“3S”技術在地理國情監測中的應用

□ 吳 帆楊俊艷

（1.臨汾市測繪院，山西臨汾041000；2.太原市基礎地理數據中心，山西太原030009）

“3S”技術在地理國情監測中的應用

□ 吳 帆1楊俊艷2

（1.臨汾市測繪院，山西臨汾041000；2.太原市基礎地理數據中心，山西太原030009）

地理國情監測是一項復雜的系統工程，“3S”技術綜合集成應用在地理國情普查中有著重要的基礎和技術支撐作用。本文主要闡述了“3S”技術在地理國情監測中的外業核查、數據獲取、信息處理挖掘分析和信息發布共享等方面的應用。

地理國情監測；“3S”技術

1.引言

國情信息是國家編制國民經濟發展規劃，確定社會經濟發展的戰略部署和重大方針政策的基礎[1]，而地理國情作為國情體系的有機組成部分，是提高國家宏觀調控科學性、進行科學管理決策的需要。我國地域廣闊，地理要素和地表覆蓋等信息都比較復雜，而且，社會、經濟發展迅速，地表的地理信息變化頻繁，對開展地理國情監測有著迫切的需求。而將遙感、地理信息系統、衛星導航定位集成的“3S”技術作為一項新的測繪技術，與地理國情監測的實施有著密切的關系，它可以在地理國情監測中的許多環節中發揮著重要作用。

2.地理國情概述

地理國情監測，是綜合利用全球導航衛星系統、航空航天遙感技術、地理信息系統技術等現代測繪地理信息技術，利用各時期測繪成果檔案，對自然、人文等地理要素進行動態和定量化、空間化的監測，并統計分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢等，形成反映各類資源、環境、生態、經濟要素的空間分布及其發展變化規律的監測數據、圖件和研究報告等，從地理空間的角度客觀、綜合展示國情國力[2]。

地理國情是從空間角度對構成國家社會經濟、自然資源和人類居住環境的各種地理要素的基本情況的反映，其主要內容包括地球表面及其上下一定范圍內的各種自然經濟綜合要素，以及這些要素的特征、空間變化及其相互關系[3]。地理國情監測獲取的地形地貌狀態、土地覆蓋情況、交通狀況、污染物分布、能源資源分布等基本信息，可以為相關的研究分析、統計決策、災害防治與治理等提供基礎的定量化的資料；地理國情監測通過動態的統計地理國情的監測信息、分析地理信息變化情況與相關的要素之間的相互關系，可以為政府決策提供科學依據，監控、評價如土地利用規劃、宏觀調控等政策的實施效果，從而調整完善規劃結構的布局；用地理要素、資源能源分布、交通狀況等地理國情信息作為數據基底，通過整合、集成各類經濟社會信息，可以揭示地理條件和經濟社會發展之間的內在關系，并能夠以量化的地理信息預先判斷其發展趨勢，提升管理決策的科學化水平。

3.“3S”技術概述

“3S”技術是遙感技術（Remote sensing，RS）、地理信息系統（Geography information systems，GIS）和全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）的統稱?！?S”技術是空間技術、傳感器技術、衛星定位與導航技術和計算機技術、通訊技術相結合，多學科高度集成的對空間信息進行采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現代信息技術[4]。

3.1 遙感技術

遙感技術（RS）是指通過衛星、飛機、汽車等各類平臺搭載傳感器接受地物的電磁波譜信息，然后對此傳輸、處理，從而實現對地物遠距離的觀測和識別的技術。遙感技術最大的特點是獲得資料的周期短、現實性強、客觀真實，既可以在較短時間內獲得新的現勢性強的地面影像數據，又可以獲取長期穩定的各種分辨率的影像資料，可以為相關的項目和應用提供現勢性強的基礎資料，而日益完善的遙感影像計算機解譯技術，也能更有效地協助調繪者在室內進行目視解譯，幫助他們提高影像判讀準確率和解譯成果精度，從而減少外業調查工作，提高相關調查工作效率和增強調查成果的現勢性。

