Google Earth在“3S”技術課程實習中的應用①

摘 要：“3S”技術的教學內容廣泛，涉及面廣，為了使學生能夠將所學的理論理解和掌握，在教師的指導下，學生在從Google Earth下載實習區(qū)的高精度影像的基礎上，通過對影像的拼接、注冊、信息提取和專題圖的制作，探討了該課程的實踐教學方法，以提高“3S”技術課程的教學質量。

關鍵詞：Google Earth “3S”技術 課程實習

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）07（a）-0153-02

“3S”技術是全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）三項技術的總稱，作為實時、客觀獲取空間信息的新興技術手段，遙感和全球定位系統(tǒng)成為地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)源，Google Earth（以下簡稱GE）軟件的出現(xiàn)，解決了目前高精度圖像難獲取、費用高的問題。Google Earth是美國Google公司于2005年6月推出的全球地理信息系統(tǒng)搜索軟件。它是一個免費的衛(wèi)星影像瀏覽軟件，以各種分辨率的衛(wèi)星影像為最基礎數(shù)據(jù)集成，采用了成熟的寬帶流技術，能實時地為用戶提供數(shù)據(jù)，GE上的全球地貌影像的有效分辨率至少為100 m，通常為30 m，針對大城市、著名風景區(qū)、建筑物區(qū)域提供分辨率為l m和0.6 m左右的高精度影像，并提供任意地點海拔數(shù)據(jù)，可生成三維視圖并能任意旋轉[1～2]。GE的出現(xiàn)吸引了大量的普通大眾，GIS的應用從專業(yè)化、學術化開始大規(guī)模走向普通大眾。在短短的5年時間里，基于GE的地理信息開發(fā)與應用研究在各行業(yè)展開，朱超平[3]探討了基于GE繪制校園平面圖的方法，劉家興[4]基于GE建立了野外實習基地數(shù)字化教學模型，李娟[5]探討了基于GE的旅游規(guī)劃技術，郭仲樸[6]概述了GE和GPS集合應用于林業(yè)調查，于冰[7]探討了以GE為平臺，構建三維GIS的方法等。

在高校，“3S”技術是一門代表科技前沿的實踐性極強的新興課程，為適應新世紀高科技的迅猛發(fā)展和滿足社會各行業(yè)、各部門對“3S”技術專門人才的需求，必須培養(yǎng)在校大學生具有在高科技領域工作的綜合能力。由于“3S”技術的教學內容廣泛，涉及面廣，國內外均沒有相應的專業(yè)教材作為參考，大多數(shù)教學單位使用的“3S”技術相關的教材，主要編寫于20世紀90年代初甚至更早，使其與相關領域日新月異的發(fā)展脫節(jié)[8]，在這樣的背景下，一種新的能夠在有限空間和有限時間里，培養(yǎng)學生趣味性、互動性、實踐性，利用現(xiàn)代化技術手段獲取知識和信息的教學模式亟需出現(xiàn)。本研究利用Google Earth獲取高精度地面遙感數(shù)據(jù)，通過遙感軟件對其進行校正，GIS對信息進行提取、加工，利用GPS進行野外調繪，使學生能夠理解所學的理論知識，而且能夠熟練運用到實踐中，通過實習學生可以掌握利用“3S”技術解決問題的方法。

1 遙感數(shù)據(jù)的獲取與處理

1.1 衛(wèi)片的下載

實習區(qū)域為新疆農業(yè)大學校園，首先需要獲取該區(qū)域的遙感影像。Google Earth以高分辨率衛(wèi)星影像和航片為基礎數(shù)據(jù)，能夠快速的確定主要位置，清晰的看到所指定的社區(qū)環(huán)境。在GE主界面左側的管理面板中點擊“Search/Fly To”標簽，直接輸入烏魯木齊市的英文名稱Urumqi，然后點擊“搜索”按鈕即可，然后根據(jù)方位與圖像特征找到研究區(qū)域（新疆農業(yè)大學）。

