遥感地理信息系统及地学应用

邝生爱

当今，遥感、地理信息系统、全球定位系统和信息网络等高新技术，已成为一门新的信息产业正在蓬勃兴起，并快速渗透到各学科领域、国民经济和人们生活之中，推动着科技和社会向更高的层次发展。

1 几个概念

11 遥感（Remote Sensing）

远距离感知目标物或远距离探测目标物的物性。“遥”具有空间概念，即近地空间、外层空间乃至宇宙空间。“感”表示信息系统，包括信息获取和传输、信息加工和提取、信息分析和可视化系统等。所谓目标物即观测对象，就地学而言，有地表物体、地质体、地学事件等。关于目标物的物性，主要指物体对电磁辐射的特性。人们利用物体波谱特性差异达到识别物体的目的，因而地物波谱特性成为遥感地学的重要理论基础。

遥感图像处理系统（Remote Sensing Image Processing System）：借助光学仪器和计算机设备对遥感图像进行加工、分析、综合和可视化的系统，目前常用的是计算机遥感数字图像处理系统。

12 地理信息系统（Geographic Information System）

在计算机支持下，采集、存储、管理、分析、综合和描述与地理分布有关的地理空间信息系统。

13 遥感地理信息系统（RS-GIS）

泛指遥感图像处理系统和地理信息系统的集成、一体化。

14 全球定位系统（Global Positioning System）

借助多卫星进行全球导航和定位的系统。

2 发展概况

21 一门新的信息产业正在兴起

遥感、地理信息系统、全球定位系统和信息网络是近几十年来才发展起来的高新技术，由于他们具有很强的先进性和实用性，在很短的时间内由新技术转化成新产业，形成自身的产品、产值、市场，并产生出巨大的经济社会效益。产业的兴起反过来又加速他们的发展和相互融合，形成新的学科和技术方法，并渗透到其他学科领域和社会经济部门。

211 遥感（RS）

航空、航天遥感使得人们能快速准确地获得大地域范围以致全球的各种信息，如气象预报、资源分布、灾害监测、环境污染等，所以各国竞相发展遥感事业。

航天遥感：苏联于1957年10月4日发射第一颗人造地球卫星以来，各国都以极大的热情和庞大的经济预算来开展航天遥感，特别是美国以极快的速度和惊人的成果展现于世。美国于20世纪60～70年代先后发射了气象卫星、资源卫星，开拓了航天飞机、地球空间站，向太空发射了多个探测器探测月球、火星、木星等行星和天体。法国、俄罗斯、加拿大、日本、印度等国也相继发射了相应的资源卫星。中国已有自己的气象卫星和资源卫星，实现了载人航天飞行，拟定了探月和太阳系行星的计划。遥感探测地面分辨率已达到米（m）级，波谱分辨率已达到纳米（nm）级，重复周期几天至几小时。在科学和经济部门的应用逐日普及，应用效果十分显著，很多部门已把遥感技术纳入到生产规范之中。科研部门和院校已设有相应的专业，正在批量的培养遥感技术人才，国家和政府部门已有相应的遥感中心和站点专门从事遥感数据的获取、分发和使用。所有这些在发达国家和我国都已形成了遥感信息产业，并有了相当规模的产值和快速发展前景。

航空遥感：应用飞机获取一定地域范围的遥感图像已成为平常事。就中国而言一些大中城市和一些沿海经济发达区都已飞行获得多个时段的遥感图像，用于城市规划和城市发展监测，如北京、上海、天津、武汉、西安、沈阳、环渤海湾、长江三角洲、长江流域、珠江三角洲等城市和地区。

遥感图像在图像处理系统的加工、增强、分析和综合处理下大大改善图像质量，提取各种专题信息来满足广大用户的要求。图像处理软件层出不穷、功能越来越强大。图像处理硬件随着计算机的快速发展，形成了大、中、小型的处理系统以满足国家、地区和个人的各种需求，特别是微机处理系统已相当普及。

