测绘遥感信息工程国家重点试验室科技发展综述Word格式文档下载.docx
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Oracle数据库是目前世界上使用最为广泛的数据库管理系统之一,Oracle从10g版本开始推出GeoRaster实现了直接存储、索引、查询、分析和传送影像栅格数据的能力,OracleSpatial11g也开始增加三维数据类型表达的支持,为三维数据的管理提供了基础。
因此,采用Oracle11g数据库存储、管理大规模三维模型数据不仅具有非常大的潜力,而且易于解决数据共享、分布式处理、网络通信、开放式开发、并发控制、网络化集成、跨平台运行及数据安全恢复机制等方面的难题。
Oracle11g扩展了Oracle特有的网格计算提供能力。
Oracle数据库11g在以下几个方面包含大量新特性和功能增强:
(1)基础架构网格,包括可管理性、高可用性和高性能等功能;
(2)信息管理,包括内容管理、信息集成、安全性、信息生命周期管理以及数据仓库/商务智能等功能;
(3)Oracle11g提供了全新的LOB架构—SecurefilesBLOB,用于大幅度的提高性能、可管理性和简化应用的开发,相比原来的BasicBLOB,读取和写入效率都有了2-5倍的提高;
(4)增强了分区功能,提供了新的分区方法,增加了引用分区、间隔分区、虚拟列分区以及扩展的组合分区等增强功能支持无限的分区设计可能性,并提高了可管理性;
(5)提供了结果集缓存,能大大提高查询性能。
Oracle11g提供的这些新特性都可以应用在海量三维空间数据的管理中,为海量三维空间数据的管理提供更高效的存储解决方案。
基于Oracle11g进行大规模三维GIS数据的高效存储管理成为国内外研究与实践的热点前沿。
为了适应分布式传感器网络所获得的动态观测数据的实时接入与面向主题的主动加载应用,发展更高效的新一代地理空间数据库管理技术已经迫在眉睫。
MongoDB之类的开源数据库管理系统具有高性能文件系统、甚大规模数据管理、良好的实时插入/更新/查询功能、以及支持云应用等显著特点,正日益成为大家关注的焦点。
(二)基于空间信息公共服务平台的地学空间分析模型与方法研究
地学空间分析是地理空间信息应用的高级阶段,它通过各种数学模型从地理空间数据中发现隐含的、有用的空间信息、空间模式,揭示内在的空间机理,并进行地学知识的归纳、空间规则的推理和空间过程的模拟等。
地学空间分析是地球环境资源开发、利用和保护辅助决策的基本工具,亦是当前地理信息领域最具理论研究和实际应用研究价值的方向之一。
地理学对地理现象的描述和地学规律的揭示始终建立在地理空间数据和地理空间分析的基础上,早期的地理学者往往利用地图得到地理要素的空间位置、距离、范围、面积和形态等信息,将这些信息作为更高层次信息分析的基础(马荣华等,2007)。
随着地理信息科学和遥感科学技术的快速发展,地理空间数据量指数级增长,数据的存储、检索、处理和表达功能也日渐完善和强大,空间分析的任务不仅仅限于对地理数据的空间分布、空间形态和空间关系的精确分析,而是拓展到了从地理空间数据库中挖掘隐含的、新的、有用的空间特征信息,发现潜在的空间模式,揭示地理实物的空间机理,推理空间规则,模拟空间过程和发展趋势,归纳空间知识,为各种实际应用决策建立预测、评估模型等范畴(MillerandHan,2001和OSullivanandUnwin,2002)。
随着计算机网络与通信技术的迅猛发展,信息共享成为不同组织、不同部门、不同领域乃至不同个人之间信息交流的主要渠道,地理空间信息共享也成为地理信息科学技术与应用领域的关注焦点和研究热点(龚健雅和李德仁,2008)。
目前,地理空间信息共享服务还主要以空间数据的共享服务为主,包括元数据共享以及空间数据在线共享服务。
空间元数据共享主要通过发布元数据,让用户及时了解相关数据的元信息,并通过订购审批后,以网络下载或人工传递获取数据。
