雷利元,张 笑,尤广然,赵东洋,吴英超

(辽宁省海洋水产科学研究院,辽宁 大连 116023)

0 引 言

近年来,随着现代技术的迅速发展,3S技术即遥感技术(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)在军事、民用领域得到了广泛的应用。美国是最早应用3S技术的国家,70年代初期首先应用于军事,在导航、情报收集、核爆监测、应急通讯和气象卫星、环境保护等领域走在世界前列[1]。随后世界各国竞相研发,3S技术日趋成熟,是军事领域不可或缺的手段,同时在民用领域,如在国土资源调查与管理[2]、城市规划[3-4]、车船导航[5]等方面应用也十分广泛。3S技术可以说是科技领域中的一场革命,它的发展与应用对今天的数字化和信息化建设具有重大意义[6]。

3S技术也是科学研究的重要手段,它改变了传统的调查方法,具有更直观、数字化、信息化的特点,也是目前大范围调查、区域调查的首选方式。本文所探讨的辽宁省海岛地名普查采用了3S技术,运用RS技术解译影像获取海岛位置、面积、岸线长度、植被类型等基础数据、利用GPS技术快速准确导航定位和测量历史文化遗迹、灯塔、码头等海岛特征地物点、在GIS平台上进行海岛地名信息和地理基础数据的集成及数据信息化建设,全面展示了辽宁省海岛地名普查成果。

1 3S技术在辽宁省海岛地名普查中的应用

辽宁省海岛地名普查作为全国海域海岛地名普查工作的重要组成部分,按照国家和辽宁省有关要求必须在全部外业现场调查的基础上,确定全省海岛数量,查清海岛地名现状,掌握海岛基础地理要素、社会属性和生态环境,包括海岛地理位置、岸线长度、陆域面积、近陆距离、高程、居住人口、开发利用现状等,同时要求按规定程序对海岛进行命名、更名等名称标准化处理,同时开拓性的设置海岛名称标志和建立海岛地名信息系统[7]。

1.1 RS技术应用

遥感技术(RS)主要用于获取海岛的地理位置、量算海岛面积与岸线长度、识别植被类型和制作外业实地勘测时的调查工作图。应用方法是把前期收集到各个时期的遥感影像图通过GIS,识别海岛及提取其位置坐标,量算海岛面积和岸线长度,解译植被类型,形成外业调查遥感目录及地理基础信息数据层,作为外业实地普查目录一个重要的数据源和不可或缺的参考资料。它与前期各种史志文献资料整理和海图、地形图矢量化形成的资料整理目录进行叠加研究,形成最终的完整的海岛外业普查目录,同时这种研究跟实地调查相结合对调查方案的制定、对调查路线、调查目标的确定及实施将非常具体和高效。同时根据海岛在遥感影像中显现的形状进行海岛命名、更名,成为海岛名称标准化处理一种重要途径和手段。另外,在对海岛的判别、面积和岸线长度量算和植被类型分析中遥感技术因受遥感影像成像瞬时性、海洋潮汐潮差等影响,应用受到了一定限制。

1.2 GPS技术利用

全球定位系统(GPS)主要用于现场识别海岛导航定位、绕岛记录航迹线及登岛勘察测量。因在GIS中将外业调查的遥感目录与资料整理目录进行叠加形成外业普查目录的信息来源中,在各个时期的史志文献资料中存在历史资料不尽详细和准确可信,图形图件资料中存在坐标系不明确或者不统一以及纸质图件矢量化过程中的误差,遥感影像提取的信息受其成像时间和空间精度的影响,一些信息的准确性、完备性不全面,尤其可能存在尚未掌握的海岛及地名信息,如何判断、界定和甄别这些信息,按照调查实施方案运行研究课题,一是需要现场勘察和确认,特别部分海岛面积小,靠人的视野很难辨别,这就需要通过GPS的导航定位到现场确认和判别海岛体是否存在或者灭失。二是按照调查规程的要求利用GPS技术在绕岛过程中记录航迹线和登岛调查时测量海岛的地理位置、名称标志、历史文化遗迹、码头和灯塔等海岛特征地物点及岛上的开发利用现状。三是外业调查中使用的数码照相机带有GPS定位模块,现场拍摄的照片具有地理坐标信息,通过特定的GIS能对现场拍摄的照片进行实时定位和查询拍摄地点的地理坐标。在外业勘查测量时,登岛调查的测量数据,获取的准确度及可靠性较好把握,但由于部分海岛面积小、岛体陡峭,周边海域暗礁众多,无法靠近和登陆,在测量上特别是确定海岛地理位置方面遇到一些技术上的问题需要解决,采取与GIS、RS技术联动的方法,即在海上记录绕岛航迹线、测量明显地标物位置及其与待测岛屿的距离、方位,通过GIS和与现场描绘的相对位置草图比对进行推算。

