:
  • 软件
  • 地理信息系统
  • GIS
  • 地理信息系统
  • 空间分析
  • 地图学
  • 遥感
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  • 地理技术
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具体描述

《遥感影像判读与应用实战》 本书聚焦于遥感技术在实际问题解决中的应用,深入剖析了多源遥感影像的获取、预处理、特征提取及在不同行业中的实战案例。 --- 第一部分:遥感影像基础与数据源解析(约 350 字) 本部分旨在为读者构建坚实的遥感理论基础,并详细介绍当前主流的遥感数据获取平台与传感器特性。 第一章:遥感概论与电磁波谱基础 遥感作为一门跨学科技术,其核心在于非接触式地获取地物信息。本章首先界定了遥感学的基本概念、发展历程及其在现代信息获取体系中的地位。重点阐述了电磁波谱(EM Spectrum)的构成,并着重分析了可见光、近红外、短波红外及热红外波段对地物反射和辐射特性的影响机制。深入探讨了“光谱曲线”的概念,解释了植被、水体、土壤等典型地物在不同波段的特征响应差异,为后续的影像判读奠定理论基础。此外,简要介绍了被动遥感与主动遥感(如雷达)的工作原理区别。 第二章:主流遥感数据源与传感器技术 全球遥感数据空前丰富,本章系统梳理了当前最常用和最具战略意义的遥感数据源。从光学遥感的角度,详细对比了高分辨率卫星(如 WorldView 系列、Pléiades)的成像特点、空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率。对中低分辨率遥感器(如 Landsat、Sentinel-2)的波段设置和数据获取策略进行了深入分析,强调了其在区域监测中的不可替代性。 同时,本部分投入大量篇幅讲解合成孔径雷达(SAR)的工作原理,解释了后向散射、几何畸变(如叠掩、阴影)的成因,并介绍了 Sentinel-1 和 TerraSAR-X 等主流雷达数据的使用规范。对于无人机(UAS)遥感,本书详细介绍了倾斜摄影测量与多光谱/高光谱载荷的集成技术,探讨了其在小尺度高精度监测中的优势与挑战。 第三章:影像几何与辐射预处理流程 原始遥感数据无法直接用于精确分析,必须经过严格的预处理。本章细致讲解了预处理的两个关键环节: 1. 辐射定标与校正: 解释了数字量(DN)到地表反射率或辐射亮度的转换过程,讨论了大气效应(如瑞利散射、米氏散射)对影像质量的影响,并介绍了常用的辐射校正模型(如 FLAASH/ATCOR 模型的原理框架)。 2. 几何校正与配准: 阐述了传感器畸变、地形起伏和大气折射等因素引起的几何误差。详细介绍了基于控制点(GCP)的几何精校正方法和数字高程模型(DEM)辅助的系统几何纠正技术,确保不同时相或不同传感器数据的空间一致性。 --- 第二部分:核心判读技术与特征提取(约 600 字) 本部分是全书的重点,侧重于如何从预处理后的影像中提取有价值的信息,涵盖了从人工目视解译到自动化特征提取的全过程。 第四章:目视判读的要素与技巧 尽管自动化技术飞速发展,但人类经验在复杂环境下的判读仍不可或缺。本章系统阐述了目视解译的五大要素:色度(Tone/Color)、形状(Shape)、大小(Size)、纹理(Texture)和阴影(Shadow)。通过大量实例图谱,展示了如何利用这些要素区分地物类型,例如区分人造地物与自然地物,辨识不同类型的植被健康状况。特别强调了多光谱影像(彩色合成)与假彩色合成(如标准植被假彩色图)的选择逻辑及其在解译中的优势。 第五章:基于光谱特征的定量分析 定量分析是实现自动化信息提取的基石。本章深入探讨了地物光谱特征的数学表达。 1. 植被指数(VI)的构建与应用: 详细推导并应用了归一化植被指数(NDVI)、增强型植被指数(EVI)等经典指数,并扩展到水分指数(NDWI)、热力指数(LST)等,分析了不同指数在反映植被生物物理参数(如叶面积指数LAI、叶绿素含量)时的敏感性和局限性。 2. 阈值分割与面向对象分类(OBIA)初探: 首先介绍了如何通过直方图分析确定最优阈值进行二值化分割(如水体提取)。随后,引入了面向对象分类(OBIA)的概念,解释了影像分割(Segmentation)的原理,以及如何结合光谱、空间和上下文信息进行更精确的分类,区别于传统的基于像素的分类方法。 