地理国情监测的探索与实践

摘要地理国情监测作为全新型工作、创新性任务，是新时期空间信息科学的重要使命。对地理国情监测的国外发展现状、重要意义和主要技术支撑以及当前主要技术路线和方法进行了讨论，通过山东地理国情普查试生产的实践进行了相关技术方法的探索与分析。

关键词地理国情监测；3S技术；多源数据融合与处理技术；内外业一体化；半自动解译

中图分类号S127文献标识码A文章编号0517-6611（2014）06-01875-03

AbstractGeographical conditions monitoring， as a new type of work and innovation task， is an important mission of spatial information science in the new period. This paper discussed the development status of geographical conditions monitoring in foreign countries， the importance and the main technical support as well as current major technical routes and methods. Through the general survey practice of geographical conditions monitoring in Shandong Province， it analyzed related techniques and methods of monitoring.

Key wordsGeographical conditions monitoring； 3S； Data Fusion and Processing Techniques for Multisources Remote Sensing Image； Indoor and Field Integration； SemiAutomatic Interpretation

地理國情监测（Geographical conditions monitoring）是综合利用全球卫星导航定位技术（GNSS）、航空航天遥感技术（RS）、 地理信息系统技术（GIS）等现代测绘技术，综合各时期已有测绘成果档案，对地形、水系、交通、地表覆盖等要素进行动态和定量化、空间化的监测，并统计分析其变化量、变化频率、分布特征、地域差异、变化趋势等，形成反映各类资源、环境、生态、经济要素的空间分布及其发展变化规律的监测数据、地图图形和研究报告。

随着多学科交叉技术不断融入测绘领域，测绘人才的不断涌现与基础测绘多年来积累的各类高覆盖、高标准的测绘成果的广泛应用，我国测绘发展正处于全面推进地理国情监测工作的重要转折点，正处于由强调拓展地理信息覆盖范围向强调监测地理信息变化、提高地理信息现实性的重要转折点[1]。为此，笔者从几个方面对其进行综述。

1国外地理国情监测发展现状

近年来，国外主要发达国家围绕地理国情监测的主题开展了许多项目，主要有美国地质调查局（USGS）的“地理分析与和动态监测计划”、欧盟的“全球环境与安全计划”（GMES）、欧洲发布的全球分辨率最高的全球土壤覆盖图、欧盟等组织的扩大对粮食危机区的地理监测、英国实时监测全球旱情严重程度的全球干旱监测网、美国主要针对国内环境问题的国家生态监测网，旨在建立和发展一个综合性的环境监测系统的亚太地区环境革新战略项目（APEIS）环境综合监测子项目（IEM）等[2]。

一些发达国家的测绘与地理信息相关规划和战略中，都将开展地理国情监测作为重要任务之一。

美国地质调查局在地理科学研究战略（2005-2015）中提出，要研究土地变化的模式和过程，利用各种地理分析方法研究土地变化，预测土地变化趋势，评估社会、经济政策、技术和环境等因素在土地变化中产生的影响和作用机理，利用遥感技术收集环境监测数据，分析土地利用变化和土地覆盖变化在导致人类—环境系统脆弱性及风险过程中的作用。

加拿大在大地测量署战略规划中提出，将对地理坐标参考基础、水和气候变化、自然灾害3方面的科学研究提供支撑，并开展更广泛的GNSS服务及监测加拿大大陆运移等。

澳大利亚在对地观测战略规划中提出，将利用新一代对地观测传感器提供关于降水模式、地表土壤湿度、地表温度、积雪覆盖全部储水量变化的精度更高、空间上更详细的信息；测制近岸和近海海域航行所需的导航海图，用于保障沿海水域和公海海运行动的安全，以及用于海啸预警；开发一套有关特定生物物理参数的国家级的对地观测数据集，用于监测农业林业和生态系统；改进海平面上升区域沿海环境脆弱性沿海资源分配等海岸和海洋监测。

2地理国情监测的重要意义

地理国情作为重要的基本国情，一方面直观反映地物形状、大小、空间位置的变化，有利于政府掌握国情国力，应对突发事件；另一方面地理国情深入揭示经济社会发展与自然资源、环境的内在关系和演变规律，有利于促进从地理空间上合理布局经济建设、社会发展、优化资源配置等。

地理国情是空间化、可视化的国情信息。在当前形势下，管理者需要超越时间维度，把握空间布局，注重统筹兼顾，作出系统、科学、可持续的长远规划和科学决策。为此，需要通过开展地理国情监测，快速获得地表植被、土地利用、生态变化、环境演变、城镇扩张等各种地理国情信息，为国家和地区制定发展战略与规划提供基础资料。地理国情监测的开展是政府掌握国情国力、作出科学管理决策、加快生态文明建设的需要。

