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1、2023/6/30,1,3S集成技术与应用,主讲人：袁占良河南理工大学测绘学院,2023/6/30,2,3S集成技术与应用,第一章 绪论第二章 GIS基础理论第三章 GPS基础理论第四章 RS基础理论第五章 GPS与GIS的集成第六章 RS与GPS的集成第七章 RS与GIS的集成第八章 3S集成技术与数字地球第九章 3S集成技术应用实例,2023/6/30,3,第一章 绪论,1.1 RS、GIS与GPS集成概述1.2 3S集成中的理论问题和关键技术1.3 3S集成系统的研究思路,2023/6/30,4,1.1 RS、GIS与GPS集成概述,空间定位系统(目前主要指GPS全球定位系统)、遥感(R
2、S)和地理信息系统(GIS)是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的3大支撑技术(以下简称“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。,2023/6/30,5,1.1 RS、GIS与GPS集成概述,这3大技术有着各自独立、平行的发展成就：GPS是以卫星为基础的无线电测时定位、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；RS在过去的20年中已在大面积资源调查、环境监测等方面发挥了重要的作用。在未来数年之中还将会在空间分辨率、光谱分辨
3、率和时间分辨率3个方面，全面出现新的突破；GIS技术则被各行各业用于建立各种不同尺度的空间数据库和决策支持系统，向用户提供着多种形式的空间查询、空间分析和辅助规划决策的功能。,2023/6/30,6,1.1 RS、GIS与GPS集成概述,随着“3S”研究和应用的不断深入，科学家们和应用部门逐渐地认识到单独地运用其中的一种技术往往不能满足一些应用工程的需要。事实上，许多应用工程或应用项目需要综合地利用这3大技术的特长，方可形成和提供所需的对地观测、信息处理、分析模拟的能力。例如海湾战争中“3S”技术的集成代表了现代战争的高技术特点，而且“3S”技术的集成应用于工业、农业、交通运输、导航、捕鱼、公
4、安、消防、保险、旅游等不同行业，将产生愈来愈大的市场价值。,2023/6/30,7,1.1 RS、GIS与GPS集成概述,集成是英语Integration的中译义，它指的是一种有机的结合，在线的连接、实时的处理和系统的整体性。近几年来，国际上“3S”的研究和应用开始向集成化(或综合化)方向发展。在这种集成应用中：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，及时地对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、动态存取、作为新的集
5、成系统的基础平台，并为智能化数据采集提供地学知识。,2023/6/30,8,1.1 RS、GIS与GPS集成概述,作为实时、客观获取空间信息的新兴技术手段，遥感和全球定位系统成为地理信息系统的重要数据来源，而通过GIS对其获得的数据进行处理和分析，可以提取各种有用信息，以进行决策支持。3S技术为科学研究、政府管理、社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。3S的结合应用，取长补短，是一个自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了“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以及空间定位，GIS进行相应的空间分析（图1-1），以从RS和GPS提供的浩如烟海的数据中
6、提取有用信息，并进行综合集成，使之成为决策的科学依据。,2023/6/30,9,1.1 RS、GIS与GPS集成概述,图1-1：3S的相互作用与集成,RS,GPS,GIS,几何配准、辅助分类等,提供或更新区域信息,提供或更新空间定位,定点查询专题信息,几何校正、训练区选择及分类验证等,提供定位遥感信息查询,2023/6/30,10,1.1 RS、GIS与GPS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。在实际的应用中，较为常见的是3S两两之间的集成，如GIS/RS集成，GIS/GPS集成或者RS/GPS集成等，
