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第17卷 第2期 世 界 地 質(zhì) 1998年6月 遙感與地理信息系統(tǒng)的關系 趙文吉 趙文軍 鞏 慧賈秀峰 長春科技大學地球科學學院 長春130026 遼源煤礦學校 遼源136200 摘要 遙感 RS 具有多時相 多信息等特征 因此 航空航天遙感可作為地理信息系統(tǒng) GIS 的信息源及數(shù)據(jù)更新的手段 GIS強大的數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)分析功能又為RS得以應用 提供了可能 從應用角度出發(fā) 探討了兩者的關系 關鍵詞 RS GIS 信息源 第一作者簡介 趙文吉 男 30歲 講師 博士生 遙感地質(zhì)專業(yè) 已發(fā)表 小明月溝火山機構遙感圖像模型 等 論文 收稿日期 19970815 遙感 Remote Sensing RS 一詞本身具有廣義和狹義兩種理解 當然 我們所指的RS 自然是狹義的遙感 它是指從遠距離 高空及外層空間的平臺上 利用可見光 紅外 微波等 探測儀器 通過攝影或掃描方式 對電磁波輻射能量的感應 傳輸?shù)奶幚?從而識別地面物體 的幾何影像 性質(zhì)及運動狀態(tài)的現(xiàn)代化技術系統(tǒng) 而地理信息系統(tǒng) Geographical Informa2 tion System GIS 則是一種綜合處理和分析空間數(shù)據(jù)的技術系統(tǒng) 它是在計算機軟件 硬件 支持下 對描述外部客體的空間及屬性數(shù)據(jù)按一定的地理坐標進行輸入 存儲 更新 運算 分析處理 圖形顯示 為地學研究與科學決策服務的技術系統(tǒng) 它具有空間性 動態(tài)性 區(qū)域 空間分析 綜合分析 動態(tài)預測及決策服務的能力 而RS作為一種高效的信息采集手段 其 應用價值和效益不僅發(fā)揮在資源調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測上 還表現(xiàn)在遙感信息綜合開發(fā)和利用的 研究已廣泛應用于其它領域 將RS作為一項信息工程 形成從信息的獲取和處理直到預 測 規(guī)劃和決策的綜合信息流程 顯然 要做到這一點 只有實現(xiàn)RS與GIS技術的結合 即 把RS信息作為GIS的信息源與數(shù)據(jù)更新手段 把GIS作為支持RS信息綜合開發(fā)和應用 的理想工具 總之 RS和GIS的研究對象都是自然界中的空間實體 RS主要著眼于空間數(shù)據(jù)的采 集與分類 GIS則著眼于空間數(shù)據(jù)的管理與分析 RS技術的發(fā)展促進了GIS的發(fā)展 同時 GIS又為RS的應用研究提供了有力的支持工具 1 RS信息在GIS中的應用 GIS的建立 首先問題是收集信息 RS技術具有宏觀性 高分辨率 多波譜 多時相 動 態(tài)性 及時性的特點 它的數(shù)字影像處理又是基于圖像數(shù)據(jù)庫的操作與管理 1 經(jīng)過計算機 圖像處理技術所獲取的大量圖形圖像信息數(shù)據(jù)為GIS提供了豐富的信息源 將RS信息應 用于GIS 可以大大降低GIS中數(shù)據(jù)獲取的成本 加快數(shù)據(jù)更新的步伐 97 1 1 RS信息的特征 RS信息在GIS中的重要作用 主要是由現(xiàn)代RS技術系統(tǒng)的特點決定的 如表1所 示 2 表1 現(xiàn)代遙感技術系統(tǒng)的特點 技 術 特 點技 術 關 鍵 快 速 快速 幾小時 幾天 中速 1 3個月 慢速 2 3年 1 遙感技術系統(tǒng)配套及完善 