1.3 GIS技术的应用

地理信息系统(GIS)主要用于生成外业调查遥感目录、资料整理目录和最终外业普查目录,建立地名信息数据层和对海岛地名信息和基础数据的补充修正,同时也是海岛地理基础数据遥感信息的获得如海岛位置、面积、岸线长度和植被类型,GPS数据录入与处理,海图和地形图的矢量化和数字化,数据的管理与分析等的必备手段。GIS在海岛地名普查中数据管理、研究和制图、成图中显示了明显的优势,并对各类信息进行对比、搜寻、叠加,对调查工作和方法进行了强势补充。建立了海岛地名信息系统,实现了强大的查询、显示、分析、统计和输出等功能,以快速、便捷和图文并茂的形式彰显了辽宁省海岛地名信息和海岛基础数据,为实现海岛管理科学化、信息化、数字化奠定了坚实的基础。

2 3S技术在辽宁省海岛地名普查中的效果

2.1 数据数字化

因收集的史志类、专项调查、海图、地形图、专题图等资料,以纸质资料为主,分属各个不同历史时期,大都陈旧不全,精度不一,数据分散、信息化水平低。通过GIS技术对史志类的文献资料,进行地名数据的定位、提取地名信息,对海图、地形图、专题图等纸质图件资料,进行扫描配准和矢量化,建立了较高效、规范的数字化工作流程,先后处理了上万页书籍和近千张图纸,梳理辽宁全省海岛地理实体点位近4 000个。把海量、繁琐、多源的文字资料和图件数据处理成规范、科学、数字化的数据层,制作了海岛外业调查工作图,作为外业实地核查、勘测的重要组成部分和不可或缺的调查工具,不但大大减少外业作业人员的繁重劳动,同时保障了外业工作高效高质的顺利进行。

2.2 数据集成信息化

通过3S技术的使用,经过近4年的时间,完成了辽宁省海岛地名普查。并且结合数据库技术和GIS软件平台,在综合考虑系统通用性、兼容性、功能性的基础上,对辽宁沿海17个县市区636个海岛的3万余项属性数据和上万张照片进行了集成,建立了辽宁省海岛地名信息系统,增加辽宁省海岛地名信息前期调查成果的显示度与可用性,保证了成果数据的规范与统一,为全国海岛地名普查数据的整合、衔接创造了条件。同时,促进了对海岛使用的时空分布、变化规律、结构与布局的认识,为辽宁省海岛保护规划、海岛整治与修复和海岛单岛规划与单岛开发方案提供了技术支撑,实现了海岛管理的科学化、系统化、可视化和业务化的管理水平。对促进海岛开发的合理有序性,促进海岛资源可持续利用和海洋经济的健康发展,对提升海岛管理、执法和海岛服务水平具有积极意义。

2.3 数据准确性高

采用3S技术,通过实地勘察和卫星、航空遥感相结合的方法,首次实现了全省海岛的全部现场调查,获取了有史以来最准确的第一手海岛基础资料,摸清了全省海岛家底,确定全省共有海岛636个,有居民海岛44个,无居民海岛592个。全省海岛岸线总长约920 km,其中渤海海域海岛岸线长约375 km,黄海海域海岛岸线长约545 km.全省海岛面积约505 km2,大部分海岛面积小,面积10 km2以上的海岛有9个、海岛面积约430 km2,5 km2～10 km2海岛2个,1 km2～5 km2海岛19个,0.5 km2～1 km2海岛12个,500 m2～0.5 km2海岛337个。离岸距离小于5 km的海岛300个,离岸距离为5 km～10 km的海岛69个,离岸距离10 km～50 km的海岛228个,离岸距离大于50 km的海岛39个。

