Google Earth在“3S”技術(shù)課程實(shí)習(xí)中的應(yīng)用①

摘 要：“3S”技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容廣泛，涉及面廣，為了使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論理解和掌握，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生在從Google Earth下載實(shí)習(xí)區(qū)的高精度影像的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)影像的拼接、注冊(cè)、信息提取和專題圖的制作，探討了該課程的實(shí)踐教學(xué)方法，以提高“3S”技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Google Earth “3S”技術(shù) 課程實(shí)習(xí)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）07（a）-0153-02

“3S”技術(shù)是全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）三項(xiàng)技術(shù)的總稱，作為實(shí)時(shí)、客觀獲取空間信息的新興技術(shù)手段，遙感和全球定位系統(tǒng)成為地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)源，Google Earth（以下簡(jiǎn)稱GE）軟件的出現(xiàn)，解決了目前高精度圖像難獲取、費(fèi)用高的問(wèn)題。Google Earth是美國(guó)Google公司于2005年6月推出的全球地理信息系統(tǒng)搜索軟件。它是一個(gè)免費(fèi)的衛(wèi)星影像瀏覽軟件，以各種分辨率的衛(wèi)星影像為最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成，采用了成熟的寬帶流技術(shù)，能實(shí)時(shí)地為用戶提供數(shù)據(jù)，GE上的全球地貌影像的有效分辨率至少為100 m，通常為30 m，針對(duì)大城市、著名風(fēng)景區(qū)、建筑物區(qū)域提供分辨率為l m和0.6 m左右的高精度影像，并提供任意地點(diǎn)海拔數(shù)據(jù)，可生成三維視圖并能任意旋轉(zhuǎn)[1～2]。GE的出現(xiàn)吸引了大量的普通大眾，GIS的應(yīng)用從專業(yè)化、學(xué)術(shù)化開(kāi)始大規(guī)模走向普通大眾。在短短的5年時(shí)間里，基于GE的地理信息開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究在各行業(yè)展開(kāi)，朱超平[3]探討了基于GE繪制校園平面圖的方法，劉家興[4]基于GE建立了野外實(shí)習(xí)基地?cái)?shù)字化教學(xué)模型，李娟[5]探討了基于GE的旅游規(guī)劃技術(shù)，郭仲樸[6]概述了GE和GPS集合應(yīng)用于林業(yè)調(diào)查，于冰[7]探討了以GE為平臺(tái)，構(gòu)建三維GIS的方法等。

在高校，“3S”技術(shù)是一門代表科技前沿的實(shí)踐性極強(qiáng)的新興課程，為適應(yīng)新世紀(jì)高科技的迅猛發(fā)展和滿足社會(huì)各行業(yè)、各部門對(duì)“3S”技術(shù)專門人才的需求，必須培養(yǎng)在校大學(xué)生具有在高科技領(lǐng)域工作的綜合能力。由于“3S”技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容廣泛，涉及面廣，國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有相應(yīng)的專業(yè)教材作為參考，大多數(shù)教學(xué)單位使用的“3S”技術(shù)相關(guān)的教材，主要編寫于20世紀(jì)90年代初甚至更早，使其與相關(guān)領(lǐng)域日新月異的發(fā)展脫節(jié)[8]，在這樣的背景下，一種新的能夠在有限空間和有限時(shí)間里，培養(yǎng)學(xué)生趣味性、互動(dòng)性、實(shí)踐性，利用現(xiàn)代化技術(shù)手段獲取知識(shí)和信息的教學(xué)模式亟需出現(xiàn)。本研究利用Google Earth獲取高精度地面遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)遙感軟件對(duì)其進(jìn)行校正，GIS對(duì)信息進(jìn)行提取、加工，利用GPS進(jìn)行野外調(diào)繪，使學(xué)生能夠理解所學(xué)的理論知識(shí)，而且能夠熟練運(yùn)用到實(shí)踐中，通過(guò)實(shí)習(xí)學(xué)生可以掌握利用“3S”技術(shù)解決問(wèn)題的方法。

