1、地理国情监测多源数据整合与处理,李建松 教授武汉大学遥感信息工程学院Tel:13507138465Email:2014.5.21,内 容,一、地理国情监测的数据来源二、数据的获取与处理三、数据整合,一、地理国情监测的数据来源,地理国情监测可能的数据源：遥感（卫星、航空、低空、地面）、GPS、数字测图、无线传感网络、专业监测站网、地理统计调查、自发地理信息（VGI）等。,一、地理国情监测的数据来源,1、遥感遥感数据是指安装在航天器（如载人飞船、航天飞机和太空站）、卫星、飞机、低空无人飞行器（如无人飞机、飞艇、气球等）和地面移动测量系统（如车、船等）上的各类传感器获取的一种描述地表地物特性信息的数
2、据。,一、地理国情监测的数据来源,有两种类型：（1）使用光学传感器获取的是地物的影像数据，如SPOT、TM、Quick Bird、Worldview、Geo-eye影像数据等；（2）使用非成像传感器获取的是地物的物理观测数据，如地物波谱数据、大气观测数据、激光扫描数据等。,一、地理国情监测的数据来源,遥感数据除了可以用于测图外，大量用于地表地物的解译、信息提取和变化检测。由于遥感可以提供空间多分辨率、多辐射分辨率、多光谱分辨率、多时间分辨率、多空间范围、多数据记录格式等多尺度数据，因而可以广泛用于地理监测的各个领域。,一、地理国情监测的数据来源,卫星遥感数据遥感数据是按照地物电磁波谱反射、热辐
3、射、微波等特定谱段（通道或波段），数字记录其信号强度获取的。,轨道：几公里-36000公里,绿地（实线）、优良的沙质土壤（虚线）和水体（点划线）的理想反射波段是0.4-2.7微米，图中还说明了一些典型的遥感传感器使用的通道分辨率。,解译地表覆盖类型是地理监测最为基础的任务之一。地表覆盖数据是地理监测的基础数据。,一、地理国情监测的数据来源,主要类型： 反射遥感、热红外遥感和微波遥感航空遥感数据航空遥感数据多数用于生产正射影像图、数字高程模型和数字线划图.在变化监测方面，对大比例尺航空影像进行变化检测的方法较少。主要有两类，单幅影像匹配的变化检测方法，单像和双像立体测图相结合的城市地区变化检测方
4、法。,一、地理国情监测的数据来源,低空遥感数据低空遥感是有低空系统完成的，主要包括飞行平台、成像系统和数据处理软件三个部分。低空飞行平台主要有固定翼无人机、旋转翼无人机（无人直升机）、长航时无人机、无人飞艇和低空有人驾驶飞机等最为常用.,一、地理国情监测的数据来源,低空遥感以获取遥感数据灵活、航空摄影的成本相对较低、空间分辨率和时效性高等优点，广泛用于小范围测图、应急监测、灾害监测、电力巡线、突发事件处置等。,全球卫星导航数据卫星定位导航数据除了可以进行测图、为遥感数据的处理提供定位信息等应用外，广泛用于位置变化的监测目的。近些年来，在地表沉降、大坝自动化监测、陆海垂直运动监测、滑坡监测等方面
5、具有成功应用案例。在垂直位移变化监测中，主要是关注其高程的变化。这可以利用大地高的变化获取垂直位移分量来实现。,一、地理国情监测的数据来源,一、地理国情监测的数据来源,数字测图广义的数字测图包括：利用全站仪或其他测量仪器进行野外数字化测图；利用数字化仪对纸质地形图的数字化；利用航摄、遥感像片进行数字化测图等技术。利用上述技术将采集到的地形数据传输到计算机，由数字成图软件进行数据处理，经过编辑、图形处理，生成数字地形图。,一、地理国情监测的数据来源,无线传感器网络数据无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低
