“數字塔河”生態遙感監測的關鍵技術

賴百煉

(1.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安740064;2.中煤航測遙感局，陜西西安710054)

“數字塔河”生態遙感監測的關鍵技術

賴百煉1，2

(1.長安大學地質工程與測繪學院，陜西西安740064;2.中煤航測遙感局，陜西西安710054)

闡述新疆塔里木河流域數字生態環境建設中的幾項關鍵技術，該技術對生態環境遙感監測系統研究具有重要的借鑒作用，對“數字流域”建設也具有一定的參考價值。

生態環境;遙感監測;信息提取;系統集成;無縫鑲嵌

一、前 言

近年來，國家投入180多億元對新疆塔里木河進行綜合治理，在“數字流域”的框架下，以生態環境遙感監測為主線，應用3S集成技術，建立生態環境數據采集、傳輸、儲存管理、動態監測、分析預警等子系統是其中的重要工作之一。在兩年多的“數字塔河”項目研發中，筆者根據塔里木河流域生態環境及相關因素的數據現狀和未來發展趨勢，采用遙感信息自動提取技術、遙感與GIS集成技術、空間數據無縫鑲嵌技術、海量空間數據管理技術、基于數據流的系統集成技術及基于WebGIS的信息共享技術，以數據集成為中心，各子系統間數據流動關系為紐帶，把整個系統集成為基于子系統數據間關系緊密、物理結構松散的組件式系統，為“數字塔河”建設奠定了良好的基礎。

二、“數字塔河”研發中的幾項關鍵技術

1.遙感信息自動提取技術

遙感的根本目的是為了從圖像上提取信息。從衛星遙感圖像中提取土地利用等信息的方法可以歸納為3種類型:① 由計算機自動完成，主要以光譜數據提取與土地利用相關的特征參數，并設計相應的分類模型，以達到分類的目的;② 人工目視解譯方法，運用專家知識實施綜合解譯;③ 人機相互結合的交互式解譯方法，由此提高解譯的效率和精度。由計算機自動完成的遙感信息自動提取是遙感應用領域一個重點的研究和發展方向，目前國內外在該技術的研究和探討僅局限在范圍較小的區域內，雖然也有很多的技術方案和算法，但離實際的生產需求仍有很大差距。遙感信息的提取精度問題一直是困擾遙感信息自動提取應用推廣的技術瓶頸，主要表現在兩個方面:① 遙感信息本身的同譜異物和同物異譜現象，以及待提取地物單元在數字遙感影像上色調、紋理、形態上的復雜性，都給信息自動提取帶來了很大的困難;②當前遙感信息自動提取技術大多還停留在試驗階段，算法以及參數設置等都不成熟，可操作性較差。因此，要將信息自動提取技術應用于生產較實際確實面臨許多技術上的難點［1］。

新疆塔里木河流域地域寬廣，地勢較平坦，地物類型相對單一，所要提取的耕地、林地、天然草地、沙漠等地類影像特征清晰，且空間分布規律明顯。這在我國其他地區是不多見的，尤其是在我國植被覆蓋多，地類混雜的東南、西南地區，有很多地類人工目視解譯都很難區分。因此，在新疆塔里木河流域進行信息自動提取具有得天獨厚的優勢。

遙感信息提取的精度決定了整個塔里木河流域生態動態監測與分析的效率，而“數字塔河”項目采用了多種技術手段保證了遙感信息自動提取以及修編后的精度，其中包括圖像自動提取算法設計、圖像處理一致性、解譯參考完整性、人工修編規范性等方面。從信息自動提取算法的角度講，算法要求嚴密、先進，但必須具有通用性。綜合國內外相關信息提取算法，再結合新疆塔里木河流域地物特征，筆者采用了分級分類的分類思想。所謂分級分類就是按照級別來一級一級劃分，對于一個待分類的遙感影像，首先可以區分為兩個大類:植被類與非植被類或是水體類與非水體類，而后在下一級的時候再考慮在植被類里面劃分林地、灌木、草地、農田等。一方面，這樣分類看似簡單，卻合乎我們通常的認知過程，可以避免在一些大類別上的劃分錯誤，同時可以縮小劃分某一地類時的考慮范圍，大大提高了分類的精度。另一方面，對于最低一級的類型劃分采用監督分類的思想，依據知識庫中所建立的對應地類的解譯標志、地物樣方、地物光譜等之間的對應關系，選擇對應地類的樣方信息。最后再經過主要/次要分析、集群分析等分類處理后即可得到某一專題的自動提取結果。筆者針對植被覆蓋度、植被類型、土地沙質荒漠化、土壤鹽漬化和土地利用5個生態環境專題各自不同的專題特征，建立了5個專題的信息自動提取流程。

