3S技術在遼寧省海島地名普查中的應用

雷利元,張 笑,尤廣然,趙東洋,吳英超

(遼寧省海洋水產科學研究院,遼寧 大連 116023)

0 引 言

近年來,隨著現代技術的迅速發展,3S技術即遙感技術(RS)、全球定位系統(GPS)和地理信息系統(GIS)在軍事、民用領域得到了廣泛的應用。美國是最早應用3S技術的國家,70年代初期首先應用于軍事,在導航、情報收集、核爆監測、應急通訊和氣象衛星、環境保護等領域走在世界前列[1]。隨后世界各國競相研發,3S技術日趨成熟,是軍事領域不可或缺的手段,同時在民用領域,如在國土資源調查與管理[2]、城市規劃[3-4]、車船導航[5]等方面應用也十分廣泛。3S技術可以說是科技領域中的一場革命,它的發展與應用對今天的數字化和信息化建設具有重大意義[6]。

3S技術也是科學研究的重要手段,它改變了傳統的調查方法,具有更直觀、數字化、信息化的特點,也是目前大范圍調查、區域調查的首選方式。本文所探討的遼寧省海島地名普查采用了3S技術,運用RS技術解譯影像獲取海島位置、面積、岸線長度、植被類型等基礎數據、利用GPS技術快速準確導航定位和測量歷史文化遺跡、燈塔、碼頭等海島特征地物點、在GIS平臺上進行海島地名信息和地理基礎數據的集成及數據信息化建設,全面展示了遼寧省海島地名普查成果。

1 3S技術在遼寧省海島地名普查中的應用

遼寧省海島地名普查作為全國海域海島地名普查工作的重要組成部分,按照國家和遼寧省有關要求必須在全部外業現場調查的基礎上,確定全省海島數量,查清海島地名現狀,掌握海島基礎地理要素、社會屬性和生態環境,包括海島地理位置、岸線長度、陸域面積、近陸距離、高程、居住人口、開發利用現狀等,同時要求按規定程序對海島進行命名、更名等名稱標準化處理,同時開拓性的設置海島名稱標志和建立海島地名信息系統[7]。

1.1 RS技術應用

遙感技術(RS)主要用于獲取海島的地理位置、量算海島面積與岸線長度、識別植被類型和制作外業實地勘測時的調查工作圖。應用方法是把前期收集到各個時期的遙感影像圖通過GIS,識別海島及提取其位置坐標,量算海島面積和岸線長度,解譯植被類型,形成外業調查遙感目錄及地理基礎信息數據層,作為外業實地普查目錄一個重要的數據源和不可或缺的參考資料。它與前期各種史志文獻資料整理和海圖、地形圖矢量化形成的資料整理目錄進行疊加研究,形成最終的完整的海島外業普查目錄,同時這種研究跟實地調查相結合對調查方案的制定、對調查路線、調查目標的確定及實施將非常具體和高效。同時根據海島在遙感影像中顯現的形狀進行海島命名、更名,成為海島名稱標準化處理一種重要途徑和手段。另外,在對海島的判別、面積和岸線長度量算和植被類型分析中遙感技術因受遙感影像成像瞬時性、海洋潮汐潮差等影響,應用受到了一定限制。

1.2 GPS技術利用

全球定位系統(GPS)主要用于現場識別海島導航定位、繞島記錄航跡線及登島勘察測量。因在GIS中將外業調查的遙感目錄與資料整理目錄進行疊加形成外業普查目錄的信息來源中,在各個時期的史志文獻資料中存在歷史資料不盡詳細和準確可信,圖形圖件資料中存在坐標系不明確或者不統一以及紙質圖件矢量化過程中的誤差,遙感影像提取的信息受其成像時間和空間精度的影響,一些信息的準確性、完備性不全面,尤其可能存在尚未掌握的海島及地名信息,如何判斷、界定和甄別這些信息,按照調查實施方案運行研究課題,一是需要現場勘察和確認,特別部分海島面積小,靠人的視野很難辨別,這就需要通過GPS的導航定位到現場確認和判別海島體是否存在或者滅失。二是按照調查規程的要求利用GPS技術在繞島過程中記錄航跡線和登島調查時測量海島的地理位置、名稱標志、歷史文化遺跡、碼頭和燈塔等海島特征地物點及島上的開發利用現狀。三是外業調查中使用的數碼照相機帶有GPS定位模塊,現場拍攝的照片具有地理坐標信息,通過特定的GIS能對現場拍攝的照片進行實時定位和查詢拍攝地點的地理坐標。在外業勘查測量時,登島調查的測量數據,獲取的準確度及可靠性較好把握,但由于部分海島面積小、島體陡峭,周邊海域暗礁眾多,無法靠近和登陸,在測量上特別是確定海島地理位置方面遇到一些技術上的問題需要解決,采取與GIS、RS技術聯動的方法,即在海上記錄繞島航跡線、測量明顯地標物位置及其與待測島嶼的距離、方位,通過GIS和與現場描繪的相對位置草圖比對進行推算。