2 多級平臺遙感采樣技術 3 因地制宜分區(qū)遙感作業(yè)及不同時空特點數(shù)據(jù)規(guī)一化技術 4 作業(yè)地區(qū)GIS快速建立 機 動 全天時 全天候及任意地區(qū)作業(yè) 5 紅外 微波遙感技術發(fā)展 6 遙感數(shù)據(jù)遠距離實時傳輸 7 無地面控制立體觀測數(shù)據(jù)快速成圖及DTM生成技術 8 機動靈活的通信調(diào)度指揮系統(tǒng)建立 準 確 定位 定性 定量 9 GIS I NS遙感數(shù)據(jù)高精度 快速和動態(tài)定位及實時處理技術 10 大容量 快速 高精度遙感數(shù)據(jù)專題分類 11 多級采樣面積估算技術 12 因地制宜遙感專題應用模型生成技術 集 成 多用途 多目標 13 遙感技術系統(tǒng)模塊化發(fā)展 14 遙感技術模塊優(yōu)化組合與裝配 15 遙感技術新領域方法開拓 16 遙感應用技術系統(tǒng)設計與評價 以上特點決定了RS為GIS提供的信息主要是空間信息 數(shù)據(jù) 這種空間信息的基本 特征表現(xiàn)在如下三個方面 空間分布特征 RS的信息涉及到分布于地球表面的自然現(xiàn)象 如有關土地資源的土地 類型 土壤類型 土地利用條件 坡度 高度 土壤侵蝕程度等 有關礦產(chǎn)資源的地層 構造 巖石 礦產(chǎn)的分布特征 有關水資源的水系分布及流域范圍 洪水監(jiān)測及治理 水資源的合理 利用 如近年來黃河斷流問題 等 也涉及社會 人文經(jīng)濟現(xiàn)象的空間分布特征 如城市地理 信息系統(tǒng)中的行政界線 人口結構 工業(yè)布局 街區(qū)分布等 以上空間實體不僅具有一定的 空間位置 而且有一定的幾何形態(tài) 如點狀 礦產(chǎn) 居民點等 線狀 水渠 公路 鐵路等 面 狀 行政區(qū) 工業(yè)區(qū)等 這些空間分布特征均可由空間圖形表達 即由x y z坐標值表示和 確定 屬性特征 因空間實體間存在著內(nèi)在的本質(zhì)差異 因而具有不同的屬性 可進一步劃分 為不同的專題類型 以便進行信息的更新與查詢 確定和認識一種事物或現(xiàn)象 必須依據(jù)它 區(qū)別于其它事物或現(xiàn)象的本質(zhì)差異 尋找代表它的一組屬性 即它的識別標志 如進行某一 地區(qū)的土地適用性研究 需要考慮該區(qū)的土壤厚度 有機質(zhì)含量及其它化學元素的種類及含 量等土壤性質(zhì)屬性 還有地形高度 坡向 坡角等地形條件屬性等 在GIS中 空間實體的這 種屬性特征 一般是通過屬性碼來表示的 08 時間特征 任何一個位于地球表面的空間實體都處于不斷發(fā)展變化著的時間序列中 遙感器所收集存儲的有關它們的信息都只是某一瞬時或某一時間范圍內(nèi)的特征 不同時相 的遙感圖像所反映信息的對比聯(lián)接又可揭示出它們的動態(tài)變化 如SPOT衛(wèi)星僅4 5天 便可對地表同一地區(qū)進行重復觀測 這就可以利用SPOT圖像進行 周期為4 5天 動態(tài) 分析 在GIS中 空間實體的時間特征是作為一種屬性碼來表示的 1 2 可用于GIS的RS數(shù)據(jù)類型 RS數(shù)據(jù)經(jīng)幾何校正后 以網(wǎng)格數(shù)據(jù)格式存入地理信息系統(tǒng)中 通過與其它數(shù)據(jù)的復合 處理 就可以得到有效的應用 在GIS中 RS數(shù)據(jù)的應用形式分兩類 一類是應用RS數(shù)據(jù) 的分析結果 另一類是應用RS數(shù)據(jù)本身 RS原始數(shù)據(jù) RS圖像數(shù)據(jù)表示了時間域的一維采樣結果和空間域的二維采樣結果 