C第十二章3S技術(shù)簡(jiǎn)介

1、第第1212章章 3S3S技術(shù)簡(jiǎn)介技術(shù)簡(jiǎn)介12.1 12.1 GPS基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)12.2 12.2 GIS基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)12.3 12.3 RS基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)12.4 12.4 3S技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)的綜合應(yīng)用本章內(nèi)容如下：本章內(nèi)容如下：一一、GPS（Global Positioning System）的組成 12.1 GPS基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí) 衛(wèi)星空間部分衛(wèi)星空間部分 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 用戶用戶GPS接收機(jī)接收機(jī)空間部分24顆衛(wèi)星（21+3）6個(gè)軌道平面55軌道傾角20200km軌道高度（地面高度）12小時(shí)（恒星時(shí)）軌道周期每顆衛(wèi)星可覆蓋全球38%的面積 4臺(tái)高精度銣銫原子鐘

2、u1 1個(gè)主控站個(gè)主控站: :Colorado springs(科羅拉多科羅拉多. .斯平士斯平士) )。u3 3個(gè)注入站個(gè)注入站: :Ascencion( (阿森松群島阿森松群島) )、 Diego Garcia( (迭迭哥伽西亞哥伽西亞) )、kwajalein( (卡瓦加蘭卡瓦加蘭) )。u5 5個(gè)監(jiān)控站：個(gè)監(jiān)控站： 以上主控站、注入站及以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷夏威夷) )。5 55 5Colorado springsColorado springsHawaiiHawaiiAscencionAscencionDiego GarciaDiego Garciakwajalei

3、nkwajalein2. 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分3. 用戶接收機(jī)部分uGPS接收機(jī)的基本類型分導(dǎo)航型和大地型。接收機(jī)的基本類型分導(dǎo)航型和大地型。u大地型接收機(jī)又分單頻型和雙頻型。大地型接收機(jī)又分單頻型和雙頻型。手持型手持型GPS機(jī)機(jī)車載型車載型GPS機(jī)機(jī)導(dǎo)航型導(dǎo)航型GPS機(jī)機(jī)單頻機(jī)單頻機(jī)雙頻機(jī)雙頻機(jī)大地型大地型GPS接收機(jī)接收機(jī)o12321202020zZyYxXtciiiii203203203232022022022220120120121zZyYxXzZyYxXzZyYxX二、二、GPS定位的基本原理定位的基本原理 1. 偽距法定位原理偽距法定位原理 2121wTjTiwTjTctcc2

4、1202020zZyYxXiiii2120202021zZyYxXctciiiiwTjTitc 2. 載波相位定位測(cè)量載波相位定位測(cè)量 FNSR0 FIntNN00021NffcfwTjT 202020021021zZyYxXNccFIntNfciiiiwTjTjTwT三、 GPS定位測(cè)量的模式 確定距離方法不同：偽距法定位和載波相位 定位 定位接收機(jī)的數(shù)量不同： 絕對(duì)定位和相對(duì)定 位 定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài) 定位 實(shí)時(shí)差分定位方式：位置差分、偽距差分和 載波相位實(shí)時(shí)差分 四、 GPS測(cè)量工作 1）GPS網(wǎng)的技術(shù)設(shè)計(jì)262)10(dba2）選點(diǎn)與建立標(biāo)志 3）外業(yè)觀測(cè) 4）數(shù)據(jù)

5、處理基準(zhǔn)站移動(dòng)站(a)(b)五、GPS的定位特點(diǎn) 定位精度高 適應(yīng)性強(qiáng) 自動(dòng)化程度高 經(jīng)濟(jì)效益高 應(yīng)用廣泛 大地測(cè)量：GPS A級(jí)和B級(jí)網(wǎng)、永久性的GPS跟蹤 站、西沙、南沙群島與大陸的GPS聯(lián)測(cè) 工程測(cè)量：精密工程控制網(wǎng)、加密測(cè)圖控制點(diǎn)、 測(cè)繪各種比例尺地形圖和施工放樣 航空攝影測(cè)量：測(cè)定航片和衛(wèi)片上的地面控制點(diǎn)、 航攝飛行導(dǎo)航、空中三角測(cè)量、直接測(cè)定攝 影機(jī)和傳感器的空間位置和姿態(tài) 交通、監(jiān)控和智能交通：車輛的監(jiān)控和調(diào)度管理、 選擇最佳行車路線、救助、船舶精確航行 六、六、 GPS技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用 軍事：武器的制導(dǎo)、空中飛機(jī)指揮、實(shí)施空中管 制、夜航盲駛、救援引導(dǎo)、地面部隊(duì)引導(dǎo)、 戰(zhàn)場(chǎng)