7、但是同时集成并使用3S技术的应用实例则较少。美国Ohio大学与公路管理部门合作研制的测绘车是一个典型的3S集成应用，它将GPS接收机结合一台立体视觉系统载于车上，在公路上行驶以取得公路以及两旁的环境数据并立即自动整理存储于GIS数据库中。测绘车上安装的立体视觉系统包括有两个CCD摄象机，在行进时，每秒曝光一次，获取并存储一对影象，并作实时自动处理。,2023/6/30,11,LD 2002 外观图,特点：采用DGPS/INS组合导航系统 两台车用电子计算机四台CCD黑白相机+一台彩色数码相机测量精度0.1-0.3米量测范围：道路及两侧各50米以内,2023/6/30,12,车内的两台电脑与电源
8、,2023/6/30,13,1.1 RS、GIS与GPS集成概述,RS、GIS、GPS集成的方式可以在不同的技术水平上实现，最简单的办法是三种系统分开而由用户综合使用，进一步是三者有共同的界面，做到表面上无缝的集成，数据传输则在内部通过特征码相结合，最好的办法是整体的集成，成为统一的系统。单纯从软件实现的角度来看，开发3S集成的系统在技术上并没有多大的障碍。目前一般工具软件的实现技术方案是：通过支持栅格数据类型及相关的处理分析操作以实现与遥感的集成，而通过增加一个动态矢量图层以与GPS集成。对于3S集成技术而言，最重要的是在应用中综合使用遥感以及全球定位系统，利用其实时、准确获取数据的能力，降
9、低应用成本或者实现一些新的应用。,2023/6/30,14,1.1 RS、GIS与GPS集成概述,3S集成技术的发展，形成了综合的、完整的对地观测系统，提高了人类认识地球的能力；相应地，它拓展了传统测绘科学的研究领域。作为地理学的一个分支学科，Geomatics（地球空间信息学李德仁）产生并对包括遥感、全球定位系统在内的现代测绘技术的综合应用进行探讨和研究。同时，它也推动了其它一些相联系的学科的发展，如地球信息科学、地理信息科学等，它们成为“数字地球”这一概念提出的理论基础。,2023/6/30,15,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,为了实现真正的“3S”技术集成，需要研究和解决“3S
10、”集成系统设计、实现和应用过程中出现的一些共性的基本问题，如“3S”集成系统的实时空间定位、一体化数据管理、语义和非语义信息的自动提取、数据自动更新、数据实时通讯、集成化系统设计方法以及图形和影像的空间可视化等，为进一步设计和研制实用的“3S”集成系统提供理论、方法和工具。,2023/6/30,16,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,1、“3S”集成系统的实时空间定位 研究“3S”集成系统的传感器实时空间定位、系统行进过程中快速确定相关地面目标的方法和实现技术。包括：(1)广域和局域差分GPS网的构建方法与实时数据处理的理论与算法；(2)遥感传感器位置和姿态的测定及在航空、航天遥感中的应
11、用；(3)GPS辅助的遥感地面目标的自动重建与量测方法。,2023/6/30,17,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,2、“3S”集成系统的一体化数据管理 研究“3S”数据的集成管理模式、数据模型，设计和发展相应的数据管理系统，以实现图形、图像、属性、GPS定位数据等的一体化管理，为“3S”的集成处理和综合应用提供基础平台。包括：(1)非均质、多尺度、多时态空间数据的组织与管理；(2)面向对象的一体化数据结构与数据模型的研究；(3)大容量影像数据的压缩、传输、建库和存贮的理论与方法。,2023/6/30,18,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,3、语义和非语义信息的自动提取理论方法
12、 研究从航空、航天遥感数据和CCD立体像对中自动、快速和实时地提取空间目标位置、形状、结构及相互关系和空间目标的语义信息的理论与方法。主要包括：(1)遥感影像地物结构信息的自动提取和精确图形表达；(2)多种传感器、多分辨率和多时相遥感图像的融合理论与方法；(3)基于知识工程的遥感影像解译与分类系统的研究。,2023/6/30,19,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,4、基于GIS的航空、航天遥感影像的全数字化智能系统及对GIS数据库快速更新的方法 研究如何依托已建立的GIS系统来实现航空、航天遥感影像的智能化全数字过程，并从中快速发现在哪些地区空间信息发生了变化，进而实现GIS数据库的自