3.2 地理信息系統

地理信息系統（GIS）可以看成一個專門存儲、管理、處理地理信息的計算機系統，一般由計算機、地理信息系統軟件、與地理信息結合的空間數據庫、地理信息分析應用模型、圖形用戶界面及專業人員組成。首先，GIS可以將地理信息按需求做分層、分類的管理；其次，GIS可以將原始分層分類數據經過各種組再組合等進行分析、再分析；第三，GIS還能查詢、檢索、修改、輸出、更新地理信息。第四、地理信息系統還有一個特殊的“可視化”功能，通過地理信息系統可以將實體地理要素數字化，并將數字化的地理信息重新直觀地顯示到電腦屏幕上，通過這種原理還可以在屏幕上動態地監測地理信息的變化，成為信息變化監測的可視化工具，清晰直觀地表現出信息的規律和分析結果。

總之，地理信息系統可以系統完善地管理、存儲、更新地理信息數據，并有強大的地理數據編輯和處理功能，能根據需求結合屬性數據對地理信息數據分析和檢索，而且可以將地理信息數字化，并直觀地顯示和輸出。在資源調查、土地規劃及土地利用適應性評價、生態監測評價及規劃、地理數據庫建設與管理、災害監測與預報等方面的地理信息系統技術已得到廣泛的應用。

3.3 全球導航衛星系統

全球導航衛星系統（GNSS），泛指包括全球的、區域的和增強的等所有的衛星導航系統，主要包括四大全球衛星導航系統及其增強系統和其他區域的導航、增強系統，具體有美國的GPS和以GPS為基礎建設的廣域差分系統（WAAS）和區域差分系統（LASS）、俄羅斯的GLONASS和GLONASS系統的衛星導航增強系統——差分校正和監測系統（SDCM）、歐洲的Galileo和通過增強GPS和GLONASS兩個衛星導航系統的定位精度的歐洲靜地導航重疊系統（EGNOS）、中國的北斗衛星導航系統（COMPASS），日本的多功能運輸衛星增強系統（MSAS）和準天頂衛星系統（QZSS）、印度的印度區域導航衛星系統（IRNSS）等。國際GNSS系統是個多系統、多層面、多模式的復雜組合系統。GNSS具有以下特點：（1）全天候、全覆蓋、高精度；（2）多系統兼容互用可交換，L1+L5；（3）多層次增強，由基于全球定位導航系統到基于區域、本地的增強系統；（4）多手段的集成；（5）多功能應用，包括定位、導航、測向、授時等。

4.“3S”技術在地理國情普查中的應用

“3S”技術作為監測的重要技術為地理國情的獲取、分析與發布提供了關鍵的技術支撐[3]?！?S”技術是一種集成技術，它在地理國情監測中的信息定位、地理信息采集、數據處理、數據集成分析、監測成果發布等各個環節有著重要的作用?！?S”技術綜合集成應用在地理國情普查中有著重要的基礎和技術支撐作用。

以多源遙感影像為地理信息提取的數據源，以地理信息系統作為數據疊加分析和信息提取平臺，以全球導航衛星系統為外業核查定位手段，三種技術優勢互補，相互協作，共同為地理國情普查的內業信息提取、外業核查等提供基礎數據支持和技術支撐。

4.1 應用“3S”技術快速定位、獲取地理要素和地表覆蓋信息

與傳統信息獲取方法相比，依靠遙感技術（RS）和全球衛星定位系統（GPS）獲取和提取的信息具有準確、高效、實時、快速、周期性、動態性、全天候等諸多優點，從而能夠保證監測數據的時效性。

隨著信息技術和衛星傳感器技術的飛速發展，衛星遙感影像的種類不斷增多，為地理國情監測地表覆蓋信息提取提供了豐富的遙感數據源。可以針對不同級別的分類類別，可采用不同的空間分辨率與光譜分辨率的影像[5]。