面向大众的空间数据在线共享服务模式目前已获得巨大成功,出现了一批支持空间信息在线共享服务的平台,如GoogleEarth、WorldWind、VirtualEarth、GoogleMap、51Ditu、Go2Map、MapABC等。
提供空间数据的共享服务只是地理空间信息共享的初级阶段和基本任务,随着地理空间科学的不断发展,解决每一个新的科学问题所需的地理空间信息量也越来越大,并且常常跨越不同的地理空间科学领域。
所以,一种能够跨越不同地理空间科学领域而且能促进分布地理空间信息共享的分析服务非常关键。
网络环境下可互操作的空间分析服务就是基于网络服务技术和相关标准提供通用的机制用于注册、管理、发布、搜索和组合地理空间信息分析服务。
国际上,目前网络环境下可互操作的空间分析研究已成为空间信息服务互操作的研究热点。
2000年,OGIS采用了扩展维数的九交叉模型(DE-9IM)导出空间关系算子,根据矩阵各元素的不同取值对应了512种不同的空间关系,为空间基本分析奠定了可互操作的模型基础。
2002年,OGC在网络服务参考框架和扩展维数的九交叉模型的基础上,发展和颁布了网络处理服务标准规范,为网络环境下可互操作的空间分析服务实现提供了基本的参考框架。
提出了分布式空间信息处理服务的概念(YangC.,WongDandetc,2005),并在Condor网格计算环境中进行了部署,在交通流量的预测服务中进行了应用。
2006-2007年,OGC计划OWS-4,OWS-5把地理信息处理服务链的建设作为其重要的测试计划,并演示了数据服务、处理服务之间的同异步服务(DiL.,ZhaoPandetc,2007)。
2008年,OGC的测试计划OWS-6(Yu,G.,L.Di,andetc,2008)即将把网格环境下的遥感图像处理服务、空间信息分析服务作为其核心任务,开展高性能的分析服务技术和试验研究。
在国内,网络环境下可互操作的空间分析研究相对滞后,但发展势头强劲。
武汉大学(张霞等,2004)提出了网络环境下的空间分析体系框架和基于JAVA和C++的混合实现模式,对空间分析中的一些简单算法网络化实现,做了一些探讨,具备了初步原型系统。
中科院(沈占锋等,2005)在基于网格的GIS中间件中探讨了空间分析实现,基于Globus基础平台,实现了一系列空间分析算法试验,并具备了网格环境下空间分析功能。
武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室(谢吉波,2006)把空间分析和网格计算技术成功运用于长江流域的河道信息提取,大大提高了水文分析效率。
中国地质大学(马维峰等,2008)提出了基于计算网格Alchemi的DEM空间分析,计算网格平台给出了模型系统的架构设计和层次设计,将系统划分为DEM分析服务器、计算网格节点和空间数据库服务器;
通过集中式空间数据库服务器和基于数据分解方法设计了系统并行算法。
武汉大学开发的开放式遥感数据处理与服务平台OpenRS-Cloud,利用廉价PC机群进行高性能遥感数据处理,主要提供任务并行化处理,Web监控,分布式存储,算法插件化和多语言接口等功能。
网络环境下的地学空间分析服务体系和实现在我国正处于起步阶段。
这方面武汉大学研发的相关地学计算平台较为典型,如武汉大学开发的地学计算平台GeoSquare,既能使社区用户注册、分享、查询并利用空间数据服务和空间处理服务,同时又提供了GeoChaining模块协助用户构思、构建、部署、执行及监督综合地理信息网络服务链。
武汉大学承担的“下一代互联网大规模遥感数据融合共享系统应用示范”项目IPv6Geoportal,具有空间信息的浏览、查询、下载等数据共享功能,以及遥感影像、空间统计分析等处理与分析服务功能,服务链的构建功能。
此外,武汉大学正在承担资三遥感云服务平台研制,将提供基于资源三号卫星影像的影像产品个性化在线定制服务,满足不同行业、不同专题的多元化、深层次影像产品和服务应用。
(三)内陆水体水色参数高精度遥感定量反演方法研究
内陆湖泊水质问题研究,不仅关系到湖泊流域的区域可持续发展,更是实现国民经济持续发展和国家稳定的战略需求。
卫星遥感定量获取光敏感水环境参数:
叶绿素、悬浮泥沙、CDOM、浑浊度等的能力,使其成为定量监测湖泊水质问题的重要手段。
卫星传感器技术的发展,内陆湖泊水体大气校正和参数反演问题的深入研究为有效提高湖泊水环境遥感定量监测能力起到了积极的推动作用。
针对高动态水体边界和光学特性复杂的鄱阳湖,开展考虑陆地邻近效应和底质反射的湖泊水色参数高精度遥感定量反演研究,主要涉及大气校正与参数反演两方面的内容:
1.大气校正与陆地邻近效应
由于大气的吸收、散射影响,水色卫星传感器接收到的信号只有5-15%是来自水体的反射率信息,其它部分主要是由于大气的影响所造成,因此,通过大气校正消除大气影响,进而得到水色参数的离水辐射率一直是水色遥感定量反演的首要任务。
其中,大气分子散射(瑞利散射)、气溶胶光学特性是影响大气校正效果的关键因素。
对于内陆水体,卫星传感器获取的总信号中,除了水体、大气信号外,还受邻近陆地信号的干扰,特别是水边界区域较强的陆地表面反射信号进入卫星传感器视场,对水色遥感的大气校正结果产生至关重要的影响。
从20世纪70年代开始,国内外专家学者已就邻近效应问题展开了相关探讨。
概括来说,当前邻近效应研究主要采用以下三种方法:
(1)基于辐射传输模型的经验公式法(BorelandSiegfried,1992;
TakashimaandMasuda,1996;
Richter,1997;
Vermote等,1997;
Liang等,2001;
LuandDuan,1999);
(2)点扩散函数(PointSpreadFunctioin,PSF)方法(徐希儒和王荣平,1999;
Bin,2000;
Huang等,2002;
PinillaandAriza,2002);
(3)同步地面实测数据辅助法(温奇等,2007;
陈雪等,2007;
王倩等,2010)。
大多数邻近效应研究都是针对陆地目标对影响因素的讨论,对于水色参数提取中陆地邻近效应影响的研究成果尚不多见。
对于高动态内陆湖泊,一方面,湖泊水体相对于周边陆地背景的信号强度较弱,邻近效应会导致更大的大气校正误差,影响水色参数遥感反演精度的提高。
另一方面,水陆边界的高动态增加了邻近背景信号的复杂性,使得水体目标邻近效应的研究更富挑战性。
另外,对于内陆湖泊水体,由于缺乏星机地一体化的联合实验,陆地邻近效应往往难于定量评价。
2.水色参数遥感反演算法与底质贡献
20世纪70年代初,LandSat-1成功发射不久,Klemas等(1974)就提出用MSS遥感数据定量计算水体悬浮泥沙含量的统计模型,从此开启了用遥感数据探测水环境参数的漫漫之路,传感器涉及近二十多种,包括NOAA/AVHRR(Myint等,2002),MODIS(Miller等,2004;
刘良明等,2006),SeaWiFS(Binding等,2005;
廖迎娣等,2005),METEOSATSEVIRI(Neukermans等,2009)和LandsatETM+(樊辉等,2007;
Wang等,2009)等。
水色参数遥感反演主要有三种模型:
理论模型(或分析模型)(如Moore等,1980;
Hoogenboom等,1998;
Dekker等,2001)、半理论半经验模型(或分析模型)(如Mishraetal,2004)和经验模型。
现行的业务化算法主要是经验模型,具有代表性的经验算法有线性关系式、对数关系式、Gordon关系式、负指数关系式、统一关系式、多波段关系式等(Mertes等,1993;
Tassan,1994;
Lira等,1997;
Mishra,2004;
陈晓玲等,2007;
刘茜、Rossiter,2008;
邬国锋等,2009;
vanderLee等,2009;
Griet等,2009)。
但是,由于经验模型具有很强的区域性和时效性,以少量实地观测为依据的经验算法无法实现对各季节湖区水环境参数的准确描述,导致不同的经验算法反演结果差异较大,不是湖泊水质长期监测的最佳方法。
基于水体光学辐射传输机理的理论模型,以水体固有光学特性与水色参数的内在联系为基础,构建水色参数与遥感反射率关系的精确表达,与经验/半经验模型相对,具有很好的理论基础和一定的普适性。
