环境遥感应用现状与展望(1)

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第24页 共24页目录【遥感遥测】1环境遥感应用现状与展望1GIS发展的最新趋势及其应用前景3国产GIS之路6城市自来水企业信息集成应用初探7遥感辐射特性研究的现状与展望10【自动化控制】14环境控制自动化：控制理论新的应用领域14水工业自动化控制技术的发展趋势18水环境工程仿真实验和可视化设计的虚拟仪器20【遥感遥测】环境遥感应用现状与展望一、国内环境遥感应用现状遥感技术在我国资源、林业、农业、水利等部门已有广泛的应用，为国家社会经济发展作出了巨大贡献。同时也完成了大量的基础研究工作，建立了中国典型地物的波谱数据库和资源遥感调查技术规范。在环境保护中的遥感技术应用在我国开展较晚，但经过广大科研人员的奋发努力，在条件十分有限的情况下，在大气环境、水环境、生态环境等众多领域开展了多方面的研究探索工作，并取得了较大成果。在大气遥感监测方面，我国重点开展了四个方面的工作：一是利用遥感技术监测大气污染与污染源，如辽宁省环保所应用红外扫描仪对抚顺露天煤矿进行了监测，分析了矿坑上空逆温层的形成与大气污染物扩散的关系，搞清了矿坑内产生污染的条件，为露天矿场的污染防治和环境污染预报提供了科学依据；中国环境科学研究院在太原市进行了以大气污染为目标的遥感监测；北京市环境保护科学研究院曾对规划市区的烟囱高度、分布进行了航空遥感分析。二是通过遥感图像上植物的季相节律变化和遭受污染后的反应差异，以植物对污染的指示性反演大气污染，如确定大气污染的范围、程度和扩散变化，如进行津渤环境遥感试验时曾利用遥感图像上呈现的树冠影像的色调和大小差异，圈定了二氧化硫和酸气、氟化氢等典型污染场。三是以地面采样的分析结果作参照量，与遥感图像相结合进行相关分析，如进行津渤环境遥感试验时，曾采集树木叶片测定其含硫、含氯量，以及树皮的PH值，分析二氧化硫、氯气、酸雾的污染。四是利用飞机携带大气监测仪器，在污染地区上空分层采样，然后进行数据处理分析，如天津、太原曾用这一方法监测了大气气溶胶、飘尘、二氧化硫的时空分布特征和运移规律。在水污染的监测方面，我国先后对海河、渤海湾、蓟运河、大连湾、长春南湖、于桥水库、珠江、苏南大运河、滇池等大型水体进行了遥感监测，研究了有机污染、油污染、富营养化等；利用水体叶绿素与富营养化间的关系研究了滇池水体污染与富营养化状况；利用卫星遥感资料估算了渤海湾表层水体叶绿素的含量，建立了叶绿素含量与海水光谱反射率之间的相关模式，定量地划分了有机污染区域；利用水体热污染原理先后对湘江、大连湾、海河、闽江、黄浦江等进行了红外遥感监测。在固体废弃物的监测方面，利用遥感技术对我国多个城市的工业废渣和生活垃圾及堆放地与污染状况进行了监测，如中国环境科学研究院在“八五”期间采用遥感方法对北京市的垃圾堆放场作了监测研究。在生态应用方面，进行了多方面的工作。如较早进行的津渤环境遥感试验中，曾对天津市区土壤中某些重金属的污染状况做了监测、分析；此后不少城市利用遥感技术开展了城市热岛效应与生态环境研究，如天津市、酒泉市、昆明市等都进行了多级多时相的城市遥感监测研究。此外，我国在湿地监测、森林调查、草原监测，流域治理等各个方面都采用了先进的卫星遥感技术，完成的重大课题有资源环境动态遥感与模型分析试验研究、再生资源遥感研究、国家资源环境遥感宏观调查与动态监测研究等。二、环境保护卫星遥感需求分析监测是环境管理的重要手段之一，连续监测、定时监测和严格的管理相结合，才能准确地反映环境质量状况，才能有针对性地加强监督管理。 1.环境空气质量监测需求在与地面环境监测网配合的条件下，需进行遥感监测的大气污染因子有O3、CO2、SO2、NO2X、CH4及其它成分；对重要大气污染源实施监控，如黑度、烟尘、粉尘、SO2和NOX等。对主要气象要素，如大气温度、密度分层、地表温度和云量等物理特性进行监测。在正常的情况下，监测频率为每周进行三次左右的日常例行监测，对污染事故和生态事故每天需进行一次监测。空间分辨率为20m500m，以反映大气污染物迁移扩散的过程。2.水环境质量监测需求水环境质量监测的要素有水温、色度、悬浮物、叶绿素，有机物、总磷、总氮等指标(一些指标可以通过另外监测指标相关推得)。对我国大江、大河、沿海流域、港口、海湾实施日常例行监测每周需进行三次，对赤潮、溢油，重大污染物泄漏等污染事故，每天需进行一次监测。监测污染带的变化空间分辨率上需要3m20m，大江、大河及河口、海湾水环境质量监测空间分辨率上需要20m500m，以反映水污染物迁移扩散的过程。3.生态环境监测需求利用卫星遥感对自然生态进行监测的内容有：森林覆盖状况及生态功能动态变化监测、草地覆盖状况及动态变化监测、湿地资源状况及动态变化监测、生物多样性状况及动态变化监测，农村生态变化监测、矿资源开发的生态破坏的监测、城市开发建设状况和城市保护的监测等等。监测周期上可以10天或60天一次，对城市、农业生态监测的空间分辨率要求较高，需达到10m30m，自然生态监测的空间分辨率要求在20m100m。4.固体废弃物监测需求目前，地面垃圾乱堆放造成的环境污染在我国各大城市乃至乡村地带随处可见，“垃圾围城”的现象已十分普遍。遥感监测的内容有：工业、生活垃圾的堆放状况，堆放点的分布，堆放点的面积、数量等，优化垃圾处理处置场。从空间分辨率上要求比较高，达到3m10m的水平。5.重大开发项目、重大工程的环境与生态监测需求许多重大开发项目、重大工程不仅工程时间长，而且波及面广，工程建设的后续影响难以预料，所以需对工程效果进行长期跟踪监测，如三峡工程、南水北调工程、上海浦东开发区等引起的环境问题及工程建成后的环境状况令世人注目。因此，利用遥感技术对其进行动态、连续、准确的监视与评价十分必要，而且实施效果好。