為了獲得高精度的衛(wèi)片，將衛(wèi)片盡量放大至地理要素的細節(jié)清晰可辨（空間分辨率1 m左右），當圖像下載進度達到100%時，點擊File菜單下的Save—Save Image即可保存顯示的圖片，共下載了108張衛(wèi)片。下載圖像時應注意該遙感圖像只有中間區(qū)域分辨率高，所以為了保證遙感圖像的高精度，保存圖像時應保留一定的重疊區(qū)域，而且移動視窗時要保持比例尺一致。

1.2 衛(wèi)片的拼接

由于GE中影像數(shù)據(jù)只經(jīng)過坐標系統(tǒng)的糾正，統(tǒng)一到虛擬地球中，影像的色彩和拼接沒有進行特別處理，沒有追求專業(yè)地理信息公司所要求的數(shù)據(jù)無縫集成[9]，因此，需要對下載的圖像進行旋轉、裁切、拼接等操作，這些工作可以利用Photoshop軟件來完成。

Photoshop是Adobe公司旗下最為出名的圖像處理軟件之一，集圖像掃描、編輯修改、圖像制作、圖像輸入與輸出于一體的圖形圖像處理軟件。專業(yè)遙感圖像處理軟件可進行影像的輻射增強、色彩處理和拼接等，但是處理過程復雜，成本太大。而Photoshop作為一種國際上通用的圖像處理工具，操作簡便，圖像處理工具比較齊全，工作效率和處理效果都不錯，因此，慢慢被遙感技術人員所推崇，在圖像數(shù)據(jù)輸入輸出、色彩調整、遙感影像糾正融合、鑲嵌和裁切、濾波和數(shù)字分析等方面使用廣泛[10]。

1.3 衛(wèi)片的注冊

地理信息系統(tǒng)軟件支持的是具有真實空間參考信息的地理要素和地理現(xiàn)象，而通過Photoshop軟件處理、拼接的遙感影像圖沒有這一信息，需要經(jīng)過專業(yè)遙感圖像處理軟件對其進行注冊，注冊方法有兩種。

方法一：利用Google Earth中的自帶工具，給研究區(qū)衛(wèi)片添加經(jīng)緯網(wǎng)格，設置與下載圖像的相同比例尺，在研究區(qū)搜索特征地物點，如道路的交叉點，噴泉的中心、國旗桿等、讀出鼠標所指處的經(jīng)緯度值，在ENVI軟件中，利用Registration→Image to Map功能進行影像的注冊。

方法二：在校園中找尋特征地物點，用GPS定位，記錄每個特征點的經(jīng)緯度，然后在ENVI軟件中進行影像的注冊。GPS定位時注意避開高大的建筑物，在開闊地上進行。

對遙感圖像進行注冊時，控制點的數(shù)量盡可能多，并且盡可能的分布均勻，以保證精度，最后把注冊好的影像存為JPEG或Geo TIFF柵格數(shù)據(jù)格式。

2 基于GIS的專題圖的制作

地理信息系統(tǒng)軟件普遍支持多種格式的柵格數(shù)據(jù)，在GIS軟件中打開已注冊的遙感影像。

2.1 遙感圖像的解譯和空間信息的提取

由于此遙感圖的分辨率較高，且接近于真彩色，學生對學校較熟悉，所以對圖像以目視解譯為主。首先對地物進行分類，可分為學生公寓，教學樓，家屬區(qū)，主要道路，學校餐廳等，然后沿地物的邊界進行數(shù)字化。

2.2 信息收集

指導學生有目的地收集各地理要素的相關信息，如：家屬樓的單元號、樓層數(shù)、建筑結構等信息；學生公寓的樓層數(shù)、入住人數(shù)；道路的名稱等。同時指導學生用數(shù)碼相機拍攝可以反映地物特征的照片，利用圖像編輯軟件將照片格式另存為GIF格式。