13、动/半自动快速更新。主要内容为：(1)GIS信息与现势的航空、航天影像复合；(2)从GIS信息与航空、航天影像之配准中自动(或半自动)检测空间信息的变化和增加；(3)由GIS的属性数据以及它与现势影像配准之结果，自动(或半自动)提取语义信息与获取知识；(4)GIS信息的自动更新。,2023/6/30,20,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,5)“3S”集成系统中的数据通讯与交换 数据通讯是“3S”技术集成中的一个关键问题。例如在环境监测、灾害应急、自动导航和自动加强系统中，需要将GPS记录数据和遥感成像数据(CCD记录和雷达记录等)实时传送到信息处理中心或反之将所有数据传送到量测平台上去
14、，为此，需要研究：(1)数据单向实时传送的理论和方法；(2)数据双向实时传送的理论和方法；(3)数据交换的理论和方法。,2023/6/30,21,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,6)“3S”集成系统中的可视化技术理论与方法“3S”集成系统中将有不同分辨率、不同时相的大量图形和影像数据，需要研究它们的多级分辨率和多尺度表示在各种介质和终端上的可视化问题。包括：(1)空间图形图像数据库的多级分辨率的存贮、显示和表达；(2)可视化空间数据库的构建与应用；(3)从空间数据库至地图数据库的自动综合和符号化理论与方法；(4)图形和影像的可视化技术与虚拟现实。,2023/6/30,22,1.2 3S
15、集成中的理论问题和关键技术,7)“3S”集成系统的设计方法及CASE工具研究 主要研究基于计算机辅助软件工程(CASE)技术的“3S”集成系统的设计方法和软件开发、维护的自动化技术，设计和发展专用于“3S”集成系统设计的CASE工具，例如：(1)可视化编程技术的研究和工具开发；(2)“3S”集成系统的结构化分析和设计规格的自动生成；(3)综合考虑时空关系及语义信息的数据实体关系表达与数据字典生成；(4)“3S”集成中的分量方法(Component approach)及关键技术。,2023/6/30,23,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,8)“3S”集成系统中基于客户机服务器的分布式网络
16、集成环境“3S”集成系统研究是一项涉及到多专业、多用户、多数据的综合研究课题，它需要一个强大而又有效的硬环境支持。这其中包括：多种软件系统(GIS软件ARCINFO、MGE、GeoStar等，全数字化摄影测量系统Virtuzuo，遥感图像处理系统ERDAS，GPS数据处理软件Wu-CAPS等)的综合使用；多类型数据的快速传输；多用户的工作方式。该项研究应根据“3S”集成系统研究的特点与特殊要求，为“3S”集成研究设计提供一个多种空间信息数据获取方式与地理信息管理系统融为一体的基础研究环境。,2023/6/30,24,1.2 3S集成中的理论问题和关键技术,这种集成化环境的研究完成，可以将多种数
17、据集中在一起实现共享，特别是网络化的数据传送方式可以快速有效地将数据传送到各用户，为“3S”集成的深入研究提供条件。此项研究包括：(1)“3S”集成系统网络集成环境的硬、软件组织；(2)分布式多用户间的数据快速传送；(3)多类型数据的数据通讯与格式转换。,2023/6/30,25,1.3 3S集成系统的研究思路,从前面两节可以看出，空间信息系统集成的研究是一项涉及到多专业、多数据的综合性研究课题，我们已经从两个方面系统地开展了这项工作：一方面就GIS与RS、GPS与RS、GPS与GIS两两的集成理论与关键技术进行了深入的研究；另一方面从GPS+RS+GIS、GPS+GIS+CCD(或其它测绘传
18、感器)整体集成的角度开展了理论与实际工作。同时，形成了如图1.2的研究思路。,2023/6/30,26,图1.2 3S系统集成的研究思路,2023/6/30,27,1.3 3S集成系统的研究思路,图1.2由以下五个部分构成：第一部分，涉及将GPS动态相位差分技术用于航空航天摄影测量进行无地面空中三角测量，并称为GPS摄影测量。它虽不是实时的，但经后期处理可达到厘米至米级精度，已用于生产。在这样的GPS与RS集成过程中，最主要的理论与技术问题是OTF(on the flying)技术。第二部分，涉及GIS与RS的集成。包括三个主要的技术过程：(1)多传感器、多分辨率、多时相遥感数据融合；(2)利
19、用RS数据和GIS数据快速发现空间对象的变化，同时，对GIS数据库进行快速更新；(3)从GIS数据中发现知识用以辅助遥感数据处理。,2023/6/30,28,1.3 3S集成系统的研究思路,第三部分，涉及车辆定位与自动导航。主要是在GPS与GIS的支持下，为控制人员或当事人提供实时的车辆位置和导航信息，减少路途时间。此外，还包括道路信息和其它环境信息的采集。第四部分，涉及以空间定位技术、遥感技术和地理信息系统技术为基础的集成数据库技术。主要指GPS数据、RS数据和GIS数据的一体化存贮与管理，也包括利用遥感数据制作导航数字影像地图以及基于数据集成的3D可视化模型。第五部分，涉及车载GPS、GI
