第1章空间信息技术应用总论
空间信息技术是在定量化的二维或三维空间中描述自然现象，以及各种物件存在、模拟其演化过程并分析其发生发展规律的技术。任何客观存在的物件以及自然现象都在时空系统中有其时空坐标，它们的演化在时空系统中有其时空轨迹或规律。精确获取这些时空坐标、掌握它们的时空轨迹，在可能条件下预测其发展，是研究自然现象、社会现象的核心内容之一，而研究这些现象都需要空间信息技术的支持。由此可以看出，空间信息技术具有极其广泛的应用范围，几乎覆盖了所有的自然科学领域以及一部分社会科学领域，成为这些领域的一个重要研究手段及工具。
空间信息技术应用是一个跨学科的极其广阔、丰富并且还在不断发展的知识领域。作为《空间信息技术原理及其应用》的下册——应用篇的开始，这里需要回顾本书上册叙述的内容，归纳与总结现代空间信息技术所提供的基本功能，补充必要、常用的相应知识，特别是对于应用方法论做出较系统的论述，为全书叙述该项技术在各个领域的应用做出必要的铺垫。由于空间信息技术内容非常丰富、技术体系相互交叉、技术功能发展又很快，将所有内容涵盖是不可能的，这里只能简要介绍一个初步的技术内容体系。
1.1空间信息技术基本功能分析
1.1.1空间信息技术基本功能
1. 空间信息自动采集技术
1） 影像数据
地面影像数据的采集主要由遥感技术完成。遥感采集影像数据主要通过卫星、飞机、无人机三种传感器载体摄影，使用的电磁波频道主要包括可见光（0.38~0.78μm)、近红外（0. 78～3μm）、中红外(3～8μm)、热红外(8～12μm)、微波(0. 3～100cm)；电磁波类型包括一般电磁波、激光(laser)；卫星遥感的四种分辨率分别是：空间分辨率，又分为高分辨率(0.2～5m)、中分辨率(10 --30m)、低分辨率(250～1000m)三种；光谱分辨率，在可见光至近红外范围内可达到8nm；辐射分辨率*高可达212量级(MODIS)；时间分辨率可达4景/d(NOAA)。
2)点位数据
地面离散点位数据的测量采集主要由全球定位系统( GPS)完成，传统的大地测量已经逐渐被GPS所取代。GPS是包括时间数据在内的三维空间数据测量系统，其测试水平坐标的精度可达20m，高程坐标的精度可达30m；差分式全球定位系统(DGPS)测试点位三维坐标的度可达1. 0mm；时间响应可在1秒以内，可将设备设置在飞机或汽车上测量作业；报时的误差可在±5.0×10_8 s/a以内。GPS或DGPS采集的点位数据可直接在软件支持下成图。
3)地图或遥感影像矢量化
在相应软件支持下，将纸质地图或遥感影像的空间数据自动矢量化，按照地形地物、土地覆盖类别、土地属性类别等空间信息按照点、线、面以及相应属性分层存储，生成数据库。
2．空间数据处理主要性能
空间信息通常用影像的像元数据和数字地图的点位坐标数据表现，因而空间数据处理分为影像数据处理和图形点位数据处理。
1)影像数据处理
空间信息技术对于遥感影像数据处理主要提供以下性能。
(1)辐射校正(radiation correction)，主要是对大气多种辐射效应的校正，包括传感器校正、地形辐射校正、地物反射率校正以及去云校正等。
(2)几何校正，主要是对大气以及地形、地表曲率、遥感平台姿态和航速航向变化带来的像元点位偏差进行校正。
(3)激光雷达(LIDAR)数据处理，激光雷达获取的点云数据，即孤立的三维点坐标数据，结合地面其他信息数据，经过相应的软件处理，可变为表现各个地物的三维数据。
(4)影像埔强(image enhancement)，对单幅黑白影像灰度进行拉伸变换，以求增大表达信息的反差，突出信息显示的层次。
(5)主成分分析(PCA)，又称K-I．变换，是将同一地区多幅不同波段或不同成像机制的遥感影像数据进行重新组合编制，将主要信息数据集中在前几个分量中，使用时可以舍弃后面几个分量，以达到减少数据冗余的目的。
(6)影像镶嵌(image mosaic)，主要是指对多景影像进行几何和色调配准，以求较协调一致地相互拼接，形成一整幅覆盖大面积地区的影像。
(7)影像数据融合(data fusion)，主要是指对一个地区多种来源的遥感影像数据，包括对成像机制不同的影像进行适当变换，生成一套影像数据提供使用，以求发挥各自遥感机制的技术优势，*大化地表达有效信息。
2)图形点位数据（坐标数据）处理
(1)几何校正。将数字地图中点、线、面各坐标点位批量、整体地校正到正确的点位数据上来。
(2)数据整理。将空间数据库中数据文件的冗余数据进行整理，压缩数据存储空间。
(3)离散样本点数据插值处理，包括一维线插值和二维面插值。将一维离散、断续的时间系列数据经插值，生成连续的时间系列变化曲线数据；或者将二维离散分布的点位属性信息数据经插值，生成连续的二维分布曲面数据，提供研究使用。
3)影像与图形数据的格式转换
(1)数据投影方式(projective mode)转换。这里包括影像数据和坐标数据的投影方式转换经纬度坐标与大地(X，Y)坐标的转换。
(2)影像数据格式转换。
(3)坐标数据中矢量格式数据与网格格式数据的相互转换。
(4)图形数据的格式转换，主要是指来自不同GIS平台数字化地图的数据进行格式转换，以求数据共享。
3．空间分析与信息挖掘的主要功能
(1)影像数据滤波(data filtering)。依据傅里叶信号分解(Fourier signal decomposi-tion)与变换理论，使用离散数据卷积(convolurion)计算对遥感影像数据进行解析，以提取某种影像信息，包括物件或地理现象的边界。