第六章:雷达影像(SAR)的特殊判读 SAR数据因其全天时、全天候的特性,在监测方面具有独特优势。本章专门讲解了如何“阅读”雷达影像: 1. 后向散射强度判读: 解释了表面粗糙度、介电常数(与含水量相关)和几何结构如何影响VV、VH极化通道的后向散射强度。例如,光滑水面通常表现为极低的后向散射(黑色),而城市建筑群则因“角反射”效应显示极高亮度。 2. 干涉测量(InSAR)原理简介: 简要介绍了InSAR用于形变监测(如地表沉降、火山形变)的基本流程,包括差分干涉图的生成和相位解缠,使读者了解如何从雷达相干性中提取亚毫米级的地表位移信息。 第七章:高光谱数据处理与分类进阶 对于高光谱影像,其数百个连续波段提供了丰富的光谱维度信息。本章聚焦于如何有效处理这类“数据立方体”。 1. 波段选择与维度约简: 探讨了主成分分析(PCA)、最小噪声分量(MNF)变换等方法,用于降低高维数据的冗余性并增强信噪比。 2. 光谱匹配与目标识别: 详细介绍了像元级混合与子像元分析技术。核心讲解了光谱角制图(SAM)和端元提取技术,用于精确识别影像中特定矿物、污染物或特定农作物的光谱信号,实现精准的目标识别而非粗略的类别划分。 --- 第三部分:行业应用与案例实战(约 550 字) 本部分将理论与技术应用于实际业务场景,通过具体的案例研究,展示遥感数据在不同领域的实战价值。 第八章:城市规划与基础设施监测 在城市环境中,遥感数据用于宏观的土地覆盖变化监测和精细的基础设施健康评估。本章探讨了: 1. 城市扩张与不透水层分析: 利用中高分辨率影像结合面向对象方法,精确提取建筑物、道路等不透水表面,评估城市热岛效应和雨洪风险。 2. 基础设施形变监测: 结合 InSAR 技术,对大跨度桥梁、水坝或地下管线施工区域的地表沉降进行长期、大范围的自动化监测,提前预警潜在风险。 3. 城市绿地健康评估: 采用高光谱数据或无人机多光谱数据,监测城市公园和行道树的叶绿素含量和水分胁迫情况,为城市生态管理提供依据。 第九章:农业遥感与精准作业 农业遥感是实现精细化管理的关键技术。本章侧重于可操作性的农情监测: 1. 作物长势监测与产量预测: 利用多源数据(如 Sentinel-2 的时间序列),构建作物生长曲线,结合气象数据和生物物理模型,实现区域尺度的早期产量预估。 2. 水肥管理分区: 基于 NDVI、NDWI 等指数图,结合土壤图层,进行农田的变率区划分,指导变量施肥和灌溉设备的精准作业,实现投入品的最优化配置。 3. 病虫害早期识别: 探讨了利用高光谱影像捕捉植株光合作用效率下降带来的早期光谱变化,实现病虫害的早期预警与定位,指导局部喷洒,减少农药使用。 第十章:环境灾害评估与应急响应 遥感在灾害发生后快速提供信息支持,是应急管理的重要工具。 1. 水体/洪水淹没监测: 重点介绍如何快速处理和解译光学影像(水体对可见光吸收强)和 SAR 影像(水面为镜面反射,后向散射弱)数据,快速生成大范围淹没范围图,并结合 GIS 进行损失评估。 2. 火情监测与火后评估: 利用热红外波段监测燃烧前沿和残余热点(Hotspot Detection)。火后评估则侧重于分析植被烧毁程度指数(NBR)的变化,评估生态系统受损等级和恢复潜力。 3. 滑坡与地质灾害监测: 结合历史影像和最新获取的 InSAR 数据,分析地表形变速率的变化,识别潜在的潜在失稳区域,并利用高分辨率影像解译滑坡的边界和地貌特征。 第十一章:林业资源管理与生态遥感 本书最后一部分探讨了遥感在森林清查和生态系统健康评估中的深度应用。 1. 森林冠层结构参数反演: 介绍如何利用激光雷达(LiDAR)点云数据,精确提取树高、冠层高度模型(CHM)和郁闭度,实现三维森林资源的立体调查。 2. 物种识别与生物量估算: 探讨了利用高光谱影像结合机器学习分类器,实现特定优势树种的识别。同时,结合 LiDAR 的回波特征,估算森林生物量,服务于碳汇监测和森林碳储量核算。 --- 结语 《遥感影像判读与应用实战》致力于提供一套从基础理论到前沿技术的完整知识体系。本书强调数据源的辨识能力、处理流程的规范性以及结果的行业适用性,旨在培养读者将遥感技术作为解决复杂地理空间问题核心工具的实践能力。通过对多源数据的综合应用和案例的深入剖析,读者将能独立完成高精度的遥感信息提取与分析任务。

