第八讲(GIS相关技术)

1、1地理信息系统及应用地理信息系统及应用云南大学信息学院云南大学信息学院梁虹梁虹2第八讲第八讲 GISGIS相关技术相关技术3一、遥感（RS）4 遥感遥感- 遥感遥感( (Remote Sensing)Remote Sensing)，是指通过某种传感器装置，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，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并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。学技术。- 19721972年美国第一颗地球资源技术卫星年美国第一颗地球资源技术卫星( (LANDSAT-1)LANDSAT

2、-1)成功成功发射并获取了大量的卫星图像之后，遥感技术迅速发发射并获取了大量的卫星图像之后，遥感技术迅速发展并广泛应用。展并广泛应用。- 遥感已成为遥感已成为GISGIS数据的主要来源之一。数据的主要来源之一。 5 遥感遥感- 遥感技术的基础是地物的电磁波特性，即物体具有的遥感技术的基础是地物的电磁波特性，即物体具有的反射或辐射不同波长电磁波的特性。反射或辐射不同波长电磁波的特性。- 故遥感也可以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的故遥感也可以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电磁波，识别物体以及物体存在固有特性，通过观测电磁波，识别物体以及物体存在环境条件的技术。环境条件的技

3、术。6 遥感遥感几种常见地物的电磁波反射曲线几种常见地物的电磁波反射曲线7 遥感遥感- 接收从目标反射或辐射电磁波的装置叫做遥感器接收从目标反射或辐射电磁波的装置叫做遥感器（Remote SensorRemote Sensor），），而搭载这些遥感器的移动体叫做而搭载这些遥感器的移动体叫做遥感平台（遥感平台（PlatformPlatform），），包括飞机、人造卫星等。包括飞机、人造卫星等。- 用机载平台的称为航空遥感，而用星载平台的称为航天用机载平台的称为航空遥感，而用星载平台的称为航天遥感。遥感。8 遥感遥感- 航空遥感主要应用于临时性的、紧急的观测任务以获得航空遥感主要应用于临时性的、紧

4、急的观测任务以获得高精度数据。高精度数据。- 航天遥感能够进行连续的、全天候的工作，提供更大范航天遥感能够进行连续的、全天候的工作，提供更大范围的数据，其成本更低，是获取遥感数据的主要方式。围的数据，其成本更低，是获取遥感数据的主要方式。9遥感原理图遥感原理图10- 遥感分为被动式遥感（如遥感分为被动式遥感（如MSSMSS、TMTM）和主动式遥感和主动式遥感（如合成孔径雷达）两种。（如合成孔径雷达）两种。 遥感遥感1112 遥感遥感- 通过传感器装置得到的数据，在被使用之前，需经过特通过传感器装置得到的数据，在被使用之前，需经过特殊的处理过程，主要包括影像纠正、增强、变换、滤波、殊的处理过程，

5、主要包括影像纠正、增强、变换、滤波、分类等，其目的主要是提取各种专题信息，如土地建设分类等，其目的主要是提取各种专题信息，如土地建设情况、植被覆盖率、农作物产量和水深等。情况、植被覆盖率、农作物产量和水深等。- 遥感图像处理可以采取光学处理和数字处理两种方式，遥感图像处理可以采取光学处理和数字处理两种方式，数字图像处理由于其可重复性好、便于与数字图像处理由于其可重复性好、便于与GISGIS结合等特结合等特点，目前被广泛采用。点，目前被广泛采用。 13 遥感数据处理遥感数据处理遥感数据获取到应用过程遥感数据获取到应用过程 14 遥感数据处理遥感数据处理- 图像纠正图像纠正 指消除遥感图像畸变的过

6、程，包括辐射纠正和几何指消除遥感图像畸变的过程，包括辐射纠正和几何纠正。辐射畸变通常由于太阳位置，大气的吸收、散射纠正。辐射畸变通常由于太阳位置，大气的吸收、散射引起；而几何畸变的原因则包括遥感平台的速度、姿态引起；而几何畸变的原因则包括遥感平台的速度、姿态变化，传感器，地形起伏等。变化，传感器，地形起伏等。15 遥感数据处理遥感数据处理图像纠正图像纠正 遥感图像的几何畸变遥感图像的几何畸变 16 遥感数据处理遥感数据处理- 增强增强 通过亮度、对比度变化以及直方图变换等，改通过亮度、对比度变化以及直方图变换等，改善图像的视觉效果。图像增强并没有增加信息量。善图像的视觉效果。图像增强并没有增加

