遥感与地理信息系统的关系.pdf

第17卷 第2期 世 界 地 质 1998年6月 遥感与地理信息系统的关系 赵文吉 赵文军 巩 慧贾秀峰 长春科技大学地球科学学院 长春130026 辽源煤矿学校 辽源136200 摘要 遥感 RS 具有多时相 多信息等特征 因此 航空航天遥感可作为地理信息系统 GIS 的信息源及数据更新的手段 GIS强大的数据管理及数据分析功能又为RS得以应用 提供了可能 从应用角度出发 探讨了两者的关系 关键词 RS GIS 信息源 第一作者简介 赵文吉 男 30岁 讲师 博士生 遥感地质专业 已发表 小明月沟火山机构遥感图像模型 等 论文 收稿日期 19970815 遥感 Remote Sensing RS 一词本身具有广义和狭义两种理解 当然 我们所指的RS 自然是狭义的遥感 它是指从远距离 高空及外层空间的平台上 利用可见光 红外 微波等 探测仪器 通过摄影或扫描方式 对电磁波辐射能量的感应 传输的处理 从而识别地面物体 的几何影像 性质及运动状态的现代化技术系统 而地理信息系统 Geographical Informa2 tion System GIS 则是一种综合处理和分析空间数据的技术系统 它是在计算机软件 硬件 支持下 对描述外部客体的空间及属性数据按一定的地理坐标进行输入 存储 更新 运算 分析处理 图形显示 为地学研究与科学决策服务的技术系统 它具有空间性 动态性 区域 空间分析 综合分析 动态预测及决策服务的能力 而RS作为一种高效的信息采集手段 其 应用价值和效益不仅发挥在资源调查和环境监测上 还表现在遥感信息综合开发和利用的 研究已广泛应用于其它领域 将RS作为一项信息工程 形成从信息的获取和处理直到预 测 规划和决策的综合信息流程 显然 要做到这一点 只有实现RS与GIS技术的结合 即 把RS信息作为GIS的信息源与数据更新手段 把GIS作为支持RS信息综合开发和应用 的理想工具 总之 RS和GIS的研究对象都是自然界中的空间实体 RS主要着眼于空间数据的采 集与分类 GIS则着眼于空间数据的管理与分析 RS技术的发展促进了GIS的发展 同时 GIS又为RS的应用研究提供了有力的支持工具 1 RS信息在GIS中的应用 GIS的建立 首先问题是收集信息 RS技术具有宏观性 高分辨率 多波谱 多时相 动 态性 及时性的特点 它的数字影像处理又是基于图像数据库的操作与管理 1 经过计算机 图像处理技术所获取的大量图形图像信息数据为GIS提供了丰富的信息源 将RS信息应 用于GIS 可以大大降低GIS中数据获取的成本 加快数据更新的步伐 97 1 1 RS信息的特征 RS信息在GIS中的重要作用 主要是由现代RS技术系统的特点决定的 如表1所 示 2 表1 现代遥感技术系统的特点 技 术 特 点技 术 关 键 快 速 快速 几小时 几天 中速 1 3个月 慢速 2 3年 1 遥感技术系统配套及完善 2 多级平台遥感采样技术 3 因地制宜分区遥感作业及不同时空特点数据规一化技术 4 作业地区GIS快速建立 机 动 全天时 全天候及任意地区作业 5 红外 微波遥感技术发展 6 遥感数据远距离实时传输 7 无地面控制立体观测数据快速成图及DTM生成技术 8 机动灵活的通信调度指挥系统建立 准 确 定位 定性 定量 9 GIS I NS遥感数据高精度 快速和动态定位及实时处理技术 10 大容量 快速 高精度遥感数据专题分类 11 多级采样面积估算技术 12 因地制宜遥感专题应用模型生成技术 集 成 多用途 多目标 13 遥感技术系统模块化发展 14 遥感技术模块优化组合与装配 