20、S与CCD(包括其它测绘传感器)集成系统。GIS系统安装在车内，GPS为CCD摄像机提供外方位元素，影像处理可求出点、线、面地面目标的实时参数。,2023/6/30,29,第二章 GIS基础理论,2.1 GIS的基本概念 2.2 地理信息系统的构成 2.3 GIS基本功能2.4 GIS与相关学科与技术的关系2.5 地理信息系统应用,2023/6/30,30,2.1 GIS的基本概念,地理信息系统（Geographic Information System或 GeoInformation system，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系
21、统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。,2023/6/30,31,2.1 GIS的基本概念,通过上述的分析和定义可提出GIS的如下基本概念：1、GIS的物理外壳是计算机化的技术系统，它又由若干个相互关联的子系统构成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理和分析子系统、图像处理子系统、数
22、据产品输出子系统等，这些子系统的优劣、结构直接影响着GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理的方式和产品输出的类型。,2023/6/30,32,2.1 GIS的基本概念,2、GIS的操作对象是空间数据，即点、线、面、体这类有三维要素的地理实体。空间数据的最根本特点是每一个数据都按统一的地理坐标进行编码，实现对其定位、定性和定量的描述、这是GIS区别于其它类型信息系统的根本标志，也是其技术难点之所在。3、GIS的技术优势在于它的数据综合、模拟与分析评价能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。,2023/6/30,33,2.1 GIS的基本概念,4、
23、GIS与测绘学和地理学有着密切的关系。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量和遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺和精度的定位数；电子速测仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感图像处理系统等现代测绘技术的使用，可直接、快速和自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富和更为实时的信息源，并促使GIS向更高层次发展。地理学是GIS的理论依托。,2023/6/30,34,2.1 GIS的基本概念,有的学者断言，“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么，信息地理学的兴起和发
24、展将是打开地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和提高开辟一个崭新的天地”。GIS被誉为地学的第三代语言用数字形式来描述空间实体。,2023/6/30,35,2.1 GIS的基本概念,GIS按研究的范围大小可分为全球性的、区域性的和局部性的；按研究内容的不同可分为综合性的与专题性的。同级的各种专业应用系统集中起来，可以构成相应地域同级的区域综合系统。在规划、建立应用系统时应统一规划这两种系统的发展，以减小重复浪费，提高数据共享程度和实用性。,2023/6/30,36,2.2 地理信息系统的构成,完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理空间数据和系统管理操
25、作人员，其核心部分是计算机软硬系统，空间数据库反映了GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。地理信息系统的组成可综合表示为图2-1。,2023/6/30,37,图2-1 地理信息系统的组成,2023/6/30,38,2.2 地理信息系统的构成,一、计算机硬件系统 计算机硬件是计算机系统中的实际物理装置的总称，可以是电子的、电的、磁的、机械的、光的元件或装置，是GIS的物理外壳，系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系，受硬件指标的支持或制约GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持GIS硬件配置一般包括四个部分：1、计算
