李萬倫

(中國地質(zhì)圖書館，北京 100083)

0 引言

社區(qū)遙感(community remote sensing，CRS)[1－3]是一種新型遙感手段，目前尚沒有明確的定義，但可以理解為:通過本地的或者其他相關(guān)知情人員，使用智能手機或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為身在千里以外的人或遙感應(yīng)用系統(tǒng)提供關(guān)于當?shù)丨h(huán)境的高精度、高分辨率實時信息的一種技術(shù)手段。它與通過衛(wèi)星、飛機等航天、航空遙感器獲取數(shù)據(jù)的手段有一個共同點，即遙遠地感知、獲取和傳遞信息。傳統(tǒng)遙感手段主要適用于對大范圍、大面積的目標進行快速調(diào)查和多期次的動態(tài)監(jiān)測，在地學(xué)不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)十分普及[4－8];但隨著對不同時間和空間尺度信息需求的日益增長(地學(xué)領(lǐng)域也不例外)，尤其是對局部小范圍、短時間內(nèi)的動態(tài)變化信息的大量需求，遙感數(shù)據(jù)獲取手段是否快速便捷就顯得十分重要，而這正是傳統(tǒng)遙感技術(shù)難以及時解決的問題?？梢灶A(yù)見，限于成本和遙感系統(tǒng)的復(fù)雜性，世界各國都不可能無限制地發(fā)展衛(wèi)星或飛機等遙感對地觀測系統(tǒng)[2－3]。因此，CRS將通過分布在世界各地的社區(qū)或個人向集中的遙感系統(tǒng)提供局部和瞬時的精確圖像和數(shù)據(jù)，以補充和完善綜合遙感信息數(shù)據(jù)庫，從而全面提高遙感技術(shù)的最終應(yīng)用效果。近年來，CRS在生態(tài)監(jiān)測、災(zāi)害響應(yīng)等方面的應(yīng)用已取得了重要進展[9－12]，而在地學(xué)方面的應(yīng)用還很少。不過，隨著計算機、遙感、全球定位、地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊等現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和日益普及，CRS有可能給地學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來一場新的革命[1]。本文將著重介紹CRS這一新技術(shù)和新理念的特點及發(fā)展現(xiàn)狀，并探討其在地學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值和發(fā)展前景，以期引起充分的重視。

1 CRS發(fā)展史

任何新生事物的出現(xiàn)，都要經(jīng)歷一個探索、試驗和普及、推廣的階段，CRS也不例外。CRS是隨著公眾科學(xué)的產(chǎn)生而出現(xiàn)的[12];不過，CRS真正引起人們的重視還只是最近幾年來的事情。2009年7月在南非首都開普敦舉行的IEEE國際地學(xué)與遙感論壇(international geoscience and remote sensing symposium，IGARSS)年會上，首次提出要開展有關(guān)“CRS”的國際合作研究，同年9月發(fā)布了第一份項目公告[13]。在之后1 a的時間內(nèi)，以是否能夠獲得有關(guān)CRS的新知識或形成有關(guān)的新技術(shù)為標準，從全球篩選出了19個CRS項目予以公布和支持。這些項目廣泛涉及生態(tài)、環(huán)境、自然災(zāi)害和農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域，有關(guān)項目組應(yīng)邀參加了IGARSS于2010年7月在美國檀香山舉辦的年會[13]。2010年9月，在英國倫敦舉辦的“公眾網(wǎng)絡(luò)科學(xué)峰會(citizen cyberscience summit)”上討論了如何發(fā)展 CRS的有關(guān)問題[14]。

2010年10—11月，美國地質(zhì)協(xié)會(geological society of America，GSA)在丹佛舉行的2010年年會上專門設(shè)立了“社區(qū)遙感:一種地學(xué)應(yīng)用的新技術(shù)(CRS:A new approach for geoscience)”專題[15]，表明GSA對CRS未來在地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用充滿希望。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)也很重視CRS的發(fā)展[1]。

近年來，國外一些重要雜志也相繼對CRS做了介紹或報道[1，16]，例如《Imaging Notes》于 2010 年秋季出版了一期?？?，重點介紹了CRS的原理與方法[1]。2011年4月，在美國地質(zhì)研究所(American geological institute，AGI)刊物《Earth》的“趨勢”專欄上，也以“社區(qū)遙感的興起(The rise of commity remote sensing)”為題對 CRS 進行了報道[16]。

