“3S”技术在地理国情监测中的应用

2014-04-25帆杨俊艳

经纬天地 2014年2期

关键词：国情试验区监测

□ 吴帆杨俊艳

（1.临汾市测绘院，山西临汾041000；2.太原市基础地理数据中心，山西太原030009）

“3S”技术在地理国情监测中的应用

□ 吴帆1杨俊艳2

（1.临汾市测绘院，山西临汾041000；2.太原市基础地理数据中心，山西太原030009）

地理国情监测是一项复杂的系统工程，“3S”技术综合集成应用在地理国情普查中有着重要的基础和技术支撑作用。本文主要阐述了“3S”技术在地理国情监测中的外业核查、数据获取、信息处理挖掘分析和信息发布共享等方面的应用。

地理国情监测；“3S”技术

1.引言

国情信息是国家编制国民经济发展规划，确定社会经济发展的战略部署和重大方针政策的基础[1]，而地理国情作为国情体系的有机组成部分，是提高国家宏观调控科学性、进行科学管理决策的需要。我国地域广阔，地理要素和地表覆盖等信息都比较复杂，而且，社会、经济发展迅速，地表的地理信息变化频繁，对开展地理国情监测有着迫切的需求。而将遥感、地理信息系统、卫星导航定位集成的“3S”技术作为一项新的测绘技术，与地理国情监测的实施有着密切的关系，它可以在地理国情监测中的许多环节中发挥着重要作用。

2.地理国情概述

地理国情监测，是综合利用全球导航卫星系统、航空航天遥感技术、地理信息系统技术等现代测绘地理信息技术，利用各时期测绘成果档案，对自然、人文等地理要素进行动态和定量化、空间化的监测，并统计分析其变化量、变化频率、分布特征、地域差异、变化趋势等，形成反映各类资源、环境、生态、经济要素的空间分布及其发展变化规律的监测数据、图件和研究报告等，从地理空间的角度客观、综合展示国情国力[2]。

地理国情是从空间角度对构成国家社会经济、自然资源和人类居住环境的各种地理要素的基本情况的反映，其主要内容包括地球表面及其上下一定范围内的各种自然经济综合要素，以及这些要素的特征、空间变化及其相互关系[3]。地理国情监测获取的地形地貌状态、土地覆盖情况、交通状况、污染物分布、能源资源分布等基本信息，可以为相关的研究分析、统计决策、灾害防治与治理等提供基础的定量化的资料；地理国情监测通过动态的统计地理国情的监测信息、分析地理信息变化情况与相关的要素之间的相互关系，可以为政府决策提供科学依据，监控、评价如土地利用规划、宏观调控等政策的实施效果，从而调整完善规划结构的布局；用地理要素、资源能源分布、交通状况等地理国情信息作为数据基底，通过整合、集成各类经济社会信息，可以揭示地理条件和经济社会发展之间的内在关系，并能够以量化的地理信息预先判断其发展趋势，提升管理决策的科学化水平。

3.“3S”技术概述

“3S”技术是遥感技术（Remote sensing，RS）、地理信息系统（Geography information systems，GIS）和全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的统称。“3S”技术是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术[4]。

3.1 遥感技术

遥感技术（RS）是指通过卫星、飞机、汽车等各类平台搭载传感器接受地物的电磁波谱信息，然后对此传输、处理，从而实现对地物远距离的观测和识别的技术。遥感技术最大的特点是获得资料的周期短、现实性强、客观真实，既可以在较短时间内获得新的现势性强的地面影像数据，又可以获取长期稳定的各种分辨率的影像资料，可以为相关的项目和应用提供现势性强的基础资料，而日益完善的遥感影像计算机解译技术，也能更有效地协助调绘者在室内进行目视解译，帮助他们提高影像判读准确率和解译成果精度，从而减少外业调查工作，提高相关调查工作效率和增强调查成果的现势性。

3.2 地理信息系统

地理信息系统（GIS）可以看成一个专门存储、管理、处理地理信息的计算机系统，一般由计算机、地理信息系统软件、与地理信息结合的空间数据库、地理信息分析应用模型、图形用户界面及专业人员组成。首先，GIS可以将地理信息按需求做分层、分类的管理；其次，GIS可以将原始分层分类数据经过各种组再组合等进行分析、再分析；第三，GIS还能查询、检索、修改、输出、更新地理信息。第四、地理信息系统还有一个特殊的“可视化”功能，通过地理信息系统可以将实体地理要素数字化，并将数字化的地理信息重新直观地显示到电脑屏幕上，通过这种原理还可以在屏幕上动态地监测地理信息的变化，成为信息变化监测的可视化工具，清晰直观地表现出信息的规律和分析结果。

