基于激光遙感的地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：黃林海（1995.07-），男，湖南益陽(yáng)人，在讀研究生，研究方向：地理學(xué)專業(yè)。

摘?要： 本文將對(duì)在地理信息系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用激光遙感的意義加以闡述，同時(shí)分析激光遙感的優(yōu)勢(shì)，并且介紹一種基于激光遙感的地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路，以期為有關(guān)部門提供可靠參考。

關(guān)鍵詞： 激光遙感;地理信息系統(tǒng);定位;成像;網(wǎng)絡(luò)傳輸

【中圖分類號(hào)】P407.5?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.34.157

伴隨我國(guó)科技水平的持續(xù)提升，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的各行業(yè)均對(duì)此系統(tǒng)擁有越來(lái)越高的需求，因此，有關(guān)部門亟需積極融合此系統(tǒng)和新技術(shù)，以便使自身實(shí)際發(fā)展水準(zhǔn)更高，所以，有關(guān)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)激光遙感技術(shù)和此系統(tǒng)具體融合展開全面分析。

1?在地理信息系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用激光遙感的意義

所謂地理信息系統(tǒng)，即GIS，其主要組成部分包含多種系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)的軟件與硬件等，此類系統(tǒng)重點(diǎn)的工作內(nèi)容為收集、管控、處理以及分析、顯示與建模相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，從而使以往較為繁復(fù)的管控、規(guī)劃等問(wèn)題得到有效處理。此類系統(tǒng)主要作用在于，收集和編輯、管控和儲(chǔ)存、分析與處理數(shù)據(jù)信息，以及制作相應(yīng)產(chǎn)品等。

當(dāng)前，地理信息系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋?/p>

①?zèng)Q策輔助：系統(tǒng)借助互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)使電子商貿(mào)得以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展，這與各大企業(yè)多維性需求相符。企業(yè)能借助此系統(tǒng)對(duì)空間數(shù)據(jù)展開有效且快速的管控，從而對(duì)潛在的市場(chǎng)以及商業(yè)中心加以確認(rèn)。

②國(guó)土：系統(tǒng)如今已被應(yīng)用到評(píng)估環(huán)境質(zhì)量、預(yù)測(cè)森林火險(xiǎn)、分析土地資源的實(shí)時(shí)利用狀況以及監(jiān)測(cè)洪災(zāi)、估算相應(yīng)損失等領(lǐng)域當(dāng)中。

③規(guī)劃區(qū)域：此系統(tǒng)可以在金融、資源、文化、環(huán)境、教育、人口、經(jīng)濟(jì)以及交通等領(lǐng)域發(fā)揮作用，并且能合理篩選有關(guān)信息，同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為可用模式。一般多被應(yīng)用到對(duì)道路構(gòu)造、等級(jí)與線路的建設(shè)工作中。

④資源管理：合理匯集有關(guān)信息數(shù)據(jù)，確保用戶能直接查找、統(tǒng)計(jì)和繪制圖像、分享資源，進(jìn)而將可靠憑證提供給相應(yīng)規(guī)劃決策以及開發(fā)應(yīng)用等工作中。在此應(yīng)用領(lǐng)域中，地理信息系統(tǒng)多被應(yīng)用到研究水資源分布、礦產(chǎn)與森林資源管控、評(píng)估土地資源未來(lái)潛力以及保護(hù)野生動(dòng)物和植物等工作中。

由此可見，為了確保地理信息系統(tǒng)得以被有效應(yīng)用，有關(guān)部門應(yīng)積極融合更加先進(jìn)的技術(shù)。

將先進(jìn)的激光遙感技術(shù)應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)具備以下意義：

