社区遥感:一种地学应用新技术

李万伦

(中国地质图书馆，北京 100083)

0 引言

社区遥感(community remote sensing，CRS)[1－3]是一种新型遥感手段，目前尚没有明确的定义，但可以理解为:通过本地的或者其他相关知情人员，使用智能手机或网络设备，为身在千里以外的人或遥感应用系统提供关于当地环境的高精度、高分辨率实时信息的一种技术手段。它与通过卫星、飞机等航天、航空遥感器获取数据的手段有一个共同点，即遥远地感知、获取和传递信息。传统遥感手段主要适用于对大范围、大面积的目标进行快速调查和多期次的动态监测，在地学不同领域内的应用已经十分普及[4－8];但随着对不同时间和空间尺度信息需求的日益增长(地学领域也不例外)，尤其是对局部小范围、短时间内的动态变化信息的大量需求，遥感数据获取手段是否快速便捷就显得十分重要，而这正是传统遥感技术难以及时解决的问题。可以预见，限于成本和遥感系统的复杂性，世界各国都不可能无限制地发展卫星或飞机等遥感对地观测系统[2－3]。因此，CRS将通过分布在世界各地的社区或个人向集中的遥感系统提供局部和瞬时的精确图像和数据，以补充和完善综合遥感信息数据库，从而全面提高遥感技术的最终应用效果。近年来，CRS在生态监测、灾害响应等方面的应用已取得了重要进展[9－12]，而在地学方面的应用还很少。不过，随着计算机、遥感、全球定位、地理信息系统和网络通讯等现代应用技术的不断发展和日益普及，CRS有可能给地学应用领域带来一场新的革命[1]。本文将着重介绍CRS这一新技术和新理念的特点及发展现状，并探讨其在地学领域的潜在应用价值和发展前景，以期引起充分的重视。

1 CRS发展史

任何新生事物的出现，都要经历一个探索、试验和普及、推广的阶段，CRS也不例外。CRS是随着公众科学的产生而出现的[12];不过，CRS真正引起人们的重视还只是最近几年来的事情。2009年7月在南非首都开普敦举行的IEEE国际地学与遥感论坛(international geoscience and remote sensing symposium，IGARSS)年会上，首次提出要开展有关“CRS”的国际合作研究，同年9月发布了第一份项目公告[13]。在之后1 a的时间内，以是否能够获得有关CRS的新知识或形成有关的新技术为标准，从全球筛选出了19个CRS项目予以公布和支持。这些项目广泛涉及生态、环境、自然灾害和农业等诸多领域，有关项目组应邀参加了IGARSS于2010年7月在美国檀香山举办的年会[13]。2010年9月，在英国伦敦举办的“公众网络科学峰会(citizen cyberscience summit)”上讨论了如何发展 CRS的有关问题[14]。

2010年10—11月，美国地质协会(geological society of America，GSA)在丹佛举行的2010年年会上专门设立了“社区遥感:一种地学应用的新技术(CRS:A new approach for geoscience)”专题[15]，表明GSA对CRS未来在地学领域中的应用充满希望。美国地质调查局(USGS)也很重视CRS的发展[1]。

近年来，国外一些重要杂志也相继对CRS做了介绍或报道[1，16]，例如《Imaging Notes》于 2010 年秋季出版了一期专刊，重点介绍了CRS的原理与方法[1]。2011年4月，在美国地质研究所(American geological institute，AGI)刊物《Earth》的“趋势”专栏上，也以“社区遥感的兴起(The rise of commity remote sensing)”为题对 CRS 进行了报道[16]。

2 CRS在地学中的应用

2.1 带来便利的高新技术

CRS使地学研究人员能够更好地享受到高新技术所带来的便利。CRS的本质是一门空间信息技术，在以空间数据采集与分析为主的地学领域中可以充分发挥作用，其主要内容包括数据采集、验证与校正，数据分析和实际应用等4个方面;所采用的技术方法主要包括全球高带宽的互联网接入口、可全球定位(GPS)的移动电话、社会网络、数码相机、手机相机、低成本的数据存储技术以及云计算等。因此，CRS具有以下技术特点[17]:①运用定位技术，将遥感与公众科学、社会网络等技术结合起来，通过社区方式远距离采集、获取信息，并进行数据验证、分析、交流互换和应用，以丰富传统遥感手段获取的数据内容，提高数据应用的时效性;②采用“众包”的形式，即利用蜂窝短信、全球定位系统(GPS)和推特(Twitter)或微博(Micro－blog)实时报道地面情况和相关活动，以便远方的有关人员或部门能在第一时间内作出正确的分析和判断。

