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1、3S技术及其综合应用,杨小唤2002年11月22日,2002-11-22,2,3S技术及其综合应用,3S及其相互关系 3S综合应用,2002-11-22,3,GIS :Geographical Information System,GIS是近二十年来发展起来的一门综合应用系统，它能把各种信息同地理位置和有关的视图结合起来，并把地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、Internet、多媒体技术及虚拟现实技术等融为一体，利用计算机图形与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性数据。这样，就可根据用户需要将这些信息图文并茂地输送给用户，便于使用。,2002-11-22
2、,4,GPS: Global Positioning System,全球定位系统（GPS）是上世纪70年代由美国国防部批准，陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。全球定位系统共由三部分构成：空间部分、地面控制部分、用户装置部分等。GPS的主要特点是全天候、全球覆盖、三维定速定时高精度、快速省时高效率及应用广泛。,2002-11-22,5,RS: Remote Sensing,遥感(RS)，顾名思义，就是遥远地感知。人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的
3、形式电磁波，并且发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和发射，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。 遥感的实现还需要遥感平台(像卫星、飞机、气球等)，它们的作用就是稳定地运载传感器。当在地面试验时，还会用到象三角架这样简单的遥感平台。针对不同的应用和波段范围，人们已经研究出很多种传感器，探测和接收物体在可见光、红外线和微波范围内的电磁辐射。传感器会把这些电磁辐射按照一定的规律转换为原始图像。原始图像被地面站接收后，要经过一系列复杂的处理，才能提供给不同的用户使用。,2002-11-22,6,GIS在3S技术中的作用,地理数据采集：计算机键盘录
4、入、数字化仪、扫描仪、GPS数据等。 地理数据管理：属性数据和空间数据 空间分析与属性分析：各种分析模型 地理信息的可视化表现GIS在3S技术中具有采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球上与空间和地理分布有关的数据的重要作用,2002-11-22,7,RS在3S技术中的作用,遥感数据在3S技术中的作用主要表现在： GIS数据库的数据源遥感数字图像可以作为GIS数据库中一种重要的数据源，从遥感图像中可以获取不同专题数据，更新GIS数据库中的地学专题图。遥感技术能够以低廉的价格快速提供各种遥感数字图像，这为我们利用遥感图像理解技术获取不同地学专题信息，更新GIS中专题图提供了条件。,2002-
5、11-22,8,RS在3S技术中的作用,利用遥感数字影像获取地面高程，更新GIS中高程数据从不同角度拍摄的同一地区的航空照片和高分辨率卫星数字影像上，可以利用数字影像相关技术对重叠成像区域实现地形高程信息的获取，这是对传统测绘方法的重大改进。随着高分辨率遥感影像在民用领域的推广使用，利用高分辨率遥感影像获取地面高程的成本将会降低，它将成为更新GIS数据库高程数据的一个重要数据来源。,2002-11-22,9,GPS在3S技术中的作用,GPS是利用多颗导航卫星的无线电信号，对地球表面某地点进行定位、报时或对地表移动物体进行导航的技术系统。,2002-11-22,10,GPS在3S技术中的作用,全
6、球定位系统组成 GPS由三个独立的部分组成： 空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。 地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。 用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。,2002-11-22,11,GPS在3S技术中的作用,全球定位系统组成 导航卫星，这些卫星分别设置在升交点赤经互隔60o的6条近圆轨道上，每条轨道上均匀分布4颗卫星，目前有24颗导航卫星（其中3颗为备用）在距离地面约20000km的轨道运行。地球上任何地点都可以同时接收到7至9颗导航卫星向地面发送的导航信号，这些信
