第九章-空间信息科学在地学中的应用PPT课件.ppt

空间信息科学与地理学间的关系人文学院历史系刘文贵 空间信息科学在地学中的应用 1 一 地球空间信息技术及其在国土资源调查与管理中的应用 1 地球空间信息学 Geo SpatialInformationScience简称Geomatics 是以全球定位系统 GPS 地理信息系统 GIS 遥感 RS 等空间信息技术 简称3S 为主要内容 并以计算机技术和通讯技术为主要技术支撑 用于采集 量测 分析 存贮 管理 显示 传播和应用与地球和空间分布有关数据的一门综合和集成的信息科学和技术 它是地球科学的一个前沿领域 是地球信息科学的重要组成部分 是数字地球的基础 2 1 1地球空间信息学的形成 随着社会和经济的迅速发展 人类活动引起的全球变化日益成为人们关注的焦点 从最近几个世纪的历史看 人类活动对生态环境的影响主是向变坏的方向发展 随着世界人口的急剧增加 造成资源的大量消耗 生态环境恶化也成为有目共睹的事实 随着人类社会步入信息时代 有关地球科学问题的研究需要以信息科学为基础 并以现代信息技术为手段 建立地球信息的科学体系 3 地球空间信息科学 作为地球信息科学的一个重要分支学科 将为地球科学问题的研究提供数学基础 空间信息框架和信息处理的技术方法 作为信息科学和地球科学的边缘交叉学科 它与区域乃至全球变化研究紧密相连 是现代科学为解决社会可持续发展问题的一个基础性环节 4 地球空间信息 广义上指各种空载 星载 车载和地面测地遥感技术所获取的地球系统各物质要素存在的空间分布和时序变化及其相互作用信息的总体 5 地球空间信息科学 产生的技术背景 空间定位技术 航空和航天遥感 地理信息系统和互联网等现代信息技术的发展及其相互间的渗透 逐渐形成了地球空间信息的集成化技术系统 近二三十年来 这些现代空间信息技术的综合应用有了飞速发展 使得人们能够快速及时和连续不断地获得了有关地球表层及其环境的大量几何与物理信息 形成地球空间数据流和信息流 6 地球空间信息科学的特点 不仅包含现代测绘科学的所有内容 而且体现了多学科的交叉与渗透 并特别强调计算机技术的应用 不局限于数据的采集 而是强调对地球空间数据和信息从采集 处理 量测 分析 管理 存储 到显示和发布的全过程 7 地球空间信息科学的发展 测绘学科从单一学科走向多学科的交叉 从利用地面测量仪器进行局部地面数据的采集到利用各种星载 机载和舰载传感器实现对地球表面及其环境的几何 物理等数据的采集 从单纯提供静态测量数据和资料到实时 准实地提供随时空变化的地球空间信息 将空间数据和其他专业数据进行综合分析 其应用已扩展到与空间分布有关的诸多方面 如 环境监测与分析 资源调查与开发 灾害监测与评估 现代化农业 城市发展 智能交通等 8 推动地球空间信息科学发展的动力 一方面是现代航天 计算机和通讯技术的飞速发展为地球空间信息科学的发展提供了强有力的技术支持 另一方面全球变化和社会可持续发展日益成为人们关注的焦点 而作为其主要支撑技术的地球空间信息科学必然成为优先发展的领域 具体表现为 地球空间信息科学理论框架逐步完善 技术体系初步建立 应用领域进一步扩大 产业部门逐步形成 9 1 2地球空间信息学的理论基础 地球空间信息科学理论框架的核心是地球空间信息机理 地球空间信息机理作为形成地球空间信息科学的重要理论支撑 通过对地球圈层间信息传输过程与物理机制的研究 揭示地球几何形态和空间分布及变化规律 主要内容包括 地球空间信息的基准 标准 时空变化 认知 不确定性 解译与反演 表达与可视化等基础理论问题 10 1 2 1地球空间信息基准 地球空间信息基准包括几何基准 物理基准和时间基准 是确定一切地球空间信息几何形成和时空分布的基础 地球参考坐标系轴向对地球体的定向是基于地球自转运动定义的 地球动力过程使地球自转矢量以各种周期不断变化 另一方面作为参考框架的地面基准站又受到全球板块和区域地壳运动的影响 因此 区域定位参考框架与全球参考框架的连接和区域地球动力学效应问题 是地球空间信息科学和地球动力学交叉研究的基础问题 11 1 2 2地球空间信息标准 地球空间信息产业发展的前提是信息的标准化 