地理国情监测的地理信息技术应用

曾锐

（哈卡科技（北京）有限公司 北京市 100016）

随着我国经济飞速发展，产业结构不合理等问题日益突出，生态恶化等问题日渐严重。全国地理国情普查开展，有利于掌握我国基本地理国情现状，资源环境等很重要因素分布规律，对国家制定中长期发展规划战略，推进生态环保具有重要现实意义，为防减灾应急保障服务提供数据支撑。党和政府高度重视地理国情普查工作，2013年国务院下发《关于开展全国地类国情普查工作的通知》，成立全国地理国情普查领导小组，组织协调首次全国地理国情普查工作开展。地理国情普查为掌握地表自然地理等要素分布规律及相互关系进行调研基础性工作，是全面获取地理国情的重要技术手段。

地理国情普查是在可靠指标体系下，提取地表覆盖等信息。地理国情数据采集成为普查重要基础工作。本文以GIS 技术完成对地表自然要素普查，实现地理国情要素属性自动更新，形成完整的信息收集分析机制，对研究地理国情数据采集提出完整解决思路。

1 地理国情监测概述

地理国情是地表自然人文要素空间分布及相互关系，地理国情监测是重大国情普查，是掌握地表自然及人类活动情况的基础性工作。地理国情监测包括地理国情要素与地表覆盖普查，主要任务包括调查地区自然人文地理要素情况，调查地区地质灾害点类型位置；建立覆盖全区域地理国情信息数据库，通过普查信息与经济社会数据整合，对水发展指标进行空间化评价，形成省市县区域为单位的地理国情普查报告。

地理国情监测是针对自然社会资源等地理要素属性进行监控预测工作，通过运用先进测绘地理信息技术实现，包括遥感技术，GPS 等技术，需要对自然人文等要素进行动态化监测，分析地理要素的变化特征趋势等。地理国情监测对象包括区域交通状况，土地利用情况等，数据信息可以为城市规划部门等相关部门提供参考资料[1]。地理国情监测为准确反映国家地理条件，预测社会经济发展反向提供保障。国情信息对国家经济发展至关重要，是国家制定发展战略的基本依据。我国幅员辽阔，社会经济发展加快，各地地理信息变化频繁，将地理信息技术应用于地理国情监测有利于掌握精确数据信息。

2 地理信息技术简述

地理信息系统是为特定目标建立的空间信息系统，在计算机网络支持下对有关空间数据进行预处理输入管理显示提供技术系统。地理信息技术是60年代提出发展的采集，管理描述地球表面空间与地理分布有关数据的空间信息系统，是介于空间与信息科学的交叉学科，通过系统建立，产生对区域规划管理等方面有用信息。地理信息技术是获取管理应用地理空间信息技术的总和，包括GPS，GIS 等。

图1：技术流程图

RS 是60年代发展的对地观测综合性技术，遥感技术是不与被探测物直接接触，在远处感知的技术手段，将被测目标电磁波特征记录形成遥感图像，遥感观测平台分为飞机和人造卫星。遥感技术优点体现在测量范围大，获得信息速度快，获取信息手段多[2]。由于用于拍摄遥感图片飞机所处位置较高，可快速获得较大地形地貌特征，宏观获得大范围洪水等分布情况。卫星在绕地球转动时刻获得不同地点遥感影像图片，通过遥感图片对比发现地表事物空间变化。地球很多地方自然条件恶劣，靠人工测量方式难以到达，采用遥感技术从高空测量可避免受地形影响。为达到不同目的可选用不同波段波普获取信息，如采取紫外线等不同波长电磁波探测物体，利用穿透性波段可获取地物内部信息。

1973年美国国防部协同有关军方机构研发卫星导航系统GPS，GPS 以自动化等特点应用于工程测量、工程变形测量，资源勘查等多种学科，为社会经济发展做出突出贡献。GPS 由空间部分，地面控制与用户设备部分组成。GPS 具有全天候、应用广泛、四位定点定速时高精度等特点[3]。可对汽车飞机等交通工具提供不间断导航服务；在有人类活动区域可享受GPS 服务，在特殊地理环境中可运用GPS 导航；四颗卫星可完成对物体空间位置信息获取，世界各军事大国有类似系统。旅游时运用GPS 导航节约时间，GPS发展形成了涉及多领域的技术服务行业。中国北斗卫星导航系统空间段由5 颗静止轨道组成，提供开放与授权服务，在服务区免费提供定位授时服务，授时精度为50ns，授权服务是向用户提供安全授时信息服务。

GIS 源于人口普查，1960年加拿大测量学家在计算机科学发展基础上提出纸质实体地图变成虚拟地图，随后得到快速发展。不同领域对GIS 的理解不同，主要定义有为获取检索分析地球空间数据的计算机系统，对地理环境有关问题研究的学科，在计算机软硬件支持下，以采集管理描述空间物体定位分布的属性数据。60年代计算机科学发展提出GIS 思想出于实际需要，是GIS 知识体系的构建阶段。70年代GIS 在自然环境数据处理中应用得到很大发展，研究重点是空间数据处理算法，为技术自成体系阶段；80年代为解决全球气候变暖，防止核扩散等全球性问题需要，GIS 应用领域扩大推广；90年代研究集中于空间信息分析新模式，空间关系和数据模型等。

