Google Earth在“3S”技術課程實習中的應用①

摘 要：“3S”技術的教學內容廣泛，涉及面廣，為了使學生能夠將所學的理論理解和掌握，在教師的指導下，學生在從Google Earth下載實習區的高精度影像的基礎上，通過對影像的拼接、注冊、信息提取和專題圖的制作，探討了該課程的實踐教學方法，以提高“3S”技術課程的教學質量。

關鍵詞：Google Earth “3S”技術 課程實習

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）07（a）-0153-02

“3S”技術是全球定位系統（GPS）、遙感（RS）和地理信息系統（GIS）三項技術的總稱，作為實時、客觀獲取空間信息的新興技術手段，遙感和全球定位系統成為地理信息系統的重要數據源，Google Earth（以下簡稱GE）軟件的出現，解決了目前高精度圖像難獲取、費用高的問題。Google Earth是美國Google公司于2005年6月推出的全球地理信息系統搜索軟件。它是一個免費的衛星影像瀏覽軟件，以各種分辨率的衛星影像為最基礎數據集成，采用了成熟的寬帶流技術，能實時地為用戶提供數據，GE上的全球地貌影像的有效分辨率至少為100 m，通常為30 m，針對大城市、著名風景區、建筑物區域提供分辨率為l m和0.6 m左右的高精度影像，并提供任意地點海拔數據，可生成三維視圖并能任意旋轉[1～2]。GE的出現吸引了大量的普通大眾，GIS的應用從專業化、學術化開始大規模走向普通大眾。在短短的5年時間里，基于GE的地理信息開發與應用研究在各行業展開，朱超平[3]探討了基于GE繪制校園平面圖的方法，劉家興[4]基于GE建立了野外實習基地數字化教學模型，李娟[5]探討了基于GE的旅游規劃技術，郭仲樸[6]概述了GE和GPS集合應用于林業調查，于冰[7]探討了以GE為平臺，構建三維GIS的方法等。

在高校，“3S”技術是一門代表科技前沿的實踐性極強的新興課程，為適應新世紀高科技的迅猛發展和滿足社會各行業、各部門對“3S”技術專門人才的需求，必須培養在校大學生具有在高科技領域工作的綜合能力。由于“3S”技術的教學內容廣泛，涉及面廣，國內外均沒有相應的專業教材作為參考，大多數教學單位使用的“3S”技術相關的教材，主要編寫于20世紀90年代初甚至更早，使其與相關領域日新月異的發展脫節[8]，在這樣的背景下，一種新的能夠在有限空間和有限時間里，培養學生趣味性、互動性、實踐性，利用現代化技術手段獲取知識和信息的教學模式亟需出現。本研究利用Google Earth獲取高精度地面遙感數據，通過遙感軟件對其進行校正，GIS對信息進行提取、加工，利用GPS進行野外調繪，使學生能夠理解所學的理論知識，而且能夠熟練運用到實踐中，通過實習學生可以掌握利用“3S”技術解決問題的方法。

1 遙感數據的獲取與處理

1.1 衛片的下載

實習區域為新疆農業大學校園，首先需要獲取該區域的遙感影像。Google Earth以高分辨率衛星影像和航片為基礎數據，能夠快速的確定主要位置，清晰的看到所指定的社區環境。在GE主界面左側的管理面板中點擊“Search/Fly To”標簽，直接輸入烏魯木齊市的英文名稱Urumqi，然后點擊“搜索”按鈕即可，然后根據方位與圖像特征找到研究區域（新疆農業大學）。

為了獲得高精度的衛片，將衛片盡量放大至地理要素的細節清晰可辨（空間分辨率1 m左右），當圖像下載進度達到100%時，點擊File菜單下的Save—Save Image即可保存顯示的圖片，共下載了108張衛片。下載圖像時應注意該遙感圖像只有中間區域分辨率高，所以為了保證遙感圖像的高精度，保存圖像時應保留一定的重疊區域，而且移動視窗時要保持比例尺一致。

1.2 衛片的拼接

由于GE中影像數據只經過坐標系統的糾正，統一到虛擬地球中，影像的色彩和拼接沒有進行特別處理，沒有追求專業地理信息公司所要求的數據無縫集成[9]，因此，需要對下載的圖像進行旋轉、裁切、拼接等操作，這些工作可以利用Photoshop軟件來完成。

Photoshop是Adobe公司旗下最為出名的圖像處理軟件之一，集圖像掃描、編輯修改、圖像制作、圖像輸入與輸出于一體的圖形圖像處理軟件。專業遙感圖像處理軟件可進行影像的輻射增強、色彩處理和拼接等，但是處理過程復雜，成本太大。而Photoshop作為一種國際上通用的圖像處理工具，操作簡便，圖像處理工具比較齊全，工作效率和處理效果都不錯，因此，慢慢被遙感技術人員所推崇，在圖像數據輸入輸出、色彩調整、遙感影像糾正融合、鑲嵌和裁切、濾波和數字分析等方面使用廣泛[10]。

1.3 衛片的注冊

地理信息系統軟件支持的是具有真實空間參考信息的地理要素和地理現象，而通過Photoshop軟件處理、拼接的遙感影像圖沒有這一信息，需要經過專業遙感圖像處理軟件對其進行注冊，注冊方法有兩種。