7、信息量。- 滤波滤波 分为低通滤波、高通滤波和带通滤波等，低通滤分为低通滤波、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。一些线性信息，如道路，区域边界等。 17 遥感数据处理遥感数据处理- 分类分类 根据遥感图像各象元灰度特征之间的相似和相根据遥感图像各象元灰度特征之间的相似和相异程度进行合并和区分，按照一定的准则，形成不异程度进行合并和区分，按照一定的准则，形成不同的类别。同的类别。18 遥感数据处理遥感数据处理武汉东湖的武汉东湖的TMTM合成遥感图像合成遥感图像 19 遥感数据处理遥

8、感数据处理滇池北岸遥感图像滇池北岸遥感图像 20 遥感数据处理遥感数据处理昆明市城区遥感图像昆明市城区遥感图像 21 遥感数据处理遥感数据处理昆明城区遥感图像昆明城区遥感图像 22 遥感遥感- 遥感技术扩展了人类对于其生存环境的认识能力；遥感技术扩展了人类对于其生存环境的认识能力；- 提供大范围的瞬间静态图像，用于监测动态变化的现象；提供大范围的瞬间静态图像，用于监测动态变化的现象；- 进行大范围、大面积重复观测，即使是人类难以到达的偏进行大范围、大面积重复观测，即使是人类难以到达的偏远地区；远地区； - 大大大大“加宽加宽”了的人眼所能观察的光谱范围，遥感使用的了的人眼所能观察的光谱范围，遥

9、感使用的电磁波波段从电磁波波段从X X光到微波，远远超出了可见光范围；光到微波，远远超出了可见光范围；- 空间详细程度高，航空遥感的空间分辨率可以高达厘米级空间详细程度高，航空遥感的空间分辨率可以高达厘米级甚至毫米级。甚至毫米级。23 遥感卫星遥感卫星- 目前，世界上许多国家都已经发射了服务于不同目的的各目前，世界上许多国家都已经发射了服务于不同目的的各种遥感卫星种遥感卫星; ;- 遥感器的空间分辨率和光谱分辨率各异，形成从粗到细的遥感器的空间分辨率和光谱分辨率各异，形成从粗到细的对地观测数据源系列对地观测数据源系列; ;- 用于监测从土地利用、农作物生长、植被覆盖到洪水、森用于监测从土地利用

10、、农作物生长、植被覆盖到洪水、森林火灾、污染等现象的信息及其动态变化。林火灾、污染等现象的信息及其动态变化。24常用遥感卫星及其遥感参数常用遥感卫星及其遥感参数 25 遥感卫星遥感卫星- IKONOSIKONOS 由由美国美国Space ImagingSpace Imaging公司于公司于19991999年发射的世界第一年发射的世界第一颗商用高分辨率成像卫星颗商用高分辨率成像卫星, ,空间分辨率分为空间分辨率分为1m1m（米）和（米）和4m 4m ( (米米) )两种。每景像幅宽为两种。每景像幅宽为11km11km11km11km，每日环绕地球飞行，每日环绕地球飞行1414圈，重复周期为圈，重

11、复周期为3 3天。天。26IKONOSIKONOS获取的天安门广场图像获取的天安门广场图像 27 遥感卫星遥感卫星- QUICKBIRDQUICKBIRD 由由美国美国DigitalGlobeDigitalGlobe公司发射的高分辨率成像卫星公司发射的高分辨率成像卫星, ,空空间分辨率可达间分辨率可达0.610.61米米。28 遥感卫星遥感卫星- L LandSatandSat 由由美国发美国发射的射的中中分辨率成像卫星分辨率成像卫星, ,空间分辨率分为空间分辨率分为30m30m。- SPOT-HRVSPOT-HRV 由由法国发法国发射的射的中中分辨率成像卫星分辨率成像卫星, ,空间分辨率分为

12、空间分辨率分为10m10m。- 风云风云1 1号、风云号、风云2 2号气象卫星号气象卫星 中国发射的低分中国发射的低分辨率成像卫星辨率成像卫星, ,空间分辨率分为空间分辨率分为1.25km1.25km。29 遥感应用遥感应用- 水问题研究水问题研究（水污染监测、水环境监测（水污染监测、水环境监测 ）- 植被与林业调查植被与林业调查- 土地利用土地利用与与覆盖覆盖- 水土流失水土流失- 洪涝灾害洪涝灾害- 测绘测绘- 军事军事- 考古考古30 遥感应用遥感应用31 遥感应用遥感应用填海与河道整治填海与河道整治 32 遥感应用遥感应用33 遥感与遥感与GISGIS的集成应用的集成应用- 数据是数据

