“數(shù)字塔河”生態(tài)遙感監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

賴百煉

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西西安740064;2.中煤航測遙感局，陜西西安710054)

“數(shù)字塔河”生態(tài)遙感監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

賴百煉1，2

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西西安740064;2.中煤航測遙感局，陜西西安710054)

闡述新疆塔里木河流域數(shù)字生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的幾項關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)對生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)研究具有重要的借鑒作用，對“數(shù)字流域”建設(shè)也具有一定的參考價值。

生態(tài)環(huán)境;遙感監(jiān)測;信息提取;系統(tǒng)集成;無縫鑲嵌

一、前 言

近年來，國家投入180多億元對新疆塔里木河進(jìn)行綜合治理，在“數(shù)字流域”的框架下，以生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測為主線，應(yīng)用3S集成技術(shù)，建立生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲存管理、動態(tài)監(jiān)測、分析預(yù)警等子系統(tǒng)是其中的重要工作之一。在兩年多的“數(shù)字塔河”項目研發(fā)中，筆者根據(jù)塔里木河流域生態(tài)環(huán)境及相關(guān)因素的數(shù)據(jù)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，采用遙感信息自動提取技術(shù)、遙感與GIS集成技術(shù)、空間數(shù)據(jù)無縫鑲嵌技術(shù)、海量空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)、基于數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)集成技術(shù)及基于WebGIS的信息共享技術(shù)，以數(shù)據(jù)集成為中心，各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流動關(guān)系為紐帶，把整個系統(tǒng)集成為基于子系統(tǒng)數(shù)據(jù)間關(guān)系緊密、物理結(jié)構(gòu)松散的組件式系統(tǒng)，為“數(shù)字塔河”建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

二、“數(shù)字塔河”研發(fā)中的幾項關(guān)鍵技術(shù)

1.遙感信息自動提取技術(shù)

遙感的根本目的是為了從圖像上提取信息。從衛(wèi)星遙感圖像中提取土地利用等信息的方法可以歸納為3種類型:① 由計算機(jī)自動完成，主要以光譜數(shù)據(jù)提取與土地利用相關(guān)的特征參數(shù)，并設(shè)計相應(yīng)的分類模型，以達(dá)到分類的目的;② 人工目視解譯方法，運用專家知識實施綜合解譯;③ 人機(jī)相互結(jié)合的交互式解譯方法，由此提高解譯的效率和精度。由計算機(jī)自動完成的遙感信息自動提取是遙感應(yīng)用領(lǐng)域一個重點的研究和發(fā)展方向，目前國內(nèi)外在該技術(shù)的研究和探討僅局限在范圍較小的區(qū)域內(nèi)，雖然也有很多的技術(shù)方案和算法，但離實際的生產(chǎn)需求仍有很大差距。遙感信息的提取精度問題一直是困擾遙感信息自動提取應(yīng)用推廣的技術(shù)瓶頸，主要表現(xiàn)在兩個方面:① 遙感信息本身的同譜異物和同物異譜現(xiàn)象，以及待提取地物單元在數(shù)字遙感影像上色調(diào)、紋理、形態(tài)上的復(fù)雜性，都給信息自動提取帶來了很大的困難;②當(dāng)前遙感信息自動提取技術(shù)大多還停留在試驗階段，算法以及參數(shù)設(shè)置等都不成熟，可操作性較差。因此，要將信息自動提取技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)較實際確實面臨許多技術(shù)上的難點［1］。

新疆塔里木河流域地域?qū)拸V，地勢較平坦，地物類型相對單一，所要提取的耕地、林地、天然草地、沙漠等地類影像特征清晰，且空間分布規(guī)律明顯。這在我國其他地區(qū)是不多見的，尤其是在我國植被覆蓋多，地類混雜的東南、西南地區(qū)，有很多地類人工目視解譯都很難區(qū)分。因此，在新疆塔里木河流域進(jìn)行信息自動提取具有得天獨厚的優(yōu)勢。

