《地球信息科学的前沿与发展趋势》.doc

地球信息科学的前沿与发展趋势地球信息科学的前沿与发展趋势摘要：介绍地球空间科学的基本概念。从技术方面论述地球空间信息科学的进展及发展趋势，包括遥感技术、全球定位系统、地理信息系统及“3S”集成方面的进展和趋势。地球空间信息科学是90年代新兴的地球科学研究的前沿领域，是在信息科学和空间信息技术发展的支持下，以地球表层系统为研究对象，以地球系统科学、信息论、控制论、系统论和人工智能的基本理论为指导，运用多种空间信息技术和数字信息技术，来获取、存储、处理、分析、显示、表达和传输具有空间分布特征、时空尺度概念和空间定位含义的地球空间信息，以研究和揭示地球表层系统各组成部分之间的相互作用、时空特征和变化规律，为全球变化和区域可持续发展研究服务。如图1，给出了地球空间信息科学的发展态势。地球空间信息科学基础地球系统科学 地球信息科学理论方面以研究地球空间信息机理入手，从信息流的角地球空间信息科学度，探讨地球表层系统发生、 遥感信息科学，空间信息科学发展及其演化规律，从而实现资源、环境与社会的宏观调 地球信息系统科学控；技术方面，结合国内外 图1 地球信息科学发展态势“3S”技术的最新发展，解决发展过程中的若干重要理论问题和“3S”及集成技术应用过程中的一些共性的基本问题，以及若干“3S”集成应用系统的建立。从而实现地球空间信息科学理论体系的完善发展。本文主要从地球空间信息技术方面探讨地球空间信息科学的进展及发展趋势。1 遥感技术（RS） 1.1 空间分辨率显著提高随着卫星遥感的飞速发展与其技术的不断成熟，卫星遥感空间分辨率也不断提高，目前已经从15 cm到1 m；5 m；20 m；30 m；80 m；1 km，形成一个完整的系列。1.2 时间分辨率和辐射分辨率的提高近年来陆地卫星遥感的时间分辨率和辐射分辨率也有了明显的提高，如MODIS 每天可以获得白天和夜间两个时相，QuickBird的时间分辨率可以达到1 d2 d。ASTER在可见光和近红外波段的辐射分辨率达到了0.5 %，短波红外波段的辐射分辨率为0.5 %1.3 %，热红外波段的辐射分辨率达到0.3 K。1.3 成像光谱仪迅猛发展成像光谱仪是20世纪80年代发展起来的一种新型遥感器，它同时接收地物目标的影像和光谱信息，是一种“谱像合一”的遥感器。跟其它常用的遥感器相比，成像光谱仪获得的数据具有以下特点：（1）波段多。成像光谱仪虽然基本上属于多光谱扫描仪的范畴，但它的波段数目大大增加，一般在可见光和近红外光谱区间有几十甚至数百个波段；图像上每个像元的灰度值按照波长排列都可以得到一条影像波谱曲线，如果加上时间维，每个像元即可定义一个影像波谱曲面。（2）光谱分辨率高。成像光谱仪采样间隔一般为10 nm左右。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征，使得在光谱域内进行遥感定量分析和研究地物化学成分成为可能。（3）相邻波段的相关性高，数据冗余大。（4）空间分辨率高。目前实用的成像光谱仪图像空间分辨率一般为10 m左右，远高于MSS（80 m）、TM（30 m）、和SPOT/HRV的多波段图像（20 m），相当于SPOT/HRV的全色波段图像的空间分辨率。成像光谱仪兼有高光谱分辨率和高空间分辨率的优越性，具有诱人的应用前景。1.4 多传感器的有效集成为提高卫星的有效载荷，一颗卫星装备多种传感器，既有适合于小范围详细研究的高空间和高光谱分辨率、窄成像带的传感器，又有适合宏观快速监测的中低空间分辨率和光谱分辨率、宽成像带的传感器，二者综合服务于不同的需求目的。如美国的TERRA卫星上装载了下列五种对地观测器：（1）先进的空间热辐射发射辐射计（ASTER）；（2）云和地球辐射能量系统（CERES）；（3）多角度成像光谱辐射计（MISR）；（4）中分辨率成像光谱仪（MODIS）；（5）对流层污染探测装置（MOPITT）。1.5 遥感数据处理和分析方法发展近年来，各种对地观测卫星源源不断地提供不同空间分辨率、时间分辨率和波谱分辨率的遥感图像，造成多平台、多时相、多光谱和多分辨率遥感影像数据以惊人的数据量快速涌现，自然地引出了遥感数据有效处理和分析方法的研究。1.5.1 多源遥感影像融合技术多源遥感影像融合从内容上看，不仅包括多传感器、多时相和多频率的遥感影像，而且还包括其它平台上的空间数据资源。无论如何，融合方法通常与相应的数学理论结合在一起加以应用，目前使用的融合方法主要有：贝叶斯估计、Dempster-shafer法、聚类分析、神经网络、小波变换、HIS变换和主成分分析（又称K-L变换法）、乘积变换、专家系统、高通滤波和数学形态学等。目前多源遥感影像融合技术还未达到深入和应用阶段，需要进一步研究。1.5.2 多光谱数据处理就多光谱数据而言，数据处理从以往的专题制图发展到目前的弱信息提取。数据压缩存储和传输、专业软件的发展都有了令人鼓舞的一面。高光谱分辨率遥感信息分析处理方面，集中于光谱维上进行图像信息的展开和定量分析，其图像处理模式的关键技术有：（1）超多维光谱图像信息的显示，如图像立方体的生成；（2）光谱重建，即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依此实现成像光谱信息的图像光谱转换；（3）光谱编码；尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法；（4）基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法；（5）混合光谱分解模型（6）基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。