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系统组合

  人类有一个梦想,就是想只用一种方法,就把世间一切事物都管起来。而遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS),它们具有天然的优势互补性,因此,它们就自然而然的"走到"一起来了。

  它们在3S体系中各自充当着不同的角色,遥感技术是信息采集(提取)的主力;全球定位系统是对遥感图像(像片)及从中提取的信息进行定位,赋予坐标,使其能和"电子地图"进行套合;地理信息系统是信息的"大管家"。

  将这三者有机的组合,人类的梦想就实现了。"3S"是一个动态的、可视的、不断更新的、通过计算机网络能够传输的、三维立体的、不同地域和层次都可以使用的、"活"的系统。

遥感技术(RS)

  "遥感",顾名思义,就是遥远的感知。地球上的每一个物体都在不停的吸收、发射和反射信息和能量。其中的一种形式-电磁波早已经被人们所认识和利用。人们发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波,从而提取这些物体的信息,完成远距离识别物体。

  遥感技术的实际操作虽然很复杂,但其结果在我们每个人的生活中,天天都能用到!您也许每天都收看电视台的"天气预报"吧,"天气预报"中所播放的"卫星气象云图"就是由"气象卫星"拍摄的"云"的图像。气象观测只不过是遥感技术众多应用的一个领域。

  各种卫星通过不同的遥感技术实现不同的用途,如气象卫星是用于气象的观测预报;海洋水色卫星用于海洋观测;陆地资源卫星用于陆地上所有土地、森林、河流、矿产、环境资源等的调查;雷达卫星是以全天候(不管阴天、云雾)、全天时(不管黑天、白天)以及能穿透一些地物(如水体、植被及土地等)为特点的对地观测遥感卫星。

  遥感技术使用的负载工具,不仅仅是卫星,还可以是航天飞机、飞机、气球、航模飞机、汽车、照相机的三角架等,从而实现了在不同高度上应用遥感技术,使之为我们不同的工作目的服务。我们目前最常用的是卫星遥感技术和航空遥感技术。

成像方法

  简单归纳遥感技术的成像方法,一般有两种:第一种是用照相机拍的胶卷,它用的照相机和胶卷和我们平常生活中用的照相机和胶片基本一样,所不同的是遥感的专业照相机要大一些,当然胶片也相应要大一些,另外有些胶片是专用胶卷,如"彩色红外"专用胶卷。将拍摄完毕的胶卷冲洗、印像、放大,即成为遥感像片;第二种是"数字成像"的,成像原理类似于我们看的电视。电视节目是从由电视台发射数字电信信号,这种信号在空中传播,到用户电视接收、回放信号,一幅图像的信号传输完毕,就实现了"可视化"。遥感技术也可理解为上述的信息传输过程,即把地面信息,通过卫星上的设备"拍摄"下来,然后将拍摄的信号传输到计算机中回放出来,我们就可以看到遥感图像了!

分辨率

  分辨率是用于记录数据的最小度量单位,一般用来描述在显示设备上所能够显示的点的数量(行、列),或在影像中一个象元点所表示的面积。

  因为遥感"拍摄"的"像片"是由位于不同高度,装在不同载体(如飞机、卫星等)上的不同清晰度(分辨率)"照相"设备,以不同的"照相"(采集)方式,获取的遥感"像片"(图像、数据、影像等),这些遥感图像是具有不同清晰度、不同分辨率的"照片"。类似我们在生活中用"135"照相机拍摄一棵树,从汽车上拍一张,然后再从飞机上拍一张,两张"135"底片在放大同一棵树时,其放大效果是不一样的。肯定是高度低的"135"照片放大后的效果最清晰,也就是说分辨率最高。

  遥感卫星的飞行高度一般在4000km(千米)~600 km(千米)之间,图像分辨率一般从1km(千米)~1m(米)之间。图像分辨率是什么意思呢?可以这样理解,一个象元,代表地面的面积是多少。象元是什么意思呢?象元相当于电视屏幕上的一个点(电视是由若干个点组成的图像画面),相当于计算机显示屏幕上的一个象素,相当于一群举着不同色板拼成画图的人中的一个。