它作为一种把地球空间信息的最新成果迅速地 强制性地转化为生产力的重要手段 其标准化程度将决定以地球空间信息为基础的信息产业的经济效益和社会效益 主要包括 空间数据采集 存贮与交换格式标准 空间数据精度和质量标准 空间信息的分类与代码 空间信息的安全 保密及技术服务标准等 12 1 2 3地球空间信息时空变化 地球及其环境是一个时空变化的巨系统 其特征之一是在时间 空间尺度上演化和变化的不同现象 时空尺度的跨度可能有十几个数量级 地球空间信息的时空变化理论一方面从地球空间信息机理入手 揭示和掌握地球空间信息的时空变化特征和规律 并加以形式化描述 形成规范化的理论基础 使地球科学由空间特征的静态描述有效地转向对过程的多维动态描述和监测分析 另一方面 针对不同的地学问题 进行时间优化与空间尺度的组合 以解决诸如不同尺度下信息的衔接 共享 融合和变化检测等问题 13 1 2 4地球空间信息认知 地球空间信息以地球空间中各个相互联系 相互制约的元素为载体 在结构上具有圈层性 各元素之间的空间集团 空间形成 空间组织 空间层次 空间排列 空间格局 空间联系以及制约关系等均具有可识别性 通过静态上的形成分析 发生上的成因分析 动态上的过程分析 演化上的力学分析以及时序上的模拟分析来阐释与推演地球形成 以达到对地球空间的客观认知 14 1 2 5地球空间信息不确定性 由于地球空间信息是在对地理现象的观测 量测基础上的抽象和近似描述 因此存在不确定性 而且它们可能随着时间发生变化 这使得地球空间信息的管理非常复杂 困难 同时 这些差异会对信息的处理 分析结果产生影响 地球空间信息的不确定性包括 类型的不确定性 空间位置的不确定性 空间关系的不确定性 时域的不确定性 逻辑上的不一致性和数据的不完整性 15 1 2 6地球空间信息解译与反演 通过对地球空间信息的定性解译和定量反演 揭示和展现地球系统现今状态和时空变化规律 从现象到本质回答地球科学面临的资源 环境和灾害诸多重大科学问题是地球空间信息科学的最终科学目标 地球空间信息的解译与反演涉及范围广泛的地球学科 16 1 2 7地球空间信息表达与可视化 由于计算机中的地球空间数据和信息均以数字形式存贮 为了使人们更好地了解和利用这些信息 需要研究地球空间信息的表达与可视化技术方法 主要涉及到空间数据库的多尺度 多比例尺 表示 数字地图自动综合 图形可视化 动态仿真和虚拟现实等 17 1 3地球空间信息学的技术体系 地球空间信息科学的技术体系是指贯穿地球空间信息采集 处理 管理 分析 传播和应用的一系列技术方法所构成的一组完整技术方法的总和 它是实现地球空间信息从采集到应用的技术保证 并能在自动化 时效性 详细程度 可靠性等方面满足人们的需要 地球空间信息科学技术体系是地球空间信息科学的重要组成部分 它的建立依赖于地球空间信息科学基础理论及其相关科学技术的发展 18 1 3 1空间定位 GPS 技术 GPS作为一种全新的现代定位方法 已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器 80年代以来 尤其是90年代以来 GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合 在空间定位技术方面引起了革命性的变化 19 GPS的发展回顾 用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间 从静态扩展到动态 从单点定位扩展到局部与广域差分 从事后处理扩展到实时 准实时 定位与导航 绝对和相对精度扩展到米级 厘米级乃至毫米级 从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用 20 GPS的发展回顾 利用设计在城市的若干基准站可建立局部广域差分GPS定位导航服务系统 通过与有线无线通讯网的联接或通过广播调频台副载波实现对各种用户的实时服务 利用在全国范围内均匀布设的若干个基准站 可充分利用全国地壳运动观测网络已有的基准部 和卫星通讯技术可建立全国范围内的广域差分GPS WADGPS 服务系统 为了用GPS高程测量替代水准测量 需要精化我国的大地水准面 