从另一个角度来讲，地理国情的事件感知、数据获取、通信传输、信息提取、空间分析以及决策支持等需要将3S各独立技术中的有关部分有机地集成起来，借助通信、云计算和物联网等技术，实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理、更新及预测，这必将加快空间信息、科学计算机网络、对地观测科学、地球科学等相关科学领域的融合和向纵深发展，进一步推动空间信息科学的快速发展。地理国情监测必将成为推动空间信息科学发展的巨大动力。

3地理国情监测的关键支撑技术

地理国情监测合理、快速的发展需要多学科交叉融合形成的许多关键技术的支撑。

3.13S技术

地理国情监测需要GNSS、RS、GIS的技术支撑。

3.1.1GNSS。

GNSS导航系统可以形成增强系统，通过在广域或局域内对GPS信号进行监测得到差分信息及连续性、可用性的信息，再通过卫星或其他途径广播给用户达到高精度和高可靠性的目的。卫星导航只有发展增强系统才能最终实现高精度导航定位。

GNSS应用于地理国情监测测绘基准服务、空间定位服务和与多种国情监测技术的集成融合服务等方面可为监测工作提供平台和手段。针对地理国情监测指标体系中确定的监测对象和目标，采用不同的GNSS监测技术可获得科学、客观、准确的统計信息。如利用在飞机上装载差分GPS和IMU构成的组合导航系统简称POS系统，可以获取摄影相机的外方位元素和飞机的绝对位置，以直接用于航测内业的像片定向，节省内业处理影像时间。基于位置服务（LBS）可以通过GPS定位获取移动终端的位置信息，实现例如获得外业核查轨迹和新增地物测量的相关工作。

3.1.2空、天、地一体化遥感技术。

地理国情监测对象具有区域性、多维结构、时序变化等复杂特征，而且强调地理国情信息获取的时效性和全面性，因此在很大程度上对地观测能力的强弱决定了地理国情监测的强弱。这决定了不能只依赖于单一的观测手段，需要卫星系统、低空无人机系统等低空观测系统及地面测量车等地面观测系统的相互配合，形成“三全”（全天候、全天时、全球观测）、“三高”（ 高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率）、“三多”（多平台、多传感器、多角度）的空天地一体化遥感技术[2]。

3.1.3网格GIS技术。

地理国情监测形成的数据覆盖许多不同行业的不同部门，要在此基础上统计分析形成统一的监测结果，面临数据共享和互操作、信息深加工、高性能大容量分布存储和分布处理能力的难题，网格计算和网格GIS为此提供了强有力的技术支撑。

网格地理信息系统（Grid GIS）是将地理上分布、系统异构的各种计算机、空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等通过高速互联网络连接并集成起来，形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境，它是利用空间信息网格技术将多台地理信息服务器构建成一个网格环境。

3.2多源数据融合与处理技术

地理国情监测需要针对不同的数据进行分析。数据来源各不相同，可能会用到不同时段的数据，也可能用到不同类型的数据，包括雷达数据、光学数据等。因此需要将这些多源数据进行融合与处理。地理国情监测数据量大、类型多，要采用遥感影像数据集群分布式处理、地面调查数据实时动态处理、专题数据空间化处理等技术手段，实现地理国情监测数据的快速、高效处理。此外，测绘地理信息部门自己监测的地理信息数据如何与其他专业部门的数据进行融合，如水利调查、土地利用调查等信息，这些信息所采用的标准、网格精度各不相同，需要通过合适的技术方法将这些信息融合处理，以供地理国情监测使用。

3.3内外业一体化调查技术

内外一体化调查技术在地理国情监测工作中非常重要。应用同一遥感影像在内业高精度判读基础上，采用全球导航卫星系统、无线传感网络、无线通信和移动终端等技术设备，开展地理国情要素移动式、网络化外业调查和验证，快速采集和编辑调查数据，既保证监测成果客观可靠，又保证成果精度精确统一。这样可实现当作业员在内业工作的时候，与外业可以并行操作，避免了传统作业方式中内外业无法统一操作而导致的费时费力的情况，可大大减少内外业的工作量。

42卷6期张友超等地理国情监测的探索与实践

4地理国情监测技术路线与方法

地理国情监测的技术体系依托测绘现有技术体系的基础理论和技术手段，在实践中不断完善，重在监测内容、技术指标、监测技术路线、成果形式等方面的内容，形成了相对完整的技术体系。

目前，我国正在进行的首次地理国情普查是地理国情监测的重要部分，目的在于建立地理国情监测的本底数据库。

在建立了地理国情信息本底数据库之后，需要利用时相性较好的多源遥感影像进行定期的信息监测，监测部分主要分为综合性监测和专题性监测。通过对自动解译获得的信息与本底数据进行比较，然后将在时间序列中量化的变化信息进行统计分析来获得所需的地理国情监测成果。

5地理国情监测中普查工作的实践与发现

近期，地理国情监测的首要工作全国地理国情普查正在全国多个主要测绘单位开展，笔者参与了山东省兖州地区地理国情普查试生产的内业解译与外业调绘工作。

利用最新的基础地理信息数据和0.5 m分辨率的卫星正射影像，并收集整合相关专题资料，试生产完成山东兖州市地理国情信息采集，解译样本数据的采集，完成地理国情信息基本统计。主要目的是通过试生产，提高技术队伍的业务素质与能力，总结在开展地理国情普查试生产中遇到的问题及采取的解决方法，探索更为完善的技术路线，为全省全面开展地理国情普查工作打好基础。

