地理國情監測的探索與實踐

摘要地理國情監測作為全新型工作、創新性任務，是新時期空間信息科學的重要使命。對地理國情監測的國外發展現狀、重要意義和主要技術支撐以及當前主要技術路線和方法進行了討論，通過山東地理國情普查試生產的實踐進行了相關技術方法的探索與分析。

關鍵詞地理國情監測；3S技術；多源數據融合與處理技術；內外業一體化；半自動解譯

中圖分類號S127文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）06-01875-03

AbstractGeographical conditions monitoring， as a new type of work and innovation task， is an important mission of spatial information science in the new period. This paper discussed the development status of geographical conditions monitoring in foreign countries， the importance and the main technical support as well as current major technical routes and methods. Through the general survey practice of geographical conditions monitoring in Shandong Province， it analyzed related techniques and methods of monitoring.

Key wordsGeographical conditions monitoring； 3S； Data Fusion and Processing Techniques for Multisources Remote Sensing Image； Indoor and Field Integration； SemiAutomatic Interpretation

地理國情監測（Geographical conditions monitoring）是綜合利用全球衛星導航定位技術（GNSS）、航空航天遙感技術（RS）、 地理信息系統技術（GIS）等現代測繪技術，綜合各時期已有測繪成果檔案，對地形、水系、交通、地表覆蓋等要素進行動態和定量化、空間化的監測，并統計分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢等，形成反映各類資源、環境、生態、經濟要素的空間分布及其發展變化規律的監測數據、地圖圖形和研究報告。

隨著多學科交叉技術不斷融入測繪領域，測繪人才的不斷涌現與基礎測繪多年來積累的各類高覆蓋、高標準的測繪成果的廣泛應用，我國測繪發展正處于全面推進地理國情監測工作的重要轉折點，正處于由強調拓展地理信息覆蓋范圍向強調監測地理信息變化、提高地理信息現實性的重要轉折點[1]。為此，筆者從幾個方面對其進行綜述。

1國外地理國情監測發展現狀

近年來，國外主要發達國家圍繞地理國情監測的主題開展了許多項目，主要有美國地質調查局（USGS）的“地理分析與和動態監測計劃”、歐盟的“全球環境與安全計劃”（GMES）、歐洲發布的全球分辨率最高的全球土壤覆蓋圖、歐盟等組織的擴大對糧食危機區的地理監測、英國實時監測全球旱情嚴重程度的全球干旱監測網、美國主要針對國內環境問題的國家生態監測網，旨在建立和發展一個綜合性的環境監測系統的亞太地區環境革新戰略項目（APEIS）環境綜合監測子項目（IEM）等[2]。

一些發達國家的測繪與地理信息相關規劃和戰略中，都將開展地理國情監測作為重要任務之一。

美國地質調查局在地理科學研究戰略（2005-2015）中提出，要研究土地變化的模式和過程，利用各種地理分析方法研究土地變化，預測土地變化趨勢，評估社會、經濟政策、技術和環境等因素在土地變化中產生的影響和作用機理，利用遙感技術收集環境監測數據，分析土地利用變化和土地覆蓋變化在導致人類—環境系統脆弱性及風險過程中的作用。

加拿大在大地測量署戰略規劃中提出，將對地理坐標參考基礎、水和氣候變化、自然災害3方面的科學研究提供支撐，并開展更廣泛的GNSS服務及監測加拿大大陸運移等。

澳大利亞在對地觀測戰略規劃中提出，將利用新一代對地觀測傳感器提供關于降水模式、地表土壤濕度、地表溫度、積雪覆蓋全部儲水量變化的精度更高、空間上更詳細的信息；測制近岸和近海海域航行所需的導航海圖，用于保障沿海水域和公海海運行動的安全，以及用于海嘯預警；開發一套有關特定生物物理參數的國家級的對地觀測數據集，用于監測農業林業和生態系統；改進海平面上升區域沿海環境脆弱性沿海資源分配等海岸和海洋監測。

2地理國情監測的重要意義

地理國情作為重要的基本國情，一方面直觀反映地物形狀、大小、空間位置的變化，有利于政府掌握國情國力，應對突發事件；另一方面地理國情深入揭示經濟社會發展與自然資源、環境的內在關系和演變規律，有利于促進從地理空間上合理布局經濟建設、社會發展、優化資源配置等。

地理國情是空間化、可視化的國情信息。在當前形勢下，管理者需要超越時間維度，把握空間布局，注重統籌兼顧，作出系統、科學、可持續的長遠規劃和科學決策。為此，需要通過開展地理國情監測，快速獲得地表植被、土地利用、生態變化、環境演變、城鎮擴張等各種地理國情信息，為國家和地區制定發展戰略與規劃提供基礎資料。地理國情監測的開展是政府掌握國情國力、作出科學管理決策、加快生態文明建設的需要。