（1）我國(guó)現(xiàn)有GIS問(wèn)題較多，因此，在具體應(yīng)用階段，許多實(shí)際項(xiàng)目具體要求很難得到滿足。將先進(jìn)的激光遙感技術(shù)應(yīng)用于此系統(tǒng)當(dāng)中，可以確保系統(tǒng)當(dāng)中所有細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)全方位更新，同時(shí)保證有關(guān)數(shù)據(jù)信息更為精準(zhǔn)，進(jìn)而使其在各領(lǐng)域當(dāng)中具體應(yīng)用效果得以提升。

（2）在應(yīng)用先進(jìn)的激光遙感技術(shù)過(guò)程中，能夠明顯提升GIS自身可視化的性能，因此能夠?qū)⒏尤娴男畔?shù)據(jù)直觀地顯示給系統(tǒng)用戶，繼而確保系統(tǒng)總體工作效率得以全方位提高，另外還可以使系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用性能得以被全面強(qiáng)化。

（3）將激光遙感技術(shù)應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)當(dāng)中，如今已經(jīng)成為激光遙感技術(shù)總體發(fā)展的主要方向。這主要是由于：①現(xiàn)有GIS自身缺陷較多，在社會(huì)快速發(fā)展過(guò)程中，很難使各行各業(yè)實(shí)際需求得到滿足;②如今我國(guó)在地理測(cè)繪層面的發(fā)展勢(shì)頭極為迅猛，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)都逐漸被應(yīng)用到GIS當(dāng)中，且效果良好[1]。

2?激光遙感的突出優(yōu)勢(shì)

2.1?擁有成像、定位等特征

在應(yīng)用過(guò)程中可知，激光遙感系統(tǒng)能夠結(jié)合回波的距離、平臺(tái)具體位置以及激光的實(shí)際指向等來(lái)有效定位目標(biāo)，并且當(dāng)激光腳點(diǎn)的自身密度達(dá)到相應(yīng)數(shù)值之后，還能夠使目標(biāo)成像。

2.2?具備先驗(yàn)值

當(dāng)將傳統(tǒng)激光遙感技術(shù)應(yīng)用于地面時(shí)，所得到的目標(biāo)距離并非確定數(shù)值，其屬于未知的量，其將處于幾十米-最遠(yuǎn)作用的距離范圍當(dāng)中。在應(yīng)用先進(jìn)的空間激光遙感技術(shù)時(shí)，因?yàn)橄鄳?yīng)衛(wèi)星有已知的軌道高度，另外所測(cè)目標(biāo)自身特性并非突變數(shù)值，所以此技術(shù)具備先驗(yàn)值，其所得到的回波數(shù)據(jù)范圍較準(zhǔn)確，其變化范圍始終處在軌道高度上下，因此在設(shè)計(jì)相應(yīng)地理信息系統(tǒng)時(shí)，此技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

2.3?不同的傳輸信道

常規(guī)應(yīng)用的地面激光技術(shù)主要應(yīng)用于大氣當(dāng)中，其中許多因素都會(huì)影響接收機(jī)的通道，所以設(shè)計(jì)相應(yīng)系統(tǒng)的時(shí)候，必須借助近距離自行增益的管控技術(shù)，這便增加了相應(yīng)成本。而先進(jìn)的空間激光技術(shù)在探測(cè)深空的時(shí)候，并不需要對(duì)大氣后向散射加以考慮，只需對(duì)相應(yīng)垂直傳播的實(shí)際衰減模型加以綜合考慮即可[2]。

2.4?不同的目標(biāo)特征

傳統(tǒng)地面中遠(yuǎn)距離的激光技術(shù)多被應(yīng)用于測(cè)量空中的各種飛行物，目標(biāo)多屬于漫反射小目標(biāo);先進(jìn)的空間激光遙感技術(shù)多被應(yīng)用測(cè)量星體，所以其目標(biāo)多屬于漫反射大目標(biāo)。

