Google Earth在遥感地质教学中的应用

2017-08-16郑家文张照录孙荣涛

中国地质教育 2017年2期

关键词：软件图像教学

刘晓，郑家文，张照录，孙荣涛，张超

1.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博 255049；2.山东理工大学教务处，山东淄博 255049

Google Earth在遥感地质教学中的应用

刘晓1，郑家文2，张照录1，孙荣涛1，张超1

1.山东理工大学资源与环境工程学院，山东淄博 255049；2.山东理工大学教务处，山东淄博 255049

本文总结了遥感地质学课程的特点，对遥感地质学教学中存在的问题进行分析，并探讨了Google Earth软件在遥感地质学教学中的应用。最后对Google Earth软件在遥感地质教学及生产应用中的推广前景进行了展望。

遥感地质；课堂教学；实验教学；Google Earth

remote sensing geology; classroom teaching; experiment teaching; Google Earth

遥感技术的发展为人类从宏观、多维的角度认识地球提供了新方法和新手段。遥感地质学是地质学的分支学科，是在地质与成矿理论指导下，研究如何应用遥感技术进行区域地质调查、地质构造研究、矿产资源勘查、环境与灾害地质监测等工作的学科[1-2]。遥感地质学从宏观的角度，着眼于由空中平台获取的信息，以各种地质体对不同波长处电磁辐射的反应作为基本依据，结合其他地质资料及遥感资料，分析、判断、提取某一地区内的地质相关信息。

多数高校的地质类专业都开设了遥感地质学课程，一般课程性质为选修，第六或第七学期开设，总学时30～40个，其中包含6～10个学时的实验教学内容。学生在学习遥感地质学之前，需要学完大学物理、线性代数、概率论与数理统计等基础课程，以及测量学、地理信息系统、构造地质学、地层学、岩石学等专业课程。在具备了较丰富的地质专业知识的基础上，学生需要在有限的时间内，完成电磁辐射与地物光谱特征、遥感图像处理、遥感技术系统、航空/航天遥感图像、遥感图像目视解译、计算机信息提取及制图等知识的学习，并进行实践操作训练。

尽管学生在学习遥感地质学之前有空间数据处理、地质制图等相关技能的训练，并掌握了相关地理信息系统软件的使用，但在遥感地质学学习过程中仍然存在部分问题。这些问题包括：如何让学生快速对遥感科学有直观认识并产生兴趣；如何在有限时间内向学生传授大量遥感基础知识；如何将遥感地质学课程与地质专业基础课程结合；如何将遥感地质学课程与野外实习教学结合等。在教学实践中，我们广泛使用了Google Earth软件辅助遥感地质学的教学，取得了较好的成果。

一、Google Earth数据简介

Google Earth 是由Google公司收购Keyhole公司后，在2005年推出的虚拟地球软件[1]。该软件将卫星影像、航空影像、地面高程、道路信息等数据集成显示在三维地球模型上，用户通过客户端软件，可以快速浏览全球各地的高清卫星影像。这些遥感影像具有真实的地理坐标和高程，很容易与GPS数据进行集成，具有很高的实用价值。

Google Earth使用WGS84坐标系统。其中国地区的矢量数据由MAPABC公司提供的矢量路网、POI等组成。其高程数据使用SRTM提供的全球高精度高程数据，空间分辨率30m。Google Earth中国地区的遥感影像主要来源有三种。低分辨率的是EarthSat公司提供的Landsat Etm 7影像；高分辨率影像来自不同的数据提供商。若数据提供商显示为DigitalGlobe，2009年12月之前为QuickBird影像，2009年12月之后很多为WorldView-II影像；若数据提供商显示为GeoEye，在2008年11月之前均为IKONOS影像，之后多数为GEOEYE-1影像；若数据提供商显示为Astrium ，一般为Pleiades或SPOT 5影像。在我国多数城市及旅游景区，Google Earth使用的是亚米级分辨率的遥感影像，如1m分辨率的IKONOS遥感影像或0.61m分辨率的QuickBird遥感影像。在广大农村地区，Google Earth提供了2.5～5m分辨率的遥感影像，如Spot 5遥感影像；在偏远地区或无人区，一般使用15m分辨率的Landsat Etm 7遥感影像。Google Earth每年会对数据进行更新，其往年的遥感影像数据可以通过查看历史图像的方式查看[3-5]。