  当分辨率为1km时,一个象元代表地面1kmX1km的面积,即1km2(平方千米);当分辨率为30m时,一个象元代表地面30mX30m的面积;当分辨率为1m时,也就是说,图像上的一个象元相当于地面1mx 1m的面积,即1m2(平方米)。

  在您使用遥感图像数据时,请您千万注意,您所要解决的工作问题,应选择相应分辨率的遥感数据资料。有关遥感数据样板,请您查看本网站"卫星遥感影像"栏目。

用途

  就像我们生活中拍摄的照片一样,遥感像片同样可以"提取"出大量有用的信息。从一个人的像片中,我们可以辨别出人的头、身体及眼、鼻、口、眉毛、头发等信息。遥感像片(图像)一样可以辨别出很多信息,如水体(河流、湖泊、水库、盐池、鱼塘等)、植被(森林、果园、草地、农作物、沼泽、水生植物等)、土地(农田、林地、居民地、厂矿企事业单位、沙漠、海岸、荒原、道路等)、山地(丘岭、高山、雪山)等等;从遥感图像上能辨别出较小的物体如:一棵树、一个人、一条交通标志线、一个足球场内的标志线等。大量信息的提取,无疑决定了遥感技术的应用是十分广阔的,据统计,有近30个领域、行业都能用到遥感技术。由于遥感技术是从人们一般不能站到的高度去"拍照",故从宏观视野上,也有着人力所不能及的优势。

地理信息系统技术(GIS)

  信息总量中有85%的信息是与地理位置有关的信息。与地理位置有关的信息,就叫地理信息。这样的信息相当广泛,如耕地的分布、林地的分布、城镇的分布、楼房等建筑物的分布、道路、河流、海岸、人口、医院、学校、企事业单位、管线、派出所、商店、井位、门牌、电闸、水表、开关等等,只要能用"位置"去描述的东西,都属于"地理信息",遥感所提取的信息也全部包含在地理信息之中。

  怎样才能将这些信息管理起来呢?

  地理信息系统就是一个专门管理地理信息的计算机软件系统,它不但能分门别类、分级分层的去管理上述信息;而且还能将它们进行各种组合、分析、再组合、再分析等;还能查询、检索、修改、输出、更新等。地理信息系统还有一个特殊的"可视化"功能,就是通过计算机屏幕把所有的信息逼真地再现到地图或遥感像片上,成为信息可视化工具,清晰直观的表现出信息的规律和分析结果,同时还能动态的在屏幕上监督"信息"的变化。总之,地理信息系统,您可以通俗的理解为信息的"大管家"。从上面的叙述中,我们可以看到,整个地理信息系统由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型和图形用户界面及系统人员组成。

全球定位系统(GPS)

  一种系统,由处于2万公里高度的6个轨道平面中的25颗卫星组成。此系统用于在任何时间,向地球上任何地方的用户提供高精度的位置、速度、时间信息,或给用户提供其邻近者的这种信息。

  我们知道,一张像片是没有坐标的,而像片上的信息,特别是遥感图像上的信息,是需要定出位置的,只有"有位置的信息",才能成为地理信息。那么怎样来给遥感像片确定位置呢?有一种方便、快捷的手段,就是"全球卫星"定位系统。该系统是通过太空中的24颗GPS卫星来完成的。只需其中3颗卫星,就能迅速确定您在地球上的位置。您在确定位置时,仅需要一台像手机大小的"卫星定位仪"就可以了。这可比传统的测量定位、罗盘定位等先进多了。

  全球定位系统主要有六大特点:

  ....第一,全天候,不受任何天气的影响;

  ....第二,全球覆盖(高达98%);

  ....第三,三维定速定时高精度;

  ....第四,快速、省时、高效率;

  ....第五,应用广泛、多功能;

