《土木工程测量》课件-第十二章 3S技术简介

第12章3S技术简介12.1GPS基础知识12.2GIS基础知识12.3RS基础知识12.43S技术的综合应用[本章提要]本章主要介绍了“3S”技术的基础知识和综合应用。[教学要求]1.掌握卫星定位的基本原理和应用领域;2.了解“3S”技术的基础知识和综合应用。一、GPS（GlobalPositioningSystem）的组成12.1GPS基础知识

※卫星空间部分※地面监控部分※用户GPS接收机1.空间部分24颗卫星（21+3）6个轨道平面55º轨道倾角20200km轨道高度（地面高度）12小时（恒星时）轨道周期每颗卫星可覆盖全球38%的面积4台高精度铷铯原子钟

1个主控站:Coloradosprings(科罗拉多.斯平士)。3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、DiegoGarcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。5个监控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。55ColoradospringsHawaiiAscencionDiegoGarciakwajalein2.地面监控部分3.用户接收机部分GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。大地型接收机又分单频型和双频型。手持型GPS机车载型GPS机导航型GPS机单频机双频机大地型GPS接收机二、GPS定位的基本原理1.伪距法定位原理

2.载波相位定位测量确定距离方法不同：伪距法定位和载波相位定位

定位接收机的数量不同：绝对定位和相对定位

定位时接收机的运动状态：静态定位和动态定位

实时差分定位方式：位置差分、伪距差分和载波相

位实时差分

三、GPS定位测量的模式四、GPS测量工作1）GPS网的技术设计2）选点与建立标志3）外业观测4）数据处理五、GPS的定位特点定位精度高适应性强自动化程度高经济效益高应用广泛大地测量：GPSA级和B级网、永久性的GPS跟踪站、西沙、南沙群岛与大陆的GPS联测工程测量：精密工程控制网、加密测图控制点、测绘各种比例尺地形图和施工放样航空摄影测量：测定航片和卫片上的地面控制点、航摄飞行导航、空中三角测量、直接测定摄影机和传感器的空间位置和姿态交通、监控和智能交通：车辆的监控和调度管理、选择最佳行车路线、救助、船舶精确航行六、GPS技术的应用军事：武器的制导、空中飞机指挥、实施空中管制、夜航盲驶、救援引导、地面部队引导、战场补给、穿越障碍、提供实时准确的作战信息精细农业：监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布、合理施肥、播种和喷撒农药、除草剂，精准灌溉和收割林业管理：确定林区面积、估算木材量、计算可采伐木材面积、确定原始森林、道路位置、对火灾周边测量、寻找水源、测定地区界线1.GLONASS定位系统GLONASS是GLObalNAvigationSatelliteSystem(全球导航卫星系统)的缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。七、其它卫星导航定位系统与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星(GPS)是码分多址(CDMA)，根据调制码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=1～24为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。GLONASS系统从理论上有24颗卫星，但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题，实际上目前只有8颗。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。2.北斗卫星导航系统(CompassNavigationSatelliteSystem)，称为北斗一号(BD-1)，是二维有源定位导航系统。BD-1由北斗导航定位卫星、地面控制中心站和用户终端三部分组成。北斗导航定位卫星由4颗高度为36000km的地球同步卫星组成，分别于2000年10月和12月发射了两颗“北斗”工作卫星、2003年5月和2006年2月发射了两颗“北斗”在轨备用卫星，可以向我国及周边地区的用户提供定位、实时导航、简短通信和精密授时服务，已在基础测绘、工程勘探、电信、水利、交通运输、资源调查、地震监测、渔业、森林防火、国家安全、公共安全与应急管理等诸多领域发挥重要作用。简单的通信和数据传输。在2008年汶川大地震抢险救灾、北京奥运气象监测中发挥了重要作用。2006年2月3日，中国用“长征三号甲”火箭成功发射了第四颗北斗导航定位卫星。

北斗系统工作示意图

2008年5月20日，在机场集结的空降兵部队手持“北斗”终端北斗系统地面定位手持机①卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）。卫星的轨道倾角i=56°；轨道高度H=23616km。②地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。③定位原理：与GPS相同。④定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。3.Galileo定位系统12.2GIS基础知识一、GIS的组成GeographicInformationSystem1.计算机系统2.地理空间数据3.管理应用人员矢量数据模型：x、y坐标来构建点、线、面等空间要素，适合于表示空间上离散的实体栅格数据模型：格网(像元或空间单元)来表示要素的空间变化，格网中的每个单元格都有一个对应于该位置上空间要素特征的值，适合用于显示空间上连续的要素二、GIS的数据模型与数据结构矢量数据的表达矢量模型：利用边界或表面来表达空间目标对象的面或体要素，通过记录目标的边界，同时采用标识符表达它的属性来描述空间对象实体。矢量模型处理的空间图形实体是点(point)、线(line)、面(polygon)，点用空间坐标对来表示水井、通讯和消防设施、控制点、独立树等，线由一串坐标对来表示道路、管线、河流、行政边界等，面是由线形成的闭合多边形，可以表示池塘、球场等。点是矢量数据模型的基本单元，线要素由点构成。线是由两个端点之间一系列标记线形态的点构成，可以是平滑曲线，也可以是折线。面要素由线组成，其边界把区域分成了内部区域和外部区域。如果空间目标对象的空间特征信息与属性特征信息一起存储，根据属性特征的不同，点可用不同的符号表示，线可用不同的颜色和粗细程度不等的线来描绘，面对象则可以填充不同的图案和色彩来区分。1.矢量模型(vectormode)