遙感信息提取的精度決定了整個塔里木河流域生態(tài)動態(tài)監(jiān)測與分析的效率，而“數(shù)字塔河”項目采用了多種技術(shù)手段保證了遙感信息自動提取以及修編后的精度，其中包括圖像自動提取算法設(shè)計、圖像處理一致性、解譯參考完整性、人工修編規(guī)范性等方面。從信息自動提取算法的角度講，算法要求嚴(yán)密、先進(jìn)，但必須具有通用性。綜合國內(nèi)外相關(guān)信息提取算法，再結(jié)合新疆塔里木河流域地物特征，筆者采用了分級分類的分類思想。所謂分級分類就是按照級別來一級一級劃分，對于一個待分類的遙感影像，首先可以區(qū)分為兩個大類:植被類與非植被類或是水體類與非水體類，而后在下一級的時候再考慮在植被類里面劃分林地、灌木、草地、農(nóng)田等。一方面，這樣分類看似簡單，卻合乎我們通常的認(rèn)知過程，可以避免在一些大類別上的劃分錯誤，同時可以縮小劃分某一地類時的考慮范圍，大大提高了分類的精度。另一方面，對于最低一級的類型劃分采用監(jiān)督分類的思想，依據(jù)知識庫中所建立的對應(yīng)地類的解譯標(biāo)志、地物樣方、地物光譜等之間的對應(yīng)關(guān)系，選擇對應(yīng)地類的樣方信息。最后再經(jīng)過主要/次要分析、集群分析等分類處理后即可得到某一專題的自動提取結(jié)果。筆者針對植被覆蓋度、植被類型、土地沙質(zhì)荒漠化、土壤鹽漬化和土地利用5個生態(tài)環(huán)境專題各自不同的專題特征，建立了5個專題的信息自動提取流程。

2.遙感與GIS集成技術(shù)

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)源的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率都有了長足的進(jìn)步。新型、海量的遙感數(shù)據(jù)使人們能夠獲得大量更加真實、準(zhǔn)確的信息，并且與傳統(tǒng)的地圖數(shù)據(jù)采集過程相比，成本大幅度降低，數(shù)據(jù)更新周期顯著縮短。因此，遙感數(shù)據(jù)已逐漸成為GIS的主要信息源和實時更新數(shù)據(jù)的重要保證。RS與GIS、GPS的集成，使得人們能夠?qū)崟r地采集數(shù)據(jù)、處理信息、更新數(shù)據(jù)以及分析數(shù)據(jù)。它們之間的集成，不僅實現(xiàn)了互補，而且產(chǎn)生了強(qiáng)大的邊緣效應(yīng)，將極大地增強(qiáng)以GIS為核心的綜合體系的功能［2］。

生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測子系統(tǒng)比較好地集成了遙感圖像的各種處理功能以及矢量數(shù)據(jù)的分析功能，形成了一個完備的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、分析系統(tǒng)。從對遙感影像的校正、鑲嵌、裁切、拉伸、融合等操作，到植被、沙質(zhì)荒漠化、土壤鹽漬化和土地利用等生態(tài)環(huán)境專題的信息自動提取，以及遙感信息提取所必需的遙感知識庫查詢和管理，再到基于柵格數(shù)據(jù)的圖像對圖像和分類圖對分類圖動態(tài)監(jiān)測，構(gòu)成了完整的基于遙感影像處理的柵格數(shù)據(jù)處理平臺;從矢量專題數(shù)據(jù)的后期修編，到多期專題數(shù)據(jù)的動態(tài)分析，再到支持不同區(qū)域不同屬性的查詢統(tǒng)計，構(gòu)成了比較完備的基于矢量數(shù)據(jù)的處理平臺。遙感監(jiān)測子系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了兩個平臺的有機(jī)集成，遙感信息自動提取的結(jié)果可以直接輸入到數(shù)據(jù)管理中，而數(shù)據(jù)管理模塊中調(diào)入的柵格數(shù)據(jù)也可以應(yīng)用于遙感影像的處理中。

3.空間數(shù)據(jù)無縫鑲嵌技術(shù)

空間地理數(shù)據(jù)的表示主要有柵格和矢量兩種不同的形式。柵格形式是將地理表層空間劃分為一系列網(wǎng)格，空間目標(biāo)由這些網(wǎng)格的位置及其量化值來表示;矢量形式則是將地理空間的一切事物、概念進(jìn)行抽象，形成點、線、面，由點、線、面來組成各類空間目標(biāo)。由于數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)表達(dá)、地圖投影等方面的原因，在計算機(jī)世界里，地理信息往往被表示成不連續(xù)的子空間，為了更好地模擬客觀世界，人們需要將其處理成連續(xù)無縫的數(shù)據(jù)［3］。