1 遙感數(shù)據(jù)的獲取與處理

1.1 衛(wèi)片的下載

實(shí)習(xí)區(qū)域?yàn)樾陆r(nóng)業(yè)大學(xué)校園，首先需要獲取該區(qū)域的遙感影像。Google Earth以高分辨率衛(wèi)星影像和航片為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠快速的確定主要位置，清晰的看到所指定的社區(qū)環(huán)境。在GE主界面左側(cè)的管理面板中點(diǎn)擊“Search/Fly To”標(biāo)簽，直接輸入烏魯木齊市的英文名稱Urumqi，然后點(diǎn)擊“搜索”按鈕即可，然后根據(jù)方位與圖像特征找到研究區(qū)域（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)）。

為了獲得高精度的衛(wèi)片，將衛(wèi)片盡量放大至地理要素的細(xì)節(jié)清晰可辨（空間分辨率1 m左右），當(dāng)圖像下載進(jìn)度達(dá)到100%時(shí)，點(diǎn)擊File菜單下的Save—Save Image即可保存顯示的圖片，共下載了108張衛(wèi)片。下載圖像時(shí)應(yīng)注意該遙感圖像只有中間區(qū)域分辨率高，所以為了保證遙感圖像的高精度，保存圖像時(shí)應(yīng)保留一定的重疊區(qū)域，而且移動(dòng)視窗時(shí)要保持比例尺一致。

1.2 衛(wèi)片的拼接

由于GE中影像數(shù)據(jù)只經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系統(tǒng)的糾正，統(tǒng)一到虛擬地球中，影像的色彩和拼接沒(méi)有進(jìn)行特別處理，沒(méi)有追求專業(yè)地理信息公司所要求的數(shù)據(jù)無(wú)縫集成[9]，因此，需要對(duì)下載的圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、裁切、拼接等操作，這些工作可以利用Photoshop軟件來(lái)完成。

Photoshop是Adobe公司旗下最為出名的圖像處理軟件之一，集圖像掃描、編輯修改、圖像制作、圖像輸入與輸出于一體的圖形圖像處理軟件。專業(yè)遙感圖像處理軟件可進(jìn)行影像的輻射增強(qiáng)、色彩處理和拼接等，但是處理過(guò)程復(fù)雜，成本太大。而Photoshop作為一種國(guó)際上通用的圖像處理工具，操作簡(jiǎn)便，圖像處理工具比較齊全，工作效率和處理效果都不錯(cuò)，因此，慢慢被遙感技術(shù)人員所推崇，在圖像數(shù)據(jù)輸入輸出、色彩調(diào)整、遙感影像糾正融合、鑲嵌和裁切、濾波和數(shù)字分析等方面使用廣泛[10]。

1.3 衛(wèi)片的注冊(cè)

地理信息系統(tǒng)軟件支持的是具有真實(shí)空間參考信息的地理要素和地理現(xiàn)象，而通過(guò)Photoshop軟件處理、拼接的遙感影像圖沒(méi)有這一信息，需要經(jīng)過(guò)專業(yè)遙感圖像處理軟件對(duì)其進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)方法有兩種。

方法一：利用Google Earth中的自帶工具，給研究區(qū)衛(wèi)片添加經(jīng)緯網(wǎng)格，設(shè)置與下載圖像的相同比例尺，在研究區(qū)搜索特征地物點(diǎn)，如道路的交叉點(diǎn)，噴泉的中心、國(guó)旗桿等、讀出鼠標(biāo)所指處的經(jīng)緯度值，在ENVI軟件中，利用Registration→Image to Map功能進(jìn)行影像的注冊(cè)。

方法二：在校園中找尋特征地物點(diǎn)，用GPS定位，記錄每個(gè)特征點(diǎn)的經(jīng)緯度，然后在ENVI軟件中進(jìn)行影像的注冊(cè)。GPS定位時(shí)注意避開(kāi)高大的建筑物，在開(kāi)闊地上進(jìn)行。

對(duì)遙感圖像進(jìn)行注冊(cè)時(shí)，控制點(diǎn)的數(shù)量盡可能多，并且盡可能的分布均勻，以保證精度，最后把注冊(cè)好的影像存為JPEG或Geo TIFF柵格數(shù)據(jù)格式。

