第十章-3s集成技术1

1,第十章3S集成技术,2,1、遥感(RemoteSensing，RS)2、全球定位系统(GlobalPositionSystem，GPS)3、地理信息系统(GIS),3,10.13S集成技术的概述10.2RS10.3GPS10.43S集成的意义10.5数字地球,4,空间定位系统（GPS）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）是目前对地观测系统中空间信息获取、存储、管理、更新、分析和应用的三大支撑技术（简称3S），是现代社会持续发展、资源合理规划利用、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段，也是地学研究走向定量化的科学方法之一。,5,GPS是空间实体快速、精密定位的现代化工具；GIS是空间信息集成、分析、处理的有力武器；RS是空间信息覆盖面最大最迅速的采集手段，三者的结合简称3S集成。,6,3S技术相结合的土地利用管理信息系统,7,10.13S集成技术的概述10.2RS10.3GPS10.43S集成的意义10.5数字地球,8,一、遥感简介1.定义：通常是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。,9,水文要素,蓝色蓝黑色,红色,植被,灰白色浅蓝色,人工建筑,10,地球上的物体都在不停地发射、反射和吸收电磁波，并且不同物体的电磁波特征是不同的，人们根据电磁波的差异来辨析物体的不同，遥感技术就是在这个原理的基础上发展起来的。,2、遥感技术的基本原理,11,不同地物在同一波段反射率不同，同一地物在不同波段反射率也不同，由此导致其波谱特征不同，根据地物波谱曲线就可以区分和识别地表物体。,12,3、遥感技术的发展,人类早期遥感活动的“遥感平台”曾经使用风筝、鸽子等，为后来的航空遥感提供了思路。,13,14,4、遥感技术系统,由遥感平台、传感器、信息传输接收装置、数字或图像处理设备以及相关技术等组成。,15,5、遥感技术的特点,16,大面积的同步观测-瞬时信息获取范围时效性-同一地区信息获取的重复周期信息的综合性和可比性-地球表面自然与人文景观的综合反映-卫星轨道的确定性、影像分幅的同一性、同一系列传感器信息的兼容性经济性-与传统信息获取手段相比,17,二、分类：,按运载工具：航天遥感、航空遥感、近地遥感,按辐射源分：主动式遥感、被动式遥感,按波谱范围：紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多谱段遥感,按应用领域：环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感、农业遥感、林业遥感,18,利用卫星、宇宙飞船、航天空间站等携带遥感仪器的遥感,覆盖范围大，不受领空限制，可进行定期、重复观测,利用飞机携带遥感仪器的遥感,距地面高度在几十米以内的遥感,机动性强，可以根据研究主题选择恰当的传感器、适当的飞行高度和飞行区域,用于城市遥感、海面污染监测、森林火灾监测等中、高分辨率的遥感活动,19,20,三、遥感获取信息的特征,首先，遥感器不与研究对象直接接触，也就是说，这里的“遥”并非指“遥远”；其次，遥感的目的是为了得到研究对象的特征信息；最后，通过传感器装置得到的数据，在被使用之前，还要经过一个处理过程。,21,四、处理方法：,1）图像纠正2）分类3）增强4）滤波5）变换,22,遥感图像几何畸变的各种情形,23,1）几何纠正和辐射纠正在遥感图像的实际应用中，需要首先将其转换到某个地理坐标系下，即进行几何纠正。几何纠正的方法是利用采集地面控制点建立多项式拟合公式，它们可以从GIS的矢量数据库中抽取出来，然后确定每个点在图像上对应的坐标，并建立纠正公式。,24,校正前,校正后,25,2）图像分类利用遥感图像的主要目的是提取各种信息，一些特定的变换可以用于提取信息，但是最主要的手段则是通过遥感图像分类。计算机分类的基本原理是计算机图像上每个像元的灰度特征，根据不同的准则进行分类。,26,Eg：,水（河流、湖泊等）,植被,居民点,27,3）增强：目的是为了改善图像的视觉效果，并没有增加信息量，包括亮度、对比度变化以及直方图变化。