6、功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。是近年来发展的一种实时监测的新兴技术。通过传感器节点以协作的方式进行实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理、取终等传送到需要这些信息的用户.,一、地理国情监测的数据来源,自动专业监测站网数据一些专业监测部门，如水文、气象、环境、海洋等，都建立了为数众多的自动监测或观测站，形成了不同专业数据自动获取的网络.,一、地理国情监测的数据来源,统计调查数据统计调查是根据调查的目的与要求，运用科学的调查方法，有计划、有组织地
7、搜集数据信息资料的统计工作过程。统计调查数据是指通过普查、抽样、统计等方法获取的非空间报表数据，如人口普查数据、社会经济数据等。这类数据通过空间化处理，除了分析传统的统计特性外，还可以分析其空间特性。,一、地理国情监测的数据来源,自发地理信息（VGI） 由公众提供的地理信息。在地理监测活动中，对公众拥有的关于自然地理和人文方面的知识的重要性往往存在认识不足的问题。因此，需要一种技术和方法来收集监测区域人们所具有的地方知识，作为地理监测的一种数据来源。,二、数据的获取与处理,1、遥感数据的处理（1）辐射量校正；（2）几何校正；（3）影像的增强处理；（4）分割与镶嵌处理；（5）多源影像数据的融合处
8、理；（6）遥感影像的解译与制图处理。,二、数据的获取与处理,二、数据的获取与处理,航空遥感数据处理 在变化监测方面，对大比例尺航空影像进行变化检测的方法较少。主要有两类，单幅影像匹配的变化检测方法，单像和双像立体测图相结合的城市地区变化检测方法。,大比例尺的航空影像进行变化检测方法是，利用不同时期单幅影像匹配进行变化检测。（1）首先将用于变化检测的新影像相对于旧影像进行相对配准.（2）将旧影像与配准好的新影像进行影像匹配，寻找匹配不好的影像窗口，认为该窗口内可能发生了变化，作为待选的变化区域.,（3）再利用数学形态学方法把相邻的待选的变化区域进行合并，并去除一些小的孤立的区域.（4）对待选的变
9、化区域进行边缘检测，并提取边界线。（5）基于提取的边界特征，对待选的变化区域进行比较，确定变化了的区域.,由于灰度的变化不能反映高度上的变化，所以利用单幅影像变化检测方法不能反映高度上的变化情况。对城市变化检测来讲，有时还需要检测建筑物的高度变化信息。可以采用单像和立体测图的方法进行检测。根据不同时期的影像生成数字表面模型（DSM），再用两个时期的DSM差值，检测城市地区的高度变化，即根据立体像测量进行的城市地区的变化检测，同时结合单片匹配方法来进行城市变化的检测。,低空遥感数据的处理 对无人机航飞获取的影像数据，经过航线整理，快速拼接处理，光束法平差，可以产生DEM、DOM、DSM和DLG数
10、据产品。,GPS监测数据处理在沉降监测中，主要是关注高程分量的精度。而影响高程分量精度的因素很多，比如，整周模糊度解的精度高低、卫星轨道误差、多路径效应的影响、电离层延迟、固体潮的影响、天线的相位中心以及基准起算点的三维坐标精度和质量等，特别是对流层延迟的影响很重要，应进行相应的改正处理。,监测站网数据获取与处理一些自动气象站还可以监测湿度、总辐射、土壤湿度和温度、光合有效辐射、净辐射、紫外辐射、叶片湿度、土壤热通量、地下水位、大气压力、蒸发量、二氧化碳含量等参数。广泛用于常态化气象观测预报、应急气象灾害监测、种植试验小区小气候监测、野外生态站常规气象监测、水循环、热平衡、碳循环、区域墒情监测
11、、公园景区旅游适宜指数气象监测、公路气象监测、森林防火气象监测、大型仓储区小气候监测等。,环境监测站监测每点的SO2、NOX、CO、O3、PM10、PM2.5等空气质量参数，风速、风向、大气压、环境温度、相对湿度、雨量、太阳辐射等气象参数，苯、甲苯、二甲苯、非甲烷经、硫化氢、氨、氯气等有毒有害气体的持续观测数据。,生态环境自动监测用于采集空气温度、相对湿度、风速、风向、气压、降雨量、总辐射、光合有效辐射、紫外光、红光/远红光、LUX、净辐射等参数，土壤水分、土壤温度、土壤电导（土壤盐分）传感器、空气CO2传感器等，以及用于监测灰霾、水质、地下水位、矿化度等传感器。,统计调查数据获取与处理统计调