2.遙感與GIS集成技術

隨著遙感技術的發展，遙感數據源的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率都有了長足的進步。新型、海量的遙感數據使人們能夠獲得大量更加真實、準確的信息，并且與傳統的地圖數據采集過程相比，成本大幅度降低，數據更新周期顯著縮短。因此，遙感數據已逐漸成為GIS的主要信息源和實時更新數據的重要保證。RS與GIS、GPS的集成，使得人們能夠實時地采集數據、處理信息、更新數據以及分析數據。它們之間的集成，不僅實現了互補，而且產生了強大的邊緣效應，將極大地增強以GIS為核心的綜合體系的功能［2］。

生態環境遙感監測子系統比較好地集成了遙感圖像的各種處理功能以及矢量數據的分析功能，形成了一個完備的生態環境監測、分析系統。從對遙感影像的校正、鑲嵌、裁切、拉伸、融合等操作，到植被、沙質荒漠化、土壤鹽漬化和土地利用等生態環境專題的信息自動提取，以及遙感信息提取所必需的遙感知識庫查詢和管理，再到基于柵格數據的圖像對圖像和分類圖對分類圖動態監測，構成了完整的基于遙感影像處理的柵格數據處理平臺;從矢量專題數據的后期修編，到多期專題數據的動態分析，再到支持不同區域不同屬性的查詢統計，構成了比較完備的基于矢量數據的處理平臺。遙感監測子系統很好地實現了兩個平臺的有機集成，遙感信息自動提取的結果可以直接輸入到數據管理中，而數據管理模塊中調入的柵格數據也可以應用于遙感影像的處理中。

3.空間數據無縫鑲嵌技術

空間地理數據的表示主要有柵格和矢量兩種不同的形式。柵格形式是將地理表層空間劃分為一系列網格，空間目標由這些網格的位置及其量化值來表示;矢量形式則是將地理空間的一切事物、概念進行抽象，形成點、線、面，由點、線、面來組成各類空間目標。由于數據獲取、數據表達、地圖投影等方面的原因，在計算機世界里，地理信息往往被表示成不連續的子空間，為了更好地模擬客觀世界，人們需要將其處理成連續無縫的數據［3］。

塔里木河流域地域廣闊，地理坐標介于東經73°10'～94°05'，北緯34°55'～43°08'之間，東西跨越了4個6°帶，而通過數據采集系統所采集的各種基礎圖件都是分幅的，并且采用的是平面直角坐標系統。如果將這些數據直接入庫將會在跨帶處產生縫隙，不能形成邏輯意義上完整的河流表現，也無法完成基于整個流域的生態環境分析。因此，必須采用相應的數據處理與建庫技術，實現塔河整個流域數據的無縫集成管理，使之形成統一的整體。

4.海量空間數據管理技術

隨著對地觀測技術的飛速發展，快速獲取高分辨率遙感影像已不再困難。高分辨率意味著大數據量，對于同一地區不同分辨率的遙感影像，分辨率越高，數據量越大，兩者之間并不是簡單的線性增加，而是呈指數倍增長。塔里木河流域生態環境動態監測系統所采用的基礎數據源就是多種分辨率的遙感影像，包括TM/ETM+、SPOT 5、QuickBird等。這些原始的基礎數據經過融合、鑲嵌等處理過程，形成的成果也是影像數據，可以直觀地反映出塔里木河流域生態環境的變化情況，也是其他專業應用子系統進行分析的基礎。因此，所產生的遙感影像成果應存入綜合數據庫中，并實現數據的快速查詢、調用。此外，塔里木河流域所采集的數字高程模型(DEM)、數字正射影像圖(DOM)、數字柵格圖(DRG)等基礎數據也有著較大的存儲量，這些數據都可以歸類為柵格結構的數據。因此，海量空間數據管理技術，最重要的就是對遙感影像等柵格結構數據的存儲管理［4］。

塔里木河流域綜合數據庫系統對遙感影像、數字高程模型(DEM)、數字正射影像圖(DOM)、數字柵格圖(DRG)等柵格數據均建立了獨立的存儲表空間，為了獲得高效率的存取速度，在數據的組織上使用了金字塔數據結構和網格分塊數據結構，并對影像數據進行了壓縮，以縮短數據抽取時間。以高分辨率為底層，通過逐級抽取數據，建立不同分辨率的影像數據金字塔結構，并逐級形成較低分辨率的遙感影像數據，以便在數據查詢檢索時，調用合適級別的遙感影像數據，提高瀏覽和顯示速度。這種方法通常會增加20%左右的存儲空間，但卻可以提高影像數據的顯示速度。