1.3 GIS技術的應用

地理信息系統(GIS)主要用于生成外業調查遙感目錄、資料整理目錄和最終外業普查目錄,建立地名信息數據層和對海島地名信息和基礎數據的補充修正,同時也是海島地理基礎數據遙感信息的獲得如海島位置、面積、岸線長度和植被類型,GPS數據錄入與處理,海圖和地形圖的矢量化和數字化,數據的管理與分析等的必備手段。GIS在海島地名普查中數據管理、研究和制圖、成圖中顯示了明顯的優勢,并對各類信息進行對比、搜尋、疊加,對調查工作和方法進行了強勢補充。建立了海島地名信息系統,實現了強大的查詢、顯示、分析、統計和輸出等功能,以快速、便捷和圖文并茂的形式彰顯了遼寧省海島地名信息和海島基礎數據,為實現海島管理科學化、信息化、數字化奠定了堅實的基礎。

2 3S技術在遼寧省海島地名普查中的效果

2.1 數據數字化

因收集的史志類、專項調查、海圖、地形圖、專題圖等資料,以紙質資料為主,分屬各個不同歷史時期,大都陳舊不全,精度不一,數據分散、信息化水平低。通過GIS技術對史志類的文獻資料,進行地名數據的定位、提取地名信息,對海圖、地形圖、專題圖等紙質圖件資料,進行掃描配準和矢量化,建立了較高效、規范的數字化工作流程,先后處理了上萬頁書籍和近千張圖紙,梳理遼寧全省海島地理實體點位近4 000個。把海量、繁瑣、多源的文字資料和圖件數據處理成規范、科學、數字化的數據層,制作了海島外業調查工作圖,作為外業實地核查、勘測的重要組成部分和不可或缺的調查工具,不但大大減少外業作業人員的繁重勞動,同時保障了外業工作高效高質的順利進行。

2.2 數據集成信息化

通過3S技術的使用,經過近4年的時間,完成了遼寧省海島地名普查。并且結合數據庫技術和GIS軟件平臺,在綜合考慮系統通用性、兼容性、功能性的基礎上,對遼寧沿海17個縣市區636個海島的3萬余項屬性數據和上萬張照片進行了集成,建立了遼寧省海島地名信息系統,增加遼寧省海島地名信息前期調查成果的顯示度與可用性,保證了成果數據的規范與統一,為全國海島地名普查數據的整合、銜接創造了條件。同時,促進了對海島使用的時空分布、變化規律、結構與布局的認識,為遼寧省海島保護規劃、海島整治與修復和海島單島規劃與單島開發方案提供了技術支撐,實現了海島管理的科學化、系統化、可視化和業務化的管理水平。對促進海島開發的合理有序性,促進海島資源可持續利用和海洋經濟的健康發展,對提升海島管理、執法和海島服務水平具有積極意義。

2.3 數據準確性高

采用3S技術,通過實地勘察和衛星、航空遙感相結合的方法,首次實現了全省海島的全部現場調查,獲取了有史以來最準確的第一手海島基礎資料,摸清了全省海島家底,確定全省共有海島636個,有居民海島44個,無居民海島592個。全省海島岸線總長約920 km,其中渤海海域海島岸線長約375 km,黃海海域海島岸線長約545 km.全省海島面積約505 km2,大部分海島面積小,面積10 km2以上的海島有9個、海島面積約430 km2,5 km2～10 km2海島2個,1 km2～5 km2海島19個,0.5 km2～1 km2海島12個,500 m2～0.5 km2海島337個。離岸距離小于5 km的海島300個,離岸距離為5 km～10 km的海島69個,離岸距離10 km～50 km的海島228個,離岸距離大于50 km的海島39個。