3?基于激光遙感的地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

3.1?設(shè)計(jì)管理數(shù)據(jù)模塊

在所設(shè)計(jì)的地理信息系統(tǒng)當(dāng)中，此模塊的主要功能即調(diào)度、管控地理空間環(huán)境內(nèi)部全部極廣遙感所得數(shù)據(jù)信息，同時(shí)以這部分?jǐn)?shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，在需要的時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)可視化的操作，另外把這些數(shù)據(jù)反映到實(shí)際場(chǎng)景當(dāng)中。在筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)管理模塊中，此模塊經(jīng)由激光遙感以及GNSS等設(shè)施可以對(duì)需要的各類地理信息數(shù)據(jù)展開動(dòng)態(tài)收集，并且把所得地理數(shù)據(jù)信息通過(guò)相應(yīng)軟件進(jìn)行預(yù)處理，并且利用以太網(wǎng)來(lái)傳遞信息，隨后把處理完所得圖像與結(jié)果進(jìn)行科學(xué)融合，傳送到相應(yīng)三維地理數(shù)據(jù)信息的處理模塊當(dāng)中，結(jié)合ADV-JP2000芯片一同處理完相應(yīng)信息數(shù)據(jù)，將可靠的保障提供給GIS設(shè)計(jì)，確保其能夠最終實(shí)現(xiàn)。

3.2?設(shè)計(jì)處理模塊

在設(shè)計(jì)此模塊的過(guò)程中，當(dāng)操作其融合激光遙感的相應(yīng)圖像結(jié)果時(shí)，應(yīng)借助OpenGl函數(shù)來(lái)地理信息三維描繪融合的最終結(jié)果，并且用結(jié)果來(lái)代替現(xiàn)實(shí)環(huán)境內(nèi)各類景物。筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)中，將應(yīng)用三維地理信息模塊相應(yīng)渲染功能來(lái)保證最終效果圖更為真實(shí)，全面提升現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景內(nèi)部物體信息和GIS內(nèi)部物體信息契合度。如今常用的傳統(tǒng)GIS一般只借助一維的地理數(shù)據(jù)信息以及二維的曲線等來(lái)現(xiàn)實(shí)地理數(shù)據(jù)，然而其并不能直觀地將數(shù)據(jù)表達(dá)出來(lái)，更不能直觀地觀察相應(yīng)信息數(shù)據(jù)，筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)將通過(guò)三維視角，囊括所測(cè)遙感數(shù)據(jù)自身特點(diǎn)、文本數(shù)據(jù)信息以及曲線數(shù)據(jù)信息等。此模塊將借助三維地理信息模型來(lái)準(zhǔn)確描述地理數(shù)據(jù)信息，相應(yīng)模型重點(diǎn)借助Open GL函數(shù)來(lái)解析激光遙感對(duì)應(yīng)圖像最終實(shí)際融合結(jié)果，繼而獲得其繪制的具體結(jié)果，最終三維處理地理信息。

3.3?設(shè)計(jì)場(chǎng)控模塊

筆者設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)場(chǎng)景控制模塊，能夠在虛擬環(huán)境當(dāng)中合理配準(zhǔn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景內(nèi)物體與，也就是注冊(cè)三維圖像。系統(tǒng)能夠借助此模塊來(lái)分析現(xiàn)實(shí)的地理場(chǎng)景，并且對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)用戶需要的內(nèi)容、數(shù)據(jù)和信息等進(jìn)行合理篩選。另外此模塊也能夠動(dòng)態(tài)、可視化地控制虛擬物體的信息和對(duì)應(yīng)屬性數(shù)據(jù)信息，從而保證系統(tǒng)主循環(huán)能夠順利工作。此模塊的主要媒介即互聯(lián)網(wǎng)，其能夠推動(dòng)融合模塊內(nèi)部地理信息數(shù)據(jù)，并且合理處理、分析GNSS的數(shù)據(jù)，筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)GNSS裝置主要有能夠精準(zhǔn)定位地理信息以及便于攜帶等明顯優(yōu)勢(shì)[3]。