空间遥感可在建设期工程对生态、环境影响实施监控；在运行期对生态、环境的演变实施监控等。监测指标主要是水环境质量指标和生态环境质量指标。6.重大环境事故的追踪调查监测需求近年来，重大环境污染和生态破坏事故不断发生，如油船严重泄漏、大爆炸，特大沙尘暴，大量有毒气体泄漏，重大的水质污染等等。而在这些事故突然发生时，现有常规手段根本无法实现迅速、准确、动态的监测与预报，以致环保和有关部门难于快速、恰当地作出决策。需要利用遥感技术及时发现环境事故，对事故的发生和发展进行监测评估，制定紧急对策和措施。7.环境数据的卫星采集、传送目前，各监测点获取的监测数据都是通过电信部门经县地市省环保业务部门传到中国环境监测总站，数据传输环节多，难以使管理部门快速获得实时准确的监测信息。建立中国环境监测网卫星数据采集系统(传输网)，能真正实现监测网的统一管理，通过科学安排，使这些来自全国城乡各地，甚至偏僻地区的环境监测数据都能快速、准确、及时地传送到中国环境监测总站，而无瓶颈之虑。保证管理部门能尽快获得实时准确的监测信息。利用卫星和无人值守DCP是解决偏僻地区的环境监测和国界、省界断面的水质状况监测的唯一手段。利用卫星系统还能方便地设立移动站，为应急监测系统提供快速反应的技术支持。8.增强国际地位，维护国家利益需要随着环境问题日益国际化，环境保护工作已越来越多的与国家的权益以及外交工作联系在一起。只有掌握了环境监测的主动权，在维护国家的权益和外交活动中才有更多的发言权。因此，建立我国自己的环境遥感监测系统，不仅是我国环境保护工作的迫切需要，也是维护国家权益和外交工作的迫切需要。9.提高全球及我国环境科学研究水平大气和水污染，酸雨，气候变化，臭氧层耗竭等一系列环境问题不仅是我国，也是全世界所面临的严重问题。地球只有一个，几乎所有的环境问题都是全球性的，都需要用全球的观点来研究和解决。为此，采用卫星遥感这一面向全球的先进技术，是全球及我国环境科学研究的必要途径，它不仅可以为我们提供大面积，全天时，全天候的环境监测手段，更重要的是能够为我们提供常规环境监测手段难以获得的全球性的环境遥感数据，这些数据将成为我们进行环境监测，预报和科学研究不可缺少的基础。三、我国环境遥感应用存在的关键问题1.环境遥感监测的指标体系环境监测的内容很多，有生态环境、水环境、大气环境以及城市环境等专业领域，哪些指标能采用卫星遥感技术进行有效的监测，其最佳监测光谱分辨率、监测时间频率和监测空间分辨率，还不是十分清楚，更没有形成实用模型数据库。2.环境遥感应用的技术规范体系从国外研究资料表明，卫星遥感技术能够在环境保护领域中应用是无疑的。我国在这方面的应用还刚刚起步，没有形成系统的技术方法和规范。目前各部门、单位只进行零散的研究，这些研究工作不可能形成系统的应用能力。要得到全面的应用必须有一整套技术方法和规范，如国土资源调查规范等的出台，为卫星遥感技术在我国国土资源领域应用打下可靠的基础。3.卫星遥感地理信息系统建设天地一体化的卫星遥感地理信息系统建设没有上述两项基础工作是不可能完成的。尽管环境保护系统在硬件建设方面下了很大工夫，从国家级、省(市)级到地(市)级，均配备有较先进的环境信息收集、处理和应用的设备条件，但是由于缺乏大量环境保护专业应用系统，使得高档的设备随着时间的推移，逐渐老化。这些设备很大程度上没有发挥应有的作用。4.遥感地理信息系统的管理决策支持系统这一工作是将环境遥感和地理信息系统技术全面推向实用化，是遥感地理信息系统的最终应用，它需要前述三项工作基础，此外，还需要大量决策模型。5.可稳定使用的数据源不足从国内外文献资料分析，对环境遥感应用的数据源的要求很高，不仅仅是陆地卫星数据，还需要高光谱分辨率、高空间分辨率或高时间分辨率的卫星遥感数据源。我国资源卫星信息源的应用还刚刚起步。国外卫星资源很难做到同步监测要求。四、国家环境遥感应用系统建设1.环境遥感监测系统任务接收来自灾害和环境监测小卫星星座系统、气象卫星系统、资源卫星系统等各种环境监测信息，以及国家环境监测网站地面监测信息，结合国家社会经济及各部门环境与生态数据，进行综合处理与分析。根据卫星遥感信息，对森林覆盖、荒漠化、水土流失、湖泊干涸河流断流、湿地、绿洲、草场、冰川、河口、土地资源、城市等生态环境状况进行动态监测；对大气中二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等温室气体，二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)等致酸污染物，臭氧层变化等全球环境问题；湖泊富营养化、大江大河污染带、海洋赤潮污染等水环境污染，垃圾堆放等固体废物环境污染进行动态监测；对沙尘暴、赤潮、海上溢油、化学品泄漏等重大污染事故进行遥感监测，并制作和分发环境遥感数据产品。应用环境卫星监测与预报系统，结合现有地面环境监测站数据，建立天地一体化的全国生态环境遥感监测与预报系统，定期向国家报告我国大气环境状况、水环境状况、生态环境状况、固体废物环境状况及其污染趋势；建立重大污染事故应急监测系统。 2.环境遥感监测系统组成环境卫星监测与预报系统主要由4个部分组成，它们分别是：环境遥感地理信息系统该系统是国家卫星环境监测与预报中心的支撑系统。它将在全国环境波谱数据库、全国环境遥感影象数据库、全国环境背景地理数据库的支持下，通过在环境遥感地理信息系统平台上运行波谱分析软件，图象处理软件和地理信息系统软件，实现对灾害和环境卫星监测与预报卫星星座环境遥感数据的存储、处理和管理。环境遥感专业应用系统该系统是国家卫星环境监测与预报中心的应用平台，也是环境遥感地理信息系统的上层系统(它的输入就是底层系统的输出)。