二、在遥感地质学教学中的应用

地质类专业学生在学习遥感地质学之前很少接触遥感知识，通过Google Earth培养学生学习兴趣是非常好的途径。在讲解课程绪论部分时，我们向学生推荐这款软件，在课堂上演示软件的使用，浏览如天安门广场、泰山、学校里面的建筑物、实习过的实习区（图1）。最后布置作业，在自己电脑上安装Google Earth，将自己家的位置找出来，截屏展示在班级群相册中。学生对此很感兴趣，参与程度非常高，通过这一系列的活动对遥感科学产生了浓厚的兴趣。在后续实验课程中，学生利用Google Earth软件查看研究区概况、查找研究区照片资料，对顺利完成教学工作提供了重要辅助[6]。Google Earth软件在遥感地质教学中得到广泛应用是基于以下优势。

1.海量遥感数据浏览

Google Earth可以随意浏览全球遥感数据，城市地区分辨率一般小于1m，农村地区2.5m左右，无人区15m左右。在网络环境通畅的情况下，在城市和农村地区可以清晰地看到楼房、道路、车辆、植被、裸露岩体等，且能随时查看经纬度、高程信息，部分影像可以查看拍摄时间，用户体验非常好[3]。通过工具软件（如谷歌软件、91卫图助手等），可以将Google Earth影像批量下载保存，在专业软件中进行进一步处理。

2.三维立体显示

Google Earth基于NASA生产的SRTM（Shuttle Radar Topography Mission ）全球数字高程数据进行遥感图像的三维显示[5]。在此基础上，典型地物要素使用三维建模贴图的方法进行显示。由于SRTM数据覆盖范围全面，精确程度高（近似1∶5万地形图水平），使用该数据作为骨架显示遥感影像，效果非常逼真。很多地貌信息，如陡崖、滑坡体等都可以真实地表现出来，这对提取研究区地质信息非常有用[7-8]。通过Google Earth，可以随意切换观察的高度、方向等参数，用户仿佛身临其境，效果非常好。

3. 历史数据比较

土地利用覆盖变化研究是遥感技术的重要应用领域，一般需要对不同时期的遥感图像进行对比分析，确定土地利用变化的情况。地质灾害遥感也需要对比灾害前后研究区遥感影像的变化。Google Earth提供的“历史图像”功能，使得查看不同年代遥感图像非常方便。图2是淄博市四宝山采石场的遥感影像，左图为2004年7月23日拍摄，此时正在进行采石作业，右图为2015年7月4日拍摄，此时采石场已经建成了生态公园[7]。

图1 三维状态下的泰山

图2 淄博市四宝山采石场治理前后遥感图像变化

4.照片浏览功能

在进行各类遥感解译、分析前，需要了解研究区概况及实际地物与遥感图像的对应关系。此时Google Earth提供的照片功能，为我们提供了查看该点所在位置处照片的捷径。任课教师可以将典型照片通过添加照片的功能加入Google Earth中，并保存为KMZ格式的文件。学生打开这些KMZ格式的文件后，就能在Google Earth中快速查看对应地点的遥感图像了，显示效果如图3所示。在实际地质勘查工作中，还可以充分利用Google Earth照片图层中的照片。这些照片由网友通过Panoramio网站上传，经过Google公司审核后发布，可以供所有Google Earth用户查看。

图3 在Google Earth中显示KMZ文件中的照片

5.标注点、线、面

对于能够从Google Earth上识别出来的典型地质现象，可以使用标注功能，将其标注、勾绘出来，并导入其他地理信息系统软件中（如ArcGIS）。其中“地标”对应点，“路径”对应线，“多边形”对应面。这些点、线、面使用的是WGS84坐标系，进一步处理这些数据时需要进行投影变换，保障所有数据的平面及高程坐标系完全一致。也可以将GIS软件中的点、线、面保存为KML格式的文件，在Google Earth中显示，如ArcGIS就提供了将地图导出为KML格式文件的功能。由于KML文件格式是公开的，故也可以自己编写程序生成KML文件在Google Earth中显示信息。

