3S集成技術(shù)及其應(yīng)用

3S集成技術(shù)及應(yīng)用

本內(nèi)容僅限于測量專業(yè)適用1．遙感簡介遙感(RemoteSensing)：通常是指通過某種傳感器裝置，在不與研究對象直接接觸的情況下，獲得其特征信息，并對這些信息進(jìn)行提取、加工、表達(dá)和應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。遙感技術(shù)的基礎(chǔ)，是通過觀測電磁波，從而判讀和分析地表的目標(biāo)以及現(xiàn)象，其中利用了地物的電磁波特性，即“一切物體，由于其種類及環(huán)境條件不同，因而具有反射或輻射不同波長電磁波的特性”。遙感也可以說是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，通過觀測電磁波，識別物體以及物體存在環(huán)境條件的技術(shù)。幾種常見地物（水、綠色植被、裸旱地）的電磁波反射曲線1．遙感簡介遙感器（RemoteSensor）：接收從目標(biāo)反射或輻射電磁波的裝置。遙感平臺（Platform）：是搭載這些遙感器的移動體，包括飛機、人造衛(wèi)星等，甚至地面觀測車也屬于遙感平臺。遙感分為被動式遙感（PassiveRemoteSensing）和主動式遙感（ActiveRemoteSensing）兩種。主動式遙感是由遙感器向目標(biāo)物發(fā)射一定頻率的電磁輻射波，然后接受從目標(biāo)物返回的輻射信息進(jìn)行的遙感。被動式遙感是指直接接收來自目標(biāo)物的輻射信息。依賴于外部能源進(jìn)行的遙感。主要工作在紫外、可見光、紅外、微波等波段。在航空遙感中大多使用被動式遙感。1．遙感簡介首先，遙感器不與研究對象直接接觸，也就是說，這里的“遙”并非指“遙遠(yuǎn)”；其次，遙感的目的是為了得到研究對象的特征信息；最后，通過傳感器裝置得到的數(shù)據(jù)，在被使用之前，還要經(jīng)過一個處理過程。遙感數(shù)據(jù)過程1．遙感簡介：遙感數(shù)據(jù)的處理通常是圖像形式的遙感數(shù)據(jù)的處理，主要包括糾正（包括輻射糾正和幾何糾正）、增強、變換、濾波、分類等功能。數(shù)字圖像處理的主要功能1）圖像糾正2）增強3）濾波4）變換5）分類圖：遙感圖像幾何畸變的各種情形2．全球定位系統(tǒng)簡介GPS的英文全稱是NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem，其簡稱也被稱為NAVSTARGPS。其意為“導(dǎo)航衛(wèi)星測時與測距全球定位系統(tǒng)”或簡稱全球定位系統(tǒng)(GPS,GlobalPositioningSystem)：是衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有全能性（陸地、海洋、航空、航天）、全天候、連續(xù)性、和實時性的導(dǎo)航、定位、和定時的功能。能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時間。全球四大GPS系統(tǒng)

美國ＧＰＳ：由美國國防部于20世紀(jì)70年代初開始設(shè)計、研制，于1993年全部建成。1994年，美國宣布在10年內(nèi)向全世界免費提供ＧＰＳ使用權(quán)，但美國只向外國提供低精度的衛(wèi)星信號。據(jù)信該系統(tǒng)有美國設(shè)置的“后門”，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭，美國可以關(guān)閉對某地區(qū)的信息服務(wù)。歐盟“伽利略”：1999年，歐洲提出計劃，準(zhǔn)備發(fā)射30顆衛(wèi)星，組成“伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng)。2009年該計劃正式啟動。俄羅斯“格洛納斯”：尚未部署完畢。