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地理国情监测技术体系建设和应用探索
新闻来源: 泰伯网    发布时间:2017-08-28

本文简要介绍了地理国情监测的国内外发展现状,基于国家科技支撑项目“地理国情监测应用系统”和首次全国地理国情普查的成果,阐述了地理国情监测的主要内容、技术体系、技术框架和技术路线,介绍了所开展的水资源以及矿山沉降监测示范应用的效果,指出地理国情监测技术体系与信息化测绘技术体系的高度一致性,分析指出了地理国情监测所面临的问题和对策。

关键词:地理国情监测 技术体系 示范应用

一、 地理国情监测概念的提出与发展

地理国情,是指地表自然和人文地理要素的空间分布、特征及其相互关系。地理国情是重要的基本国情,是了解国情、把握国势、制定国策的重要基础。地理国情监测,是指动态地对地理国情的变化进行监测,包括对地理国情进行的调查、统计、分析、评价和预测等活动,是提高决策管理水平、加强宏观调控力度、提升国家治理能力的一项重要基础性工作。

虽然目前“地理国情监测”这一称法在国际上尚未统一,但美国、欧洲和亚太等国家和地区实际上已经开展了土地利用监测、环境监测和灾害监测等方面的工作,从覆盖范围和应用领域上说,均属于专题监测和区域性监测,与我国所开展的地理国情监测相比其监测范围窄、对象相对单一、要素类型较少且相关性较强,但其共同目的都是对各种类型的地理信息要素进行监测、分析和建模,从而为相关政策的制定提供决策支持。我国在此基础上首次提出了完整的地理国情监测概念,并开展了第一次全国地理国情普查,作为常态化监测的基准数据;同时,也系统性地开展了围绕地理国情监测技术体系、指标体系等方面的研究,并进行了相关试点,取得了丰硕的成果。

、地理国情监测的内容与技术体系

(一)地理国情监测的内容

地理国情监测内容框架体系可以从尺度层次、监测频率等不同的视角将其划分成不同类别。在尺度层次上,地理国情可划分为国家级和区域级,而国家级地理国情有两种含义,一是通过不同国家在全球的位置以及国与国之间得空间联系来反映;二是在本国国土内,反映全国地理总体实际情况和动态变化趋势的信息。区域地理国情信息主要是以反映一定行政区划或以自然或社会经济等特定条件划分的一定范围如不同地貌区、流域、城市群或主体功能区等的地理总体客观情况及其动态变化信息。

从监测频率上,可以划分为普查本底信息、规律性变化信息、随机性变化信息和应急性信息积几类。本底普查信息是指在全国地理国情普查中形成的基础数据,是进行地理国情监测的本底数据,从频率上看是最低的;规律性变化信息是指如水系、植被、大型基础设施、城镇群落等会随时间产生相对规律性的、较慢的变化的信息,在地理国情监测中只需按照需求以一定的频率(如每年一次)开展定期监测即可;随机性变化信息是指变化发展较快、且无明显规律的,如一些发展较快城市的道路、土地利用等情况,则需进行频率较高的常态化监测;而应急信息则是针对重大自然灾害或重大公共安全事故等重大事件产生的短时期内剧烈变化的地理国情信息,需要迅速的开展应急测绘进行实时监测,为应急救灾提供测绘地理信息应急保障服务。

(二)地理国情监测的技术体系

1、地理国情监测的技术框架

测绘地理信息数据获取、处理、管理与服务等技术的发展与成熟,是开展地理国情监测的充分条件,是地理国情普查和常态化监测的基础。根据地理国情监测的技术需求,其技术框架如图1所示,可以概括为:根据地理国情监测内容体系、指标体系和标准体系的特点和要求,依托空天地一体化地理国情监测数据动态获取、地理国情监测数据高性能处理、地理国情信息分布式智能解译、地理国情监测数据统计分析、地理国情监测产品制作与服务等五方面核心技术,形成完整的地理国情监测技术体系,并建立涵盖产品服务、作业流程、标准规范等内容的综合监测平台。


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1. 地理国情监测技术体系框架


2、地理国情监测的技术支撑

根据地理国情监测的目标、任务和监测对象等方面,可将其技术体系的支撑划分为地理国情信息的动态获取技术、高性能处理技术、信息提取技术、统计分析技术、产品研制与服务技术五个基本方面,这正是信息化测绘技术体系对地理国情监测技术体系的支撑。信息化测绘的提出,是因为随着科技不断进步和应用需求快速变化,特别是大数据、云计算、物联网等技术的快速发展,以及测绘地理信息生产方式的转变以及地理国情监测等测绘地理信息服务新形式的提出,对测绘地理信息技术和手段提出数据获取立体化实时化、处理自动化智能化、服务网络化社会化的要求。信息化测绘技术体系是由“一个现代测绘基准技术体系,多源数据实时获取技术体系、多源数据自动处理与更新技术体系、测绘地理信息智能管理与交换技术体系、测绘地理信息网络服务技术体系、测绘地理信息社会应用技术体系这五个基本组成部分和一个测绘业务信息管理技术体系”构成。信息化测绘技术体系支撑地理国情监测主要体现在以下几个方面:

地理国情信息动态获取方面,实现全天候立体化获取地理信息,包括各种自然、人文地理要素及专题信息,着力解决多源遥感信息的快速动态获取、网络化传输、整合与同化等技术,形成空天地海一体化的数据快速获取能力。

地理国情信息高性能处理方面,实现自动快速处理多源异构海量信息,包括航空航天影像、地面监测数据、专题数据等,突破多源、异构地理国情数据的融合、分布式集群快速处理等关键技术,通过多种平台、多种新型传感器不同时态之间地理国情数据的融合,准确反映地表状况的空间维、时间维、光谱维特征及其差异,为地理国情监测提供多维、动态观测数据集,形成基于数字摄测量理论、云计算的地理国情监测数据一体化快速处理技术体系。

地理国情信息提取方面,实现自动检测和自动提取地理国情信息及其变化信息,突破地形地貌、植被覆盖、水域与湿地、冰川与永久积雪、荒漠与裸露地、交通网络、居民地与设施等自然地理要素、人文地理要素,及专题信息提取关键技术与方法,形成可推广应用的地理国情信息提取技术体系。

地理国情监测信息统计与分析方面,针对国家管理与决策目标,综合运用数值统计、空间分析等方法及相关专业模型,对普查数据、监测数据进行空间结构、空间分布、空间关系等方面的特征规律提取与内在知识挖掘,深入分析地理国情动态变化监测过程信息,挖掘地理国情信息动态变化趋势和规律,为地理国情监测信息发布与服务提供战略数据。

大数据技术的应用方面,在地理国情大数据存储管理、智能综合与多尺度数据库自动生成及增量级联更新、地理国情大数据清洗、数据分析与挖掘、时空大数据可视化、自然语言理解、深度学习与深度增强学、人类自然智能与人工智能深度融合、信息安全等方面取得突破,形成地理国情大数据技术体系,提升地理国情监测的分析处理、知识发现和决策支持能力。

地理国情监测产品研制与服务方面,需要在当前测绘地理信息产品的基础上结合地理国情监测的特点研制新的产品、提供新的服务,要在产品标准化、质量控制技术和服务提供技术方面进行深入研究,并围绕地理国情大数据的分析、挖掘、管理和应用等环节,研发地理国情大数据存储与管理、分析与挖掘、可视化等软件产品与时空信息云平台软及多样化数据产品,提供地理国情大数据与各行各业大数据、领域业务流程及应用需求深度融合的解决方案,形成比较健全实用的地理国情大数据产品体系。

、基础地理国情监测实例分析

通过以2002期、2008期、2012期1:25万基础地理信息数据为基础,以流域为统计单元,经数据提取、统计计算与分析、专题图制作等,对全国尺度的水体信息进行了监测和分析,并得出以下结论。

从水系在各流域区划上的空间分格局来看,西北诸河区水体面积最大,为83481.16平方千米,占水体总面积比重34.94%,松花江区次之面积为45368.45平方千米,占水体总面积比重18.99%。其他流域分区面积从大到小依次为长江区、黄河区、淮河区、珠江区、西南诸河区、东南诸河区、海河区、辽河区。

如表1所示,流域中水体2002年至2012年间河流面积呈减少的趋势,湖泊面积在增加,水库面积主要是增加,湿地面积大部分是在减少。2002年湿地共转移为2012年耕地2.8万平方千米,转移园地17.24平方千米,转移林地2.5万平方千米,转移草地3.9万平方千米。其中内蒙古和黑龙江湿地转移变化较大,内蒙古转植被2.2万平方千米,占23.42%,黑龙江转移3.9万平方千米,占42.88%。


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1 2002-2012年间十大流域水系分布变化量


2002-2012年间水系要素的监测分析的主要变化可以发现,十年来随着经济社会发展速度的增加,用水量的急剧增加导致了河流面积的减少,但同时国家积极推行的退田还湖和湿地保护政策也取得了显著的成绩,湖泊面积都有了显著增长,但由土地开发利用需求的不断激增,造成湿地转移变化急剧增加,湿地面积大幅减少,将会极大地影响生态文明建设的进程。

总体上来说,2012年水系总面积相比2002年减少了39524.16平方公里,保护水资源的形势越来越严峻,需要国家通过对产业的结构性调整,合理规划水资源利用,进一步加大对水资源的保护力度,避免水资源不断减少的情况进一步加剧。