  ....第六,可移动定位。

  ....总之,一旦拥有GPS,浩瀚天际任你行。

数字地图

  通常我们所看到的地图是以纸张、布或其他可见真实大小的物体为载体的,地图内容是绘制或印制在这些载体上。而数字地图是存储在计算机的硬盘、软盘或磁带等介质上的,地图内容是通过数字来表示的,需要通过专用的计算机软件对这些数字进行显示、读取、检索、分析。数字地图上可以表示的信息量远大于普通地图。

  数字地图可以非常方便地对普通地图的内容进行任意形式的要素组合、拼接,形成新的地图。可以对数字地图进行任意比例尺、任意范围的绘图输出。它易于修改,可极大的缩短成图时间;可以很方便地与卫星影象、航空照片等其他信息源结合,生成新的图种。可以利用数字地图记录的信息,派生新的数据。如地图上等高线表示地貌形态,但非专业人员很难看懂,利用数字地图的等高线和高程点可以生成数字高程模型,将地表起伏以数字形式表现出来,可以直观立体地表现地貌形态。这是普通地形图不可能达到的表现效果。

空间数据

  空间数据是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据,它可以用来描述来自现实世界的目标,它具有定位、定性、时间和空间关系等特性。定位是指在已知的坐标系里空间目标都具有唯一的空间位置;定性是指有关空间目标的自然属性,它伴随着目标的地理位置;时间是指空间目标是随时间的变化而变化;空间关系通常一般用拓扑关系表示。空间数据是一种用点、线、面以及实体等基本空间数据结构来表示人们赖以生存的自然世界的数据。

  空间数据是数字地球的基础信息,数字地球功能的绝大部分将以空间数据为基础。现在空间数据已广泛应用于社会各行业、各部门,如城市规划、交通、银行、航空航天等。随着科学和社会的发展,人们已经越来越认识到空间数据对于社会经济的发展、人们生活水平提高的重要性,这也加快了人们获取和应用空间数据的步伐。

海量数据

  海量数据是一个形容词,它是用来形容巨大的、空前浩瀚的数据。现在很多业务部门中都需要操作海量数据,如规划部门有规划方面的数据,水利部门有水利方面的数据,气象部门有气象方面的数据,这些部门处理的数据量都非常大。它包括各种空间数据、报表统计数据、文字、声音、图像、超文本等各种环境和文化数据信息。

卫星轨道

  人造卫星的轨道根据形状不同可以有各种名称。

  1) 圆轨道、椭圆轨道、抛物线轨道等,您可以根据名字想象出来。

  2) 静止轨道

  卫星绕地球一周的周转时间等于地球的自转周期,这样的轨道叫地球同步轨道,如果从地面上各地方看过去,卫星在赤道上的一点静止不动,这种轨道叫静止轨道。由于静止轨道能够长期观测特定地区,并能将大范围的区域同时收入视野,因此被广泛应用于气象卫星、通讯卫星等。

  3) 太阳同步轨道

  太阳同步轨道是指卫星的轨道运行面在1恒星年中以地球的公转方向相同方向而同时旋转的轨道。在太阳同步轨道上,对同一地点,卫星总以同一方向通过。因此,太阳光的入射角度几乎是固定的。

  4) 准回归轨道

  回归轨道是指卫星星下点的轨迹每天通过同一地点的轨道,而每隔N天通过的情况叫准回归轨道。要覆盖整个地球适于采用准回归轨道。

航空摄影

  (Aerial Photography)

  从机载平台所摄照相。

航天摄影

  (space Photography)

  从宇宙飞船所摄照相。

波宽

  (bandwidth)

  在某一波段中一定范围的光谱频率。

基图

  (base map)

  表示平面的、立体的、地理的、政治的、地籍的基本地图,有各种不同的类型。基图信息与其它主题变化信息一起提取。

效益

  (benifi analysis)

  研究遥感应用技术应用于某特殊领域中的特殊效益。

缓冲带

  (buffer)

  在某物理实体(如点、线、多边形)周围一定距离的一个地带。

地籍

  (cadastral,cadastre)

