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1、城市空间信息学,合肥工业大学土木与水利工程学院测量工程系主讲：张志慧,第五章 空间数据采集技术,基于地面测量方法的空间数据采集技术基于GPS的空间数据采集技术基于RS的空间数据采集技术基于摄影测量的空间数据采集技术,引言,21世纪，数字化、网络化、智能化风起云涌。各类信息系统扩展并服务于不同领域、不同区域的数字工程。数字工程建设成为国家和各级管理部门的重要信息基础设施工作。数字工程是一个以空间信息为基础的数据整合、融合、挖掘等深度开发的基础平台。对空间信息及非空间信息的采集、管理和应用提出了更高的目标，需要建立多方位信息采集体系。包括地面测量、RS、DPS、GPS等。合理配置数字工程系统的数据
2、采集体系，需要全面了解各种数据类型及来源、各种采集方法的效益特点等。,5.1 基于地面测量方法的空间数据采集技术,5.1.1 地面测量概述5.1.2 地形图的基本知识5.1.3 地形图的测量原理5.1.4 地面测绘工作概述,5.1.1 地面测量概述,测量学概念：研究3维空间中各类物体的形状、大小、位置、方向及其分布的学科。测量学的学科分类：天文测量学：大地测量学：摄影测量学：研究利用航空、航天、地面的摄影或遥感的技术获取地物和地貌影像，进行分析处理，以绘制地形图或获取数字化信息的理论和方法的科学。工程测量学：测量和制图的理论和技术在工程中的应用学科。普通测量学 ：地表局部测绘地形图的基本理论和
3、方法的科学。海洋测绘学：地形测量是目前获取地表信息的主要手段。测绘各种图。平面图、地籍图、土地利用图等。,地形图的基本知识,地图、地形图的概念地图定义，三要素地形图：6属性3个地图的基本特征按国家规范和图式测绘或编绘的系列化和标准化地图全面反映区域自然和经济地理概况精确表达实体的位置和相互关系经过制图综合后形成的，图面信息清晰、明确只有学会使用图式，才能阅读和使用地形图。,地形图的基本知识,地形图的符号符号表示基本原理：垂直投影轮廓按比例缩绘符号表示基本原则：依比例尺符号构成：形状、尺寸、颜色地形图图式：1：500， 1： 1000， 1： 20001：5千，1：1万1：2.5万，1：5万，
4、1：10万1：25万地形图分幅与编号,地形图测量原理,1.平面位置测量地形图的正射投影：垂直投影，相似形水平距离水平角度平面坐标系 2.地貌测绘原理等高线：高程点的测绘、等高线的内插与勾绘3. 点位测量的基本方法直线定向坐标正反算点位测量基本方法：极坐标、方向和角度等交会法,地面测绘工作概述,原则与程序：测量D，B，H，防止误差累积 在布局、程序、精度上的原则：整体到局部、控制后碎部、高级到低级。 控制测量、碎部测量。控制测量：分三类。国家控制网：一25、二13、三8、四26。城市及工程控制网：四等以下二等级小三角、四等导线三级城市导线。图根控制测量：,测量原理与仪器：原理、操作、精度等级系列
5、、经纬仪、测距仪、水准仪、全站仪碎部测量：传统测量：准备工作、碎部点测绘、地形图绘制、地物描绘、等高线勾绘、地形图拼接、地形图检查、地形图整饰全数字测图：外业测绘、数据传输、人机交互编辑、数据记录、生成数字地图。,数字化测图流程,综合实验4,围绕地面空间信息收集目标，设计采集的步骤、途径和方法方案，并利用设计的或做过的、收集的案例，写出设计报告。按照测绘项目要求，根据测绘技术设计规定 （CH/T 1004-2005 ）及有关的技术规范、技术标准，制定项目设计书，提出各项精度指标，组织编写专业技术设计书， 并判定其与项目设计书的符合性和可行性。细化分解项目目标，明确技术路线，合理调配资源，制订具
