C第十二章3S技術簡介

1、第第1212章章 3S3S技術簡介技術簡介12.1 12.1 GPS基礎知識基礎知識12.2 12.2 GIS基礎知識基礎知識12.3 12.3 RS基礎知識基礎知識12.4 12.4 3S技術的綜合應用技術的綜合應用本章內容如下：本章內容如下：一一、GPS（Global Positioning System）的組成 12.1 GPS基礎知識基礎知識 衛(wèi)星空間部分衛(wèi)星空間部分 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 用戶用戶GPS接收機接收機空間部分24顆衛(wèi)星（21+3）6個軌道平面55軌道傾角20200km軌道高度（地面高度）12小時（恒星時）軌道周期每顆衛(wèi)星可覆蓋全球38%的面積 4臺高精度銣銫原子鐘

2、u1 1個主控站個主控站: :Colorado springs(科羅拉多科羅拉多. .斯平士斯平士) )。u3 3個注入站個注入站: :Ascencion( (阿森松群島阿森松群島) )、 Diego Garcia( (迭迭哥伽西亞哥伽西亞) )、kwajalein( (卡瓦加蘭卡瓦加蘭) )。u5 5個監(jiān)控站：個監(jiān)控站： 以上主控站、注入站及以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷夏威夷) )。5 55 5Colorado springsColorado springsHawaiiHawaiiAscencionAscencionDiego GarciaDiego Garciakwajalei

3、nkwajalein2. 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分3. 用戶接收機部分uGPS接收機的基本類型分導航型和大地型。接收機的基本類型分導航型和大地型。u大地型接收機又分單頻型和雙頻型。大地型接收機又分單頻型和雙頻型。手持型手持型GPS機機車載型車載型GPS機機導航型導航型GPS機機單頻機單頻機雙頻機雙頻機大地型大地型GPS接收機接收機o12321202020zZyYxXtciiiii203203203232022022022220120120121zZyYxXzZyYxXzZyYxX二、二、GPS定位的基本原理定位的基本原理 1. 偽距法定位原理偽距法定位原理 2121wTjTiwTjTctcc2

4、1202020zZyYxXiiii2120202021zZyYxXctciiiiwTjTitc 2. 載波相位定位測量載波相位定位測量 FNSR0 FIntNN00021NffcfwTjT 202020021021zZyYxXNccFIntNfciiiiwTjTjTwT三、 GPS定位測量的模式 確定距離方法不同：偽距法定位和載波相位 定位 定位接收機的數(shù)量不同： 絕對定位和相對定 位 定位時接收機的運動狀態(tài)：靜態(tài)定位和動態(tài) 定位 實時差分定位方式：位置差分、偽距差分和 載波相位實時差分 四、 GPS測量工作 1）GPS網(wǎng)的技術設計262)10(dba2）選點與建立標志 3）外業(yè)觀測 4）數(shù)據(jù)

5、處理基準站移動站(a)(b)五、GPS的定位特點 定位精度高 適應性強 自動化程度高 經(jīng)濟效益高 應用廣泛 大地測量：GPS A級和B級網(wǎng)、永久性的GPS跟蹤 站、西沙、南沙群島與大陸的GPS聯(lián)測 工程測量：精密工程控制網(wǎng)、加密測圖控制點、 測繪各種比例尺地形圖和施工放樣 航空攝影測量：測定航片和衛(wèi)片上的地面控制點、 航攝飛行導航、空中三角測量、直接測定攝 影機和傳感器的空間位置和姿態(tài) 交通、監(jiān)控和智能交通：車輛的監(jiān)控和調度管理、 選擇最佳行車路線、救助、船舶精確航行 六、六、 GPS技術的應用技術的應用 軍事：武器的制導、空中飛機指揮、實施空中管 制、夜航盲駛、救援引導、地面部隊引導、 戰(zhàn)場

6、補給、穿越障礙、提供實時準確的作 戰(zhàn)信息 精細農(nóng)業(yè)：監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量分布、土壤成分和性 質分布、合理施肥、播種和噴撒農(nóng)藥、 除草劑，精準灌溉和收割林業(yè)管理：確定林區(qū)面積、估算木材量、計算可 采伐木材面積、確定原始森林、道路 位置、對火災周邊測量、尋找水源、 測定地區(qū)界線 1. GLONASS定位系統(tǒng) GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))的縮寫，是前蘇聯(lián)從80年代初開始建設的與美國GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設備三部分組成?，F(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，

