第九章GIS新技术与“数字地球”简介的知识

第九章GIS新技术与“数字地球”简介学习目标了解WebGis的特点和优势·掌握3S的基本概念··了解3S集成技术·掌握数字地球的基本概念·了解数字地球的核心技术及其应用一、WEBGIS三、数字地球简介3S集成技术与数字地球

二、3S集成技术四、国家信息基础设施与国家空间数据基础设施一、传统GIS存在的主要问题：1、文件服务器结构的处理能力完全依赖于客户端，其效率低下。2、客户端的任何操作都要将服务器文件远程复制到本地进行。当多用户并发操作时，网上存在多个备份，因此，数据的完整性难以控制；大量数据频繁传输，易造成网络瓶颈，降低系统性能。3、成本高。企业用户使用GIS仅限于一般功能，而每个客户端都要配备昂贵的专业GIS软件，这无疑是巨大的浪费。4、GIS桌面系统操作复杂，操作人员需要有专业基础和经过专门培训，不适合企业级及大众化应用。第一节网络GIS二、WebGIS的特点：1、更广泛的访问范围。

2、平台独立性。3、可以大规模降低系统成本和减少重复劳动。4、更简单的操作。

三、产生的技术基础（1）开放GIS的研究——用户可以存取广泛分布在网络上的GIS数据和处理单元；（2）关系数据库（RDBMS）和GIS的结合；（3）GIS构件（Component）的开发；（4）互联网（Internet），尤其是万维网（WWW），已经成为GIS的新的操作平台。第二节3S集成技术虽然GIS在理论和应用技术上已经有了很大发展，但单纯的GIS并不能满足目前社会对信息快速、准确更新的要求。RS目前已经成为GIS最重要的数据源，在大面积资源调查、环境监测等方面发挥了重要的作用。遥感技术在空间分辨率光谱分辨率和时间分辨率上都在飞速发展和提高，担负着越来越重要的作用。GPS是以卫星为基础的无线电测时定位和导航系统，可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据。国际上“3S”的研究和应用开始向集成化（或一体化）方向发展。在3S集成应用中，GPS主要用于实时、快速的提供目标的空间位置；RS用于实时或准实时的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，及时的对GIS进行数据更新；GIS则是对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理和动态存取，作为新的集成系统平台，并为智能化数据采集提供地学知识。第二节3S集成技术3S技术相结合的土地利用管理信息系统第二节3S集成技术一、GIS与遥感的集成

软件的实现GIS与遥感的集成，可以有以下三个不同的层次：

①分离的数据库，通过文件转换工具在不同系统之间传输文件；②两个软件模块具有一致的用户界面和同步的显示；③集成的最高目的是实现单一的、提供了图像处理功能的GIS软件系统。第二节3S集成技术GIS作为图像处理工具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。在纠正完成后，可以将矢量点叠加在图像上，以判断纠正的效果。为了完成上述功能，需要系统能够综合处理栅格和矢量数据。第二节3S集成技术第二节3S集成技术校正前校正后GIS作为图像处理工具②图像分类对于遥感图像分类，与GIS集成最明显的好处是训练区的选择，通过矢量／栅格的综合查询，可以计算多边形区域的图像统计特征，评判分类效果，进而改善分类方法。此外，在图像分类中，可以将矢量数据栅格化，并作为“遥感影像”参与分类，可以提高分类精度，例如，考虑到植被的垂直分带特性，在进行山区的植被分类时，可以结合DEM，将其作为一个分类变量。第二节3S集成技术第二节3S集成技术水（河流、湖泊等）植被居民点1、GIS作为图像处理工具③感兴趣区域的选取在一些遥感图像处理中，常常需要只对某一区域进行运算，以提取某些特征，这需要栅格数据和矢量数据之间的相交运算。第二节3S集成技术城市热岛研究2.遥感数据作为GIS的信息来源数据是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：①线以及其他地物要素的提取②DEM数据的生成③土地利用变化以及地图更新第二节3S集成技术第二节3S集成技术使用遥感图像作为栅格图像时应注意的问题：由于各种因素的影响，使得从遥感数据中提取的信息不是绝对准确的，在通常的土地利用分类中，90％的分类精度就是相当可观的结果，因而需要野外实际的考察验证——在这个过程中可以使用GPS进行定位。此外，还要考虑尺度问题，即遥感影像空间分辨率和GIS数据比例尺的对应关系。

