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1、第十五章“3S”技术简介,长安大学公路学院,15-1 概述,3S”是中国科学家按照GPS、GIS、RS字尾均为S，而这三者关系日趋紧密结合构成的一个对地观测、处理、分析、制图系统。GPS是授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System）的简称.GIS是地理信息系统或地学信息系统（Geographic Information System）的简称；RS是遥感（Remote Sensing）的简称,15-1 概述,全球定位系统（GPS）是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、
2、全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。地理信息系统（GIS）是指与所研究对象的空间地理分布有关的信息。它是表示地表物体及环境固有的数量、质量、分布特征、属性、规律和相互联系的数字、文字、音像和图形等的总称。遥感技术（RS）是利用光谱学、光电子学和电子技术从高空或远距离平台上，利用电磁波的探测仪器，获得接收物体辐射及反射的电磁波信息，经信息处理，测定被测物体的性质、形状位置和动态变化。,15-2 GPS全球定位系统的组成,全球定位系统（GPS）主要由GPS空间卫星部分（卫星星座）、地面监控部分和用户设备部分三部分组成。一、空间星座部分1.GPS卫星
3、星座布设方案保证在世界任何地方、任何时间，都可进行实时三维定位。,15-2 GPS全球定位系统的组成,一、空间星座部分2.GPS卫星功能（1）接收并存储由地面监控站发来的导航信息；（2）接收并执行主控站发出的控制命令，如调整卫星姿态，启用备用卫星等；（3）向用户连续发送卫星导航定位所需信息，如卫星轨道参数、卫星健康状态及卫星信号发射时间标准等。,15-2 GPS全球定位系统的组成,二、地面监控部分 地面监控部分是由分布在美国本土和三大洋的美军基地上的五个地面站组成。按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。地面监控系统的整个系统是由主控站控制，地面站之间由现代化通信系统联系。,15-2 GPS全
4、球定位系统的组成,三、用户设备部分1.主要任务捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号（GPS卫星是以广播方式发送定位信息。）2.分类（1）按用途:导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机、姿态测量型接收机。（2）按接收机通道数:多通道GPS接收机、序贯通道接收机、多路复用通道接收机。,15-2 GPS全球定位系统的组成,三、用户设备部分3.设备用户设备是指用户GPS接收机。GPS接收机是一种被动式无线电定位设备，在全球任何地方只要能接收到4颗以上GPS卫星的信号，实现三维定位、测速、测时。GPS接收机组成：GPS接收机天线、GPS接收主机和电源三部分组成。主要功能是接收GPS卫星信号并经过信号放大、
5、变频、锁相处理，测定出GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间，解释导航电文，实时计算GPS天线所在位置（三维坐标）及运行速度。,15-3 GPS坐标系统,一、WGS-84坐标系几何定义：WGS-84世界大地坐标系就是以国际时间局1984年第一次公布的瞬时地极（BIH1984.0）作为基准，建立的地球瞬时坐标系，严格来讲属准协议地球坐标系。物理定义：它拥有自己的重力场模型和重力计算公式，可以算出相对于WGS-84椭球的大地水准面差距。,15-3 GPS坐标系统,二、GPS坐标转换1.GPS坐标转换意义在城市、矿山等区域性的测量工作中，需要将GPS测量成果，换算到用户所采用的区域性坐标系统；或者
6、为了改善已有的经典地面控制网，确定GPS网与经典地面网之间的转换参数，需要进行两网的联合平差。,15-3 GPS坐标系统,二、GPS坐标转换2.三维坐标系统中的转换模型（1）转换模型用于基准转换的模型，主要有布尔沙沃尔夫（Bursa-Wolf）模型、维斯（Veis）模型和莫洛金斯基巴代卡斯（Molodensky-Badekas）模型。这些模型，虽表达形式略有差异，但它们都是等价的。,15-3 GPS坐标系统,二、GPS坐标转换2.三维坐标系统中的转换模型（2）大地坐标、GPS坐标经典地面网三维坐标，通常都是在参心坐标系中,以大地坐标的形式表示的，设为（B,L,H）T，其中BT为大地纬度，LT为