始于上世紀(jì)70年代，需要至少18顆衛(wèi)星才能確保覆蓋俄羅斯全境；如要提供全球定位服務(wù)，則需要24顆衛(wèi)星。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem)：是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是：建成獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動衛(wèi)星導(dǎo)航在國民經(jīng)濟社會各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

2．1GPS系統(tǒng)介紹GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機2．1．1GPS衛(wèi)星及其星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成。均勻分布在六個相互夾角為60度的軌道平面內(nèi)。GPS衛(wèi)星用L波段兩種頻率的無線電波（1575.42MHz和1227.6MHz）向用戶發(fā)射導(dǎo)航定位信號，同時接收地面發(fā)送的導(dǎo)航電文以及調(diào)度命令。2．1．2地面控制系統(tǒng)：包括位于美國科羅拉多的主控站以及分布全球的三個注入站和五個監(jiān)測站組成，實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星運行的監(jiān)控。2．1．3GPS信號接收機捕獲GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，并進(jìn)行處理，根據(jù)信號到達(dá)接收機的時間，確定接收機到衛(wèi)星的距離。圖：GARMIN手持式GPS接收機2．2GPS定位基本原理GPS定位基本原理是利用測距交會確定點位。圖：測距交會定位示意圖2．3GPS誤差和糾正造成GPS定位誤差的因素：由于衛(wèi)星軌道變化以及衛(wèi)星電子鐘不準(zhǔn)確以及定位信號穿越電離層和地表對流層時速度的變化最為嚴(yán)重的誤差則是由于美國軍方人為降低信號質(zhì)量造成的，這種誤差可高達(dá)100米。一、例子如何為一公園選擇合理位置？依山傍水；交通方便；較安靜……要求方案2條件2方案1條件13、GIS簡介GIS概念處理、分析空間分析算法現(xiàn)實世界獲取水系信息地形信息道路信息植被信息等+++空間數(shù)據(jù)庫存儲GIS全稱是GeographicInformationSystem不同領(lǐng)域、不同專業(yè)對GIS的理解不同，目前沒有完全統(tǒng)一的被普遍接受的定義。GIS是對地理環(huán)境有關(guān)問題進(jìn)行分析和研究的一門學(xué)科，它將地理環(huán)境的各種要素，包括它們的空間位置形狀及分布特征和與之有關(guān)的社會、經(jīng)濟等專題信息以及這些信息之間的聯(lián)系等進(jìn)行獲取、組織、存儲、檢索、分析，并在管理、規(guī)劃與決策中應(yīng)用。4．GIS與遙感的集成及具體技術(shù)GIS與遙感的集成，可以三個不同的層次[Ehlers]：分離的數(shù)據(jù)庫，通過文件轉(zhuǎn)換工具在不同系統(tǒng)之間傳輸文件；兩個軟件模塊具有一致的用戶界面和同步的顯示；集成的最高目的是實現(xiàn)單一的、提供了圖像處理功能的GIS軟件系統(tǒng)。GIS作為遙感圖像的應(yīng)用GIS作為圖像處理工具遙感數(shù)據(jù)作為GIS的信息來源5．GIS與全球定位系統(tǒng)的集成及具體技術(shù)1）定位2）測量3）監(jiān)控導(dǎo)航圖：GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型6、GPS與RS集成GPS與RS都是GIS有效數(shù)據(jù)源。