“3S”技术在测绘学科的发展与应用.doc

“3S”技术在测绘学科的发展与应用摘 要 本文介绍了“3S”, 即全球定位系统(GPS)、遥感(RS)、地理信息系统(GIS) 的基本概念及其理论技术与特点, 论述了“3S”集成技术与测绘学科发展的关系及其综合应用。关键词 全球定位系统；遥感；地理信息系统；“3S”集成技术；测绘学科。0. 引 言测绘学有着悠久的历史，测绘技术起源于社会的生产需求，随着社会的进步而发展。测绘学的一个比较完整的概念是：研究实体（包括地球整体、表面以及外层空间各种自然和人造的物体）中与地理空间分布有关的各种几何、物理、人文及其随时间变化的信息的采集、处理、管理、更新和利用的科学与技术。 测绘学的主要研究对象是地球，人类对地球形状认识的逐步深化，要求精确测定地球的形状和大小，从而促进了测绘学的发展。因此测绘学可以说是地球科学的一个分支科学。测绘学的研究成果主要是地图，地图的演变及其制作方法的进步是测绘学发展的重要标志。 随着空间技术、计算机技术和信息技术以及通信技术的发展，测绘学这一古老的学科在这些新技术的支撑和推动下，出现了以“3S”技术为代表的现代测绘科学技术，使测绘学科从理论到手段发生了根本性的变化。测绘学中出现了“3S”新技术，即全球定位系统GPS、遥感RS、地理信息系统GIS，简称“3S”。“3S”技术的集成是当前国内外的发展趋势。1. “3S”的基本概念 所谓“3S”, 即全球定位系统(GPS)、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)。 1.1 GPS GPS全球定位系统是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAV STAR/GPS 的简称。它的含意是: 导航卫星测时和测距/全球定位系统。该系统是美军自七十年代初开始研制的新一代卫星导航和定位系统, 是由卫星部分、地面控制部分和用户接收机而组成。 1.2 RS RS 是英文Remote Sensing 的缩写, 意思是遥远感知。即从远距离高空及外层空间的各种平台上利用可见光、红外、微波等电磁波探测仪器, 通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理, 从而研究地面物体的形状、大小、位置及其环境的相互关系为变化的现代技术学科。 1.3 GIS GIS 是英文Geographic Information System的缩写, 通称地理信息系统。它是以采集、存贮、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面(包括大气层在内) 与空间和地理分布有关的数据的计算机系统。该系统是由计算机硬件、软件、数据和用户的有机结合而构成。 GIS 本身就是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、空间科学、地球科学、信息科学等为一体的多学科的新兴边缘学科。它研究计算机技术与空间地理分布数据的结合, 通过一系列空间操作和分析, 为地球科学、环境科学、工程设计乃至国民经济发展、城市建设、管理和决策等提供有用的信息, 并回答用户提出的有关问题。 2. “3S”技术及其特点 2.1 GPS技术及其特点 GPS 是由24颗工作卫星和3颗备用卫星组成, 工作卫星均匀地分布在6个相对于赤道为55的近似圆轨道面上。轨道面之间的夹角为60, 轨道面的高度为20 200km。这一布局可保证地球上任何一点在任意时刻均可同时收到4颗以上的卫星信号, 实现实时定位。 GPS 卫星发射的是一对相干波, 频率和波长分别为: fL1=157242MHz,L1=19cm fL2=122760MHz, L1=24cm 在这个载波段上分别加上了C/A 码(粗码)和P码(精码)伪随机噪声码, p= 29.3m, c/p=293m。 GPS 实时定位采用伪距法,测量卫星伪随机噪声的传播时间(伪距), 在任意时刻的瞬间同时观测4颗卫星的距离,则按距离交会法解算出四个未知数。 载波相位差分是记录卫星信号与接收机参数信号之间的相位差,将许多单测点瞬时载波相位观测值进行组合,形成单差、双差和三差方式, 以后处理方法消除各种系统误差，以提高精度,另外还可以减弱美国实施的SA 和A S 技术的干扰。 