基于3S技術(shù)的海島資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

劉亞飛，潘洪軍，亓常松，王廣偉

（浙江海洋學(xué)院數(shù)理與信息學(xué)院，浙江舟山 316022）

在陸地經(jīng)濟尤其是沿海城市經(jīng)濟快速發(fā)展的今天，海島作為陸地向海洋的延伸帶也逐漸成為社會經(jīng)濟發(fā)展的新型增長區(qū)，海島以其特有的自然地理環(huán)境和優(yōu)良的空氣質(zhì)量吸引著越來越多的開發(fā)者，不合理的開發(fā)利用對海島資源造成了一定的浪費，同時也對海島環(huán)境造成了污染，不利于海島資源的可持續(xù)開發(fā)，因而給國家及政府部門帶來了海島開發(fā)與管理的新問題。

3S技術(shù)作為大尺度時空變化監(jiān)測的有效手段，具有全方位、多時相、高精度以及快速高效的特點，是地球空間信息理論的核心技術(shù)。目前，3S技術(shù)已廣泛應(yīng)用于林業(yè)、地質(zhì)、交通、電力、海洋以及城市管理等諸多方面，張燕[1]對珠江口的三期TM和SPOT衛(wèi)星遙感影像進行分類解譯，并運用地理信息系統(tǒng)技術(shù)提取出珠江口各個海島的空間變化信息；姜鳳輝等[2]利用3S技術(shù)提取了海洋-大氣空間層信息數(shù)據(jù)及海洋狀況的信息數(shù)據(jù)，并運用GIS技術(shù)將海洋氣象信息數(shù)字化進行存儲查詢，最后提出“數(shù)字海洋氣象”的概念；韓富偉等[3]利用3S技術(shù)對遼寧海域的使用狀況進行了動態(tài)監(jiān)測。

本文將綜合運用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)和全球定位系統(tǒng)技術(shù)對岙山島海島資源的開發(fā)利用情況進行人工智能提取和分析監(jiān)測，在計算機技術(shù)的輔助下，將遙感數(shù)據(jù)處理、地理信息分析處理單元和GPS數(shù)據(jù)處理單元集成到一起，形成一套簡單高效的海島資源提取分析和管理的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 RS技術(shù)與GPS技術(shù)的結(jié)合

遙感是一種遠(yuǎn)離目標(biāo)，利用電磁波、微波和雷達等探測方式通過非直接接觸而判定、測量并分析目標(biāo)性質(zhì)的技術(shù)。本研究中的工程區(qū)域為浙江舟山的一座有居民海島—岙山島，所用衛(wèi)片數(shù)據(jù)為2012年8月19號單時相Quickbird衛(wèi)星遙感影像，投影坐標(biāo)系統(tǒng)為UTM_Zone_51N和GCS_WGS_1984，其中包括分辨率為2.4 m的紅光、綠光、藍(lán)光、近紅外光波段和分辨率為0.61 m的全色波段，衛(wèi)片記錄了工程區(qū)域所有地物的電磁波反射信息，通過先驗波譜特性知識即可解譯提取特定地物。

本系統(tǒng)中的遙感影像處理模塊的功能主要包括影像的正射糾正、幾何校正和地物的提取等，利用GPS技術(shù)獲取的控制點高程數(shù)據(jù)做影像的正射校正，而控制點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)則用于影像的幾何校正，處理過程如圖1所示。

圖1 GPS與RS結(jié)合圖Fig.1 Integration of GPS and RS

1.1 正射校正

由于衛(wèi)星遙感器的內(nèi)部畸變和外部畸變，以及海島地形較大的起伏變化，地物在衛(wèi)片上會產(chǎn)生較大的傾斜畸變，正射投影校正是運用了照相的幾何原理、視角和地形學(xué)[4]，將影像上地物的這種形態(tài)畸變糾正過來，首先用包含照相模型、基準(zhǔn)標(biāo)記和圖像結(jié)點的RPB相機參數(shù)文件確立內(nèi)部方位，再結(jié)合運用GPS技術(shù)測得的地面控制點數(shù)據(jù)、地圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及高程數(shù)據(jù)確立外部方位，將圖像和地球表面聯(lián)結(jié)到一起，最后由內(nèi)、外部方位和DEM文件進行正射投影糾正。

1.2 幾何校正

幾何校正是從具有畸變的圖像中消除畸變的過程，使圖像上各點的投影坐標(biāo)與實際的盡量相符[5]，一種是影像對影像的校正，即以一幅基準(zhǔn)圖像校正一幅新圖像，使得兩幅圖像能夠準(zhǔn)確的疊合在一起以便于地物的變化檢測，另一種是影像對地圖的校正，即利用GPS技術(shù)獲取的地面控制點數(shù)據(jù)對畸變圖像的坐標(biāo)偏差進行糾正。

對工程區(qū)域進行影像對地圖的幾何校正時，結(jié)合GPS控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)在工程區(qū)域的地圖內(nèi)均勻選取了9個控制點，RMS誤差值控制在0.9以內(nèi)，單個象元偏差在兩個象元以內(nèi)，校正結(jié)果偏差在一個象元以內(nèi)。