3.4?設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

此模塊的功能主要為確保服務(wù)端能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地和系統(tǒng)的用戶展開通訊，模塊將以某中心服務(wù)器為基礎(chǔ)，確保大部分計(jì)算機(jī)能夠在無(wú)線網(wǎng)當(dāng)中順利工作。筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)中，此模塊主要憑借RS422協(xié)議來(lái)合理傳輸各類地理數(shù)據(jù)信息。需要注意的是，此模塊應(yīng)擁有和其余模塊展開傳輸串口信息的作用，這也是筆者選擇RS422協(xié)議的主要原因。

3.5?融合處理遙感圖像

筆者所設(shè)計(jì)GIS系統(tǒng)軟件的作用主要在于合理融合激光遙感所得數(shù)據(jù)信息，即把相應(yīng)光譜遙感圖像轉(zhuǎn)化成相應(yīng)模塊能夠接收的圖像形式。相應(yīng)雷達(dá)所得遙感圖像，其成像位置處于環(huán)形的區(qū)域當(dāng)中，且此區(qū)域不變，隨后利用直方圖展開均衡的操作，對(duì)相應(yīng)遙感圖像相應(yīng)像素點(diǎn)當(dāng)中所有特征點(diǎn)進(jìn)行收集。筆者重點(diǎn)借助檢索邊緣特征進(jìn)行研究，這是由于其能夠合理分析不發(fā)達(dá)區(qū)域當(dāng)中復(fù)雜的地理環(huán)境相應(yīng)地表物體寬闊以及幾何形狀等。用雅克比矩陣對(duì)信息收集的元素加以表示，并借助一階矩陣把彩色最終轉(zhuǎn)換成灰度圖像進(jìn)行處理。在對(duì)應(yīng)高斯曲率的閉合范圍當(dāng)中展開角點(diǎn)檢測(cè)，也就是利用激光遙感圖像相應(yīng)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)二階矩陣除以一階矩陣，繼而得到激光雷達(dá)所測(cè)激光遙感圖像對(duì)應(yīng)高斯曲率強(qiáng)度的相應(yīng)函數(shù)。

經(jīng)由測(cè)量二值化所得圖像的角點(diǎn)尺度，來(lái)得到各圖像相應(yīng)分享矩陣，并且借助尺度來(lái)一階分解圖像內(nèi)部的像素點(diǎn)，最終獲得激光雷達(dá)對(duì)應(yīng)遙感序列，使融合處理遙感圖像得以被有效實(shí)現(xiàn)。

4?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)筆者所設(shè)計(jì)基于激光遙感地理信息系統(tǒng)的合理性以及有效性加以驗(yàn)證，對(duì)此系統(tǒng)展開實(shí)驗(yàn)，著重展開相應(yīng)測(cè)試以對(duì)筆者設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行確定。進(jìn)行測(cè)試時(shí)，重點(diǎn)借助ARCIMS系統(tǒng)，以其最終測(cè)試結(jié)果展開比對(duì)分析。此次實(shí)驗(yàn)總計(jì)邀請(qǐng)60人進(jìn)行測(cè)試，繼而評(píng)價(jià)ARCIMS系統(tǒng)以及筆者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)各自可靠性，著重測(cè)試系統(tǒng)自身總體操作的復(fù)雜程度、MTTF（系統(tǒng)平均不出現(xiàn)故障的時(shí)間）、MTBF（系統(tǒng)平均出現(xiàn)故障而失效的所用時(shí)間）以及MTTR（修復(fù)故障的平均時(shí)間）等。

經(jīng)由分析可知，筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能都比ARCIMS系統(tǒng)相應(yīng)所得分?jǐn)?shù)高，所有參與測(cè)試的人員均對(duì)筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)有較高評(píng)價(jià)，其體驗(yàn)感相對(duì)良好，由此可見，筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)有較強(qiáng)實(shí)用性。除此之外，通過(guò)計(jì)算得知，對(duì)筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行10次測(cè)試，上述評(píng)價(jià)項(xiàng)分?jǐn)?shù)均高于ARCIMS系統(tǒng)，這說(shuō)明筆者所設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比ARCIMS系統(tǒng)而言，所有性能都有優(yōu)勢(shì)。

