数字地球概论

1、数字地球导论大纲数字地球信息的获取与采集；数字地球信息的描述与表达；数字地球信息的处理与管理；数字地球信息的可视化技术；数字地球信息的分析及方法；数字地球的应用。NFC技术室内外一体化导航技术倾斜摄影测量技术VR技术物联网技术讨论专题1. 数字地球信息的获取与采集1. 地图数据；2. 遥感数据；3. 文本资料；4. 统计资料；5. 实测数据；6. 多媒体数据；7. 已有系统的数据。数据源种类地图数字化方法 手扶跟踪数字化 扫描矢量化数字化通向计算机接口叉丝游标按扭电磁感应板数字化二值化（Binarisation）细化（Thinning）矢量化（Vectorisation）断线修复（Linkin

2、g broken lines）要素提取（Element extraction）符号识别（Symbol recognition）属性赋值（Attribute assignment） 5 9 10141 138 9 5 3 1 0 2 245156 73 144 178 132 23 7 3 212 5 6 8 29 11214 167 5 124110 7 6 5 4 7 133 5 192 350 110 135 6 4 7 244 12 2 5 12135 201 166 127155 9 1 1 9 4 8 2112211 43 5 0 数字化1,0,f i jTf i jTf i j如果

3、如果二值化（二值化（ Binarization ）方法：阈值法：设：扫描后图像 f(i, j)，阈值T。1. 由于扫描时选择的分辨率都比较高，因此单个线条的横断面往往占有多个像素的宽度，需对这些线条进行“细化”，使得每一条线只保留代表其轴线的单个栅格宽度。2. 方法：“剥皮法剥皮法”和和“骨架法骨架法”3. 原则：保持连通性：通过八邻域组合图判断。数字化细化（细化（Thinning）1. 是从曲线的边沿开始，每次剥掉等于一个栅格宽的一层，直到最后留下彼此相连的一个栅格点组成的图形。2. 由于每条线在不同位置的宽度可能不同，故不能剥去导致曲线不连通的栅格，也不能在图形中形成孔。3. 方法是用一个

4、3 3栅格窗口，逐个检查每个栅格单元，被查栅格是否删去，由以该栅格为中心的组合图决定。数字化数字化剥皮法组合图剥皮法组合图数字化跟踪跟踪是将写入数据文件的细化处理后的栅格数据，整理为从节点出发的线段或闭合的线条，并以矢量形式存储特征栅格点中心的坐标。数字化地形测量野外数据采集野外数据采集二十世纪六十年随着航天技术的迅速发展，美国地理学家首先提出了“遥感”（Remote Sensing）这个名词，它的含义是泛指通过非接触传感器遥测物体的几何与物理特性而又不直接接触物体的技术。遥感技术主要是建立在物体反射或发射电磁波的原理基础之上。 遥感遥感原理示意图遥感传感器类型通俗说：摄影测量就是通过摄影进行

5、测量摄影量 测影像上的二维坐标：x、y计 算获得空间的三维坐标：X、Y、Z 摄影测量1. 激光雷达即 Light Detection And Ranging，LiDAR。2. 激光雷达也是一种主动传感器，通过发送光脉冲，并测量光脉冲从发射到被反射回的时间延迟来探测目标。 激光雷达 LiDAR电磁波谱与可见光谱电磁波谱 可见光谱0.1 m1000 m1. 空间分辨率 （Spatial Resolution） 2. 光谱分辨率 （Spectral Resolution）3. 辐射分辨率 （ Radiometric Resolution）4. 时间分辨率 （ Temporal Resolution）

6、遥感图像特征图像的空间分辨率指图像一个像素所代表地面范围的大小，即扫描仪的瞬时视场，或地面物体能分辨的最小单元。对于摄影成像的图像，空间分辨率Rg取决于航高H、摄影机焦距f 以及由胶片分辨率和摄影机镜头分辨率共同构成的系统分辨率Rs。HfRRsgRg为空间分辨率（线对/米）；H为摄影机距地面高度（米）；Rs为系统分辨率（线对/毫米）；f 为摄影机焦距（毫米）。空间分辨率Landsat MSS (80 m)Landsat TM (30 m)SPOT 全色 (10 m)IKONOS 多光谱 (4 m)空间分辨率IKONOS 1:10,000TM 1:250,000研究区位置MODIS 1:1,00

