基于激光遥感的地理信息系统设计

作者简介：黄林海（1995.07-），男，湖南益阳人，在读研究生，研究方向：地理学专业。

摘 要： 本文将对在地理信息系统当中应用激光遥感的意义加以阐述，同时分析激光遥感的优势，并且介绍一种基于激光遥感的地理信息系统设计思路，进而通过实验来验证设计思路，以期为有关部门提供可靠参考。

关键词： 激光遥感;地理信息系统;定位;成像;网络传输

【中图分类号】P407.5 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.34.157

伴随我国科技水平的持续提升，应用地理信息系统的各行业均对此系统拥有越来越高的需求，因此，有关部门亟需积极融合此系统和新技术，以便使自身实际发展水准更高，所以，有关人员应当对激光遥感技术和此系统具体融合展开全面分析。

1 在地理信息系统当中应用激光遥感的意义

所谓地理信息系统，即GIS，其主要组成部分包含多种系统、计算机的软件与硬件等，此类系统重点的工作内容为收集、管控、处理以及分析、显示与建模相应的信息数据，从而使以往较为繁复的管控、规划等问题得到有效处理。此类系统主要作用在于，收集和编辑、管控和储存、分析与处理数据信息，以及制作相应产品等。

当前，地理信息系统的主要应用领域为：

①决策辅助：系统借助互联网与现有数据库使电子商贸得以实现创新发展，这与各大企业多维性需求相符。企业能借助此系统对空间数据展开有效且快速的管控，从而对潜在的市场以及商业中心加以确认。

②国土：系统如今已被应用到评估环境质量、预测森林火险、分析土地资源的实时利用状况以及监测洪灾、估算相应损失等领域当中。

③规划区域：此系统可以在金融、资源、文化、环境、教育、人口、经济以及交通等领域发挥作用，并且能合理筛选有关信息，同时将其转化为可用模式。一般多被应用到对道路构造、等级与线路的建设工作中。

④资源管理：合理汇集有关信息数据，确保用户能直接查找、统计和绘制图像、分享资源，进而将可靠凭证提供给相应规划决策以及开发应用等工作中。在此应用领域中，地理信息系统多被应用到研究水资源分布、矿产与森林资源管控、评估土地资源未来潜力以及保护野生动物和植物等工作中。

由此可见，为了确保地理信息系统得以被有效应用，有关部门应积极融合更加先进的技术。

将先进的激光遥感技术应用于地理信息系统具备以下意义：

（1）我国现有GIS问题较多，因此，在具体应用阶段，许多实际项目具体要求很难得到满足。将先进的激光遥感技术应用于此系统当中，可以确保系统当中所有细节实现全方位更新，同時保证有关数据信息更为精准，进而使其在各领域当中具体应用效果得以提升。

（2）在应用先进的激光遥感技术过程中，能够明显提升GIS自身可视化的性能，因此能够将更加全面的信息数据直观地显示给系统用户，继而确保系统总体工作效率得以全方位提高，另外还可以使系统实际应用性能得以被全面强化。

（3）将激光遥感技术应用于地理信息系统当中，如今已经成为激光遥感技术总体发展的主要方向。这主要是由于：①现有GIS自身缺陷较多，在社会快速发展过程中，很难使各行各业实际需求得到满足;②如今我国在地理测绘层面的发展势头极为迅猛，越来越多的先进技术都逐渐被应用到GIS当中，且效果良好[1]。

2 激光遥感的突出优势

2.1 拥有成像、定位等特征

在应用过程中可知，激光遥感系统能够结合回波的距离、平台具体位置以及激光的实际指向等来有效定位目标，并且当激光脚点的自身密度达到相应数值之后，还能够使目标成像。

2.2 具备先验值

当将传统激光遥感技术应用于地面时，所得到的目标距离并非确定数值，其属于未知的量，其将处于几十米-最远作用的距离范围当中。在应用先进的空间激光遥感技术时，因为相应卫星有已知的轨道高度，另外所测目标自身特性并非突变数值，所以此技术具备先验值，其所得到的回波数据范围较准确，其变化范围始终处在轨道高度上下，因此在设计相应地理信息系统时，此技术的应用优势明显。

