“3S”技术及其在林业上的应用与展望
引进和开发高技术项目是我国21 世纪林业行动计划中的重要内容, 是实现科技兴林、促进林业现代化、确保21 世纪林业战略目标实现的重要保证。“3S”技术作为我国“863”计划的高技术项目, 由于其具有快速、实时的空间信息获取与分析能力, 在全球变化研究、资源与环境动态监测、灾害监测与防治等国际关注的热点问题研究中越来越受到重视。森林作为生态系统的主体及林业产业的基础, 在改善环境、促进会可持续发展中起到越来越重要的作用。因此, 加强森林资源及环境的监测是社会发展对林业提出的迫切要求, 而传统的森林资源监测存在许多不足: 如数据更新困难,监测数据缺乏空间分布信息, 实时性差。“3S”技术的引进必将大大增强对森林资源及环境的监测能力。
1 “3S”技术的提出
遥感(RS)、地理信息系统(G IS) 和全球定位系统(GPS) 已走过了各自的独立发展阶段,在各技术取得成就的同时, 科学家和应用部门逐渐地认识到单独地运用其中的一种技术往往不能满足一些应用工程的需要。随着全球变化研究、资源与环境动态监测、灾害防治等国际关注的点问题的提出, 人们迫切希望能具有提供全方位的准实时或实时的地面观测信息的能力。然而, 传统的遥感技术体系已不能满足这一要求, 主要表现在以下几个方面:
1) 实时性差。传统的遥感数据(如TMSPO T 等) 由于其繁重的几何和光谱校正、计算机处理容量的局限及图象识别技术的不完善, 导致感数据从获取之时到实际应用有一个较长的滞后时间(一般数月到一年以上)。
2) 人工劳务介入量大, 实现大面积信息处理困难。目前遥感信息的技术处理流程为: 数据采集——图像几何光谱校正——目视或计算机辅助判读——成图——数据统计。在几何校正中, 以地——空定位方式为主, 即以地面控制点作为控制, 将图像校正到一定的坐标系统下。这一过程需要在地形图上人工选取大量的控制点, 以TM 为例, 一景TM 图像包含350 张1: 2. 5 万地形图, 可见选点的工作量之大。而且对无地形图的地区, 尚不能定位。其
二, 以目视判读为主的图像解译, 由于工作量大, 且准确性易受个人业务水平、工作态度、精神状态的影响, 数据标准难以统一, 难以进行大规模的信息处理。
3) 数据传输困难。由于缺乏良好的遥感数70 林业资源管理 1999 年 第3 期
① 西南林学院遥感与信息系统研究所 650224 昆明市据传输处理论和技术体系, 使得遥感数据从接收到应用部门受到空间的极大约束, 远离接收站的地区和部门无法及时快速得到它们需要的遥感数据。另外, 位于不同地区的信息处理中心由于时空的限制难以进行协同处理, 妨碍了对遥感信息的深入分析。随着国家信息高速公路的发展, 对这一问题的解决已显得十分迫切。
从以上简单分析可知, 遥感对地观测技术整体的“时效性”距全球变化研究及环境、资源、灾害动态监测的需求尚有一段距离。“3S”技术就是为了适应这一要求而产生的。
2 “3S”技术的基本原理
对以上存在的问题由于G IS 技术、GPS技术和现代通信技术的加入, 可望得到较好的解决。方法就是综合它们各自的优势, 在现代通讯技术的支持下, 将RS、G IS、GPS 三种独立技术领域中的有关部分有机地构成一个整体并形成新的综合技术, 以期达到实时空间定位、一体化数据管理, 语义或非语义信息的自动提取、数据实时通讯、多维信息快速复合分析处理的能力。这一新的技术体系就是现代热门的研究课题——“3S”技术。
2. 1 “3S”技术组成
2. 1. 1 遥感(RS) 技术
遥感是一种以物理手段(传感器、平台及信息获取与传输)、数学方法(包括计算机图像处理、地学计量分析、数理统计等) 和地学分析(指以地学规律为基础的地学处理过程) 为基础的综合探测技术。由于遥感信息具有综合、丰富、宏观、动态、快速、多源的特点, 为地球资源调查与开发、环境监测及全球研究提供了一种强有力的探测手段, 在林业中特别是森林资源监测与管理中获得了重要应用。
2. 1. 2 地理信息系统(G IS)