3 地理信息技术在地理国情监测中的应用

目前我国RS 技术在环境国情监测方面应用包括土地利用状况，如耕地范围、湿地资源变化等检测；大气污染物监测，生成甲烷、悬浮物等三维分布图，有利于相关部门对污染气体排放超标企业查处。如天津市环境遥感监测试验区位于N37～39°，E117-118°，起终点为渤海湾与白洋淀。飞行面积为1100 平方公里，监测人员在3850m，750m 不同高度开展红外扫描工作，对大气颗粒物监测，在不同高度进行分层强，得到全面准确的遥感资料。

我国国土资源部在几年前将RS 用于国土资源调查中，在一些重点矿区开发中应用广泛。通过参考遥感信息可以为农田建设等提供科学依据，国土资源国情监测内容包括水利资源、自然灾害等多方面[4]。通过RS 可使城乡结合部国土资源管理数据及时更新。相比传统测绘方式，RS 利用不同分辨率卫星遥感图像，通过图像形状校正等处理得到蕴含大量信息的4D 产品（4D 为DOM 数字正射影像数据，DEM 数字高程模型，DLG 数字矢量线性数据，DRG 数字格栅数据）。随着卫星遥感技术的创新，城市国情监测水平提高，RS 在城市国情监测中应用促进监测结果精确性提升。

我国国土面积大，各地地理环境差异大，各部门数据难以实现统一，由于地理数据信息无法实现共享，许多专家提出数据整合方法成效不大。地理国情监测云平台利用网络将各地区GIS 系统联接，通过网络云实现数据信息共享。随着GIS 技术的发展，对地理数据获取管理等水平不断提高，地理数据采集需通过对RS 影像矢量分析，遇到无法判断准确性的情况需进行实地勘察收集信息，通过提取调查图像信息整合数据后录入库。鄂尔多斯位于内蒙古自治区，地理坐标为E110°，N39°，地势西高东西，2006年以东胜区为研究区，利用人机交互目视解译法，对东胜区土地利用变化情况分析，采用红蓝绿波段进行真彩色合成，按影像特点，利用遥感图像处理软件纠正，在地形图选择稳定控制点，采用双线内插法进行采样，实现图像几何校正。

4 基于地理信息技术的地理国情监测流程

通过配套获取遥感影像斑，内部像素应保持灰度同质性，同类象斑应保持光谱一致，不同象斑应具有光谱相异。由于土地利用与覆盖不同，使得理想情况难以出现。由于数据源，生成标准等多方面不同，数据特点及误差等存在，使得遥感影像与矢量数据套合结果存在差异。分析遥感影像与矢量数据套合差异问题，采用多尺度割算法获取同质象斑。

为获取同质象斑，利用GIS 辅助数据分割法，首先利用矢量辅助数据获取象斑，然后对套合获取像斑分割生成子像斑，保证各像斑内光谱同质性。通过矢量数据配套准套台，利用矢量数据图斑边界信息获取影像像斑。以T1 影像响应光谱特征为依据，对像斑分割后像斑承继上级类别信息。对获得像斑根据类别设置响应尺度参数分割，使得像斑同质性增强，将获取子像斑视为T1 期子像斑。将获得T1T2 期子像斑叠置分割，使得像斑对应。同质像斑获取建立在多尺度分割基础上，充分考虑数据属性信息及上下文信息。

基于历史适量变化检测方法，首先获取像斑提取特征，获得同质像斑基础上提取纹理等特征，通过数学运算获取像斑内部像素灰度值。获取光谱特征包括均值，信息熵等，形状特征包括面积，形状指数等，纹理特征通过灰度共生矩阵计算。采用分类处理后方法，T2 期影像采用基于像斑邻近分类算法对像斑分类。通过叠置分析对影像像斑进行变化检测，获得像斑的变化类别。根据再分割中形成像斑与子像斑继承关系，评估应用变化检测结果更新矢量数据能力。

采用实验数据为某地区2014年5月快鸟卫星影像，及相同地区2012年5月矢量图，矢量图斑数为118 个。首先将遥感影像与矢量数据配准套合获取像斑，以光谱特征为依据，对影像进行多尺度分割，形状指数为0.7，尺度参数为250，获得风格结果出现植被过分分割情况，需根据不同类别设置相应尺度参数，植被类别分割尺度参数为300，紧致度为0.5。非植被类别分割尺度参数为200，紧致度为0.5。对非植被类别像斑风格，使各类像斑同质性增强，将两期影像分割结果叠置分割，获取对应影像像斑。大多数像斑通知性较强。

采用基于类间距离特征选择法，对初始化特征空间优化，对影像像斑分类，利用最邻近分类算法，对2014年影像像斑分类，对两时期影像对应像斑类别变化检测，80%发生变化像斑可成功检测。将基于像斑变化检测结果转移到矢量图斑，如有像斑变化认为图斑变化。

5 结语

地理国情监测是关系民生重大项目，开展地理国情监测要在实践中不断改善，注意对新技术的研究应用，高效实现预期目标。GIS 技术在地理国情监测中应用可掌控自然人文地理要素，为国家做出科学发展规划提供参考依据，对我国社会经济发展具有重大意义。本文针对遥感影像与矢量数据套合差异问题，提出多尺度分割算法获取同质像斑，利用历史矢量变化检测法检测，方法原理简单，具有良好应用前景，变化检测结果为比较前后期对应像斑类别是否相同，在当前后期影像响应光谱等差别较大时刻进行。矢量数据信息引入促进遥感影像分割变化，使遥感影像分析转化为具有先验知识的再认识过程，使影像分析变为通过影像鉴别过程。