由上可知，遥感技术的快速发展是与空间技术和计算机技术日新月异密不可分的。除此之外，在下面几个方面，遥感技术方法和理论开拓创新起着十分重要的作用：传感器——有摄像机、扫描仪、温度辐射计、微波辐射计、荧光辐射计等；波段——有近紫外、可见光、近红外、中红外、远红外、微波等；重复周期——由早期的几十天到现在几天到几个小时；分辨率——空间分辨率由几十米到几厘米，波谱分辨率由微米（μm）到纳米（nm）级；图像处理方法——由一般的增强、提取信息到人机交互对话、半自动识别；波谱信息——有实测地物波谱到直接从图像中提取或光谱重建；多尺度——由单一尺度发展到多种不同尺度图像融合；多数据源——由少数几种数据源发展到多种平台数据源，遥感信息和其他信息一起进行多元信息综合；理论拓宽——图像处理的理论依据由原来的概率统计理论拓宽到非线性理论、人工智能等多个领域。所以多波段、多时相、多尺度、多数据、高精度和快速，形成了遥感技术的很多特色，再加上图像处理技术和信息提取方法，使得遥感应用领域越来越宽，在某些行业已不可代替。

212 地理信息系统（GIS）

20世纪50年代，在欧洲刚刚萌芽的土地信息系统（LIS），其功能十分简单。到70年代随着计算机的快速发展，实用化的GIS已在美国、加拿大、德国、法国、瑞典、日本和澳大利亚相继出现。80年代GIS已进入普及和推广应用阶段，世界各国在基础GIS软件和应用软件的开发上取得突破性进展，其代表性的软件有ARCINFOR、MAPGIS等，在土地利用管理、城市规划、人口规划、资源管理、交通运输管理、安全管理等方面成为有关部门的必备工具。90年代随着GIS的深入发展和数字化产品的普及，数字城市、数字生活、数字地球的时代已经到来，GIS与其他学科的结合，地理信息的产业化已不可避免（标准化、信息共享、计算机软、硬件资源共享等）。

213 全球定位系统（GPS）

为军事目的服务的卫星导航、定位系统，现已向全球开放，人们在地球的任何地方都可以快速获取相应的地理坐标位置，只需持一个小小的定位接收器便可如愿。美国已发展到第三代定位系统，欧盟也在确立自己的“伽利略”计划，中国也有自己的定位系统（三个星），并与“伽利略”计划合作。

214 信息网络

20世纪70～80年代，人们为使得到的信息及计算机硬软件资源的共享，发展了计算机联网，出现了局域网络（如一个单位、一个局部地区），这些网络一出现就显示了极大的优越性，人们坐在自己的终端前就可调用他人、他部门的信息和享用别人计算机中的资源。80～90年代，人们可以跨区、跨国界以至国际间的通讯网络快速获取有关信息，网络以进入千家万户。随着无线通讯的普及化，人们可随时随地进出网络，网络已成为人们生活中不可缺少的东西。尽管网络会出现各种负面效应，但其发展趋势不减。

上述几个方面的科技进步和产业化告知我们，遥感和全球定位系统快速获取目标物的信息，以地理信息系统作为载体，快速流动在国际网络上，“信息高速公路”已经开通，信息革命正在我们身边发生，数字地球的时代即将到来。

22 人们的思维方式和行为正在发生变化

221 由宏观到微观、由整体到局部的思维方式

遥感的出现使得人们有可能从大地域范围以致全球角度，从宏观、整体上认识很多问题，使得局部不能认识的，从整体得到，使人们的思维方式更加全面、完整，使得事物的整体与局部的关系具体、明确，可避免“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的片面思维方式。

222 一套全新的技术路线和工作方法

遥感图像处理不仅能给我们改善图像质量、增强和提取信息，更重要的是提供了信息综合、图像识别半自动化以及自动成图的技术前景。

地理信息系统提供了空间信息的存储、分析和成图功能，实现地理信息系统成图的自动化，大大减轻了人们的劳动力。

网络使人们对社会已有的信息和计算机资源实现全球共享，加速信息传播，真可谓“秀才不出门，便知天下事”。

223 出现了新的学科体系和机构

以遥感为基础的学科有：遥感地质学、环境遥感学、农业遥感学、城市遥感学、资源遥感学等。建立了很多的遥感机构：资源卫星发射机构、地面卫星数据接收站、遥感应用研究部门和遥感学科的专业及培训中心等。