6、補(bǔ)給、穿越障礙、提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的作 戰(zhàn)信息 精細(xì)農(nóng)業(yè)：監(jiān)測(cè)農(nóng)作物產(chǎn)量分布、土壤成分和性 質(zhì)分布、合理施肥、播種和噴撒農(nóng)藥、 除草劑，精準(zhǔn)灌溉和收割林業(yè)管理：確定林區(qū)面積、估算木材量、計(jì)算可 采伐木材面積、確定原始森林、道路 位置、對(duì)火災(zāi)周邊測(cè)量、尋找水源、 測(cè)定地區(qū)界線 1. GLONASS定位系統(tǒng) GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))的縮寫，是前蘇聯(lián)從80年代初開(kāi)始建設(shè)的與美國(guó)GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測(cè)控制站和用戶設(shè)備三部分組成?，F(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，

7、均勻分布在3個(gè)近圓形的軌道平面上，每個(gè)軌道面8顆衛(wèi)星，軌道高度19100公里，運(yùn)行周期11小時(shí)15分，軌道傾角64.8。與美國(guó)的GPS系統(tǒng)不同的是GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)方式，根據(jù)載波頻率來(lái)區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址（CDMA），根據(jù)調(diào)制七、其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)七、其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 碼來(lái)區(qū)分衛(wèi)星）。每顆GLONASS衛(wèi)星發(fā)播的兩種載波的頻率分別為L(zhǎng)1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=124為每顆衛(wèi)星的頻率編號(hào)。所有GPS衛(wèi)星的載波的頻率是相同，均為L(zhǎng)1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONA

8、SS衛(wèi)星的載波上也調(diào)制了兩種偽隨機(jī)噪聲碼：S碼和P碼。GLONASS系統(tǒng)從理論上有24顆衛(wèi)星，但由于衛(wèi)星使用壽命和資金緊張等問(wèn)題，實(shí)際上目前只有8顆。GLONASS系統(tǒng)單點(diǎn)定位精度水平方向?yàn)?6m，垂直方向?yàn)?5m。2. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Compass Navigation Satellite System)，稱為北斗一號(hào)(BD-1)，是二維有源定位導(dǎo)航系統(tǒng)。BD-1由北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星、地面控制中心站和用戶終端三部分組成。北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星由4顆高度為36000km的地球同步衛(wèi)星組成，分別于2000年10月和12月發(fā)射了兩顆“北斗”工作衛(wèi)星、2003年5月和2006年2月發(fā)射了兩顆“北斗”在軌

9、備用衛(wèi)星，可以向我國(guó)及周邊地區(qū)的用戶提供定位、實(shí)時(shí)導(dǎo)航、簡(jiǎn)短通信和精密授時(shí)服務(wù)，已在基礎(chǔ)測(cè)繪、工程勘探、電信、水利、交通運(yùn)輸、資源調(diào)查、地震監(jiān)測(cè)、漁業(yè)、森林防火、國(guó)家安全、公共安全與應(yīng)急管理等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。簡(jiǎn)單的通信和數(shù)據(jù)傳輸。在2008年汶川大地震搶險(xiǎn)救災(zāi)、北京奧運(yùn)氣象監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。 2006年2月3日，中國(guó)用“長(zhǎng)征三號(hào)甲”火箭成功發(fā)射了第四顆北斗導(dǎo)航定位衛(wèi)星。 北斗系統(tǒng)工作示意圖 2008年5月20日，在機(jī)場(chǎng)集結(jié)的空降兵部隊(duì)手持“北斗”終端北斗系統(tǒng)地面定位手持機(jī)3. Galileo定位系統(tǒng)衛(wèi)星星座：由3個(gè)獨(dú)立的圓形軌道，30顆GNSS衛(wèi)星組成（27顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星）

10、。衛(wèi)星的軌道傾角i =56；軌道高度H=23616km 。地面系統(tǒng)：在歐洲建立2個(gè)控制中心；在全球構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)。定位原理：與GPS相同。定位精度：導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。12.2 GIS基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)一、GIS的組成 Geographic Information System 1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 2. 地理空間數(shù)據(jù) 3. 管理應(yīng)用人員 矢量數(shù)據(jù)模型：x、y坐標(biāo)來(lái)構(gòu)建點(diǎn)、線、面等空間要素，適合于表示空間上離散的實(shí)體 柵格數(shù)據(jù)模型：格網(wǎng)(像元或空間單元)來(lái)表示要素的空間變化，格網(wǎng)中的每個(gè)單元格都有一個(gè)對(duì)應(yīng)于該位置上空間要素特征的值，適合用于顯示空間上連續(xù)的要素 二、二、GIS的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)