26、机主机；2、数据输入设备：数字化仪、图像扫描仪、手写笔、光笔、键盘、通讯端口等；3、数据存贮设备：光盘刻录机、磁带机、光盘塔、活动硬盘、磁盘阵列等；4、数据输出设备：笔式绘图仪、喷墨绘图仪（打印机）、激光打印机等。,2023/6/30,39,2.2 地理信息系统的构成,图2-2 GIS硬件的组成,2023/6/30,40,2.2 地理信息系统的构成,二、计算机软件系统 指GIS运行所必需的各种程序，通常包括（见图2-3）：1、计算机系统软件 由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统，通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序以及各种维护使用手册、程序说明等，是G
27、IS日常工作所必需的。2、地理信息系统软件和其他支撑软件 可以是通用的GIS软件也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。,2023/6/30,41,2.2 地理信息系统的构成,3、应用分析程序 是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序，是系统功能的扩充与延伸。在优秀的GIS工具支持下，应用程序的开发应是透明的和动态的，与系统的物理存贮结构无关，而随着系统应用水平的提高不断优化和扩充。应用程序作用于地理专题数据或区域数据，构成GIS的具体内容，这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分，也是从空间数据中提取地理信息的关键用户进行系统开
28、发的大部分工作是开发应用程序，而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性、优劣和成败。,2023/6/30,42,2.2 地理信息系统的构成,图2-3 计算机软件系统的层次,2023/6/30,43,2.2 地理信息系统的构成,三、地理空间数据 地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据，可以是图形、图像、文字、表格和数字等，由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通讯系统输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的GIS其地理空间数据的种类、精度都是不同的，但基本上都包括三种互相联系的数据类型：,202
29、3/6/30,44,2.2 地理信息系统的构成,1、某个已知坐标系中的位置 即几何坐标，标识地理实体在某个已知坐标系（如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系）中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等。2、实体间的空间相关性 即拓扑关系，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络结点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存贮管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。,2023/6/30,45,2.2 地理信息系统的构成,3、与几何位置无
30、关的属性 即常说的非几何属性或简称属性（Attribute），是与地理实体相联系的地理变量或地理意义。属性分为定性和定量的两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级，定性描述的属性如岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等，定量的属性如面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的，因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。,2023/6/30,46,2.2 地理信息系统的构成,地理信息系统特殊的
