地理國情監測的地理信息技術應用

曾銳

（哈卡科技（北京）有限公司 北京市 100016）

隨著我國經濟飛速發展，產業結構不合理等問題日益突出，生態惡化等問題日漸嚴重。全國地理國情普查開展，有利于掌握我國基本地理國情現狀，資源環境等很重要因素分布規律，對國家制定中長期發展規劃戰略，推進生態環保具有重要現實意義，為防減災應急保障服務提供數據支撐。黨和政府高度重視地理國情普查工作，2013年國務院下發《關于開展全國地類國情普查工作的通知》，成立全國地理國情普查領導小組，組織協調首次全國地理國情普查工作開展。地理國情普查為掌握地表自然地理等要素分布規律及相互關系進行調研基礎性工作，是全面獲取地理國情的重要技術手段。

地理國情普查是在可靠指標體系下，提取地表覆蓋等信息。地理國情數據采集成為普查重要基礎工作。本文以GIS 技術完成對地表自然要素普查，實現地理國情要素屬性自動更新，形成完整的信息收集分析機制，對研究地理國情數據采集提出完整解決思路。

1 地理國情監測概述

地理國情是地表自然人文要素空間分布及相互關系，地理國情監測是重大國情普查，是掌握地表自然及人類活動情況的基礎性工作。地理國情監測包括地理國情要素與地表覆蓋普查，主要任務包括調查地區自然人文地理要素情況，調查地區地質災害點類型位置；建立覆蓋全區域地理國情信息數據庫，通過普查信息與經濟社會數據整合，對水發展指標進行空間化評價，形成省市縣區域為單位的地理國情普查報告。

地理國情監測是針對自然社會資源等地理要素屬性進行監控預測工作，通過運用先進測繪地理信息技術實現，包括遙感技術，GPS 等技術，需要對自然人文等要素進行動態化監測，分析地理要素的變化特征趨勢等。地理國情監測對象包括區域交通狀況，土地利用情況等，數據信息可以為城市規劃部門等相關部門提供參考資料[1]。地理國情監測為準確反映國家地理條件，預測社會經濟發展反向提供保障。國情信息對國家經濟發展至關重要，是國家制定發展戰略的基本依據。我國幅員遼闊，社會經濟發展加快，各地地理信息變化頻繁，將地理信息技術應用于地理國情監測有利于掌握精確數據信息。

2 地理信息技術簡述

地理信息系統是為特定目標建立的空間信息系統，在計算機網絡支持下對有關空間數據進行預處理輸入管理顯示提供技術系統。地理信息技術是60年代提出發展的采集，管理描述地球表面空間與地理分布有關數據的空間信息系統，是介于空間與信息科學的交叉學科，通過系統建立，產生對區域規劃管理等方面有用信息。地理信息技術是獲取管理應用地理空間信息技術的總和，包括GPS，GIS 等。

圖1：技術流程圖

RS 是60年代發展的對地觀測綜合性技術，遙感技術是不與被探測物直接接觸，在遠處感知的技術手段，將被測目標電磁波特征記錄形成遙感圖像，遙感觀測平臺分為飛機和人造衛星。遙感技術優點體現在測量范圍大，獲得信息速度快，獲取信息手段多[2]。由于用于拍攝遙感圖片飛機所處位置較高，可快速獲得較大地形地貌特征，宏觀獲得大范圍洪水等分布情況。衛星在繞地球轉動時刻獲得不同地點遙感影像圖片，通過遙感圖片對比發現地表事物空間變化。地球很多地方自然條件惡劣，靠人工測量方式難以到達，采用遙感技術從高空測量可避免受地形影響。為達到不同目的可選用不同波段波普獲取信息，如采取紫外線等不同波長電磁波探測物體，利用穿透性波段可獲取地物內部信息。

1973年美國國防部協同有關軍方機構研發衛星導航系統GPS，GPS 以自動化等特點應用于工程測量、工程變形測量，資源勘查等多種學科，為社會經濟發展做出突出貢獻。GPS 由空間部分，地面控制與用戶設備部分組成。GPS 具有全天候、應用廣泛、四位定點定速時高精度等特點[3]。可對汽車飛機等交通工具提供不間斷導航服務；在有人類活動區域可享受GPS 服務，在特殊地理環境中可運用GPS 導航；四顆衛星可完成對物體空間位置信息獲取，世界各軍事大國有類似系統。旅游時運用GPS 導航節約時間，GPS發展形成了涉及多領域的技術服務行業。中國北斗衛星導航系統空間段由5 顆靜止軌道組成，提供開放與授權服務，在服務區免費提供定位授時服務，授時精度為50ns，授權服務是向用戶提供安全授時信息服務。

GIS 源于人口普查，1960年加拿大測量學家在計算機科學發展基礎上提出紙質實體地圖變成虛擬地圖，隨后得到快速發展。不同領域對GIS 的理解不同，主要定義有為獲取檢索分析地球空間數據的計算機系統，對地理環境有關問題研究的學科，在計算機軟硬件支持下，以采集管理描述空間物體定位分布的屬性數據。60年代計算機科學發展提出GIS 思想出于實際需要，是GIS 知識體系的構建階段。70年代GIS 在自然環境數據處理中應用得到很大發展，研究重點是空間數據處理算法，為技術自成體系階段；80年代為解決全球氣候變暖，防止核擴散等全球性問題需要，GIS 應用領域擴大推廣；90年代研究集中于空間信息分析新模式，空間關系和數據模型等。