它直接利用环境遥感地理信息系统数据产品，在环境专业模型和环境反演模型的支持下，实现环境遥感专业数据产品的制作、灾害和环境卫星监测与预报卫星星座遥感数据的环境应用。环境遥感决策支持系统该系统是国家卫星环境监测与预报中心的最上层系统，它的输入既可以是环境遥感地理信息系统的输出，也可以是环境遥感专业应用系统的输出。它在环境预测、评价和决策模型的驱动下，利用环境遥感地理信息系统作为支撑工具，利用环境遥感专业应用系统作为应用基础，经过环境预测分析和环境评价分析，生成环境保护辅助决策方案，并进行环境遥感数据产品的制作和分发。数据网络环境国家卫星环境监测与预报中心将基于计算机网络技术建立高可用性和可扩展性的开放网络环境，并装备高性能计算机系统、网络服务器、海量数据管理系统和高速图象处理系统、高密度数字线性磁带存储设备、网络互联的数字化平台、可读写CD-RW、大幅面图形图象输入、输出设备等。随着我国航天事业的蓬勃发展，风云1号、风云2号卫星，资源1号、资源2号卫星的成功发射，为环境遥感监测提供丰富的数据源，必将为卫星遥感在环境保护领域的广泛应用起到积极推动作用，并更好地为环境管理决策服务。GIS发展的最新趋势及其应用前景地理信息系统 (Geographic Information System,简称 GIS)是一种以采集、贮存、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关数据的空间信息系统。在现代信息社会里 ,GIS作为一种集地理空间特征和各种统计信息为一体的特殊信息系统 ,是信息高速公路上的节点和基础设施 ,受到全社会的广泛关注 ,成为目前国内外地学领域热门的研究课题。 本文结合作者近几年来在国内以及在加拿大访问学习期间从事 GIS领域研究的工作经验与研究、学习成果 ,对目前国内外 GIS的最新发展及其应用前景进行探讨 ,以其同国内的同行与专家进行交流。 1.目前 GIS的主要研究领域与发展趋势 1.1 组件(Components)GIS Components GIS是一种新的 GIS开发思想 ,它是将 GIS功能分散制作成 Active X Control和Automation,这些标准的 Active X Control和 Automation可以被任何支持它们的开发环境调用 ,以便在原有的或新开发的信息系统中加入 GIS功能。目前国际上比较流行的Components GIS软件有 ESRI的 Map Objects,Map Info公司的 Map X等。 现在市场上流行的 GIS软件有很多 ,工作站版的有ARC/INFO,Intergraph,Micro Station,等；桌面 GIS系统有 MapInfo,Arcview,Auto Desk及国内的 Map GIS,Geo Star等。这些系统的共同特点是它们将图形处理 ,空间查询与分析 ,属性管理及其它GIS功能都包含在一个比较庞大的系统中。对于一些用户来讲这可能是比较适宜的 ,但对许多用户来讲可能会存在如下问题 : 1)对于大多数用户来说 ,他们可能只需要部分而不是全部 GIS功能,用户必须为购买整个GIS软件系统而支付较高的费用。如基于 GPS和 GIS的城市交通管理系统或者用于环境分析的GIS系统 ,可能就不需要很强的图形处理功能。而用于城市规划的 GIS系统或基于宗地的地籍管理系统则要求较强的图形处理功能。如果使用 Components GIS进行系统开发用户就不需要购买整个 GIS软件系统 ,而只要在 GISComponents的基础上进行开发组装即可。 2)由于大部分 GIS软件都需要进行二次开发后才能满足用户的特殊需要 ,而目前的 GIS软件所用的开发工具有许多并非标准语言。这对用户提出了较高的要求 ,也对原有系统的改造带来许多不便。而 Components GIS一般都支持标准的开发语言 ,如 Visual Basic,Visual C+,Java等,这对于专用系统的开发比较快捷和便利。 3)利用 Components技术更容易建立 Internet GIS或 Intranet GIS信息系统。 1.2Internet或 Intranet GIS 信息高速公路的建立极大地方便了世界各地用户间信息交换与信息查询。由于 GIS能提供丰富的空间查询、空间分析及属性管理功能 ,因此GIS正在成为 Internet(国际互联网 )或Intranet(企业局域网 )的一个主要内容。建立 Internet GIS的主要目的在于以下几个方面 : 1)远距离空间数据共享与信息查询和交换 ； 2)为公众提供 GIS服务 ； 3)建立大规模甚至超大规模的空间网络信息系统 ； 4)为其它学科的研究提供基础信息资料。 目前用于 Internet GIS系统开发的工具主要有 ESRI的 Map Objects IMS(Internet Map Sever)和 Arc View IMS,Map Info公司的 Map Xtreme以及网络版的 Autodesk等。 Internet GIS主要由空间数据库、Internet应用程序及用户界面几个部分组成 ,由于篇幅关系 ,作者将在以后的文献里专门论述 Internet或 Intranet GIS的结构、数据管理、系统开发建立过程等。 1.3 Data Warehousing Data Warehousing的字面意思是建立数据仓库。由于空间数据量非常大 ,这些数据大都分散在政府和私人机构及公司的各个部门 ,数据的管理与使用变得非常的复杂。但同时由于这些空间数据具有极大的科学和经济价值 ,因此大多数发达国家都比较重视空间数据库的建库工作 ,在这些国家一般都有许多研究机构和政府部门参与到空间数据库建立的研究工作中。目前在北美、欧洲、澳大利亚等国提出了 SDI或 NSDI的概念。 