7、号包含着卫星开始时刻的轨道参数、电波的发送时刻等信息。,2002-11-22,12,GPS在3S技术中的作用,全球定位系统组成 地面站，包括主控站、监测站与注入站。主控站控制整个地面站的工作，其作用相当于计算中心，它根据各监测站的数据，计算与编制各个卫星的星历与卫星钟的校正参量等。监测站负责跟踪接收各个卫星发射的导航信号，完成测量卫星至监测站的伪距离及其变化率等任务，并将数据预处理后送到主控站。注入站负责将主控站传递的卫星星历等信息注入给卫星。,2002-11-22,13,GPS在3S技术中的作用,全球定位系统组成 空间定位卫星导航仪，它包括空间定位系统接收机、信息处理、控制与显示设备和天线。
8、空间定位系统接收机通过天线接收卫星发送的导航信号，解算出空间定位导航仪使用者所在的位置、速度与相应的时间，在此基础上求算出对预定航线的偏离，指出到达地点的航向与时间，为了便于使用，这些导航信息可以在显示荧屏上采用数字显示，也可以在电子地图上显示。,2002-11-22,14,GPS在3S技术中的作用,空间定位的基本原理分布在地球上空的多颗导航卫星，不停地发射无线电信号，空间定位系统接收机接收这些信号，导航仪根据星历表信息求得每颗卫星发射信号时在太空中的位置，计算卫星发射信号的精确时间，然后根据已知的空间定位卫星的瞬时坐标和信号到达该点时间，通过计算，求得卫星至空间定位系统接收机之间的几何距离，
9、在此基础上计算出用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。,2002-11-22,15,GPS在3S技术中的作用,空间定位的基本原理从理论上讲，知道三颗卫星至观测站之间的几何距离，并利用GPS接收机收到的这三颗卫星的导航信号推算出的卫星瞬时坐标，就可以计算出观测站的位置。方法是，分别以三颗卫星的瞬时坐标为球心，卫星至观测站之间的距离为半径，作出三个球面，三个球面的交点就是观测站在空间中的位置。由于一般GPS接收机安装的是非精密钟，接收到的时间存在误差，故计算出卫星与用户之间的距离有误差（称为伪距），因此需要利用第四颗卫星进行时间上的纠正，以保证时间上同步。,2002-11-22,16,GPS
10、在3S技术中的作用,空间定位系统的作用空间定位系统具有实时、连续地提供地球表面任意地点上经纬度与高程，提供三维速度与精确时间的能力。 精确的定位能力：GPS为军事用户播发加密的高精度导航数据（P码），为民间用户播发精度较低的导航数据（C/A码）。美国军用GPS卫星导航仪单点测距定位精度在10 m之内，事后处理精度可达到厘米级，民用 GPS卫星导航仪单机定位精度在100米左右。近年来，随着其他国家GPS技术的发展与提高，美国放宽了对定位精度的限制，去年起民用单点定位精度提高到15米。,2002-11-22,17,GPS在3S技术中的作用,空间定位系统的作用 准确定时及测速能力：空间定位系统还具有
11、准确的定时能力（如美国GPS定时误差小于100微秒），以及运动物体的测速能力。导航卫星采用固定频率连续发射导航信号，这些信号频率因GPS卫星导航仪与导航卫星之间相对位移而产生多普勒频移现象，由此可以计算出地面上GPS卫星导航仪的运动载体在三维方向的速度分量。目前，美国 GPS三维测速误差小于30cm/s，俄罗斯GLONASS测速误差为15cm/s。,2002-11-22,18,3S之间的关系,在“3S”技术中，GIS是核心，RS和GPS为GIS提供快捷高效的数据源。只有将“3S”技术紧密结合，才能充分发挥各自的先进性能，完成空间分析与数据处理任务。因此，在实践中“3S”技术经常是集成应用的，对
12、硬件设备和软件要求较高。硬件包括高性能计算机、数字化仪、扫描仪、绘图仪、打印机和GPS数据接收机等，软件包括操作系统、中文平台、空间矢量数据输入、编辑和分析软件、图像处理工具软件等。,2002-11-22,19,3S综合应用实例,在集水高效农业工程中的应用 在森林防火管理中的应用 在车辆导航与监控系统中的应用 在精准农业中的应用 在全球变化研究领域的应用,2002-11-22,20,3S应用,3S的应用遍及交通、国土资源、电力、水利、农林、环境保护、金融、电信、地矿等国民经济各领域，并在城市管理信息系统（综合、地下管线、配电、小区物业、电力配备、有线电视收费、消防、公安综合、110报警、交通、