1.3 分類提取

影像分類解譯是將影像中所含的多個目標(biāo)地物區(qū)分開并提取出感興趣的地物區(qū)域進行分析監(jiān)測。岙山島東西距離約3.5 km，南北距離約2.2 km，島上聚集了兩個漁村，建造有數(shù)個養(yǎng)殖場，并且建有中國最大的25萬t級油碼頭和100萬m3原油儲罐、20萬立方米成品油儲罐的大型石油儲運基地。本研究運用遙感知識并基于不同的提取規(guī)則提取并矢量化生成林地、岸線、水體和碼頭四個專題圖層，同時還可以利用GPS技術(shù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)對已分類地物進行修正，各地物的分類準(zhǔn)則及解譯標(biāo)志圖等如表1所示。

表1 地物提取規(guī)則Tab.1 Extraction rules of land feature

2 GPS技術(shù)與GIS技術(shù)的結(jié)合

全球定位系統(tǒng)技術(shù)最先由美國發(fā)明用于全球范圍內(nèi)實時進行定位與導(dǎo)航，由21顆工作衛(wèi)星和3顆投入使用的備用衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星分布在6個傾角為55°的幾乎為圓形的軌道上，每個軌道上有4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星的平均高度為20 200 km，運行周期為12個恒星時。目前中國也擁有自己的北斗衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，并具有良好的定位精度。

GPS技術(shù)是3S技術(shù)中收集重要實時數(shù)據(jù)的手段，是輔助圖像處理的重要依據(jù)[6]，本文運用GPS技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)有工程區(qū)域控制點經(jīng)緯度坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)、地物邊界數(shù)據(jù)和地物屬性考察數(shù)據(jù)，水體地物考察的屬性數(shù)據(jù)包括名稱、權(quán)屬、使用租金、使用年限等，碼頭地物考察的屬性數(shù)據(jù)主要包括名稱、宗屬、海域使用許可單位、海域使用年限以及海域使用金等。在運用GIS技術(shù)處理不同地物圖層時，可以根據(jù)GPS技術(shù)獲取的地物邊界數(shù)據(jù)進行修正，再利用野外調(diào)查數(shù)據(jù)對各個圖層中的各個要素的屬性進行賦值，以便于后續(xù)GIS系統(tǒng)的查詢統(tǒng)計分析。

由GPS技術(shù)獲取的控制點高程數(shù)據(jù)可在GIS技術(shù)的支持下生成數(shù)字高程模型，在貼上相應(yīng)的遙感影像之后可以實現(xiàn)模擬三維重構(gòu)效果，通過對三維立體效果的定位查詢可以更加直觀地監(jiān)測出土地利用的變化。GIS技術(shù)結(jié)合GPS技術(shù)的處理過程如圖3所示。

圖2 GPS與GIS結(jié)合圖Fig.2 Integration of GPS and GIS

3 GIS技術(shù)與RS技術(shù)的結(jié)合

地理信息系統(tǒng)技術(shù)是由計算機硬件、軟件和不同方法組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計用來支持空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題[7]。遙感數(shù)據(jù)是GIS技術(shù)的重要信息源和數(shù)據(jù)更新的有效手段，可以從遙感圖像中快速而可靠地提取出地面目標(biāo)的空間和屬性信息，在這些更新數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對地物空間屬性進行分析的結(jié)果對管理層的決策具有重要的支撐意義。

GIS技術(shù)與RS技術(shù)的結(jié)合具有重要的意義，自2007年起，Exelis VIS公司與著名的GIS廠商Esri公司開展全面戰(zhàn)略合作，共同開發(fā)和建設(shè)遙感與GIS一體化平臺。最新版本的ENVI5.0中，ENVI的影像分析功能已經(jīng)能夠無縫融入到ArcGIS平臺中。ArcGIS用戶可以在ArcGIS Desktop和Server環(huán)境中直接使用ENVI工具來處理和分析影像，大大提高了生產(chǎn)效率。

本研究中RS技術(shù)與GIS技術(shù)的結(jié)合采用的是整體結(jié)合的方式，運用相同的用戶界面、工具庫和數(shù)據(jù)庫，是理想的RS與GIS結(jié)合模式。由RS處理單元處理得到的圖層數(shù)據(jù)在矢量化入庫之后，由GIS處理單元進行調(diào)用處理，在添加屬性數(shù)據(jù)之后進行分析，包括疊置分析、緩沖區(qū)分析和變化監(jiān)測等，結(jié)合處理過程如圖3所示。