拓扑：研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变的性质，拓扑结构表示多边形实体的数据结构。拓扑数据结构

在拓扑学中，把3条以上线段的交点称为节点，两个节点之间的曲线或折线称为链或弧段。通过对节点、弧段、多边形拓扑关系的描述，以明确地表达要素之间的空间关系。在GIS的拓扑数据模型中，与点、线、面对应的空间图形实体主要有节点(node)、弧段(arc)、多边形(polygon)，多边形的边界被分割成一系列的弧和结点，结点、弧、多边形间的空间关系在数据结构或属性(比如地理实体的名称、类型和数量等)表中加以定义。点要素的数据结构多边形弧段号弧段号起节点终节点节点弧段P1e1、e5、e6e1N2N1N1e1、e3、e6P2e2、e4、e5e2N3N2N2e1、e2、e5P3e3、e4、e6e3N1N3N3e2、e3、e4P4e7e4N4N3N4e4、e5、e6e5N4N2N5e7e6N1N4e7N5N5拓朴的关联性多边形之间的邻接性弧段之间的邻接性节点之间的连通性P1P2P3P4e1e2e3e4e5e6e7N1N2N3N4N5P1\110e1\110110N1\1110P21\10e21\11100N21\110P311\1e311\1010N311\10P4001\e4011\110N4111\0e51101\10N50000\e610111\0e7000000\拓扑的邻接性和连通性线要素的数据结构面要素的数据结构ArcView，MapInfo和GeoMedia矢量数据模型具有如下特点：①相邻弧段的公用结点，相邻多边形的公用弧段在计算机中只需记录一次，空间数据文件较小。②空间图形实体的拓扑关系，如拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含不会随着诸如移动、缩放、旋转等变换而变化，而空间坐标及一些几何属性（如面积、周长、方向等）会受到影响。③能够精确地表达图形目标，精确地计算空间目标的周长、面积等，适合图形处理(比例尺变换、投影变换以及图形的输入和输出)，精度高。④数据结构和图形叠加复杂，与遥感等图像数据难以结合。

非拓扑矢量数据结构栅格数据的表达栅格模型直接采用面域或空域枚举来直接描述空间目标对象。在栅格模型中，点或点状符号是由一个格网来表示，线是由一串在一定方向上相邻彼此相连的格网构成，面由聚集在一起的相邻格网组成，空间现象的变化由格网单元值的变化来反映，每一单元值代表了此行此列决定的该位置上空间现象的特征。在栅格模型中，每一格网的大小是一致的(一般是正方形)，而且每一个格网层记录着不同的属性(如植被类型等)。栅格数据模型不把空间数据与属性数据明确分开，因此对于数据库管理用处不大，这与矢量数据不同。随着分辨率的增多，存储空间还会呈几何级数增加。大尺寸的网格单元无法表示空间要素的精确位置，这就减少了在一个格网单元中存在混合要素(如森林、牧场与水体)的机会。2.栅格模型(rastermodel)

采用较小的格网单元，这些问题就会得到缓解，但小尺寸的格网增大了数据量和数据处理时间。栅格数据结构GIS中的许多数据都用栅格格式来表示，这些数据包括数字高程数据、卫星影像、数字正射影像、扫描地图和图形文件(TIFF、GIF和JPEG)。(1)完全栅格结构（2）游程编码

4A1A3B2A2B3A1B（3）块式编码

(1,1,1,A),(1,2,1,A),(1,3,1,A),(1,4,1,A),(2,1,1,A),(2,3,1,B),(2,3,2,B),(3,1,2,A),(4,3,1,A),(4,4,1,B)（4）四叉树编码(5)栅格模型特点①适合于模拟空间的连续变化。特别是属性特征的空间变化程度很高的区域，如遥感、医学图像、计算机视觉等。②表达空间目标、计算空间实体相关参数的精度与分辨率密切相关，分辨率越高，精度越高，但存储空间会增加。③非常适合图像处理、进行空间分析评价，但图形质量差。④数据结构简单，易与遥感数据结合，但数据量大，不适合进行比例尺变化、投影变换。1.GIS数据输入

GIS的数据输入包括空间数据输入与属性数据输入，以及空间数据与属性数据的连接。空间数据是指数据所处的空间位置，其输入是图形的数字化处理过程。一般可以采用键盘输入、数字化实测、手工数字化、扫描数字化、透明格网采集输入、航测遥感和已有的数据文件输入。

属性数据(或非空间数据)是指这类数据定义空间数据或制图特征所表示的内容，包括遥感判读、各类调查报告、文件、统计数据、实验数据与野外调查的原始记录等，如人口数据、经济数据、土壤成份、环境数据，一般通过键盘输入，也可以从已有的数据库中以数字形式获取输入到GIS，然后利用特殊程序把属性数据和空间数据连接在一起。要求空间实体具有唯一的识别符，识别符可以手工输入，也可以由程序自动生成并与图形实体的坐标存贮在一起。三、GIS数据输入与处理2.GIS数据处理格式转换图形单元的修改与增删图幅拼接坐标转换四、GIS空间信息分析1.空间查询2.拓扑叠加3.建立缓冲区4.网络分析5.数字地形分析五、GIS应用1.城市地下管网管理系统2.城市综合管理系统3.港口管理系统4.金融管理分析系统5.生态环境管理分析系统6.人口管理系统12.3RS基础知识

遥感(Remotesensing)：遥远感知事物，应用于测绘、城市规划、水利、电力、通讯、交通、军事、农业、林业、环境监测等领域一、遥感技术系统1.空间信息采集系统2.地面接收和预处理系