  关于土地性质及范围的记录。一般指说明地块等内容的地图和说明,以及谁拥有该土地所有权的证明。地籍信息常包括关于地块的其它信息的说明。

制图参照点

  (cartographic reference)

  指图像中其位置已知的点,从而可以决定图像其他部份的准确的位置和方向。

轮廓线图

  (contour mapping)

  线上参数值相等的图。

COSMOS

  俄罗斯的系列卫星。

数据转换

  (data conversion)

  数据从一种图像形式转换成另一种(红外波段一可见光波段;把象元转换成新的类别;图像表示的变化;等等)。

数据层

  (data layer)

  可以用来叠加的一组数据。每一层一般为一种主题(例如灌溉级别,森林种类,道路,等等)并由一个公共坐标系统与其他各层相联系。

美国国防制图局

  (DMA)

  是美国政府机构。

数字地形模型

  (digital terrain model,DTM)

  以数字形式表示地球的地形,即用坐标及高度的数字表达。

边缘匹配

  (edge matching)

  在把两张图连接为一张时,消除相邻图幅中特征及边缘表示的差异的过程。

特征

  (feature)

  一种地理本质的表示,如点、线、多边形。

特征数据

  (feature data)

  以空间位置、属性、关系来描述特征的一般术语。例子有:道路、湖泊、铁路。

地理编码

  (geocodin)

  校正图像的过程、校正全部与数据来源有关的误差并通过重采样成标准大小的方形象元而在几何上转换成需要的地图投影。

地理参考

  (georeference)

  在两种坐标之间建立联系:纸质地图或底稿上的坐标,已知真实坐标。

地面控制构

  (ground control)

  系统的点,其位置与/或高程由地面测量获得,这种点用于决定地图特征的位置并加以关联。

地面实况

  (ground truth)

  在现场获取的信息,其目的是标定与/或验证遥感数据。

图像纠正

  (image rectificatin)

  把图像做成平面的过程,它并不去除高程畸变或透视畸变。

图像配准

  (image registration)

  在两个以上重叠的图像上匹配点以便与地面的点相对应。

图像重采样

  (image resampling)

  在数字图像处理中用于几何校正的技术。通过插值过程,输出的象元值是作为输入象元值的函数推导而得,其间结合了计算所得的畸变。最近邻、双线性插入,立方卷积是常用的重采样技术。

图像处理

  (image processing)

  包括全部可用于照相数据或图像数据的各种全部不同的处理方法,包括图像压缩、图像恢复、图像增强、预处理、定量化、空间滤波及其他图像模式识别技术。

地图投影

  (Map projection)

  把地球表面的一部分或全部在平面上表示出来的方法。

镶嵌

  (mosaic)

  把有重叠部份的航空或航天图像的边缘部份进行匹配而形成地球表面的一部分的连续图像

多光谱图像

  (multispectral imagery)

  同时获取的两个以上的图像,但每一图像都在电磁谱中的不同部分获取。

正射照相

  (orthophoto)

  从通常的透视照相通过简单的或差分纠正而推导得到的照相。经过纠正,相机倾斜及地形高低所造成的图像位移得以去除。

全色胶卷

  (panchromati film)

  对可见光谱段内所有波长都感光的胶卷,但不一定那么均匀地感光。

照相测绘

  (Photogrammetry)

  把照相原理应用于制图科学。这是从图像获得可靠空间测量值的科学。

象元

  (Pixel)

  "图像单元,Picture element"是对应于一幅数字图像数据集的一个数。

  (poin)

  只有X、Y坐标,说明一个地理太小,不足以显示为一条线或一个面积。

快视

  (Quich look)

  联机或传送数据时产生的、或在数据接收后立刻产生的图像。这种图像未经计算机校正,但具有的分辨率及清晰度可对大多数应用提供看得见的信息。

纠正

  (rectification)

  网象或网络从图像坐标转成实际坐标的处理过程,纠正通常涉及网格的旋转、缩放、故需要数值的重采样。

弹性伸缩

  (rubber-sheeting)