7、0,0001. 光谱分辨率：指传感器在接受目标辐射的光谱时能分辨的最小波长间隔。2. 间隔愈小，光谱分辨率愈高。可以分辨出不同物体光谱特征的微小差异，有利于识别更多的目标。3. 传感器的波段选择必须考虑目标的光谱特征值。光谱分辨率水铝矿不同光谱分辨率的光谱曲线光谱分辨率1. 分波段记录的遥感图像，可以构成一个多维向量空间，空间的维数就是采用的波段数。2. 如：选用3个波段构成一个三维特征空间。图像上的一个像元，在各波段上均有一个光谱数值aij, bij, cij(i, j分别为该像元的行、列号) 3. 每个像元在各波段的图像数据(亮度值)构成一个多维向量，它们对应于多维空间上的一个点，用Xij

8、向量表示：ijijijijcbaX光谱分辨率NASA AVIRIS Cuprite, NV, HSI Data, (1995) An AVIRIS (NASA) HSI Image Cube1. 辐射分辨率辐射分辨率：指传感器接收光谱信号时能分辨率的最小辐射差。实际上是对光谱信号强弱的敏感程度区分能力。2. 一般用图像灰度的分级数2n来表示，即最暗最亮灰度值（亮度值）间分级的数目量化级数D，因此，每个像元所包含的最大信息量(位，bit)为log2D。辐射分辨率某个波段遥感图像的信息量Im由空间分辨率(以像元数m表示)与辐射分辨率(以灰度量化级D表示)有关，以bit为单位，可表达为：2logmI

9、mD在多波段遥感图像总信息量还取决波段数k，k个波段的遥感图像的总信息量Is为：222log/logSmIk Ik mDk A PD其中A为图像所对应的地面面积，P为图像的空间分辨率。 辐射分辨率1.时间分辨率：指对同一地点进行采样的时间间隔，即采样的时间频率，也称重访周期。2.时间分辨率是由卫星的轨道高度、轨道倾角、运行周期、轨道间隔、偏移系数等参数决定。时间分辨率1. 静止气象卫星的时间分辨率为1次/0.5小时；太阳同步气象卫星的时间分辨率2次/天；Landsat为1次/16天；中巴资源卫星CBERS为1次/26天等。 2. 多时相遥感信息可以提供目标变量的动态变化信息，用于资源、环境、灾

10、害的监测、预报，并可以根据地物目标不同时期的不同特征，提高目标识别能力和精度，并为数据库的更新提供保证。时间分辨率2001年5月2003年10月时间分辨率遥感传感器成像方式（图像方式）成像方式（图像方式）: :将所探测到的强弱不同的地物电磁波辐射转换成深浅不同的（黑白）色调构成直观图像的遥感资料形式，如航空像片、卫星图像等。非成像方式（非图像方式）非成像方式（非图像方式）: :将探测到的电磁辐射，转换成相应的模拟信号（如电压或电流信号）或数字化输出，或记录在磁带上而构成非成像方式的遥感资料，如陆地卫星CCT数字磁带等。遥感传感器类型遥感平台是搭载传感器的工具。根据运载工具的类型，可分为航天平台

11、、航空平台和地面平台。航天遥感平台目前发展最快，应用最广。根据航天遥感平台的服务内容，可以将其分为气象卫星气象卫星系列、陆地卫星系系列、陆地卫星系列和海洋卫星系列列和海洋卫星系列选择遥感平台的主要依据是遥感图像空间分辨率。一般说来，近地遥感地面分辨率高，但观测范围小；航空遥感地面分辨率中等，其观测范围较广；航天遥感地面分辨率低，但覆盖范围广。遥感平台的选择一般来讲，遥感平台与遥感影像存在着一定的联系:平台的运行高度影响着遥感影像的空间分辨率；遥感平台的运行周期决定着遥感影像的时间分辨率；遥感平台的运行时刻决定着探测区域的太阳高度，从而间接决定着遥感影像的色调及阴影；遥感平台运行稳定状况决定着所