总之，地理信息系统可以系统完善地管理、存储、更新地理信息数据，并有强大的地理数据编辑和处理功能，能根据需求结合属性数据对地理信息数据分析和检索，而且可以将地理信息数字化，并直观地显示和输出。在资源调查、土地规划及土地利用适应性评价、生态监测评价及规划、地理数据库建设与管理、灾害监测与预报等方面的地理信息系统技术已得到广泛的应用。

3.3 全球导航卫星系统

全球导航卫星系统（GNSS），泛指包括全球的、区域的和增强的等所有的卫星导航系统，主要包括四大全球卫星导航系统及其增强系统和其他区域的导航、增强系统，具体有美国的GPS和以GPS为基础建设的广域差分系统（WAAS）和区域差分系统（LASS）、俄罗斯的GLONASS和GLONASS系统的卫星导航增强系统——差分校正和监测系统（SDCM）、欧洲的Galileo和通过增强GPS和GLONASS两个卫星导航系统的定位精度的欧洲静地导航重叠系统（EGNOS）、中国的北斗卫星导航系统（COMPASS），日本的多功能运输卫星增强系统（MSAS）和准天顶卫星系统（QZSS）、印度的印度区域导航卫星系统（IRNSS）等。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。GNSS具有以下特点：（1）全天候、全覆盖、高精度；（2）多系统兼容互用可交换，L1+L5；（3）多层次增强，由基于全球定位导航系统到基于区域、本地的增强系统；（4）多手段的集成；（5）多功能应用，包括定位、导航、测向、授时等。

4.“3S”技术在地理国情普查中的应用

“3S”技术作为监测的重要技术为地理国情的获取、分析与发布提供了关键的技术支撑[3]。“3S”技术是一种集成技术，它在地理国情监测中的信息定位、地理信息采集、数据处理、数据集成分析、监测成果发布等各个环节有着重要的作用。“3S”技术综合集成应用在地理国情普查中有着重要的基础和技术支撑作用。

以多源遥感影像为地理信息提取的数据源，以地理信息系统作为数据叠加分析和信息提取平台，以全球导航卫星系统为外业核查定位手段，三种技术优势互补，相互协作，共同为地理国情普查的内业信息提取、外业核查等提供基础数据支持和技术支撑。

4.1 应用“3S”技术快速定位、获取地理要素和地表覆盖信息

与传统信息获取方法相比，依靠遥感技术（RS）和全球卫星定位系统（GPS）获取和提取的信息具有准确、高效、实时、快速、周期性、动态性、全天候等诸多优点，从而能够保证监测数据的时效性。

随着信息技术和卫星传感器技术的飞速发展，卫星遥感影像的种类不断增多，为地理国情监测地表覆盖信息提取提供了丰富的遥感数据源。可以针对不同级别的分类类别，可采用不同的空间分辨率与光谱分辨率的影像[5]。

地理国情监测中的大部分地理要素和地表覆盖信息，均可在优于1米的高空间分辨率影像上识别判断出来，通过面向像元和面向对象等的遥感图像分类技术，可以快速提取所需的地理要素和地表覆盖信息，减少外业时间，提高信息获取效率。

4.2 应用“3S”技术处理和分析地理国情监测的目标信息

地理国情监测综合集成了空间信息、相关属性信息、统计数据、监测分析模型与数据等，信息量庞大，对处理技术的能力和效率要求较高。而地理信息系统（GIS）具有强大空间信息存储和空间分析的能力，能够对地理国情监测中的地理要素和地表覆盖的空间信息和属性信息以及与之相关的社会文化经济信息进行集成处理。首先，它可以有效管理、查询和统计分析地理信息的属性数据；更重要的是，它可以根据需求对属性数据和空间信息做集成分析处理，如可视化追踪分析、最佳路径分析、二维和三维视线分析和洪水淹没分析等；而且，它可以对不同时期的信息根据空间位置做叠加分析，从而达到动态分析、监测的效果；还可以通过基于GIS建立的分析监测模型、预测预报模型的开发，从而较为科学准确地展现监测对象在一段时间内的演变过程，为相关的成因分析、评价和治理对策等提供相应的依据和参考。