12、查数据是非空间数据。当前，一些研究点模型的学者希望对其增加一个“空间维”。以便研究这些数据的空间特性。,（1）面域权重法面域权重法（area-weighting,AW）最早被使用是1960年代后期和1970年代初期。它只是一个响应（如作物产量）乘法，基于响应量在一个较大区域（假定是均匀的，或同质的）的比例。,（2）先插值后计算法先插值后计算法（interpolate then calculate，IC）涉及对所有驱动参数和变量的插值，在给定空间区域和给定空间分辨率条件下，通过在一些点上运行模型对整个地表景观进行模拟输出。,（3）先计算后插值法先计算后插值法（calculate then int
13、erpolate，CI）是最近日益普遍使用的方法。Stein等(1991)介绍了CI方法，并发现与IC方法相比更好。,三、数据整合,1、尺度转换2、数据转换3、信息资源整合,1、地理数据尺度转换技术,尺度问题在地理学、生态学和水文科学等众多领域都具有非常重要的地位。 解决地理数据的尺度转换问题成为目前地理信息科学及相关研究中的热点和难点问题之一。 在地理信息科学领域，“尺度转换”和“最适合尺度选择”问题一直是研究人员关注的热点问题；由于地理信息科学对计算单元的严格要求，Goodchild认为尺度是地理信息科学中最重要的问题，甚至提出“尺度科学”的概念。,1、地理数据尺度转换技术,随着地理信息源
14、的增加，针对不同来源的地理信息数据，如何广泛利用，产生了尺度选择和尺度转换的问题。 如：在自然灾害灾情空问预报、环境流行病学以及土地利用与土地覆被变化等众多人文与自然综合研究的领域，由于数据来源的不同，尤其是这些数据依附的空间单元尺度的不同，使得数据融合成为难题。,1、地理数据尺度转换技术,尺度指的是经历时间的长短或在空间上涵盖范围的大小，即通常所指尺度有时间和空间两方面的含义。Thompson早在1917年就指出，“尺度的影响，不仅仅是尺度本身，而是与其周围的环境紧密联系”。,1、地理数据尺度转换技术,尺度在不同的学科领域，有不同的含义。,1、地理数据尺度转换技术,尺度转换是将数据或信息从一
15、个尺度转换到另一个尺度的过程，可以是向上尺度转换，也可以是向下尺度转换。 可以这样定义上述的两种尺度转换： 从较小尺度观测结果获得较大尺度信息的向上尺度转换过程称为尺度扩展； 从大尺度上的信息分解到更小的尺度向下尺度转换的过程称为尺度收缩。,1、地理数据尺度转换技术,尺度转换的应用：尺度问题是目前地图学研究中难点和热点问题之一。制图综合是其中非常重要的一个焦点问题。毋河海教授在讨论地图综合的基础理论问题和技术方法问题时，认为地图综合过程的综合算子可以归为两类：信息变换类和图形再现类。,1、地理数据尺度转换技术,陈军教授讨论了应用Voronoi图理论改善空问地图数据概括问题，认为Voronoi图
16、在制图综合中应用大致可归纳为：基于凸壳的综合、基于骨架线的综合、基于邻域的综合等三个方面。由于数字地图综合问题未能取得突破性进展，有学者指出解决多重表达和协同更新问题是目前解决地理空间框架数据的多尺度问题的重要手段。,1、地理数据尺度转换技术,多比例尺问题是地图学研究中和尺度有关的另外一个重要领域。多比例尺问题即无级比例尺空间数据压缩与复现。对于矢量数据多比例尺的数据组织与表示方法主要有三种： （1）建立同一数据库的多个比例尺版本； （2）用面向对象方法、语义数据模型等技术来支持空间数据的多级表达； （3）通过地图自动综合来自动生成同一数据库的多个版本。,1、地理数据尺度转换技术,尹连旺等根据
