基于3S技术的海岛资源动态监测系统的设计与实现

刘亚飞，潘洪军，亓常松，王广伟

（浙江海洋学院数理与信息学院，浙江舟山 316022）

在陆地经济尤其是沿海城市经济快速发展的今天，海岛作为陆地向海洋的延伸带也逐渐成为社会经济发展的新型增长区，海岛以其特有的自然地理环境和优良的空气质量吸引着越来越多的开发者，不合理的开发利用对海岛资源造成了一定的浪费，同时也对海岛环境造成了污染，不利于海岛资源的可持续开发，因而给国家及政府部门带来了海岛开发与管理的新问题。

3S技术作为大尺度时空变化监测的有效手段，具有全方位、多时相、高精度以及快速高效的特点，是地球空间信息理论的核心技术。目前，3S技术已广泛应用于林业、地质、交通、电力、海洋以及城市管理等诸多方面，张燕[1]对珠江口的三期TM和SPOT卫星遥感影像进行分类解译，并运用地理信息系统技术提取出珠江口各个海岛的空间变化信息；姜凤辉等[2]利用3S技术提取了海洋-大气空间层信息数据及海洋状况的信息数据，并运用GIS技术将海洋气象信息数字化进行存储查询，最后提出“数字海洋气象”的概念；韩富伟等[3]利用3S技术对辽宁海域的使用状况进行了动态监测。

本文将综合运用遥感技术、地理信息系统技术和全球定位系统技术对岙山岛海岛资源的开发利用情况进行人工智能提取和分析监测，在计算机技术的辅助下，将遥感数据处理、地理信息分析处理单元和GPS数据处理单元集成到一起，形成一套简单高效的海岛资源提取分析和管理的动态监测系统。

1 RS技术与GPS技术的结合

遥感是一种远离目标，利用电磁波、微波和雷达等探测方式通过非直接接触而判定、测量并分析目标性质的技术。本研究中的工程区域为浙江舟山的一座有居民海岛—岙山岛，所用卫片数据为2012年8月19号单时相Quickbird卫星遥感影像，投影坐标系统为UTM_Zone_51N和GCS_WGS_1984，其中包括分辨率为2.4 m的红光、绿光、蓝光、近红外光波段和分辨率为0.61 m的全色波段，卫片记录了工程区域所有地物的电磁波反射信息，通过先验波谱特性知识即可解译提取特定地物。

本系统中的遥感影像处理模块的功能主要包括影像的正射纠正、几何校正和地物的提取等，利用GPS技术获取的控制点高程数据做影像的正射校正，而控制点的坐标数据则用于影像的几何校正，处理过程如图1所示。

图1 GPS与RS结合图Fig.1 Integration of GPS and RS

1.1 正射校正

由于卫星遥感器的内部畸变和外部畸变，以及海岛地形较大的起伏变化，地物在卫片上会产生较大的倾斜畸变，正射投影校正是运用了照相的几何原理、视角和地形学[4]，将影像上地物的这种形态畸变纠正过来，首先用包含照相模型、基准标记和图像结点的RPB相机参数文件确立内部方位，再结合运用GPS技术测得的地面控制点数据、地图坐标数据以及高程数据确立外部方位，将图像和地球表面联结到一起，最后由内、外部方位和DEM文件进行正射投影纠正。

1.2 几何校正

几何校正是从具有畸变的图像中消除畸变的过程，使图像上各点的投影坐标与实际的尽量相符[5]，一种是影像对影像的校正，即以一幅基准图像校正一幅新图像，使得两幅图像能够准确的叠合在一起以便于地物的变化检测，另一种是影像对地图的校正，即利用GPS技术获取的地面控制点数据对畸变图像的坐标偏差进行纠正。

对工程区域进行影像对地图的几何校正时，结合GPS控制点坐标数据在工程区域的地图内均匀选取了9个控制点，RMS误差值控制在0.9以内，单个象元偏差在两个象元以内，校正结果偏差在一个象元以内。

