3s技术的应用

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摘要：全球定位系统是当今世界上应用最广泛最适用的导航定位系统，地理信息系统是处理与地理空间有关的功能强大的计算机信息系统，遥感是不与物体接触，用遥感平台上搭载的的传感器收集目标物的电磁波信息并经处理揭示其性质的科学技术。近年来，地理信息系统(GIS)正在以前所未有的速度应用到各个领域中，而全球定位系统(GPS)也已经开始应用于交通运输和道路工程等方面，遥感技术也与之密切结合应用，使之有利于人类社会的发展。本文主要以GPS、RS、GIS集成与应用为中心，介绍了GPS、RS、GIS的特点以及GPS、RS与GIS的应用和发展前景。

关键字：地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感技术 、3S应用、发展前景 引言

“3s”技术即遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)，作为遥感和信息技术领域的三大高新技术，正处在日新月异的发展阶段，其研究、开发和应用方兴未艾。当前，在空间遥感信息获取技术方面，正日臻完善，一个多层、立体、多角度、全方位和全天候的对地观测网正在形成；在信息与数据处理方面，将加速技术整合，实现遥感、制图、地理信息系统、卫星定位系统、虚拟现实技术和决策支持系统的一体化与全数字化；在应用领域中，将更加强调信息提取的

自动化和智能化以及信息共享，提高综合空间分折能力，扩大空间信息使用的社会效益和经济效益。 一、3S技术概述

3S是地理信息系统、遥感和全球定位系统3个名称的英文缩写，是GIS、RS、GPS这3项相互独命、而在应用上又密切关联的高新技术的简略统称。3S技术的集成是当前测绘技术、摄影测量和遥感技术、地图制图技术、图形图像技术、地理信息技术、计算机技术、专家系统和定位技术及数据通讯技术的结合与综合应用。

1)地理信息系统(GIS)是在计算机软件和硬件支持下，以一定格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统，具有数据输入、存储、编辑、操作运算、数据查询检索、应用分析、数据显示及结果输出、数据更新等基本功能，具有标准化、数字化和多维结构等基本特点，是综合处理与分析多源时空数据的理想平台，是空间信息的“大管家”和公共的地理定位基础。

2)遥感（RS）利用飞机、卫星等空间平台上的传感器(包括可见光、红外、微波、激光等传感器)，从空中远距离对地面进行观测，根据目标反射或辐射的电磁波，经过校门、变换、图像增强和识别分类等处理，快速地获取大范围地物特征和周边环境信息，获得实时、形象化、不同分辨率的遥感图像具有探测范围大、资料新颖、成图速度快、收集资料方便等特点，遥感图像具有真实性、直观性、实时性等优点

3)全球定位系统(GPS)是一种同时接收来自多个卫星的电波信号，

以卫星为基准求出接收点位置的技术，由空间卫星(均匀分布在6个轨道平面的24颗卫星)、地面监控站和用户接收机下部分组成具有定位精度高、观测时间短、无需通视、操作简便、全天候作收等特点，不仅可以用于测量、导航，还可用于测速、测时等，提供野外基础测绘

的数据。 RS/GPS/GIS的发展背景

遥感一词来源于英语“Remote Sensing”，其直译为“遥远

的感知”，所谓遥感是指通过某种传感器装置，在不与被研究对象直接接触，获取其特征信息(一般是电磁波的反射和发射信息)，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学和技术。

遥感，意为遥远地感知事物。其突出特点是周期性，宏观性，实用性和综合性。遥感是一种高效能的信息采集技术，可以进行信息处理和信息应用的综合信息流程，具有信息获取的瞬时性、信息的丰富性和信息的周期性等特点，是GIS 获取信息和进行数据采集更新的一种重要手段。在整个遥感过程中，

遥感系统本身并不直接触及所研究的客体或对象。通常就把这一个整体地接收、传输、处理分析判读遥感信息的过程统称为遥感技术。遥感技术系统主要由遥感平台(飞机，卫星等)、遥感仪器、图像接收处理和分析判读应用四个部分组成。