,28,4）滤波：分为低通滤波、高通滤波和带通滤波等。低通滤波可以去除图像中的噪声，而高通滤波则用于提取一些线性信息，如道路、区域边界等。,29,5）变换：包括主成分分析、色度变换以及傅立叶变换等，还包括一些针对遥感图像的特定变换。,30,五、遥感应用,应用领域的拓展传统的遥感民用领域从资源调查开始，但随着遥感数据向三高方向发展，应用领域越来越广；利用影像发现土地利用变化、军事上的打击效果评估，农业作物估产、林业资源调查、自然灾害监测、全球和局部环境监测；利用高分辨率影像提取城市交通道路网络；高光谱遥感在精准农业中的应用,31,在建设数字城市、数字省区和数字中国中的应用。军事应用越来越重要：重要目标定位与侦察、导航与武器制导、打击效果评估、战场环境监测等等；,32,例1：,遥感为植物健康状况把脉,A、在卫星图像上，怎样通过颜色差异判定植物的生长状况？,B、根据植物健康状况在发射波谱中变化的原理，遥感还可以应用到哪些领域？,健康的植物被往往呈鲜红色，长势比较弱的植被颜色比较浅，由此可判定植物的生长状况。,不同的地物和地物的不同状况，有不同的反射率，根据这个原理，可以利用遥感的工作有水体污染、分析城市大气污染、监测灾害、普查资源等。,33,遥感与资源普查,勘探矿产资源、调查生物资源、水资源等是遥感技术在资源普查中的重要应用领域。,*矿产资源：人们只需要分析遥感图像就可以划定蕴藏矿产的大致区域，大大缩短探矿时间。,*生物资源：通过遥感图像处理技术，提取植被的分布、类型、结构、健康状况、产量等数据，为农业、林业、城市绿化、环境保护等部门提供服务。,例2：,34,遥感与环境灾害监测,A、环境监测：包括荒漠化、土壤盐碱化、海上冰山漂流、海洋生态、全球气候变化及其影响、植被变化、水体污染、大气污染等。,随着遥感技术的发展，遥感将不仅为人们提供信息资源，改变人们的生产、生活与交往方式，而且在环境监测、灾害预警等方面发挥巨大作用。,B、灾害监测：包括旱情、水灾、滑坡、泥石流、地震、农林病虫害、森林火灾等。,例3：,35,36,遥感卫星的科学实验功能,遥感卫星在完成对地遥感观测主任务的同时，还能以搭载的方式进行一系列科学实验。,例4：,37,六、GIS与遥感的集成,38,1、遥感是GIS重要的数据源，有效的数据更新手段遥感手段能够迅速、准确、综合性地大范围地采集环境和资料数据，同时，遥感数据具有多光谱和的动态多时相特点，它为GIS数据更新提供了全方位的手段和动态数据源。,39,2、GIS可为遥感分析提供有用的辅助信息和手段GIS有助于提高遥感数据自动分类的精度，为遥感应用分析提供一个良好的环境，从而大大提高遥感信息识别的精度和效率。,40,41,七、利用RS更新空间数据：数据是GIS中最为重要的成分，而遥感提供了廉价的、准确的、实时的数据，目前如何从遥感数据中自动获取地理信息依然是一个重要的研究课题，包括：线以及其他地物要素的提取DEM数据的生成土地利用变化以及地图更新,42,43,有关遥感技术,1、遥感是A、人向远处看，感知遥远的事物B、在空中对相隔某距离的地物进行感知C、人从高处往低处看，感知地面事物D、记录地面物体的图像,44,2、遥感探测范围由大到小依次是A、飞机、陆地卫星、宇宙飞船B、陆地卫星、飞机、宇宙飞船C、宇宙飞船、陆地卫星、飞机D、陆地卫星、宇宙飞船、飞机,45,3、遥感的优点A、用途广B、手段多，获得的信息量大C、不受地面条件限制D、成本低、效益大,46,4、两颗了卫星同时运行，每隔9天可以覆盖地理一遍，说明遥感技术A、受地面条件限制少B、测量范围大C、手段多，获得的信息量大D、获得资料速度快、周期短,47,10.13S集成技术的概述10.2RS10.3GPS10.43S集成的意义10.5数字地球,48,一、GPS简介二、GPS与GIS的集成,49,全球定位系统（GPS）是利用卫星进行点位测量和导航技术的一种，其全称是导航卫星测时和测距/全球定位系统（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositionSystem）。它是由美国军方组织研制建立，从1973年开始实施，到1994年完成，可实现地球上任何地方，任何时刻的自动定位和授时。