賴(lài)百煉

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西西安740064;2.中煤航測(cè)遙感局，陜西西安710054)

“數(shù)字塔河”生態(tài)遙感監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

賴(lài)百煉1，2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西西安740064;2.中煤航測(cè)遙感局，陜西西安710054)

闡述新疆塔里木河流域數(shù)字生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究具有重要的借鑒作用，對(duì)“數(shù)字流域”建設(shè)也具有一定的參考價(jià)值。

生態(tài)環(huán)境;遙感監(jiān)測(cè);信息提取;系統(tǒng)集成;無(wú)縫鑲嵌

一、前 言

近年來(lái)，國(guó)家投入180多億元對(duì)新疆塔里木河進(jìn)行綜合治理，在“數(shù)字流域”的框架下，以生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)為主線(xiàn)，應(yīng)用3S集成技術(shù)，建立生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸、儲(chǔ)存管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析預(yù)警等子系統(tǒng)是其中的重要工作之一。在兩年多的“數(shù)字塔河”項(xiàng)目研發(fā)中，筆者根據(jù)塔里木河流域生態(tài)環(huán)境及相關(guān)因素的數(shù)據(jù)現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，采用遙感信息自動(dòng)提取技術(shù)、遙感與GIS集成技術(shù)、空間數(shù)據(jù)無(wú)縫鑲嵌技術(shù)、海量空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)、基于數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)集成技術(shù)及基于WebGIS的信息共享技術(shù)，以數(shù)據(jù)集成為中心，各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流動(dòng)關(guān)系為紐帶，把整個(gè)系統(tǒng)集成為基于子系統(tǒng)數(shù)據(jù)間關(guān)系緊密、物理結(jié)構(gòu)松散的組件式系統(tǒng)，為“數(shù)字塔河”建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

二、“數(shù)字塔河”研發(fā)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

1.遙感信息自動(dòng)提取技術(shù)

遙感的根本目的是為了從圖像上提取信息。從衛(wèi)星遙感圖像中提取土地利用等信息的方法可以歸納為3種類(lèi)型:① 由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，主要以光譜數(shù)據(jù)提取與土地利用相關(guān)的特征參數(shù)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的分類(lèi)模型，以達(dá)到分類(lèi)的目的;② 人工目視解譯方法，運(yùn)用專(zhuān)家知識(shí)實(shí)施綜合解譯;③ 人機(jī)相互結(jié)合的交互式解譯方法，由此提高解譯的效率和精度。由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成的遙感信息自動(dòng)提取是遙感應(yīng)用領(lǐng)域一個(gè)重點(diǎn)的研究和發(fā)展方向，目前國(guó)內(nèi)外在該技術(shù)的研究和探討僅局限在范圍較小的區(qū)域內(nèi)，雖然也有很多的技術(shù)方案和算法，但離實(shí)際的生產(chǎn)需求仍有很大差距。遙感信息的提取精度問(wèn)題一直是困擾遙感信息自動(dòng)提取應(yīng)用推廣的技術(shù)瓶頸，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:① 遙感信息本身的同譜異物和同物異譜現(xiàn)象，以及待提取地物單元在數(shù)字遙感影像上色調(diào)、紋理、形態(tài)上的復(fù)雜性，都給信息自動(dòng)提取帶來(lái)了很大的困難;②當(dāng)前遙感信息自動(dòng)提取技術(shù)大多還停留在試驗(yàn)階段，算法以及參數(shù)設(shè)置等都不成熟，可操作性較差。因此，要將信息自動(dòng)提取技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)較實(shí)際確實(shí)面臨許多技術(shù)上的難點(diǎn)［1］。

新疆塔里木河流域地域?qū)拸V，地勢(shì)較平坦，地物類(lèi)型相對(duì)單一，所要提取的耕地、林地、天然草地、沙漠等地類(lèi)影像特征清晰，且空間分布規(guī)律明顯。這在我國(guó)其他地區(qū)是不多見(jiàn)的，尤其是在我國(guó)植被覆蓋多，地類(lèi)混雜的東南、西南地區(qū)，有很多地類(lèi)人工目視解譯都很難區(qū)分。因此，在新疆塔里木河流域進(jìn)行信息自動(dòng)提取具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