17、地理要素的空间属性特征和重要程度，提出了复合指数开方根模型，试图解决不同地理环境条件、不同地物要素信息综合的问题。李德仁院士等提出以空间信息多级网格为基础的解决全球地理信息多尺度表示和数据组织问题的新思想。,1、地理数据尺度转换技术,遥感图像处理研究中，尺度问题同样非常重要。遥感中的尺度问题主要体现在三个方面： （1）遥感信息和遥感模型的尺度效应问题； （2）选取合适空间分辨率的遥感数据； （3）遥感信息的尺度转换问题。,1、地理数据尺度转换技术,Woodcock和Strahlerts，研究了尺度因子与遥感分类精度的关系，推动了遥感信息的尺度效应问题研究；在遥感信息的尺度转换方法研究中，Xia
18、认为傅立叶变换(fourier transform)、变异函数 (variograms)、小波理论和分形理论是主要的描述和处理尺度变换的方法，并详细介绍了分形理论在尺度转换的应用。其后，分形理论在遥感图像尺度转换中的研究不断深入。,1、地理数据尺度转换技术,20世纪80年代发展起来的小波理论和方法和基于粗神经网络的多传感器数据融合也在遥感数据的尺度研究领域也表现出一定的优势。,1、地理数据尺度转换技术,地理信息科学中，社会经济数据和自然环境数据常常具有不同的地理单元，即“可变更面元”问题(MAUP)。处理此问题的根本即空间单元转换问题。可以描述为“地理空间单元间属性数据的转换过程”。MAUP可
19、以理解为“由于对连续的地理现象的空间单元的人为划分，并在此基础上产生的人为的空间格局。,MAUP主要研究聚集(aggregation)，而对于拆分(disaggregation)研究较少。聚集主要解决属性数据从小区域向大区域转换问题，与前述尺度扩展（upscaling)含义相同。拆分则指从较大区域向较小区域的数据转换，与前述尺度收缩(downscaling)对应，或是不同边界区域间数据转换。,2、数据转换,因GIS软件所定义的数据模型和数据结构不同的原因，造成不同的地理空间数据格式之间存在不兼容性问题，即不同的GIS软件所支持的数据存储格式不能直接相互利用。需经过格式转换才能相互被对方使用，空
20、间数据互操作是指两个GIS之间，不同的数据格式可以相互转换和相互利用的操作。空间数据互操作是数据共享服务的基础。在数据格式转换方面，一些软件，如FME和ArcGIS，支持数十种数据格式的互操作。,2、数据转换,数据转换的过程是，首先从输入数据文件提取转换的数据元素，进行数据转换（重新定义数据元素），将转换的数据写入输出数据文件。数据转换是复杂的，包括对数据翻译的处理。你可以根据自定义的一些规则，重新定义将将输入数据写入到输出数据的数据格式。可以定义两种数据格式之间的映射关系，这种转换称之为语义数据转换。,2、数据转换,数据格式转换的内容包括三个方面的内容：（1）空间定位信息，即几何数据，主要是
21、对象的位置和形状数据。（2）空间关系信息，几何实体之间的拓扑、几何关系和一般关系数据。（3）属性信息，几何实体的属性数据。,2、数据转换,内部数据源的格式转换，一般都能实现完全转换，但对外部数据源，在进行空间数据格式转换时，可能遇到以下问题而转失败，从而产生信息丢失或损失。,2、数据转换,（1）两种数据格式因定义的数据模型差别很大，特别是对象和特征定义存在较大差别，造成待转换对象不能一一对应，数据翻译失败，不能产生新的有效对象。如一些软件使用函数定义特征形状，其他软件不支持这些定义。一些软件定义的注记类，不能转换为另一些软件的注记类，当作特征数据转换，从而产生一些无效的数据。（2）几何对象之间
