国土资源行业“3S”技术集成研究及实用技术体系构建

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更多发布于：2007-08-27 17:30

1 前言 自20世纪70年代全球第一颗地球资源卫星发射以来，对地观测技术取得了长足进展，目前已进入商业高分辨率卫星遥感时代。GPS定位精度的不断改善，大大提高了外业测量的精度和效率。随着遥感、GPS等空间数据获取技术的进步，空间数据不断积累，推动了基于GIS的空间数据管理与应用服务技术的发展。目前，全球定位系统(GPS)、遥感技术(RS)和地理信息系统(GIS) 已成为人们对地球进行科学研究的重要技术手段(江绵康，2003)。GPS、RS和GIS技术一体化集成正向着快速、精确、实用和深入的方向发展(施益强等，2002)。近年来，“3S”技术在资源与环境监测领域应用技术方法方面，开展了大量的试验研究和技术方法探讨(王静等，2002)。 国土资源信息具有数据海量、结构复杂、来源多、全覆盖、空间分布和动态变化性强的特点，国土资源信息化的全面发展需要研究并构建基于大型“3S”的国土资源空间信息获取、整合加工处理、科学化管理和有效服务的实用技术体系，为国土资源调查评价、政务管理和服务主流程信息化提供关键技术支撑，并为相关行业的“3S”技术应用提供有益的借鉴。 2 总体技术框架 2．1 总体技术构成 本技术体系的总体框架是，以国土资源电子政务有效运行为目的，集“3S”技术于一体，形成从数据采集、数据更新、数据管理、数据交换到数据应用的一套技术流程。在总体技术框架中，遥感数据处理和数据应用用于解决土地利用大面积数据快速更新的问题；GPS技术用于解决土地利用日常变更的野外数据采集，以保证土地利用数据的现势性；GIS技术用于对土地利用等空间数据的管理、数据交换与共享，以及为国土资源电子政务提供数据服务。三者之间构成一个从中间数据的获取与处理到数据的管理与应用的完整技术体系。总体技术构成如图1所示。
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 2．2 技术体系构建的总体思路 围绕总体技术框架，构建技术体系，基本思路是：第—，开展关键技术研究，并集成各关键技术；第二，在关键技术研究的基础上，开发应用软件；第三，通过应用软件集成开展应用示范研究，完善软件系统，达到产品化实用程度，并形成“整装”技术体系。 3 基于“3S”的关键技术研究和开发 根据上述总体技术框架，针对国土资源信息数据量大、信息来源多、空间分布和动态变化性强的特点，重点需要解决基于GPS／GIS进行土地利用日常动态变更调查信息的采集和处理、遥感数据大面积快速获取更新土地利用变化信息、网络环境下分布异构的国土资源空间数据存储、更新和交换机制等关键技术。为下一步国土资源实用技术体系的构建，开发业务应用系统提供技术保障。 3．1 基于GPS／GIS的土地变更调查信息的采集、处理
 利用GPS技术可以完成控制点坐标和变更图斑坐标的实时采集。然而如何将GIS与GPS、PDA结合起来，构建一个基于GIS数据导航、GPS数据采集、PDA数据存储的小型、简便的数据获取与处理系统，面向基层国土资源管理人员，适合野外作业，能够实时完成数据采集、动态更新等功能的土地调查野外采集系统是当前土地调查、国土资源监管迫切需要的。基于GPS—PDA的土地变更调查信息系统需要解决以下关键技术。 (1)载波相位差分GPS定位模型 由于土地利用变更调查对实时性要求不高，因此建立GPS事后差分解算模型，通过对两测站的载波相位观测值进行差分处理，最终获得的测站三维坐标能够达到厘米级精度，满足了土地利用变史调查对于定位的要求。
(2)周跳探测与修复技术研究 判断由于卫星信号失锁，计数器累计发生中断而产生的周跳并恢复正确的记数是GPS数据处理中的一项很重要的工作。在本研究中，采用高次差或多项式拟合法来解决对探测大于3周的周跳进行探测和修复，同时采用星际差分法对小周跳(小3周的周跳)进行周跳探测与修复，以获得较高精度的观测值。 (3)PDA／GIS的体系结构研究与设计