RS數(shù)據(jù)的基本特征如下 光譜范圍和分辨率 光譜維數(shù) 波段率 輻射測量分辨率 量子化 瞬時視場 IFOV 點傳播函數(shù) PSF 時間響應函數(shù) 獲取RS數(shù)據(jù)最普通的形式是建立掃描數(shù)據(jù)集 在被動系統(tǒng)與主動系統(tǒng)之間出現(xiàn)關鍵 性特征及用以收集數(shù)據(jù)的機構 它強烈影響著原始數(shù)據(jù)的幾何和輻射質(zhì)量 有4種幾何原 理的記錄機構 中央透視 模擬照相機 順軌跡 線 掃描 SPOT衛(wèi)星 垂直軌跡 或鏡面 掃描 M SS及TM 及主動傳感 雷達與聲納 剖面 在垂直或水平方向上獲取剖面 如大氣遙感的測量 地形測量中的激光及雷達測 量中的高度剖面 立體圖像 混合圖像技術和光譜測量 發(fā)展了光譜圖像 電磁波譜的特殊部分是連續(xù)采 樣 以建立立體圖像 常用的有 航空圖像光譜計 A IS 高分辨率圖像光譜計 H IR IS 及用 于設計地球觀測站 EOS RS數(shù)據(jù)本身在GIS中可以作為區(qū)域的宏觀圖像加以利用 如我們在長白山火山研究 中 直接利用TM26的亮度數(shù)據(jù) 模擬編制了長白山區(qū)不同地質(zhì)時期的地熱 熱水 熱氣 分 布略圖 用以研究該區(qū)的地熱變化趨勢 進一步分析長白山火山群在近年的活動趨勢 另外 RS數(shù)據(jù)本身也可以與其它地理數(shù)據(jù)復合進行更高層次的分析 RS數(shù)據(jù)與DTM D igital Terrain M odel 數(shù)字地形模型 復合 建立立體影像 可進行地質(zhì)災害分析 RS數(shù)據(jù)與地質(zhì) 制圖結合 可形成RS影像地質(zhì)圖 使之廣泛應用于地質(zhì)找礦 區(qū)域及其它地質(zhì)研究中 RS解譯數(shù)據(jù) 對比原始RS數(shù)據(jù) 用戶可以把連續(xù)準確的數(shù)據(jù)集轉化為多樣性數(shù)據(jù) 這種不可逆轉換形成各種中間分類數(shù)據(jù) 把這些從遙感圖像中獲取的相關地理信息 按應用 目的分別賦以屬性碼后存入GIS中 就可以應用于區(qū)域分析 例如 我們在研究長白山火山 巖地學信息系統(tǒng)中 將TM 127圖像進行合成直方圖變換 邊緣增強處理并結合前人資料 獲 得該區(qū)的構造 線性構造 北東向 北西向 東西向 南北向四組 環(huán)形構造 將每一構造單元 賦以走向 延長等屬性存入GIS中 用于該區(qū)火山群演化規(guī)律的研究 如圖1所示 18 圖1 長白山地區(qū)線環(huán)形構造圖 1 3 RS信息作用于GIS的過程 3 1 圖像恢復 輻射校正 投影變換 幾何糾正 2 圖像增強 反差增強 密 度分割 邊緣增強 數(shù)字濾波 3 信息提 取 比值圖像 非監(jiān)督分類 監(jiān)督分類 紋理分類 4 圖像統(tǒng)計 特征值計算 直方圖統(tǒng)計 面積 長度和灰度統(tǒng)計 5 用 于GIS 數(shù)據(jù)輸入 數(shù)據(jù)更新 圖像查 詢 2 GIS對RS的有效支持 GIS是RS的合理 延伸 GIS引入到RS圖像處理和RS應用分析中 大大提高了RS 圖像的可識別性 例如 在RS圖像的分類處理中 將GIS中的地形信息與陸地衛(wèi)星圖像處 理結合起來 可在很大程度上提高RS數(shù)據(jù)的自動分類精度及應用價值 圖2 現(xiàn)代遙感技術系統(tǒng)分析框圖 2 2 1 GIS的發(fā)展對RS 的強大支持 自80年代以來 隨著 全球環(huán)境變化監(jiān)測和全球 