2 基于GIS的專題圖的制作

地理信息系統(tǒng)軟件普遍支持多種格式的柵格數(shù)據(jù)，在GIS軟件中打開(kāi)已注冊(cè)的遙感影像。

2.1 遙感圖像的解譯和空間信息的提取

由于此遙感圖的分辨率較高，且接近于真彩色，學(xué)生對(duì)學(xué)校較熟悉，所以對(duì)圖像以目視解譯為主。首先對(duì)地物進(jìn)行分類，可分為學(xué)生公寓，教學(xué)樓，家屬區(qū)，主要道路，學(xué)校餐廳等，然后沿地物的邊界進(jìn)行數(shù)字化。

2.2 信息收集

指導(dǎo)學(xué)生有目的地收集各地理要素的相關(guān)信息，如：家屬樓的單元號(hào)、樓層數(shù)、建筑結(jié)構(gòu)等信息；學(xué)生公寓的樓層數(shù)、入住人數(shù)；道路的名稱等。同時(shí)指導(dǎo)學(xué)生用數(shù)碼相機(jī)拍攝可以反映地物特征的照片，利用圖像編輯軟件將照片格式另存為GIF格式。

2.3 屬性數(shù)據(jù)的編輯

在GIS中，矢量圖形與屬性數(shù)據(jù)庫(kù)是一一對(duì)應(yīng)的，在屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中添加字段，將收集到的信息添加到屬性數(shù)據(jù)庫(kù)中。

部分GIS軟件支持多媒體信息的展示，如ArcGIS提供熱鏈接（hot link）功能。Hotlink先在屬性表中設(shè)置一個(gè)字段存放圖片等多媒體信息數(shù)據(jù)的地址，然后在theme→properties下設(shè)置hotlink的field等屬性，可以實(shí)現(xiàn)專題與照片對(duì)象的熱鏈接。一旦定義好熱鏈接之后，在地圖上點(diǎn)取一個(gè)要素符號(hào)，就立即會(huì)彈出進(jìn)一步說(shuō)明該要素的資料來(lái)。

2.4 專題地圖的制作

2.4.1 校園平面圖的制作

將圖層按照符號(hào)、線劃在上，面積色在下，最下層為底色的原則排列，根據(jù)圖層所反映的地物特點(diǎn)，定義每一個(gè)圖層的顯示樣式（邊框樣式、填充樣式、顏色樣式），利用label功能定義標(biāo)注地物所用的字段，實(shí)現(xiàn)地物的自動(dòng)標(biāo)注，制成校園平面電子圖。

2.4.2 遙感專題圖的制作

將數(shù)字化的矢量圖形不顯示，僅對(duì)遙感圖上的要素進(jìn)行文字標(biāo)注，即形成校園遙感專題圖。

將電子圖進(jìn)行必要的圖面設(shè)計(jì)與修飾，在GIS軟件的Layout中設(shè)定出圖比例尺即可打印輸出成紙質(zhì)地圖。

3 GPS定位技術(shù)的應(yīng)用

實(shí)習(xí)中，GPS技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)在兩點(diǎn)：第一，在注冊(cè)遙感圖像時(shí)使用GPS獲取地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)；第二，Google Earth所發(fā)布的影像一般不是最近期的，現(xiàn)勢(shì)性有些滯后，因此，需實(shí)地使用GPS測(cè)出地物的特征點(diǎn)，在GIS中進(jìn)行增補(bǔ)。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)習(xí)使學(xué)生能夠?qū)W會(huì)利用互聯(lián)網(wǎng)搜集遙感影像，并將其下載保存。掌握GPS的使用原理，使用方法。鞏固了遙感的基本原理，增強(qiáng)了目視解譯能力，鍛煉了遙感圖像處理軟件常用功能的操作和應(yīng)用能力，掌握了地理信息系統(tǒng)軟件的使用和專題圖的制作方法。

該實(shí)驗(yàn)作為一門綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，一方面充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；另一方面也提高了學(xué)生的動(dòng)手解決問(wèn)題的能力，真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，教學(xué)結(jié)合生產(chǎn)。這門實(shí)驗(yàn)課在提高“3S”技術(shù)課程的教學(xué)質(zhì)量的同時(shí)也深受學(xué)生的喜愛(ài)。

參考文獻(xiàn)

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