SDI的全称是 Spatial Data Infrastructure,NSDI的含义是 National Spatial Data Infrastructure,其字面意思是 (国家 )空间数据基础设施。98年6月份在加拿大首都渥太华召开的第十届国际地理信息工程学术会议更把 SDI作为本次会议的主题 ,可见国际上对地理空间数据基础设施建设的重视。国家测绘局也积极地推进我国SDI的建设工作 ,并提出规划模式 ,部分内容已经在实施当中。 1.4 3D GIS 地球以及各种物体都是以三维空间的形式存在的 ,因此目前二维 GIS技术或二维半 (平面X,Y坐标加高程 )GIS对于完整的描述地球上的对象是有一定限制的。需要用三维空间来描述的应用领域有如下几个方面 :气象学、地质学、采矿学、石油勘探与开发、计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、医学影像和机器人学等。一个三维 GIS空间信息系统应该能够模拟、表示、管理、分析与三维实体相关的信息 ,并提供决策支持。 1.5建立大型 GIS空间数据库的新方法 GIS系统一般由两个部分组成 :其一是应用程序 ,它包括专门的 GIS应用软件以及用标准或非标准程序语言所开发的用户界面及系统工具 ；另一部分是数据。在 GIS系统中 ,空间数据库的建立是一项非常复杂的工作。目前大多数 GIS系统中在处理空间数据和属性数据时都是将两者分开存放和管理。比如在 Map Info系统中用 Map来存放几何和空间数据 ,而用 dat来存放空间实体的属性数据 ；又如在 Arc View系统中用Shapefile来存放几何和空间数据而用 DBF来存放属性数据。上述数据管理和存放方式对于小型的 GIS系统有一定的优越性 ,但对于建立以面向对象为基础的大型 GIS系统就存在很多缺陷。因此 ,现在已经出现了一些新型的 GIS空间数据库管理系统 ,这些新的系统将空间数据与属性数据存放在同一个数据库管理系统中。如 Oracle开发的 SDO和 ESRI开发的 SDE(Spatial Data Engine)都属于这种类型的空间数据库系统。 1.6GIS与多媒体数据及 GPS和 RS的集成 GIS与多媒体数据及 GPS和 RS的集成使得基于空间数据的信息管理系统变得更加灵活多样 ,极大地拓宽了信息来源渠道 ,方便用户对各种信息的存储与管理 ,同时能够建立起更加科学的决策系统。 目前在 GIS中可以使用多种形式的多媒体数据。比如在 Arc View中通过使用 hot link或其它工具 ,可以把 Word文件、Excel电子报表、VCD声像资料、摄影像片、卫星影像等纳入到 GIS系统中 ,用户可以根据需要对这些信息进行查询和管理。GIS与 GPS和 RS的集成问题已被研究了多年目前已进入实用开发阶段。笔者在加拿大学习访问期间曾参与了一个GIS应用系统的开发研究工作 ,其中用 Arc View作为系统平台 ,用面向对象的程序语言 (Object- Oriented Programming Language)Avenue作为开发工具开发出了一个用于特种工业管理的基于 GIS的信息管理系统。整个系统的管理包括原材料产地、加工厂、运输过程、产品更新换代储存地、产品销售地等环节。在此系统中就使用了 Excel电子报表、Word文档资料、像片 (Photos)、影像(Images)、影视片 (Video)及GPS动态数据。 1.7开放型 (Open)GIS 目前一种多用户、跨平台的 Open GIS技术正在被国外的许多研究机构、政府部门和高等院校所研究和开发利用。开放型 GIS的研究和应用使得各政府部门及企业之间不同格式的数据能够方便地互访 ,有利于网络GIS及分布式 GIS空间数据库的建立 ,使 GIS的应用领域及其功能大大拓宽。 1.8虚拟现实技术 虚拟现实是目前 GIS研究领域的另一重要方向。虚拟现实是对人类真实世界某一部分或某一过程的逼真模拟 ,给人提供视觉、听觉、触觉、力觉、嗅觉等信息 ,令人完全置身于虚拟世界中 ,感受与现实系统一致或接近 ,从而让人产生一种虽幻犹真的沉浸感。美国 Multi Gen公司生产的Multi Gen软件已可以利用地理信息中心的数字地形海拔数据 (DTED)、数字文化特征数据(DFAD)和与之配套的航空或卫星照片 ,快速高效地构造任何地区的地形地貌和文化特征。 2GIS的主要应用领域 自 6 0年代加拿大建立世界上第一个地理信息系统并由 Tomlinson率先提出 GIS的概念之后 ,在最近的二十多年时间里 GIS的研究与应用得到了突飞猛进的发展。尤其是在应用方面 ,目前 GIS已经被应用到环境模型建立、城市规划与管理、社会经济统计与分析、土地管理、地籍测绘与管理、交通与管道管理等与空间信息有密切关系的各个方面。下面对 GIS的主要应用领域作一简单的总结。 2.1环境保护与管理 主要用 GIS建立环境模型和环境信息系统 ,对环境的变化及发展趋势进行预报分析 ,同时通过统计分析及模拟研究为环境保护提供决策依据。此外 ,GIS技术也已被用来建立植物种类与栖息地及环境因素有关的信息系统中。 2.2社会调查与统计分析 GIS在国外已被广泛的应用到人口学、选举、人文地理等方面 ,我国也已经开始开展这方面的研究和应用工作。 2.3城市基础设施管理 城市基础设施主要是指城市地下管道 (包括自来水、污水排放、煤气等管道 )、通信网络、邮政网点、道路与交通设施等。由于这些设施同时具有与几何和空间位置相关的特性 ,建立基于 GIS的信息系统能够提高对这些设施的管理水平 ,同时能够极大地提高设计与施工、设备维护与故障排除、线路改造等方面的效率 ,从而产生巨大的经济效益和社会效益。 