2.4 3S技術在遼寧省海島地名普查中的使用特點

3S技術在陸域的應用較為廣泛,但在海島地名普查調查中首次采用,由于受海洋潮汐和海島特性的影響,3S技術在應用時和陸域有所不同,如陸域在遙感影像中地物表現出的形狀、大小等解譯標志比較穩定,界標明顯,但海上卻有其顯著的特點。

2.4.1 海島的判別和面積、岸線長度量算需要借助GPS技術

雖然根據遙感影像的紋理、色調和形狀等解譯標志可以較好的判別海島、量算面積和岸線長度、識別植被類型,但在實際調查過程中,受空間分辨率的影響,影像圖上有許多相似的地物如艦船和較大面積的漂浮物干擾判斷,再加上歷史資料不詳盡,僅僅依賴遙感影像不能準確地識別,另外,由于遙感影像成像的瞬時性,落潮時的低潮高地可能被識別為島嶼。其次因島體形狀受潮汐潮差的影響,在遙感影像圖上量算海島面積和岸線長度時,數據會存在較大誤差。又因遼寧地處北方,夏冬季節分明,尤其是冬季有冰期,在解譯植被類型如草叢、灌木、喬木的過程中受到一定的限制,則需要借助GPS導航定位到現場實地判別和勘測。

2.4.2 集聚分布海島的確定方式

所謂集聚分布海島,一般指距離較近成群分布的海島,因遼寧以基巖岸線為主且多基巖島,在大陸海岸線或一些基巖島附近三五成群分布著類似的島嶼,且無土壤和植被,僅由幾塊巖礁組成,島與島間距近,甚至不足1 m.因島體面積小,受遙感影像空間精度的影響無法量測海島面積和岸線長度,甚至無法判別,再加上島體陡峭,周邊海域暗礁眾多,無法靠近和登陸。在外業調查時,通過繞島記錄整體航跡線,繪制外業調查草圖,在圖上標明各個島嶼的位置和大致方向,通過附近大島或者大陸拍攝不同角度全景照和視頻作為參照。另外,就是測量聚集性分布海島周邊明顯標志物的位置,通過測距儀和指南針測算出集聚性海島各個島嶼與標志物的距離和方向來推算。再把外業調查所得測量標志物的坐標和記錄航跡線輸入到GIS中,借助附近大島或者地標物的遙感影像,對比外業繪制的工作草圖和帶有拍攝地點地理坐標的全景照片進行研究分析,推算出海島的地理位置,估算出海島面積和岸線長度。

3 結束語

遼寧省海島地名普查作為一次基礎調查,通過GPS全天候、連續、可隨時對地物目標瞬間準確測量和定位,以及RS的即時成像、實時傳輸、快速處理和周期性地觀測獲取地物遙感信息的能力和直觀地判讀地面物體特性,同時把GPS、RS獲取的豐富的地物信息再傳輸給GIS,建立遼寧省海島地名信息系統,實現空間數據和屬性數據的統一管理,及時提供準確的大范圍調查數據,彌補了傳統調查方法在大范圍和區域調查中受自然條件影響、獲取資料速度慢、周期長等缺陷,確保了普查工作的現勢性、數據獲取的準確性,是海洋傳統調查方法的新突破,效果明顯,實用性強,為普查工作節省了大量人力、物力和財力,提高了工作效率,保證了工作質量,實現了普查工作的科學化、規范化、數字化和信息化。

[1]林修錟.“3S”技術在新一輪土地利用更新調查中的應用方案探討[J].福建地質,1997(2):97-101.

[2]邊志華,李曉英,徐德軍,等.3S技術集成在國土管理工作中的應用[J].地理空間信息,2006(4):43-46.

[3]秦 奮,余明全,王家耀.3S技術在土地利用規劃中的應用[J].河南農業科學,2006(3):72-76.

[4]尚春明,楊洪濤.3S技術在建設領域的應用研究[J].地理與地理信息科學,2003(2):44-46.

[5]胡鶴民.全球定位技術在車船調度系統中的應用[J].港口科技動態,2001(7):20-23.

[6]雷利元,席小慧,龔艷君,等.3S技術在遼寧省海域使用現狀調查中的應用[J].水產科學,2011,30(2):122-125.

[7]全國海域海島地名普查工作領導小組辦公室.《全國海島地名普查工作手冊》[R].2010年.