“3S”技術在地理國情監(jiān)測中的應用

□ 吳 帆楊俊艷

（1.臨汾市測繪院，山西臨汾041000；2.太原市基礎地理數(shù)據(jù)中心，山西太原030009）

“3S”技術在地理國情監(jiān)測中的應用

□ 吳 帆1楊俊艷2

（1.臨汾市測繪院，山西臨汾041000；2.太原市基礎地理數(shù)據(jù)中心，山西太原030009）

地理國情監(jiān)測是一項復雜的系統(tǒng)工程，“3S”技術綜合集成應用在地理國情普查中有著重要的基礎和技術支撐作用。本文主要闡述了“3S”技術在地理國情監(jiān)測中的外業(yè)核查、數(shù)據(jù)獲取、信息處理挖掘分析和信息發(fā)布共享等方面的應用。

地理國情監(jiān)測；“3S”技術

1.引言

國情信息是國家編制國民經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，確定社會經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略部署和重大方針政策的基礎[1]，而地理國情作為國情體系的有機組成部分，是提高國家宏觀調(diào)控科學性、進行科學管理決策的需要。我國地域廣闊，地理要素和地表覆蓋等信息都比較復雜，而且，社會、經(jīng)濟發(fā)展迅速，地表的地理信息變化頻繁，對開展地理國情監(jiān)測有著迫切的需求。而將遙感、地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星導航定位集成的“3S”技術作為一項新的測繪技術，與地理國情監(jiān)測的實施有著密切的關系，它可以在地理國情監(jiān)測中的許多環(huán)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。

2.地理國情概述

地理國情監(jiān)測，是綜合利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、航空航天遙感技術、地理信息系統(tǒng)技術等現(xiàn)代測繪地理信息技術，利用各時期測繪成果檔案，對自然、人文等地理要素進行動態(tài)和定量化、空間化的監(jiān)測，并統(tǒng)計分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢等，形成反映各類資源、環(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟要素的空間分布及其發(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖件和研究報告等，從地理空間的角度客觀、綜合展示國情國力[2]。

地理國情是從空間角度對構成國家社會經(jīng)濟、自然資源和人類居住環(huán)境的各種地理要素的基本情況的反映，其主要內(nèi)容包括地球表面及其上下一定范圍內(nèi)的各種自然經(jīng)濟綜合要素，以及這些要素的特征、空間變化及其相互關系[3]。地理國情監(jiān)測獲取的地形地貌狀態(tài)、土地覆蓋情況、交通狀況、污染物分布、能源資源分布等基本信息，可以為相關的研究分析、統(tǒng)計決策、災害防治與治理等提供基礎的定量化的資料；地理國情監(jiān)測通過動態(tài)的統(tǒng)計地理國情的監(jiān)測信息、分析地理信息變化情況與相關的要素之間的相互關系，可以為政府決策提供科學依據(jù)，監(jiān)控、評價如土地利用規(guī)劃、宏觀調(diào)控等政策的實施效果，從而調(diào)整完善規(guī)劃結構的布局；用地理要素、資源能源分布、交通狀況等地理國情信息作為數(shù)據(jù)基底，通過整合、集成各類經(jīng)濟社會信息，可以揭示地理條件和經(jīng)濟社會發(fā)展之間的內(nèi)在關系，并能夠以量化的地理信息預先判斷其發(fā)展趨勢，提升管理決策的科學化水平。

3.“3S”技術概述

“3S”技術是遙感技術（Remote sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography information systems，GIS）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）的統(tǒng)稱?！?S”技術是空間技術、傳感器技術、衛(wèi)星定位與導航技術和計算機技術、通訊技術相結合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現(xiàn)代信息技術[4]。

3.1 遙感技術

遙感技術（RS）是指通過衛(wèi)星、飛機、汽車等各類平臺搭載傳感器接受地物的電磁波譜信息，然后對此傳輸、處理，從而實現(xiàn)對地物遠距離的觀測和識別的技術。遙感技術最大的特點是獲得資料的周期短、現(xiàn)實性強、客觀真實，既可以在較短時間內(nèi)獲得新的現(xiàn)勢性強的地面影像數(shù)據(jù)，又可以獲取長期穩(wěn)定的各種分辨率的影像資料，可以為相關的項目和應用提供現(xiàn)勢性強的基礎資料，而日益完善的遙感影像計算機解譯技術，也能更有效地協(xié)助調(diào)繪者在室內(nèi)進行目視解譯，幫助他們提高影像判讀準確率和解譯成果精度，從而減少外業(yè)調(diào)查工作，提高相關調(diào)查工作效率和增強調(diào)查成果的現(xiàn)勢性。