 利用Windows CE开发外业采集系统和内业处理系统，即PDA—GIS和PC—GIS。目前主要用于县级土地利用调查，对象主要是一些现有农用土地图斑面积的测量及土地使用情况的调查，如地类、权属等，具有较强的针对性。开发的PDA—GIS用于野外土地变更调查各类地物要素点、线、面的数据采集和相应的属性录入。野外采集完成后，利用PC—GIS系统进行数据回放传输，并已集成了基线解算、GPS事后RTK数据处理、基于GIS的土地图斑属性编辑、图斑面积计算等软件，且在自主开发的GIS平台上能轻松实现土地详查外业数据(及属性)的添加、编辑和删除，并能实现图斑面积的自动计算。PDA／GIS需要考虑在达到亚米的定位精度和2％以内的图斑面积测定精度的基本条件下，尽量要求体积小、质量轻、携带方便、连续工作时间长，简单易操作。 (4)基于GPS／GIS的外业调查系统设计与开发 在WindowCE操作系统下，利用VC语言，开发相应的土地变更调查软件。实现野外图斑变更点坐标采集、数据更新编辑、图斑信息查询、GPS坐标差分等功能。 外业调查系统测量精度在1m以内，比传统的人工变更调查精度提高了2～4倍。另外，利用GIS技术进行空间分析、综合、提取和修改，极大地缩短了成图周期，减少了工作量，降低了野外作业成本。同时，GPS测量数据和遥感数据都是以数字方式存储，可以直接输入GIS系统成图，避免了传统方法中多次转绘、清绘带来的误差，提高了成图精度。因此，基于GPS／GIS技术进行土地变更调查，不仅提高了数据获取的精度，而且大大地提高了工作效率，是今后县级土地利用调查信息采集和处理的主要手段。 3．2 基于遥感数据的土地利用变化信息快速更新 利用现有土地利用与遥感数据，建立基于多时相遥感数据和单时相遥感数据的土地利用现状数据库更新技术方法和可推广应用的工艺流程，重点是实现具有一定自动化程度的土地利用变化信息自动检测与提取。 以距离最小规则、贝叶斯法则、多重判据法则、决策树判别模型为判别规则，对土地利用变化信息进行自动判别。当具备更新期的遥感影像和已有的土地利用图件时，提出基于土地利用图斑单元的知识库变化信息自动发现方法，流程图见图2。具体做法是，将土地利用图件与遥感影像叠加，就容易判别新期影像上以前期图斑单元为单位未发生变化的完整土地利用区域和具体类别。以前期图斑单元为单位，在土地利用图斑单元内训练各类别的样本，建立以统计信息为主体的各类型土地利用遥感信息知识库。然后以土地利用图斑单元或以像素为单位，以其所在土地利用类别信息为参考，在影像上计算相应统计特征值，结合层次决策法，与知识库中固有类别的遥感数据类别知识相比较，自动检测出变化与未发生变化的位置和区域，并通过与知识库中各类别知识的匹配确定并标识出具体的变化类别。另外对于跨图斑单元的检测和识别，采用影像分割技术将其分割为均—的两个图斑单元，以分割的图斑单元为单位进行特征计算，按照上述相同方法进行变化检测和类别识别。图3为利用最小距离规则进行自动检测的结果。
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 3．3 基于网络、数据库和GIS技术的国土资源空间数据管理与信息交换体系研究 (1)国土资源信息管理的多级服务器组建技术 结合国土资源信息种类多，数据量大，数据生产、更新单位基本上在县(市)级，而使用则遍布国家级、省部级、地市级和县市级，以及不同行政级别对国土信息数据的管理和利用一般不会超过其行政辖区范围等特点，对国土资源信息数据管理采取分专题建库，分级管理和应用，呈倒树状的多级服务器体系结构。将一级服务器建立在县(区)级行政管理部门，二级服务器建立在地级行政管理部门，三级服务器建立在省级行政管理部门，四级服务器建立在国家行政土管部门。每一级服务器的空间数据库都可作为信息服务数据库的数据来源，下级服务器自动更新上级服务器数据，同级服务器之间的地理空间范围互不重叠，同一种专题的多级服务器统一按行政边界或标准图幅划分地理空间范围。采用多级服务器组建技术体系，围绕数据中心服务器，数据管理和应用的局域网为C／S结构，发布信息的Web服务器是中心服务器的一个客户端，Web服务器和浏览器均为 B／S结构。 (2)国土资源信息空间数据存贮与远程调用技术研究
 建立网络空间数据库是实现空间数据分布式管理的核心基础。为了实现空间数据存取的设备无关性、位置无关性，基于MAPGIS平台，利用“空间数据库引擎”等技术，实现空间数据库管理。数据可以存放在网络服务器或Web服务器，也可以存放在本地。访问数据时可以不必关心数据的存放位置，用户可以像操作本地数据一样去操作网络数据。通过数据管理层向上提供相关接口，向下则通过数据转换程序对其他GIS系统实现数据交换，通过本地数据管理程序实现存取本地空间数据文件，通过空间数据库引擎存取网络数据，如图4所示。