遙感信息提取的精度決定了整個(gè)塔里木河流域生態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析的效率，而“數(shù)字塔河”項(xiàng)目采用了多種技術(shù)手段保證了遙感信息自動(dòng)提取以及修編后的精度，其中包括圖像自動(dòng)提取算法設(shè)計(jì)、圖像處理一致性、解譯參考完整性、人工修編規(guī)范性等方面。從信息自動(dòng)提取算法的角度講，算法要求嚴(yán)密、先進(jìn)，但必須具有通用性。綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)信息提取算法，再結(jié)合新疆塔里木河流域地物特征，筆者采用了分級(jí)分類(lèi)的分類(lèi)思想。所謂分級(jí)分類(lèi)就是按照級(jí)別來(lái)一級(jí)一級(jí)劃分，對(duì)于一個(gè)待分類(lèi)的遙感影像，首先可以區(qū)分為兩個(gè)大類(lèi):植被類(lèi)與非植被類(lèi)或是水體類(lèi)與非水體類(lèi)，而后在下一級(jí)的時(shí)候再考慮在植被類(lèi)里面劃分林地、灌木、草地、農(nóng)田等。一方面，這樣分類(lèi)看似簡(jiǎn)單，卻合乎我們通常的認(rèn)知過(guò)程，可以避免在一些大類(lèi)別上的劃分錯(cuò)誤，同時(shí)可以縮小劃分某一地類(lèi)時(shí)的考慮范圍，大大提高了分類(lèi)的精度。另一方面，對(duì)于最低一級(jí)的類(lèi)型劃分采用監(jiān)督分類(lèi)的思想，依據(jù)知識(shí)庫(kù)中所建立的對(duì)應(yīng)地類(lèi)的解譯標(biāo)志、地物樣方、地物光譜等之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇對(duì)應(yīng)地類(lèi)的樣方信息。最后再經(jīng)過(guò)主要/次要分析、集群分析等分類(lèi)處理后即可得到某一專(zhuān)題的自動(dòng)提取結(jié)果。筆者針對(duì)植被覆蓋度、植被類(lèi)型、土地沙質(zhì)荒漠化、土壤鹽漬化和土地利用5個(gè)生態(tài)環(huán)境專(zhuān)題各自不同的專(zhuān)題特征，建立了5個(gè)專(zhuān)題的信息自動(dòng)提取流程。

2.遙感與GIS集成技術(shù)

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)源的空間分辨率、光譜分辨率、時(shí)間分辨率都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。新型、海量的遙感數(shù)據(jù)使人們能夠獲得大量更加真實(shí)、準(zhǔn)確的信息，并且與傳統(tǒng)的地圖數(shù)據(jù)采集過(guò)程相比，成本大幅度降低，數(shù)據(jù)更新周期顯著縮短。因此，遙感數(shù)據(jù)已逐漸成為GIS的主要信息源和實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)的重要保證。RS與GIS、GPS的集成，使得人們能夠?qū)崟r(shí)地采集數(shù)據(jù)、處理信息、更新數(shù)據(jù)以及分析數(shù)據(jù)。它們之間的集成，不僅實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)，而且產(chǎn)生了強(qiáng)大的邊緣效應(yīng)，將極大地增強(qiáng)以GIS為核心的綜合體系的功能［2］。

生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)比較好地集成了遙感圖像的各種處理功能以及矢量數(shù)據(jù)的分析功能，形成了一個(gè)完備的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、分析系統(tǒng)。從對(duì)遙感影像的校正、鑲嵌、裁切、拉伸、融合等操作，到植被、沙質(zhì)荒漠化、土壤鹽漬化和土地利用等生態(tài)環(huán)境專(zhuān)題的信息自動(dòng)提取，以及遙感信息提取所必需的遙感知識(shí)庫(kù)查詢(xún)和管理，再到基于柵格數(shù)據(jù)的圖像對(duì)圖像和分類(lèi)圖對(duì)分類(lèi)圖動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，構(gòu)成了完整的基于遙感影像處理的柵格數(shù)據(jù)處理平臺(tái);從矢量專(zhuān)題數(shù)據(jù)的后期修編，到多期專(zhuān)題數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)分析，再到支持不同區(qū)域不同屬性的查詢(xún)統(tǒng)計(jì)，構(gòu)成了比較完備的基于矢量數(shù)據(jù)的處理平臺(tái)。遙感監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)平臺(tái)的有機(jī)集成，遙感信息自動(dòng)提取的結(jié)果可以直接輸入到數(shù)據(jù)管理中，而數(shù)據(jù)管理模塊中調(diào)入的柵格數(shù)據(jù)也可以應(yīng)用于遙感影像的處理中。