实时差分GPS 是近年来研究的一个热门课题, 并取得了很大进展。从早期的仅仅位置改正数、伪距改正数到目前能将各种误差分离开来向用户提供卫星星历改正、卫星钟改正以及电离层延迟模型和对流延迟模型; 从单基准站差分系统发展到多基准站的局部或区域差分系统, 最近又出现了广域差分GPS 系统。 GPS 的主要用途是实时导航和定位。在测绘学科中可以取代常规的大地测量仪器进行各种精度的定位, 其特点为: (1) 用途广泛。近年来对GPS 卫星应用开发表明, 用GPS 信号可以测量全球性的地球动态参数和全国性的大地测量控制网; 建立陆地海洋大地测量基准; 监测现代板块运动状态、捕获地震信息、测定航空、航天摄影瞬间的像机位置, 甚至航片、主片的姿态参数, 进行工程建筑的设计、施工、验收和监测。因此, GPS 卫星定位技术在工程测量中有着极其广泛的应用前景。 (2) 观测简便。GPS 系统的问世, 为解决测量外业观测时间长, 劳动强度大等问题开拓了广阔的途径。实践表明, 野外测量只需测量人员将天线单元准确安置在测站上, 接通电源, 启动接收单元。测量结束时, 再量天线高度即可。 (3) 定位精度好。近年来, GPS 相对定位数据经过精细的处理, 可以达到 (5mm + 110- 8D) 的精度, 3cm 左右的三维精度, 这充分说明GPS 卫星定位测量已达到厘米级的点位精度。对动态用户而言, 采用一定的精细测量方法(实时定位) 可获得高精度的动态测量结果。可以预计, 在下一个世纪初, GPS 卫星定位精度可以达到毫米级。另外, 据武汉测绘科技大学的研究结果表明, 用静态相对定位方法测出的大地高差误差可达34ppm , 当距离小于20km 时, 可达到厘米级精度。若引入高级水准点进行高程转换后, 在平地和丘陵地可达到5cm , 山区可小于20cm , 因此它可以代替四等水准测量。 2.2 RS 技术及其特点 遥感的定义上已提及。 实现这个过程所采取的各种技术手段统称为遥感技术。包括: 遥感器技术, 是专门研究制造感测目标信息和收集目标信息设备的技术; 信息传输技术, 是专门研究如何将遥感器收集、记录的信息资料传送到信息处理中心的技术; 实地采样技术, 是专门研究收集目标信息特征, 为处理目前信息资料时判别目标提供依据的技术; 信息处理技术, 是分析判释和应用技术, 包括信息数据的压缩、传输和校正技术、图象显示记录技术; 识别分析判释技术以及信息存贮和应用技术。 遥感技术的主体是空间遥感技术。比较典型的如资源环境监测、气象预报等技术。美国在70年代初就发射了地球资源技术卫星, 我国也成功地发射了气象卫星。空间技术的主要特点是: 获取信息量大; 资料新颖, 能迅速反映动态变化; 获取的信息内容丰富; 成图迅速; 获取信息方便全天时、全天候, 不受地形限制等。这些特点, 不仅人类对宇宙和自然的认识有了新的飞跃, 而且还大大 增强了改造自然, 开发和保护资源的能力。 空间遥感技术可以在数百万公里的高度通过遥感平台获取各种大、中、小比例尺的遥感影像。可称之为现代遥感技术。现代遥感发展的特点: 不断研制新型传感器, 如航天摄影机、光电扫描仪、成像光谱仪、测视雷达等; 提供从粗到精的对地观测数据源; 可以反复地获得同一地区影像数据的多时相性; 能增加多谱段的遥感数据, 一方面充分利用能透过大气的各类电磁波谱段, 向红外、远红外和微波方面扩展, 另一方面则是细分光谱段。 2.3 GIS技术及其特点 计算机用于制图和空间分析的历史表明, 在一些较为广泛相关的科学领域中, 数字自动获取、数据分析和数字表示等得到了同步发展。这些领域包括地籍、地形制图、专题制图、市政工程、地理、空间 变化的数字研究, 等等。同步发展的结果是各领域应用做了许多重复工作, 也使学科间专用术语变得复杂, 当克服了技术和概念上的问题之后, 就可能将多种空间数据处理科学地连在一起, 即组成目前 应用广泛的地理信息系统。 地理信息系统是由三个重要部分组成: 计算机硬件设备; 一组应用软件模块; 恰当的组织联系。 