15 遥感技术新领域方法开拓 16 遥感应用技术系统设计与评价 以上特点决定了RS为GIS提供的信息主要是空间信息 数据 这种空间信息的基本 特征表现在如下三个方面 空间分布特征 RS的信息涉及到分布于地球表面的自然现象 如有关土地资源的土地 类型 土壤类型 土地利用条件 坡度 高度 土壤侵蚀程度等 有关矿产资源的地层 构造 岩石 矿产的分布特征 有关水资源的水系分布及流域范围 洪水监测及治理 水资源的合理 利用 如近年来黄河断流问题 等 也涉及社会 人文经济现象的空间分布特征 如城市地理 信息系统中的行政界线 人口结构 工业布局 街区分布等 以上空间实体不仅具有一定的 空间位置 而且有一定的几何形态 如点状 矿产 居民点等 线状 水渠 公路 铁路等 面 状 行政区 工业区等 这些空间分布特征均可由空间图形表达 即由x y z坐标值表示和 确定 属性特征 因空间实体间存在着内在的本质差异 因而具有不同的属性 可进一步划分 为不同的专题类型 以便进行信息的更新与查询 确定和认识一种事物或现象 必须依据它 区别于其它事物或现象的本质差异 寻找代表它的一组属性 即它的识别标志 如进行某一 地区的土地适用性研究 需要考虑该区的土壤厚度 有机质含量及其它化学元素的种类及含 量等土壤性质属性 还有地形高度 坡向 坡角等地形条件属性等 在GIS中 空间实体的这 种属性特征 一般是通过属性码来表示的 08 时间特征 任何一个位于地球表面的空间实体都处于不断发展变化着的时间序列中 遥感器所收集存储的有关它们的信息都只是某一瞬时或某一时间范围内的特征 不同时相 的遥感图像所反映信息的对比联接又可揭示出它们的动态变化 如SPOT卫星仅4 5天 便可对地表同一地区进行重复观测 这就可以利用SPOT图像进行 周期为4 5天 动态 分析 在GIS中 空间实体的时间特征是作为一种属性码来表示的 1 2 可用于GIS的RS数据类型 RS数据经几何校正后 以网格数据格式存入地理信息系统中 通过与其它数据的复合 处理 就可以得到有效的应用 在GIS中 RS数据的应用形式分两类 一类是应用RS数据 的分析结果 另一类是应用RS数据本身 RS原始数据 RS图像数据表示了时间域的一维采样结果和空间域的二维采样结果 RS数据的基本特征如下 光谱范围和分辨率 光谱维数 波段率 辐射测量分辨率 量子化 瞬时视场 IFOV 点传播函数 PSF 时间响应函数 获取RS数据最普通的形式是建立扫描数据集 在被动系统与主动系统之间出现关键 性特征及用以收集数据的机构 它强烈影响着原始数据的几何和辐射质量 有4种几何原 理的记录机构 中央透视 模拟照相机 顺轨迹 线 扫描 SPOT卫星 垂直轨迹 或镜面 扫描 M SS及TM 及主动传感 雷达与声纳 剖面 在垂直或水平方向上获取剖面 如大气遥感的测量 地形测量中的激光及雷达测 量中的高度剖面 立体图像 混合图像技术和光谱测量 发展了光谱图像 电磁波谱的特殊部分是连续采 样 以建立立体图像 常用的有 航空图像光谱计 A IS 高分辨率图像光谱计 H IR IS 及用 于设计地球观测站 EOS RS数据本身在GIS中可以作为区域的宏观图像加以利用 如我们在长白山火山研究 中 直接利用TM26的亮度数据 模拟编制了长白山区不同地质时期的地热 热水 热气 分 布略图 用以研究该区的地热变化趋势 进一步分析长白山火山群在近年的活动趋势 另外 RS数据本身也可以与其它地理数据复合进行更高层次的分析 RS数据与DTM D igital Terrain M odel 数字地形模型 复合 建立立体影像 可进行地质灾害分析 RS数据与地质 