地理國情監測中的大部分地理要素和地表覆蓋信息，均可在優于1米的高空間分辨率影像上識別判斷出來，通過面向像元和面向對象等的遙感圖像分類技術，可以快速提取所需的地理要素和地表覆蓋信息，減少外業時間，提高信息獲取效率。

4.2 應用“3S”技術處理和分析地理國情監測的目標信息

地理國情監測綜合集成了空間信息、相關屬性信息、統計數據、監測分析模型與數據等，信息量龐大，對處理技術的能力和效率要求較高。而地理信息系統（GIS）具有強大空間信息存儲和空間分析的能力，能夠對地理國情監測中的地理要素和地表覆蓋的空間信息和屬性信息以及與之相關的社會文化經濟信息進行集成處理。首先，它可以有效管理、查詢和統計分析地理信息的屬性數據；更重要的是，它可以根據需求對屬性數據和空間信息做集成分析處理，如可視化追蹤分析、最佳路徑分析、二維和三維視線分析和洪水淹沒分析等；而且，它可以對不同時期的信息根據空間位置做疊加分析，從而達到動態分析、監測的效果；還可以通過基于GIS建立的分析監測模型、預測預報模型的開發，從而較為科學準確地展現監測對象在一段時間內的演變過程，為相關的成因分析、評價和治理對策等提供相應的依據和參考。

4.3 應用“3S”技術將監測成果進行快速發布和共享

地理國情監測的最終目的是使公眾能夠及時了解到與自己相關的周圍地理信息的動態變化，方便公眾的日常出行與相關的信息需求；使政府和企業能夠根據地理信息的現狀與變化趨勢等監測信息作出相應的更為合理的決策。而實現這個目的前提是將地理國情監測的各類信息發布，包括在線地圖、影像、圖表以及其他多媒體等方式。應用GIS的網絡發布、共享技術不僅可實現信息資源的遠程查詢和開放共享，使遠程空間分析和處理成為可能，并且GIS的多維可視化技術還能克服人腦對大量數據進行三維（甚至高維）分析的局限性。

4.4 應用“3S”技術的監測信息外業核查

地理國情監測過程中由于數據源的局限性等某些地理信息內業無法準確判斷，外業核查是必須的一環。在外業核查過程中，采用GNSS（常用的為美國的GPS和我國的北斗衛星導航系統）的空間定位、導航技術可以快速方便的定位到核查地理信息所在位置并可以知道所去位置的路線。通過在采集設備（如智能手機、平板電腦等）中存儲相應影像數據和疑問圖斑數據，外業核查人員可以在實地直觀的將內業數據與實地信息作對比，并可以通過采集設備拍攝實地地物照片，為以后開展復核工作和內業后處理提供有效的依據。

5.“3S”技術在地理國（市）情監測的應用實例

5.1 監測區域及數據

本次試驗區選擇了太原市萬柏林區東社約2平方公里的街區。

采用2011年和2013年遙感航片影像進行對比監測分析。2011年真彩色影像如圖1所示，2013年真彩色影像如圖2所示。

圖1 2011年影像

圖2 2013年影像

從影像就可以看出從2011年到2013年監測的變化很大，相對2011年，2013年新建了道路，拆除了一部分低矮房屋建筑，廢棄土地得到進一步的利用。

5.2 監測流程及分析

應用面向對象的遙感影像分類技術和GIS矢量空間分析技術，分析監測試驗區從2011年到2013年土地覆蓋變化情況。流程圖如圖3所示。

圖3 總體監測技術流程

5.2.1 應用RS技術進行土地覆蓋信息提取

試驗區影像的分辨率較高，2011年和2012年DOM的空間分辨率均達到了0.5米。在高空分辨率影像上，往往多個像元才能組成一個有意義的實際分類對象，而且景觀的結構、形狀、紋理和細節等信息突出。而面向對象的影像信息提取方法是可以通過分割算法（常用的為多尺度分割）將若干相鄰同質性像元組成斑塊對象為處理單元，結合對象的光譜、紋理、形狀、空間關系等多種屬性信息對斑塊對象分類，能在較大程度上解決基于像元方法難以克服的光譜混淆、混合像元等問題，從而有效提高分類精度。故本文采用面向對象的遙感分類提取技術對試驗區數據進行土地覆蓋分類提取，得到兩個年份的矢量化土地覆蓋信息數據。