6、有完整性、层次性和合理性的项目实施计划，确保各工序衔接顺畅。 有关的归程请网上下载。,5.2 基于GPS的空间数据采集技术,5.2.1 概述5.2.2 GPS的组成部分5.2.3 GPS的定位原理5.2.4 GPS测量实施5.2.5 其他卫星定位系统5.2.6 GPS的应用,5.2.1 概述,定义：特点：全球覆盖高精度、快速3维定位、测速和定时抗干扰被动式全天候导航不存在经典测量等级，误差不累积，不需通视,5.2.2 GPS的组成部分,空间部分地面控制部分用户部分GPS卫星信号GPS坐标系：WGS-84，BIH1984.0,5.2.2 GPS的定位原理,测距交会的原理定点。伪距法载波相位测量D
7、GPS伪距差分载波相位差分,5.2.4 GPS测量实施,不同的测量目的和要求，外业操作又要求及采集流程不同。不同的GPS接收机具体操作的步骤不同。数字工程中主要利用GPS采集地面点位数据，采集方法与流程与全站仪类似。电子手薄配合GPS接收机。,5.2.4 GPS测量实施,数据流程： 数据采集（GPS+PDA）位置数据处理特征属性处理入库编辑处理空间数据库,地图比例尺与GPS采集模式的关系,5.2.5 其他卫星定位系统,GLONASS：前苏联GALILEO：欧洲北斗导航定位系统：我国,各系统的比较（请完善）,5.2.6 GPS的应用,高精度位置、时间、速度信息提供。军事：精确定位、指挥作战民用：
8、车船飞机导航：交通授时：电力、邮电、通讯高精度测量：控制测量、工程测量、GPS辅助空中三角测量、DEM数据采集、水下地形测量、地球形状研究、板块运动、变形监测、精准农业、GIS数据采集等。,GPS在精准农业中的应用,精确播种精确施肥精确喷药精确收割,应用,综合实验5围绕GPS空间信息收集目标设计采集的步骤、途径和方法方案，并利用设计的、做过的、收集的案例，写出设计报告。按照测绘项目要求，根据测绘技术设计规定 （CH/T 1004-2005 ）及有关的技术规范、技术标准，制定项目设计书，提出各项精度指标，组织编写专业技术设计书， 并判定其与项目设计书的符合性和可行性。细化分解项目目标，明确技术路
9、线，合理调配资源，制订具有完整性、层次性和合理性的项目实施计划，确保各工序衔接顺畅。,5.3 基于RS的空间数据采集技术,5.3.1 遥感的基本概念与原理5.3.2 遥感平台与传感器5.3.3 遥感图像及其特征5.3.4 遥感处理的基本流程5.3.5 遥感应用,5.3.1 遥感的基本概念与原理,定义：通过安装在飞机、飞船、卫星等平台上的可见光、红外光、微波等光学或电子探测器，对目标物进行摄影或扫描，接收地面物体的反射或发射的电磁波信号，保存光学或数字图像，经过信息处理、判读解译及分析、信息提取和野外实地验证，最后生成用于辅助决策的信息。特点：探测范围广泛，提供综合宏观视角手段多样，信息量大快速
10、，周期短，可动态监测全天候作业不同目的、应用，手段不同应用范围广泛,5.3.1 遥感的基本概念与原理,遥感的物理基础电磁波谱和大气窗口无线电波（长波、中波、短波、微波）射线波长单位：无线电波：km.m；微波：cm，mm；红外：m；可见光：nm 和m。频率单位：无线电波：Hz，kHz，GHz。习惯：频率表示长波，波长表示短波。遥感常用的各光谱段的特性：,紫外光(UV),0.010.4微米只有0.30.4微米能到达地面，切能量少。可用于监测气体污染、海面油膜、碳酸盐分布。受大气散射影响严重，成像条件苛刻，很少探测成功。实际很少用。,可见光谱段,0.40.7微米，红橙黄绿青蓝紫光组成。可用胶片和光电
11、探测器收集和记录。鉴别物质特征，进行自然资源与环境调查的主要谱段。可摄影成像。,红外谱段 (IR),0.71000微米近红外（0.763.0），中红外（3.06.0），远红外（6.015),超远红外(151000)近红外:反射来自太阳的红外辐射，反射红外，0.71.3可以摄影胶片探测，或扫描探测，探测植被和水体有特效中远红外：热红外，不能摄影，需光学机械扫描。35,814，夜间成像，全天时遥感。军事侦察、浅层地下水、城市热岛、水污染、森林探火、区分岩石类型。大于15的被大气吸收。,5.3.1 遥感的基本概念与原理,辐射传递理论地表事物与地磁波的相互作用，电磁辐射的传输与接收辐射源:自然：太阳、
