摘要地理國情監(jiān)測作為全新型工作、創(chuàng)新性任務(wù)，是新時期空間信息科學的重要使命。對地理國情監(jiān)測的國外發(fā)展現(xiàn)狀、重要意義和主要技術(shù)支撐以及當前主要技術(shù)路線和方法進行了討論，通過山東地理國情普查試生產(chǎn)的實踐進行了相關(guān)技術(shù)方法的探索與分析。

關(guān)鍵詞地理國情監(jiān)測；3S技術(shù)；多源數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)；內(nèi)外業(yè)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(jiān)測（Geographical conditions monitoring）是綜合利用全球衛(wèi)星導航定位技術(shù)（GNSS）、航空航天遙感技術(shù)（RS）、 地理信息系統(tǒng)技術(shù)（GIS）等現(xiàn)代測繪技術(shù)，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(tài)和定量化、空間化的監(jiān)測，并統(tǒng)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(huán)境、生態(tài)、經(jīng)濟要素的空間分布及其發(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測數(shù)據(jù)、地圖圖形和研究報告。

隨著多學科交叉技術(shù)不斷融入測繪領(lǐng)域，測繪人才的不斷涌現(xiàn)與基礎(chǔ)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(yīng)用，我國測繪發(fā)展正處于全面推進地理國情監(jiān)測工作的重要轉(zhuǎn)折點，正處于由強調(diào)拓展地理信息覆蓋范圍向強調(diào)監(jiān)測地理信息變化、提高地理信息現(xiàn)實性的重要轉(zhuǎn)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(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，國外主要發(fā)達國家圍繞地理國情監(jiān)測的主題開展了許多項目，主要有美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的“地理分析與和動態(tài)監(jiān)測計劃”、歐盟的“全球環(huán)境與安全計劃”（GMES）、歐洲發(fā)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(qū)的地理監(jiān)測、英國實時監(jiān)測全球旱情嚴重程度的全球干旱監(jiān)測網(wǎng)、美國主要針對國內(nèi)環(huán)境問題的國家生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，旨在建立和發(fā)展一個綜合性的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的亞太地區(qū)環(huán)境革新戰(zhàn)略項目（APEIS）環(huán)境綜合監(jiān)測子項目（IEM）等[2]。

一些發(fā)達國家的測繪與地理信息相關(guān)規(guī)劃和戰(zhàn)略中，都將開展地理國情監(jiān)測作為重要任務(wù)之一。

美國地質(zhì)調(diào)查局在地理科學研究戰(zhàn)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(jīng)濟政策、技術(shù)和環(huán)境等因素在土地變化中產(chǎn)生的影響和作用機理，利用遙感技術(shù)收集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析土地利用變化和土地覆蓋變化在導致人類—環(huán)境系統(tǒng)脆弱性及風險過程中的作用。

加拿大在大地測量署戰(zhàn)略規(guī)劃中提出，將對地理坐標參考基礎(chǔ)、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(wù)及監(jiān)測加拿大大陸運移等。

澳大利亞在對地觀測戰(zhàn)略規(guī)劃中提出，將利用新一代對地觀測傳感器提供關(guān)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(fā)一套有關(guān)特定生物物理參數(shù)的國家級的對地觀測數(shù)據(jù)集，用于監(jiān)測農(nóng)業(yè)林業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)；改進海平面上升區(qū)域沿海環(huán)境脆弱性沿海資源分配等海岸和海洋監(jiān)測。

2地理國情監(jiān)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(yīng)對突發(fā)事件；另一方面地理國情深入揭示經(jīng)濟社會發(fā)展與自然資源、環(huán)境的內(nèi)在關(guān)系和演變規(guī)律，有利于促進從地理空間上合理布局經(jīng)濟建設(shè)、社會發(fā)展、優(yōu)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(tǒng)籌兼顧，作出系統(tǒng)、科學、可持續(xù)的長遠規(guī)劃和科學決策。為此，需要通過開展地理國情監(jiān)測，快速獲得地表植被、土地利用、生態(tài)變化、環(huán)境演變、城鎮(zhèn)擴張等各種地理國情信息，為國家和地區(qū)制定發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃提供基礎(chǔ)資料。地理國情監(jiān)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(tài)文明建設(shè)的需要。

從另一個角度來講，地理國情的事件感知、數(shù)據(jù)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(shù)中的有關(guān)部分有機地集成起來，借助通信、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)對各種空間信息和環(huán)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(wǎng)絡(luò)、對地觀測科學、地球科學等相關(guān)科學領(lǐng)域的融合和向縱深發(fā)展，進一步推動空間信息科學的快速發(fā)展。地理國情監(jiān)測必將成為推動空間信息科學發(fā)展的巨大動力。

3地理國情監(jiān)測的關(guān)鍵支撐技術(shù)