传统遥感地质的发展极大地受益于个人电脑的性能提升与普及，而今天的实时通信技术已经发展得比较成熟，完全有可能在地学应用中发挥更大的作用。例如，通过现在的3G网络和Wi－Fi(wireless fidelity)无线保真技术，利用便携式照相机、摄像机等设备就可以把公众采集的数据信息及时传送给地学领域的研究人员使用。

2.2 促进地学知识普及与提高

CRS通过可吸引公众参与的地学项目，在普及地学知识的同时，促进地质科学研究。近年来，已经出现了一些与CRS相似的公众学科或领域。这些公众学科的本质是邀请非本专业的志愿者参加科学实验(如观察与测量)，为专业研究人员提供数据和信息，同时也满足这些志愿者对不同领域科学知识的需求。相关学科或领域包括: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术，对个人志愿者所提供的地理数据进行收集、管理和发布的一个研究领域[12];②由公众参与GIS建设;③公众科学;④以公众为传感器采集信息;⑤公众填图;⑥社会关系地理网络等[17－22]。

尽管在公众科学的上述领域中已经开展了与CRS相类似的工作(如地理数据采集)，但CRS建立在传统遥感与地学相关知识的基础上，且采用了不同的方法和技巧(如遥感图像解译)，因而区别于这些原有学科[2]。也就是说，CRS不仅需要公众按照规定要求采集和提供瞬时图片、视频等资料，而且希望公众通过遥感知识普及能自觉采用易于获得的遥感图像(如Google Earth图像)，进行力所能及的图像解译，并提供相应的成果。

现在，越来越多的人们对地球科学知识十分感兴趣，通过招募对地球科学知识感兴趣而且符合一定条件的公众志愿者参加到CRS的研究项目中，接受地学知识与遥感技能的培训，既能够普及遥感与地学知识，又能够促进遥感与地学研究工作。

2.3 对传统遥感技术的重要补充

传统遥感主要使用航空或航天遥感系统获取的图像，随着近年来多光谱、高光谱传感器的发展以及数据处理技术的不断完善，在地质领域应用不断拓宽，遥感地质工作也越来越受到人们的重视;而CRS进一步丰富了遥感手段，必将促进遥感地质工作的进步。据 Williamson Bill Gail[17]推断，CRS 有可能使遥感地质工作得到更进一步发展。例如通过当地人直接提供的地面信息，既可以补充和细化卫星或航空遥感图像中的局部细节特征，使遥感地质解译的内容更加详尽丰富和接近实际;又可以对解译结果进行初步的验证，以证实解译结果的可靠性和潜在的实用性。

目前，尽管CRS地质应用的实例还较少，但在生态环境监测、灾害救援应急响应、土地利用调查等应用方面，已取得了许多令人满意的效果。

2.3.1 灾害快速响应

遥感技术在自然灾害应急处理中已经得到广泛的应用，例如在近年发生的汶川大地震、智利和海地地震的救援工作中都使用了遥感技术。但目前人们普遍认为，遥感技术的潜力还没有完全发挥出来，在许多情况下，往往因为救援人员不能在第一时间及时得到足够的灾情信息而无法立即实施有效的救援行动[3]。时间就是生命，救援工作需要全社会各界人员的参与和配合，应当在第一时间把有关灾区的所有资料都及时综合起来，并尽快送到救援人员手中。在这方面，通过CRS可以使更多的人在灾情快速传送和应急救援中发挥作用。