11、結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)矢量數(shù)據(jù)的表達(dá) 矢量模型：利用邊界或表面來(lái)表達(dá)空間目標(biāo)對(duì)象的面或體要素，通過(guò)記錄目標(biāo)的邊界，同時(shí)采用標(biāo)識(shí)符表達(dá)它的屬性來(lái)描述空間對(duì)象實(shí)體。矢量模型處理的空間圖形實(shí)體是點(diǎn)(point)、線(line)、面(polygon)，點(diǎn)用空間坐標(biāo)對(duì)來(lái)表示水井、通訊和消防設(shè)施、控制點(diǎn)、獨(dú)立樹(shù)等，線由一串坐標(biāo)對(duì)來(lái)表示道路、管線、河流、行政邊界等，面是由線形成的閉合多邊形，可以表示池塘、球場(chǎng)等。點(diǎn)是矢量數(shù)據(jù)模型的基本單元，線要素由點(diǎn)構(gòu)成。線是由兩個(gè)端點(diǎn)之間一系列標(biāo)記線形態(tài)的點(diǎn)構(gòu)成，可以是平滑曲線，也可以是折線。面要素由線組成，其邊界把區(qū)域分成了內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。如果空間目標(biāo)對(duì)象的空間特

12、征信息與屬性特征信息一起存儲(chǔ)，根據(jù)屬性特征的不同，點(diǎn)可用不同的符號(hào)表示，線可用不同的顏色和粗細(xì)程度不等的線來(lái)描繪，面對(duì)象則可以填充不同的圖案和色彩來(lái)區(qū)分。1. 矢量模型矢量模型(vector mode) 拓?fù)洌貉芯繋缀螌?duì)象在彎曲拓?fù)洌貉芯繋缀螌?duì)象在彎曲或拉伸等變換下仍保持不變或拉伸等變換下仍保持不變的性質(zhì)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示多邊的性質(zhì)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示多邊形實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。形實(shí)體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在拓?fù)鋵W(xué)中，把在拓?fù)鋵W(xué)中，把3條以上線段的交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)條以上線段的交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的曲線或折線稱為鏈或弧段。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)、弧段、節(jié)點(diǎn)之間的曲線或折線稱為鏈或弧段。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)、弧

13、段、多邊形拓?fù)潢P(guān)系的描述，以明確地表達(dá)要素之間的空間關(guān)多邊形拓?fù)潢P(guān)系的描述，以明確地表達(dá)要素之間的空間關(guān)系。在系。在GIS的拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型中，與點(diǎn)、線、面對(duì)應(yīng)的空間的拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型中，與點(diǎn)、線、面對(duì)應(yīng)的空間圖形實(shí)體主要有節(jié)點(diǎn)圖形實(shí)體主要有節(jié)點(diǎn)(node)、弧段、弧段(arc)、多邊形、多邊形(polygon)，多邊形的邊界被分割成一系列的弧和結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)、弧、多多邊形的邊界被分割成一系列的弧和結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)、弧、多邊形間的空間關(guān)系在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或?qū)傩赃呅伍g的空間關(guān)系在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或?qū)傩?比如地理實(shí)體的名比如地理實(shí)體的名稱、類型和數(shù)量等稱、類型和數(shù)量等)表中加以定義。表中加以定義。 多邊形弧段號(hào)弧段號(hào)起節(jié)點(diǎn)終節(jié)點(diǎn)

14、節(jié)點(diǎn)弧段P1e1、e5、e6e1N2N1N1e1、e3、e6P2e2、e4、e5e2N3N2N2e1、e2、e5P3e3、e4、e6e3N1N3N3e2、e3、e4P4e7e4N4N3N4e4、e5、e6e5N4N2N5e7e6N1N4e7N5N5拓樸的關(guān)聯(lián)性拓樸的關(guān)聯(lián)性多邊形之間的鄰接性弧段之間的鄰接性節(jié)點(diǎn)之間的連通性P1P2P3P4e1e2e3e4e5e6e7N1N2N3N4N5P1110e1110110N11110P2110e2111100N21110P3111e3111010N31110P4001e4011110N41110e5110110N50000e6101110e7000000拓