13、电缆输配、供电调度、房地产经营、电信配线、旧房改造等）、农林业管理信息系统（林业、土地适宜性评测、农业决策、土地规划、地质水质模拟等）、环境及生态管理信息系统（环境决策、地形仿真、动植物生态保护、综合、区域等）及油田规划、沙漠治理等各方面有着成功的应用经验。,2002-11-22,21,“3S”技术在集水高效农业工程中的应用,背景针对在甘肃省集雨高效农业工程建设中存在的集水设施选址、有限水资源合理分配等技术难题，采用空间分析手段，重点解决以小流域为单元的雨水径流集贮设施布局问题，以实现有限水资源的区位间高效调配。,2002-11-22,22,“3S”技术在集水高效农业工程中的应用,方法 基础空
14、间信息的输入工作底图采用甘肃省测绘局调绘的11万地形图，主要采集等高距为5m的等高线、高程点、自然水系和水库、渠道、道路、行政边界等信息。数字化后建立空间信息数据库。 用遥感图像对基础数据进行纠正与更新 采用目标区域的近期航空影像，利用扫描仪对像片进行高分辩率扫描，通过目视判读、机助判读和外业调绘，提取有关信息，对基础空间信息进行更新，取得了最新的集水工程分布、梯田分布、新修道路和居民区的资料。,2002-11-22,23,“3S”技术在集水高效农业工程中的应用,方法 全球定位系统对现有集水工程的精确定位在进行遥感数据的机助判读时，需准确地对地表重要参照物的经纬度进行测量，把手持式GPS接收仪
15、带到现场，记录经纬度和高程数据，在室内将这些实测数据进行整理，并输入计算机。 属性数据的采集与录入为了对集水高效农业实现科学化与定量化的管理，还需了解目标区域的自然、社会、经济等属性数据，收集了当地的农业气象数据（包括降雨量、降雨时间、蒸发量、日照时间等），还对目标区域人口、农业土地资源利用及其他有关社会、经济数据进行了调查，建立空间数据与属性数据的链接。,2002-11-22,24,“3S”技术在集水高效农业工程中的应用,方法 空间分析将矢量化的等高线数据进行栅格化转换，建立目标区域的数字高程模型（DEM），根据地形计算局部地区的降水总收集潜力，绘制出空间分布图。考虑到地表覆盖物的影响，结合
16、当地情况，通过植被模型和气象资料制定了集雨节灌的空间规划图，将规划图与现有集水工程分布图进行叠加，可直观地分析现有集水工程分布的合理性。另一方面，为了使有限的水资源发挥最大的效益，对集存雨水的田间分配方案进行探索，根据现有工程潜在和实际的贮水量，结合理论补灌面积和实际补灌面积进行分析，绘制相应的分布图。,2002-11-22,25,“3S” 在森林防火管理中的应用,林火发生是一个极其复杂的自然现象，它涉及的因素有自然属性和社会属性。自然属性中有可燃物的类型及其空间分布、地形地貌分布状况、气象因子等等。森林防火工作者往往要面对各种各样的信息，并在此基础上开展林火预防、扑救、善后处理等工作。而林火
17、发生又带有突发性，要在很短的时间判断林火的发展趋势，并及时作出决策，同时还要随时掌握现场的状况，就需要指挥者具有丰富的经验和知识。作为指挥者要做到这一步就必须采用先进的科学技术来提高他的判断能力和现场指挥能力。3S技术就可以充分发挥作用。,2002-11-22,26,“3S” 在森林防火管理中的应用,林火信息管理 数据库建立：可以通过不同的方法将森林防火有关的数据采集到计算机之中，建立相应的数据库。这 些数据库有地图数据库、属性数据库。 地图数据库：林相图或森林分布图或可燃物类型分布图，行政区划图（根据不同的管理层次可分为乡、县、地区、省、全国等级的行政区划）地形图（包括完整的地形地貌信息）水系图（包括江河湖泊，他是重要的扑火物质，又是良好的天然屏障）居民地及扑火队伍分布图（是防火的主要力量，又是扑火决策需考虑的重要信息源）救火设施分布图（包括了望台分布、救火设施：车辆，灭火机具等、机降点、通讯分布、气象台站等）、交通道路分布图（各种级别道路分布、以区分它对各种运载工具的运行条件）、防火隔离带分布（天然和人工的）、社会经济分布图（有厂矿、学校、各种机构分布情况）。GIS可以将这些信息以形象的地图方式提供给决策者。,