31、空间数据模型决定了地理信息系统特殊的空间数据结构和特殊的数据编码，也决定了地理信息系统具有特色的空间数据管理方法和系统空间数据分析功能，成为地理学研究和资源管理的重要工具。,2023/6/30,47,2.2 地理信息系统的构成,四、系统开发、管理和使用人员 人是GIS中的重要构成因素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期，处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还构不成完整的地理信息系统，需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发，并灵活采用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。,2023/6/30,48,2.3 GIS基本功能,GIS软件按功
32、能可分为以下几类：（1）数据输入：将系统外部的原始数据(多种来源、多种形式的信息)传输给系统内部，并将这些数据从外部格式转换为便于系统处理的内部格式的过程。如将各种已存在的地图、遥感图象数字化，或者通过通讯或读磁盘、磁带的方式录入遥感数据和其他系统已存在的数据，还包括以适当的方式录入各种统计数据、野外调查数据和仪器记录的数据。数据输入方式与使用的设备密切相关，常有三种形式：手扶跟踪数字化仪的矢量跟踪数字化。它是通过人工选点或跟踪线段进行数字化，主要输入有关图形点、线、面的位置坐标。扫描数字化仪的光栅扫描数字化，主要输入有关图像的网格数据。键盘输入，主要输入有关图像、图形的属性数据(即代码、符号
33、)，在属性数据输入之前，须对其进行编码。,2023/6/30,49,2.3 GIS基本功能,（2）数据存贮与管理：数据存储和数据库管理涉及地理元素（表示地表物体的点、线、面）的位置、连接关系及属性数据如何构造和组织等。用于组织数据库的计算机系统称为数据库管理系统（DBMS）。空间数据库的操作包括数据格式的选择和转换、数据的连接、查询、提取等。,2023/6/30,50,2.3 GIS基本功能,（3）数据分析与处理：指对单幅或多幅图件及其属性数据进行分析运算和指标量测，在这种操作中，以一幅或多幅图作为输入，而分析计算结果则以一幅或多幅新生成的图件表示，在空间定位上仍与输入的图件一致，故可称为函数
34、转换、空间函数转换可分为基于点或象元的空间函数，如基于象元的算术运算、逻辑运算或繁类分析等；基于区域、图斑或图例单位的空间函数，如叠加分类、区域形状量测等；基于邻域的空间函数如象元连通性、扩散、最短路径搜索等。量测包括对面积、长度、体积、空间方位、空间变化等指标的计算。函数转换还包括错误改正、格式变性和预处理。,2023/6/30,51,2.3 GIS基本功能,（4）数据输出与表示模块：输出与表示是指将地理信息系统内的原始数据或经过系统分析、转换、重新组织的数据以某种用户可以理解的方式提交给用户如以地图、表格、数字或曲线的形式表示于某种介质上，或采用CRT（Cathode Ray Tub）显示
35、器、胶片拷贝、点阵打印机、笔式绘图仪等输出，也可以将结果数据记录于磁存贮介质设备或通过通讯线路传输到用户的其他计算机系统。,2023/6/30,52,2.3 GIS基本功能,（5）用户接口模块：该模块用于接收用户的指令、程序或数据，是用户和系统交互的工具，主要包括用户界面、程序接口与数据接口。系统通过菜单方式或解释命令方式接收用户的输入。由于地理信息系统功能复杂，且用户又往往为非计算机专业人员，用户界面是地理信息系统应用的重要组成部分，它通过菜单技术、用户询问语言的设置，还可采用人工智能的自然语言处理技术与图形界面等技术，提供多窗口和鼠标选择菜单等控制功能，为用户发出操作指令提供方便。该模块还
36、随时向用户提供系统运行信息和系统操作帮助信息，这就使地理信息系统成为人机交互的开放式系统。,2023/6/30,53,2.4 GIS与相关学科与技术的关系,GIS是现代科学技术发展和社会需求的产物。人口、资源、环境、灾害是影响人类生存与发展的四大基本问题。为了解决这些问题必须要自然科学、工程技术、社会科学等多学科、多手段联合攻关。于是，许多不同的学科，包括地理学、测量学、地图制图学、摄影测量与遥感学、计算机科学、数学、统计学以及一切与处理和分析空间数据有关的学科，参在寻找一种能采集、存储、检索、变换、处理和显示输出从自然界和人类社会获取的各式各样数据、信息的强有力工具，其归宿就是地理信息系统，
37、或称空间信息系统，资源与环境信息系统。因此，GIS明显地具有多学科交叉的特征，它既要吸取诸多相关学科的精华和营养，并逐步形成独立的边缘学科，又将被多个相关学科所运用，并推动它们的发展。GIS的相关学科技术见图1-4。,2023/6/30,54,2.4 GIS与相关学科与技术的关系,2023/6/30,55,2.4 GIS与相关学科与技术的关系,总之，遥感技术可以为资源检测和环境检测提供丰富、实时的宏观信息，并为计算机制图系统和GIS的数据更新提供可靠、快速的数据源。但遥感对浩如烟海的社会经济统计数据，人类活动的大量信息却无力获取。计算机制图技术可为地理信息的时空分布和产品输出提供先进的手段，但