与一般的管理信息系统相比，地理信息系统具有以下特征：（1）地理信息系统在分析处理问题中使用了空间数据与属性数据，并通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用，从而提供了认识地理现象的一种新的思维方法；而管理信息系统则只有属性数据库的管理，即使存储了图形，页往往以文件形式等机械形式存储，不能进行有关空间数据的操作，如空间查询、检索、相邻分析等，更无法进行复杂的空间分析。（2）地理信息系统强调空间分析，通过利用空间解析式模型来分析空间数据，地理信息系统的成功应用依赖于空间分析模型的研究与设计。3“GIS、GPS和RS” 三S集成模式及综合应用3.1 “3S”集成模式“3S”技术的集成有多种方式，对地观测的“3S”集成系统的发展趋势是引入专家系统和现代通信技术，从而形成地理信息科学与工程。专家系统的引人将力求使数据采集、更新、分析和应用更加自动化和智能化。 RS与GPS相结合：这两者集成可用于自动定时数据采集、环境监测、环境灾害预警等方面。RS用于实时地或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面上的各种变化。GPS主要被用于实时、快速地提供目标，包括各类传感器和运载平台(车、船、飞机、卫星等)的空间位置。 RS与GIS相结合：遥感是GIS重要的数据源和数据更新的手段，而反过来，GIs则是遥感中数据处理的辅助信息，用于语义和非语义信息的自动提取。二者相结合主要是运用GIs中的图形及其属性作为辅助数据对遥感图像中的地物进行识别、信息提取。两者集成可用于土地利用动态监测、空间数据自动更新等。 GIS和GPS相结合：这两者集成可用于环境动态监测、自动驾驶、环境管理等方面。GPS技术的广泛应用，特别是实时动态定位测量的实施，使得GPS已经成为地面上实行GIS的前端数据采集的重要手段。GPS数据是数码数据，可以通过相应软件直接、自动进入GIS，而不需要人工转换，因此可以有效提高数据的准确度与精确度。一旦建成GIS，只需要在运动目标上安放GPS接收机和通信设备，就可以在主控站监测到目标的具体位置，也可以在运动目标处了解到自身所处位置或相对周围环境的位置。例如，汽车、火车、飞机等运行调度GIS系统，在运输工具上安装GPS后，一方面指挥中心实时知道各运输工具的运行轨迹，另一方面驾驶员也能即时知道自身所在的地面或空间位置。3.2“3S”集成技术综合应用随着“3S”技术的不断发展，将遥感(Remote sensing，RS)、全球卫星定位系统(Global positioning systems，GPS)和地理信息系统(Geography information systems，GIS)紧密结合起来的“3S一体化技术已显示出更为广阔的应用前景。以RS、GIS、GPS为基础，将RS、GIS、GPS三种独立技术中的有关部分有机集成起来，构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。其中，GPS的技术特点，使其能够较好的应用在大地测量、地球动力学研究中；以及在滑坡、矿山地面沉陷等灾害地质监测中、大城市地面沉降监测中、 桥梁与隧道控制测量、海洋测绘中、航天及天气预报中得到的较好应用； GIS可广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划、邮电通信、交通运输、公安、水利、公共设施、商业金融等人们生产生活的各个领域；而RS技术广泛应用于陆地水资源调查、土地资源调查、植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古调查、环境监测和规划管理等。三者之间形成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即RS和GPS像眼睛一样提供区域信息以及空间定位，GIS像大脑一样分析和处理多源时空数据，并反过来指导RS和GPS的数据采集，三者相互作用相互影响，共同构成一个应用强大的智能系统。GIS、GPS和 RS具有较强的信息快速获取和决策管理的支持能力，“3S”技术的集成和综合应用必将带动一大批相关技术的开拓和发展，形成新的高技术产业带。今后一个时期，通过开展“3S”技术在资源调查、生态环境监测、防灾减灾等社会发展领域中的应用，必将促进空间数据快速生成技术、“3S”信息集成处理与分析、多源数据集成管理与可视化以及