地理信息系统(G IS) 是在计算机软硬件支持下, 使描述客观世界的各种数据, 按其地理坐标或空间输入计算机, 并在其中存贮更新、查询检索、量测运算、分析处理、综合应用、显示制图和输出的一种技术系统。目前G IS已广泛应用于环境与资源的清查与管理、农业、林业、交通与通讯、城市规划、军事、灾害与灾情评估及全球变化研究等诸多领域, 并已形成庞大的技术产业。
2. 1. 3 全球定位系统(GPS)
GPS 全球定位系统是美国军方研制的第二代卫星导航系统, 它由高度为20200km , 分布在与赤道面夹角为55°的6 个轨道上, 约12小时绕地球一周共24 颗卫星组成。GPS 接收机通过接收空中几颗卫星发射的信号, 采用三角测量的原理确定出地球空间任意位置的精确空间坐标。
2. 1. 4 其它支持技术
“3S”技术是一项涉及多专业、多用户、多数据的难度极高的高技术, 它需要其他支持技术相配合。现代通信技术为“3S”技术实现实时信息获取与处理提供了技术保证; 专家系统和人工神经网络技术是“3S”技术实现信息处理高速、智能化的重要手段; 计算机网络技术可以快速有效地将数据传送到各用户, 为“3S”集成的深入研究提供条件。可以说没有现代通信技术和计算机技术的支持,“3S”集成是不可能实现的。
2. 2 “3S”一体化技术
2. 2. 1 “3S”技术的含义
“3S”技术是以RS、G IS、GPS 为基础, 将RS、G IS、GPS 三种独立技术领域中的有关部分与其它高技术领域(如网络技术、通讯技术等) 有机地构成一个整体而形成的一项新的综合技术[ 1 ]。它集信息获取、信息处理、信息应用于一身, 突出表现在信息获取与信息处理的高速实时与信息应用的高精度、可定量化方面。它的技术目标是: 实现快速、准时实以及实时遥感图像定位; 对多维的非均质数据进行快速复合处理, 并在以生物地学规律模型、社会经林业资源管理 1999 年 第3 期71济发展模型、决策模型、特殊专业模型等专家知识及推理功能的支持下作出综合分析, 提供决策支持, 快速输出应用结果。
在“3S”技术中, GPS 主要被应用于实时、快速地提供目标, 包括各种传感器和运载平台的空间位置; RS 用于实时地或准实时地提供目标及其环境的语义和非语义信息, 及时地对G IS 进行数据更新; G IS 则是对多种来源的时空数据进行综合处理, 在专家系统及各种专业模型支持下, 进行动态仿真, 模拟, 进行最优化决策, 作为“3S”技术集成的基础平台。为了实现“3S”技术的集成, 现代通讯技术和网络技术是“3S”技术集成的重要保证, 在其中起到粘合剂的作用, 没有它的支持,“3S”技术集成将成为简单的技术相加, 必然达不到“集成”的真正含义和目标。
2. 2. 2 实现“3S”技术要解决的技术环节为了实现“3S”技术的目标, 必须解决以下技术:
1) 实现遥感图像直接空—地定位。遥感图像定位是图像处理及应用的前提, 传统的遥感图像定位是依赖于地面控制点的选取和用一定的学方法(如多项式改正法) 实现图像定位, 由于人力介入量大, 地面控制选取困难, 使得遥感图像的定位花费时间长, 使遥感技术速度快、周期短的优点难以实现。由于有了GPS, 实现遥感图像直接空—地定位已成为现实, 其技术原理是, 由GPS 的动态定位功能对传感器的位置实时定位可达到1 次ö秒定位数据) , 并在IN S (惯性导航系统) 的配合下测出传感器的姿态参数, 有了全部外方位元素后, 即可通过相应的处理软件快速得到遥感图像各像素的位置坐标, 得到直接地学编码图像, 这一过程的实现可以是在线进行, 也可以采取后处理方式进行。
2) 多维信息复合分析。遥感对地观测已形成多层次(地面、航空、航天) 多星种、多传感器立体观测体系, 其数据的处理与应用能力已远远跟不上数据获取的速度。如何有效、充分地应用这些海量的数据, 使这些具有不同时相,不同分辨率, 不同比例尺, 不同投影方式的异质数据得到充分融合, 使其信息得到互为补充, 共同提高, 已成为实现“3S”技术的核心问题。为此, 必须研究“3S”数据的集成管理模式, 数据模型, 设计和发展相应的数据管理系统, 以实现图像、图形、属性及GPS 定位等的一体化管理, 为“3S”的集成处理和综合运用提供基础平台。
3) 遥感信息计算机自动提取技术。要实现“3S”技术目标, 系统必须具有大规模处理遥感信息的能力, 目前, 利用目视判读, 手工制图为主的技术手段, 已不可能发挥遥感快速、大面积覆盖的特点。为此, 必须深入进行有关理论和方法的研究。