13、是GISGIS中最为重要的成分，而遥感为中最为重要的成分，而遥感为GISGIS提提供了廉价的、准确的、实时的基础数据；供了廉价的、准确的、实时的基础数据；- 利用遥感数据更新空间数据库，最直接的方式利用遥感数据更新空间数据库，最直接的方式就是将遥感图像作为背景底图，并根据其进行就是将遥感图像作为背景底图，并根据其进行矢量数据的编辑修改矢量数据的编辑修改; ; - 如何从遥感数据中自动获取地理信息是目前如何从遥感数据中自动获取地理信息是目前GISGIS领域的热点研究课题；领域的热点研究课题；- 同时，同时，GISGIS也为遥感图像的解译提供了强有力也为遥感图像的解译提供了强有力的辅助工具和处理平

14、台。的辅助工具和处理平台。34二、全球定位系统（GPS） 35 GPSGPS- G GPSPS（Global Positioning SystemGlobal Positioning System）是美国国）是美国国防部于防部于19731973年批准陆海空三军联合研制的一种年批准陆海空三军联合研制的一种新的军用卫星导航系统。简称为新的军用卫星导航系统。简称为GPSGPS全球定位全球定位系统。系统。- 19951995年年4 4月美国国防部正式宣布月美国国防部正式宣布GPSGPS具备全部运具备全部运作能力，即全球任何地方、任何时刻都可以实作能力，即全球任何地方、任何时刻都可以实现全天候的导航、定

15、位和定时。现全天候的导航、定位和定时。36 GPSGPS- GPSGPS计划历时计划历时2323年，耗资年，耗资130130多亿美元。多亿美元。- GPSGPS是第二代的导航系统，为测绘和定位领域带是第二代的导航系统，为测绘和定位领域带来了深刻的技术革命。来了深刻的技术革命。- 19911991年，在海湾战争中，年，在海湾战争中，GPSGPS首次大规模应用于首次大规模应用于实战。实战。37 GPSGPS卫星定位系统的组成卫星定位系统的组成- 卫星部分（空间）卫星部分（空间）- 监控部分（地面）监控部分（地面）- 接收部分（用户）接收部分（用户）3839 GPSGPS的组成的组成空间部分空间部分

16、- G GPSPS由由2525颗卫星组成，其中颗卫星组成，其中1 1颗实验卫星，颗实验卫星，2121颗工作卫星，颗工作卫星，3 3颗备用卫星。颗备用卫星。- 发送用于导航定位的信号。发送用于导航定位的信号。- 主要设备为原子钟。主要设备为原子钟。40GPSGPS卫星示意图卫星示意图 GPSGPS的组成的组成空间部分空间部分41GPSGPS卫星结构图卫星结构图 GPSGPS的组成的组成空间部分空间部分42 GPSGPS的组成的组成空间部分空间部分GPS卫星 43 GPSGPS的组成的组成地面监控部分地面监控部分- 由由1 1个主控站、个主控站、5 5个跟踪站和个跟踪站和3 3个注入站组成。个注入

17、站组成。- 主控站位于美国克罗拉多州法乐孔空军基地，用于主控站位于美国克罗拉多州法乐孔空军基地，用于监控卫星状态、编制导航电文、收集跟踪站数据、监控卫星状态、编制导航电文、收集跟踪站数据、向卫星发送控制命令。向卫星发送控制命令。- 跟踪站位于夏威夷、主控站及跟踪站位于夏威夷、主控站及3 3个注入站，用于接收个注入站，用于接收卫星数据、采集气象信息，并将收集到的数据传送卫星数据、采集气象信息，并将收集到的数据传送给主控站。给主控站。- 注入站分别位于太平洋、大西洋和印度洋，用于将注入站分别位于太平洋、大西洋和印度洋，用于将导航电文注入导航电文注入GPSGPS卫星。卫星。44 GPSGPS的组成的

18、组成地面监控部分地面监控部分-GPSGPS地面监控系统分布图地面监控系统分布图45 GPSGPS的组成的组成用户接收部分用户接收部分- 也称为也称为GPSGPS信号接收机。信号接收机。- 接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、变换和测量GPSGPS信号并计算当前位置。信号并计算当前位置。46 GPSGPS的特点的特点- 全球地面连续覆盖，卫星数目多且分布合理，在地全球地面连续覆盖，卫星数目多且分布合理，在地球任何地方可连续同步观测到至少球任何地方可连续同步观测到至少4 4颗卫星，保障全颗卫星，保障全球、全天候连续实时导航与定位。球、全天候连续实时导航与定位。- 功能多、精度高（功能多、精度高（20