3.空間數(shù)據(jù)無(wú)縫鑲嵌技術(shù)

空間地理數(shù)據(jù)的表示主要有柵格和矢量?jī)煞N不同的形式。柵格形式是將地理表層空間劃分為一系列網(wǎng)格，空間目標(biāo)由這些網(wǎng)格的位置及其量化值來(lái)表示;矢量形式則是將地理空間的一切事物、概念進(jìn)行抽象，形成點(diǎn)、線(xiàn)、面，由點(diǎn)、線(xiàn)、面來(lái)組成各類(lèi)空間目標(biāo)。由于數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)表達(dá)、地圖投影等方面的原因，在計(jì)算機(jī)世界里，地理信息往往被表示成不連續(xù)的子空間，為了更好地模擬客觀(guān)世界，人們需要將其處理成連續(xù)無(wú)縫的數(shù)據(jù)［3］。

塔里木河流域地域廣闊，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)73°10'～94°05'，北緯34°55'～43°08'之間，東西跨越了4個(gè)6°帶，而通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的各種基礎(chǔ)圖件都是分幅的，并且采用的是平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)。如果將這些數(shù)據(jù)直接入庫(kù)將會(huì)在跨帶處產(chǎn)生縫隙，不能形成邏輯意義上完整的河流表現(xiàn)，也無(wú)法完成基于整個(gè)流域的生態(tài)環(huán)境分析。因此，必須采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理與建庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)塔河整個(gè)流域數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成管理，使之形成統(tǒng)一的整體。

4.海量空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)

隨著對(duì)地觀(guān)測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，快速獲取高分辨率遙感影像已不再困難。高分辨率意味著大數(shù)據(jù)量，對(duì)于同一地區(qū)不同分辨率的遙感影像，分辨率越高，數(shù)據(jù)量越大，兩者之間并不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性增加，而是呈指數(shù)倍增長(zhǎng)。塔里木河流域生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源就是多種分辨率的遙感影像，包括TM/ETM+、SPOT 5、QuickBird等。這些原始的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)融合、鑲嵌等處理過(guò)程，形成的成果也是影像數(shù)據(jù)，可以直觀(guān)地反映出塔里木河流域生態(tài)環(huán)境的變化情況，也是其他專(zhuān)業(yè)應(yīng)用子系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)。因此，所產(chǎn)生的遙感影像成果應(yīng)存入綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速查詢(xún)、調(diào)用。此外，塔里木河流域所采集的數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字柵格圖(DRG)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也有著較大的存儲(chǔ)量，這些數(shù)據(jù)都可以歸類(lèi)為柵格結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。因此，海量空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)，最重要的就是對(duì)遙感影像等柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理［4］。

塔里木河流域綜合數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)遙感影像、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字柵格圖(DRG)等柵格數(shù)據(jù)均建立了獨(dú)立的存儲(chǔ)表空間，為了獲得高效率的存取速度，在數(shù)據(jù)的組織上使用了金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格分塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了壓縮，以縮短數(shù)據(jù)抽取時(shí)間。以高分辨率為底層，通過(guò)逐級(jí)抽取數(shù)據(jù)，建立不同分辨率的影像數(shù)據(jù)金字塔結(jié)構(gòu)，并逐級(jí)形成較低分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)，以便在數(shù)據(jù)查詢(xún)檢索時(shí)，調(diào)用合適級(jí)別的遙感影像數(shù)據(jù)，提高瀏覽和顯示速度。這種方法通常會(huì)增加20%左右的存儲(chǔ)空間，但卻可以提高影像數(shù)據(jù)的顯示速度。

5.基于數(shù)據(jù)流的系統(tǒng)集成技術(shù)

系統(tǒng)集成是大型應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。它是一個(gè)廣義的概念，包括了硬件系統(tǒng)的集成、軟件模塊的集成、軟件與硬件的集成、基礎(chǔ)平臺(tái)軟件與開(kāi)發(fā)軟件的集成等。本系統(tǒng)所說(shuō)的基于數(shù)據(jù)流的集成，主要是解決各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)、功能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，通過(guò)數(shù)據(jù)流使得所開(kāi)發(fā)的4個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)形成統(tǒng)一的整體，完成塔里木河流域生態(tài)環(huán)境從數(shù)據(jù)獲取、分析到信息發(fā)布的整個(gè)過(guò)程［5］。