2.4 3S技术在辽宁省海岛地名普查中的使用特点

3S技术在陆域的应用较为广泛,但在海岛地名普查调查中首次采用,由于受海洋潮汐和海岛特性的影响,3S技术在应用时和陆域有所不同,如陆域在遥感影像中地物表现出的形状、大小等解译标志比较稳定,界标明显,但海上却有其显著的特点。

2.4.1 海岛的判别和面积、岸线长度量算需要借助GPS技术

虽然根据遥感影像的纹理、色调和形状等解译标志可以较好的判别海岛、量算面积和岸线长度、识别植被类型,但在实际调查过程中,受空间分辨率的影响,影像图上有许多相似的地物如舰船和较大面积的漂浮物干扰判断,再加上历史资料不详尽,仅仅依赖遥感影像不能准确地识别,另外,由于遥感影像成像的瞬时性,落潮时的低潮高地可能被识别为岛屿。其次因岛体形状受潮汐潮差的影响,在遥感影像图上量算海岛面积和岸线长度时,数据会存在较大误差。又因辽宁地处北方,夏冬季节分明,尤其是冬季有冰期,在解译植被类型如草丛、灌木、乔木的过程中受到一定的限制,则需要借助GPS导航定位到现场实地判别和勘测。

2.4.2 集聚分布海岛的确定方式

所谓集聚分布海岛,一般指距离较近成群分布的海岛,因辽宁以基岩岸线为主且多基岩岛,在大陆海岸线或一些基岩岛附近三五成群分布着类似的岛屿,且无土壤和植被,仅由几块岩礁组成,岛与岛间距近,甚至不足1 m.因岛体面积小,受遥感影像空间精度的影响无法量测海岛面积和岸线长度,甚至无法判别,再加上岛体陡峭,周边海域暗礁众多,无法靠近和登陆。在外业调查时,通过绕岛记录整体航迹线,绘制外业调查草图,在图上标明各个岛屿的位置和大致方向,通过附近大岛或者大陆拍摄不同角度全景照和视频作为参照。另外,就是测量聚集性分布海岛周边明显标志物的位置,通过测距仪和指南针测算出集聚性海岛各个岛屿与标志物的距离和方向来推算。再把外业调查所得测量标志物的坐标和记录航迹线输入到GIS中,借助附近大岛或者地标物的遥感影像,对比外业绘制的工作草图和带有拍摄地点地理坐标的全景照片进行研究分析,推算出海岛的地理位置,估算出海岛面积和岸线长度。

3 结束语

辽宁省海岛地名普查作为一次基础调查,通过GPS全天候、连续、可随时对地物目标瞬间准确测量和定位,以及RS的即时成像、实时传输、快速处理和周期性地观测获取地物遥感信息的能力和直观地判读地面物体特性,同时把GPS、RS获取的丰富的地物信息再传输给GIS,建立辽宁省海岛地名信息系统,实现空间数据和属性数据的统一管理,及时提供准确的大范围调查数据,弥补了传统调查方法在大范围和区域调查中受自然条件影响、获取资料速度慢、周期长等缺陷,确保了普查工作的现势性、数据获取的准确性,是海洋传统调查方法的新突破,效果明显,实用性强,为普查工作节省了大量人力、物力和财力,提高了工作效率,保证了工作质量,实现了普查工作的科学化、规范化、数字化和信息化。

[1]林修锬.“3S”技术在新一轮土地利用更新调查中的应用方案探讨[J].福建地质,1997(2):97-101.

[2]边志华,李晓英,徐德军,等.3S技术集成在国土管理工作中的应用[J].地理空间信息,2006(4):43-46.

[3]秦 奋,余明全,王家耀.3S技术在土地利用规划中的应用[J].河南农业科学,2006(3):72-76.

[4]尚春明,杨洪涛.3S技术在建设领域的应用研究[J].地理与地理信息科学,2003(2):44-46.

[5]胡鹤民.全球定位技术在车船调度系统中的应用[J].港口科技动态,2001(7):20-23.

[6]雷利元,席小慧,龚艳君,等.3S技术在辽宁省海域使用现状调查中的应用[J].水产科学,2011,30(2):122-125.

[7]全国海域海岛地名普查工作领导小组办公室.《全国海岛地名普查工作手册》[R].2010年.