2 CRS在地學(xué)中的應(yīng)用

2.1 帶來便利的高新技術(shù)

CRS使地學(xué)研究人員能夠更好地享受到高新技術(shù)所帶來的便利。CRS的本質(zhì)是一門空間信息技術(shù)，在以空間數(shù)據(jù)采集與分析為主的地學(xué)領(lǐng)域中可以充分發(fā)揮作用，其主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集、驗證與校正，數(shù)據(jù)分析和實際應(yīng)用等4個方面;所采用的技術(shù)方法主要包括全球高帶寬的互聯(lián)網(wǎng)接入口、可全球定位(GPS)的移動電話、社會網(wǎng)絡(luò)、數(shù)碼相機、手機相機、低成本的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)以及云計算等。因此，CRS具有以下技術(shù)特點[17]:①運用定位技術(shù)，將遙感與公眾科學(xué)、社會網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)結(jié)合起來，通過社區(qū)方式遠距離采集、獲取信息，并進行數(shù)據(jù)驗證、分析、交流互換和應(yīng)用，以豐富傳統(tǒng)遙感手段獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)容，提高數(shù)據(jù)應(yīng)用的時效性;②采用“眾包”的形式，即利用蜂窩短信、全球定位系統(tǒng)(GPS)和推特(Twitter)或微博(Micro－blog)實時報道地面情況和相關(guān)活動，以便遠方的有關(guān)人員或部門能在第一時間內(nèi)作出正確的分析和判斷。

傳統(tǒng)遙感地質(zhì)的發(fā)展極大地受益于個人電腦的性能提升與普及，而今天的實時通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，完全有可能在地學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。例如，通過現(xiàn)在的3G網(wǎng)絡(luò)和Wi－Fi(wireless fidelity)無線保真技術(shù)，利用便攜式照相機、攝像機等設(shè)備就可以把公眾采集的數(shù)據(jù)信息及時傳送給地學(xué)領(lǐng)域的研究人員使用。

2.2 促進地學(xué)知識普及與提高

CRS通過可吸引公眾參與的地學(xué)項目，在普及地學(xué)知識的同時，促進地質(zhì)科學(xué)研究。近年來，已經(jīng)出現(xiàn)了一些與CRS相似的公眾學(xué)科或領(lǐng)域。這些公眾學(xué)科的本質(zhì)是邀請非本專業(yè)的志愿者參加科學(xué)實驗(如觀察與測量)，為專業(yè)研究人員提供數(shù)據(jù)和信息，同時也滿足這些志愿者對不同領(lǐng)域科學(xué)知識的需求。相關(guān)學(xué)科或領(lǐng)域包括:①由志愿者提供地理信息(volunteered geographic information，VGI)，就是利用一定的工具或技術(shù)，對個人志愿者所提供的地理數(shù)據(jù)進行收集、管理和發(fā)布的一個研究領(lǐng)域[12];②由公眾參與GIS建設(shè);③公眾科學(xué);④以公眾為傳感器采集信息;⑤公眾填圖;⑥社會關(guān)系地理網(wǎng)絡(luò)等[17－22]。

盡管在公眾科學(xué)的上述領(lǐng)域中已經(jīng)開展了與CRS相類似的工作(如地理數(shù)據(jù)采集)，但CRS建立在傳統(tǒng)遙感與地學(xué)相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，且采用了不同的方法和技巧(如遙感圖像解譯)，因而區(qū)別于這些原有學(xué)科[2]。也就是說，CRS不僅需要公眾按照規(guī)定要求采集和提供瞬時圖片、視頻等資料，而且希望公眾通過遙感知識普及能自覺采用易于獲得的遙感圖像(如Google Earth圖像)，進行力所能及的圖像解譯，并提供相應(yīng)的成果。

現(xiàn)在，越來越多的人們對地球科學(xué)知識十分感興趣，通過招募對地球科學(xué)知識感興趣而且符合一定條件的公眾志愿者參加到CRS的研究項目中，接受地學(xué)知識與遙感技能的培訓(xùn)，既能夠普及遙感與地學(xué)知識，又能夠促進遙感與地學(xué)研究工作。