12、获取遥感影像的质量。遥感平台的选择1960年美国发射第一颗实验性气象卫星（TIROS-1）,应用于气象预报、气象研究、资源调查、海洋研究等方面最早发展起来的环境卫星。经历了3个发展阶段 第一代：20世纪60年代 TIROS、ESSA、Nimbus、ATS 第二代：1970-1977年 ITOS-1、SMS、GOES、GMS、Meteosat 第三代：1978年以后 NOAA系列我国：FY-1，FY-2，FY-3气象卫星系列气象卫星获取的遥感数据：气象卫星获取的遥感数据：可见光和红外云图等图像资料；云量、云分布。大气垂直温度、大气水汽含量、云顶温度、海面温度等数据资料；太阳质子、Y射线和X射线的

13、高空大气物理参数等空间环境监测资料；以及对于图像资料和数据资料等加工处理后的派生资料。另外，由于气象卫星兼有通讯卫星的作用，利用气象卫星上的数据收集系统（DCS）可以同时收集来自气球、飞机、船舶、海上飘浮站、无人气象站等的各种资料，并转发给地面专门的资料收集和处理中心。 气象卫星系列我国情况我国情况 FY-1（1988年9月7日，太阳同步轨道）：我国第一颗环境遥感卫星，主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验。FY-1B（1990年9月3日）：用于天气预报、提供植被指数、区分云雪、进行海洋水色观测。FY-2（1997年6月10日，地球同步轨道）：主要功能是对地观测，每小时获取

14、1次可见光、红外与水汽云图。 FY-1C（1999年，太阳同步轨道）：获取全球的昼夜云图资料。 我国第一颗和第二颗“风云三号”气象卫星（“风云三号”A、B星），分别于2008年5月和2010年11月成功发射，目前仍在轨稳定运行。 “风云三号”03星2013年9月23日发射成功。气象卫星系列气象卫星特点气象卫星特点短周期重复观测 静止气象卫星具有较高的重复周期（0.5小时1次）；极轨卫星如NOAA等中等重复覆盖周期，约 0.51天次。总的来说，气象卫星时间分辨率较高，有助于对地面快速变化的动态监测。轨道低轨：800km 1600km 太阳同步（极轨）高轨：3600km 地球同步（静止） 气象卫星

15、系列气象卫星特点气象卫星特点成像面积大，有利于获得宏观同步信息，减少数据处理容量 。气象卫星扫描宽度约2800 km，只需23条轨道就可以覆盖我国。相对于其他卫星资料（如陆地卫星）更加容易获得完全同步、低云量或无云的影像 。气象卫星系列气象卫星资料的应用领域气象卫星资料的应用领域天气分析和气象预报 ：气象卫星云图可以根据云的大小、亮度、边界形状、水平结构、纹理等识别各种云系的分布，推断出锋面、气旋（水平范围达数千千米）、台风（水平范围达数百到数千千米）、冰雹等的存在和位置，从而对这种大尺度和中尺度的天气现象进行成功地定位、跟踪及预报。 气象卫星系列1. AVHRR（Advanced Very

16、High Resolution Radiometer）即改进型甚高分辩率辐射仪。2. 探测器扫描角度为55.4o，扫描带宽2800公里 3. 星下点空间分辨率1.1 km4. 重复观测周期为半天 常用气象卫星数据NOAA AVHRR波段波段观测波长（微米观测波长（微米）观测项目观测项目分辨率分辨率扫描宽度扫描宽度1可 见 光 波 段0.58-0.68云、冰、雪 1.1km 2800km2近 红 外 波 段0.725-1.1水陆边界、陆地植被3中 红 外 波 段3.55-3.93表面温度、云4热红外10.5-11.5表面温度、云5热红外11.5-12.5表面温度、云常用气象卫星数据NOAA AV