22、的空间关系定义不同。一些软件支持的空间关系，如拓扑关系不一致，造成关系信息丢失，转换后还需要重新建立拓扑关系。（3）一般来讲，属性数据都是按照关系数据库的表存储的，属性转换多数情况下可以成功转换。但当数据分类定义不一致时，会产生语义差别，进而会影响数据的位置和关系。从而造成转换后的空间数据虽然格式一致，但空间语义具有差别，为数据的综合分析造成困难。,2、数据转换,数据格式转换主要有三种方式：（1）通过外部数据交换文件进行。,使用商业GIS工具软件提供格式转换软件，可以很方便实现系统之间的数据格式转换。,2、数据转换,（2）通过标准空间数据文件转换,在系统之间进行数据格式转换的另一种解决方案是，
23、定义标准的空间数据交换文件标准，每个GIS软件都按这个标准提供外部交换格式，并且提供读入标准格式的软件。,2、数据转换,（3）通过标准的API函数进行转换,上述两种方式都是经过文件实现的数据转换方式。如果GIS软件都提供直接读取对方存储格式的API函数，则系统之间的转换只需一次转换即可完成。空间数据的转换在网络应用环境是费时的。它直接影响了数据库之间的互操作效率。为此，OpenGIS协会要求每个GIS软件应该提供一套标准的API函数，其它软件可以利用这些函数直接读取对方系统的内部数据。,3、信息资源整合,在地理国情监测方面，最关键的一个问题是如何将各部门、各行业、各领域、各地域的地理信息最大限
24、度地进行整合、集成与利用，并通过公共共享服务平台，提供快速、系统和简便的信息服务，实现信息共享、科学管理与决策、工作效率的跨越式发展。信息资源整合是打破“部门信息壁垒”，实现信息资源有效利用的重要保证。,3、信息资源整合,信息资源整合涉及一系列关键技术的开发和利用，主要包括：,3、信息资源整合,（1）统一的信息分类与编码与数据库改在技术。我国目前各行各业为自身信息化的需要，产生了不同的行业或部门信息分类与编码标准，这为信息共享产生了技术壁垒。应统一这些分类与编码标准，并对已经建设的数据库进行改在。（2）多源空间数据的标准化与一致化改造技术。这主要涉及多源数据的融合、地理参考系统的转换、各种数据
25、格式的转换、数据库的重组等。,3、信息资源整合,（3）社会经济统计数据和台站观测数据的空间化技术。主要涉及社会经济统计数据的地理编码处理、台站观测数据的连续空间化模型建模、多维空间数据的插值算法等。（4）基于网络的空间信息智能表达方法。主要包括空间信息的多维动态可视化方法、地理环境模拟和动态环境建模等。（5）大容量空间信息的压缩传输与空间索引方法。地理空间信息网络共享中，大容量地理空间数据在有限网络带宽下的传输是一个瓶颈问题。应研究解决矢量和影像数据的压缩和解压缩方法、空间数据的索引方法、空间数据服务节点的索引方法等。（6）空间信息管理、操作、查询与分析技术。网络环境下的地理信息应用依赖强大的
26、地理信息管理、处理和分析的功能服务，需要研究开发相应的软件和接口。主要包括空间数据处理与分析的API和空间的开发、共享管理系统的开发等。,3、信息资源整合,空间数据互操作是不同计算机系统、网络、操作系统和应用程序一起工作并共享信息的能力。公认的互操作性观点是，当独立的桌面程序和数据集不能满足实际应用要求时，地理空间数据的用户和数据提供者必须形成一个有关不同数据源和分布式计算资源的新的对象集合，并包括以下几个方面的内容和要求：,3、信息资源整合,（1）数据的提供者必须向潜在的用户保证所提供的数据是容易访问和理解的；（2）数据用户必须能够对相关信息进行鉴别和归类，并知道哪些数据集和工作密切相关；（3）必须可以明确地表述各分布式站点的数据查询，并且在执行数据库服务器和应用客户端之间的操作时，能以一种有意义的方式进行；（4）来自一个数据源的数据必须具备和其它数据源的数据进行集成的能力，而且这种集成能以结构或者语义的方式进行；（5）数据的显示和分析功能必须与特定的地理数据模型相联系。,谢谢！,