塔里木河流域地域廣闊，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)73°10'～94°05'，北緯34°55'～43°08'之間，東西跨越了4個6°帶，而通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的各種基礎(chǔ)圖件都是分幅的，并且采用的是平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)。如果將這些數(shù)據(jù)直接入庫將會在跨帶處產(chǎn)生縫隙，不能形成邏輯意義上完整的河流表現(xiàn)，也無法完成基于整個流域的生態(tài)環(huán)境分析。因此，必須采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與建庫技術(shù)，實現(xiàn)塔河整個流域數(shù)據(jù)的無縫集成管理，使之形成統(tǒng)一的整體。

4.海量空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)

隨著對地觀測技術(shù)的飛速發(fā)展，快速獲取高分辨率遙感影像已不再困難。高分辨率意味著大數(shù)據(jù)量，對于同一地區(qū)不同分辨率的遙感影像，分辨率越高，數(shù)據(jù)量越大，兩者之間并不是簡單的線性增加，而是呈指數(shù)倍增長。塔里木河流域生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源就是多種分辨率的遙感影像，包括TM/ETM+、SPOT 5、QuickBird等。這些原始的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過融合、鑲嵌等處理過程，形成的成果也是影像數(shù)據(jù)，可以直觀地反映出塔里木河流域生態(tài)環(huán)境的變化情況，也是其他專業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。因此，所產(chǎn)生的遙感影像成果應(yīng)存入綜合數(shù)據(jù)庫中，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速查詢、調(diào)用。此外，塔里木河流域所采集的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字柵格圖(DRG)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也有著較大的存儲量，這些數(shù)據(jù)都可以歸類為柵格結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。因此，海量空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)，最重要的就是對遙感影像等柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲管理［4］。

塔里木河流域綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對遙感影像、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字柵格圖(DRG)等柵格數(shù)據(jù)均建立了獨立的存儲表空間，為了獲得高效率的存取速度，在數(shù)據(jù)的組織上使用了金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格分塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，以縮短數(shù)據(jù)抽取時間。以高分辨率為底層，通過逐級抽取數(shù)據(jù)，建立不同分辨率的影像數(shù)據(jù)金字塔結(jié)構(gòu)，并逐級形成較低分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，以便在數(shù)據(jù)查詢檢索時，調(diào)用合適級別的遙感影像數(shù)據(jù)，提高瀏覽和顯示速度。這種方法通常會增加20%左右的存儲空間，但卻可以提高影像數(shù)據(jù)的顯示速度。

5.基于數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成是大型應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)必須考慮的一個問題。它是一個廣義的概念，包括了硬件系統(tǒng)的集成、軟件模塊的集成、軟件與硬件的集成、基礎(chǔ)平臺軟件與開發(fā)軟件的集成等。本系統(tǒng)所說的基于數(shù)據(jù)流的集成，主要是解決各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)、功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，通過數(shù)據(jù)流使得所開發(fā)的4個應(yīng)用子系統(tǒng)形成統(tǒng)一的整體，完成塔里木河流域生態(tài)環(huán)境從數(shù)據(jù)獲取、分析到信息發(fā)布的整個過程［5］。

塔里木河流域生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由于要完成不同的功能操作，在結(jié)構(gòu)上采用了劃分子系統(tǒng)(功能模塊)的方法，由各子系統(tǒng)完成特定的功能，并通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這是一種“數(shù)據(jù)緊密關(guān)聯(lián)，功能獨立松散”的連接關(guān)系。系統(tǒng)集成的關(guān)鍵就是圍繞著數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，通過數(shù)據(jù)集成以及成果數(shù)據(jù)流時序的檢測控制實現(xiàn)整個系統(tǒng)的集成。