2.4土地信息系统的建立 GIS最早是从土地信息系统 LIS建立的过程中发展起来的 ,而大量高质量 GIS软件平台的出现又促进了土地信息系统的建立。目前基于 GIS软件平台的土地信息系统无论是图形处理、空间分析与统计、属性信息存储与查询、统计报表生成、决策支持等方面都比早期的土地信息系统有较大的改进。我国已经把土地信息系统的建设纳入了法制轨道 ,新颁布的中华人民共和国土地管理法第三十条明确规定“国家建立全国土地信息系统 ,对土地利用状况进行动态监测”。 2.5GIS在其它领域的应用 GIS已被广泛地应用到一些其它领域 :城市规划、房地产开发及物业管理、商业开发与购物中心设置、资源调查、灾害预报与灾后评估、金融机构与投资分析、地质普查、采矿等。 3GIS应用的前景与存在的问题 3.1面临的机遇 目前 GIS的研究和应用都处在一个高速发展的阶段。在国外 GIS技术已被各级政府部门和企业界广泛认知和采用。尤其是在北美、欧洲、日本和奥大利亚等国家和地区 ,GIS市场已经基本形成。GIS数据公司和软件公司比较多 ,他们在 GIS系统建立和空间数据的使用方面已有了一套比较规范和成熟作法。在我国 GIS技术也正被越来越多的政府部门和大型企业所采用。虽然起步较晚 ,但是有后发优势可以少走弯路 ,以比较高的起点开展 GIS的理论研究和开发应用工作。 3.2存在的问题 与国外对比分析 ,目前我国 GIS发展中存在的问题主要表现在如下几个方面 : 1)GIS的科学和经济价值尚未被广泛地接受和认知 ,因此处于资金投入不足、推广应用比较困难的局面。 2)根据有关资料的分析 ,地理信息系统中数据部分要占整个系统投资的百分之七十左右 ,也就是说 GIS系统的建立需要大量的数字地图或电子地图及其属性信息库的支持 ,但在我国地图数字化的比例还很低。这需要政府部门及有关企业投入大量的精力及资金进行数字地图的建库工作。 3)GIS市场尚未形成 ,有关数字产品的法律、权属、定价等方面的问题还没有得到有效的解决。 4)有关数字地图产品的规范和标准 ,以及数据格式有待统一和完善。 5)我国具有自己知识产权的 GIS系统平台比较少 ,目前只有 Map GIS,Geo Star等少数几个产品 ,大量进口 GIS系统平台增加了 GIS应用开发的成本。而且 ,由于国情不同进口 GIS软件二次开发的工作量一般都比较大。 4结论 本文分析探讨了 GIS目前的主要研究领域 ,及其在国内外的应用情况。GIS目前虽还未被定义为一门科学 ,而仅被认为是一项专门的技术 ,但由于其潜在的科学与经济价值巨大 ,而且应用领域极为广泛 ,随着计算机软、硬件技术的发展和 GIS数据处理与数据建库技术的进步 ,GIS将会在理论研究和应用开发方面得到更大的发展。 国产GIS之路从六五算起，我国GIS已经走过了近20年的风雨历程。尤其在九五期间，发展国产GIS软件首次被列为国家科技攻关重点项目，并取得了突破性的进展，一批技术水平高、有竞争实力的GIS软件浮出水面，并占有了一定的市场份额。目前，国家科技部已经决定，发展GIS软件产业将成为十五期间发展我国软件产业的主要突破口之一。九五即将结束，国产GIS 软件发展水平究竟怎样？如何取得更大的发展？近年来，GIS被世界各国普遍重视，尤其是1998年初，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心所作的题为数字地球-认识21世纪我们这个星球的讲话中提出的新概念在全球掀起了数字地球热，使其中的核心技术GIS更为各国政府所广泛关注。有人曾做过统计，在经济建设和日常生活活动所涉及的信息中，有75%80%的数据是空间数据。目前，GIS已不仅仅用于资源调查、环境评估等方面，更深入到区域规划，公共设施管理、交通、电信、城市建设、能源、电力、农业等国民经济的重要部门，在国家宏观决策、国家安全等领域起着重要的作用，并正在步入千家万户中。九五期间，我国科技部在高新技术领域主要抓的两件大事，一是CAD/CIMS，另一件就是GIS。从1996年开始，科技部每年对国产GIS软件进行测评，根据优胜劣汰法则来确定下一年科技攻关的承担单位。测评工作的开展促使GIS迅速从学校和科研院所的实验室里走出来，面向应用，面向市场。参加测评的软件逐年增加，水平也在不断提高。一些中小型GIS软件产品在功能和性能上已接近国际先进水平，甚至某些性能指标优于国外优秀软件，已应用到实际工程中。在测评中连续3年名列前茅的国产中小型GIS基础软件平台MapGIS，其大多数模块比较成熟，实用性强，在大数据量管理和空间分析、网络分析及综合应用等方面表现优秀。在缓冲区分析、全库查询性能方面优于国外同类软件，其中，大数据量缓冲分析比国外著名的GIS软件快14倍。目前已成功应用于电信、建设规划、土地利用、设施管理、地图出版等领域，并在我国神洲号宇宙飞船发射和其他人造卫星发射中发挥了重要作用。该软件的装机量已达到4000多套，占有相当的市场份额。另一个敢与洋软件叫板的是国产AM/FM/GIS应用开发平台Crow，它在技术上超过了大部分国外软件，处于国际领先水平，已成功地应用于电力、交通、消防、燃气等领域，去年实现的武汉三镇近80个用户的电力配网应用是我国目前GIS用户规模最大的一项应用。该软件在电力配网工程竞标中屡胜国外软件的故事在业界传为佳话。最近进行的抽样调查结果表明，国产GIS软件的使用量已占全国各类GIS软件使用总量的28.9%，并且，越来越多的应用单位开始将国产GIS软件列为工程实施的首选目标，其比例已接近50%。最近4年来，国产GIS销售额平均年增长率超过100%，去年，仅科技攻关支持的企业GIS销售与技术服务的产值就超过了8000万元。由此可以看出，国产GIS软件的发展势头良好。 值得注意的是，国产GIS软件面临的形势依然严峻。