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 另外，利用首创“空间相关最久未用”缓冲区淘汰算法，有效减少海量空间数据的调度次数，提高了空间数据的管理效率和处理速度。同时，还采用传输增量信息机制、MAPGIS空间数据库引擎的数据压缩和打包机制等技术实现网络传输量最小化，确保分布式空间信息在各级服务器间的布效传递和远程快速调用。 通过国土资源空间数据管理与信息交换体系关键技术研究，解决了多级数据中心和海量多类型空间数据有效存储和管理，实现网络环境下空间数据在横向和纵向上的运行机制以及大型网络GIS的数据存贮与远程调用。 3．4 基于GIS技术的国土资源信息应用系统研究 基于GIS软件平台，在土地利用数据库管理系统基础上，开发信息应用系统。 (1)系统技术框架 系统的基础数据源为大比例尺土地利用现状数据库、土地利用规划数据库、补充耕地数据库、地质灾害数据库和矿产资源储量数据库等基础信息。由国土资源交换体系为本级系统的运行提供数据源支持和软硬件环境支持，为上、下级的数据交换与共享提供数据交换与共享机制，最后通过国土资源部信息服务系统实现信息的社会发布。 (2)系统软件开发 系统采用免客户端安装的三层体系结构(图 5)。采用应用服务器技术，将表现逻辑与业务逻辑分开，表现逻辑在前端表现层程序中体现，表现层和业务逻辑层用DELPHI工具开发，业务逻辑通过中间件实现。系统开发了受理登记模块、审批管理模块、收费管理模块、查询统计模块、图形管理模块、系统维护模块、信息发布模块，建立了远程报批级交换体系及建设项目审批网上发布体系，实现了建没用地项目审批从材料接收到网上审批、发布整个流程的信息化。
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 系统借助于国土资源数据交换体系提供的数据共享机制，采用国产GIS软件平台的多数据源、海量空间数据管理技术，并在土地利用变化信息发现系统和基于GPS的野外调查系统提供的成果数据基础上，通过系统图形模块数据交换接口设置连接行各个土地利用数据的数据源，将申报项目图形数据存入SDE图形库，制作图形应用数据集，并将数据源连接、数据集等所有配置信息存入到建设用地项目属性数据库中提供用地审批内容辅助审查，综合实现建设用地审批管理业务主流程对多源、多类型和海量国土资源空间数据的远程调用、查询、综合分析。 (3)电子申报 电子申报通过对交换数据集、交换数据元数据、数据交换标准进行规定，在目前网络条件不完善的情况下主要采用非实时文件交换，有条件的省和部门通过国土资源交换体系进行实时交换。从而实现审批数据的电子报送与接收，完成下级国土资源部门向上级申报项目时项目专题数据的交换。 (4)信息发布 各级国土资源管理部门都需要向社会公开发布建设用地项目审批结果。因此，在确定信息发布的数据范围后，采用自动方式，由数据库端的触发器自动捕捉数据生成操作和修改操作，形成发布打包文件、更新发布日志，进行数据提取。内网交换系统用户根据发布日志检查将发布的内容，经确认无误后将需发布的打包文件移交给外网系统，外网网站交换系统把提取出来的数据转换成通用的标准化描述语言(XML文件)，通过接口模块读取XML文件在浏览器界面表现出来，实现审批结果信息发布。 4 总结与展望 4．1 总结 “3S”技术支持下的国土资源空间数据获取、加工及处理技术是当前信息技术在国土资源领域中前沿性的重要研究内容。针对国土资源信息数据海量、结构复杂、信息来源多、全覆盖、中间分布和动态变化性强的特点，解决了许多关键技术，研究了基于网络和空间数据管理技术的国土资源信息交换体系，完善了国土资源空间数据“3S”集成技术，初步建立了基于大型“3S”的国土资源空间信息获取、整合加工处理、科学化管理和有效服务的实用技术体系，研制了国土资源信息应用与服务的关键系统，取得了显著效果。 4. 2 展望 1)扩大GPS—PDA—GIS一体化土地利用变更测量与更新技术应用规模。实现全覆盖卜地利用基础数据更新；同时开展关键技术和软件产品的集成与整合，提高技术产品的易用性和稳定性，形成可满足大范围推广应用的技术流程和实用化软件产品。 2)国土资源信息交换技术多级服务器的应用今后需要在市、县中实现三级甚至四级服务器建设，进一步检验本技术的适用性，使之更加完善、成熟，更好地服务于国土资源信息化建没。 3)研制基于大型“3S”的国土资源信息应用与服务系列标准与规程，使国土资源信息获取、交换与应用技术流程更加规范化、标准化。 4)研究网络环境下分布式多级国土资源空间数据组织管理与交换技术，构建国土资源行业栅格。研究基于WEBGIS的国土资源空间信息服务技术，扩展现有信息应用服务系统及技术体系，增强国土资源信息服务产品加工能力。

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