塔里木河流域生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于要完成不同的功能操作，在結(jié)構(gòu)上采用了劃分子系統(tǒng)(功能模塊)的方法，由各子系統(tǒng)完成特定的功能，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這是一種“數(shù)據(jù)緊密關(guān)聯(lián)，功能獨(dú)立松散”的連接關(guān)系。系統(tǒng)集成的關(guān)鍵就是圍繞著數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，通過(guò)數(shù)據(jù)集成以及成果數(shù)據(jù)流時(shí)序的檢測(cè)控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的集成。

塔里木河流域生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)涉及多種應(yīng)用需求的綜合系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和中間件相結(jié)合的模式進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，總體結(jié)構(gòu)采用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)方式，所有數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)在綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，系統(tǒng)同時(shí)也可使用中間件數(shù)據(jù)集成技術(shù)，并通過(guò)中間件管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)請(qǐng)求的響應(yīng)。

6.基于WebGIS的信息共享技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GIS技術(shù)的發(fā)展，Web-GIS技術(shù)為當(dāng)今空間數(shù)據(jù)的共享提供了一種全新、跨越時(shí)空、快捷、有效的手段。從理論上講，在Web-GIS環(huán)境下，對(duì)各種空間數(shù)據(jù)只要依據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤湍茉诨ヂ?lián)網(wǎng)中自由地存取、發(fā)布和共享。但由于空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，使得在空間信息共享中，還面臨各種各樣亟待解決的問(wèn)題，其中之一就是如何為各種Web用戶(hù)提供均質(zhì)、集成和無(wú)縫鏈接的時(shí)空數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)的檢索、查詢(xún)和信息共享到規(guī)律的認(rèn)識(shí)和知識(shí)的發(fā)現(xiàn)，真正使有限的數(shù)據(jù)成為服務(wù)于社會(huì)的“無(wú)限知識(shí)”［6］。

“數(shù)字塔河”項(xiàng)目選用Esri公司的ArcIMS為地理信息發(fā)布平臺(tái)軟件，并通過(guò)ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎訪(fǎng)問(wèn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。ArcIMS是Esri公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于Internet的成熟GIS平臺(tái)，Esri公司的地理信息系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)格式已經(jīng)成為業(yè)界的通用標(biāo)準(zhǔn)，許多國(guó)家和行業(yè)選擇Esri公司的系列軟件建立專(zhuān)業(yè)的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。ArcIMS允許集中建立大范圍的GIS地圖數(shù)據(jù)和應(yīng)用，并將這些結(jié)果提供給Internet/Intranet上的廣大用戶(hù)。

“數(shù)字塔河”項(xiàng)目采用間接信息提供方式，通過(guò)ArcIMS提供的ArcXML語(yǔ)言進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，除了編輯功能以外，幾乎所有的 GIS功能都可以在以ArcIMS為核心開(kāi)發(fā)的WebGIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。ArcIMS建立的WebGIS系統(tǒng)通過(guò)Esri公司的空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle服務(wù)器中檢索空間數(shù)據(jù)，并通過(guò)服務(wù)器端或客戶(hù)端的分析，為客戶(hù)端提供空間數(shù)據(jù)查詢(xún)服務(wù)。

三、結(jié)束語(yǔ)

“數(shù)字塔河”項(xiàng)目經(jīng)過(guò)兩年多的研發(fā)，其成果已經(jīng)廣泛運(yùn)用于塔里木河管理局的日常管理工作，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效率和經(jīng)濟(jì)效益。采用分級(jí)分類(lèi)的思想，實(shí)現(xiàn)了塔里木河流域的土地利用、荒漠化、植被、鹽漬化等專(zhuān)題信息的自動(dòng)提取，具有較好的推廣價(jià)值。采用數(shù)字倉(cāng)庫(kù)管理技術(shù)、空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)一體化技術(shù)、多源數(shù)據(jù)無(wú)縫集成、海量空間數(shù)據(jù)儲(chǔ)存技術(shù)等，為數(shù)字塔河建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。

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Key Technology of Ecological Remote Sensing Monitoring for Digital Tarim River

LAI Bailian

0494-0911(2011)08-0036-03

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B

2011-04-12

賴(lài)百煉(1964—)，男，江西寧都人，博士生，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。