塔里木河流域生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一個涉及多種應(yīng)用需求的綜合系統(tǒng)，在運行時需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)倉庫和中間件相結(jié)合的模式進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，總體結(jié)構(gòu)采用數(shù)據(jù)倉庫方式，所有數(shù)據(jù)集中存儲在綜合數(shù)據(jù)庫中，這樣有利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，系統(tǒng)同時也可使用中間件數(shù)據(jù)集成技術(shù)，并通過中間件管理系統(tǒng)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)請求的響應(yīng)。

6.基于WebGIS的信息共享技術(shù)

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GIS技術(shù)的發(fā)展，Web-GIS技術(shù)為當(dāng)今空間數(shù)據(jù)的共享提供了一種全新、跨越時空、快捷、有效的手段。從理論上講，在Web-GIS環(huán)境下，對各種空間數(shù)據(jù)只要依據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，就能在互?lián)網(wǎng)中自由地存取、發(fā)布和共享。但由于空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，使得在空間信息共享中，還面臨各種各樣亟待解決的問題，其中之一就是如何為各種Web用戶提供均質(zhì)、集成和無縫鏈接的時空數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)由數(shù)據(jù)的檢索、查詢和信息共享到規(guī)律的認(rèn)識和知識的發(fā)現(xiàn)，真正使有限的數(shù)據(jù)成為服務(wù)于社會的“無限知識”［6］。

“數(shù)字塔河”項目選用Esri公司的ArcIMS為地理信息發(fā)布平臺軟件，并通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎訪問空間數(shù)據(jù)庫。ArcIMS是Esri公司開發(fā)的一個基于Internet的成熟GIS平臺，Esri公司的地理信息系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)格式已經(jīng)成為業(yè)界的通用標(biāo)準(zhǔn)，許多國家和行業(yè)選擇Esri公司的系列軟件建立專業(yè)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。ArcIMS允許集中建立大范圍的GIS地圖數(shù)據(jù)和應(yīng)用，并將這些結(jié)果提供給Internet/Intranet上的廣大用戶。

“數(shù)字塔河”項目采用間接信息提供方式，通過ArcIMS提供的ArcXML語言進(jìn)行定制開發(fā)，除了編輯功能以外，幾乎所有的 GIS功能都可以在以ArcIMS為核心開發(fā)的WebGIS系統(tǒng)中實現(xiàn)。ArcIMS建立的WebGIS系統(tǒng)通過Esri公司的空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE在后臺數(shù)據(jù)庫Oracle服務(wù)器中檢索空間數(shù)據(jù)，并通過服務(wù)器端或客戶端的分析，為客戶端提供空間數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

三、結(jié)束語

“數(shù)字塔河”項目經(jīng)過兩年多的研發(fā)，其成果已經(jīng)廣泛運用于塔里木河管理局的日常管理工作，產(chǎn)生了良好的社會效率和經(jīng)濟(jì)效益。采用分級分類的思想，實現(xiàn)了塔里木河流域的土地利用、荒漠化、植被、鹽漬化等專題信息的自動提取，具有較好的推廣價值。采用數(shù)字倉庫管理技術(shù)、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化技術(shù)、多源數(shù)據(jù)無縫集成、海量空間數(shù)據(jù)儲存技術(shù)等，為數(shù)字塔河建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。

［1］ 明冬萍，駱劍承.高分辨率遙感影像信息提取與目標(biāo)識別技術(shù)研究［J］.測繪科學(xué)，2005，30(3):18-20.

［2］ 羅睿，張永生.遙感影像數(shù)據(jù)模型及影像數(shù)據(jù)庫的建立［J］.測繪學(xué)院學(xué)報，2000，17(4):273-276.

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［4］ 王卉，王家耀.無縫GIS發(fā)展的兩個關(guān)鍵技術(shù)［J］.測繪通報，2002(4):10-11.

［5］ 張顯鋒，崔偉宏.集成GIS和細(xì)胞自動機(jī)模型進(jìn)行地理時空過程模型與預(yù)測的新辦法［J］.測繪學(xué)報，2001，30(2):148-155.

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Key Technology of Ecological Remote Sensing Monitoring for Digital Tarim River

LAI Bailian

0494-0911(2011)08-0036-03

P237

B

2011-04-12

賴百煉(1964—)，男，江西寧都人，博士生，教授級高級工程師，主要研究方向為攝影測量與遙感。