圖3 GIS與RS結(jié)合圖Fig.3 Integration of GIS and RS

3.1 疊置分析

疊置分析是將同一個地區(qū)的兩組或兩組以上的要素進行疊置，產(chǎn)生新的特征的分析方法，即將兩幅或多幅地圖重疊在一起，產(chǎn)生新多邊形和新多邊形范圍內(nèi)的屬性[8]。運用點與多邊形的疊置分析，可以確定點落在某個地物圖層中的某個多邊形要素內(nèi)；運用線與多邊形的疊置分析，可以得出某個多邊形內(nèi)存在的線要素的個數(shù)及長度等，即用多邊形對線要素進行裁剪；運用多邊形與多邊形的疊置分析，統(tǒng)計疊置分析可以確定一個多邊形中含有其他多邊形的屬性類型和面積等，合成疊置分析可以形成新的多邊形并合并原有多邊形的屬性。

3.2 緩沖區(qū)分析

緩沖區(qū)是指在點、線、面實體周圍自動建立一定寬度的多邊形。通過給定半徑繪圓，建立點要素的緩沖區(qū)，可以分析出點要素如工廠的排污會對相鄰地物產(chǎn)生的污染影響；通過給定寬度繪制線要素如道路的緩沖帶可以分析出道路拓寬時需要拆除的道路兩側(cè)的建筑；通過給定緩沖距離繪制面要素如居民地的緩沖帶可以分析出距離居民地一段距離內(nèi)的水源情況。

3.3 GIS與RS的結(jié)合方式

GIS與RS的結(jié)合方式通常有三種：一種分開但平等的結(jié)合，各系統(tǒng)有不同的用戶界面、不同的工具庫和不同的數(shù)據(jù)庫，RS系統(tǒng)模塊與GIS系統(tǒng)模塊之間只傳送數(shù)據(jù)；一種是表面無縫的結(jié)合，有統(tǒng)一的用戶界面、不同的工具庫和數(shù)據(jù)庫[8]；一種是整體的結(jié)合，同一個用戶界面、工具庫和數(shù)據(jù)庫，這是未來應(yīng)采用的理想模式。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)果與分析

岙山島海島資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括ArcSDE數(shù)據(jù)庫模塊、RS影像處理模塊、GIS數(shù)據(jù)處理分析模塊以及GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)入單元，系統(tǒng)總體設(shè)計如圖4所示。

圖4 海島資源動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計圖Fig.4 Design of island resource dynamic monitoring system

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫因不同的應(yīng)用要求會有不同的組織形式，3S技術(shù)系統(tǒng)涉及到衛(wèi)片數(shù)據(jù)、GCP數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)表等數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)庫的設(shè)計采用ArcSDE GeoDatabase，ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫采用的E-R模型是表現(xiàn)實體-聯(lián)系的有力模型，包括實體、聯(lián)系和屬性三個部分，它比一般的數(shù)據(jù)庫更能表現(xiàn)現(xiàn)實地理世界，具有直觀、自然和語義豐富的特點，ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫中包括柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)以及文檔數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖5所示。

4.2 系統(tǒng)運行流程

運用遙感影像處理單元對工程區(qū)域快鳥影像進行裁剪、預(yù)處理并進行感興趣地物功能區(qū)提取，矢量化生成矢量圖層，在GIS處理單元對每個圖層的每個要素添加屬性數(shù)據(jù)之后即可運用GIS分析功能進行空間信息分析。程序運行界面如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of Geodatabase

圖6 系統(tǒng)運行結(jié)果Fig.6 Result of system running

5 總結(jié)與展望

岙山島在經(jīng)歷多年土地開發(fā)利用之后，形成了一定的工業(yè)聚集區(qū)，“麻雀雖小，五臟俱全”，透過對岙山島開發(fā)利用結(jié)果的分析可以窺見一個適合于島嶼開發(fā)的模式，同時應(yīng)通過分析地理信息確定開發(fā)強度的適宜程度，通過3S技術(shù)動態(tài)監(jiān)測防止土地濫用和污染，盡量避免或減少在海島開發(fā)過程中可能對海洋環(huán)境造成的污染，同時應(yīng)將日常化的海島巡邏監(jiān)視和海島資源調(diào)查結(jié)合起來，形成可持續(xù)運行的海島動態(tài)監(jiān)測運行機制。

GPS技術(shù)能夠獲取地面控制點坐標(biāo)并定位但無地理信息；RS技術(shù)能夠快速獲取大尺度指定區(qū)域圖像，但受地物光譜波段特性的限制，甚至于無法對某些地物進行遙測；GIS技術(shù)具有強大的空間數(shù)據(jù)查詢、檢索和空間信息分析的處理能力，而數(shù)據(jù)錄入和獲取是實現(xiàn)智能化處理的瓶頸。相信在計算機硬件技術(shù)和軟件技術(shù)不斷發(fā)展的未來，利用3S技術(shù)可以更加智能、精確和完美地識別地物，甚至可以對整個地球或者太空進行動態(tài)監(jiān)測，真正實現(xiàn)“數(shù)字地球”和“數(shù)字太空”的夢想。

[1]張 燕.基于3S技術(shù)的珠江口海島自然旅游資源特征與動態(tài)變化[D].廣州:廣州大學(xué),2011.

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[3]韓富偉,苗豐民,趙建華,等.3S技術(shù)在海域使用動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用.海洋環(huán)境科學(xué),2008,27(2):85-89.

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