、抚顺矿山环境地理国情监测示范

抚顺是一个因矿而兴的城市,百余年的矿山开采,在为国家创造巨大财富的同时,也带来了严重的矿山环境问题,为配合市政府的矿山地质灾害综合治理工作,选择矿山环境监测作为内容,以为政府决策提供地理市情数据支持。试点以抚顺矿区为对象,开展 2003、2007、2010、2013年4期矿山环境监测,提供包括地表覆盖、采煤沉陷区地表形变、地质灾害、矿山废弃地等矿区环境信息服务,全面、准确的监测分析矿区现状、动态变化和发展趋势(图2)。


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抚顺煤田采煤沉陷区,位于市区的中东部,横跨新抚、东洲两个行政区,面积约18平方千米。是由抚顺煤田龙凤矿、老虎台矿两个井工开采矿山地下采煤所致,沉陷造成地表建筑物破坏、农田废弃,是抚顺煤田最严重的矿山地质灾害类型之一。试点工作首先以2010年和2013年获取的DOM为数据源,通过室内解译和外业调查,对采煤沉陷区地表状况变化进行了定量分析,调查和分析的内容包括11类:居民地、耕地、有林地、自然水面、道路、裸地、沉积水面、堆积矿渣、选矿场、临时用地、矿坑。

西露天矿位于抚顺煤田西部(图3),主矿种为煤炭和油母页岩,体积15.49亿立方米,为亚洲第一大露天采矿。伴随着西露天矿开采的由盛及衰,一系列的矿山地质灾害相继发生,给露天矿以及周边安全带来一系列重大问题。试点根据监测和分析结果,对北帮地质灾害进行了分区:(1)破坏变形区,面积1.85平方千米;(2)危险变形区,面积1.24平方千米;(3)潜在变形区,面积0.90平方千米。


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通过对露天矿坑进行外业调查和监测分析发现,在西露天矿南部千台山南坡发生了地裂缝灾害,并已造成地表建筑物破坏;地裂缝西起西露天矿坑口炼油厂,东至抚顺同益机械厂,长约3100米,断陷带最大宽度13米,最大落差1.7米;东立社区锅炉房围墙、佳化化工厂厂房遭地裂缝破坏严重。抚顺西露天矿南部滑坡灾害,已经引起国土资源部、辽宁省人民政府的高度重视,已经采取了相应的灾害监测手段和防灾减灾措施。

五、问题与对策

第一次全国地理信息普查已经全面收官,取得了丰硕的成果,地理国情监测科技支撑项目在技术体系和指标体系等方面取得了突破性进展,试点工作也在多个省市开展,为各级政府在制定政策方面提供了相应的支持。但是,目前地理国情监测在体制机制、关键技术等方面仍然存在一些问题,需要逐步加以解决。

(一)地理国情监测成果共享体制机制需要完善

地理国情监测成果是进行各地区、行业数据统计分析的基础,应该进行共享,同样,各级政府、各部门的相关统计数据也应与测绘地理信息部门之间进行共享,丰富并检核地理国情监测数据,提升权威性,更好地提供决策支持。所以,当前应就各级政府、各部门的监测和统计数据共享政策进行相应研究,妥善处理好保密与应用之间的关系,并加强与各政府、各部门之间的协调,形成完善的共享机制。

(二)各行业对基础数据的分类等需要取得共识

地理国情监测的基础是多源、多时相、多类型的国情数据,由于各行业之间对同种数据的分类、指标等各有不同,造成了地理国情监测中无法很好的融合各部门的已有监测成果和统计数据。解决这一问题需要针对行业间具有共享价值的数据分类体系等进行研究,取得共识,形成标准,提升数据的共享使用效率,增强地理国情监测成果的普适性。

(三)国内地球观测数据需要进一步统筹

资源三号卫星和“高分”专项等的实施,使得国产卫星遥感数据资源越来越丰富,但也带来了统一处理、检校等方面的技术难题,影像数据的使用和融合。需要在此方面开展攻关,解决多源遥感影像的统一处理和不同卫星的统一检校问题。

(四)地理国情大数据方面的研究有待加强

大数据为我们带来了极其丰富的信息和资源,以及解决问题的全新方法,如何充分利用各类大数据来支持地理国情监测动态更新、挖掘及分析等,关系到地理国情监测成果的全面性、权威性和可靠性,尤其对于统计分析方面来说更是至关重要。要加强数据科学的研究投入,围绕大数据挖掘与分析开展一系列研究,建设大数据领域的国家实验室。加强我国地球观测数据的统筹监管和开发利用,加快包括海洋在内的全球地理信息资源建设,积极构建地理国情大数据时空云平台,支持各领域的精准决策和国家治理。

(五)变化信息的自动监测和提取仍有不足

当前数据获取方面已初步形成了陆海天空地一体化的观测技术手段,产生了大量地理信息数据,如何对其进行高效处理,快速从海量数据中提取出有效的变化信息,实现监测的自动化将是提升地理国情监测效率和质量的关键。来源:《测绘地理信息蓝皮书2016》