4.3 应用“3S”技术将监测成果进行快速发布和共享

地理国情监测的最终目的是使公众能够及时了解到与自己相关的周围地理信息的动态变化，方便公众的日常出行与相关的信息需求；使政府和企业能够根据地理信息的现状与变化趋势等监测信息作出相应的更为合理的决策。而实现这个目的前提是将地理国情监测的各类信息发布，包括在线地图、影像、图表以及其他多媒体等方式。应用GIS的网络发布、共享技术不仅可实现信息资源的远程查询和开放共享，使远程空间分析和处理成为可能，并且GIS的多维可视化技术还能克服人脑对大量数据进行三维（甚至高维）分析的局限性。

4.4 应用“3S”技术的监测信息外业核查

地理国情监测过程中由于数据源的局限性等某些地理信息内业无法准确判断，外业核查是必须的一环。在外业核查过程中，采用GNSS（常用的为美国的GPS和我国的北斗卫星导航系统）的空间定位、导航技术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线。通过在采集设备（如智能手机、平板电脑等）中存储相应影像数据和疑问图斑数据，外业核查人员可以在实地直观的将内业数据与实地信息作对比，并可以通过采集设备拍摄实地地物照片，为以后开展复核工作和内业后处理提供有效的依据。

5.“3S”技术在地理国（市）情监测的应用实例

5.1 监测区域及数据

本次试验区选择了太原市万柏林区东社约2平方公里的街区。

采用2011年和2013年遥感航片影像进行对比监测分析。2011年真彩色影像如图1所示，2013年真彩色影像如图2所示。

图1 2011年影像

图2 2013年影像

从影像就可以看出从2011年到2013年监测的变化很大，相对2011年，2013年新建了道路，拆除了一部分低矮房屋建筑，废弃土地得到进一步的利用。

5.2 监测流程及分析

应用面向对象的遥感影像分类技术和GIS矢量空间分析技术，分析监测试验区从2011年到2013年土地覆盖变化情况。流程图如图3所示。

图3 总体监测技术流程

5.2.1 应用RS技术进行土地覆盖信息提取

试验区影像的分辨率较高，2011年和2012年DOM的空间分辨率均达到了0.5米。在高空分辨率影像上，往往多个像元才能组成一个有意义的实际分类对象，而且景观的结构、形状、纹理和细节等信息突出。而面向对象的影像信息提取方法是可以通过分割算法（常用的为多尺度分割）将若干相邻同质性像元组成斑块对象为处理单元，结合对象的光谱、纹理、形状、空间关系等多种属性信息对斑块对象分类，能在较大程度上解决基于像元方法难以克服的光谱混淆、混合像元等问题，从而有效提高分类精度。故本文采用面向对象的遥感分类提取技术对试验区数据进行土地覆盖分类提取，得到两个年份的矢量化土地覆盖信息数据。

5.2.2 利用GIS技术监测分析土地覆盖信息

通过在GIS系统中叠加试验区2011年和2013年的土地覆盖矢量数据，通过数据的分析对比统计监测试验区的土地覆盖变化。

5.2.2.1 总体上统计分析土地覆盖变化情况

2011年和2013年试验区的土地覆盖总体情况如表1所示。通过对比可以发现试验区的自然用地（包括灌木林、草地和水面）急剧下降，灌木林和水面均已消失，草地的面积基本也趋向于0；建设用地中的道路有了很大地增加，由2011年的24132平方米，大幅度提升为143106平方米，多层房屋建筑区面积减少，低矮房屋建筑区增大；裸露地表面积也有明显提升，增加了约11万平方米，增幅达到了50%。

以上情况说明，试验区城市化建设占用了大量的自然用地；并由于道路的建设需要对建筑区进行拆除改造，导致建筑区有增有减；由于在截至本次研究所用的2013年影像的成图时间，试验区城市化的改造建设尚未完成，造成裸露地表增多。

表1 试验区各时期土地覆盖面积（单位：平方米）

总面积均为2022597平方米。

5.2.2.2 细化监测土地覆盖变化

通过将2011年的土地覆盖矢量数据分层叠加2013年的土地覆盖数据，可以直观的监测各个类型土地覆盖的变化情况，分析土地变化的流向。

2011年到2013年时土地面积变化流向情况如表2所示。可以看出从2011年到2013年后，原来的灌木林销售，大部分变成了裸露地表，一部分变成了道路；减少的草地变成了裸露地表、低矮房屋建筑和道路；原先的多层房屋建筑的变化区域变成了道路和低矮建筑；原先的低矮建筑的变化区域主要变成了道路和裸露地表；原先的裸露地表上建设了低矮房屋建筑和道路；水面消失变成了低矮建筑和裸露地表。