2.3 不同的传输信道

常规应用的地面激光技术主要应用于大气当中，其中许多因素都会影响接收机的通道，所以设计相应系统的时候，必须借助近距离自行增益的管控技术，这便增加了相应成本。而先进的空间激光技术在探测深空的时候，并不需要对大气后向散射加以考虑，只需对相应垂直传播的实际衰减模型加以综合考虑即可[2]。

2.4 不同的目标特征

传统地面中远距离的激光技术多被应用于测量空中的各种飞行物，目标多属于漫反射小目标;先进的空间激光遥感技术多被应用测量星体，所以其目标多属于漫反射大目标。

3 基于激光遥感的地理信息系统设计思路

3.1 设计管理数据模块

在所设计的地理信息系统当中，此模块的主要功能即调度、管控地理空间环境内部全部极广遥感所得数据信息，同时以这部分数据信息为基础，在需要的时候能够实现可视化的操作，另外把这些数据反映到实际场景当中。在笔者设计的系统管理模块中，此模块经由激光遥感以及GNSS等设施可以对需要的各类地理信息数据展开动态收集，并且把所得地理数据信息通过相应软件进行预处理，并且利用以太网来传递信息，随后把处理完所得图像与结果进行科学融合，传送到相应三维地理数据信息的处理模块当中，结合ADV-JP2000芯片一同处理完相应信息数据，将可靠的保障提供给GIS设计，确保其能够最终实现。

3.2 设计处理模块

在设计此模块的过程中，当操作其融合激光遥感的相应图像结果时，应借助OpenGl函数来地理信息三维描绘融合的最终结果，并且用结果来代替现实环境内各类景物。笔者所设计系统当中，将应用三维地理信息模块相应渲染功能来保证最终效果图更为真实，全面提升现实场景内部物体信息和GIS内部物体信息契合度。如今常用的传统GIS一般只借助一维的地理数据信息以及二维的曲线等来现实地理数据，然而其并不能直观地将数据表达出来，更不能直观地观察相应信息数据，笔者所设计系统将通过三维视角，囊括所测遥感数据自身特点、文本数据信息以及曲线数据信息等。此模块将借助三维地理信息模型来准确描述地理数据信息，相应模型重点借助Open GL函数来解析激光遥感对应图像最终实际融合结果，继而获得其绘制的具体结果，最终三维处理地理信息。

3.3 设计场控模块

笔者设计系统对应场景控制模块，能够在虚拟环境当中合理配准现实场景内物体与，也就是注册三维图像。系统能够借助此模块来分析现实的地理场景，并且对数据库内用户需要的内容、数据和信息等进行合理筛选。另外此模块也能够动态、可视化地控制虚拟物体的信息和对应属性数据信息，从而保证系统主循环能够顺利工作。此模块的主要媒介即互联网，其能够推动融合模块内部地理信息数据，并且合理处理、分析GNSS的数据，笔者所设计系统内相应GNSS装置主要有能够精准定位地理信息以及便于携带等明显优势[3]。

3.4 设计网络传输模块

此模块的功能主要为确保服务端能够实时、准确地和系统的用户展开通讯，模块将以某中心服务器为基础，确保大部分计算机能够在无线网当中顺利工作。笔者所设计系统当中，此模块主要凭借RS422协议来合理传输各类地理数据信息。需要注意的是，此模块应拥有和其余模块展开传输串口信息的作用，这也是笔者选择RS422协议的主要原因。

3.5 融合处理遥感图像

笔者所设计GIS系统软件的作用主要在于合理融合激光遥感所得数据信息，即把相应光谱遥感图像转化成相应模块能够接收的图像形式。相應雷达所得遥感图像，其成像位置处于环形的区域当中，且此区域不变，随后利用直方图展开均衡的操作，对相应遥感图像相应像素点当中所有特征点进行收集。笔者重点借助检索边缘特征进行研究，这是由于其能够合理分析不发达区域当中复杂的地理环境相应地表物体宽阔以及几何形状等。用雅克比矩阵对信息收集的元素加以表示，并借助一阶矩阵把彩色最终转换成灰度图像进行处理。在对应高斯曲率的闭合范围当中展开角点检测，也就是利用激光遥感图像相应像素点对应二阶矩阵除以一阶矩阵，继而得到激光雷达所测激光遥感图像对应高斯曲率强度的相应函数。