,1.GPS的基本概念,50,51,GPS是美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程。GPS计划实施共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行了试验。试验结果令人满意。,2.GPS计划的实施,52,第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星。这一阶段称之为BlockI。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。试验表明，GPS的定位精度远远超过设计标准。定位精度几乎提高了一个数量级，达到14m。由此证明，GPS计划是成功的。,53,第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设阶段。这种工作卫星称为Block和BlockA卫星。这两组卫星的差别是：BlockA卫星增强了军事应用功能，扩大了数据存储容量；Block卫星只能存储供14天用的导航电文；而BlockA卫星能存储供180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即（213）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。,54,GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座地面控制部分地面监控系统用户设备部分GPS信号接收机,3.GPS的系统组成,55,空间部分：卫星分布21颗工作卫星，3颗备用卫星；每4颗卫星工作在同一轨道平面内，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面，彼此夹角为60；轨道平面相对于赤道的倾角为55；卫星轨道离地面高度19650km；12恒星时(11hr58min2.05s)绕地球一周；地球上任何地方、任何时刻同时可收到4颗以上GPS卫星的信号。,56,控制部分：控制部分由一个主控站和分布在地球上不同地点的多个监测站组成，负责卫星的定位、监测和数据的加载。,57,用户设备：用户设备是一部在地球上利用“导航星”信号确定位置和时间、指示运动方向、速度和目的地方位等的接收机。,58,GPS卫星分布,59,GPS定位的基本原理是利用测距交会确定点位。,一台接收机同时获得与四个以上的GPS卫星之间的距离。若多于四个，则可优选出四个进行计算。,4.GPS的定位原理,60,测绘领域：地球动力研究：城市管理：高精度授时：大气层研究等等。,5.GPS的应用,61,其他的卫星定位导航系统还有：俄罗斯的全球轨道导航卫星系统（GLONASS），与GPS极为相似，也由24颗卫星组成（21颗工作，3颗在轨备用）。我国的双星导航定位系统，这是一个导航和个人通信技术结合的卫星定位系统，由3颗北斗1号卫星（“北1A”2000.10.31、“北斗1号B”2000.12.21和“北斗1C”2003.5.24，西昌）、控制站和接收机组成，是一个区域性的定位和通信系统，原理与GPS一样，但精度比较差。欧洲空间局的NAVSAT（伽利略计划）。国际移动卫星组织的INMARSAT。,6.其他卫星导航系统,62,北斗卫星定位导航系统,63,一、GPS简介二、GPS与GIS的集成,64,1.GIS与GPS集成的系统结构模型,65,作为实时提供空间定位数据的技术，GPS可以与地理信息系统进行集成，以实现不同的具体应用目标。,2.GIS与GPS集成的应用,66,1定位主要在诸如旅游、探险等需要室外动态定位信息的活动中使用。如果不与GIS集成，利用GPS接收机和纸质地形图，也可以实现空间定位；但是通过将GPS接收机连接在安装GIS软件和该地区空间数据的便携式计算机上，可以方便地显示GPS接收机所在位置并实时显示其运动轨迹，进而可以利用GIS提供的空间检索功能，得到定位点周围的信息，从而实现决策支持。,67,定位演示,68,2测量主要应用于土地管理、城市规划等领域，利用GPS和GIS的集成，可以测量区域的面积或者路径的长度。