地理國情監(jiān)測合理、快速的發(fā)展需要多學科交叉融合形成的許多關(guān)鍵技術(shù)的支撐。

3.13S技術(shù)

地理國情監(jiān)測需要GNSS、RS、GIS的技術(shù)支撐。

3.1.1GNSS。

GNSS導航系統(tǒng)可以形成增強系統(tǒng)，通過在廣域或局域內(nèi)對GPS信號進行監(jiān)測得到差分信息及連續(xù)性、可用性的信息，再通過衛(wèi)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(wèi)星導航只有發(fā)展增強系統(tǒng)才能最終實現(xiàn)高精度導航定位。

GNSS應(yīng)用于地理國情監(jiān)測測繪基準服務(wù)、空間定位服務(wù)和與多種國情監(jiān)測技術(shù)的集成融合服務(wù)等方面可為監(jiān)測工作提供平臺和手段。針對地理國情監(jiān)測指標體系中確定的監(jiān)測對象和目標，采用不同的GNSS監(jiān)測技術(shù)可獲得科學、客觀、準確的統(tǒng)計信息。如利用在飛機上裝載差分GPS和IMU構(gòu)成的組合導航系統(tǒng)簡稱POS系統(tǒng)，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(nèi)業(yè)的像片定向，節(jié)省內(nèi)業(yè)處理影像時間?；谖恢梅?wù)（LBS）可以通過GPS定位獲取移動終端的位置信息，實現(xiàn)例如獲得外業(yè)核查軌跡和新增地物測量的相關(guān)工作。

3.1.2空、天、地一體化遙感技術(shù)。

地理國情監(jiān)測對象具有區(qū)域性、多維結(jié)構(gòu)、時序變化等復雜特征，而且強調(diào)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(jiān)測的強弱。這決定了不能只依賴于單一的觀測手段，需要衛(wèi)星系統(tǒng)、低空無人機系統(tǒng)等低空觀測系統(tǒng)及地面測量車等地面觀測系統(tǒng)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(shù)[2]。

3.1.3網(wǎng)格GIS技術(shù)。

地理國情監(jiān)測形成的數(shù)據(jù)覆蓋許多不同行業(yè)的不同部門，要在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計分析形成統(tǒng)一的監(jiān)測結(jié)果，面臨數(shù)據(jù)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(wǎng)格計算和網(wǎng)格GIS為此提供了強有力的技術(shù)支撐。

網(wǎng)格地理信息系統(tǒng)（Grid GIS）是將地理上分布、系統(tǒng)異構(gòu)的各種計算機、空間數(shù)據(jù)服務(wù)器、大型檢索存儲系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等通過高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(huán)境，它是利用空間信息網(wǎng)格技術(shù)將多臺地理信息服務(wù)器構(gòu)建成一個網(wǎng)格環(huán)境。

3.2多源數(shù)據(jù)融合與處理技術(shù)

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

3.3內(nèi)外業(yè)一體化調(diào)查技術(shù)

內(nèi)外一體化調(diào)查技術(shù)在地理國情監(jiān)測工作中非常重要。應(yīng)用同一遙感影像在內(nèi)業(yè)高精度判讀基礎(chǔ)上，采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線通信和移動終端等技術(shù)設(shè)備，開展地理國情要素移動式、網(wǎng)絡(luò)化外業(yè)調(diào)查和驗證，快速采集和編輯調(diào)查數(shù)據(jù)，既保證監(jiān)測成果客觀可靠，又保證成果精度精確統(tǒng)一。這樣可實現(xiàn)當作業(yè)員在內(nèi)業(yè)工作的時候，與外業(yè)可以并行操作，避免了傳統(tǒng)作業(yè)方式中內(nèi)外業(yè)無法統(tǒng)一操作而導致的費時費力的情況，可大大減少內(nèi)外業(yè)的工作量。

42卷6期張友超等地理國情監(jiān)測的探索與實踐

4地理國情監(jiān)測技術(shù)路線與方法

地理國情監(jiān)測的技術(shù)體系依托測繪現(xiàn)有技術(shù)體系的基礎(chǔ)理論和技術(shù)手段，在實踐中不斷完善，重在監(jiān)測內(nèi)容、技術(shù)指標、監(jiān)測技術(shù)路線、成果形式等方面的內(nèi)容，形成了相對完整的技術(shù)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(jiān)測的重要部分，目的在于建立地理國情監(jiān)測的本底數(shù)據(jù)庫。

在建立了地理國情信息本底數(shù)據(jù)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(jiān)測，監(jiān)測部分主要分為綜合性監(jiān)測和專題性監(jiān)測。通過對自動解譯獲得的信息與本底數(shù)據(jù)進行比較，然后將在時間序列中量化的變化信息進行統(tǒng)計分析來獲得所需的地理國情監(jiān)測成果。