7、大地经度，HT为大地高。GPS网三维坐标，一般是在协议地球坐标系中，以空间直角坐标或大地坐标的形式给出的，设为（X,Y,Z)s或（B,L,H)s。,15-3 GPS坐标系统,二、GPS坐标转换2.三维坐标系统中的转换模型（3）网的三维联合平差 网的三维联合平差，原则上可以在空间直角坐标系统中进行，也可以在三维大地坐标系统中进行。通常以在空间直角坐标系统中进行为宜。将地面网的已知大地坐标，按以一定系式转换为相应的空间直角坐标。一般包括两类参数：基准转换参数；网的配合参数.,15-4 GPS定位原理,GPS定位方法主要有伪距法定位、载波相位测量定位和GPS差分定位。对于待定点位，根据其运动状态可分
8、为静态定位和动态定位。一、伪距测量伪距测量就是测定卫星到接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。标准时改正因素：卫星钟的改正数、接收机钟的改正数、电离层折射改正与对流层折射改正。这样在任何一个观测瞬间用户至少要同时测定四颗卫星的距离，以便解算出四个未知数。,15-4 GPS定位原理,二、相对定位GPS相对定位，也叫差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法.根据用户接收机，在定 位过程中所处的状态不 同，相对定位有静态和 动态之分。,15-4 GPS定位原理,三、载波相位测量载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间的相位延迟
9、。对卫星载波与接收机基准信号进行相位测量，即可得到卫星到接收机天线间用载波相位表达的距离观测值.载波相位相对定位普遍采用将相位观测值进行线性组合的方法。其具体方法有三种，即单差法、双差法和三差法。,15-4 GPS定位原理,四、载波相位差分定位技术（RTK技术）RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度观测成果。,15-5 GPS测量的实施,一、GPS测量内容 GPS测量的实施过程与常规测量的一样，包括方案设计、外业测量和内业数据处理三部分。二、GPS控制网精度标准 1.精度要求GPS网的技术设计是进行GPS测量的基础。它应根据用户提交
10、的任务书或测量合同所规定的测量任务进行设计。其内容包括测区范围、测量精度、提交成果方式、完成时间等。设计的技术依据是国家测绘局颁发的全球定位系统（GPS）测量规范及建设部颁发的全球定位系统城市测量技术规程。,15-5 GPS测量的实施,二、GPS控制网精度标准2.GPS测量精度指标GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间距离误差mD=a+b10-6D来表示。不同用途的GPS网的精度是不一样的，GPS控制网分为A、B、C、D、E五个等级。,15-5 GPS测量的实施,三、网形设计1.GPS网的设计主要考虑问题（1）可靠性设计由于无线电定位受外界环境影响大，所以在图形设计时应重点考虑成果的准确可
11、靠，并应考虑有可靠的检验方法。GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检查条件，提高网的可靠性。布设通常有点连式、边连式、网连式及边点混合连式等四种方式。,15-5 GPS测量的实施,三、网形设计1.GPS网的设计主要考虑问题（1）可靠性设计点连式:是指相邻同步图形（多台仪器同步观测卫星获得由基线的闭合图形）仅由一个公共点连接，这样构成的图形检查条件太少，一般很少使用。边连式:是指同步图形之间由一条公共边连接。,15-5 GPS测量的实施,三、网形设计1.GPS网的设计主要考虑问题（1）可靠性设计网连接:是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接。边点混合连接,15-5 GPS测量的实
12、施,三、网形设计1.GPS网的设计主要考虑问题（2）平面控制坐标联系设计为了求定GPS网坐标与原有地面控制网坐标之间的坐标转换参数，要求至少有三个GPS控制网点与地面控制网点重合。（3）高程控制坐标联系设计为了利用GPS进行高程测量，在测区内GPS点位尽可能与水准点重合，或者进行等级水准联测。,15-5 GPS测量的实施,三、网形设计1.GPS网的设计主要考虑问题（4）通视、选点、建标志设计GPS点尽量选在视野开阔、交通方便的地点，并要远离高压线、变电所及微波辐射干扰源。GPS点虽然不需要通视，但是为了便于用经典方法联测和扩展，要求控制点至少与一个其他控制点通视，或者在控制点附近300m外布设
13、一个通视良好的方位点，以便建立联测方向。选点时除了应远离产生磁场源的地方和保证观测站在视场内周围障碍物的高度角应小于1015外，其它要求及建立标志同常规控制测量。,15-5 GPS测量的实施,四、GPS测量的观测工作1.外业观测计划设计（1）编制GPS卫星可见性预报图利用卫星预报软件，输入测区中心点概略坐标、作业时间、卫星截止高度角15等，利用不超过20天的星历文件即可编制卫星预报图。（2）编制作业调度表作业表应包括：观测时段，注明开、关机时间；测站号、测站名；接收机号、作业员；车辆调度表。,15-5 GPS测量的实施,四、GPS测量的观测工作2.野外观测（1）安置天线要仔细对中、整平，量取仪