欧洲SALMAN计划项目测量了欧洲几个典型湖泊,建立其水质参数生物光学反演模型并尝试基于水体光学模型的水色参数反演(潘德炉和马荣华,2008)。
目前,我国基于水体光学模型的湖泊水色参数反演研究还处于起步阶段,一些学者在太湖、巢湖等浅水湖泊开展水体固有光学特性的观测(戴永宁等,2008;
孙德勇等,2008a;
2008b;
李云梅等,2006;
周冠华等,2008;
徐京萍等,2008)。
但是,由于不同湖泊水体组分的来源、成分、时空变化规律存在差异,对于我国湖泊固有光学特性的认识尚有待挖掘。
对于大多数浅水湖泊,除了水体固有光学特性,底质信号的贡献也是影响水体光辐射传输过程的重要因素,也是浅水湖泊水色参数遥感高精度反演中不可回避的问题。
1984年Kirk等提出离水辐射除包含来自水体的贡献外,也包含来自湖泊底质的贡献(Krik等,1984,StephaneMaritorena,1994)。
通常将水深小于2.5倍衰减距离或者水深小于3倍透明度的水体,定义为光学浅水(Mueller,1995;
Lodhi,2001)。
考虑光学浅水底质贡献的遥感反演研究主要经历了两个阶段,在早期的大部分工作中主要采用统计建模模拟(Ackleson等,1986;
Mobley等,1993;
T.Ohdea等,2010)。
当前针对光学浅水的研究,主要基于现场实测,对光学浅水区辐射传输方程的假设和边界条件进行限定,通过数值模拟建模实现对遥感模型的参数率定与建模。
Mobley等(1994),Lee等(1999)基于hydrolight软件的模拟和野外实测,对光学浅水区底质对遥感反射比的贡献程度的影响因素进行了分析,发展了光学浅水中恰在水面下遥感反射比的半分析模型,并在浅水海底地质探测等领域中得到应用(Lee等,1999;
施英妮等,2010;
Ma等,2008)。
2003年Mobley等通过对海草、不同土壤类型底质的观测分析,发现湖底底质的成分直接影响着由水底反射产生的向上辐亮度或辐照度,且在不同波段的影响各不相同(Mobley等,2003)。
二、国内外发展状况比较
与最先进的国际地理信息系统技术相比,我国在高效的空间数据库管理系统、智能空间分析和高性能交互式可视化等软硬件的成熟度方面还存在明显差距,特别是大型GIS应用的稳定性与自适应性方面尤其突出。
而在一般中小规模的GIS应用方面,我国已经处于国际先进水平,关于真三维GIS的整体技术处于国际领先地位,包括具有语义描述的真三维GIS数据模型、具有可操作性的三维城市建模规范、大型三维GIS平台软件、特大城市三维模型及其业务化应用等。
目前,我国分布式地学空间分析领域在总体上距国际先进水平有一定差距。
与地学空间分析相关的计算概念、方法、模型和算法大多处在借鉴和初步研究阶段;
网络环境下的地学空间分析服务体系研究和实现相对滞后;
国产地理信息软件也只提供非常有限的地学空间分析功能。
这一方面是由于缺乏实用的地学空间分析模型和方法,另一方面缺乏网络环境下实现地学空间分析共享服务所需要遵循的标准,如地学空间分析服务描述、注册、发布和组合服务等标准。
近年来,国家与地方各级部门的空间信息基础设施建设正在着力于建立空间信息公共服务平台,各种空间信息的网络服务与普及应用为时不远。
总的来说,当前利用网络服务技术实现地学空间分析模型已经具有了一定理论基础和技术积累,但地学空间分析模型和方法的实用性和应用深度还需进一步提高。
从当前的研究进展看,国外研究主要针对浅海较清洁水体,在进行系数测定与模型验证时,仅考虑叶绿素占主导地位的水体。
对于浑浊湖泊水体,由于水体组分复杂,与海洋光学浅水相比,湖泊水体各水色要素之间相互独立,并不具备良好的伴生关系。
现有光学浅水模型以及数值模拟结果对于湖泊水体的适用性尚有待考证。
国内虽对内陆湖泊水体的底质贡献进行了研究,但对于湖泊水体光学遥感机理方面,至少还存在两点不足和尚未解决的难点问题:
(1)我国内陆水体湖泊光学特性的认识尚不充分,湖泊水体的动态特征更增加了水体光学辐射传输过程的复杂性,由于湖泊底质类型与水深获取困难,对于辐射传输方程的必要输入条件——光学浅水区的判别及分布特征,尚存在研究难点,寻求解决方案也是实现浅水湖泊水环境参数高精度遥感定量反演的基础。