方法一：利用Google Earth中的自帶工具，給研究區衛片添加經緯網格，設置與下載圖像的相同比例尺，在研究區搜索特征地物點，如道路的交叉點，噴泉的中心、國旗桿等、讀出鼠標所指處的經緯度值，在ENVI軟件中，利用Registration→Image to Map功能進行影像的注冊。

方法二：在校園中找尋特征地物點，用GPS定位，記錄每個特征點的經緯度，然后在ENVI軟件中進行影像的注冊。GPS定位時注意避開高大的建筑物，在開闊地上進行。

對遙感圖像進行注冊時，控制點的數量盡可能多，并且盡可能的分布均勻，以保證精度，最后把注冊好的影像存為JPEG或Geo TIFF柵格數據格式。

2 基于GIS的專題圖的制作

地理信息系統軟件普遍支持多種格式的柵格數據，在GIS軟件中打開已注冊的遙感影像。

2.1 遙感圖像的解譯和空間信息的提取

由于此遙感圖的分辨率較高，且接近于真彩色，學生對學校較熟悉，所以對圖像以目視解譯為主。首先對地物進行分類，可分為學生公寓，教學樓，家屬區，主要道路，學校餐廳等，然后沿地物的邊界進行數字化。

2.2 信息收集

指導學生有目的地收集各地理要素的相關信息，如：家屬樓的單元號、樓層數、建筑結構等信息；學生公寓的樓層數、入住人數；道路的名稱等。同時指導學生用數碼相機拍攝可以反映地物特征的照片，利用圖像編輯軟件將照片格式另存為GIF格式。

2.3 屬性數據的編輯

在GIS中，矢量圖形與屬性數據庫是一一對應的，在屬性數據庫中添加字段，將收集到的信息添加到屬性數據庫中。

部分GIS軟件支持多媒體信息的展示，如ArcGIS提供熱鏈接（hot link）功能。Hotlink先在屬性表中設置一個字段存放圖片等多媒體信息數據的地址，然后在theme→properties下設置hotlink的field等屬性，可以實現專題與照片對象的熱鏈接。一旦定義好熱鏈接之后，在地圖上點取一個要素符號，就立即會彈出進一步說明該要素的資料來。

2.4 專題地圖的制作

2.4.1 校園平面圖的制作

將圖層按照符號、線劃在上，面積色在下，最下層為底色的原則排列，根據圖層所反映的地物特點，定義每一個圖層的顯示樣式（邊框樣式、填充樣式、顏色樣式），利用label功能定義標注地物所用的字段，實現地物的自動標注，制成校園平面電子圖。

2.4.2 遙感專題圖的制作

將數字化的矢量圖形不顯示，僅對遙感圖上的要素進行文字標注，即形成校園遙感專題圖。

將電子圖進行必要的圖面設計與修飾，在GIS軟件的Layout中設定出圖比例尺即可打印輸出成紙質地圖。

3 GPS定位技術的應用

實習中，GPS技術的應用體現在兩點：第一，在注冊遙感圖像時使用GPS獲取地面控制點的坐標；第二，Google Earth所發布的影像一般不是最近期的，現勢性有些滯后，因此，需實地使用GPS測出地物的特征點，在GIS中進行增補。

4 結論

通過實習使學生能夠學會利用互聯網搜集遙感影像，并將其下載保存。掌握GPS的使用原理，使用方法。鞏固了遙感的基本原理，增強了目視解譯能力，鍛煉了遙感圖像處理軟件常用功能的操作和應用能力，掌握了地理信息系統軟件的使用和專題圖的制作方法。

該實驗作為一門綜合性設計性實驗，一方面充分調動了學生的學習興趣；另一方面也提高了學生的動手解決問題的能力，真正做到理論聯系實際，教學結合生產。這門實驗課在提高“3S”技術課程的教學質量的同時也深受學生的喜愛。

參考文獻

[1]王東，趙忠賢.Google Earth使用詳解[J].工程地質計算機應用，2006，41（1）：23-31.

[2]唐東躍，熊助國，王金麗.Google Earth及其應用展望[J].地理空間信息，2008，6（4）：110-113.

[3]朱超平，王海濱，周亮，等.如何利用Google Earth繪制校園平面圖——以湖北大學為例[J].湖北大學學報：自然科學版，2008，30（1）：93-96.

[4]劉家興，蔡砥，鄭芷青.基于Google Earth的“地理野外實習基地”數字化教學模型研究[J].廣州大學學報：自然科學版，2009，8（5）：41-45.

[5]李娟，郝志剛.基于Google Earth虛擬地球平臺的旅游規劃研究[J].國土資源遙感，2010，1：130-133.

[6]郭仲樸，王金枝，韓麗麗.Google Earth和GPS在林業調查中的應用[J].天津農林科技，2010，2：34-35.

[7]于冰，徐柱，劉國祥.Google Earth支持下校園真實感三維建模方法及應用[J].測繪工程，2010，19（1）：61-64.

[8]王功文，陳建平.“3S”技術課程在地球科學領域中的教學實踐探討[J].中國地質教育，2007（1）：54-56.

[9]李黎，胡曉波，李劍.Google Earth面面觀[J].中國測繪，2006（1）：64-67.

[10]劉偉華，黃健.利用Photoshop進行遙感影像的色彩處理[C]//2005數字江蘇論壇——電子政務與地理信息技術論文專輯.2005：206-208.