5.1内业解译在影像的内业解译中，试用了eCognition自动解译软件，发现eCognition自动解译后分割结果破碎程度较大，分解边界基本正确，但复杂地物的分割需要结合矢量数据。eCognition的规则集分类，对不同影像时相、数据源、区域的高分辨率数据分类，很难普适，而且技术门槛较高，因而目前不太适合工程化项目实施。但是eCognition之类的自动解译软件在建立国情普查本底数据库之后的监测工作中的作用是不容忽视的。

在内业解译中，对比人工解译与自动解译发现，人工解译的质量成果主要依赖于作业员的经验与认知能力，而且比较费时费力，效率不高。全自动解译虽然大大提高了解译的速度，节省了人力及生产时间，但是其算法精度不高，后期处理比较复杂。所以，比较适合的解译方法应该是人机交互解译，它结合人的认知能力和计算机的数据处理能力，提高了工作效率，保证了成果质量。例如，利用已有DLG数据辅助分割，可充分利用已有资源成果，分割边界准确度高。对于面状和带状要素可以实现半自动提取，例如水域、草地、房屋、道路等，充分利用人的认知能力和计算机的量算能力。水域纹理均一，形状不规则。水域提取可以以指定点处光谱值为基础，提取满足一定阈值范围的面状要素，并进行边缘光滑处理。但对于一些大面积的水域需要再进行合并。

5.2外业调绘

在地理国情普查中，外业调绘主要是承担着核查内业不确定和判读困难的图斑、抽样检查判读的正确率和修正判读结果、建立遥感解译样本用来指导自动分类和人工解译的责任。

在此次试生产普查的外业调绘中，遵循着试生产外业调绘中核查所有图斑的原则，采用了外业调绘平板与传统图纸相结合的作业方法。与传统的纸质作业方式相比，平板调绘系统有独特的优势和特点。内外业数据可方便地进行交互，可以采用同一套软件平台、同一套符号库、同一套生产方案，实现采编一体化、内外一体化。采用平板调绘可以获得实时的GPS定位信息，有利于对新增地物和形状变化地物的增补与修改，同时平板调绘系统具有快速获取样本数据、快速进行图形与标注修改的优势。

在实际的外业调绘中对比了多个公司的平板系统，发现了许多问题。

（1）硬件方面。在触摸屏的选择上，对于需要在野外进行勾画操作的调绘工作，电阻屏的优势较為明5.4监测工作的展望

通过地理国情普查工作建立了普查本底数据库之后，需要根据需求进行动态变化监测。低空无人机、低空无人飞艇可以随时提供时相性好、清晰度高、分辨率高的遥感影像。可以通过建立地理国情要素典型特征库，构建解译规则集，利用面向对象的分类策略，在分布式网络环境下实现网络分布式信息提取与解译判读。利用自动化程度更高、处理速度更快、提取信息更准确的监测策略对地理要素进行变化监测，获取重要地理要素和重点区域的变化信息，准确揭示其空间分布及发展变化规律。

6结语

从测绘本意来讲，地理国情监测不仅仅是要从空间分布上模拟表达和再现自然和人文地理要素的形态现状，反映某一时期的地形地貌资源环境现状等方面的地理国情信息，更是要从时间序列上展现地理要素的发展演变轨迹，通过研究

分析不同时期地理国情信息，对地理要素的历史演变进行监测跟踪分析研究，把握地理要素变化规律，对发展趋势作出科学判断。

测绘地理信息科技发展“十二五”提出了“构建数字中国、监测地理国情、发展壮大产业、建设测绘强国”的总体发展战略，勾画出了未来测绘行业发展的蓝图[3-6]。

作为处于行业历史转折点的测绘人，需要通过作业实践认真学习，不断提高对地理国情普查工作目标、工作任务、工作步骤、作业流程方法、工作要求的理解，不断丰富自己在相关知识领域的知识，不断探索研究新方法、新技术，以便能够顺利完成好全国第一次地理国情普查工作。

参考文献

[1] 乔朝飞.国外地理国情监测概况与启示[J].测绘通报，2011（11）：81-83.

[2] 李德仁，眭海刚，单杰.论地理国情监测的技术支撑[J].武汉大学学报，2012（5）：56-59.

[3] 刘若梅.地理国情监测项目实施初步设计[R].西安：地理国情监测关键技术高级研修班，2012.

[4] 徐德明.监测地理国情服务科学发展[N].人民日报，2011-03-29.

[5] 陈卫青.浙江省地理国情监测试点成果通过验收[N].中国测绘报，2012-02-03.

[6] 狄琳.建立新国家地理格网服务地理国情监测初探[J].测绘通报，2011（12）：1-2.