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对于GIS软件的应用,这本书提供了一个非常扎实的入门指导,并且侧重于理解软件背后所蕴含的逻辑,而非单纯的“点这里”、“按那里”的操作指南。作者在介绍主流GIS软件的界面布局、基本操作流程时,都循序渐进,逻辑清晰。他没有上来就抛出大量的菜单和工具栏,而是先从最核心的“加载数据”、“查看地图”、“选择要素”等基本功能入手,让我逐步熟悉软件的操作环境。更重要的是,他会在讲解每一个软件功能时,都会将其与前面所学的GIS原理和分析方法联系起来,让我明白这个工具的实际作用是什么,它能解决什么样的问题。例如,在讲解“空间查询”工具时,他会回顾前面关于属性查询和空间查询的理论,然后演示如何在软件中精确地执行这些操作。这种“理论与实践并重”的教学方式,让我感到学习过程非常充实,不仅掌握了操作技巧,更深化了对GIS概念的理解。

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书中对GIS技术原理的讲解,可谓是深入浅出,将那些原本可能令人望而生畏的专业术语,通过精炼的语言和清晰的逻辑,变得易于理解。作者在介绍空间数据模型时,没有仅仅罗列那些枯燥的定义,而是通过大量的图示和实例,向我展示了矢量和栅格模型是如何分别捕捉和表达地理现象的。比如,在解释矢量模型时,他细致地剖析了点、线、面这三种基本几何对象的属性是如何与现实世界中的河流、道路、城市边界等一一对应的,并且通过交互式的图例,让我直观地理解了拓扑关系在空间分析中的重要性,例如邻接、包含、相交等等。接着,他又巧妙地过渡到栅格模型,用网格化的地球表面来比喻,解释了每个单元格如何存储数值信息,从而表示高程、温度、土地覆盖等连续性或离散性的地理要素。作者在讲解过程中,没有回避复杂性,但他的处理方式是分解,是将一个大的、复杂的概念,拆解成若干个小的、易于掌握的部分,然后有条不紊地逐个讲解,再将它们重新组合起来,形成一个完整的知识体系。这种方法让我感觉,学习GIS并非遥不可及,而是可以通过系统性的学习逐步攻克的。