14、器高。仪器高要用钢尺在互为120方向量三次，互差小于3mm，取平均值后输入GPS接收机。（2）安置GPS接收机GPS接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线及电源电缆，并确保无误。（3）按顺序操作按规定时间打开GPS接收机，输入测站名、卫星截止高度角、卫星信号采样间隔等。,15-5 GPS测量的实施,四、GPS测量的观测工作2.野外观测（4）GPS接收机记录的数据GPS卫星星历和卫星钟差参数；观测历元的时刻和伪距观测值及载波相位观测值；GPS绝对定位结果；测站信息。,15-5 GPS测量的实施,四、GPS测量的观测工作3.观测数据下载及数据预处理外业观测数据在测区时就要及时进行严格检查，对外
15、业预处理成果，按规范要求严格检查、分析，根据情况进行必要的重测和补测。4.内业数据处理内业数据处理一般采用软件处理，主要工作内容有基线解算、观测成果检核及GPS网平差，内业数据处理完毕后应写GPS测量技术报告并提交有关资料。,15-6 实时GPS的应用,一、实时GPS的测量原理GPS实时差分定位系统由基准站、流动站和无线电通信链三部分组成。,15-6 实时GPS的应用,一、实时GPS的测量原理基准站：接收GPS卫星信号并实时向流动提供差分修正信号。流动站：接收GPS卫星信号和基准站发送的差分修正信号，对GPS卫星信号进行修正，并进行实时定位。,15-6 实时GPS的应用,二、实时GPS测量特点
16、GPS动态差分定位方法有位置差分、伪距差分、载波相位实时差分及广域差分，各自分别具有不同特点。1.位置差分是将基准站GPS接收机伪距单点定位得到的坐标值与已知坐标作差分，无线电传送的是坐标修正值，流动站用坐标修正值对其坐标进行修正。位置差分精度可达510m。但是位置差分要求流动站接收机单点定位所用的卫星与基准站求修正值时所用的卫星完全一致。若有一颗卫星不一样就可能产生45m以上的误差。,15-6 实时GPS的应用,二、实时GPS测量特点2.伪距差分（RTD）利用基准站已知坐标和卫星星历，求卫星到基准站的几何距离作为距离精确值，将此值与基准站所测的伪距值求差作为差分修正值，通过数据链传给流动站。
17、流动站接收差分信号后，对所接收的每颗卫星的伪距观测值进行修正，然后再进行单点定位。由于伪距差分是对每颗卫星的伪距观测值进行修正，所以不要求基准站和流动站接收的卫星完全一致，只要有4颗以上相同卫星即可。,15-6 实时GPS的应用,二、实时GPS测量特点3.载波相位实时差分（RTK）由于载波相位观测值精度高，若通过数据链将基准站载波相位观测值传到流动站，在流动站进行实时载波相位数据处理，其定位精度可达到12cm。RTK差分距离不可太远，目前最远可到30km。另外流动站是否能进行RTK差分，取决于数据通信可靠性和流动站载波相位观测值是否失锁。,15-6 实时GPS的应用,二、实时GPS测量特点4.
18、广域差分广域差分是利用大范围内建立的卫星跟踪网跟踪卫星信号。利用跟踪网已知坐标和原子钟，求每颗卫星的星历改正值、卫星钟改正值及电离层改正参数，并通过无线电台向用户流动站发送。流动站接收这些修正信息，并对观测值进行修正。差分修正后的精度可达到13m。差分范围可达到1000km。,15-6 实时GPS的应用,三、实时GPS测量的应用目前实时动态定位值采用的作业模式主要有：1.快速静态测量这种测量模式要求GPS接收机在每一用户站上，静止地进行观测，在观测过程中连同接收到的基准站的同步观测数据，实时地解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计的要求，便可适时的结束
19、观测工作。采用这种模式作业时，用户站的接收机在流动过程中，可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪，其定位精度可达12cm。这种方法可用于城市、矿山等区域性的控制测量，工程测量和地籍测量等。,15-6 实时GPS的应用,三、实时GPS测量的应用2.准动态测量这种测量模式通常要求流动的接收机在观测工作开始之前，首先在某一起始点上静止地进行观测，以便使用快速解算整周未知数的方法实时地进行初化工作。初始化后，流动的接收机在每一观测站上，只需静止观测数历元，并连同基准站的同步观测数据，实时地解算流动站的三维坐标。这种方法要求接收机在观测过程中，保持对所测量卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，便需重新进行初始化的工