1.3 分类提取

影像分类解译是将影像中所含的多个目标地物区分开并提取出感兴趣的地物区域进行分析监测。岙山岛东西距离约3.5 km，南北距离约2.2 km，岛上聚集了两个渔村，建造有数个养殖场，并且建有中国最大的25万t级油码头和100万m3原油储罐、20万立方米成品油储罐的大型石油储运基地。本研究运用遥感知识并基于不同的提取规则提取并矢量化生成林地、岸线、水体和码头四个专题图层，同时还可以利用GPS技术野外调查数据对已分类地物进行修正，各地物的分类准则及解译标志图等如表1所示。

表1 地物提取规则Tab.1 Extraction rules of land feature

2 GPS技术与GIS技术的结合

全球定位系统技术最先由美国发明用于全球范围内实时进行定位与导航，由21颗工作卫星和3颗投入使用的备用卫星组成，这些卫星分布在6个倾角为55°的几乎为圆形的轨道上，每个轨道上有4颗卫星，卫星的平均高度为20 200 km，运行周期为12个恒星时。目前中国也拥有自己的北斗卫星全球定位系统，并具有良好的定位精度。

GPS技术是3S技术中收集重要实时数据的手段，是辅助图像处理的重要依据[6]，本文运用GPS技术获取的数据有工程区域控制点经纬度坐标及高程数据、地物边界数据和地物属性考察数据，水体地物考察的属性数据包括名称、权属、使用租金、使用年限等，码头地物考察的属性数据主要包括名称、宗属、海域使用许可单位、海域使用年限以及海域使用金等。在运用GIS技术处理不同地物图层时，可以根据GPS技术获取的地物边界数据进行修正，再利用野外调查数据对各个图层中的各个要素的属性进行赋值，以便于后续GIS系统的查询统计分析。

由GPS技术获取的控制点高程数据可在GIS技术的支持下生成数字高程模型，在贴上相应的遥感影像之后可以实现模拟三维重构效果，通过对三维立体效果的定位查询可以更加直观地监测出土地利用的变化。GIS技术结合GPS技术的处理过程如图3所示。

图2 GPS与GIS结合图Fig.2 Integration of GPS and GIS

3 GIS技术与RS技术的结合

地理信息系统技术是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题[7]。遥感数据是GIS技术的重要信息源和数据更新的有效手段，可以从遥感图像中快速而可靠地提取出地面目标的空间和属性信息，在这些更新数据的基础上对地物空间属性进行分析的结果对管理层的决策具有重要的支撑意义。

GIS技术与RS技术的结合具有重要的意义，自2007年起，Exelis VIS公司与著名的GIS厂商Esri公司开展全面战略合作，共同开发和建设遥感与GIS一体化平台。最新版本的ENVI5.0中，ENVI的影像分析功能已经能够无缝融入到ArcGIS平台中。ArcGIS用户可以在ArcGIS Desktop和Server环境中直接使用ENVI工具来处理和分析影像，大大提高了生产效率。

本研究中RS技术与GIS技术的结合采用的是整体结合的方式，运用相同的用户界面、工具库和数据库，是理想的RS与GIS结合模式。由RS处理单元处理得到的图层数据在矢量化入库之后，由GIS处理单元进行调用处理，在添加属性数据之后进行分析，包括叠置分析、缓冲区分析和变化监测等，结合处理过程如图3所示。

图3 GIS与RS结合图Fig.3 Integration of GIS and RS

3.1 叠置分析

叠置分析是将同一个地区的两组或两组以上的要素进行叠置，产生新的特征的分析方法，即将两幅或多幅地图重叠在一起，产生新多边形和新多边形范围内的属性[8]。运用点与多边形的叠置分析，可以确定点落在某个地物图层中的某个多边形要素内；运用线与多边形的叠置分析，可以得出某个多边形内存在的线要素的个数及长度等，即用多边形对线要素进行裁剪；运用多边形与多边形的叠置分析，统计叠置分析可以确定一个多边形中含有其他多边形的属性类型和面积等，合成叠置分析可以形成新的多边形并合并原有多边形的属性。