使之达到分米 乡村 和厘米 城市 级的精度 21 GPS的发展回顾 除了美国的GPS系统外 俄罗斯有GLONASS系统 欧盟正在计划伽里略卫星导航系统 我国发射了两颗地球同步静止卫星 利用已知的地面高程 DEM 也可进行15 30m精度的空间定位 该双星定位系统可以与上述GPS GLONASS等进行增强 从而提高实时定位的精度 22 1 3 2航空航天遥感 RS 技术 当代遥感的发展主要表现在它的多传感器 高分辨率和多时相特征 国外已有或正研制地面分辨率为1 3m的航天遥感系统 俄罗斯也将原军方保密的分辨率为2m的间谍卫星影像公开出售 23 当代遥感的发展 在影像处理技术方面 开始尝试智能化专家系统 遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相 多数据源的复合分析 从静态分析向动态监测过渡 从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量分析过渡 从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡 近年来 由于航空遥感具有快速机动性和高分辨率的显著特点使之成为遥感发展的重要方面 24 航天遥感在过去十年中的主要成就 高空间分辨率卫星 民用卫星空间分辨率已达到 0 5 1 0m 军用侦察卫星可达 0 10m 高光谱遥感卫星 EOS AMI的MODIS有36个波段 军用高光谱遥感卫星有220个波段 利用高光谱遥感获得的影像立方体研究地面物质的组成 大大提高遥感解译和分类的精度和自动化程度 合成孔经雷达卫星 JPL发射的SRTM航天飞机计划 用60m基线双天线实现了真正的INSAR 仅9天 获取了全球80 陆地的干涉雷达记录 30m和90m间隔 将在2002年建立全球DEM数据库 卫星重力梯度测量卫星计划已在积极实施之中 25 航空遥感的主要成就 多线和大面阵CCD相机的研制成功 可实现数字航空测量与遥感 基于DGPS和INS组合的POS系统 可解决传感器平台的位置和姿态测量 实现定点摄影和无地面控制作业 机载激光扫描仪系统 Lidar 可实时测量数字表面模型 DSM 和数字高程模型 DEM 特别适合于城市三维建模 线路测量 海岸带滩涂测量 机载双天线干涉雷达测量可望在困难地区 多雨 云雾热带雨林地区 获取地表三维信息 26 结论 航空航天遥感技术的相互补充 将构成21世纪 大面积地获取地球空间影像和信息的主要方法 27 28 29 1 3 3地理信息系统 GIS 技术 随着 数字地球 这一概念的提出和人们对它的认识的不断加深 从二维向多维动态以及网络方向发展是地理信息系统发展的主要方向 也是地理信息系统理论发展和诸多领域的迫切需要如资源 环境 城市等 30 GIS发展的总趋势 在技术发展方面 一个发展是基于Client Server结构 即用户可在其终端上调用在服务器上的数据和程序 另一个发展是通过互联网络发展InternetGIS或Web GIS 可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据 包括图形和图像 而且可以进行各种地理空间分析 这种发展是通过现代通讯技术使GIS进一步与信息高速公路相接轨 31 GIS的发展 网络化标准化数据商业化系统专业化软件部件化专业人员分工化企业运作化应用全球化大众化 32 GIS的发展 随着 数字中国 数字省区 和 数字城市 的建设 面向对象 影像库 矢量图形库和DEM三库一体化无缝三维GIS技术 以GeoStar软件为代表 将取代原来的二维矢量GIS 在城市将进一步按照赛博空间的概念 建立真三维的数码城市 Cybercity 空间数据将通过Intranet Internet WAP等手段送到每个人的电脑终端 PDA和三代手机上 基于位置的空间信息服务 LBS 和移动定位服务 MLS 将在未来五年中取得远远超过GIS的产值 33 1 3 4数据通讯技术 数据通讯技术是现代信息技术发展的重要基础 地球空间信息技术的发展在很大程度上依赖于数据通讯技术的发展 在GPS GIS和RS技术发展过程中 高速度 大容量 