  对地图特征进行几何调整,强制数字地图适配进入一种指定的基图。

SPIN-2

  俄罗斯卫星、2米分辨率、正射校正、全色、数字数据。

SPIN CONTROL

  一种费用及时间都经济的从SPIN-2数据产生地面控制点的方法,用于几何校正其他卫星数据。

立体信息分析

  (stereo analysis)

  从图像(单的或成对的)推导立体信息的技艺。

立体图像

  (stereo imagery)

  同一地区的两幅图像,但是是从不同的传感器平台摄取的,从而可以产生立体视觉。

立体正射照相

  (stereo orthophoto)

  利用正射照相的象对(Pairs),象对中的一个是从另一个原始正射照相人工制造的。

热图像

  (thermal imargery)

  由发射的热辐射(红外或微波)产生的图像。

三角测量技术

  (triangulation)

  扩展水平或垂直的控制点,利用照相术的透视原理在重叠的照相上把角度和距离的测量与空间坐标联系起来。

USGS

  美国测绘局(United States Geo-logical Survey。)

向量数据

  (vector data)

  利用点、线、多边形来表示空间数据,这些点、线、多边形是根据它们的原点、断点、终点进行数字编码的。

  旅游中的“3s”主要指的是阳光(Sun)、沙滩(Sand)、大海(Sea)

VTU

  俄罗斯国防制图局。

1 GIS与GPS技术简介

1.1 GIS 技术

  从20世纪70年代中叶开始,就开发出许多专业化的计算机系统,这些系统采用各种手段来处理地理信息,包括以下几个方面:

  (1)输入地理信息,将信息转化成数字化形式的技术。

  (2)将这类信息以压缩的格式存储在磁盘、压缩磁盘(CD)以及其他数字化存储介质上的技术。

  (3)对地理数据进行自动分析、完成数据样式的搜寻、不同种类数据的合并、数据测量、最佳地点或路径的获取以及其他相关任务的方法。

  (4)对各种不同情况下的结果进行预测的方法。

  (5)以地图、影像和其他格式的形式来表达数据的技术。

  (6)以数字和表格的形式输出结果的能力。

  这类系统共同的名称就是地理信息系统(GIS,Geographical Information System)。

  地理信息系统是一个决策支持系统,它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的,地理位置及与该位置有关的地物属性信息成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中,现实世界被表达成一系列的地理要素和地理现象,这些地理特征至少由空间位置参考信息和非位置信息两个部分组成。

  地理信息系统首先是一种计算机系统:该系统通常又由若干个相互关联的子系统构成,如地理数据采集子系统、地理数据管理子系统、地理数据处理和分析子系统、地理数据可视化表达与输出子系统等。这些子系统的构成影响着地理信息系统硬件的配置,功能与效率、数据处理的方式和产品输出的类型等。

  地理信息系统可分为四个部分:计算机系统、GIS软件、智囊(Brainware)、设施。计算机系统包括运行GIS的计算机和操作系统;GIS软件包括用于驱动硬件的程序和用户界面;智囊指的是目的和目标,并为使用GIS提供动机和理由;设施指的是GIS操作必要的物质、组织、管理和文化环境。

1.2 GPS技术简介

  全球定位系统(GPS,Global PositioningSystem)是利用人造地球卫星进行点位测量导航技术的一种。GPS全称是NAVSTAR(Navigation SatelliteTiming and Ranging)/GPS,由美国军方组织研制建立,从1973年开始实施,90年代初完成。

  随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布2000年至2006年期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到10米,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。

  由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动的测量特点作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

  全球定位系统的主要用途:(1)陆地应用,主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等;(2)海洋应用,包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等;(3)航空航天应用,包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

2 GIS与GPS技术结合

  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,例如:定位、测量、监控导航等。为了实现GIS技术与GPS技术的集成,GIS系统必须能够接受GPS接收器发送的GPS数据(一般是通过串口通信),然后对数据进行处理,最后进行各种分析运算,其中坐标数据的动态显示以及数据存储是其其本功能。

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