例如，2008年5月台风纳吉斯(Nargis)在缅甸造成了严重的山体崩塌，是该国有史以来最致命的自然灾害之一。为此，联合国培训与研究所(united nations institute for training and research，UNITAR)卫星应用行动项目向GISCorps请求援助。GISCorps是由一群GIS专家组成的志愿者活动组织，该组织以志愿的形式向包括灾害响应在内的各种需求提供接受过训练的、专业的地学空间分析服务。31名来自全球的志愿分析者累计花了1 300 h的时间，通过研究灾区受灾前后的Google Earth图像，识别出了被风暴和次生灾害摧毁的6×104幢建筑、大量桥梁和道路，并将这些分析结果迅速提交给联合国，在灾害响应过程中发挥了很大作用[11－12，21－22]。

除了GISCorps以外，目前最有名的CRS系统平台要算虚拟灾难视图(virtual disaster viewer，VDV)了[23]，它是在2008年汶川大地震以后开发出来的一个基于网络的GIS平台，目的是帮助安排救灾活动、资料传递和专家知识共享。其主要特点就是将不同领域专业人士提供的资料数据按一定标准标示在统一的受灾图像上。这些数据大多数由参加现场救援的各种组织所提供，实现了完全的信息共享，十分有利于救援各方迅速开展援救工作。自2008年以后，VDV曾成功应用于意大利阿奎拉(Aquila)地震(2009年)、智利大地震(2010年)、苏门答腊地震(2010年)和海地地震(2010年)等大型自然灾害的灾情评估和救援工作。

事实表明，在来不及使用传统遥感手段的危难时刻，CRS往往能够更加迅速而充分地做出快速响应:①组织起尽可能多的相关人员共同参与救灾;②解决了灾害响应最迫切需要克服的信息共享问题。因此可以说，灾害应急响应是CRS最能发挥作用的领域之一。

2.3.2 土地覆盖调查

地学维基百科(Geo－ Wiki)项目[24－25]由来自全球的一群希望帮助改善全球土地覆盖图的志愿者组织实施。全球土地覆盖图一般是通过传统遥感技术获取的，但原有的全球土地覆盖图之间存在很大的差异，而目前的生态系统和土地利用科学都需要至关重要的精确数据的支持。比如为确定某土地覆盖热点区域可用于种植庄稼的农用地潜力时，志愿者们被要求根据他们在Google Earth中和当地实际所看到的情况，找出与该区域原土地覆盖图不一致的地方，并判断原土地覆盖图的表达是否正确。志愿者们的输入资料会被保存在一个数据库中(同时还包括他们上传的照片)，并被用于创建一幅经改正的新土地覆盖图。

由于通过CRS可及时观察到详细的土地利用情况变化，因而CRS在遥感土地利用调查与制图中可发挥十分重要的作用。

2.3.3 生态环境调查

CRS在生态环境调查方面的应用项目相对而言是最多的[15－17，24]。例如 Nature Mapping 项目采取由志愿者进行观察与采样的方式，收集动物栖息地的生态信息，以便对遥感图像提供的信息进行验证和补充细化;“数字地球观察与照片张贴网络”项目由不同地区的志愿者按照统一安排的时间对周围环境进行观察与拍摄，并且将照片传递到一个网站服务器进行存储与管理，从而达到系统监测当地环境状况的目的;“火灾预警”项目充分利用志愿者的力量，以扩大对森林火险、非法砍伐和侵占等情况的实时监测;“参与式遥感”项目要求公众利用手机或其他上网设备，参与环境监测工作(比如监测攻击性生物物种的分布情况等);“珊瑚礁生态填图”项目是由斐济人和库克岛居民上传珊瑚礁经过坐标定位的礁石截面照片，补充和完善卫星图像资料;“NEPTUNE:来自深海的数据，由公众来判断”项目通过志愿者提供的数据对海洋传感器获得的数据进行质量控制、验证与分析;“全球森林观察”项目是基于维基百科的CRS工具，可提供更详细的全球森林特征统计数据;而“空气微博(或推特)”项目则通过商用网络，由志愿者报告所发现的空气质量污染事件，以便进一步作遥感分析。地球生态环境是当今大多数人十分关心的对象，因此CRS的志愿者比较踊跃，这正是CRS在环境保护领域得以较早开展的重要原因之一。另外，环境保护也已经是大家的共识，相关数据资料的使用与发布不会产生所有权、使用权方面的争议，也较少引起有关单位和个人的过激反应。