19、20米），连续提供动态目标的三米），连续提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息。维位置、三维速度和时间信息。- 实时定位速度快，实时定位速度快，1 1秒钟即可完成定位。秒钟即可完成定位。- 属无源定位系统（用户不发射信号），保密性强。属无源定位系统（用户不发射信号），保密性强。- 用户数据不受限。用户数据不受限。47 GPSGPS的应用的应用48 GPSGPS的定位原理的定位原理- GPSGPS定位基本原理是利用测距交会确定点位。定位基本原理是利用测距交会确定点位。- 一颗卫星信号传播到接收机的时间，可决定该卫星一颗卫星信号传播到接收机的时间，可决定该卫星到接收机的距离，但并不能确定接收机

20、相对于卫星到接收机的距离，但并不能确定接收机相对于卫星的方向，在三维空间中，的方向，在三维空间中，GPSGPS接收机的可能位置构成接收机的可能位置构成一个球面；一个球面；- 当测到两颗卫星的距离时，接收机的可能位置被确当测到两颗卫星的距离时，接收机的可能位置被确定于两个球面相交构成的圆上；定于两个球面相交构成的圆上；49 GPSGPS的定位原理的定位原理- 当得到第三颗卫星的距离后，第三个球面与圆相交当得到第三颗卫星的距离后，第三个球面与圆相交得到两个可能的点；得到两个可能的点；- 第四颗卫星用于确定接收机的准确位置。第四颗卫星用于确定接收机的准确位置。- 因此，如果接收机能够得到四颗因此，如

21、果接收机能够得到四颗GPSGPS卫星的信号，就卫星的信号，就可以进行定位；可以进行定位；- 当接收到信号的卫星数目多于四个时，可以优选四当接收到信号的卫星数目多于四个时，可以优选四颗卫星计算位置。颗卫星计算位置。50 GPSGPS的定位原理的定位原理51 GPSGPS与与GISGIS的集成应用的集成应用- 定位：定位： 用于旅游、探险等需要室外动态定位信息的活用于旅游、探险等需要室外动态定位信息的活动中。动中。GPSGPS接收机提供所在位置信息，通过接收机提供所在位置信息，通过GISGIS实时实时显示其位置及运动轨迹，并利用显示其位置及运动轨迹，并利用GISGIS的空间检索功能，的空间检索功能

22、，得到定位点周围的地理信息，从而实现决策支持。得到定位点周围的地理信息，从而实现决策支持。 52 GPSGPS与与GISGIS的集成应用的集成应用- 测量测量 主要应用于土地管理、城市规划等领域，利用主要应用于土地管理、城市规划等领域，利用GPSGPS和和GISGIS的集成，可以位置抽样数据，测量区域的的集成，可以位置抽样数据，测量区域的面积或者路径的长度。面积或者路径的长度。53 GPSGPS与与GISGIS的集成应用的集成应用- 监控导航监控导航 用于车辆、船只的动态监控，在接收到车辆、船只用于车辆、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，发回的

23、位置数据后，监控中心可以确定车船的运行轨迹，进而利用进而利用GISGIS空间分析工具，判断其运行是否正常，如空间分析工具，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。包括向车船发布导航指令。54 GPSGPS与与GISGIS的集成应用的集成应用GPSGPS与与GISGIS集成应用示意图集成应用示意图55 3S3S集成集成- 3S3S（RSRS、GPSGPS、GISGIS）的集成应用，形成了）的集成应用，

24、形成了“一个大脑，一个大脑，两只眼睛两只眼睛”的框架；的框架；- RSRS和和GPSGPS向向GISGIS提供或更新区域信息以及空间定位，提供或更新区域信息以及空间定位，GISGIS进进行相应的空间分析，从行相应的空间分析，从RSRS和和GPSGPS提供的浩如烟海的数据中提供的浩如烟海的数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为决策的科学提取有用信息，并进行综合集成，使之成为决策的科学依据。依据。- 3S3S集成利用，构成为整体的、实时的和动态的对地理要集成利用，构成为整体的、实时的和动态的对地理要素进行观测、分析和应用的运行系统，为科学研究、政素进行观测、分析和应用的运行系统，为科学研究、

25、政府管理、社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言府管理、社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。和思维工具。56 3S3S集成集成57三、数字地球58 数字地球的概念数字地球的概念- 数字地球（数字地球（DEDE，The Digital EarthThe Digital Earth）的概念由戈尔）的概念由戈尔19981998年在加利福尼亚科学中心发表的演讲年在加利福尼亚科学中心发表的演讲“展望展望2121世纪我们世纪我们这颗行星这颗行星” ” 中正式提出来。中正式提出来。- 数字地球的提出是建立在人类科学技术发展成果的基础数字地球的提出是建立在人类科学技术发展成果的基础上，有其深刻的社会、经济背景。上，有其深刻的社会、经济背景。59 数字地球的概念数字地球的概念 与地球信息科学、地理信息科学、与地球信息科学、地理信息科学、GeomaticsGe