3.2 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GIS）可以看成一個專門存儲、管理、處理地理信息的計算機系統(tǒng)，一般由計算機、地理信息系統(tǒng)軟件、與地理信息結合的空間數(shù)據(jù)庫、地理信息分析應用模型、圖形用戶界面及專業(yè)人員組成。首先，GIS可以將地理信息按需求做分層、分類的管理；其次，GIS可以將原始分層分類數(shù)據(jù)經(jīng)過各種組再組合等進行分析、再分析；第三，GIS還能查詢、檢索、修改、輸出、更新地理信息。第四、地理信息系統(tǒng)還有一個特殊的“可視化”功能，通過地理信息系統(tǒng)可以將實體地理要素數(shù)字化，并將數(shù)字化的地理信息重新直觀地顯示到電腦屏幕上，通過這種原理還可以在屏幕上動態(tài)地監(jiān)測地理信息的變化，成為信息變化監(jiān)測的可視化工具，清晰直觀地表現(xiàn)出信息的規(guī)律和分析結果。

總之，地理信息系統(tǒng)可以系統(tǒng)完善地管理、存儲、更新地理信息數(shù)據(jù)，并有強大的地理數(shù)據(jù)編輯和處理功能，能根據(jù)需求結合屬性數(shù)據(jù)對地理信息數(shù)據(jù)分析和檢索，而且可以將地理信息數(shù)字化，并直觀地顯示和輸出。在資源調(diào)查、土地規(guī)劃及土地利用適應性評價、生態(tài)監(jiān)測評價及規(guī)劃、地理數(shù)據(jù)庫建設與管理、災害監(jiān)測與預報等方面的地理信息系統(tǒng)技術已得到廣泛的應用。

3.3 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），泛指包括全球的、區(qū)域的和增強的等所有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，主要包括四大全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)和其他區(qū)域的導航、增強系統(tǒng)，具體有美國的GPS和以GPS為基礎建設的廣域差分系統(tǒng)（WAAS）和區(qū)域差分系統(tǒng)（LASS）、俄羅斯的GLONASS和GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星導航增強系統(tǒng)——差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)（SDCM）、歐洲的Galileo和通過增強GPS和GLONASS兩個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度的歐洲靜地導航重疊系統(tǒng)（EGNOS）、中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（COMPASS），日本的多功能運輸衛(wèi)星增強系統(tǒng)（MSAS）和準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）、印度的印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）等。國際GNSS系統(tǒng)是個多系統(tǒng)、多層面、多模式的復雜組合系統(tǒng)。GNSS具有以下特點：（1）全天候、全覆蓋、高精度；（2）多系統(tǒng)兼容互用可交換，L1+L5；（3）多層次增強，由基于全球定位導航系統(tǒng)到基于區(qū)域、本地的增強系統(tǒng)；（4）多手段的集成；（5）多功能應用，包括定位、導航、測向、授時等。

4.“3S”技術在地理國情普查中的應用

“3S”技術作為監(jiān)測的重要技術為地理國情的獲取、分析與發(fā)布提供了關鍵的技術支撐[3]。“3S”技術是一種集成技術，它在地理國情監(jiān)測中的信息定位、地理信息采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)集成分析、監(jiān)測成果發(fā)布等各個環(huán)節(jié)有著重要的作用。“3S”技術綜合集成應用在地理國情普查中有著重要的基礎和技術支撐作用。

以多源遙感影像為地理信息提取的數(shù)據(jù)源，以地理信息系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)疊加分析和信息提取平臺，以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)為外業(yè)核查定位手段，三種技術優(yōu)勢互補，相互協(xié)作，共同為地理國情普查的內(nèi)業(yè)信息提取、外業(yè)核查等提供基礎數(shù)據(jù)支持和技術支撐。

4.1 應用“3S”技術快速定位、獲取地理要素和地表覆蓋信息

與傳統(tǒng)信息獲取方法相比，依靠遙感技術（RS）和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）獲取和提取的信息具有準確、高效、實時、快速、周期性、動態(tài)性、全天候等諸多優(yōu)點，從而能夠保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性。

隨著信息技術和衛(wèi)星傳感器技術的飛速發(fā)展，衛(wèi)星遙感影像的種類不斷增多，為地理國情監(jiān)測地表覆蓋信息提取提供了豐富的遙感數(shù)據(jù)源。可以針對不同級別的分類類別，可采用不同的空間分辨率與光譜分辨率的影像[5]。

地理國情監(jiān)測中的大部分地理要素和地表覆蓋信息，均可在優(yōu)于1米的高空間分辨率影像上識別判斷出來，通過面向像元和面向?qū)ο蟮鹊倪b感圖像分類技術，可以快速提取所需的地理要素和地表覆蓋信息，減少外業(yè)時間，提高信息獲取效率。