5.基于數據流的系統集成技術

系統集成是大型應用系統建設必須考慮的一個問題。它是一個廣義的概念，包括了硬件系統的集成、軟件模塊的集成、軟件與硬件的集成、基礎平臺軟件與開發軟件的集成等。本系統所說的基于數據流的集成，主要是解決各子系統之間數據、功能的協調統一，通過數據流使得所開發的4個應用子系統形成統一的整體，完成塔里木河流域生態環境從數據獲取、分析到信息發布的整個過程［5］。

塔里木河流域生態環境動態監測系統由于要完成不同的功能操作，在結構上采用了劃分子系統(功能模塊)的方法，由各子系統完成特定的功能，并通過數據庫系統進行關聯，這是一種“數據緊密關聯，功能獨立松散”的連接關系。系統集成的關鍵就是圍繞著數據進行集成，通過數據集成以及成果數據流時序的檢測控制實現整個系統的集成。

塔里木河流域生態環境動態監測系統是一個涉及多種應用需求的綜合系統，在運行時需要大量的數據作為支撐。本系統采用數據倉庫和中間件相結合的模式進行系統數據集成，總體結構采用數據倉庫方式，所有數據集中存儲在綜合數據庫中，這樣有利于實現數據的共享，系統同時也可使用中間件數據集成技術，并通過中間件管理系統實現對數據請求的響應。

6.基于WebGIS的信息共享技術

隨著計算機網絡技術與GIS技術的發展，Web-GIS技術為當今空間數據的共享提供了一種全新、跨越時空、快捷、有效的手段。從理論上講，在Web-GIS環境下，對各種空間數據只要依據統一的數據共享標準和規范進行適當的改造，就能在互聯網中自由地存取、發布和共享。但由于空間數據的復雜性，使得在空間信息共享中，還面臨各種各樣亟待解決的問題，其中之一就是如何為各種Web用戶提供均質、集成和無縫鏈接的時空數據，從而實現由數據的檢索、查詢和信息共享到規律的認識和知識的發現，真正使有限的數據成為服務于社會的“無限知識”［6］。

“數字塔河”項目選用Esri公司的ArcIMS為地理信息發布平臺軟件，并通過ArcSDE空間數據引擎訪問空間數據庫。ArcIMS是Esri公司開發的一個基于Internet的成熟GIS平臺，Esri公司的地理信息系統軟件和數據格式已經成為業界的通用標準，許多國家和行業選擇Esri公司的系列軟件建立專業的GIS應用系統。ArcIMS允許集中建立大范圍的GIS地圖數據和應用，并將這些結果提供給Internet/Intranet上的廣大用戶。

“數字塔河”項目采用間接信息提供方式，通過ArcIMS提供的ArcXML語言進行定制開發，除了編輯功能以外，幾乎所有的 GIS功能都可以在以ArcIMS為核心開發的WebGIS系統中實現。ArcIMS建立的WebGIS系統通過Esri公司的空間數據引擎ArcSDE在后臺數據庫Oracle服務器中檢索空間數據，并通過服務器端或客戶端的分析，為客戶端提供空間數據查詢服務。

三、結束語

“數字塔河”項目經過兩年多的研發，其成果已經廣泛運用于塔里木河管理局的日常管理工作，產生了良好的社會效率和經濟效益。采用分級分類的思想，實現了塔里木河流域的土地利用、荒漠化、植被、鹽漬化等專題信息的自動提取，具有較好的推廣價值。采用數字倉庫管理技術、空間數據與屬性數據一體化技術、多源數據無縫集成、海量空間數據儲存技術等，為數字塔河建設奠定了良好基礎。

［1］ 明冬萍，駱劍承.高分辨率遙感影像信息提取與目標識別技術研究［J］.測繪科學，2005，30(3):18-20.

［2］ 羅睿，張永生.遙感影像數據模型及影像數據庫的建立［J］.測繪學院學報，2000，17(4):273-276.

［3］ 王卉，王家耀.無縫GIS的概念框架［J］.測繪通報，2004(10):23-26.

［4］ 王卉，王家耀.無縫GIS發展的兩個關鍵技術［J］.測繪通報，2002(4):10-11.

［5］ 張顯鋒，崔偉宏.集成GIS和細胞自動機模型進行地理時空過程模型與預測的新辦法［J］.測繪學報，2001，30(2):148-155.

［6］ 龔健雅.當代地理信息系統的發展趨勢［J］.東北測繪，2002，25(4):10-15.

Key Technology of Ecological Remote Sensing Monitoring for Digital Tarim River

LAI Bailian

0494-0911(2011)08-0036-03

P237

B

2011-04-12

賴百煉(1964—)，男，江西寧都人，博士生，教授級高級工程師，主要研究方向為攝影測量與遙感。