3.2 缓冲区分析

缓冲区是指在点、线、面实体周围自动建立一定宽度的多边形。通过给定半径绘圆，建立点要素的缓冲区，可以分析出点要素如工厂的排污会对相邻地物产生的污染影响；通过给定宽度绘制线要素如道路的缓冲带可以分析出道路拓宽时需要拆除的道路两侧的建筑；通过给定缓冲距离绘制面要素如居民地的缓冲带可以分析出距离居民地一段距离内的水源情况。

3.3 GIS与RS的结合方式

GIS与RS的结合方式通常有三种：一种分开但平等的结合，各系统有不同的用户界面、不同的工具库和不同的数据库，RS系统模块与GIS系统模块之间只传送数据；一种是表面无缝的结合，有统一的用户界面、不同的工具库和数据库[8]；一种是整体的结合，同一个用户界面、工具库和数据库，这是未来应采用的理想模式。

4 系统实现结果与分析

岙山岛海岛资源动态监测系统包括ArcSDE数据库模块、RS影像处理模块、GIS数据处理分析模块以及GPS数据导入单元，系统总体设计如图4所示。

图4 海岛资源动态监测系统设计图Fig.4 Design of island resource dynamic monitoring system

4.1 系统数据库设计

数据库因不同的应用要求会有不同的组织形式，3S技术系统涉及到卫片数据、GCP数据、矢量数据以及属性数据表等数据，因此数据库的设计采用ArcSDE GeoDatabase，ArcSDE空间数据库采用的E-R模型是表现实体-联系的有力模型，包括实体、联系和属性三个部分，它比一般的数据库更能表现现实地理世界，具有直观、自然和语义丰富的特点，ArcSDE空间数据库中包括栅格数据、矢量数据以及文档数据，数据库设计如图5所示。

4.2 系统运行流程

运用遥感影像处理单元对工程区域快鸟影像进行裁剪、预处理并进行感兴趣地物功能区提取，矢量化生成矢量图层，在GIS处理单元对每个图层的每个要素添加属性数据之后即可运用GIS分析功能进行空间信息分析。程序运行界面如图6所示。

图5 数据库结构图Fig.5 Structure of Geodatabase

图6 系统运行结果Fig.6 Result of system running

5 总结与展望

岙山岛在经历多年土地开发利用之后，形成了一定的工业聚集区，“麻雀虽小，五脏俱全”，透过对岙山岛开发利用结果的分析可以窥见一个适合于岛屿开发的模式，同时应通过分析地理信息确定开发强度的适宜程度，通过3S技术动态监测防止土地滥用和污染，尽量避免或减少在海岛开发过程中可能对海洋环境造成的污染，同时应将日常化的海岛巡逻监视和海岛资源调查结合起来，形成可持续运行的海岛动态监测运行机制。

GPS技术能够获取地面控制点坐标并定位但无地理信息；RS技术能够快速获取大尺度指定区域图像，但受地物光谱波段特性的限制，甚至于无法对某些地物进行遥测；GIS技术具有强大的空间数据查询、检索和空间信息分析的处理能力，而数据录入和获取是实现智能化处理的瓶颈。相信在计算机硬件技术和软件技术不断发展的未来，利用3S技术可以更加智能、精确和完美地识别地物，甚至可以对整个地球或者太空进行动态监测，真正实现“数字地球”和“数字太空”的梦想。

[1]张 燕.基于3S技术的珠江口海岛自然旅游资源特征与动态变化[D].广州:广州大学,2011.

[2]姜凤辉,李树军,姜凤娇.3S技术在海洋气象信息处理中的应用[J].测绘科学,2010,35(4):186-187.

[3]韩富伟,苗丰民,赵建华,等.3S技术在海域使用动态监测中的应用.海洋环境科学,2008,27(2):85-89.

[4]Wolf R.Elements of Photogrammetry[M].2nd ed.New York:McGraw-Hill Inc,1974.

[5]梅安新,彭望琭,秦其明,等.遥感导论[M].北京:高等教育出版社,2001.

[6]李建平,余元军.GPS测绘技术在测量中的应用[J].西部探矿工程,2008(5):125-126.

[7]张 超.地理信息系统[M].北京:高等教育出版社,1995.

[8]胡 鹏,黄杏元,华一新,等.地理信息系统教程[M].武汉:武汉大学出版社,2002.