系統(tǒng)科學研究等計劃的提 出與實施 使RS技術的 發(fā)展應用進入了一個新的 階段 這個新階段與以往 相比較 具有自己的特點 主要表現(xiàn)為以下兩個方 面 1 RS技術與其它領 域多種技術的結合 RS技術與其它領域 多種技術的結合 主要是 RS技術與定位技術 測量 技術 數(shù)據(jù)傳輸技術 數(shù)據(jù) 處理技術 GIS技術與其 它各種勘查技術如物化探 技術等的結合 圖 2 2 現(xiàn)代遙感技術實際上是一個由涉及數(shù)據(jù)獲取 分析和應用三個完整 技術環(huán)節(jié)以及包括任務實施 基礎研究等相配套的多種科學技術組成的大型復雜系統(tǒng) 就目 前來看 其中的數(shù)據(jù)分析與應用兩個環(huán)節(jié)及相關技術發(fā)展還相對遲緩 薄弱 2 RS信息直接與人們的日常生活及管理工作聯(lián)系在一起 現(xiàn)代RS技術系統(tǒng)具有快速 機動 準確和集成等特點 這些已在災情監(jiān)測 評價 資源 與環(huán)境的動態(tài)調(diào)查中表現(xiàn)出來 然而 這些優(yōu)勢的發(fā)揮 也受到數(shù)據(jù)處理 應用技術及RS信 28 息本身缺陷 如信息的屬性問題 靜態(tài)向動態(tài) 定性向定量 實驗研究向業(yè)務運作的過渡等 等方面問題的限制 束縛了它自身的應用與發(fā)展 而GIS為RS信息的應用提供了一個良好 的環(huán)境 特別是各種專業(yè)模型的存在 使RS應用在深度與廣度上產(chǎn)生了一個新的飛躍 利 用GIS的基本數(shù)據(jù)庫 可以補償RS信息的不足 并增強信息的處理和分析能力 提高RS 數(shù)據(jù)的分類精度 圖 3 圖3 GIS支持下的環(huán)境監(jiān)測與資源調(diào)查的RS系統(tǒng)結構框圖 2 2 2 GIS對RS支持的具體內(nèi)容 數(shù)據(jù)管理 利用GIS來管理不同來源及格式的數(shù)據(jù) RS影像數(shù)據(jù) 專題圖數(shù)據(jù) 各種 實測數(shù)據(jù) 如物化探測量數(shù)據(jù) 等 如果沒有GIS的支持 我們在長白山火山研究中 很難處 理有關構造 巖石 水系等包含的海量數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)支持 GIS數(shù)據(jù)庫中RS信息的應用 為RS技術提供了數(shù)據(jù)支持 GIS可支持RS 作為分區(qū)分類模板數(shù)據(jù)的地貌區(qū)劃圖 輔助分類時 作為輔助波段的DTM數(shù)據(jù) 如在建立 長白山火山巖地學信息系統(tǒng)的過程中 將地形圖數(shù)字化 生成數(shù)字化地形圖 圖4 然后生 38 成DEM D igital Elevation M odel 數(shù)字高程模型 圖 最后生成長白山火山地貌三維立體 圖 并與RS圖像處理結合 用于地形 地貌 地質(zhì)構造及該區(qū)熔巖臺地的分布情況的研究 并將三維立體圖與水系圖結合起來 提出了松花江 圖們江 鴨綠江三大水系的流域特征和 洪澇災害的預測及防治措施 圖4 長白山地區(qū)數(shù)字地形圖 功能支持 GIS對RS的支持有兩 種模式 1 對RS影像進行幾何校正 改進遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量 像與圖能很好地 配準和疊合在一起 然后進行各種分析 其結果經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉換后 以數(shù)據(jù)庫形 