15、撲的鄰接性和連通性拓?fù)涞泥徑有院瓦B通性線要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)線要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)面要素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ArcView，MapInfo和GeoMedia 矢量數(shù)據(jù)模型具有如下特點(diǎn)： 相鄰弧段的公用結(jié)點(diǎn)，相鄰多邊形的公用弧段在計(jì)算機(jī)中只需記錄一次，空間數(shù)據(jù)文件較小。 空間圖形實(shí)體的拓?fù)潢P(guān)系，如拓?fù)溧徑印⑼負(fù)潢P(guān)聯(lián)、拓?fù)浒粫?huì)隨著諸如移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)等變換而變化，而空間坐標(biāo)及一些幾何屬性（如面積、周長(zhǎng)、方向等）會(huì)受到影響。 能夠精確地表達(dá)圖形目標(biāo)，精確地計(jì)算空間目標(biāo)的周長(zhǎng)、面積等，適合圖形處理(比例尺變換、投影變換以及圖形的輸入和輸出)，精度高。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和圖形疊加復(fù)

16、雜，與遙感等圖像數(shù)據(jù)難以結(jié)合。 非拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非拓?fù)涫噶繑?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)柵格數(shù)據(jù)的表達(dá) 柵格模型直接采用面域或空域枚舉來(lái)直接描述空間目標(biāo)對(duì)象。在柵格模型中，點(diǎn)或點(diǎn)狀符號(hào)是由一個(gè)格網(wǎng)來(lái)表示，線是由一串在一定方向上相鄰彼此相連的格網(wǎng)構(gòu)成，面由聚集在一起的相鄰格網(wǎng)組成，空間現(xiàn)象的變化由格網(wǎng)單元值的變化來(lái)反映，每一單元值代表了此行此列決定的該位置上空間現(xiàn)象的特征。在柵格模型中，每一格網(wǎng)的大小是一致的(一般是正方形)，而且每一個(gè)格網(wǎng)層記錄著不同的屬性(如植被類型等)。柵格數(shù)據(jù)模型不把空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)明確分開(kāi)，因此對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)管理用處不大，這與矢量數(shù)據(jù)不同。隨著分辨率的增多，存儲(chǔ)空間還會(huì)呈幾何級(jí)數(shù)增加。大尺寸

17、的網(wǎng)格單元無(wú)法表示空間要素的精確位置，這就減少了在一個(gè)格網(wǎng)單元中存在混合要素(如森林、牧場(chǎng)與水體)的機(jī)會(huì)。采用較小的格網(wǎng)2. 柵格模型柵格模型(raster model) 單元，這些問(wèn)題就會(huì)得到緩解，但小尺寸的格網(wǎng)增大了數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理時(shí)間。 柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)GIS中的許多數(shù)據(jù)都用柵格格式來(lái)表示，這些數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像、數(shù)字正射影像、掃描地圖和圖形文件(TIFF、GIF和JPEG)。(1) 完全柵格結(jié)構(gòu)（2）游程編碼 4A 1A 3B 2A 2B 3A 1B （3）塊式編碼 (1,1,1,A), (1,2,1,A), (1,3,1,A), (1,4,1,A), (2,1,1,A), (

18、2,3,1,B), (2,3,2,B), (3,1,2,A), (4,3,1,A),(4,4,1,B) （4）四叉樹(shù)編碼 BAAAAAAABBBBBMQP1234567810 11 12 13N9根結(jié)點(diǎn)第零層第一層第二層內(nèi)結(jié)點(diǎn)子結(jié)點(diǎn)(5) 柵格模型特點(diǎn) 三、GIS數(shù)據(jù)輸入與處理1. GIS數(shù)據(jù)輸入 2. GIS數(shù)據(jù)處理格式轉(zhuǎn)換 圖形單元的修改與增刪 圖幅拼接 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 四、GIS空間信息分析 1. 空間查詢 2. 拓?fù)浏B加 3. 建立緩沖區(qū) 4. 網(wǎng)絡(luò)分析 5. 數(shù)字地形分析 五、GIS應(yīng)用 1. 城市地下管網(wǎng)管理系統(tǒng) 2. 城市綜合管理系統(tǒng) 3. 港口管理系統(tǒng) 4. 金融管理分析系統(tǒng) 5. 生態(tài)環(huán)境管理分析系統(tǒng) 6. 人口管理系統(tǒng) 12.3 RS基礎(chǔ)知識(shí) 遙感(Remote sensing) ：遙遠(yuǎn)感知事物，應(yīng)用于測(cè)繪、城市規(guī)劃、水利、電力、通訊、交通、軍事、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域 一、遙感技術(shù)系統(tǒng) 1. 空間信息采集系統(tǒng)2. 地面接收和預(yù)處理系統(tǒng)3. 地面