以地理信息为基础的有：地理信息学，信息工程学等。建立了地理信息中心、站点、资源与环境遥感信息系统实验室及学术团体等。

224 政府的决策行为

西方国家政府正采取措施加速遥感发展和促使地理信息系统进一步产业化、标准化、国际化。中国政府也十分重视，有关部门正采取对策加速遥感、地理信息系统的发展。

3 新进展和发展趋势

31 RS技术新进展与趋势

311 遥感数据获取正在出现三多（多平台、多传感器、多角度）和三高（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率）的新技术和趋势

多平台——如低、中、高轨道卫星，大、中、小、微型卫星等。

多传感器——如同一平台上装有摄像机、扫描仪、热成像仪、不同空间分辨率的成像仪等。

多角度——如垂向与侧向多角度成像。

高空间分辨率——如米级、厘米级的地面分辨率。

高光谱分辨率——如纳米级的波谱分辨率（如可见光波谱范围内分出十几个等级）。

高时相分辨率——如可重复观测的时间段达到小时级。

312 遥感图像处理正在出现新技术方法

海量数据压缩，数据融合，大地域图像无缝镶嵌，光谱重建，混合光谱分析，超多维光谱图像信息显示，信息提取模型化，智能化处理的理论与方法，SAR信息处理与成像理论，多波段多极化影像分析方法等技术新进展和趋势。

当高空间和高光谱分辨率遥感出现后，提出了一系列的技术方法问题：分辨率的提高遥感数据量呈几何数量级上升，成为所谓的“海量数据”，要处理这些海量数据自然受到存储、速度和时间的制约，所以就要进行数据压缩；高光谱分辨率可以使我们识别出更“精细”的地物，如何从图像的混合光谱中分离、重建和多维显示这些精心地物的光谱就成为技术方法的关键。

同一平台可获得不同地面分辨率的数据，如何让不同地面分辨率的数据满足不同尺度的实际需要，数据融合必不可少，而数据融合又受到几何精度和波谱保真的限制，为满足实际需要又有兼顾两个方面，所以出现了各种各样的融合方法。

大地域范围是遥感的优势，但是一景卫星遥感图像覆盖地面的范围总有一定的限度，而这个限度还随着地面分辨率的提高在缩小。当今人们的需求远远的超出这个限制，如几十至几百平方公里的地域，就需要几十景至几百景的图像镶嵌，这么多景图像可能出现由于时间差异带来的色彩、色调的不协调，为使整体图像的协调一致，无缝镶嵌技术应运而生。

32 GIS技术新发展与趋势

属性数据与空间数据库管理一体化；

多种数据格式转换；

基础地理信息系统的通用化、标准化；

专业应用二次开发；

WebGIS开发与完善等。

33 GPS技术新进展与发展趋势

高精度第三代GPS；

“伽利略”GPS系统。

34 RS-GIS-GPS集成一体化（略）

4 地学应用及实例

41 地学应用

现在的遥感地理信息系统在地学中的应用十分广泛，虽然应用的先后和效果不尽相同，但都受到人们的关注和重视，有的已经成为行业规范。据不完全统计，可分为如下几个方面：

（1）区域地质调查应用，

（2）矿产资源调查应用，

（3）水资源与水环境监测应用，

（4）土地利用监测应用，

（5）土地荒漠化监测应用，

（6）海岸带资源开发与环境保护应用，

（7）海洋岛礁及浅海海底地形调查应用，

（8）生态环境监测应用，

（9）区域地质环境调查应用，

（10）灾害监测应用，

（11）城市规划应用（含数字城市），

（12）区域规划应用。

…………

42 实例

至今，应用实例不胜枚举，但有两个方面值得注意：一方面是前人应用中带有规律性的认识和成果，另一方面是前沿探索性的成果。

421 带有规律性的认识和成果

前人所作的带有规律性的认识和成果也是相当的丰富，都值得我们去认真吸取，而作为有限教学时间内的教学内容，只能略举一、二。依笔者认为，无论遥感地理信息系统在哪方面的应用，信息提取技术方法是共同的，也是解决实际问题的技术关键，所以用三个不同领域的实例说明遥感地学信息提取模式的共性和特性。