為了對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)自身功能的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證，筆者進(jìn)一步展開實(shí)驗(yàn)，分析使用人數(shù)不同時(shí)系統(tǒng)相應(yīng)響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)完成場(chǎng)景運(yùn)行之后，借助LoadRunner對(duì)應(yīng)Analy-sis來(lái)測(cè)試設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及ARCMIS系統(tǒng)在GIS展開相應(yīng)軌跡回放、操作與車輛定位等工作時(shí)間，隨后分析這些響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而明確，當(dāng)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用人數(shù)增加的時(shí)候，所得到的時(shí)間會(huì)增加，而筆者設(shè)計(jì)系統(tǒng)有更高穩(wěn)定性;最終發(fā)現(xiàn)，若使用人數(shù)約為100人，響應(yīng)時(shí)間會(huì)在突然之間明顯增加，這邊說(shuō)明此時(shí)該系統(tǒng)性能有所變化;ARCMIS系統(tǒng)自始至終都擁有較高響應(yīng)時(shí)間的增幅，在增加使用人數(shù)時(shí)，增幅也會(huì)隨之變大，由此可見，ARCMIS系統(tǒng)自身性能并不具備良好穩(wěn)定性。

與此同時(shí)，經(jīng)由對(duì)以上兩大系統(tǒng)展開全面分析，當(dāng)二者擁有不同的使用人數(shù)，對(duì)相應(yīng)服務(wù)器內(nèi)部資源運(yùn)用狀況加以了解可知，若使用系統(tǒng)的人數(shù)越來(lái)越多，系統(tǒng)內(nèi)存占比、CPU的利用率（即兩大系統(tǒng)各自處理機(jī)對(duì)應(yīng)的隊(duì)列長(zhǎng)度）以及互聯(lián)網(wǎng)的傳輸量等都會(huì)有程度各異的增多，而筆者設(shè)計(jì)系統(tǒng)相應(yīng)CPU的最大利用率只有20.3%，ARCMIS系統(tǒng)最大CPU利用率卻高達(dá)30%，這便表明，當(dāng)筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作的時(shí)候，并不會(huì)帶動(dòng)較多的其余程序一同工作，因此其擁有相對(duì)更快的工作速度;通過(guò)對(duì)兩大系統(tǒng)各自互聯(lián)網(wǎng)傳輸量進(jìn)行分析得知，筆者設(shè)計(jì)系統(tǒng)相應(yīng)傳輸?shù)膬?nèi)容量將與系統(tǒng)自身使用成正比關(guān)系，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到240的使用人數(shù)時(shí)，將得到最大傳輸量，與之相比，ARCMIS系統(tǒng)傳輸量上升的速度并不快，不能在第一時(shí)間將便捷信息提供給用戶;對(duì)兩大系統(tǒng)內(nèi)存占比進(jìn)行比對(duì)可知，筆者設(shè)計(jì)系統(tǒng)在工作時(shí)不會(huì)占據(jù)較大內(nèi)存，這便能使系統(tǒng)保持長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)，同時(shí)擁有較快的工作速度，單ARCMIS系統(tǒng)在工作過(guò)程中，其內(nèi)存占比將快速升高，極易使系統(tǒng)發(fā)生卡頓等問(wèn)題[4]。

通過(guò)以上分析得知，筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用效果更好。

結(jié)束語(yǔ)：總體而言，在筆者的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路當(dāng)中，主要設(shè)計(jì)了管理數(shù)據(jù)、處理、場(chǎng)景控制以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)戎匾K，并且在確保各大模塊有效工作的基礎(chǔ)上，確保地理信息系統(tǒng)具有可視化以及高效率等重要優(yōu)勢(shì)，最終保證該系統(tǒng)得以與社會(huì)實(shí)際發(fā)展需求更為相符。

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