高可靠性的数据通讯是必不可少的 目前在世界范围内通讯技术正处于飞速发发展阶段 特别是宽带通讯 多媒体通讯 卫星通讯等新技术的应用以及迅速增长的需求 为数据通讯技术的发展创造了良好的外部环境 34 网络和通信技术的发展回顾 宽带网络技术IP技术WAP技术数字微波技术卫星数据中继技术中调频副载波技术 35 网络和通信技术的发展趋势 公用骨干电信网络向分组化 大容量化发展接入技术向宽带化 无线化发展移动通信向高码率发展通信终端向多媒体和移动化方向发展 36 1 公用骨干电信网络向分组化 大容量化发展 为了更加便宜有效地处理和传送数据 语音和视频信息 电信网正由传统的电路交换网向基于IP的分组网转移 基于IP的分组网采用TCP IP协议使得不同网络间的连接大大简化 而宽带IP巨大的网络带宽和流量使信息流量大大增加 可以满足不同业务和大量的用户的要求 这一点为大数据量的空间数据 特别是影像 的网上传送提供了可能 37 公用骨干电信网络的发展 宽带IP网推动了高速路由技术的发展 高速路由器的出现省去了ATM 直接在SDH网上运行IP数据包 这就是IPoverSDH 将G位T位线速路由交换技术与密集波分复用 DWDM 技术结合 就可以完全抛开ATM和SDH 在光纤上直接传送IP数据包 这就是IPoverWDM 38 公用骨干电信网络的发展 采用IPoverWDM省去了ATM层的处理 传输效率比有ATM时提高了许多 实施简单 价格也便宜 采用密集波分复用技术后 省去了SDH设备 每个通信不再是SDH的分复用一个通信道 而是独占密集波分复用的一个通道 进一步提高了网络的效率 降低了网络的造价 39 公用骨干电信网络的发展 卫星通信开始向宽带化 移动化发展 满足卫星广播电视和数据直播业务的地球同步轨道卫星 用于定位系统和移动电话系统的中低轨道卫星已经商用化 满足大数据量的多媒体交互业务的低轨道宽带卫星正在积极研制中 这些都是使空间信息技术与通信技术的集成成为可能 从而实现地理空间信息随时随地为大家服务 40 2 接入技术向宽带化 无线化发展 接入网是目前通信网的瓶颈 首先要解决宽带化问题 以满足多媒体通信和高速Internet数据下载的需要 一方面 为用户提供宽带业务的接入网技术和光纤到家庭 FTTH XDSL和HFC已经成熟并开始应用于通信工程 另一方面 基于宽带与无线接入技术的多点分配系统 LMDS 移动宽带系统 MDS 无线局域网和无线ATM的应用研究日益广泛 支持快速连接 高速率数据下载业务的接入技术为空间数据的网上发布 浏览和分析处理提供技术保障 41 3 移动通信向高码率发展 随着通信业务向大数据量和实时化方面发展 2MB S的码率越来越不能满足用户各种新的宽带业务的需要 目前国外开始研究第四代移动通信系统 第一步目标是10MB S的码率 高码率移动通信系统的发展 可以提高数码城市空间信息技术中要求进行适时 大数据量传送的应用系统的效率 42 4 通信终端向多媒体和移动化方向发展 会议电视 PSTN可视终端 IP电话 WAT手机 呼叫中心和家庭信息终端都是为适应通信终端的多媒体化和移动化发展 基于Internet中广泛应用的标准 如HTTP TCP IP SSL XML等 提供一个空中接口和无线设备独立的无线Internet全面解决方案 同时支持未来的开放标准的WAP协议 旨在通过定义一个开放的全球无线应用框架和网络协议标准 将Internet和高级数据业务以智能信息传递的方式引入数字移动电话 寻呼机 PDA 个人数字助理 等无线终端 并实现兼容和互操作 43 1 3 5三S及与通讯技术的集成 GPS定位与导航系统 是以点方式采集空间数据 x y z t 航空航天遥感是以面方式采集图像 导出各种地物目标的空间位置与属性 GIS是对以上数据的存贮 管理和应用 通过现代通讯方式将它们集成在一起 可以实现空间数据和信息的实时采集 更新与互操作 可以根据需要形成各种各样的集成方式 44 1 GIS与GPS的集成 利用GIS中的电子地图和GPS接收机可以组成GPS GIS的各种电子地图导航系统 用于交通 公安侦破 车船自动导航 也可以用GPS方法直接对GIS作实时数据采集与更新 用GPS单机定位 