17、HRRNOAA-17NOAA-17 日期: 2003年5月11日 时间: 00:09:45(UTC) NOAA-17NOAA-17 日期: 2003年5月11日 时间: 01:49:15(UTC)NOAA-16 日期: 2003年05月11日时间: 04:59:14 (UTC) FY-1D 图像是指用于探测地球资源与环境的地球观测卫星系统。继美国成功发射第一颗陆地卫星之后，俄罗斯、法国、印度、中国等都发射了陆地卫星。陆地卫星在重复成像的基础上，产生世界范围的图像，对地球科学的发展具有很大的推动，同时由于提供了数字化的多波段图像数据，促进了数字化图像处理技术的发展，扩大了陆地卫星的应用广度和深度

18、。 陆地卫星系列1. Landsat2. SPOT3. CBERS4. EOS MODIS5. 其它陆地卫星陆地卫星系列1972年7月23日发射了第一颗，已经发射了6颗，目前Landsa-5和Landsat-7仍在运转工作。Landsat-7是1999年4月发射的，设计寿命是6年，也是NASA1972年开始实施的 Lansat计划中的最后一颗卫星。它标志着大型、昂贵的Lansat系列地球观测卫星时代即将结束，下一步将发展较小、较便宜、研制周期较短的地球观测卫星。 陆地卫星 Landsat卫星运行周期是指卫星绕地球一周所需的时间。Landsat 13的重复周期为18天，Landsat 48为16

19、天。Landsat(陆地）卫星轨道示意图 陆地卫星 Landsat轨道特征：Landsat（陆地）卫星的轨道十分接近于正圆轨道 卫星轨道陆地卫星 Landsat地球资源卫星在天空中所走过的路线叫做它的空中轨道（简称轨道）。 Landsat（陆地）卫星的运行特征： （1）近极地、近圆形轨道；（2）轨道高度为700900 km；（3）轨道运行与太阳同步。 陆地卫星 LandsatLandSat1LandSat2LandSat3LandSat4LandSat5LandSat6LandSat7LandSat8发射日期1972.71975.11978.31982.71984.31993.101999.4

20、2013.2覆盖周期18天18天18天16天16天16天16天16天波段数444777811机载传感器MSSRBVMSSRBVMSSRBVMSSTMMSSTMETM+ETM+OLITIRS 运行情况1978退役1982退役1983退役2001.6TM传感器失效，退役2013.6退役发射失败2003.5出现故障 在役服务 Landsat 卫星是目前世界范围内应用最广泛的民用对地观测卫星陆地卫星 LandsatMSS波段和波长范围 MSS采集地面数据 Landsat 多光谱扫描仪（MSS）Landsat-13Landsat-45波长范围/m分辨率MSS-4MSS-10.50.678米MSS-5MS

21、S-20.60.778米MSS-6MSS-30.70.878米MSS-7MSS-40.81.178米波段波长范围(m)分辨率（m）10.450.533020.520.6030 30.630.6930 40.760.9030 51.551.7530 610.4012.50120 72.082.3530 TM波段、波长范围及分辨率 Landsat专题制图仪（TM）TM是一种改进型的多光谱扫描仪,有7个较窄的、更适宜的光谱段 :1. TM1：0.45-0.52微米，蓝波段。对水体穿透力强，对叶绿素与叶色素浓度反映敏感，有助于判别水深、水中叶绿素分布、沿岸水和进行近海水域制图等。 Landsat TM

22、2. TM2：0.52-0.60微米，绿波段。对健康茂盛植物绿反射敏感，对水的穿透力较强。用于探测健康植物绿色反射率，按“绿峰”反射评价植物生活力，区分林型、树种和反映水下特征等。3. TM3：0.63-0.69微米，红波段，为叶绿素的主要吸收波段。反映不同植物的叶绿素吸收、植物健康状况，用于区分植物种类与植物覆盖度。其信息量大，为可见光最佳波段。广泛应用于地貌、岩性、土壤、植被、水中泥沙流等方面的观测。 Landsat TM4. TM4：0.76-0.90微米，近红外波段。对绿色植物类别差异最敏感（受植物细胞结构控制），为植物通用波段。用于生物量调查、作物长势测定、水域判别等。5. TM5：