有关专家指出，我国GIS产业目前正处于起步阶段，随着产业化的推进，暴露出不少存在的问题，严重阻碍着GIS产业健康有序地发展，如：产业结构不合理，表现在地理数据产业没有形成，地理数据还没有成为真正意义上的商品；数据共享机制没有建立，导致大量重复的低水平数据制作；数据更新能力不足；缺少一定数量的GIS应用服务企业；缺乏良好的环境和有效的GIS产业社会支撑体系；标准规范不齐全，市场体系不完善，产业政策不配套；软件产品系列不完整，技术创新力度不够等。如何解决以上问题，以使我国GIS产业能有一个大的发展？科技部表示，十五期间，国家将加大对GIS软件的支持力度，将围绕建立一个工程（数字化中国工程）、完善两个体系（国家对地观测体系和国家空间信息技术应用体系）、发展三个产业（空间数据服务产业、空间信息软件产业、及空间信息应用产业）来开展空间信息技术领域方面的工作。在GIS方面，以发展产业为目标，从加强推广应用、实现传统行业改造着手，开展关键技术研究攻关和应用示范工程的开发，促进GIS在资源环境、城市建设、电力、通信、交通、农业等方面的应用，为建立中国的数字地球奠定技术基础、软件基础和应用基础。具体发展目标是：开发具有自主版权的全系列GIS软件产品，包括基础软件和应用开发平台软件，特别是开发网络环境下的大型GIS软件产品，替代进口，占领国内市场，扶植一批在国内外有竞争力的GIS软件企业和二次开发商，发展和壮大GIS产业；到2005年，国产软件争取达到国内使用总量的40%50%，软件商品销售和技术服务年产值达到5亿10亿元人民币；建立全国范围的GIS技术培训体系和推广应用网络，开发510个对国家建设和社会安定有重大促进作用的大型GIS应用示范工程，以及50100个各种类型的中小GIS应用示范工程。城市自来水企业信息集成应用初探1 前言 为了满足城市快速发展的需要，城市供水企业近年来不断采用新的技术、新的工艺，用以提高城市的供水能力和服务质量。其中自来水厂监控系统在全国大多数城市得到广泛应用，还有一些城市的供水企业正在逐步采用GIS技术管理供水管网信息、用计算机实现收费营业电算化。这些先进的信息、计算机、通讯和自动控制等先进技术的应用，的确为供水企业的现代化运营解决了很多的实际问题。但是，我们也应该看到还有很多深层次的问题尚未得到卓有成效的解决，究其原因主要是因为：供水企业的运营包括从产水、输配水、管理和收费多个环节，仅在某一环节采用新技术并不能解决所有问题；企业运营的各个环节是密切关联的，分离的系统无法实现整个运营的系统性；系统运营的很多因素是有统计规律和相关性的，目前的系统无法从这些规律和相关性得到可以辅助决策的信息。因此，要达到自来水企业的最优化运营，就需要系统分析企业的运营模型，找到每个环节的相关性，获取综合的有效信息，综合历史信息，优化企业的运营，提供辅助决策。以产水到用水的整个过程为主线，以企业的管理现代化为辅线，把信息技术在企业集成应用，实现从产水到用水的最大效益，是我们对以上问题的一个有益探索。下面我们从供水企业的运营模型着手，分析企业的信息模型，并给出基于GIS平台的供水企业信息化应用方案。2 运营模型 供水企业的运营主要围绕水从水源、水厂经过输配网最终到水用户的生产/消费链而进行的，其模型如图1。 生产调度通过实时采集水源和水厂的变电设备、电器开关、加压泵等设备运行参数和流量、出水口压力、余氯等控制参数，以及输配网上压力监测点和水库水位监测点的控制参数，动态自动控制水源、水厂设备的启停和运行，使整个输配网上的水压保持最佳的分布和平稳状态，从而为用户提供高质量的供水服务，减少输配过程中水的损失，最大限度延长管网的使用寿命，最终提高水厂的运营效益。 管网管理主要实现输配水管网信息管理，管网的新建、维护和改造以及水用户的管理。它必须能够保证管网信息的准确、全面和现势，满足管网规划、设计、施工和维护的要求。 营业收费完成水用户用水量的验抄、统计，根据水用户性质和收费项目的规定进行计费收费。 公司将综合生产调度、管网管理、营业收费的各种信息，结合公司的营业策略，对整个企业的运营进行科学合理的决策，从整体上实现对公司营业的宏观管理。 3 信息模型 企业运营的信息流如下图2所示。 系统运营的信息包括变化的动态信息和相对稳定的静态信息。动态信息主要是通过动态监测系统获取的实时变化的信息，主要包括水厂（水源地）配电设备、工艺设备的运行状态信息，比如变压器的电压电流、配电开关的闭合状态、加压泵的电压电流功率等；水厂出水口压力、流量和余氯等工艺参数信息；管网压力监测点的压力信息和水库的水位信息。这些信息一方面通过自动控制系统反馈，控制水厂设备的正常运行，另一方面送到公司进行综合分析。还有一类动态信息就是水厂累计流量信息、水厂设备和管网维护信息、漏水调查信息以及用户用水量信息，这些信息经过综合分析，为供水管网的平稳运行、故障排除、查漏维护提供决策支持信息。静态信息包括企业变化缓慢的一些业务信息、地理信息和企业运营的历史信息。这些信息和动态信息相互结合，提供更好的决策支持信息。更好的决策支持信息返回来对水的生产消费环节产生作用，使其成为良性的循环链，达到最大运营效益的要求。4 体系结构 无论是动态信息还是静态信息，它们都和其实体所在的地理位置密切相关。因此构建以GIS为平台的信息综合、分析和决策的供水企业信息系统是一种最佳选择。GIS是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理地理数据的通用技术，GIS所特有的空间分析功能和可视化表达方式正符合供水管网信息所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点。同时GIS也是把供水企业的各种信息有效聚合的粘合剂，所有的信息通过和地理位置相关，就可以达到有机结合的目标。