38、它本身无区域综合、分析和决策的功能；GPS技术、数字摄影测量和遥感技术可成为GIS数据采集和及时更新的主要技术手段和有力支撑；而GIS既能提供信息查询、检索服务，又能提供综合分析评价，它在资源和技术方面的博才与运筹帷幄的优势，是遥感、GPS和自动制图技术所不及的。,2023/6/30,56,2.4 GIS与相关学科与技术的关系,因此，只有它们的有机结合，才能使遥感和GPS技术所获取的瞬时信息经过积累和延伸，才具有反映自然历史发展过程和人为影响的能力，并达到实时处理的功能，为科学管理、规划决策服务。这样，逐步形成了GIS与诸多学科之间互相有联系，也有挑战，彼此推动，共同发展的关系和局面。,202
39、3/6/30,57,2.5 地理信息系统的应用,地理信息系统的博才取胜和运筹帷幄的优势，使它成为国家宏观决策和区域多目标开发的重要技术工具。也成为与空间信息有关各行各业的基本工具，以下简要介绍地理信息系统的一些主要应用方面：一、测绘与地图制图 地理信息系统技术源于机助制图。地理信息系统（GIS）技术与遥感（RS）、全球定位系统（GPS）技术在测绘界的广泛应用，为测绘与地图制图带来了一场革命性的变化。集中体现在：地图数据获取与成图的技术流程发生的根本的改变；地图的成图周期大大缩短；地图成图精度大幅度提高；地图的品种大大丰富。数字地图、网络地图、电子地图等一批崭新的地图形式为广大用户带来了巨大的应
40、用便利。测绘与地图制图进入了一个崭新的时代。,2023/6/30,58,2.5 地理信息系统的应用,二、资源管理 资源清查是地理信息系统最基本的职能，这时系统的主要任务是将各种来源的数据汇集在一起，并通过系统的统计和覆盖分析功能，按多种边界和属性条件，提供区域多种条件组合形式的资源统计和进行原始数据的快速再现。以土地利用类型为例，可以输出不同土地利用类型的分布和面积，按不同高程带划分的土地利用类型，不同坡度区内的土地利用现状，以及不同时期的土地利用变化等，为资源的合理利用、开发和科学管理提供依据。再如，美国资源部和威斯康星州合作建立了以治理土壤侵蚀为主要目的的多用途专用的土地GIS。该系统通过
41、收集耕地面积、湿地分布面积、季节性洪水覆盖面积、土壤类型、专题图件信息、卫星遥感数据等信息，建立了潜在威斯康星地区的土壤侵蚀模型，据此，探讨了土壤恶化的机理，提出了合理的改良土壤方案，达到对土壤资源保护的目的。,2023/6/30,59,2.5 地理信息系统的应用,三、城乡规划 城市与区域规划中要处理许多不同性质和不同特点的问题，它涉及资源、环境、人口、交通、经济、教育、文化和金融等多个地理变量和大量数据。地理信息系统的数据库管理有利于将这些数据信息归并到统一系统中，最后进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城
42、市环境的动态监测等。这些规划功能的实现，是以地理信息系统的空间搜索方法、多种信息的叠加处理和一系列分析软件(回归分析、投入产出计算、模糊加权评价、0-l规划模型、系统动力学模型等)加以保证的。我国大城市数量居于世界前列，根据加快中心城市的规划建设，加强城市建设决策科学化的要求，利用地理信息系统作为城市规划、管理和分析的工具，具有十分重要的意义。,2023/6/30,60,2.5 地理信息系统的应用,四、灾害监测 利用地理信息系统，借助遥感遥测的数据，可以有效地用于森林火灾的预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，为救灾抢险和防洪决策提供及时准确的信息。1994年的美国洛杉机大地震，就是利用
43、ARCINFO进行灾后应急响应决策支持，成为大都市利用GIS技术建立防震减灾系统的成功范例。通过对横滨大地震的震后影响作出评估，建立各类数字地图库，如地质、断层、倒塌建筑等图库。把各类图层进行叠加分析得出对应急有价值的信息，该系统的建成使有关机构可以对象神户一样的大都市大地震作出快速响应，最大程度地减少伤亡和损失。再如，据我国大兴安岭地区的研究，通过普查分析森林火灾实况，统计分析十几万个气象数据，从中筛选出气温、风速、降水、温度等气象要素、春秋两季植被生长情况和积雪覆盖程度等14个因子，用模糊数学方法建立数学模型，建立微机信息系统的多因子的综合指标森林火险预报方法，对预报火险等级的准确率可达7
44、3%以上。,2023/6/30,61,2.5 地理信息系统的应用,五、环境保护 利用GIS技术建立城市环境监测、分析及预报信息系统；为实现环境监测与管理的科学化自动化提供最基本的条件；在区域环境质量现状评价过程中，利用GIS技术的辅助，实现对整个区域的环境质量进行客观地、全面地评价，以反映出区域中受污染的程度以及空间分布状态；在野生动植物保护中的应用，世界野生动物基金会采用GIS空间分析功能，帮助世界最大的猫科动物改变它目前濒于灭种的境地。都取得了很好的应用效果。,2023/6/30,62,2.5 地理信息系统的应用,六、国防 现代战争的一个基本特点就是“三S”技术被广泛地运用到从战略构思到战