23、1.55-1.75微米，中红外波段。处于水的吸收带（1.4-1.9微米）内，反映含水量敏感，用于土壤湿度、植物含水量调查、水分状况的研究，作物长势分析等，从而提高了区分不同作物类型的能力。易于区分云与雪。 Landsat TM6. TM6：10.4-12.5微米，热红外波段。可以根据辐射响应的差别，区分农、林覆盖类型，辨别地面湿度、水体、岩石，以及监测与人类活动有关的热特征，进行热制图。7. TM7：2.08-2.35微米，中红外波段。此为地质学家增加的波段。处于水的强吸收带，水体呈黑色。可用于区分主要岩石类型、岩石的水热蚀变，探测与岩石有关的粘土矿物等。 Landsat TMTM信息的空间分

24、辨率在可见光、近红外、中红外波段为30米，在热红外波段为120米。 一景覆盖地面范围185 km185 km，总数据量230兆。 Landsat TM波段波长范围(m)地面分辨率（m）10.450.5153020.5250.60530 30.630.69030 40.750.9030 51.551.7530 610.4012.5060 72.092.3530 PAN0.520.9015 ETM波段、波长范围及分辨率 Landsat 增强型专题制图仪（ETM+）Landsat TM1. 是地球观察卫星系统。是由瑞典、比利时等国家参加，由法国国家空间研究中心（CNES）设计制造的。1986年发射第

25、一颗，到1998年已经发射了四颗。SPOT的轨道是太阳同步圆形近极地轨道，高度830 km左右，卫星的覆盖周期是26天，重复感测能力一般35天，部分地区达到1天。2. 传感器为2台高分辩率可见光扫描仪（High Resolution Visible sensor, HRV） 3. 它能满足资源调查、环境管理与监测、农作物估产、地质与矿产勘探、土地利用、测制地图及地图更新等多方面的需求。 SPOTSPOT 5 SPOT 5 号全色波段图像（号全色波段图像（5 5米）米）SPOT 5 SPOT 5 号假彩色合成图像（号假彩色合成图像（5 5米）米）SPOT 5 SPOT 5 号全色波段图像（号全色

26、波段图像（2.52.5米）米）1999年10月14日，我国第一颗地球资源遥感卫星（又称资源一号卫星）在太原卫星发射中心成功发射。早在1985年，我国就研制了中国国土普查卫星，这是一种短寿命、低轨道的返回式航天遥感卫星，在当时，各用户部门取得了不小的成果。但普查卫星受气候条件限制，长江以南地区因长期阴雨绝大部分相片不能使用，致使全国国土资源与环境普查工作未能达到预期目的。 CBERS资源一号卫星是继国土普查卫星之后，我国发射的第一颗地球资源卫星。1. 太阳同步近极地轨道，轨道高度778 km；2. 卫星的重访周期是26天，设计寿命2年；3. 其携带的传感器的最高空间分辨率是 19.5 m。中巴地

27、球资源卫星 CBERS CBERS1.Terra是1999年12月18日美国发射的地球观测系统（EOS）的第一颗先进的极地轨道环境遥感卫星 。2. 获取有关海洋、陆地、冰雪圈和太阳动力系统等信息。 3. MODIS（中分辨率成像光谱仪）是搭载在Terra上的一种对地观测仪 。4. 空间分辨率250 m1000 m。 Terra EOS MODIS Terra EOS MODIS几乎与IKONOS发射同时，也出现了载有高分辨率传感器的快鸟（Quickbird）和轨道观察3号（OrbView3）等卫星。其传感器的光谱波段都与IKONOS相同，只是在图像覆盖尺度和传感器倾斜角度上有些差别。 高分陆地