2.3 屬性數(shù)據(jù)的編輯

在GIS中，矢量圖形與屬性數(shù)據(jù)庫是一一對應的，在屬性數(shù)據(jù)庫中添加字段，將收集到的信息添加到屬性數(shù)據(jù)庫中。

部分GIS軟件支持多媒體信息的展示，如ArcGIS提供熱鏈接（hot link）功能。Hotlink先在屬性表中設置一個字段存放圖片等多媒體信息數(shù)據(jù)的地址，然后在theme→properties下設置hotlink的field等屬性，可以實現(xiàn)專題與照片對象的熱鏈接。一旦定義好熱鏈接之后，在地圖上點取一個要素符號，就立即會彈出進一步說明該要素的資料來。

2.4 專題地圖的制作

2.4.1 校園平面圖的制作

將圖層按照符號、線劃在上，面積色在下，最下層為底色的原則排列，根據(jù)圖層所反映的地物特點，定義每一個圖層的顯示樣式（邊框樣式、填充樣式、顏色樣式），利用label功能定義標注地物所用的字段，實現(xiàn)地物的自動標注，制成校園平面電子圖。

2.4.2 遙感專題圖的制作

將數(shù)字化的矢量圖形不顯示，僅對遙感圖上的要素進行文字標注，即形成校園遙感專題圖。

將電子圖進行必要的圖面設計與修飾，在GIS軟件的Layout中設定出圖比例尺即可打印輸出成紙質地圖。

3 GPS定位技術的應用

實習中，GPS技術的應用體現(xiàn)在兩點：第一，在注冊遙感圖像時使用GPS獲取地面控制點的坐標；第二，Google Earth所發(fā)布的影像一般不是最近期的，現(xiàn)勢性有些滯后，因此，需實地使用GPS測出地物的特征點，在GIS中進行增補。

4 結論

通過實習使學生能夠學會利用互聯(lián)網(wǎng)搜集遙感影像，并將其下載保存。掌握GPS的使用原理，使用方法。鞏固了遙感的基本原理，增強了目視解譯能力，鍛煉了遙感圖像處理軟件常用功能的操作和應用能力，掌握了地理信息系統(tǒng)軟件的使用和專題圖的制作方法。

該實驗作為一門綜合性設計性實驗，一方面充分調動了學生的學習興趣；另一方面也提高了學生的動手解決問題的能力，真正做到理論聯(lián)系實際，教學結合生產。這門實驗課在提高“3S”技術課程的教學質量的同時也深受學生的喜愛。

參考文獻

[1]王東，趙忠賢.Google Earth使用詳解[J].工程地質計算機應用，2006，41（1）：23-31.

[2]唐東躍，熊助國，王金麗.Google Earth及其應用展望[J].地理空間信息，2008，6（4）：110-113.

[3]朱超平，王海濱，周亮，等.如何利用Google Earth繪制校園平面圖——以湖北大學為例[J].湖北大學學報：自然科學版，2008，30（1）：93-96.

[4]劉家興，蔡砥，鄭芷青.基于Google Earth的“地理野外實習基地”數(shù)字化教學模型研究[J].廣州大學學報：自然科學版，2009，8（5）：41-45.

[5]李娟，郝志剛.基于Google Earth虛擬地球平臺的旅游規(guī)劃研究[J].國土資源遙感，2010，1：130-133.

[6]郭仲樸，王金枝，韓麗麗.Google Earth和GPS在林業(yè)調查中的應用[J].天津農林科技，2010，2：34-35.

[7]于冰，徐柱，劉國祥.Google Earth支持下校園真實感三維建模方法及應用[J].測繪工程，2010，19（1）：61-64.

[8]王功文，陳建平.“3S”技術課程在地球科學領域中的教學實踐探討[J].中國地質教育，2007（1）：54-56.

[9]李黎，胡曉波，李劍.Google Earth面面觀[J].中國測繪，2006（1）：64-67.

[10]劉偉華，黃健.利用Photoshop進行遙感影像的色彩處理[C]//2005數(shù)字江蘇論壇——電子政務與地理信息技術論文專輯.2005：206-208.