5地理國情監(jiān)測中普查工作的實踐與發(fā)現(xiàn)

近期，地理國情監(jiān)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(qū)地理國情普查試生產(chǎn)的內(nèi)業(yè)解譯與外業(yè)調(diào)繪工作。

利用最新的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和0.5 m分辨率的衛(wèi)星正射影像，并收集整合相關(guān)專題資料，試生產(chǎn)完成山東兗州市地理國情信息采集，解譯樣本數(shù)據(jù)的采集，完成地理國情信息基本統(tǒng)計。主要目的是通過試生產(chǎn)，提高技術(shù)隊伍的業(yè)務(wù)素質(zhì)與能力，總結(jié)在開展地理國情普查試生產(chǎn)中遇到的問題及采取的解決方法，探索更為完善的技術(shù)路線，為全省全面開展地理國情普查工作打好基礎(chǔ)。

5.1內(nèi)業(yè)解譯在影像的內(nèi)業(yè)解譯中，試用了eCognition自動解譯軟件，發(fā)現(xiàn)eCognition自動解譯后分割結(jié)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(jié)合矢量數(shù)據(jù)。eCognition的規(guī)則集分類，對不同影像時相、數(shù)據(jù)源、區(qū)域的高分辨率數(shù)據(jù)分類，很難普適，而且技術(shù)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(shù)據(jù)庫之后的監(jiān)測工作中的作用是不容忽視的。

在內(nèi)業(yè)解譯中，對比人工解譯與自動解譯發(fā)現(xiàn)，人工解譯的質(zhì)量成果主要依賴于作業(yè)員的經(jīng)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(jié)省了人力及生產(chǎn)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(yīng)該是人機交互解譯，它結(jié)合人的認知能力和計算機的數(shù)據(jù)處理能力，提高了工作效率，保證了成果質(zhì)量。例如，利用已有DLG數(shù)據(jù)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(xiàn)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(guī)則。水域提取可以以指定點處光譜值為基礎(chǔ)，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(yè)調(diào)繪

在地理國情普查中，外業(yè)調(diào)繪主要是承擔著核查內(nèi)業(yè)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(jié)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(chǎn)普查的外業(yè)調(diào)繪中，遵循著試生產(chǎn)外業(yè)調(diào)繪中核查所有圖斑的原則，采用了外業(yè)調(diào)繪平板與傳統(tǒng)圖紙相結(jié)合的作業(yè)方法。與傳統(tǒng)的紙質(zhì)作業(yè)方式相比，平板調(diào)繪系統(tǒng)有獨特的優(yōu)勢和特點。內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)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(chǎn)方案，實現(xiàn)采編一體化、內(nèi)外一體化。采用平板調(diào)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(diào)繪系統(tǒng)具有快速獲取樣本數(shù)據(jù)、快速進行圖形與標注修改的優(yōu)勢。

在實際的外業(yè)調(diào)繪中對比了多個公司的平板系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)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(diào)繪工作，電阻屏的優(yōu)勢較為明5.4監(jiān)測工作的展望

通過地理國情普查工作建立了普查本底數(shù)據(jù)庫之后，需要根據(jù)需求進行動態(tài)變化監(jiān)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(gòu)建解譯規(guī)則集，利用面向?qū)ο蟮姆诸惒呗?，在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(jiān)測策略對地理要素進行變化監(jiān)測，獲取重要地理要素和重點區(qū)域的變化信息，準確揭示其空間分布及發(fā)展變化規(guī)律。

6結(jié)語

從測繪本意來講，地理國情監(jiān)測不僅僅是要從空間分布上模擬表達和再現(xiàn)自然和人文地理要素的形態(tài)現(xiàn)狀，反映某一時期的地形地貌資源環(huán)境現(xiàn)狀等方面的地理國情信息，更是要從時間序列上展現(xiàn)地理要素的發(fā)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(jiān)測跟蹤分析研究，把握地理要素變化規(guī)律，對發(fā)展趨勢作出科學判斷。

測繪地理信息科技發(fā)展“十二五”提出了“構(gòu)建數(shù)字中國、監(jiān)測地理國情、發(fā)展壯大產(chǎn)業(yè)、建設(shè)測繪強國”的總體發(fā)展戰(zhàn)略，勾畫出了未來測繪行業(yè)發(fā)展的藍圖[3-6]。

作為處于行業(yè)歷史轉(zhuǎn)折點的測繪人，需要通過作業(yè)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(wù)、工作步驟、作業(yè)流程方法、工作要求的理解，不斷豐富自己在相關(guān)知識領(lǐng)域的知識，不斷探索研究新方法、新技術(shù)，以便能夠順利完成好全國第一次地理國情普查工作。

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