通过将各种信息在GIS平台上的集成，从而为企业提供更深层次的信息化应用。以GIS平台为核心的供水企业信息系统的体系结构如下图3所示： 信息平台的数据输入/转换中间件可以把企业各种底层设备获取的信息采集到系统的数据库中。对于不同的底层设备，只要开发相对应的数据输入中间件，就可以很容易接入到系统中去。而基于该信息平台，用户可以进行各种需要的企业信息化应用。而这些信息的获取、存贮、组织都完全由该信息平台来实现，从而使系统具有很好的可扩展性和开放性。同时，系统把企业的各种信息集成在一起，实现信息的集成应用。5 系统组成 5.1 系统的硬件组成系统主要基于供水企业内部网络，并包含动态监测的远程无线通信网络。网络逻辑如图4所示。5.2 系统的软件组成 系统包括六个软件子系统：动态信息采集/命令发布、动态监测、管网管理、抄表收费、决策分析、办公自动化和企业网站。下面分别介绍它们的功能和实现：1)动态信息采集/命令发布子系统主要功能是按约定的通信协议与自来水公司下辖的水源地、水厂、水库和管网压力监测点之间进行通信，实时地把水源、水厂的配电、工艺设备的运行状态参数和水压、流量、余氯工艺参数采集到中央数据仓库中，进行集中的处理。同时也可以把动态监控的命令和数据下达到控制的设备。另外子系统还具有过滤存储动态显示数据边界处理和自动报警等功能。2)动态监控子系统主要功能是根据控制规则和获取的动态监测信息，对整个企业的运营设备（水厂配电和工艺设备及输配水管网设备）实施监控。通过监测动态运营信息，系统可以实时显示每个设备的运营状态，并且可以根据历史信息和当前的实时信息给出各种控制参数的变化趋势图表。另外还可以采用一定的优化策略或人工方式，来最佳地调度运营设备的启停和运行，达到遥控的目标。3)管网管理子系统 管网信息是不断变化着的。各种图形信息、属性信息都需要适时进行更新。管网管理用户直接面对那些复杂繁琐的数据处理软件会感到非常麻烦。所以该子系统的管网维护部分就是按照用户的定制要求制作一个数据处理环境，采用数据处理向导，让用户通过非常简单的数据处理步骤来更新管网数据。同时，这个系统还提供分布式存储的数据同步、上传、下载，数据的备份和恢复，以及多种格式的数据导入和导出的功能。该子系统的另外一部分，主要提供可视化的管网信息浏览、专业和组合查询、单项和双项统计、数据汇总、固定比例和自定义比例的打印输出功能。它的使用符合业务流程、易用、实用、美观。4)抄表收费子系统系统支持手持抄表机和人工收费两种模式进行收费。收费前由收费人员通过营业所客户端计算机将收费区域内的水用户信息从收费服务器下载到抄表机，或者打印收费用户信息表格。抄表员收费时只需输入或者记录本月水表指数，最后将结果再通过营业所客户端计算机上载回服务器或者通过录入软件输入到服务器。整个过程对于水用户和抄表人员来说都是透明的，只需录入一遍水表指数信息，系统就可以自动计算每个水用户的水费信息，并以此进行收费。本系统可以进行计费、收费信息的查询、统计、报表打印和发票打印。5)决策分析子系统本系统主要基于中央数据仓库的信息实现一些分析功能，为企业决策层提供决策支持。包括用于市政拆迁的缓冲区分析；用于处理爆管事故和维修的最短路径分析、连通分析；用于施工参考的剖面分析；用于水厂建设和管网发展规划的平差分析；优化水厂生产的调度分析；辅助漏水调查分析等功能。6)办公自动化和网站子系统为供水企业的内部管理提供便利。包括企业内部公文处理；企业管理的各种数据汇总和报表、成果图；企业职员管理；企业档案管理等。通过构建企业网站，实现企业形象对外宣传、企业信息对外发布等功能。构建在GIS信息集成平台之上的六个子系统，每个都具有相对独立性。它们既可以独立工作，也可以协同工作。6 结语 基于GIS的供水企业信息集成系统通过对水的生产、输配、消费整个运营过程进行动态监控和优化管理，最终可以实现企业的高效益运营，实现企业管理的现代化、规范化和科学化。GIS平台和部分子系统在榆次市自来水公司的实际运行证明，我们的探索是行之有效的。遥感辐射特性研究的现状与展望遥感辐射特性研究主要是研究电磁波在介质中的传输特征和规律，电磁波与大气圈、水圈、生物圈及岩石圈内典型目标的相互作用和成像机理，遥感信息传输模型，大气辐射影响校正方法以及遥感信息定量反演技术。通过几十年来的研究，特别是近5年来的研究，在遥感辐射特住研究方面取得了很大进展。我所在这一领域的研究也取得了显著成果，并在实际应用中发挥了很大作用。一、研究现状1遥感信息与地物相互作用-地物波谱特性研究（1）地物波谱特性的观测自1948年原苏联的克里诺夫出版了有关地物波谱特性研究和书以来，人们开展了大量的地物波谱特性研究。60年代美国为发射地球资源卫星曾全面地开展了地物波谱特性研究1。70年代该项研究进入高潮。目前研究的波段基本覆盖了遥感所使用的波段，测量和研究的对象包括了自然界的植被、土壤、岩石、水体和人工建筑等地物。这些研究对人价：认识遥感成像机理、遥感图像解译、计算机分类、遥感仪器最佳探狈1波段选择和遥感仪器研制等起到了推动作用2，3。随着遥感应用的深入，遥感信息与地物相互作用的研究有了进一步发展；特别是成像光谱仪的应用，不仅显示了地物波谱特性研究的重要性，而且也推动了这一领域的研究。因为它可以获得图谱合一的信息，可以直接将地物波谱特性和遥感图像结合在一起，在图像分析和应用方面都取得了很好的结果。 近5年来，我们结合遥感应用项目，用高分辨率光谱辐射计研究了植被光谱的动态变化、植被光谱与覆盖率及叶面积指数的关系等4，为建立遥感农田蒸散模型和作物估产模型提供了基本依据，也为成像光谱仪的应用提供了基础数据。（2）热红外和微波波谱特性研究在地物波谱特性研究中，人们发现对热红外和微波波段的研究水平远不如可见光、红外、短波红外波段的研究。随着热红外和微波遥感仪器的应用，这两个波段范围的地物波谱特性显得越来越重要。