2.3 對傳統(tǒng)遙感技術(shù)的重要補充

傳統(tǒng)遙感主要使用航空或航天遙感系統(tǒng)獲取的圖像，隨著近年來多光譜、高光譜傳感器的發(fā)展以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷完善，在地質(zhì)領(lǐng)域應(yīng)用不斷拓寬，遙感地質(zhì)工作也越來越受到人們的重視;而CRS進一步豐富了遙感手段，必將促進遙感地質(zhì)工作的進步。據(jù) Williamson Bill Gail[17]推斷，CRS 有可能使遙感地質(zhì)工作得到更進一步發(fā)展。例如通過當?shù)厝酥苯犹峁┑牡孛嫘畔?，既可以補充和細化衛(wèi)星或航空遙感圖像中的局部細節(jié)特征，使遙感地質(zhì)解譯的內(nèi)容更加詳盡豐富和接近實際;又可以對解譯結(jié)果進行初步的驗證，以證實解譯結(jié)果的可靠性和潛在的實用性。

目前，盡管CRS地質(zhì)應(yīng)用的實例還較少，但在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害救援應(yīng)急響應(yīng)、土地利用調(diào)查等應(yīng)用方面，已取得了許多令人滿意的效果。

2.3.1 災(zāi)害快速響應(yīng)

遙感技術(shù)在自然災(zāi)害應(yīng)急處理中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，例如在近年發(fā)生的汶川大地震、智利和海地地震的救援工作中都使用了遙感技術(shù)。但目前人們普遍認為，遙感技術(shù)的潛力還沒有完全發(fā)揮出來，在許多情況下，往往因為救援人員不能在第一時間及時得到足夠的災(zāi)情信息而無法立即實施有效的救援行動[3]。時間就是生命，救援工作需要全社會各界人員的參與和配合，應(yīng)當在第一時間把有關(guān)災(zāi)區(qū)的所有資料都及時綜合起來，并盡快送到救援人員手中。在這方面，通過CRS可以使更多的人在災(zāi)情快速傳送和應(yīng)急救援中發(fā)揮作用。

例如，2008年5月臺風(fēng)納吉斯(Nargis)在緬甸造成了嚴重的山體崩塌，是該國有史以來最致命的自然災(zāi)害之一。為此，聯(lián)合國培訓(xùn)與研究所(united nations institute for training and research，UNITAR)衛(wèi)星應(yīng)用行動項目向GISCorps請求援助。GISCorps是由一群GIS專家組成的志愿者活動組織，該組織以志愿的形式向包括災(zāi)害響應(yīng)在內(nèi)的各種需求提供接受過訓(xùn)練的、專業(yè)的地學(xué)空間分析服務(wù)。31名來自全球的志愿分析者累計花了1 300 h的時間，通過研究災(zāi)區(qū)受災(zāi)前后的Google Earth圖像，識別出了被風(fēng)暴和次生災(zāi)害摧毀的6×104幢建筑、大量橋梁和道路，并將這些分析結(jié)果迅速提交給聯(lián)合國，在災(zāi)害響應(yīng)過程中發(fā)揮了很大作用[11－12，21－22]。

除了GISCorps以外，目前最有名的CRS系統(tǒng)平臺要算虛擬災(zāi)難視圖(virtual disaster viewer，VDV)了[23]，它是在2008年汶川大地震以后開發(fā)出來的一個基于網(wǎng)絡(luò)的GIS平臺，目的是幫助安排救災(zāi)活動、資料傳遞和專家知識共享。其主要特點就是將不同領(lǐng)域?qū)I(yè)人士提供的資料數(shù)據(jù)按一定標準標示在統(tǒng)一的受災(zāi)圖像上。這些數(shù)據(jù)大多數(shù)由參加現(xiàn)場救援的各種組織所提供，實現(xiàn)了完全的信息共享，十分有利于救援各方迅速開展援救工作。自2008年以后，VDV曾成功應(yīng)用于意大利阿奎拉(Aquila)地震(2009年)、智利大地震(2010年)、蘇門答臘地震(2010年)和海地地震(2010年)等大型自然災(zāi)害的災(zāi)情評估和救援工作。

事實表明，在來不及使用傳統(tǒng)遙感手段的危難時刻，CRS往往能夠更加迅速而充分地做出快速響應(yīng):①組織起盡可能多的相關(guān)人員共同參與救災(zāi);②解決了災(zāi)害響應(yīng)最迫切需要克服的信息共享問題。因此可以說，災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)是CRS最能發(fā)揮作用的領(lǐng)域之一。