当然，如果与传统遥感相结合，CRS还可以在地质环境调查、动态监测与灾害防治等方面发挥更大的作用。

3 CRS存在的问题

目前，尽管国际上已经开展了许多CRS项目的研究工作，但作为一个崭新的领域，CRS还存在许多技术上的难题以及社会问题。比如:①数据质量问题。应当尽可能采用统一的数据格式，而且还需要进行检查和验证;②数据管理问题。必须按照一定的技术标准和规范来进行数据管理;③数据纠纷问题。数据可能触及单位或个人的敏感话题，容易产生纠纷。

当前，对上述问题已有一些原则性的指导意见[26－27]，但还没有明确的解决办法。此外，除了美国等少数国家以外，全球地学界对CRS的关注还较少，重视程度明显不够。其原因除了对CRS还不够了解和CRS自身尚不够成熟以外，还与现今地学工作体制或机制有关。地学是一种专业性很强的领域，一般情况下非专业人员可能很难参与进来;而CRS所需志愿者却刚好需要具有不同专业背景的人员乃至普通公众，因此就要打破原有的工作模式，并坚决克服本领域偏见或有关的狭隘思想。

4 结论与展望

4.1 CRS 的特点

地球实况信息对21世纪人类社会的发展极其重要，获得这些信息所需开展的工作量极为庞大，包括从不同时间和空间尺度对我们所居住的地球进行观察和分析。为了迎接这种巨大的挑战，需要公众积极地参与，从地球的不同角落提供有关他们周围世界的信息。CRS正是为适应这种需求应运而生。综合上述分析，CRS这种以人为主体的新型遥感手段主要有以下特点:

1)CRS充分地利用人的优势，有效地弥补传统遥感监测设备的不足。首先，CRS十分需要具有相关学科或领域专业背景知识的志愿者(例如GIS专家、生态与环境问题专家等)参与;其次，公众志愿者不仅要提供原始数据，还要尽可能提供自己的观点和看法;另外，CRS数据可重现率高(即可同时由不同的人提供)、快速及时、翔实精确而且成本低廉等特点，也使其可以与其他遥感数据相媲美。因此，从社会学的角度来看，CRS很好地体现了“发动群众”的哲学思想[28]，是一种思想方法的创新。

2)CRS充分发挥和利用了现代信息网络技术的优势，及时将地面实况信息应用到地学及相关学科领域中，可快速地产生社会、经济和环境效益。

3)CRS在地学领域的应用虽然刚刚起步，尚存在许多需要不断探讨和完善的问题，但已开展的项目实践足已证明它具有巨大的应用潜力，尤其在生态环境监测、土地利用调查和自然灾害快速响应(减灾、恢复与重建)等方面。CRS与传统遥感方法的结合，将进一步满足各方面不断增长的地学应用需求。

4.2 CRS的应用展望

随着遥感等现代技术的飞速发展及其地学应用需求的不断增长，可以展望在近期和今后一段时间内，CRS在地学领域中的应用至少可以包括以下4个方面:

1)地质灾害监测。除了地震以外，对地面沉降、滑坡、泥石流和地裂缝等地质灾害，均可以采取常规遥感与 CRS相结合的方式，建立群测群防体系。

2)矿产勘查。首先通过多光谱或高光谱图像解译和信息提取，识别和提取出矿化蚀变异常信息，初步判断矿床形成的有利条件，确定有找矿潜力的靶区;然后以CRS的方式，借助于当地的地质院校、科研单位或个人的力量，及时对上述分析结果进行验证，从而达到快速、有效找矿的目的。

3)土地利用变化调查。可借鉴地学维基百科(Geo－Wiki)的模式，在常规遥感监测的基础上，针对重点地区，通过志愿者开展CRS工作，及时更新与补充土地利用变化图。

4)地质环境监测与保护。在常规遥感监测的基础上，在重要矿山、主要城市、交通干线和要道或重要管道沿线的关键部位按计划招募志愿者，借助于CRS技术，加强对上述地质环境的监测与保护。

目前，CRS还是一个全新的领域，国内尚未见相关报道。但在IEEE国际地学与遥感论坛(IGARSS 2010)上已有专家预测，在今后10 a内，CRS的影响就会像传统遥感技术对于我们理解和认识地球的影响一样深远。所以，CRS是一种应该引起我们充分重视的地学应用新技术。

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