45、术安排的各个环节。它往往在一定程度上决定了战争的成败。如海湾战争期间，美国国防制图局为战争的需要在工作站上建立了GIS与遥感的集成系统，它能用自动影像匹配和自动目标识别技术，处理卫星和高空侦察机实时获得的战场数字影像，及时地将反映战场现状的正射影影像叠加到数字地图上，数据直接传送到海湾前线指挥部和五角大楼，为军事决策提供24小时的实时服务。,2023/6/30,63,2.5 地理信息系统的应用,七、宏观决策支持 地理信息系统利用拥有的数据库，通过一系列决策模型的构建和比较分析，为国家宏观决策提供依据。例如系统支持下的土地承载力的研究，可以解决土地资源与人口容量的规划。我国在三峡地区研究中，通过
46、利用地理信息系统和机助制图的方法，建立环境监测系统，为三峡宏观决策提供了建库前后环境变化的数量、速度和演变趋势等可靠的数据。总之，地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具，相信它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献。,2023/6/30,64,第三章 GPS基础理论,3.1 GPS概念3.2 GPS系统介绍3.3 GPS定位基本原理3.4 GPS误差和纠正,2023/6/30,65,3.1 GPS概念,全球定位系统(GPS,Global Positioning System)是利用人造地球卫星进行点位测量导航技术的一种，其它的卫星定位导航系统有俄罗斯的GLON
47、ASS，欧洲空间局的NAVSAT，国际移动卫星组织的INMARSAT等等。GPS全称是NAVSTAR(NAVigation Satellite Timing And Ranging)/GPS，由美国军方组织研制建立，从1973年开始实施，到九十年代初完成。,2023/6/30,66,3.2 GPS系统介绍,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。3.2.1 GPS卫星及其星座 GPS由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，它们均匀分布在六个相互夹角为60度的轨道平面内，即每个轨道上有四颗卫星。卫星高度离地面约20000公里，绕地
48、球运行一周的时间是12恒星时，即一天绕地球两周。GPS卫星用L波段两种频率的无线电波（1575.42MHz和1227.6MHz）向用户发射导航定位信号，同时接收地面发送的导航电文以及调度命令。,2023/6/30,67,3.2 GPS系统介绍,3.2.2地面控制系统 对于导航定位而言，GPS卫星是一动态已知点，而卫星的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数计算得到的。每颗GPS卫星播发的星历是由地面监控系统提供的，同时卫星设备的工作监测以及卫星轨道的控制，都由地面控制系统完成。GPS卫星的地面控制站系统包括位于美国科罗拉多的主控站以及分布全球的三个注入站和五个监测站组成，实现对GP
49、S卫星运行的监控。,2023/6/30,68,3.2 GPS系统介绍,3.2.3 GPS信号接收机 GPS信号接收机的任务是，捕获GPS卫星发射的信号，并进行处理，根据信号到达接收机的时间，确定接收机到卫星的距离。如果计算出四颗或者更多卫星到接收机的距离，再参照卫星的位置，就可以确定出接收机在三维空间中的位置。,2023/6/30,69,33 GPS定位基本原理,GPS定位基本原理是利用测距交会确定点位。如图3-1所示，一颗卫星信号传播到接收机的时间只能决定该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，GPS接收机的可能位置构成一个球面；当测到两颗卫星的距离时，接收机
50、的可能位置被确定于两个球面相交构成的圆上；当得到第三颗卫星的距离后，球面与圆相交得到两个可能的点；第四颗卫星用于确定接收机的准确位置。因此，如果接收机能够得到四颗GPS卫星的信号，就可以进行定位；当接收到信号的卫星数目多于四个时，可以优选四颗卫星计算位置。,2023/6/30,70,3.3 GPS定位基本原理,图3-1：测距交会定位示意图,2023/6/30,71,3.4 GPS误差和纠正,造成GPS定位误差的因素有很多，如由于卫星轨道变化以及卫星电子钟不准确以及定位信号穿越电离层和地表对流层时速度的变化等引起的误差，但是GPS定位中最为严重的误差则是由于美国军方人为降低信号质量造成的，这种误