12、地球人工：雷达:微波，激光，声雷达（声纳）：测位置、方向、高度、距离、速度、测量地形地物的光谱特性发射波谱特性反射波谱特性透射波谱特性：透明地物（水、冰）,5.3.2 遥感平台与传感器,遥感平台地面和近地面：系留气球、牵引滑翔机、遥感铁塔、遥感吊车、地面遥感测量车、三脚架、遥感塔、遥感船等与地面接触的平台。航空：飞机、气球航天：卫星、火箭、航天飞机、宇宙飞船依据遥感图像的空间分辨率选择,5.3.2 遥感平台与传感器,传感器:采集单元：透镜、反射镜、天线分光单元：把混合光分解为不同波段光谱的功能单元。探测与信号转换单元：探测分光后的电磁波，并转换成其他形式信号的功能单元。记录与通讯单元：适当介质
13、记录电磁波信息，胶片、磁带和磁盘。通讯传输到异地的装置。分类：工作方式：被动式、主动式；进一步：扫描式、非扫描；进一步：图像式、非图像；进一步：物面扫描、像面扫描；,主动式：带有人工电磁辐射源，工作时向目标发射，同时接收目标物反射或散射回来的回波信号进行探测。被动式：探测地面反射、散射的太阳的电磁辐射以及地物本身的辐射信息来识别地物。其中反射辐射一般只能白天地物辐射称热红外辐射，检测城市热岛，森林火灾，煤层自燃，洋流等。对天气比较敏感。扫描式：将视场划分为面积相等，顺序排列的像元，以每个像元为探测单位记录电磁辐射强度。成像方式：像片、图像非成像：将电磁辐射转换成模拟信号（电压或电流信号）或数字
14、化输出，或记录在磁带上，如陆地卫星CCT数字磁带。非扫描和非成像方式：外形记录器，如微波辐射计。非扫描和成像方式：照相方式，航空摄影机扫描和成像方式：像平面扫描传感器：摄像机、固体扫描器（被动）；被动式相控阵雷达（主动）物平面扫描传感器：多光谱扫描器、光学机械扫描器、扫描微波辐射计（被动）；真实孔径雷达、合成孔径雷达、侧视雷达(主动）。,气象卫星系列,空间覆盖范围大、时间取样迅速、连续完整，综合参数观测。气象传感器：可见光、红外、微波辐射极轨、地球同步、太阳同步美国、前苏联、日本、欧洲、中国、印度等国共发射100多颗美国：TIROS、NOAA、GOES_E,W等中国：FY-1A,FY-2日本：
15、GMS俄罗斯：GOMES欧盟：METEOSAT-3印度：INSAT,地球资源卫星,探测地球资源与环境。美国：Landsat,EOS(TM,MSS,ETM+)法国：SPOT中国巴西：CBERS(20m5波段CCD,78m4波段红外多光谱扫描仪IRMSS)覆盖99.99%国土，涉及土地、森林、水、矿产、海洋、测绘等国土资源调查与评价，环境灾害调查、监测评估等。1:10万比例尺正射影像图制作和数据库更新，代替Landsat-5，SPOT-4，可以与Landsat-7，SPOT-5的全色波段数据融合。美国：EOS(MODIS)，对太阳辐射、大气、海洋和陆地进行综合观测，土地利用与土地覆盖研究，气候的季
16、节和年际变换等监测研究。,海洋卫星,由于海洋是覆盖地球70.8%面积的不断运动着的水体，而海洋卫星探测的参数是海洋环境参数，所以这就决定了海洋卫星不仅在光谱域上，而且在空间域和时间域上都有自身的特点。不同类型的海洋卫星所体现的特点有所不同。种类：海洋水色卫星、海洋地形卫星、海洋环境卫星。海洋水色卫星:用于探测海洋水色要素（如海水叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、可溶有机物和污染物等），从而可获得海洋初级生产力、水体混浊度和有机/无机污染等信息。这些信息对了解全球气候、海洋捕捞场、海洋工程环境、河口和航道、海水养殖场，以及水下军事工程建设和潜艇探测反探测都是十分重要的。此外，海洋水色卫星也可获得海冰外缘线，从而了解海冰分布，为船只提供航路信息。,