第二节3S集成技术第二节3S集成技术卫星1卫星2卫星3卫星4GPS定位示意图基准站航摄仪二、GIS与全球定位系统的集成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。第二节3S集成技术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，从而实现决策支持第二节3S集成技术第二节3S集成技术定位演示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。第二节3S集成技术第二节3S集成技术基准站（坐标已知）GPS卫星基准站（坐标已知）可测量两站之间的位置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。第二节3S集成技术GIS与GPS集成的系统结构模型地理信息系统显示数据记录定位测量监控导航GPS接收机数据接口数据处理汽车监控导航系统第二节3S集成技术三、3S集成概述GIS、RS和GPS三者集成利用，构成为整体的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统，提高了GIS的应用效率。

第二节3S集成技术GPSRSGIS定点查询专题信息提供或更新空间定位提供或更新区域信息几何配准、辅助分类等几何校正，训练区选择以及分类验证等提供定位遥感信息查询

3S的相互作用与集成第二节3S集成技术RS获取栅格影像GIS处理信息GPS进行测量一、数字地球的基本概念

数字地球是指数字化三维显示的虚拟地球，是信息化的地球，它是包括数字化、网络化、智能化与可视化的技术系统；实施数字地球计划，需要政府、企业和学术界共同协力参加。实施数字地球计划是社会行为，需全社会来关心和支持。数字地球是一次新的技术革命，将改变人类的生产和生活方式，进一步促进科学技术的发展和推动社会经济的进步第三节数字地球简介第三节数字地球简介一、数字地球的基本概念

数字地球将不同空间、时间、物质和能量的多种分辨率的有关资源、环境、社会、经济和人口等海量数据或信息，按地理坐标从局部到整体，从区域到全球进行整合、融合、显示，并能为解决复杂生产实践和知识创新、技术开发与理论研究提供实验条件和试验基地(包括仿真和虚拟实验)，其意义在于它代表了当前科技的发展战略目标和方向。第三节数字地球简介数字地球代表了当前科技的发展战略目标和方向。二、数字地球的核心技术

为了解决数字地球中的数字化、信息化以及应用问题，需要研究以下关键技术：科学计算、海量存储、宽带网、卫星数据获取、元数据、互操作等等。下面对这些相关关键技术进行简单的描述。

第三节数字地球简介1．信息高速公路和计算机宽带高速网

一个数字地球所需要的数据已不能通过单一的数据库来存贮，而需要由成千上万的不同组织来维护。这意味着参与数字地球的服务器将需要由高速网络来连接。第三节数字地球简介2．高分辨率卫星遥感数据的快速获取技术

卫星遥感是数字地球获取数据的主要手段，包括不同高度、不同分辨率的陆地卫星系列、海洋卫星系列、气象卫星系列以及小卫星系列，其分辨率从l米到4000米。遥感数据的处理包括辐射纠正、几何纠正、增强、特征提取、自动分类、自动成图、数据压缩等等，高分辨率卫星每天都要产生大量的数据，对这些数据的自动的、快速的处理以实时、准确地提取信息是实现数字地球信息获取的关键。第三节数字地球简介第三节数字地球简介美国快鸟计划（2002）：0.62米分辨率3．地球空间数据的存储和处理为了能够将地球上的信息进行数字化，除了要存储和处理大量的遥感数据之外，还包括图形数据，属性数据等等。实现对这些数据的查询检索，需要海量数据存储管理以及快速处理技术。目前分布式数据存储是海量数据管理的趋势，可以避免集中式系统带来的管理困难以及网络拥塞；而通常采用超大型计算机或者并行计算以实现快速处理。第三节数字地球简介4．超媒体空间信息系统