GPS 是全球定位系统的简称。它是建立在无线电定位系统基础上的空间导航系统,以距离为基本测量单位,通过同时对多颗卫星进行伪距

离测量来计算接收机的位置,由于测距在极短时间内完成,故可实现 动态测量。

GPS 定位是由GPS 定位卫星来完成,全球GPS 卫星有24 颗,分布在六个轨道面上1.1957 年前苏联发射了第一颗人造地球卫星,美国Johns Hopkins 大学应用物理实验室在对卫星进行跟踪时得到启示,提出用卫星发射信号进行定位和导航的想法,很快便引起了美国军方的重视。1964 年美国海军武器试验研制成功了NNSS系统,20 世纪60 年代末70 年代初,考虑到NNSS 存在的问题,美国又着手研究导航卫星测试,测距全球定位系统,简称NAVS/ GPS 系统 ,即通常所说的“全球定位系统”( GPS) 2.

GIS的产生：人口、土地、工业、农业、矿业等的普查和统计，海洋、陆地和大气等的监测，陆地测量、航空摄影测量特别是最近二十多年的航空遥感等资料，给社会提供了丰富的信息资源。这些信息不断的积累，造成地理信息的膨胀，促成了处理海量地理信息的GIS的产生与发展。

1946年世界上诞生的第一台计算机，主要目的是科学计算。随后发展到处理文字、图形、图像、语言等。近些年来，计算机科学发展迅速，储存设备的容量、微机运算器的主频速度、各种用途的平台和应用软件不断提高和更新，GIS随计算机的发展而发展。

地理信息系统是地理信息膨胀、社会普遍需求和计算机科学发展的必然产物。

“3S”在国外应用状况

美国已经开发出应用于森林资源调查的“3S”技术,加拿大,日本、印度等国家,在大约25分钟内可以利用前一天接收到的MSS 和TM 图像数据,按照同一指标体系和图例输出整幅的1∶20 万和1∶50 万土地利用/ 土地覆盖图。利用LANDSAT27 卫星图像可以满足1∶5 万和1∶2.5万的各类图件更新的需要。

年瑞典隆德大学的Jonas Ardo 利用“3S”技术对由于森林破坏在应用“3S”技术方面,美国、加拿大技术较为成熟,特别是对地综合数据观测系统,遥感数据处理系统以及“3S”集成系统都走在前列。如1 米高分辨率卫星技术,具有224/ 384 个光谱通道星遥感技术3。在森林遥感方面,植被指数已广泛的用来定性和定量评价植被覆盖及其生长活力,20 多年来已经发展了40 多个植被指数4。1989 年澳大利亚的Skidmore 结合坡向、坡度、地形部位等环境信息,利用TM 数据进行森林类型识别,在精度方面大幅度提高;日本的妹尾在1990年提出对山区的遥感数据纠正地形异常所造成的对日照条件的影响方法,在京都某试验站,对难以分辨的杉、扁柏的组合达到近100 %的精度,对扁柏、松、阔叶林组合也可达相似的精度5。1997 年印度遥感研究院的S1K1Bhan ,S1K1Saha ,L1M1Pande 和J1Prasad 在对印度南部热带雨林地区研究的过程中建立了遥感地理信息模型,为利用“3S”技术对可持续发展的研究提供了范例6。1997受到严重污染的Krusne Hory 山区的范围、速率及空间特征进行了研究,对森林的破坏进行了评估,探讨了森林破坏与海拔高度和坡向的关系,森林破坏与林区相对于点污染源的距离和方向的关系。为环境监测提供了依据7。1998

年东卡罗来那大学地理系的J1D1Colby 和迈阿密大学地理系的P1L1Keating 利用兰勃特模型对利用TM 影像进行处理,并将其运用在厄瓜多尔,哥斯达黎加的热带丘陵地带的土地覆盖的分类上,减小了由于地形异常而导致的各项异性对遥感卫片判读的影响,最后得出这两个国家的山地土地覆盖的动态变化情况。为高山峡谷区遥感影像的判读提供了范例