遥感地学信息提取模式：

实例一：遥感在金矿地质调查中应用，

实例二：遥感在土地荒漠化监测中的应用，

实例三：遥感在盐湖监测中应用。

422 前沿探索性成果

在众多前沿探索性成果中，笔者认为高光谱遥感在识别矿物方面的应用是当前的难点和热点。实例：“高光谱遥感矿物填图研究”（略）

5 理论、技术方法问题

51 理论问题

511 地物的异物同谱或同谱异物问题

前面已提到，地物电磁辐射特性是遥感最基础的理论，人们利用地物波谱特性差异来识别不同地物。但是在实际应用中，存在异物同谱或同谱异物的现象，即不同地物有相同的波谱特征，这时遥感就不能发挥作用。

512 地物分布的随机性和非随机性

遥感应用中，普遍认为在一较大的地域范围内，地物分布是随机的，于是可借用概率统计的一套方法来增强和提取目标地物信息，这样做往往获得成功，所以在图像处理软件中有一套完善的方法来满足专题信息提取的要求。但实际地物的分布还存在着非随机性，那么概率统计方法失效。例如有些地物分布存在着自相似性，人们采用非线性的分形分维方法加以解决。例如还有模糊理论、人工智能理论来完成相应的任务。

52 技术方法问题

521 实测地物波谱与遥感图像波谱的不一致性

实测地物波谱有室内标准样品波谱和野外实测地物波谱。遥感图像波谱是瞬间获得的实时像元混合光谱。二者在观测时间上和像元分辨率上都存在差异，其波谱显然有差异，有时还会很大，这就需要分析和处理。

522 地物图像波谱的时效性和地域性

有些地物的图像波谱会随着时相的不同而变化，如植被、土壤等，这种变化可称为时效性；有些地物波谱会随着地域的不同变化，如同一种岩石在潮湿地区和干旱地区，其波谱有差异，这叫地域性。在应用时必须注意这些特性，并采取必要的方法。

523 地物信息增强和提取方法的不唯一性

遥感图像地物信息增强和提取方法众多，虽然有不少方法是公认的但不是唯一的。特别是在增强和提取隐信息和微弱信息时，有些方法不奏效，并不等同不能提取，而可能是还没有找到合适的方法，有待深入探讨。

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遥感影像解译技术是随着遥感技术的产生而诞生的。传感器获取的数据必须经过处理和解译才能成为有用的信息。所谓遥感影像解译就是对遥感图像上的各种特征进行综合分析、比较、推理和判断,最后提取出各种地物目标信息的过程。遥感影像解译包括目视解译、人机交互解译、基于知识的遥感影像解译、影像智能解译(即自动解译)等[3]。遥感解译经历了从人工解译到半自动解译,正在向全智能化解译的方向发展。

地理信息系统中的数据如数字高程数据、坡度分析数据、专题图数据等,具有较准确的属性信息和空间信息,但时效性较差,而遥感图像最能反映地面的最新信息,但其表示的地物信息完全自动提取难度较大。因此需综合两者间优势,实现RS和GIS高层次的综合。在专题信息提取中,除了利用遥感数据外,一般还要利用大量的相关数据,这些数据多为来自GIS的图形数据和非图形数据。图形数据是指已有的各种图件。非图形数据一般是指人口、社会、经济等统计数据