(2)图像分类(image classification)。其包括监督分类(superwsedclassification)与非监督分类( unsupervisedclassification)，分类结果用于地理现象以及地物的识别。这一方面的计算机遥感系统功能模块种类繁多，依据的技术原理多种多样，使用较多、较为普遍的分类方法有：面向对象(obj ect-oriented)的图像分类、*大似然法(method of maximumlikelihood)分类、支持向量机(SVM)分类、灰度直方图(grey level histogram)贫析聚类等。分类的结果可以用线划图形式表示，生成矢量格式数据，直接与地理信息系统衔接。
(3)遥感测量(RS survey)。其包括大面积自动测量地表的（包括水面）温度、湿度、山体坡度、水体含沙量、大气污染度、道路交通流量、地表植被生物量(biomass)分布，以及发现地面点状异常物件等。
(4)图谱(atlas)系列分析（参见本书7.4.3小节）。根据遥感时间序列图像(1imesequence image)，分析判断某种地理现象，如旱灾、沙尘暴等时空演化过程的信息。该种分析是在建立特征空间的基础上，使用遥感序列影像数据形成散点图，运用相应模型对散点图(scatter diagram)进行分析，从而挖掘地理现象演化信息。此外，还可以使用遥感多年长时间序列的影像数据，提取地物反射光谱特征数据，如NDVI，分析提取大面积、长时间的生态环境变化信息。
(5)变化信息提取。根据两景不同时相的遥感影像或一景遥感影像与另一时相的一幅数字地图，分析、提取土地利用或地理现象分布变化的信息，包括是否变化、从何种地类变为何种地类，统计变化面积。
(6)全球时空信息检索。使用全球定位系统酌便携式用户接收器，在任何地点、任何时刻都可以获取接收器所在位置的高精度点位数据，即地理坐标——经纬度或大地坐标(X，Y)数据，以及准确即刻时间。全球定位系统的用户接收器可以装置在汽车或飞机上进行连续点位测量，测量数据自动存储在数据库中，或连接在GIS平台输入端，自动显示在电子地图上或由GIS进行实时处理。
(7) GIS地理信息检索。使用GIS平台可实现图文互访，即在电子地图上任意指定一点，系统可给出该点的各种属性信息，包括地名、用地类型、权属状况、地理资源状况等；反过来，用户给出某个地名或某个需检索信息的线索，如医院、某土壤pH阈值(thresholdvalue)内的地块，系统立即检索出相应的地理位置。(8)数字地图编辑。用户操纵计算机鼠标相应设备，对显示在电子屏幕上的任意一个物件或地块进行修改、增删，包括三维的修改、编辑(见于参与式GIS——ParticipantGIS)。修改后的地图数据存人数据库。
(9)地形、地貌(morphology)分析。根据DEM数据或数字等高线数据，测算各点位坡度、坡向；划分河流流域、集水区边界；生成地图上指定直线或曲线的地表垂直剖面(vertical section)；分析地表（地貌）粗糙度(roughness)；测算土地平整土石方(cubicmeter of earth and stone)工程量；生成地形j维立体图(three dimensional stereogram)。
(10)缓冲区(buffer)分析。根据数字地图，对指定点、线或面状地物生成该地物周边闭合区域，这一闭合区域内任意一点与指定点、线、或面状地物的距离小于指定阈值，这个闭合区域就称为指定点、线或面状地物的缓冲区。GIS平台可以对缓冲区内覆盖的各地类地物检索分析其种类、面积等信息。
(11)路网(road network)分析。在显示交通道路网络的电子地图上用鼠标表明出行的起点与终点，系统自动分析出沿道路的*短路径，如果给出某种条件，如避免交通堵塞、时间*快，或安全性*优，系统还可给出*优路径。
(12)管网(pipe network)分析。根据自来水或天然气管网的管道直径、阀门布设及水或气的压力，分析水或气的流向。
(13)图形叠加(overlay)分析。根据同一地区两幅或更多幅数字地图，GIS平台系统支持进行地区多属性综合分析的功能，功能内容十分丰富，包括逻辑“与”，或称“交集”(AND)，即两种属性条件都满足的地区；逻辑“或”，或称“并集”(OR)，即两种属性条件只有一个满足即可的地区；逻辑“差”，即两幅时间不同而属性相同的地图，GIS平台系统分析出第一年有而第二年没有的地区（参见上册第10章）。
4．空间信息输出与信息服务
(1)地图制作。根据用户指令从空间数据库中调出某个图层或某几个图层的数据，自动绘制专业或综合地图。系统提供编制图例、在图面添加符号标注或文字注示、颜色标注等功能支持。
(2)生成电子地图光盘批量供应。
(3)计算机网络的图像、图形数据传输信息服务。
(4)三维实际地理场景显示，用户可以用计算机鼠标或以触摸方式对实际场景进行检索、修改和土地利用规划设计。
(5)空中或她面导航。在GPS的支持下，在飞机、汽车等移动载具(mobilc carricr)环境中提供导航等信息服务。
(6)模拟(simulation)实际三维场景，实现人机互动式(interactive)的信息服务，包括模拟飞行训练、车辆驾驶、运动教练、球类比赛，实现物件三维运行轨迹重现、物件运动跟踪等。1.1.2空间信息技术的特点
现代空间信息技术具有以下特点。
1．适时或实时获取宏观、中观以及微观空间信息数据的能力
遥感是从地球外空间快速获取广域空间地表信息数据的一种技术手段。它结合传统的测*以及地面调查可以适时( timing)或实时(real time)获取地表宏观、中观以及微观的窄间信息数据，包括地表
展开