20、作通常主要应用于地籍测量、碎部测量、路线测量和工程放样等。,15-6 实时GPS的应用,三、实时GPS测量的应用3.动态测量动态测量模式一般需首先在某一起始点上静止地观测数分钟，以便进行初始化工作。之后，运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进行观测，并连同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。,15-7 GIS与RS技术简介,一、GIS技术地理信息系统（GIS）通常以图形数据结构为特征分为两大类型：矢量结构和栅格结构。一般来说栅格结构容易与遥感数据结合，建立GIS和RS集成化系统；而矢量数据需要通过矢量至栅格的转换，才能与遥感数据集成使用。1.矢量数据结构从几何上说，空间目标可划
21、分为点、线、面、体四种基本类型。在图面上的点、线、面实体，可以用采样点X、Y坐标表达。,15-7 GIS与RS技术简介,一、GIS技术1.矢量数据结构在地理信息系统中，除了记录空间目标的几何位置数据外，还要考虑与这个目标有关的属性信息以及空间目标之间的相互关系，以满足空间查询和空间分析的需要。矢量数据结构的一个突出和最具特色的优点是能够完全显示地表达结点、弧段、面块之间所有关联关系。,15-7 GIS与RS技术简介,一、GIS技术2.栅格数据结构来自遥感、摄影测量和扫描的数据是栅格形式，格网数字地面模型是栅格形式。在GIS中，有许多种基于栅格的数据结构，这些节省存贮空间，有些则操作效率高。类型
22、：栅格矩阵；行程编码；四叉树编码,15-7 GIS与RS技术简介,一、GIS技术3.矢量栅格一体化数据结构虽然栅格数据结构有许多优点，但栅格结构精度低，并难以建立网络拓扑结构。这些缺点正好可以用矢量数据结构加以克服，所以现在许多GIS软件中，既含有栅格结构又保持矢量结构，以形成一种混合数据结构。它不是矢量与栅格结构的简单混合，而是一种既有矢量特点又有栅格性质的数据结构。,15-7 GIS与RS技术简介,一、GIS技术4.GIS数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工具，它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。数据库设计的核心问题之一是设计一个好的数据模型。目前常用的数据模型有层次模型、网络模型、
23、关系模型以及面向目标模型。,15-7 GIS与RS技术简介,二、RS技术1.发展阶段遥感技术（RS）作为一种空间探测技术至今已经历了地面遥感、航空遥感和航天遥感三个阶段。2.遥感器遥感器从第一代的航空摄影机，第二代的多光谱摄影机、扫描仪，很快发展到第三代的固体扫描仪（CCD）；遥感器的运载工具，从飞机很快发展到卫星、宇宙飞船和传输从图像的直接传输发展到非图像的无线电传输；而图像像元也从地面80m80m很快发展到40m40m，30m30m，20m20m，10m10m，6m6m，1m1m。,15-7 GIS与RS技术简介,二、RS技术3.系统组成 RS系统通常由空间信息采集系统、地面接收和预处理系
24、统、地面实况调查系统和信息分析系统构成。4.数字图像处理的过程,15-8“3S”集成技术与应用简介,“3S”不是GPS、GIS、RS的简单组合，而是将其通过数据接口严格地、紧密地、系统地集成起来，使其成为一个大系统。RS与GPS、RS与GIS、GIS与GPS的两两集成有许多研究与应用成果。一、RS与GIS的集成1.RS为GIS的提供信息源比较理想的是将RS的分类图像数据直接顺利地进入GIS中，经过栅矢转化形成空间矢量结构数据，满足GIS的多种应用和需求。,15-8“3S”集成技术与应用简介,一、RS与GIS的集成2.GIS为RS提供空间数据管理和分析的技术手段为解决“同物异谱”和“同谱异物”，
25、从单纯的RS数字图像处理，解决难度较大，若将GIS与RS结合起来，此类问题就易于解决。3.RS与GIS的三种结合方式GIS与RS有三种结合方式：分开但平行的结合；无缝的结合；整体结合。,15-8“3S”集成技术与应用简介,一、RS与GIS的集成,3.RS与GIS的三种结合方式,15-8“3S”集成技术与应用简介,二、RS与GPS的集成利用GPS可以实现RS卫星姿态角测量、摄影测量内外定向元素测定、航测控制点定位、RS几何纠正点定位、数据配准等。,15-8“3S”集成技术与应用简介,三、GPS与GIS的集成把DGPS的实时数据通过串口（RS-232C接口）实时进入GIS中，在数字电子地图上实现实
26、时显示、定位、纠正、线长、面积、体积等空间位态参数的实时计算及显示、记录。,15-8“3S”集成技术与应用简介,四、“3S”集成是利用RS提供的最新的图像信息，利用GPS提供的图像信息中“骨架”位置信息，利用GIS为图像处理、分析应用提供技术手段，三者一起紧密结合为用户提供精确的基础资料（图像和数据）。一个“3S”系统必须具备：（1）完备、一致的对地观测、数据采集系统（2）图像、图形存贮、编辑、处理、分析、预测、决策系统（3）图像、图形、文字报告、决策方案、预测结果输出系统（显示、绘图、打印）。,第十五章 教学内容回顾,1.概述 2.桥位控制测量 3.桥轴线纵断面测量 4.GPS定位原理5.GPS测量的实施6.实时GPS的应用7.GIS与RS技术简介8.“3S”集成技术与应用简介,