数字地图、遥感影像、激光雷达、空间数据库。

1、数字地图：数字地图是一种数字化的地图，其中包含了地理位置、道路网络、建筑物等地理信息。这些信息可以用于构建建筑物外部轮廓、道路、地形等几何数据。

2、遥感影像：遥感技术可以获取地球表面的高分辨率图像，这些图像可以用于提取建筑物、道路、河流等几何数据。

3、激光雷达：激光雷达是一种高精度的三维测量技术，可以获取地表或建筑物表面的精确三维坐标数据。

4、空间数据库：空间数据库是一种可以存储和管理空间数据的数据库，其中包含了各种几何对象的坐标、形状、拓扑等信息。

411 概述

遥感是 20 世纪 60 年代发展起来的对地观察综合性技术。遥感一词来自英语 RemoteSensing，即“遥远的感知”。广义的理解，泛指一切无接触的远距离探测，包括对电磁场、力场、机械波等的探测，我们一般说的遥感是指狭义理解上的意思，即主要指的是电磁波探测。准确地说，遥感是指应用探测仪器，不与目标物接触，从远处把目标的电磁波特性记录下来，通过分析，揭示出物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。

可以概括地说，遥感技术应具备三个要素：

（1）以专用设备（传感器）接收、记录远方地物电磁波辐射（包括反射或地物自身发射）的信号；

（2）将传感器接收的电磁辐射信号形成图像；

（3）通过对图像的处理和分析，不与之接触就可感知远方事物。

根据遥感的定义，遥感系统包括：被测目标的信息特征、信息的获取、信息的传输与记录、信息的处理和信息的应用五大部分。任何目标物都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感的信息源。目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性，它是遥感探测的依据；接受、记录目标物电磁波的仪器叫传感器，如扫描仪、摄影机、雷达等，而装传感器的平台叫遥感平台，主要有地面平台、空中平台、空间平台；传感器接收目标物的电磁波信息，记录在数字磁介质或胶片上，胶片是由人或回收舱送到地面回收，而数字磁介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面的卫星接收站；地面站接收到遥感卫星发送回来的数字信息，记录在高密度的磁介质上如光盘或磁带等，并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等，再转换成用户可使用的通用数据格式，或转换成模拟信号，才能被用户使用；最后就是应用了，遥感获取信息的目的就是应用，这是由各专业人员按不同的应用目的进行，在应用过程中，也需要大量的信息处理和分析，如不同遥感信息的融合及遥感与非遥感信息的复合等。总之，遥感技术是一个综合性的系统，涉及航空、光电、物理、计算机和信息科学等诸多领域，它的发展与这些相关领域是密不可分的。

412 遥感影像处理目的和内容

任何遥感系统获得的原始图像数据均是三维景物的二维投影显示，存在不同程度、不同性质的几何形态畸变和辐射量的失真等现象，严重影响其应用效果，必须进行消除处理。概括起来主要包括以下三个方面：

（1）对接收系统获得的遥感信号进行处理和记录，回放出原始遥感影像图，对图像中存在的畸变及失真现象，根据成像机理与相应的构象方程数学模型进行补偿和校正，这可统称为遥感变换和增强处理。

（2）根据人眼的视觉原理与观察事物的特点对遥感图像进行各种变换和增强，以改善和提高遥感图像中反映地物目标特性的视觉效果与可识别性。这可统称为遥感影像的变换和增强。

（3）对原始遥感图像所反映的地物目标波谱特征进行反演、统计和分析解译，提取出地物目标类别及其空间分布等信息。

413 规模化高效率处理技术

遥感技术作为一种快速、宏观的资源调查手段，近几十年来在土地利用、土地覆盖 / 土地覆被变化调查与研究中的作用得到了公认。多空间尺度、多时间尺度以及多光谱尺度的海量卫星遥感获取技术已经成熟，为土地管理应用提供了丰富的影像数据源，特别近年来高分辨率卫星不断发射升空，遥感影像数据量正在呈几何级数增长，给遥感影像数据处理带来了巨大的困难，也使影像数据应用与管理面临新的挑战。本项目在对河南省海量数据处理中建立了遥感影像规模化高效率的处理技术。主要采用了以下三种处理手段应用到遥感影像处理当中：