“3S”技术在国内应用状况

我国是开展“3S”技术较早的国家之一“, 3S”技术的应用已走在世界前列。

在武汉市“3S”集成技术用于辅助城市温度场的分析;在洞庭湖地区“3S”技术用于防洪监测;在山东省采用静止气象卫星遥感接收处理系统,GIS 和飞机定位系统组成了一个“3S”系统用于人工降雨指挥8。

我国“3S”技术的发展可以分为三个阶段。20 世纪80 年代初,全国土地调查第一次用遥感卫片提供我国的国土面积和耕地数量;80 年代末,黄土高原三北地区遥感调查为该地区经济发展和和生态建设提供了依据;西藏应用遥感技术在全国第一个完成土地详查的工作,为西藏的开发决策创造了条件;90 年代各地区广泛应用“3S”技术进行土地资源调查、森林覆盖面积的测算、农作物估产等方面的研究。1993 年利用黄淮平原旱灾遥感监测评估系统对黄淮平原以得出以县为单位的不同受旱等级对应的面积和比例9。1994 年西南林学院和

WWF 合作利用“3S”技术对滇西北地区的森林资源作出详细的调查,得出了迪庆州的森林覆盖面积和森林种类10。1994 年吴炳方、黄绚等应用“3S”技术进行了植被制图,分析了地理信息系统模型在改善植被分类中精度问题,并得出结论:单纯对遥感数据( TM/ SPOT) 进行监督分类或非监督分类的精度低于50 % ,而通过结合辅助数据和应用地理信息系统模型,其精度将大大提高。1997 年倪绍祥等在自然景观类型卫星图像解译和制图的基础上,通过对自然景观类型分布规律的定性分析和定量计算,自下而上与自上而下划分相结合,将华中地区划分为5 个自然区,19 个自然亚区和30 个自然小区,第一次将“3S”技术用于自然区划方面。1997 年李建龙等利用观测资料和环境遥感资料,结合“3S”技术对新疆北部天然草地进行估产,建立了地学、光学和非线性遥感产模型,使得大面积草地牧草遥感估产的精度达到7518 %以上,实现了遥感大面积估产目标和草地生态意义及“3S”技术与草地专家技术的集成。1998 年高志强等利用“3S”技术对中国土地利用/ 土地覆盖的现状进行研究,得出:中国植被值的大小分布同中国植被类型分布密切相关,其值的大小分布也反映了中国水热的空间分布格局,中国的东部湿润、半湿润地区的平原、盆地、河冲击扇区是我国土地利用程度最高的地区。

3S技术的应用前景

随着3S技术的不断发展，将遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统紧密结合起来的“3S'’一体化技术已显示出更为广阔的应用前

景。以RS、GIS、GPS为基础，将RS、GIS、GPS三种独立技术中的有关部分有机集成起来，构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。 3S技术具有广阔的应用前景：

军队现代化离不开3S技术——“沙漠风暴”战役的成功： GPS提供全天侯三维坐标，三维速度和时间信息海陆空的多种系统和装备都采用GPS，如：飞机、直升机、导弹发射架及导弹，仅为空军就提供了4000套GPS设备和近1000套附加装置，使部队可以实时精确定位和快速反应。

RS应用的主要工具是一组位于椭圆形低地轨道的KH-11卫星，提供海湾地区的重叠覆盖和高清晰度的远红外线影像。星载远红外探测器可同时测出伊拉克飞毛腿导弹发射瞬间产生的强大热流，在30秒内向驻沙特和以色列的反导弹部队发警告，带有GPS自动制导的爱国者地空导弹就立即予以拦截。

基于GIS技术的“联动战略系统（JOTS）”采用大屏幕显示器，工作站，绘图机等硬件和数字高程及地形数据，数字化栅格图像，构成了综合数据合成，控制与显示的完整的战区管理系统。 GPS技术应用在交通，石油，地质，测绘，环境等。