4.2 應用“3S”技術處理和分析地理國情監(jiān)測的目標信息

地理國情監(jiān)測綜合集成了空間信息、相關屬性信息、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、監(jiān)測分析模型與數(shù)據(jù)等，信息量龐大，對處理技術的能力和效率要求較高。而地理信息系統(tǒng)（GIS）具有強大空間信息存儲和空間分析的能力，能夠?qū)Φ乩韲楸O(jiān)測中的地理要素和地表覆蓋的空間信息和屬性信息以及與之相關的社會文化經(jīng)濟信息進行集成處理。首先，它可以有效管理、查詢和統(tǒng)計分析地理信息的屬性數(shù)據(jù)；更重要的是，它可以根據(jù)需求對屬性數(shù)據(jù)和空間信息做集成分析處理，如可視化追蹤分析、最佳路徑分析、二維和三維視線分析和洪水淹沒分析等；而且，它可以對不同時期的信息根據(jù)空間位置做疊加分析，從而達到動態(tài)分析、監(jiān)測的效果；還可以通過基于GIS建立的分析監(jiān)測模型、預測預報模型的開發(fā)，從而較為科學準確地展現(xiàn)監(jiān)測對象在一段時間內(nèi)的演變過程，為相關的成因分析、評價和治理對策等提供相應的依據(jù)和參考。

4.3 應用“3S”技術將監(jiān)測成果進行快速發(fā)布和共享

地理國情監(jiān)測的最終目的是使公眾能夠及時了解到與自己相關的周圍地理信息的動態(tài)變化，方便公眾的日常出行與相關的信息需求；使政府和企業(yè)能夠根據(jù)地理信息的現(xiàn)狀與變化趨勢等監(jiān)測信息作出相應的更為合理的決策。而實現(xiàn)這個目的前提是將地理國情監(jiān)測的各類信息發(fā)布，包括在線地圖、影像、圖表以及其他多媒體等方式。應用GIS的網(wǎng)絡發(fā)布、共享技術不僅可實現(xiàn)信息資源的遠程查詢和開放共享，使遠程空間分析和處理成為可能，并且GIS的多維可視化技術還能克服人腦對大量數(shù)據(jù)進行三維（甚至高維）分析的局限性。

4.4 應用“3S”技術的監(jiān)測信息外業(yè)核查

地理國情監(jiān)測過程中由于數(shù)據(jù)源的局限性等某些地理信息內(nèi)業(yè)無法準確判斷，外業(yè)核查是必須的一環(huán)。在外業(yè)核查過程中，采用GNSS（常用的為美國的GPS和我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）的空間定位、導航技術可以快速方便的定位到核查地理信息所在位置并可以知道所去位置的路線。通過在采集設備（如智能手機、平板電腦等）中存儲相應影像數(shù)據(jù)和疑問圖斑數(shù)據(jù)，外業(yè)核查人員可以在實地直觀的將內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)與實地信息作對比，并可以通過采集設備拍攝實地地物照片，為以后開展復核工作和內(nèi)業(yè)后處理提供有效的依據(jù)。

5.“3S”技術在地理國（市）情監(jiān)測的應用實例

5.1 監(jiān)測區(qū)域及數(shù)據(jù)

本次試驗區(qū)選擇了太原市萬柏林區(qū)東社約2平方公里的街區(qū)。

采用2011年和2013年遙感航片影像進行對比監(jiān)測分析。2011年真彩色影像如圖1所示，2013年真彩色影像如圖2所示。

圖1 2011年影像

圖2 2013年影像

從影像就可以看出從2011年到2013年監(jiān)測的變化很大，相對2011年，2013年新建了道路，拆除了一部分低矮房屋建筑，廢棄土地得到進一步的利用。

5.2 監(jiān)測流程及分析

應用面向?qū)ο蟮倪b感影像分類技術和GIS矢量空間分析技術，分析監(jiān)測試驗區(qū)從2011年到2013年土地覆蓋變化情況。流程圖如圖3所示。

圖3 總體監(jiān)測技術流程

5.2.1 應用RS技術進行土地覆蓋信息提取

試驗區(qū)影像的分辨率較高，2011年和2012年DOM的空間分辨率均達到了0.5米。在高空分辨率影像上，往往多個像元才能組成一個有意義的實際分類對象，而且景觀的結構、形狀、紋理和細節(jié)等信息突出。而面向?qū)ο蟮挠跋裥畔⑻崛》椒ㄊ强梢酝ㄟ^分割算法（常用的為多尺度分割）將若干相鄰同質(zhì)性像元組成斑塊對象為處理單元，結合對象的光譜、紋理、形狀、空間關系等多種屬性信息對斑塊對象分類，能在較大程度上解決基于像元方法難以克服的光譜混淆、混合像元等問題，從而有效提高分類精度。故本文采用面向?qū)ο蟮倪b感分類提取技術對試驗區(qū)數(shù)據(jù)進行土地覆蓋分類提取，得到兩個年份的矢量化土地覆蓋信息數(shù)據(jù)。