制图结合 可形成RS影像地质图 使之广泛应用于地质找矿 区域及其它地质研究中 RS解译数据 对比原始RS数据 用户可以把连续准确的数据集转化为多样性数据 这种不可逆转换形成各种中间分类数据 把这些从遥感图像中获取的相关地理信息 按应用 目的分别赋以属性码后存入GIS中 就可以应用于区域分析 例如 我们在研究长白山火山 岩地学信息系统中 将TM 127图像进行合成直方图变换 边缘增强处理并结合前人资料 获 得该区的构造 线性构造 北东向 北西向 东西向 南北向四组 环形构造 将每一构造单元 赋以走向 延长等属性存入GIS中 用于该区火山群演化规律的研究 如图1所示 18 图1 长白山地区线环形构造图 1 3 RS信息作用于GIS的过程 3 1 图像恢复 辐射校正 投影变换 几何纠正 2 图像增强 反差增强 密 度分割 边缘增强 数字滤波 3 信息提 取 比值图像 非监督分类 监督分类 纹理分类 4 图像统计 特征值计算 直方图统计 面积 长度和灰度统计 5 用 于GIS 数据输入 数据更新 图像查 询 2 GIS对RS的有效支持 GIS是RS的合理 延伸 GIS引入到RS图像处理和RS应用分析中 大大提高了RS 图像的可识别性 例如 在RS图像的分类处理中 将GIS中的地形信息与陆地卫星图像处 理结合起来 可在很大程度上提高RS数据的自动分类精度及应用价值 图2 现代遥感技术系统分析框图 2 2 1 GIS的发展对RS 的强大支持 自80年代以来 随着 全球环境变化监测和全球 系统科学研究等计划的提 出与实施 使RS技术的 发展应用进入了一个新的 阶段 这个新阶段与以往 相比较 具有自己的特点 主要表现为以下两个方 面 1 RS技术与其它领 域多种技术的结合 RS技术与其它领域 多种技术的结合 主要是 RS技术与定位技术 测量 技术 数据传输技术 数据 处理技术 GIS技术与其 它各种勘查技术如物化探 技术等的结合 图 2 2 现代遥感技术实际上是一个由涉及数据获取 分析和应用三个完整 技术环节以及包括任务实施 基础研究等相配套的多种科学技术组成的大型复杂系统 就目 前来看 其中的数据分析与应用两个环节及相关技术发展还相对迟缓 薄弱 2 RS信息直接与人们的日常生活及管理工作联系在一起 现代RS技术系统具有快速 机动 准确和集成等特点 这些已在灾情监测 评价 资源 与环境的动态调查中表现出来 然而 这些优势的发挥 也受到数据处理 应用技术及RS信 28 息本身缺陷 如信息的属性问题 静态向动态 定性向定量 实验研究向业务运作的过渡等 等方面问题的限制 束缚了它自身的应用与发展 而GIS为RS信息的应用提供了一个良好 的环境 特别是各种专业模型的存在 使RS应用在深度与广度上产生了一个新的飞跃 利 用GIS的基本数据库 可以补偿RS信息的不足 并增强信息的处理和分析能力 提高RS 数据的分类精度 图 3 图3 GIS支持下的环境监测与资源调查的RS系统结构框图 2 2 2 GIS对RS支持的具体内容 数据管理 利用GIS来管理不同来源及格式的数据 RS影像数据 专题图数据 各种 实测数据 如物化探测量数据 等 如果没有GIS的支持 我们在长白山火山研究中 很难处 理有关构造 岩石 水系等包含的海量数据 数据支持 GIS数据库中RS信息的应用 为RS技术提供了数据支持 GIS可支持RS 作为分区分类模板数据的地貌区划图 辅助分类时 作为辅助波段的DTM数据 如在建立 长白山火山岩地学信息系统的过程中 将地形图数字化 生成数字化地形图 图4 然后生 38 成DEM D igital Elevation M odel 