RS技术应用在资源环境，气象，防灾减灾，道路工程勘测等。 GIS技术应用在市政工程，移动通讯，规划管理，交通调度等。

中国发展3S技术的现状

我国GPS技术应用已开始进入民用和商业化；RS技术应用位于世界先进水平；GIS技术正应用在大中城市的UIS建设中。RS 在生态学上的直接应用包括收集数据信息源、生态调查和动态监侧, 间接应用包括预测预报和灾害危险等级确定等, 如土地利用和土地覆盖变化, 湖泊与海洋生态环境污染, 生物多样性保护, 城市生态变化, 全球变化, 生态环境灾害预测, 森林经营管理与生态恢复等。G IS 在生态学上的应用有以下优势: 能够分析生态实体与其他生物体或环境的相关空间定位对它自身功能的影响, 可以分析多种空间尺度下的数据. G IS 具体可解决以下生态学问题: 生物群落生存地调查; 不同生物群落间的相关性; 不同环境因素影响下生物群落的分布; 植物群落分布随时间推移而变化的规律; 生物群落未来分布的演化规律等。GPS 在生态学上主要应用于生态调查、定位, 一般与RS、GIS 结合起来使用。主要应用在水域生态研究、 生物多样性保护研究、城市生态变化研究及环境污染的生态效应研究、全球变化研究、生态环境灾害监测与生态旅游规划、 精确农业、区域可持续发展研究、森林经营管理和生态恢复。

“3S”技术发展展望

经过几十年的发展“, 3S”技术已经逐渐成熟。就“3S”技术而言,未来发展趋势:

(1) 为未来“数字地球”作全面服务。建立全球化的对地观测系统,由航天、航空对地观测网站等子系统构成,能够提供实时地球数字信

息,“3S”系统承担定位、定量、数据的处理,如实时观测数据、卫星数据的收集处理和分析成图。它将为地学、测绘学、空间科学、环境科学等众多的学科建立密切的联系。

(2) 对遥感技术而言,能够对遥感数据作进一步的处理,提供更加精确的地面信息,为大比例尺地形图的更新服务。现在的卫星扫描仪已发展到第四代。种类有:美国的最新型超高分辨率辐射计(AVHRR) ,航天飞机成像雷达(SIR2C) ,热红外多光谱扫描仪(STIMS) ,多光谱线阵探测器(MLA) ,海色成像仪(OCT) ,航天飞机成像光谱仪(SIS) ;法国的改进型HRV ,微波辐射计等;日本的多波段扫描(OPS ,VNIR) ,侧视雷达等,但对地面的遥感在云层较密集时效果不是很好。亟待发展第五代扫描仪,以解决能在空间云层较厚、地形结构较复杂等多种因素的干扰下,得到分辨率更高的卫星照片。

(3) 对GIS 技术而言,首先要解决由海量数据的存储,处理向超海量数据处理的方向发展。以LANDSAT25 卫星而言,由于每一波段的卫片的数据量都有几十兆,七个波段的卫片的数据量达几百兆。随着机载扫描仪的对地扫描分辨率的不断提高,其数据量将大大增加,这样增加数据存储设备的容量,提高数据处理的速度,将为实时地球信息的获取起到至关重要的作用。对这一问题的解决办法可以依靠并行处理及计算机网络的发展,另外还可以通过发展遥感图像压缩格式,减少存储量。其次通过解决计算机自动识别分析技术,快速更新地理信息系统数据库,以便能提供实时空间信息。 结束语

虽然3s技术因其发展时间较短涉及的技术含量高投入成本大等原因其应用价值远未发掘!但随着我国经济水平的不断发展!工业化和城镇化水平的提高是必然趋势!由此引起的大量人口和物资向城市不断流入!机动车数量倍增!交通&基础设施& 居民生活等诸多问题给城市可持续发展带来巨大挑战 要控制和解决这些问题!必须随时获取城市地理空间信息!及时做出必要反馈和调整!从而提高城市管理水平并加快城市建设速度! 这些必将促进城市规划设计及管理方式向字化、信息化、自动化方向快速发展，而3s技术在这种需求的牵引下!并依托计算机技术、现代通讯技术不断进步!也正飞速发展的态势!它们必将在未来城市规划建设并最终建立“数字城市”的过程中发挥更加重要的作用。 阅读文献

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