4) 实时数据通讯与交换。实时数据通讯是“3S”技术集成中的一个关键问题, 例如, 在环境监测、灾害应急、自动导航中, 为实现GPS差分动态定位, 需要将地面固定站点的GPS测量数据实时传输到飞行平台, 或者将传感器数据和GPS 数据传到地面进行信息处理, 这一切都要求有现代通讯技术作为保证。另外,由于信息处理中心可能分布于不同的地理位置, 这就要求遥感信息能通过有线或无线方式快速送到处理中心, 使得不同地方的处理中心能够同时进行不同目的的处理, 为“3S”集成的深入研究提供条件。
以上就是“3S”整体集成系统涉及的技术环节, 具体应用时可视应用目的和集成方式不同而加以简化。
3 “3S”技术在我国的发展概况及存在问题我国十分重视对“3S”技术的研究, 从“六1 五”攻关计划以来, 一直都把遥感技术、G IS作为优先发展的技术, 863 国家高技术发展计划也把遥感技术及“3S”技术的发展列为重点加以资助, 并取得了一些重大科技成果, 成功地实现了一些实用的集成模式。
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3. 1 GPS 与RS 集成实现无地面控制点(GCP) 的直接空—地定位, 是实现“3S”集成的前提, 用GPSö IN S方法将传感器空间位置(Xs、Ys、Zs) 和姿态参数(5、X、K) 同步记录下来, 通过相应软件, 快速产生直接地学编码图象。成功的例子有武汉测绘科技大学完成的“星载GPS 接收机测定卫星传感器位置与姿态可行性研究”[ 5 ] 和“GPS 用于空中三角测量的试验研究”[ 5 ]; 中科院遥感所李树楷主持完成的“遥感图像对地定位研究”[ 6 ]等一系列重大成果, 从理论上和技术上实现了GPS 和RS 的高集成化结合,解决了“3S”技术的首要难题——遥感图像GCP 定位; 实现了“3S”技术中图像高速定位的目标, 为实现遥感信息的多维复合分析奠定了基础。目前, GPS 用于航空、航天进行无地面控制点空中三角测量已投入生产中, 提高了作业效率, 缩短周期一年以上, 节省外业工作量90% 以上、成本70% 左右[ 3 ]。
3. 2 GPS 与G IS 集成利用G IS 中的电子地图和GPS 接收机的实时差分定位技术, 可以组成GPS+ G IS 的各种电子导航系统, 通过固定站与移动目标(飞机、车船等) 之间两台GPS 伪距差分技术, 通过数据通讯, 可对移动目标进行监视或者构成自动导航, 无人驾驶等系统。这方面的集成在我国已成功应用于飞机自动导航, 如1996 年在云南建水实施的飞播造林已成功应用了这一系统, 在交通指挥上也有成功的应用[ 8 ]。
3. 3 G IS 与RS 集成
这是“3S”技术中难度最大, 也是反映“3S”技术集成程度高低的关键技术, 是目前“3S”技术集成中薄弱的一环。
目前, GPS 与RS 集成技术已实现遥感图像的高速定位。接下来的问题是将如何实现G IS 数据库的快速更新和在分析决策模型支持下, 快速完成多维、多元复合分析, 要解决这一难题, 必须解决非均质多尺度多时态空间数据的组织与管理, 实现遥感图像的语义和非语义信息自动提取, 这些工作就是G IS 或RS 集成的主要任务。在目前的技术水平下, 实现这些目标还有相当距离, 主要有两方面的原因:一是受卫星分辨率和识别技术所限, 遥感图像计算机识别的精度还不能满足更新大比例尺专题图的要求; 二是遥感图像与常用的地理信息系统的不同数据结构妨碍了数据间的传输和融合。
目前这方面的工作在我国已作了许多卓有成效的研究, 在图像识别方面, 已发展了基于纹理和结构的影像识别技术[ 9 ]; 专家系统、小波分析在图像分类识别中也取得了良好效果[ 10 ]; 近几年发展起来的人工神经网络方法随着硬件技术的突破, 遥感图像识别在快速、实时、精确、智能性方面显示出巨大的生命力。
3. 4 存在问题
目前“3S”技术在我国的发展虽取得了较大的成绩, 但还面临着许多技术和经费上的困难, 主要表现在:
——集成化水平低。许多所谓“3S”技术,实际是三种技术的简单相加, 是一种松散式的组合。