式直接用于GIS中 2 建立RS影像與 相應地圖間的映射關系 然后對RS影 像進行分析 還可將相應的地圖人為地 變形 和未經(jīng)校正的影像配準 以幫助取 得必要的分析處理結果 最后再對這種 圖形格式的分類或判讀結果進行幾何改 正 使之進入GIS數(shù)據(jù)庫并和其它來源 的數(shù)據(jù)結合使用 以保證數(shù)據(jù)的質(zhì)與量 RS技術自誕生以來 在地質(zhì)勘查 森林與草原監(jiān)測 水文及海洋調(diào)查 氣象 服務 作物評估 土地類型劃分 城市環(huán) 境及區(qū)域工程規(guī)劃 區(qū)域分析及社會學 研究等諸多領域廣泛應用 取得了矚目 的社會經(jīng)濟效益 并在目前 需求索引 技術推動 的發(fā)展機制下 發(fā)生了引人注 目的變化 具體表現(xiàn)在以下兩個方面 1 傳感器系統(tǒng)的探測能力 質(zhì)量及分辨 率的大大提高 2 同期計算機技術發(fā)展 帶來的支持作用 使RS數(shù)據(jù)處理 解譯 及成圖系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化 數(shù)字化 此特 點表明 RS技術的應用進入了一個新的 時期 然而 在許多領域里 RS技術的 應用又僅限于定性及半定量化 這與當 今信息社會對信息的精確性與準確性的要求有一定差距 必將導致RS大容量及定性的信 息得不到充分應用 而GIS為RS深化應用提供了技術上的支持 例如在地表徑流水資源調(diào) 查中 傳統(tǒng)的RS應用 可以圈定水體范圍 湖泊 水庫 河流等 但不能精確提供這些范圍 內(nèi)的面積 如傳統(tǒng)的河流類型大小的解譯 無法精確給出河流長度及流域面積等等 而這些 要素的精確與否 直接影響到調(diào)查結果 在GIS支持下 只要利用GIS工具中的查詢功能即 可很快求出上述參數(shù) 48 3 存在的問題 3 1 兩種系統(tǒng)的聯(lián)接方式 實踐證明 雖然柵格結構與矢量結構在表示空間數(shù)據(jù)上各有優(yōu)缺點 但它們是同樣有效 的 4 對于一個與RS相結合的GIS信息系統(tǒng)來說 較為理想的方案是采用兩種數(shù)據(jù) RS圖 像處理一直使用柵格結構 而GIS主要采用矢量結構 這兩種數(shù)據(jù)結構的相互轉化問題 是 目前實現(xiàn)GIS與RS一體化的瓶頸問題 亟待很好地解決 3 2 GIS中RS信息與其它不同來源信息的復合方式 GIS因其能分析處理大量數(shù)據(jù)而具強大的功能 不同來源信息的復合處理與復合分析 一方面可以提高RS的解譯精度 另一方面又可滿足GIS大量數(shù)據(jù)的要求 信息復合是指同 一區(qū)域內(nèi)RS信息與非RS信息之間的匹配復合 5 信息復合技術不僅是RS應用研究的一 個重要領域 6 而且是RS與GIS結合運用中必然面臨的問題 雖然目前這一技術領域已有 幾種成型的算法 但還不能滿足GIS與RS的發(fā)展要求 仍有必要加強研究 本文通過介紹RS與GIS的相互作用 并結合幾年來的實踐 探討了它們之間的關系 以求促進兩者的結合運用 同時討論了實現(xiàn)兩者一體化方面的問題 以便引起注意 并希望 和廣大同仁共同解決 參考文獻 1 馬靄乃 地理信息系統(tǒng)淺釋 遙感信息 1987 4 34 36 2 閆守邕 金剛 張前等 在GIS支持下的遙感影像分類判讀與制圖系統(tǒng) 遙感信息 1995 1 7 14 3 黃杏元 湯勤 地理信息系統(tǒng)概論 北京 高教出版社 1989 4 鄔倫 任伏虎 謝昆青等 地理信息系統(tǒng)教程 北京 北京大學出版社 1994 5 陳述彭 遙感地學分析 北