從另一個角度來講，地理國情的事件感知、數據獲取、通信傳輸、信息提取、空間分析以及決策支持等需要將3S各獨立技術中的有關部分有機地集成起來，借助通信、云計算和物聯網等技術，實現對各種空間信息和環境信息的快速、機動、準確、可靠的收集、處理、更新及預測，這必將加快空間信息、科學計算機網絡、對地觀測科學、地球科學等相關科學領域的融合和向縱深發展，進一步推動空間信息科學的快速發展。地理國情監測必將成為推動空間信息科學發展的巨大動力。

3地理國情監測的關鍵支撐技術

地理國情監測合理、快速的發展需要多學科交叉融合形成的許多關鍵技術的支撐。

3.13S技術

地理國情監測需要GNSS、RS、GIS的技術支撐。

3.1.1GNSS。

GNSS導航系統可以形成增強系統，通過在廣域或局域內對GPS信號進行監測得到差分信息及連續性、可用性的信息，再通過衛星或其他途徑廣播給用戶達到高精度和高可靠性的目的。衛星導航只有發展增強系統才能最終實現高精度導航定位。

GNSS應用于地理國情監測測繪基準服務、空間定位服務和與多種國情監測技術的集成融合服務等方面可為監測工作提供平臺和手段。針對地理國情監測指標體系中確定的監測對象和目標，采用不同的GNSS監測技術可獲得科學、客觀、準確的統計信息。如利用在飛機上裝載差分GPS和IMU構成的組合導航系統簡稱POS系統，可以獲取攝影相機的外方位元素和飛機的絕對位置，以直接用于航測內業的像片定向，節省內業處理影像時間。基于位置服務（LBS）可以通過GPS定位獲取移動終端的位置信息，實現例如獲得外業核查軌跡和新增地物測量的相關工作。

3.1.2空、天、地一體化遙感技術。

地理國情監測對象具有區域性、多維結構、時序變化等復雜特征，而且強調地理國情信息獲取的時效性和全面性，因此在很大程度上對地觀測能力的強弱決定了地理國情監測的強弱。這決定了不能只依賴于單一的觀測手段，需要衛星系統、低空無人機系統等低空觀測系統及地面測量車等地面觀測系統的相互配合，形成“三全”（全天候、全天時、全球觀測）、“三高”（ 高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率）、“三多”（多平臺、多傳感器、多角度）的空天地一體化遙感技術[2]。

3.1.3網格GIS技術。

地理國情監測形成的數據覆蓋許多不同行業的不同部門，要在此基礎上統計分析形成統一的監測結果，面臨數據共享和互操作、信息深加工、高性能大容量分布存儲和分布處理能力的難題，網格計算和網格GIS為此提供了強有力的技術支撐。

網格地理信息系統（Grid GIS）是將地理上分布、系統異構的各種計算機、空間數據服務器、大型檢索存儲系統、地理信息系統、虛擬現實系統等通過高速互聯網絡連接并集成起來，形成對用戶透明的虛擬的空間信息資源的超級處理環境，它是利用空間信息網格技術將多臺地理信息服務器構建成一個網格環境。

3.2多源數據融合與處理技術

地理國情監測需要針對不同的數據進行分析。數據來源各不相同，可能會用到不同時段的數據，也可能用到不同類型的數據，包括雷達數據、光學數據等。因此需要將這些多源數據進行融合與處理。地理國情監測數據量大、類型多，要采用遙感影像數據集群分布式處理、地面調查數據實時動態處理、專題數據空間化處理等技術手段，實現地理國情監測數據的快速、高效處理。此外，測繪地理信息部門自己監測的地理信息數據如何與其他專業部門的數據進行融合，如水利調查、土地利用調查等信息，這些信息所采用的標準、網格精度各不相同，需要通過合適的技術方法將這些信息融合處理，以供地理國情監測使用。

3.3內外業一體化調查技術

內外一體化調查技術在地理國情監測工作中非常重要。應用同一遙感影像在內業高精度判讀基礎上，采用全球導航衛星系統、無線傳感網絡、無線通信和移動終端等技術設備，開展地理國情要素移動式、網絡化外業調查和驗證，快速采集和編輯調查數據，既保證監測成果客觀可靠，又保證成果精度精確統一。這樣可實現當作業員在內業工作的時候，與外業可以并行操作，避免了傳統作業方式中內外業無法統一操作而導致的費時費力的情況，可大大減少內外業的工作量。

42卷6期張友超等地理國情監測的探索與實踐

4地理國情監測技術路線與方法

地理國情監測的技術體系依托測繪現有技術體系的基礎理論和技術手段，在實踐中不斷完善，重在監測內容、技術指標、監測技術路線、成果形式等方面的內容，形成了相對完整的技術體系。

目前，我國正在進行的首次地理國情普查是地理國情監測的重要部分，目的在于建立地理國情監測的本底數據庫。

在建立了地理國情信息本底數據庫之后，需要利用時相性較好的多源遙感影像進行定期的信息監測，監測部分主要分為綜合性監測和專題性監測。通過對自動解譯獲得的信息與本底數據進行比較，然后將在時間序列中量化的變化信息進行統計分析來獲得所需的地理國情監測成果。