数字高程模型 图 最后生成长白山火山地貌三维立体 图 并与RS图像处理结合 用于地形 地貌 地质构造及该区熔岩台地的分布情况的研究 并将三维立体图与水系图结合起来 提出了松花江 图们江 鸭绿江三大水系的流域特征和 洪涝灾害的预测及防治措施 图4 长白山地区数字地形图 功能支持 GIS对RS的支持有两 种模式 1 对RS影像进行几何校正 改进遥感数据的质量 像与图能很好地 配准和叠合在一起 然后进行各种分析 其结果经数据格式转换后 以数据库形 式直接用于GIS中 2 建立RS影像与 相应地图间的映射关系 然后对RS影 像进行分析 还可将相应的地图人为地 变形 和未经校正的影像配准 以帮助取 得必要的分析处理结果 最后再对这种 图形格式的分类或判读结果进行几何改 正 使之进入GIS数据库并和其它来源 的数据结合使用 以保证数据的质与量 RS技术自诞生以来 在地质勘查 森林与草原监测 水文及海洋调查 气象 服务 作物评估 土地类型划分 城市环 境及区域工程规划 区域分析及社会学 研究等诸多领域广泛应用 取得了瞩目 的社会经济效益 并在目前 需求索引 技术推动 的发展机制下 发生了引人注 目的变化 具体表现在以下两个方面 1 传感器系统的探测能力 质量及分辨 率的大大提高 2 同期计算机技术发展 带来的支持作用 使RS数据处理 解译 及成图系统实现了自动化 数字化 此特 点表明 RS技术的应用进入了一个新的 时期 然而 在许多领域里 RS技术的 应用又仅限于定性及半定量化 这与当 今信息社会对信息的精确性与准确性的要求有一定差距 必将导致RS大容量及定性的信 息得不到充分应用 而GIS为RS深化应用提供了技术上的支持 例如在地表径流水资源调 查中 传统的RS应用 可以圈定水体范围 湖泊 水库 河流等 但不能精确提供这些范围 内的面积 如传统的河流类型大小的解译 无法精确给出河流长度及流域面积等等 而这些 要素的精确与否 直接影响到调查结果 在GIS支持下 只要利用GIS工具中的查询功能即 可很快求出上述参数 48 3 存在的问题 3 1 两种系统的联接方式 实践证明 虽然栅格结构与矢量结构在表示空间数据上各有优缺点 但它们是同样有效 的 4 对于一个与RS相结合的GIS信息系统来说 较为理想的方案是采用两种数据 RS图 像处理一直使用栅格结构 而GIS主要采用矢量结构 这两种数据结构的相互转化问题 是 目前实现GIS与RS一体化的瓶颈问题 亟待很好地解决 3 2 GIS中RS信息与其它不同来源信息的复合方式 GIS因其能分析处理大量数据而具强大的功能 不同来源信息的复合处理与复合分析 一方面可以提高RS的解译精度 另一方面又可满足GIS大量数据的要求 信息复合是指同 一区域内RS信息与非RS信息之间的匹配复合 5 信息复合技术不仅是RS应用研究的一 个重要领域 6 而且是RS与GIS结合运用中必然面临的问题 虽然目前这一技术领域已有 几种成型的算法 但还不能满足GIS与RS的发展要求 仍有必要加强研究 本文通过介绍RS与GIS的相互作用 并结合几年来的实践 探讨了它们之间的关系 以求促进两者的结合运用 同时讨论了实现两者一体化方面的问题 以便引起注意 并希望 和广大同仁共同解决 参考文献 1 马霭乃 地理信息系统浅释 遥感信息 1987 4 34 36 2 闫守邕 金刚 张前等 在GIS支持下的遥感影像分类判读与制图系统 遥感信息 1995 1 7 14 3 黄杏元 汤勤 地理信息系统概论 北京 高教出版社 1989 4 邬伦 任伏虎 谢昆青等 地理信息系统教程 北京 北京大学出版社 1994 5 陈述彭 遥感地学分析 北