该过程类似于利用数字化仪进行数据录入，需要跟踪多边形边界或路径，采集抽样后的顶点坐标，并将坐标数据通过GIS记录，然后计算相关的面积或长度数据。在进行GPS测量时，要注意以下一些问题，首先，要确定GPS的定位精度是否满足测量的精度要求，如对宅基地的测量，精度需要达到厘米级，而要在野外测量一个较大区域的面积，米级甚至几十米级的精度就可以满足要求；其次，对不规则区域或者路径的测量，需要确定采样原则，采样点选取的不同，会影响到最后的测量结果。,69,GPS卫星,可测量两站之间的位置,70,3监控导航用于车辆、船只的动态监控，在接收到车辆、船只发回的位置数据后，监控中心可以确定车船的运行轨迹，进而利用GIS空间分析工具，判断其运行是否正常，如是否偏离预定的路线，速度是否异常(静止)等等，在出现异常时，监控中心可以提出相应的处理措施，其中包括向车船发布导航指令。,71,汽车监控导航系统,72,2）系统功能1当前位置计算功能,73,2）系统功能2地图画面显示功能,74,2）系统功能3最佳路线制定功能,75,2）系统功能4检索功能,76,2）系统功能5语音提示功能,77,2）系统功能6娱乐功能,78,10.13S集成技术的概述10.2RS10.3GPS10.43S集成的意义10.5数字地球,79,80,3S结合应用，三者相互作用形成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即RS和GPS向GIS提供或更新区域信息及空间定位，GIS进行相应的空间分析，提取有用的信息，进行综合集成，为决策提供科学的依据。,81,82,10.13S集成技术的概述10.2RS10.3GPS10.43S集成的意义10.5数字地球,83,10.5数字地球一、数字地球的提出二、数字地球的概念三、数字地球的核心思想四、数字地球的特点五、数字地球的技术基础六、数字地球的应用,84,一、数字地球的提出,1998年，美国副总统戈尔，数字地球：展望21世纪我们这颗行星,85,二、数字地球的概念,数字地球（DigitalEarth）就是用数字的手法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现网上流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。,把地球上每一个确定点的相关信息和数据组织起来，然后进一步组合；地球上所有这样的点，构造一个能包容自然和人类大多数数据和信息的虚拟地球。,86,三、数字地球的核心（思想）,一是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会等诸方面的问题。二是最大限度地利用资源，并使人们能够通过一定方式方便地获得他们所想了解的有关地球的信息。,87,四、数字地球的特点,“虚拟地球”，可以嵌入海量地理数据，可以多分辨率、三维地表示地球。,88,4.网络技术,5.虚拟现实技术,1.遥感技术,五、数字地球的技术基础,2.地理信息系统,3.全球定位系统,89,90,91,92,93,94,95,96,5.虚拟现实技术,97,98,戴上数据仪器，可以在虚拟空间中体验太空漫步的美妙滋味.,99,三、数字地球的应用在人类所接触到的信息中有80%与地理位置和空间分布有关，地球空间信息是信息高速公路上的货和车。数字地球不仅包括高分辨率的地球卫星图像，还包括数字地图，以及经济、社会和人口等方面的信息，它的应用正如戈尔副总统在报告中提到的有时会因为我们的想象力而受到限制，换句话说，数字地球的应用在很大程度上超出我们的想象，可以乐观地说下一世纪中，数字地球将进入千家万户和各行各业。这里只能就我们的理解提出一些现实的应用。,100,1数字地球对全球变化与社会可持续发展的作用全球变化与社会可持续发展已成为当今世界人们关注的重要问题，数字化表示的地球为我们研究这一问题提供了非常有利的条件。在计算机中利用数字地球可以对全球变化的过程、规律、影响以及对策进行各种模拟和仿真，从而提高人类应付全球变化的能力。,101,2数字地球对社会经济和生活的影响数字地球将容纳大量行业部门、企业和私人添加的信息，进行大量数据在空间和时间分布上的研究和分析。,102,3数字地球与精细农业21世纪农业要走节