2.3.2 土地覆蓋調(diào)查

地學(xué)維基百科(Geo－ Wiki)項目[24－25]由來自全球的一群希望幫助改善全球土地覆蓋圖的志愿者組織實施。全球土地覆蓋圖一般是通過傳統(tǒng)遙感技術(shù)獲取的，但原有的全球土地覆蓋圖之間存在很大的差異，而目前的生態(tài)系統(tǒng)和土地利用科學(xué)都需要至關(guān)重要的精確數(shù)據(jù)的支持。比如為確定某土地覆蓋熱點區(qū)域可用于種植莊稼的農(nóng)用地潛力時，志愿者們被要求根據(jù)他們在Google Earth中和當?shù)貙嶋H所看到的情況，找出與該區(qū)域原土地覆蓋圖不一致的地方，并判斷原土地覆蓋圖的表達是否正確。志愿者們的輸入資料會被保存在一個數(shù)據(jù)庫中(同時還包括他們上傳的照片)，并被用于創(chuàng)建一幅經(jīng)改正的新土地覆蓋圖。

由于通過CRS可及時觀察到詳細的土地利用情況變化，因而CRS在遙感土地利用調(diào)查與制圖中可發(fā)揮十分重要的作用。

2.3.3 生態(tài)環(huán)境調(diào)查

CRS在生態(tài)環(huán)境調(diào)查方面的應(yīng)用項目相對而言是最多的[15－17，24]。例如 Nature Mapping 項目采取由志愿者進行觀察與采樣的方式，收集動物棲息地的生態(tài)信息，以便對遙感圖像提供的信息進行驗證和補充細化;“數(shù)字地球觀察與照片張貼網(wǎng)絡(luò)”項目由不同地區(qū)的志愿者按照統(tǒng)一安排的時間對周圍環(huán)境進行觀察與拍攝，并且將照片傳遞到一個網(wǎng)站服務(wù)器進行存儲與管理，從而達到系統(tǒng)監(jiān)測當?shù)丨h(huán)境狀況的目的;“火災(zāi)預(yù)警”項目充分利用志愿者的力量，以擴大對森林火險、非法砍伐和侵占等情況的實時監(jiān)測;“參與式遙感”項目要求公眾利用手機或其他上網(wǎng)設(shè)備，參與環(huán)境監(jiān)測工作(比如監(jiān)測攻擊性生物物種的分布情況等);“珊瑚礁生態(tài)填圖”項目是由斐濟人和庫克島居民上傳珊瑚礁經(jīng)過坐標定位的礁石截面照片，補充和完善衛(wèi)星圖像資料;“NEPTUNE:來自深海的數(shù)據(jù)，由公眾來判斷”項目通過志愿者提供的數(shù)據(jù)對海洋傳感器獲得的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制、驗證與分析;“全球森林觀察”項目是基于維基百科的CRS工具，可提供更詳細的全球森林特征統(tǒng)計數(shù)據(jù);而“空氣微博(或推特)”項目則通過商用網(wǎng)絡(luò)，由志愿者報告所發(fā)現(xiàn)的空氣質(zhì)量污染事件，以便進一步作遙感分析。地球生態(tài)環(huán)境是當今大多數(shù)人十分關(guān)心的對象，因此CRS的志愿者比較踴躍，這正是CRS在環(huán)境保護領(lǐng)域得以較早開展的重要原因之一。另外，環(huán)境保護也已經(jīng)是大家的共識，相關(guān)數(shù)據(jù)資料的使用與發(fā)布不會產(chǎn)生所有權(quán)、使用權(quán)方面的爭議，也較少引起有關(guān)單位和個人的過激反應(yīng)。

當然，如果與傳統(tǒng)遙感相結(jié)合，CRS還可以在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、動態(tài)監(jiān)測與災(zāi)害防治等方面發(fā)揮更大的作用。

3 CRS存在的問題

目前，盡管國際上已經(jīng)開展了許多CRS項目的研究工作，但作為一個嶄新的領(lǐng)域，CRS還存在許多技術(shù)上的難題以及社會問題。比如:①數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。應(yīng)當盡可能采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，而且還需要進行檢查和驗證;②數(shù)據(jù)管理問題。必須按照一定的技術(shù)標準和規(guī)范來進行數(shù)據(jù)管理;③數(shù)據(jù)糾紛問題。數(shù)據(jù)可能觸及單位或個人的敏感話題，容易產(chǎn)生糾紛。