经由测量二值化所得图像的角点尺度，来得到各图像相应分享矩阵，并且借助尺度来一阶分解图像内部的像素点，最终获得激光雷达对应遥感序列，使融合处理遥感图像得以被有效实现。

4 实验验证

为了对笔者所设计基于激光遥感地理信息系统的合理性以及有效性加以验证，对此系统展开实验，着重展开相应测试以对笔者设计系统实际应用优劣势进行确定。进行测试时，重点借助ARCIMS系统，以其最终测试结果展开比对分析。此次实验总计邀请60人进行测试，继而评价ARCIMS系统以及笔者所设计的系统各自可靠性，着重测试系统自身总体操作的复杂程度、MTTF（系统平均不出现故障的时间）、MTBF（系统平均出现故障而失效的所用时间）以及MTTR（修复故障的平均时间）等。

经由分析可知，笔者所设计系统各项功能都比ARCIMS系统相应所得分数高，所有参与测试的人员均对笔者所设计系统有较高评价，其体验感相对良好，由此可见，笔者所设计系统有较强实用性。除此之外，通过计算得知，对笔者所设计系统进行10次测试，上述评价项分数均高于ARCIMS系统，这说明笔者所设计系统相比ARCIMS系统而言，所有性能都有优势。

为了对设计系统自身功能的响应时间进行验证，笔者进一步展开实验，分析使用人数不同时系统相应响应时间，当完成场景运行之后，借助LoadRunner对应Analy-sis来测试设计系统以及ARCMIS系统在GIS展开相应轨迹回放、操作与车辆定位等工作时间，随后分析这些响应时间，进而明确，当所设计系统使用人数增加的时候，所得到的时间会增加，而笔者设计系统有更高稳定性;最终发现，若使用人数约为100人，响应时间会在突然之间明显增加，这边说明此时该系统性能有所变化;ARCMIS系统自始至终都拥有较高响应时间的增幅，在增加使用人数时，增幅也会随之变大，由此可见，ARCMIS系统自身性能并不具备良好稳定性。

与此同时，经由对以上两大系统展开全面分析，当二者拥有不同的使用人数，对相应服务器内部资源运用状况加以了解可知，若使用系统的人数越来越多，系统内存占比、CPU的利用率（即两大系统各自处理机对应的队列长度）以及互联网的传输量等都会有程度各异的增多，而笔者设计系统相应CPU的最大利用率只有20.3%，ARCMIS系统最大CPU利用率却高达30%，这便表明，当笔者设计的系统工作的时候，并不会带动较多的其余程序一同工作，因此其拥有相对更快的工作速度;通过对两大系统各自互联网传输量进行分析得知，笔者设计系统相应传输的内容量将与系统自身使用成正比关系，同时当系统达到240的使用人数时，将得到最大传输量，与之相比，ARCMIS系统传输量上升的速度并不快，不能在第一时间将便捷信息提供给用户;对两大系统内存占比进行比对可知，笔者设计系统在工作时不会占据较大内存，这便能使系统保持长时间工作状态，同时拥有较快的工作速度，单ARCMIS系统在工作过程中，其内存占比将快速升高，极易使系统发生卡顿等问题[4]。

通过以上分析得知，笔者设计的系统应用效果更好。

结束语：总体而言，在笔者的系统设计思路当中，主要设计了管理数据、处理、场景控制以及网络传输等重要模块，并且在确保各大模块有效工作的基础上，确保地理信息系统具有可视化以及高效率等重要优势，最终保证该系统得以与社会实际发展需求更为相符。

参考文献

[1] 田方.基于激光光谱遥感图像处理的地理信息系统研究[J].粘接，2020，041（001）：81-85.

[2] 林沂，张萌丹，张立福，等.高光谱激光雷达谱位合一的角度效应分析[J].遥感技术与应用，2019，34（02）：225-231.

[3] 林国涛.基于遥感数据挖掘的智能地理信息系统设计[J].建筑工程技术与设计，2018，（021）：3519.

[4] 蔡栋.基于激光遥感的地理信息系统设计[J].激光杂志，2018，v.39;No.254（11）：187-190.