3 地理信息技術在地理國情監測中的應用

目前我國RS 技術在環境國情監測方面應用包括土地利用狀況，如耕地范圍、濕地資源變化等檢測；大氣污染物監測，生成甲烷、懸浮物等三維分布圖，有利于相關部門對污染氣體排放超標企業查處。如天津市環境遙感監測試驗區位于N37～39°，E117-118°，起終點為渤海灣與白洋淀。飛行面積為1100 平方公里，監測人員在3850m，750m 不同高度開展紅外掃描工作，對大氣顆粒物監測，在不同高度進行分層強，得到全面準確的遙感資料。

我國國土資源部在幾年前將RS 用于國土資源調查中，在一些重點礦區開發中應用廣泛。通過參考遙感信息可以為農田建設等提供科學依據，國土資源國情監測內容包括水利資源、自然災害等多方面[4]。通過RS 可使城鄉結合部國土資源管理數據及時更新。相比傳統測繪方式，RS 利用不同分辨率衛星遙感圖像，通過圖像形狀校正等處理得到蘊含大量信息的4D 產品（4D 為DOM 數字正射影像數據，DEM 數字高程模型，DLG 數字矢量線性數據，DRG 數字格柵數據）。隨著衛星遙感技術的創新，城市國情監測水平提高，RS 在城市國情監測中應用促進監測結果精確性提升。

我國國土面積大，各地地理環境差異大，各部門數據難以實現統一，由于地理數據信息無法實現共享，許多專家提出數據整合方法成效不大。地理國情監測云平臺利用網絡將各地區GIS 系統聯接，通過網絡云實現數據信息共享。隨著GIS 技術的發展，對地理數據獲取管理等水平不斷提高，地理數據采集需通過對RS 影像矢量分析，遇到無法判斷準確性的情況需進行實地勘察收集信息，通過提取調查圖像信息整合數據后錄入庫。鄂爾多斯位于內蒙古自治區，地理坐標為E110°，N39°，地勢西高東西，2006年以東勝區為研究區，利用人機交互目視解譯法，對東勝區土地利用變化情況分析，采用紅藍綠波段進行真彩色合成，按影像特點，利用遙感圖像處理軟件糾正，在地形圖選擇穩定控制點，采用雙線內插法進行采樣，實現圖像幾何校正。

4 基于地理信息技術的地理國情監測流程

通過配套獲取遙感影像斑，內部像素應保持灰度同質性，同類象斑應保持光譜一致，不同象斑應具有光譜相異。由于土地利用與覆蓋不同，使得理想情況難以出現。由于數據源，生成標準等多方面不同，數據特點及誤差等存在，使得遙感影像與矢量數據套合結果存在差異。分析遙感影像與矢量數據套合差異問題，采用多尺度割算法獲取同質象斑。

為獲取同質象斑，利用GIS 輔助數據分割法，首先利用矢量輔助數據獲取象斑，然后對套合獲取像斑分割生成子像斑，保證各像斑內光譜同質性。通過矢量數據配套準套臺，利用矢量數據圖斑邊界信息獲取影像像斑。以T1 影像響應光譜特征為依據，對像斑分割后像斑承繼上級類別信息。對獲得像斑根據類別設置響應尺度參數分割，使得像斑同質性增強，將獲取子像斑視為T1 期子像斑。將獲得T1T2 期子像斑疊置分割，使得像斑對應。同質像斑獲取建立在多尺度分割基礎上，充分考慮數據屬性信息及上下文信息。

基于歷史適量變化檢測方法，首先獲取像斑提取特征，獲得同質像斑基礎上提取紋理等特征，通過數學運算獲取像斑內部像素灰度值。獲取光譜特征包括均值，信息熵等，形狀特征包括面積，形狀指數等，紋理特征通過灰度共生矩陣計算。采用分類處理后方法，T2 期影像采用基于像斑鄰近分類算法對像斑分類。通過疊置分析對影像像斑進行變化檢測，獲得像斑的變化類別。根據再分割中形成像斑與子像斑繼承關系，評估應用變化檢測結果更新矢量數據能力。

采用實驗數據為某地區2014年5月快鳥衛星影像，及相同地區2012年5月矢量圖，矢量圖斑數為118 個。首先將遙感影像與矢量數據配準套合獲取像斑，以光譜特征為依據，對影像進行多尺度分割，形狀指數為0.7，尺度參數為250，獲得風格結果出現植被過分分割情況，需根據不同類別設置相應尺度參數，植被類別分割尺度參數為300，緊致度為0.5。非植被類別分割尺度參數為200，緊致度為0.5。對非植被類別像斑風格，使各類像斑同質性增強，將兩期影像分割結果疊置分割，獲取對應影像像斑。大多數像斑通知性較強。

采用基于類間距離特征選擇法，對初始化特征空間優化，對影像像斑分類，利用最鄰近分類算法，對2014年影像像斑分類，對兩時期影像對應像斑類別變化檢測，80%發生變化像斑可成功檢測。將基于像斑變化檢測結果轉移到矢量圖斑，如有像斑變化認為圖斑變化。

5 結語

地理國情監測是關系民生重大項目，開展地理國情監測要在實踐中不斷改善，注意對新技術的研究應用，高效實現預期目標。GIS 技術在地理國情監測中應用可掌控自然人文地理要素，為國家做出科學發展規劃提供參考依據，對我國社會經濟發展具有重大意義。本文針對遙感影像與矢量數據套合差異問題，提出多尺度分割算法獲取同質像斑，利用歷史矢量變化檢測法檢測，方法原理簡單，具有良好應用前景，變化檢測結果為比較前后期對應像斑類別是否相同，在當前后期影像響應光譜等差別較大時刻進行。矢量數據信息引入促進遙感影像分割變化，使遙感影像分析轉化為具有先驗知識的再認識過程，使影像分析變為通過影像鑒別過程。