栅格电子地图是最简单 最便宜的 无需实时通讯的自主辅助导航系统 利用GPS单机定位 矢量电子地图可以自动计算最佳路径和用地图匹配方法来补偿和更正GPS单机定位的误差 最好的方法是用差分GPS定位与矢量电子地图的集成从而保证了 1 3m的定位精度 从而构建交通 导航 监测系统和精准农业的耕作运营系统 45 2 GIS和RS的集成 遥感 RS 是GIS是主要的数据采集和更新的手段 GIS则是遥感数据处理 自动解译的重要辅助信息 通过空间数据挖掘技术 SDM 可以提高从影像数据中提取语义和非语义信息的自动化和智能化水平 这种结合已从分开而平行的方式 向无缝和整体集成的方向发展 46 3 GPS INS与RS的集成 星载 机载 车载和般载遥感数据采集系统中加上GPS INS 全球定位系统 惯性导航 组合导航系统可以实现无线地面控制的实时遥感数据采集 目前GPS空中三解测量已得到广泛应用 利用GPS和恒星摄影机可以为IKONOS自动测定摄影中心的位置与姿态 可获得直接星地定位 10m以内的精度 47 4 三S与通讯的集成 将GPS GIS CCD等成像系统 通过无线移动通讯方式集成在一起 具有上述所有功能 实时进行空间数据远距离 互操作 实现了空间数据采集和更新自动化和实时化 形成了机动灵活的自动导航 跟综 监测系统 为空间数据和信息的网络化 大众化创造了条件 不久的将来 在每个人的手机上可装上GPS接收机 CCD摄像头和通过WAP上网就得WebGLS数据 将实现地球空间信息 随时 随地为每个人 每件事的实时服务 48 2 地球空间信息技术在国土资源调查与管理中的应用 地球空间信息技术在各方面的应用愈来愈广 诸如数字地球 数码城市 智能化交通 精准农业 数字化战场等等 地球空间信息技术在国土资源调查与管理中的应用土地利用调查土地变更调查土地交易与经营管理国土资源调查与管理全数字地学填图和地质制图为建立 数字国土 做出贡献 49 2 1土地利用调查 利用地球空间信息技术 特别是航空航天遥感技术 可以利用本底空间数据和现势性强的不同分辨率的卫星遥感图像和相应的软件 制作全球 全国 全省和某一感兴趣地区的植被覆盖图和土地利用图 50 应用实例 利用NOAA我国风云气象卫星资料和MODIS数据 可以方便地获得全省每十天 或每月 的标准化植被指数图 可以有效地监测水旱灾的变化和发展 利用影像融合技术 可以将不同分辨率的全色和多光谱图像融合成更利于土地利用调查的彩色图像 这些图像均可纠正成为正射影像 以便于直接量算和定位 利用高光谱图像和数据挖掘技术 可以实现自动分类 51 52 2 2土地变更调查 利用不同时相 不同年份的 的遥感影像 可以方便地发现土地利用的变化进行土地变更调查 53 应用实例 由武汉大学与广东国土厅合作经过两年多在汕头的试验 研制成功了完全符合国土资源部要求的农村地籍管理信息系统 利用不同时相的影像进行融合 发现和监测土地利用的变化 该系统由 土地利用现状调查子系统 和 农业土地产权管理子系统 组成 功能 将本底库的图斑图和正射影像图相加进行动态更新 保证了数据良好的现势性 便于图斑界线和权属界线的调查定界 同时防止了不合理的变更调查及土地登记的发生 利用该系统还能保证地籍信息在时间上的现势性 54 55 56 2 3土地交易系统 利用WebGLS和RS技术 可以很方便地实现在交易所和网络上建立土地交易系统 57 应用实例 武汉大学与东莞国地局联合开发研制了东莞土地交易信息系统 该系统包括数据制作子系统 交易信息查询子系统和交易 拍卖 信息展示子系统 功能 利用该系统 可以自动地从数据库中提取当前挂牌交易的相关信息并滚动显示 在大屏幕上可以看到所拍卖地块的图形 影像动画录相及属性描述 四邻介绍 以及交易方式和竞价信息 利用该系统不仅可以提高土地交易的透明度 公平性 也能够通过竞价方式为地方政府的土地拍卖增值 58 59 2 4国土资源调查与管理 利用多种多样的高分辨遥感图像 将会使国土调查与管理更加自动化和数字化 武汉大学目前正承担国家资源部的十五项目 提出以正射影像和立体正射影像为基础 实现无纸地质填图 利用三维GIS可以建立地下十分复杂的矿产资源分布与管理系统 利用高光谱图像可以实现更加快速准