5.2.2 利用GIS技術監(jiān)測分析土地覆蓋信息

通過在GIS系統(tǒng)中疊加試驗區(qū)2011年和2013年的土地覆蓋矢量數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的分析對比統(tǒng)計監(jiān)測試驗區(qū)的土地覆蓋變化。

5.2.2.1 總體上統(tǒng)計分析土地覆蓋變化情況

2011年和2013年試驗區(qū)的土地覆蓋總體情況如表1所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)試驗區(qū)的自然用地（包括灌木林、草地和水面）急劇下降，灌木林和水面均已消失，草地的面積基本也趨向于0；建設用地中的道路有了很大地增加，由2011年的24132平方米，大幅度提升為143106平方米，多層房屋建筑區(qū)面積減少，低矮房屋建筑區(qū)增大；裸露地表面積也有明顯提升，增加了約11萬平方米，增幅達到了50%。

以上情況說明，試驗區(qū)城市化建設占用了大量的自然用地；并由于道路的建設需要對建筑區(qū)進行拆除改造，導致建筑區(qū)有增有減；由于在截至本次研究所用的2013年影像的成圖時間，試驗區(qū)城市化的改造建設尚未完成，造成裸露地表增多。

表1 試驗區(qū)各時期土地覆蓋面積（單位：平方米）

總面積均為2022597平方米。

5.2.2.2 細化監(jiān)測土地覆蓋變化

通過將2011年的土地覆蓋矢量數(shù)據(jù)分層疊加2013年的土地覆蓋數(shù)據(jù)，可以直觀的監(jiān)測各個類型土地覆蓋的變化情況，分析土地變化的流向。

2011年到2013年時土地面積變化流向情況如表2所示?？梢钥闯鰪?011年到2013年后，原來的灌木林銷售，大部分變成了裸露地表，一部分變成了道路；減少的草地變成了裸露地表、低矮房屋建筑和道路；原先的多層房屋建筑的變化區(qū)域變成了道路和低矮建筑；原先的低矮建筑的變化區(qū)域主要變成了道路和裸露地表；原先的裸露地表上建設了低矮房屋建筑和道路；水面消失變成了低矮建筑和裸露地表。

表2 2011年到2013年時土地面積變化流向分析表（單位：平方米）

5.3 試驗區(qū)發(fā)展趨勢

根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，試驗區(qū)正在城市化建設當中，自然用地減少，建設用地和裸露的未利用地增多。試驗區(qū)道路面積增加最為明顯，主要在增修擴建道路，隨著道路建設的完成，區(qū)域基本格局會趨于穩(wěn)定，裸露地表會進一步得到開發(fā)，房屋建筑區(qū)面積將會增加。

6.結語

隨著社會、科技和經(jīng)濟的發(fā)展，世界已經(jīng)開始向“智慧”邁進，地理國情的動態(tài)智慧監(jiān)測勢在必行，而RS、GIS和GNSS集成的“3S”技術是地理國情監(jiān)測的核心技術之一?！?S”技術在地理國情監(jiān)測中的外業(yè)核查、數(shù)據(jù)獲取、信息處理挖掘分析和信息發(fā)布共享起著關鍵的支撐作用。

【1】龐德謙，周旗.論地理國情分析［J］.陜西師大學報：哲學社會科學版，1990（04）：33-38．

【2】張勤，樊文鋒.測繪與地理國情監(jiān)測［J］.測繪通報，2012（11）:78-80.

【3】馬萬鐘，杜清運.地理國情監(jiān)測的體系框架研究［J］.國土資源科技管理，2011（06）:104-111.

【4】黃明哲，王巧藝.3S技術在海洋漁業(yè)中的應用［J］.福建水產(chǎn)，2011（01）:77-81.

【5】程滔，周旭，劉若梅.面向地理國情監(jiān)測的地表覆蓋信息提取方法［J］.測繪通報，2013（08）:84-86.

吳帆（1985年——），女，就職于臨汾市測繪院，主要從事航空攝影測量內(nèi)業(yè)采集及編輯工作。

楊俊艷（1982年——），女，山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學專業(yè)?，F(xiàn)就職于太原市基礎地理數(shù)據(jù)中心，主要從事數(shù)據(jù)建庫、數(shù)字太原平臺維護。

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