（1）基于 SAN 架构遥感影像流程化处理。日益增多的海量多源遥感数据对现有的遥感影像处理产生了巨大的压力，现有的遥感图像处理系统数据处理能力落后于遥感影像的获取能力，遥感影像处理能力已经成为遥感技术应用发展的主要限制因素。产生这种情况的主要原因在于现有的遥感影像处理系统缺乏通用处理流程，海量数据与中间成果的存取、处理、分发受计算机硬件的性能严重制约。针对此情况采用先进的 SAN 架构的存储系统，建立灵活有效的处理流程，当处理任务发生改变时，需要对流程进行必要的调整，一个有效的、可定制的并且方便扩展的处理系统至关重要。

通用流程化的数据处理系统相当于一套规范的数据处理流水线，并且依托 SAN 架构的数据储存作为载体，根据数据处理的要求，很方便地定制所需的数据处理流程。也可以根据数据处理要求的变化而相应地更改数据处理流水线。通过总结众多处理流程的共性，概括出一些基本的处理要素，并且制定处理标准，从而使建立遥感影像流程化处理。

（2）自动和半自动配准技术的应用。配准包括两个主要的步骤：第一步要标注足够数量的控制点，而且要尽量分布均匀；第二步是使用两幅卫星影像中的一幅作为参考图像，将第二幅的地理投影信息和图像数据变换到和第一幅相同。

在探索自动寻找控制点的方法之前，需要先分析好控制点的特性，这样才能有的放矢。

传统手工标注控制点时，一般要求控制点选取在道路、桥梁、建筑等不会随季节等时间因素发生大的改变的地面特征点上，而河流、森林、田地等边界、内部会随着季节、天气发生很大变化的地面特征则不适合作为地面控制点。比如丰水期和枯水期的河道会有宽窄变化，夏季和冬季森林的遥感影像也会有很大的差异。因此，在公路拐点、沿线、桥梁的交叉口、大型建筑的角点等人眼易于分辨定位的地方标注控制点是很好的选择，这样可以方便地在另一张卫星影像上人工找出同名地物点。

此外，在非公路桥梁上的点，如果也是可以由人工易于辨认并修正，那么也可以作为控制点。

可以看到，配准同样也存在着手工标注控制点的瓶颈问题。而且和卫星影像精矫正比起来，配准后的卫星影像匹配程度要求更高，因此更需要大量高质量的控制点。单纯靠手工标注非常耗时，使用控制点影像库也需要积累有大量同一区域的控制点，对于陌生区域的标注无能为力。因此，如果能利用计算机在卫星影像上全自动或者半自动选取控制点，对于提高生产效率是非常有帮助的。

（3）区域网平差整体校正的应用。长期以来，卫星遥感影像的精确定位一直依赖于大量地面控制点，控制点的数量与分布直接影响遥感影像对目标定位的精度。而选用区域网平差进行影像参数模拟，可以在控制点数据库中选取少量的地面控制点，在景间需有一定数量的联接点，就完成影像纠正。校正所需控制点数量较少，可大幅度提高遥感影像处理效率。

河南省像控点图形图像数据库的建立，为今后河南全省土地利用遥感监测、卫片执法监察等提供了技术保障。

为使外业测量控制点资料长期保存和方便今后使用，项目组在项目进展任务要求之外，在MapGIS 平台上，基于河南省 1∶50 万地理底图，建立了河南省 GPS 影像校正控制点（像控点）图形图像数据库。像控点属性表内容主要有：覆盖项目区内的 SPOT 5 影像数据位置、时相等信息，各控制点点位及相关属性信息，其属性信息包括：各控制点标准编号、景内编号、外业测量编号、行政区、行政代码、图幅号（1∶1 万）、三套坐标、概略经纬度、入库时间、分辨率、数据源、数据源获取时间、测量成果表、外业实地照片、测量单位、测量日期等信息。

GPS 像控点图形图像数据库的建立，不仅满足 SPOT 5_25 m 高分辨率卫星影像的校正精度要求，同时为今后河南全省土地利用遥感监测、卫片执法检查、矿山环境监测等类似工作的开展奠定了基础，极大地降低了投入成本，提高了影像数据处理的效率后精度。

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