——“3S”集成的一体化数据管理尚未实现, 妨碍了多维数据的融合分析, 数据结构的改造势在必行, 方向是把矢量与栅格数据结构的优点结合起来。现在提出的线性四叉树的一元化数据结构、R 树结构等是一些良好尝试,但还有待于进一步研究。
——计算机遥感图像的识别分类技术还处于初级阶段, 离实用化还有相当距离。
——组织多学科协同攻关。“3S”集成系统涉及的知识面宽, 涉及学科众多, 不仅包括物理学、数学、无线电、计算机、光—机电一体化、测量、航空航天, 还包括大气、地质、地理、海洋、生态、环境等应用领域。因此, 如何组织多学科专家协同攻关成为“3S”技术集成成功的重要保证。林业资源管理 1999 年 第3 期73
4 “3S”技术在林业中的应用及展望
“3S”技术中, 作为单项的GPS、RS、G IS在林业中已各自取得辉煌的成就, 例如, GPS用于飞播造林辅助导航, 样地野外定位, 伐区测定边界和面积, 林业工程测量等, 取得良好的经济效益。RS 在我国林业中的应用更是令人瞩目,“三北”防护林遥感综合调查在两年时间查清了占全国60% 面积的“三北”地区森林、土地、草场等再生资源的数量, 并对“三北”的生态环境进行了评价[ 11 ]。使国家有关部门在短时间里掌握了如此大面积的资源状况及变化情况, 对人迹稀少、常规方法难以调查的地区, RS 更显其威力, 西藏自治区森林资源调查就是用遥感技术完成的。
G IS 的应用也由当初的简单查询和制图制表发展为森林经营管理的重要工具, 除了完成常规的数据管理功能外, 可方便地在空间属性数据基础上建立生长、预测、经营、决策等专业模式, 通过对各种经营过程进行模拟比较和评价, 选择出最优经营方案, 并通过与RS 的结合作出了许多区域性的森林资源、土地资源的动态化监测。
以上成果, 尚无“3S”集成的应用实例, 随着“3S”技术的日益成熟和实用化, 其具有实时或准实时获取信息、处理信息的能力, 必将给林业生产开拓一块崭新的天地。从“3S”技术的特点和林业生产的内容分析, 可以预见,
“3S”技术将对林业产生以下影响:
1) 改变以往的林业调查作业方式。由于“3S”技术能快速、实时地获取地面三维信息,省去了以往图像繁重的校正工作及手工作图的作业方式, 人工劳务介入量大大减少, 作业步骤变得简单, 周期缩短, 成本成倍降低, 整个过程将以自动化作业为主。
2) 对林火、病虫害等灾害事件监测能力大大增强。我国进行了机—星—地航空遥感试验, 已实现了侧视雷达扫描图像的实时数字传输, 保障了对灾害事件的全天候监测, 并快速地通过通讯卫星向远距离发送。
3) 快速编制各种林业专题图件。以往林业制图, 由于遥感数据定位困难, 人工劳务介入量大,地形图成了编制其它图件的基本图, 使得林业专题图的编制费时费力, 在一些无地形图的地区更是无法进行。利用“3S”技术可以不受时间、地域的影响, 利用其获取的直接地学编码图像, 直接输出包括地形在内的各种专业图件, 编制时间大大缩短, 精度也有了较高的保证。
4) 有利于建立现代的国家森林资源监测体系。随着我国经济发展及社会环境意识的增强, 传统的森林资源监测体系已不能完全适应社会经济可持续发展的需要。利用“3S”技术建立森林资源监测体系易于克服传统监测体系的缺陷, 做到: 1) 动态监测森林资源的空间分布信息; 2) 不仅对国家及大区域的森林资源进行宏观监测还能对局部微观区域的森林资源变化进行监测; 3) 在监测内容上, 不仅对森林资源数量进行监测, 更能加强对生态环境信息的动态监测; 4) 在数据更新方面, 利用“3S”技术的实时或准实时功能, 能更好地完成监测体系的数据更新。目前, 美国已开发成功应用于森林资源调查的“3S”技术, 加拿大、日本、印度等国, 在大约25 分钟内可以利用前一天接收的M SS 和TM 卫星遥感数据, 按统一的指标体系和图例, 输出整幅的1: 20 万或1: 50万土地利用ö土地覆盖图。可以预见, 利用“3S”技术建立的森林资源监测体系, 将能更有效地为国民经济发展和生态环境建设服务。
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