5地理國情監測中普查工作的實踐與發現

近期，地理國情監測的首要工作全國地理國情普查正在全國多個主要測繪單位開展，筆者參與了山東省兗州地區地理國情普查試生產的內業解譯與外業調繪工作。

利用最新的基礎地理信息數據和0.5 m分辨率的衛星正射影像，并收集整合相關專題資料，試生產完成山東兗州市地理國情信息采集，解譯樣本數據的采集，完成地理國情信息基本統計。主要目的是通過試生產，提高技術隊伍的業務素質與能力，總結在開展地理國情普查試生產中遇到的問題及采取的解決方法，探索更為完善的技術路線，為全省全面開展地理國情普查工作打好基礎。

5.1內業解譯在影像的內業解譯中，試用了eCognition自動解譯軟件，發現eCognition自動解譯后分割結果破碎程度較大，分解邊界基本正確，但復雜地物的分割需要結合矢量數據。eCognition的規則集分類，對不同影像時相、數據源、區域的高分辨率數據分類，很難普適，而且技術門檻較高，因而目前不太適合工程化項目實施。但是eCognition之類的自動解譯軟件在建立國情普查本底數據庫之后的監測工作中的作用是不容忽視的。

在內業解譯中，對比人工解譯與自動解譯發現，人工解譯的質量成果主要依賴于作業員的經驗與認知能力，而且比較費時費力，效率不高。全自動解譯雖然大大提高了解譯的速度，節省了人力及生產時間，但是其算法精度不高，后期處理比較復雜。所以，比較適合的解譯方法應該是人機交互解譯，它結合人的認知能力和計算機的數據處理能力，提高了工作效率，保證了成果質量。例如，利用已有DLG數據輔助分割，可充分利用已有資源成果，分割邊界準確度高。對于面狀和帶狀要素可以實現半自動提取，例如水域、草地、房屋、道路等，充分利用人的認知能力和計算機的量算能力。水域紋理均一，形狀不規則。水域提取可以以指定點處光譜值為基礎，提取滿足一定閾值范圍的面狀要素，并進行邊緣光滑處理。但對于一些大面積的水域需要再進行合并。

5.2外業調繪

在地理國情普查中，外業調繪主要是承擔著核查內業不確定和判讀困難的圖斑、抽樣檢查判讀的正確率和修正判讀結果、建立遙感解譯樣本用來指導自動分類和人工解譯的責任。

在此次試生產普查的外業調繪中，遵循著試生產外業調繪中核查所有圖斑的原則，采用了外業調繪平板與傳統圖紙相結合的作業方法。與傳統的紙質作業方式相比，平板調繪系統有獨特的優勢和特點。內外業數據可方便地進行交互，可以采用同一套軟件平臺、同一套符號庫、同一套生產方案，實現采編一體化、內外一體化。采用平板調繪可以獲得實時的GPS定位信息，有利于對新增地物和形狀變化地物的增補與修改，同時平板調繪系統具有快速獲取樣本數據、快速進行圖形與標注修改的優勢。

在實際的外業調繪中對比了多個公司的平板系統，發現了許多問題。

（1）硬件方面。在觸摸屏的選擇上，對于需要在野外進行勾畫操作的調繪工作，電阻屏的優勢較為明5.4監測工作的展望

通過地理國情普查工作建立了普查本底數據庫之后，需要根據需求進行動態變化監測。低空無人機、低空無人飛艇可以隨時提供時相性好、清晰度高、分辨率高的遙感影像。可以通過建立地理國情要素典型特征庫，構建解譯規則集，利用面向對象的分類策略，在分布式網絡環境下實現網絡分布式信息提取與解譯判讀。利用自動化程度更高、處理速度更快、提取信息更準確的監測策略對地理要素進行變化監測，獲取重要地理要素和重點區域的變化信息，準確揭示其空間分布及發展變化規律。

6結語

從測繪本意來講，地理國情監測不僅僅是要從空間分布上模擬表達和再現自然和人文地理要素的形態現狀，反映某一時期的地形地貌資源環境現狀等方面的地理國情信息，更是要從時間序列上展現地理要素的發展演變軌跡，通過研究

分析不同時期地理國情信息，對地理要素的歷史演變進行監測跟蹤分析研究，把握地理要素變化規律，對發展趨勢作出科學判斷。

測繪地理信息科技發展“十二五”提出了“構建數字中國、監測地理國情、發展壯大產業、建設測繪強國”的總體發展戰略，勾畫出了未來測繪行業發展的藍圖[3-6]。

作為處于行業歷史轉折點的測繪人，需要通過作業實踐認真學習，不斷提高對地理國情普查工作目標、工作任務、工作步驟、作業流程方法、工作要求的理解，不斷豐富自己在相關知識領域的知識，不斷探索研究新方法、新技術，以便能夠順利完成好全國第一次地理國情普查工作。

參考文獻

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