把GPS和RS有機地結(jié)合起來，可實現(xiàn)定性、定位、定量的對地觀測。GPS實時數(shù)據(jù)實時進(jìn)入RS系統(tǒng)，可實時顯示、糾正、校正RS圖像。利用GPS可以實現(xiàn)RS衛(wèi)星姿態(tài)角度測量、攝影測量內(nèi)外元素的測定、航測控制點定位、RS幾何糾正點定位、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、同步地物光譜值測量定位等。7．3S集成綜述圖：3S的相互作用與集成8．3S集成綜述三者之間的相互作用形成了“一個大腦，兩只眼睛”的框架，即RS和GPS向GIS提供或更新區(qū)域信息以及空間定位，GIS進(jìn)行相應(yīng)的空間分析，以從RS和GPS提供的浩如煙海的數(shù)據(jù)中提取有用信息，并進(jìn)行綜合集成，使之成為決策的科學(xué)依據(jù)。GIS、RS和GPS三者集成利用，構(gòu)成為整體的、實時的和動態(tài)的對地觀測、分析和應(yīng)用的運行系統(tǒng)，提高了GIS的應(yīng)用效率。RS、GIS、GPS集成的方式可以在不同的技術(shù)水平上實現(xiàn)。"三S"集成包括空基三S集成與地基三S集成?？栈?三S"集成：用空─地定位模式實現(xiàn)直接對地觀測，主要目的是在無地面控制點（或有少量地面控制點）的情況下，實現(xiàn)航空航天遙感信息的直接對地定位、偵察、制導(dǎo)、測量等。地基"三S"集成：車載、艦載定位導(dǎo)航和對地面目標(biāo)的定位、跟蹤、測量等實時作業(yè)。3S集成技術(shù)及應(yīng)用三S集成技術(shù)普遍應(yīng)用于航空、航天兩大技術(shù)領(lǐng)域。

航空與航天有區(qū)別嗎？兩大技術(shù)的顯著差別：（一）飛行環(huán)境不同。所有航空器都是稠密大氣層中飛行的，其工作高度有限?，F(xiàn)代飛機最大飛行高度也就距離地面30多千米。即使以后飛機上升高度提高，也離不開稠密大氣層。而航天器沖出稠密大氣層后，要在近于真空的宇宙空間以類似于自然天體的運動規(guī)律飛行，其運行軌道的近地點高度至少在100千米以上。（二）動力裝置不同。航空器都用吸氣發(fā)動機提供推力，吸收空氣中的氧氣作為氧化劑，本身只攜帶燃燒劑。航天器的發(fā)射和運行都用火箭發(fā)動機提供推力，既攜帶燃燒劑又?jǐn)y帶氧化劑。（三）飛行速度不同。現(xiàn)代飛機最快速度是音速的三倍，且是軍用飛機。航天器都是以非常高的速度在太空運行的。如距地600千米的圓形軌道上運行的航天器，其速度是音速的22倍。所有航天器正常運行是都處于失重狀態(tài)，若長期載人使人產(chǎn)生失重生理效應(yīng)，并影響健康。一般人買票即可坐飛機，而花重金到太空遨游的人還必須通過專門培訓(xùn)。（四）工作時限不同。無論是軍用還是民用飛機，最大航程約2萬千米，最長飛行時間不超過一晝夜。而航天器在軌道上可持續(xù)工作非常長時間。如和平號空間站載人航天器已工作整整15個年頭；無人航天器先驅(qū)者10號已在太空飛行了32年，正在飛出太陽系向銀河系遨游。航空器可多次重復(fù)使用，航天器只能一次性使用。（五）升降方式不同。一般來說，飛機的升空是從起飛線開始滑跑到離開地面，加速爬升到安全高度為止的運行過程。他返回地面降落時，只要經(jīng)過下滑和著陸即可。至今為止航天器的發(fā)射，包括地面和海上的發(fā)射，頂部裝著航天器的運載火箭都是垂直騰空的。在完成發(fā)射過程中，運載火箭要按程序掉頭轉(zhuǎn)向和逐級脫離，最終將航天器送入預(yù)定軌道運行。9、3S集成的發(fā)展前景數(shù)字地球在人類所接觸到的信息中有80%與地理位置和空間分布有關(guān)，地球空間信息是信息高速公路上的貨和車。數(shù)字地球不僅包括高分辨率的地球衛(wèi)星圖像，還包括數(shù)字地圖，以及經(jīng)濟、社會和人口等方面的信息，它的應(yīng)用正如戈爾副總統(tǒng)在報告中提到的有時會因為我們的想象力而受到限制，換句話說，數(shù)字地球的應(yīng)用在很大程度上超出我們的想象，可以樂觀地說21世紀(jì)中，數(shù)字地球?qū)⑦M(jìn)入千家萬戶和各行各業(yè)。這里只能就我們的理解提出一些現(xiàn)實的應(yīng)用。1）、數(shù)字地球?qū)θ蜃兓c社會可持續(xù)發(fā)展的作用