数字地球的主要任务之一是通过因特网实现信息的共享和发布，主要通过WebGIS技术实现；此外，数字地球应用中包含大量多媒体数据，也需要在因特网上发布，形成超媒体空间信息系统。大量的数据在网络上传输，造成网络拥塞，这需要高带宽网络解决该问题。

第三节数字地球简介5．地理信息的分布式计算地理信息的特征是分布的，并且具有基础性、共享性和综合性，分布式计算可以使得地理信息应用于社会各个领域。包括以下几种：①地理信息的共享领域服务②空间查询服务③空间分析服务④空间制图服务⑤地理信息的特定任务服务第三节数字地球简介6．无比例尺数据库

无比例尺数据库是指以一个大比例尺数据库为基础数据源，在一定区域内空间对象的信息量随比例尺变化自动增减，即可以由大比例尺空间数据自动生成较小比例尺的数据。第三节数字地球简介基于1：5万图DEM（25米水平分辨率）基于1：1万图DEM（5米水平分辨率）基于1：1万图DEM（12.5米水平分辨率）7．空间数据仓库

空间数据仓库是指支持管理和决策过程的、面向主题的、集成的和随时间变化的、持久的和具有空间坐标的地理数据的集合。数据仓库的主要任务是将来源、结构、格式不同的原始数据，首先对其进行标准化、过滤与匹配、精化、标明时间戳和确认数据质量的处理，即求精过程；然后再根据任务的需要，进行数据的集成与分割、概括与聚集、预测与推导、翻译与格式化、转换与再映象处理；最后进行数据仓库的建模、概括、聚集、调整与确认及建立结构化查询等等。第三节数字地球简介8．空间数据融合(Fusion)空间数据融合是指多种数据合成后，不再保存原来的数据，而产生了一种新的综合数据，如假彩色合成影像。数字地球的多种数据融合，包括多种分辨率数据，多维数据以及不同类型数据的融合，并且需要将融合得到的数据进行可视化表现，通常是将数据叠加在数字高程模型上，形成三维立体景观影像。第三节数字地球简介9．虚拟现实(VR，VirtualReality)技术虚拟现实技术，是指运用计算机技术生成一个逼真的，具有视觉、听觉、触觉等效果的可交互、动态的“世界”，人们可以对该虚拟世界中的虚拟实体进行操纵和考察，用户与虚拟现实系统的交互利用数据手套、数据头盔、数据衣等进行，而VR系统通过视觉描绘器，听觉描绘器，触觉描绘器使用户产生身临其境的感觉。第三节数字地球简介第三节数字地球简介第三节数字地球简介10．元数据(Metadata)

在创建数字地球的过程中，全球范围内对数字地理信息的需求越来越大，许多单位和个人开始生产、处理和修改地理数据；另外，在计算机信息系统中，在采用模型对地理实体进行研究时，为了保证信息不被误用，需要通过Metadata对数据进行详细的描述，这样不仅数据生产者能够充分描述数据集，用户也可以估计数据集对其应用目的的适用性。第三节数字地球简介数字地球技术概括海量数据获取存储管理处理和信息提取信息共享信息表达信息传输信息高速公路和宽带高速网√√高分辨率卫星遥感√地球空间数据存储和处理√√超媒体空间信息系统√√地理信息的分布式计算√√√无比例尺数据库√√√空间数据仓库√√空间数据融合√√虚拟现实技术√元数据√√√√第三节数字地球简介三、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。

第三节数字地球简介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。

第三节数字地球简介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。第三节数字地球简介3．数字地球与精细农业

21世纪农业要走节约化的道路，实现节水农业、优质高产无污染农业。这就要依托数字地球，每隔3~5天给农民送去他们的庄稼地的高分辨率卫星影像，农民在计算机网络终端上可以从影像图中获得他的农田的长势征兆，通过GIS作分析，制定出行动计划，然后在车载GPS和电子地图指引下，实施农田作业，及时地预防病虫害，把杀虫剂、化肥和水用到必