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这本书在“数据质量”和“误差管理”方面所花费的笔墨,对于任何一位严肃的GIS从业者或学习者来说,都是极其宝贵的。作者没有回避GIS数据中普遍存在的“脏”和“不准确”的问题,而是将其置于一个非常重要的位置进行探讨。他详细地分析了数据来源、采集方式、处理过程等都可能引入的误差,例如定位精度不够、属性信息错误、拓扑关系不一致等等。更重要的是,他不仅仅是指出问题的存在,而是提出了切实可行的解决方案和方法论。例如,在讲解数据质量评估时,他介绍了各种常用的质量指标,如精度、完整性、一致性等,并演示了如何利用GIS工具进行数据清洗和纠错。他还强调了“元数据”的重要性,即关于数据的“数据”,它能够帮助用户了解数据的来源、属性、质量状况,从而做出更明智的数据使用决策。这种对细节的关注和对严谨性的强调,让我明白,GIS的强大之处不仅在于分析工具,更在于支撑这些分析的可靠数据。

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这本书的封面设计相当吸引人,简洁却不失专业感,那标志性的GIS符号被巧妙地融入其中,仿佛在预示着一场探索地理信息系统奥秘的旅程即将展开。当我翻开第一页,便被作者深邃的开场白所吸引,他没有直接切入技术细节,而是娓娓道来GIS的历史渊源、发展脉络及其在现实世界中扮演的重要角色。这种宏观的视角,让我立刻感受到作者的良苦用心,他明白,对于初学者而言,理解“是什么”和“为什么”比直接掌握“怎么做”更为重要。他用生动形象的比喻,将抽象的概念变得触手可及,比如将GIS比作一个强大的“数字地球”,能够帮助我们观察、理解和改变我们生活的世界。书中对GIS应用案例的描绘更是令人振奋,从城市规划、环境保护到灾害预警、资源管理,每一个案例都展现了GIS的无穷潜力,让我对这项技术产生了浓厚的兴趣和学习的动力。作者在叙述过程中,始终保持着一种循序渐进的节奏,不会让初学者感到 overwhelming,而是逐步引导读者进入GIS的奇妙世界。他对每一个概念的解释都力求清晰、准确,并且总是辅以恰当的图示,这对于我这样视觉型学习者来说,简直是福音。阅读这本书,我感觉自己不再是被动地接收信息,而是主动地参与到一场知识的构建过程中。

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本书对于GIS的未来发展趋势和前沿领域的探讨,为我打开了新的视野。作者在结尾部分,并没有草草收尾,而是对GIS在人工智能、大数据、物联网等新兴技术浪潮中的融合与应用进行了前瞻性的展望。他深入浅出地解释了地理人工智能(GeoAI)如何赋能更智能的空间分析,比如利用机器学习模型进行更精准的土地利用分类、地物识别,甚至预测城市交通拥堵。他还谈到了大数据如何为GIS提供前所未有的海量数据源,使得城市规划、环境监测等方面的分析能够更加精细化和实时化。物联网技术的兴起,更是让GIS从静态的地图信息扩展到了动态的实时感知,地理位置信息与传感器数据相结合,能够实现更广泛的智慧应用。这种对未来的深刻洞察,让我意识到GIS并非一门停滞不前的学科,而是在不断演进,并且与时俱进,与各种前沿技术擦出火花,这极大地激发了我进一步深入学习和探索的兴趣。

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阅读完这本书,我最大的感受是,它不仅仅是一本关于GIS技术的教科书,更是一本关于如何用地理的视角去观察、去理解、去解决世界问题的指南。作者的写作风格热情而富有启发性,他将复杂的科学概念用清晰易懂的语言表达出来,同时又不失专业性。他似乎是一位经验丰富的向导,带领我穿梭于GIS的宏大世界,从基础概念到高级应用,从技术原理到伦理思考,每一个环节都安排得恰到好处,让我能够循序渐进地掌握知识。书中精美的插图和清晰的图表,为我的学习过程提供了极大的便利,让我能够直观地理解抽象的概念,并牢固地记忆关键信息。更难能可贵的是,作者在书中处处流露出对GIS领域的热情和对未来发展的深刻洞察,这不仅点燃了我学习的热情,更让我对接下来的GIS学习之路充满了期待。这本书给我最深刻的印象是,它让我看到了GIS的强大力量,以及它在改变我们生活、塑造更美好未来方面所能扮演的重要角色。