6.叠加地质图显示

图4 在“编辑图像叠加层”对话框中设置图像显示的位置

还可以使用图像叠加功能，将包含重要信息（地质界线、构造线、施工管线、钻孔、采样点位置等）的图件直接显示在Google Earth中。图件可以通过“编辑图像叠加层”对话框中“位置”标签进行编辑，既可以通过设置图像的经纬度范围及旋转情况显示图像（如图4中左图所示），也可以通过设定图像四个角点的坐标显示图像（如图4中右图所示）。其中“第一个转弯处”位于图像左下角，其他转弯处依次分别位于右下、右上、左上角。图像经纬度范围及四个角点坐标，可以通过ArcGIS、MapGIS等地理信息系统软件配准原始图像得到。“编辑图像叠加层”对话框中还可以调整图像的透明度，从而获得更好的显示效果。

三、教学中应注意的问题

在遥感地质教学中应该反复提醒学生，Google Earth是面向大众的三维地球可视化软件，提供的是可见光范围三个波段的高空间分辨率遥感影像，这些遥感影像是专业遥感影像校正、增强后得到的产品。Google Earth可以为遥感地质工作提供辅助，但绝对无法代替专业的遥感数字图像处理工作。富含地质信息的红外遥感影像、穿透力较强的雷达影像、多光谱遥感影像、高光谱遥感影像，Google Earth是不会免费提供的，只能通过付费渠道获得。

另外Google Earth的运行会经常报错，原因是该软件通过网络获取服务器端的地图数据并进行操作。由于谷歌公司在国内没有服务器，故在使用该软件时有时会出现无法连接到服务器的问题。此时可以通过更改HOSTS文件，添加在网上搜到的最新的Google Earth服务器IP地址解决。该文件存放在C:windowssystem32driversetc文件夹中。除此之外，Google Earth软件对网络带宽有较高要求，在网速较慢的情况下，需要提前打开Google Earth缓存数据，以提高浏览时操作的流畅性。在进行上机试验时，如果许多学生同时打开Google Earth浏览遥感数据，也会出现网速降低甚至无法连接服务器的问题，此时应注意提醒学生错开时间上网。

四、前景及展望

Google Earth的诸多特性，使其在遥感地质教学中有广泛的应用。从2012年开始，我们在遥感地质教学中使用Google Earth软件，配合Envi，MapGIS进行课堂及实验教学，取得了较好的效果，解决了课时紧张，无法进行野外踏勘，实验与野外实习、野外考察脱节等问题。同时，熟练掌握该软件对学生未来从事地质勘查工作也有非常重要的作用。在野外工作之前，通过Google Earth了解研究区概况、设计路线、选择站位，可以大量缩减项目的成本，节省人力物力财力，提高工作生产效率。

Google Earth软件功能强大，界面简洁，操作简单，随着高清遥感影像的不断丰富，结合相关技术的发展，该软件将更加完美，在地质教学、野外地质勘查工作中发挥更大的作用。

[1] 王润生，熊盛青，聂洪峰，等.遥感地质勘查技术与应用研究[J].地质学报，2011(11)：1699-1743.

[2] 甘甫平，王润生，马蔼乃，等.遥感地质信息提取集成与矿物遥感地质分析模型[J].遥感学报，2003(3)：207-213,248.

[3] 郑泽忠，范东明，李玉霞，等.多种对地观测技术及Google Earth技术应用于土地利用/覆被变化建库[J].地球物理学进展，2008(4)：1326-1331.

[4] 王俊锋，白宗亮，田琮，等.Google Earth在地质解译中的应用[J].新疆地质，2014(1)：136-140.

[5] 黄琪，张宗毅.基于Google软件的农地区高程获取及精度评价[J].测绘通报，2015(2)：51-54.

[6] 何执兼，林桂芸，陈晓翔，等.基于Google Earth的GIS教学改革试验[J].实验技术与管理，2008(1)：112-115,122.

[7] 刘金辉，窦金龙.Google Earth在地质勘查初期中的应用[J].中国矿业，2009(12)：100-101.

[8] 石书缘，胡素云，冯文杰，等.基于Google Earth软件建立曲流河地质知识库[J].沉积学报，2012(5)：869-878.

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1006-9372（2017）02-0052-04

2016-01-22；