1.6 微波遥感的发展与可见光-红外遥感相比，微波遥感起步较晚。微波遥感的发展可以追溯到20世纪50年代早期。1978 年美国发射的 Seasat 海洋卫星以及随后发射的航天飞机成像雷达计划（SIRshuttle imagingradar）、前苏联发射的Cosmos1870，标志着航天雷达遥感的开始。20世纪90年代以来，各国相继发射了一系列的星载雷达，如前苏联的Almaz-1、欧空局的ERS-1、日本的JERS-1以及加拿大的Radarsat 等，微波遥感得到了很大的发展，目前在轨工作的雷达卫星主要有欧空局的 ERS-1/2，ENVISAT-1和加拿大的Radarsat等。微波遥感数据获取较可见光红外遥感难，实际应用也不如可见光-红外遥感普遍，然而微波遥感技术具有其特殊的特点，如：微波能穿透云雾、雨雪，且不需要太阳的照射，具有全天候工作的能力；微波对地物有一定的穿透能力；微波能提供不同于可见光和红外遥感所能提供的某些信息；微波遥感的主动方式即雷达遥感不仅可以记录电磁波振幅信号，而且可以记录电磁波相位信息，由数次同侧观测得到的数据可以计算出针对地面上每一点的相位差，进而计算出这一点的高程，其精度可达几米；对地表粗糙度、地物几何形状、介电性质的敏感性、多波段多极化的散射特征等，已经成为遥感技术的研究热点，成为对地观测中十分重要的前沿领域。 由于微波遥感具有其独特的优越性，其在地质构造、找矿、海洋、海冰调查、土壤水分动态监测、洪涝灾害调查、干旱区找水、农、林、土地资源调查研究以及军事上等方面越来越显示出其十分广阔的应用前景。2 全球定位系统（GPS）2.1 GPS应用伴随着GPS星座系统的不断改善以及定位技术的不断完善，GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、易操作等特点得到了广泛应用，并且新的应用领域还在不断扩展，呈现出极其广阔的应用前景。在导航定位方面主要有以下几类应用：（1）各种等级的大地测量和控制测量、道路和各种线路放样、地壳形变测量板块运动监测、大坝和大型建筑物的形变测量等；（2）为运动载体提供导航，如船舶远洋导航、飞机航路选择和进场降落、汽车自主导航和城市智能交通等；（3）应用于授时较频，电力、通讯等网络的时间同步、准确时间频率的授入。近几年来，GPS还应用在以下几个方面：（1）对电离层的观测：通过测定电离层对GPS信号的延迟来确定单位体积内总自由电子含量（TEC），以建立全球的数字电离层模型；（2）GPS用于对流层监测；（3）GPS作为卫星测高的应用：利用空载GPS作为测高仪进行测高，它是利用海面或冰面所反射的GPS信号，求定海面或冰面地形、测定波浪形态、洋流速度和方向等；（4）GPS采用了微波中的L波段作为工作波段，而L波段正好是航天微波遥感所用的波段，目前已经开始利用GPS做一些遥感方面的工作，如GPS应用在气象学中观测水汽和气温等。2.2 GPS发展趋势2.2.1 不同的卫星定位系统融合和进行联合数据处理伴随着俄罗斯的GLONASS，欧洲的GALILEO，中国的北斗和日本的QZSS等卫星定位系统的建立，改进和完善。将不同的卫星定位系统融合和进行联合数据处理，将成为卫星定位研究领域迫切需要解决的问题。2.2.2 卫星定位系统与其他相关技术的融合目前测量数据获取手段中，GPS、RS、GIS最为常用，三种技术各有利弊，如何将三者有效地结合起来，实现定位高精度、高分辨率、以及属性表达之间的融合是一个卫星定位系统重要的发展方向。3 地理信息系统（GIS）地理信息系统经过30多年的发展，已经形成了一个独立的学科。国际GIS知名学者，美国加州大学（SB 分校）教授 Good Child 指出：GIS 的技术导引（Technology-driven）和应用导引(Application-driven)两大特点丝毫不影响GIS研究特性和逐步形成一门科学的作用。作为一个独立的学科，地理信息系统由理论、技术与应用三大部分构成。 参考文献:1陈军,邬伦.数字中国地理空间基础框架M.科学出版社,2003.22陈圣波,周云轩等.地球空间信息学概论M.吉林科学技术出版社,2000.123童庆禧.地球空间信息科学之刍议J.地理与地理信息科学,2003.7(4):134千怀遂,孙九林,钱乐祥.地球信息科学的前沿与发展趋势J.地理与地理信息科学,2004.3(2):235郑跃鹏,曾新平,蔡劲宏.近年遥感技术新进展及几点思考J.矿产与地质,2004.6(3):2692726王淑,王恒山,肖刚.多源遥感影像融合理论、技术和应用J.微型电脑应用,2005.21(12) : 147龚健雅.当代地理信息系统进展综述J.测绘与空间地理信息,2004.2(1):5118马荣华,黄杏元,蒲英霞.数字地球时代“3S”集成的发展J.地理科学进展.2002.20(1):89959赵文武,东野光亮等.“3S”技术集成及其应用研究进展J.山东农业大学学报.2001.32(2):1171235