5.2.2 利用GIS技術監測分析土地覆蓋信息

通過在GIS系統中疊加試驗區2011年和2013年的土地覆蓋矢量數據，通過數據的分析對比統計監測試驗區的土地覆蓋變化。

5.2.2.1 總體上統計分析土地覆蓋變化情況

2011年和2013年試驗區的土地覆蓋總體情況如表1所示。通過對比可以發現試驗區的自然用地（包括灌木林、草地和水面）急劇下降，灌木林和水面均已消失，草地的面積基本也趨向于0；建設用地中的道路有了很大地增加，由2011年的24132平方米，大幅度提升為143106平方米，多層房屋建筑區面積減少，低矮房屋建筑區增大；裸露地表面積也有明顯提升，增加了約11萬平方米，增幅達到了50%。

以上情況說明，試驗區城市化建設占用了大量的自然用地；并由于道路的建設需要對建筑區進行拆除改造，導致建筑區有增有減；由于在截至本次研究所用的2013年影像的成圖時間，試驗區城市化的改造建設尚未完成，造成裸露地表增多。

表1 試驗區各時期土地覆蓋面積（單位：平方米）

總面積均為2022597平方米。

5.2.2.2 細化監測土地覆蓋變化

通過將2011年的土地覆蓋矢量數據分層疊加2013年的土地覆蓋數據，可以直觀的監測各個類型土地覆蓋的變化情況，分析土地變化的流向。

2011年到2013年時土地面積變化流向情況如表2所示。可以看出從2011年到2013年后，原來的灌木林銷售，大部分變成了裸露地表，一部分變成了道路；減少的草地變成了裸露地表、低矮房屋建筑和道路；原先的多層房屋建筑的變化區域變成了道路和低矮建筑；原先的低矮建筑的變化區域主要變成了道路和裸露地表；原先的裸露地表上建設了低矮房屋建筑和道路；水面消失變成了低矮建筑和裸露地表。

表2 2011年到2013年時土地面積變化流向分析表（單位：平方米）

5.3 試驗區發展趨勢

根據監測的數據分析，試驗區正在城市化建設當中，自然用地減少，建設用地和裸露的未利用地增多。試驗區道路面積增加最為明顯，主要在增修擴建道路，隨著道路建設的完成，區域基本格局會趨于穩定，裸露地表會進一步得到開發，房屋建筑區面積將會增加。

6.結語

隨著社會、科技和經濟的發展，世界已經開始向“智慧”邁進，地理國情的動態智慧監測勢在必行，而RS、GIS和GNSS集成的“3S”技術是地理國情監測的核心技術之一?！?S”技術在地理國情監測中的外業核查、數據獲取、信息處理挖掘分析和信息發布共享起著關鍵的支撐作用。

【1】龐德謙，周旗.論地理國情分析［J］.陜西師大學報：哲學社會科學版，1990（04）：33-38．

【2】張勤，樊文鋒.測繪與地理國情監測［J］.測繪通報，2012（11）:78-80.

【3】馬萬鐘，杜清運.地理國情監測的體系框架研究［J］.國土資源科技管理，2011（06）:104-111.

【4】黃明哲，王巧藝.3S技術在海洋漁業中的應用［J］.福建水產，2011（01）:77-81.

【5】程滔，周旭，劉若梅.面向地理國情監測的地表覆蓋信息提取方法［J］.測繪通報，2013（08）:84-86.

吳帆（1985年——），女，就職于臨汾市測繪院，主要從事航空攝影測量內業采集及編輯工作。

楊俊艷（1982年——），女，山西農業大學農學專業?，F就職于太原市基礎地理數據中心，主要從事數據建庫、數字太原平臺維護。

P208

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2095-7319（2014）02-0041-07