當前，對上述問題已有一些原則性的指導(dǎo)意見[26－27]，但還沒有明確的解決辦法。此外，除了美國等少數(shù)國家以外，全球地學(xué)界對CRS的關(guān)注還較少，重視程度明顯不夠。其原因除了對CRS還不夠了解和CRS自身尚不夠成熟以外，還與現(xiàn)今地學(xué)工作體制或機制有關(guān)。地學(xué)是一種專業(yè)性很強的領(lǐng)域，一般情況下非專業(yè)人員可能很難參與進來;而CRS所需志愿者卻剛好需要具有不同專業(yè)背景的人員乃至普通公眾，因此就要打破原有的工作模式，并堅決克服本領(lǐng)域偏見或有關(guān)的狹隘思想。

4 結(jié)論與展望

4.1 CRS 的特點

地球?qū)崨r信息對21世紀人類社會的發(fā)展極其重要，獲得這些信息所需開展的工作量極為龐大，包括從不同時間和空間尺度對我們所居住的地球進行觀察和分析。為了迎接這種巨大的挑戰(zhàn)，需要公眾積極地參與，從地球的不同角落提供有關(guān)他們周圍世界的信息。CRS正是為適應(yīng)這種需求應(yīng)運而生。綜合上述分析，CRS這種以人為主體的新型遙感手段主要有以下特點:

1)CRS充分地利用人的優(yōu)勢，有效地彌補傳統(tǒng)遙感監(jiān)測設(shè)備的不足。首先，CRS十分需要具有相關(guān)學(xué)科或領(lǐng)域?qū)I(yè)背景知識的志愿者(例如GIS專家、生態(tài)與環(huán)境問題專家等)參與;其次，公眾志愿者不僅要提供原始數(shù)據(jù)，還要盡可能提供自己的觀點和看法;另外，CRS數(shù)據(jù)可重現(xiàn)率高(即可同時由不同的人提供)、快速及時、翔實精確而且成本低廉等特點，也使其可以與其他遙感數(shù)據(jù)相媲美。因此，從社會學(xué)的角度來看，CRS很好地體現(xiàn)了“發(fā)動群眾”的哲學(xué)思想[28]，是一種思想方法的創(chuàng)新。

2)CRS充分發(fā)揮和利用了現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢，及時將地面實況信息應(yīng)用到地學(xué)及相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域中，可快速地產(chǎn)生社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。

3)CRS在地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用雖然剛剛起步，尚存在許多需要不斷探討和完善的問題，但已開展的項目實踐足已證明它具有巨大的應(yīng)用潛力，尤其在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、土地利用調(diào)查和自然災(zāi)害快速響應(yīng)(減災(zāi)、恢復(fù)與重建)等方面。CRS與傳統(tǒng)遙感方法的結(jié)合，將進一步滿足各方面不斷增長的地學(xué)應(yīng)用需求。

4.2 CRS的應(yīng)用展望

隨著遙感等現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展及其地學(xué)應(yīng)用需求的不斷增長，可以展望在近期和今后一段時間內(nèi)，CRS在地學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用至少可以包括以下4個方面:

1)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。除了地震以外，對地面沉降、滑坡、泥石流和地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，均可以采取常規(guī)遙感與 CRS相結(jié)合的方式，建立群測群防體系。

2)礦產(chǎn)勘查。首先通過多光譜或高光譜圖像解譯和信息提取，識別和提取出礦化蝕變異常信息，初步判斷礦床形成的有利條件，確定有找礦潛力的靶區(qū);然后以CRS的方式，借助于當?shù)氐牡刭|(zhì)院校、科研單位或個人的力量，及時對上述分析結(jié)果進行驗證，從而達到快速、有效找礦的目的。

3)土地利用變化調(diào)查?？山梃b地學(xué)維基百科(Geo－Wiki)的模式，在常規(guī)遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)上，針對重點地區(qū)，通過志愿者開展CRS工作，及時更新與補充土地利用變化圖。

4)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與保護。在常規(guī)遙感監(jiān)測的基礎(chǔ)上，在重要礦山、主要城市、交通干線和要道或重要管道沿線的關(guān)鍵部位按計劃招募志愿者，借助于CRS技術(shù)，加強對上述地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測與保護。

目前，CRS還是一個全新的領(lǐng)域，國內(nèi)尚未見相關(guān)報道。但在IEEE國際地學(xué)與遙感論壇(IGARSS 2010)上已有專家預(yù)測，在今后10 a內(nèi)，CRS的影響就會像傳統(tǒng)遙感技術(shù)對于我們理解和認識地球的影響一樣深遠。所以，CRS是一種應(yīng)該引起我們充分重視的地學(xué)應(yīng)用新技術(shù)。

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