例如，热红外波段的地物波谱特性和热红外发射率特性都是目前研究重点；而在微波波段，自70年代初期开展的介电特性研究开始，进而开展了大量的微波辐射特性、散射特性、穿透特性和极化特性的研究，对人们认识地物在微波波段内的基本特性起了推动作用。随着这二个波段内新型遥感仪器的使用，对其研究的要求更加迫切、必将推动这一研究的进展。近年来我们集中研究了岩石、植被、土壤和水体的热红外特性，红外辐射温度的日变化特征等，这项研究为建立土壤水分的热惯量模型和土壤、植被、大气综合信息流模型奠定了基础。在微波波段开展了x和L波段对土壤和植被散射特性的测量和分析以及对植被穿透特性的分析等7 （3）地物二向性反射特性的研究地物的角分布特性研究之所以引起人们的广泛兴趣，是因为在测试研究和理论模型研究中，人们发现在主平面内的地物反射具有更丰富的信息，尤其是热点。这种研究多数是对植被的研究。但是，地物二向反射特性研究主要是在可见光和近红外波段内。而对热红外波段内的这种特性研究却很少见。在主动微波遥感中，地物散射特性的测量可以说是地物二向反射特性研究中的特例，它是测量地物在主平面内“热点”的特性。而在以太阳为光源的地物二向反射特性测量中，严格他说，是测不到真正的“热点”特性，而微波后向散射就是地物的“热点”特性，人们在此方商开展了大量的工作。在植被二向反射特性研究中，我们集中开展了大量的测量研究，改进了测量方法和技术，为模型的验证提供了可靠的数据。在微波波段研究了植被的后向散射，即“热点”特性，分析了微波在植被中的传输（7）。（4）地物波谱与地表特征关系的研究地物波谱与地表环境特征间关系的研究是将遥感应用于资源调查和环境监测的纽带。在近年来的地物波谱特性研究中，人们十分注意这方面的研究。而在地物波谱特性与地表和环境特征间关系的研究中，又以微波研究最为活跃。譬如，在研究微波遥感监测土壤水分中，人们不仅研究微波辐射亮温或发射率、后向散射系数与土壤水分的关系，而且还广泛地开展了土壤质地、地形、地表粗糙度、植被对微波特性的影响和穿透特性等，以及消除这些影响的方法，从而使地物波谱特性研究更深入一步。我们在微波遥感土壤水分研究中，不仅研究了土壤水分与散射系数的关系，而且也研究了土壤粗糙度、土壤质地、植被等对散射特性的影响（6，8）。例如我们在研究土壤水分与后向散射关系中发现，土壤质地对后向散射影响的研究还不够深入，我们选择了23种土壤质地（包括土壤质地分类中的10种类型，可以概括目前所有土壤质地特征），利用实验和物理模型，计算了9个频率的各种土壤质地的介电常数和后向散射系数，分析了不同土壤质地在不同波段中对后向散射的影响，评价了消除其影响的方法和结果。 2遥感信息在介质中的传输及真模型(1)遥感信息在大气中的传输 它始终是人们关注的焦点和研究中的难题，主要的难点是大气参量的随机性，大气参量难于测定或存在着较大的误差。重点要解决气溶胶的估算、水汽和吸收气体成分的探测和反演。在热红外波段，例如NOAA一AVHRR第4，5通道数据的大气校正，一般采用两种方法：一是分离窗技术，认为地表温度是第4通道的亮温与第5通道亮温差的线性结合，不同大气状况其系数不同。这种方法对反演地表辐射温度特别是海面温度起到了一定作用。二是利用与AVHRR数据同时获得的大气垂直探测数据TOVS资料而获得的有关的大气参数，利用大气辐射传输方程，进行大气订正和地表温度反演。我们在研究大气辐射传输基础上，应用气溶胶模型和TOVS资料，对NOAA一AVHRR数据进行大气影响订正，发展了相应的软件并已应用到黄淮海平原旱灾的遥感监测中（9，10）。（2）遥感信息在土壤中的传输遥感信息在可见一短波红外波段的传输主要以反射的形式进行，所以它表征的只是表面特性。例如土壤的颜色、质地、颗粒大小、粗糙度、表层水分等，其传输模型也应考虑其方向特性。在热红外波段，其传输模型主要是基于能量平衡原理而建立的能量传输模型。这类模型中最典型的是热惯量模型。通过地表热通量方程及地表能量平衡边界条件，而获得地表热惯量与遥感信息的关系，从而用遥感数据估算热惯量。在微波波段中，被动微波的信息也是通过能量传输的形式。在土壤水分监测中，通过微波亮温或发射率建立统计模型。其物理模型是考虑了地表的菲涅尔反射系数、地表粗糙度等而建立的，从而可估算地表的亮温和发射率。主动微波遥感，其传输体现在后向散射；一般将土壤看作面散射，在有穿透时，可考虑其体散射。在监测土壤水分中比较简单的方法是建立实验模型，但不具普遍性，因此发展物理模型是必要的。目前已发展了一些关于土壤的物理模型，比较有用的模型有3种：几何光学模型、物理光学模型和微扰法。在土壤的能量传输模型研究中，近年来我们在表观热惯量模型研究的基础上，又发展了真实热惯量模型。通过热传输方程的傅立叶求解，获得了热惯量与遥感信息的关系，从而可以利用遥感图像直接计算土壤的热惯量。我们利用这个模型，成功地使用NOAA-AVHRR图像计算了土壤的热惯量，进而计算土壤水分，并应用到黄淮海平原旱灾的遥感监测中（11）。在微波波段我们研究了土壤的三个物理模型，并结合土壤水分的监测，建立了土壤水分和后向散射的关系（12，13）。现正在研究土壤微波亮温或发射率与土壤水分的实验和物理模型。（3）遥感信息在岩石中的传输遥感信息在岩石中的传输与土壤相似。我们开展了岩石在不同压力下能量场变化的研究。这是遥感应用于地震预报的基础试验14，15。选取26种岩性的34块岩石样品在5oot岩石压力机上进行单轴加压直至样品破裂实验。使用应变仪、位移计、声发射仪测量岩石样品的力学性质，使用遥感的便携式地面瞬态光谱仪、可见光至短波红外光谱仪、红外光谱辐射计、红外辐射温度计和热像仪，测试了在0。4-15um波长区内岩石样品在不同压力下的光谱辐射特性。其结果表明：1）随着岩石载荷增加，红