全球變化與社會可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今世界人們關(guān)注的重要問題，數(shù)字化表示的地球為我們研究這一問題提供了非常有利的條件。在計算機中利用數(shù)字地球可以對全球變化的過程、規(guī)律、影響以及對策進(jìn)行各種模擬和仿真，從而提高人類應(yīng)付全球變化的能力。數(shù)字地球可以廣泛地應(yīng)用于對全球氣候變化，海平面變化，荒漠化，生態(tài)與環(huán)境變化，土地利用變化的監(jiān)測。與此同時，利用數(shù)字地球，還可以對社會可持續(xù)發(fā)展的許多問題進(jìn)行綜合分析與預(yù)測，如：自然資源與經(jīng)濟發(fā)展，人口增長與社會發(fā)展，災(zāi)害預(yù)測與防御等。我國是一個人口多，土地資源有限，自然災(zāi)害頻繁的發(fā)展中國家，十幾億人口的吃飯問題一直是致關(guān)重要的。經(jīng)過二十年的高速發(fā)展，資源與環(huán)境的矛盾越來越突出。九八年的洪災(zāi)，黃河斷流，耕地減少，荒漠化加劇，已經(jīng)引起了社會各界的廣泛關(guān)注。必須采取有效措施，從宏觀的角度加強土地資源和水資源的監(jiān)測和保護(hù)，加強自然災(zāi)害特別是洪澇災(zāi)害的預(yù)測、監(jiān)測和防御，避免第三世界國家和一些發(fā)達(dá)國家發(fā)展過程中走過的彎路。數(shù)字地球在這方面可以發(fā)揮更大的作用。三峽大壩局部仿真圖片2）、數(shù)字地球?qū)ι鐣?jīng)濟和生活的影響數(shù)字地球?qū)⑷菁{大量行業(yè)部門、企業(yè)和私人添加的信息，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)在空間和時間分布上的研究和分析。例如國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)劃，全國鐵路、交通運輸?shù)囊?guī)劃，城市發(fā)展的規(guī)劃，海岸帶開發(fā)，西部開發(fā)。從貼近人們的生活看，房地產(chǎn)公司可以將房地產(chǎn)信息鏈接到數(shù)字地球上；旅游公司可以將酒店、旅游景點，包括它們的風(fēng)景照片和錄象放入這個公用的數(shù)字地球上；世界著名的博物館和圖書館可以將其收藏以圖像、聲音、文字形式放入數(shù)字地球中；甚至商店也可以將貨架上的商店制作成多媒體或虛擬產(chǎn)品放入數(shù)字地球中，讓用戶任意挑選。另外在相關(guān)技術(shù)研究和基礎(chǔ)設(shè)施方面也將會起推動作用。因此，數(shù)字地球進(jìn)程的推進(jìn)必將對社會經(jīng)濟發(fā)展與人民生活產(chǎn)生巨大的影響。3）、數(shù)字地球與精細(xì)農(nóng)業(yè)數(shù)字地球與精細(xì)農(nóng)業(yè)下一世紀(jì)農(nóng)業(yè)要走節(jié)約化的道路，實現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)無污染農(nóng)業(yè)。這就要依托數(shù)字地球，每隔3~5天給農(nóng)民送去他們的莊稼地的高分辨率衛(wèi)星影像，農(nóng)民在計算機網(wǎng)絡(luò)終端上可以從影像圖中獲得他的農(nóng)田的長勢征兆，通過GIS作分析，制定出行動計劃，然后在車載GPS和電子地圖指引下，實施農(nóng)田作業(yè)，及時地預(yù)防病蟲害，把殺蟲劑、化肥和水用到必須用的地方，而不致使化學(xué)殘留物污染土地、糧食和種子，