28、卫星美国美国IKONOS 卫星卫星2.数字地球信息的描述与表达。矢量结构和栅格结构 1. 矢量模型 ：现实世界的要素位置和范围可以采用点、线或面表达，与它们在地图上表示相似，每一个实体的位置是用它们在坐标参考系统中的空间位置（坐标）定义。 2. 栅格模型 ：在栅格模型中，空间被规则地划分为栅格。地理实体的位置和状态是用它们占据的栅格的行、列来定义的。 空间数据结构矢量结构和栅格结构 栅格结构是最简单最直接的空间数据结构，是指将地球表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元或象素由行、列定义，并包含一个代码表示该象素的属性类型或量值，或仅仅包括指向其属性记录的指针。 栅格数据结构

29、Real worldGridPointLineAreaValue=0=1=2=3RowColumnTrianglesHexagons 栅格数据结构 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 6 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 6 0

30、0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 4 4 4 4 4 4 7 7 7 7 4 7 7 7 4 4 4 4 8 7 7 8 0 8 4 0 8 7 7 8 0 8 8 0 0 8 0 0 8 8 7 8 8 8 8 8 0 0 0 0 8 8 8 8 0 0 0 0 0 8 8 8 （a）点 （b）线 （c）面 栅格数据结构栅格数据的形状、尺寸及相关问题：1. 栅格数据单元格经常是矩形（主要是正方形）的，但并不是必须如此。其单元格形状可以随应用的需要进行具体设定，比如设置为三角形。2. 栅格尺寸越小，其分辨率越高，数据量也越大。 栅格数据结构901. 属性明显属

31、性明显数据中直接记录了数据属性或指向数据属性的指针，因而我们可以直接得到地物的属性代码。2. 位置隐含位置隐含所在位置则根据行列号转换为相应的坐标，也就是说定位是根据数据在数据集中的位置得到的。栅格结构是按一定的规则排列的，所表示的实体的位置很容易隐含在格网文件的存储结构中 。 栅格数据结构特点栅格数据结构结构容易实现，算法简单，且易于扩充、修改，也很直观，特别是易于同遥感影像的结合处理，给地理空间数据处理带来了极大的方便。 栅格数据结构特点把地理数据转换成适合计算机处理的数字或字符，并可以还原成原来的形式，这个转换过程是“ 空间数据编码”。 栅格数据结构数据编码栅格数据编码方法分为两大类：1

32、. 直接栅格编码 2. 压缩编码方法 链码 Chain Encoding游程长度编码 Run length Encoding四叉树 Quadtree Encoding 栅格数据结构数据编码直接编码就是将栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐个象元进行记录，也可以奇数行地从左到右而偶数行地从右向左记录，为了特定目的还可采用其他特殊的顺序 。 直接栅格编码压缩编码方式在地理信息系统中的压缩编码多采用信息无损编码，而对原始遥感影像进行压缩时也可以采取有损压缩编码方法。 通过无损压缩改进数据存储效率：1. 行程编码2. 链式编码（弗利曼码）3. 四叉树编码 压缩栅格

33、编码方法1. 优点：压缩效率较高，且易于进行检索，叠加合并等操作，运算简单，适用于机器存储容量小，数据需大量压缩，而又要避免复杂的编码解码运算增加处理和操作时间的情况 2. 缺点：对于图斑破碎，属性和边界多变的数据压缩效率较低，甚至压缩后的数据量比原始数据还大。 行程编码1. 优点：链式编码对多边形的表示具有很强的数据压缩能力，且具有一定的运算功能，如面积和周长计算等，探测边界急弯和凹进部分等都比较容易，比较适于存储图形数据。2. 缺点：对叠置运算如组合、相交等则很难实施，对局部修改将改变整体结构，效率较低，而且由于链码以每个区域为单位存储边界，相邻区域的公共边界被重复存储会产生冗余。 链式编码采用方形区域作为记录单元，数据编码由初始位置行列号加上半径，再加上记录单元的属性组成。0 2 2 5 5 5 5 52 2 2 2 2 5