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在数据处理与分析的部分,作者展现了他高超的教学技巧。他并非简单地列举各种分析工具和功能,而是将它们置于实际问题的解决情境中。例如,在讲解缓冲区分析时,他没有停留在“创建一个围绕某个要素的一定距离的区域”这样一个机械的定义上,而是引导我思考:如果我们要为保护水源地划定一个禁区,或者要评估某个区域内学校的服务范围,缓冲区分析是如何派上用场的。他详细地阐述了如何设置缓冲区的大小、如何处理不同类型的几何对象,以及如何利用缓冲区分析的结果进行进一步的叠加分析,比如找出与缓冲区重叠的土地利用类型,从而评估潜在的环境影响。此外,他对空间查询、空间连接、叠加分析等核心分析方法都有详尽的阐述,每一个都配有清晰的步骤说明和直观的图示。我尤其欣赏作者在讲解时,常常会提前预设读者可能遇到的问题,并主动给出解答,这种“站在读者角度”的写作方式,极大地减少了我的学习障碍。

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作者在讲解GIS伦理和社会影响的部分,展现了他超越技术本身的深度思考。他不仅仅满足于介绍技术如何运作,更关注技术对社会、对人类生活可能带来的影响。他探讨了地理空间数据的隐私问题,例如个人位置信息的收集和使用,以及如何在保障个人隐私的前提下,充分发挥地理空间数据的价值。他还讨论了GIS在社会公平和正义方面的角色,比如如何利用GIS技术来识别和解决环境污染、社会服务分布不均等问题,同时也警惕GIS技术被滥用,可能加剧社会不平等。他对“数字鸿沟”的讨论也颇具启发性,他指出,并非所有人都能平等地接触和使用GIS技术,这可能导致信息不对称,进而影响决策的公正性。这种对技术伦理和社会责任的深刻反思,让我认识到,作为一名GIS学习者,不仅要掌握技术,更要具备批判性思维,思考技术如何被更好地服务于人类社会。

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本书在地图制作与可视化方面的章节,让我深刻体会到“数据会说话”的真谛。作者不仅仅是在介绍如何绘制地图,更是在传授如何通过地图来有效地传达信息、揭示规律。他详细地介绍了地图的构成要素,从比例尺、指北针到图例、标注,每一个细节都经过深思熟虑,旨在提升地图的可读性和专业性。让我印象深刻的是,他不仅讲解了静态地图的制作技巧,还重点探讨了动态地图和交互式地图的潜力,例如如何通过时间序列数据制作动画地图来展示城市发展、气候变化等动态过程,以及如何利用Web GIS技术创建交互式地图,允许用户自行缩放、漫游、查询信息,甚至进行简单的空间分析。这种对地图表现力的极致追求,让我认识到,一张好的地图不仅仅是地理信息的载体,更是一种强大的沟通工具,它能够将复杂的数据转化为易于理解的视觉叙事,从而引发读者的思考和共鸣。

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这本书在案例研究的设计上,可谓是匠心独运。作者并非简单地罗列一些现成的研究案例,而是将每一个案例都构建成一个完整的“问题-方法-解决方案”的叙事流程。他首先会清晰地阐述一个现实世界中面临的挑战,比如在一个快速发展的城市,如何优化公共交通网络的布局以缓解交通拥堵,或者在一个面临洪涝灾害的区域,如何识别高风险区域并制定有效的防灾减灾预案。接着,他会详细地介绍解决这个问题所需要用到的一系列GIS技术和工具,包括数据收集、预处理、空间分析、地图可视化等各个环节。他会将前面学到的理论知识,巧妙地融入到案例的解决过程中,让我能够看到知识是如何被实际应用,从而解决现实世界的问题。更重要的是,他会引导读者思考,为什么选择这样的方法,有没有其他可能的解决方案,以及这个解决方案的优缺点是什么。这种“寓教于例”的方式,不仅加深了我对GIS技术的理解,更培养了我独立分析和解决问题的能力。

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