而且,目前主要依靠现场实测获取点状分布的湖泊底质类型和水深,对于内陆高动态湖泊,少数观测站点难以很好地反映湖泊底质贡献动态,同时,也难以实现与遥感像元进行较好空间匹配的定量研究。
(2)基于遥感像元尺度的底质贡献修正与遥感反演模型研究存在难点。
考虑卫星传感器在波段设臵及分工辨率上的差异,实现遥感理论正演模型向反演模型的转化,是水色定量遥感研究的最终目标,目前国内外在这方面的研究尚不充分。
三、展望与建议
面向智慧城市建设与城市安全,现有时空建模研究大多分别针对不同的环境要素极其有限的时态特征,特别是局限于2维和3维静态的地学现象,如地形、地质、建筑、道路与管线等,缺乏关于海洋和大气等真三维时空现象的系统研究。
而在大型工程应用领域急需建立计算机能够易于表达和理解的完好的陆海空信息模型。
因此,陆海空一体化、要素综合化、表达直观化的动态三维地理环境建模,无缝融合和集成表达物理性质不同、多源异构的多维动态时空信息是国际前沿性难题。
迫切需要加速研制实时GIS成套技术,并力争占领国际制高点。
作为地理空间信息应用高级阶段的地学空间分析,是地球环境资源开发、利用和保护辅助决策的基本工具,也是当前地理信息领域最具理论研究和实际应用研究价值的方向之一。
随着地理空间科学的不断发展,解决每一个新的科学问题所需的地理空间信息量也越来越大,并且常常跨越不同的地理空间科学领域。
因此,跨越不同地理空间科学领域而且能促进分布地理空间信息共享的分析服务是地学空间分析的发展趋势。
但就目前而言,一方面实用的地学空间分析模型和方法仍然缺乏;
另一方面网络环境下实现地学空间分析共享服务所需要遵循的标准,如地学空间分析服务描述、注册、发布和组合服务等标准还有待进一步完善。
因此,在深入研究先进的地学空间分析理论、模型和方法基础上,需基于网络服务技术在空间信息共享服务平台上开发多种地学空间分析工具,并与特定应用领域相结合,建立基于地学空间分析服务的模拟应用示范系统,形成一个集地学空间分析方法和模型研究、地学空间分析工具开发、地学空间分析应用于一体的地理空间分析共享平台。
其重大意义不仅在于能加强地学空间分析方法的实用性和有效性,借助于空间信息共享服务平台为用户提供空间数据服务,同时,还通过地学空间分析服务提供空间数据的增值服务,充分发挥各类空间数据库的资源,也为构建专业的应用服务系统提供基础地学空间分析工具支持。
利用遥感手段监测内陆湖泊水质问题研究,不仅关系到国民经济持续发展和国家稳定的战略需求,而且逐步成为国内外湖泊研究的前沿与热点。
卫星传感器技术的发展为有效提高湖泊水环境遥感定量监测能力起到了积极的推动作用,但是,要提高湖泊水环境的遥感监测能力,还需要优先解决湖泊水环境遥感中制约定量反演精度的瓶颈问题,即内陆II类水体大气校正与光敏水质参数的高精度反演问题。
针对目前亟待解决的内陆湖泊水环境动态监测问题,选择高动态复杂浅水湖泊——鄱阳湖,研究大气校正和水色参数遥感反演中陆地邻近效应和底质信号干扰的问题,采用主被动遥感、水体与底质现场光学观测及实验室分析、大气及水体辐射传输模拟与水动力模拟等相结合的手段,分别利用主动微波SAR、星载激光雷达、机载/星载多/高多光谱卫星遥感数据(MODIS、MERIS、HJCCD、LandsatTM/ETM+等)、气象水文水下地形、现场实测水体光谱与水体光学特性数据及其相关辅助数据等,分析国内外浑浊水体大气校正和水色参数反演模型相关资料,定量模拟动边界水体目标的陆地邻近像元贡献,研究考虑陆地邻近效应的大气精校正方法,并分析光学浅水区水体表观光学特性对底质信号的响应机制与变化规律,实现考虑陆地邻近效应的大气校正和考虑底质信号干扰的水体要素反演模型;
并通过星机地一体化联合观测实验,对大气校正精度和遥感反演模型进行真实性检验,并引入随机集理论,定量评价陆地邻近效应与底质贡献的不确定性。
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