7、均勻分布在3個近圓形的軌道平面上，每個軌道面8顆衛(wèi)星，軌道高度19100公里，運行周期11小時15分，軌道傾角64.8。與美國的GPS系統(tǒng)不同的是GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)方式，根據(jù)載波頻率來區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS是碼分多址（CDMA），根據(jù)調制七、其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)七、其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng) 碼來區(qū)分衛(wèi)星）。每顆GLONASS衛(wèi)星發(fā)播的兩種載波的頻率分別為L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=124為每顆衛(wèi)星的頻率編號。所有GPS衛(wèi)星的載波的頻率是相同，均為L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONA

8、SS衛(wèi)星的載波上也調制了兩種偽隨機噪聲碼：S碼和P碼。GLONASS系統(tǒng)從理論上有24顆衛(wèi)星，但由于衛(wèi)星使用壽命和資金緊張等問題，實際上目前只有8顆。GLONASS系統(tǒng)單點定位精度水平方向為16m，垂直方向為25m。2. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Compass Navigation Satellite System)，稱為北斗一號(BD-1)，是二維有源定位導航系統(tǒng)。BD-1由北斗導航定位衛(wèi)星、地面控制中心站和用戶終端三部分組成。北斗導航定位衛(wèi)星由4顆高度為36000km的地球同步衛(wèi)星組成，分別于2000年10月和12月發(fā)射了兩顆“北斗”工作衛(wèi)星、2003年5月和2006年2月發(fā)射了兩顆“北斗”在軌

9、備用衛(wèi)星，可以向我國及周邊地區(qū)的用戶提供定位、實時導航、簡短通信和精密授時服務，已在基礎測繪、工程勘探、電信、水利、交通運輸、資源調查、地震監(jiān)測、漁業(yè)、森林防火、國家安全、公共安全與應急管理等諸多領域發(fā)揮重要作用。簡單的通信和數(shù)據(jù)傳輸。在2008年汶川大地震搶險救災、北京奧運氣象監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。 2006年2月3日，中國用“長征三號甲”火箭成功發(fā)射了第四顆北斗導航定位衛(wèi)星。 北斗系統(tǒng)工作示意圖 2008年5月20日，在機場集結的空降兵部隊手持“北斗”終端北斗系統(tǒng)地面定位手持機3. Galileo定位系統(tǒng)衛(wèi)星星座：由3個獨立的圓形軌道，30顆GNSS衛(wèi)星組成（27顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星）

10、。衛(wèi)星的軌道傾角i =56；軌道高度H=23616km 。地面系統(tǒng)：在歐洲建立2個控制中心；在全球構建監(jiān)控網(wǎng)。定位原理：與GPS相同。定位精度：導航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。12.2 GIS基礎知識基礎知識一、GIS的組成 Geographic Information System 1. 計算機系統(tǒng) 2. 地理空間數(shù)據(jù) 3. 管理應用人員 矢量數(shù)據(jù)模型：x、y坐標來構建點、線、面等空間要素，適合于表示空間上離散的實體 柵格數(shù)據(jù)模型：格網(wǎng)(像元或空間單元)來表示要素的空間變化，格網(wǎng)中的每個單元格都有一個對應于該位置上空間要素特征的值，適合用于顯示空間上連續(xù)的要素 二、二、GIS的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)

11、結構的數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)結構矢量數(shù)據(jù)的表達 矢量模型：利用邊界或表面來表達空間目標對象的面或體要素，通過記錄目標的邊界，同時采用標識符表達它的屬性來描述空間對象實體。矢量模型處理的空間圖形實體是點(point)、線(line)、面(polygon)，點用空間坐標對來表示水井、通訊和消防設施、控制點、獨立樹等，線由一串坐標對來表示道路、管線、河流、行政邊界等，面是由線形成的閉合多邊形，可以表示池塘、球場等。點是矢量數(shù)據(jù)模型的基本單元，線要素由點構成。線是由兩個端點之間一系列標記線形態(tài)的點構成，可以是平滑曲線，也可以是折線。面要素由線組成，其邊界把區(qū)域分成了內部區(qū)域和外部區(qū)域。如果空間目標對象的空間特

12、征信息與屬性特征信息一起存儲，根據(jù)屬性特征的不同，點可用不同的符號表示，線可用不同的顏色和粗細程度不等的線來描繪，面對象則可以填充不同的圖案和色彩來區(qū)分。1. 矢量模型矢量模型(vector mode) 拓撲：研究幾何對象在彎曲拓撲：研究幾何對象在彎曲或拉伸等變換下仍保持不變或拉伸等變換下仍保持不變的性質，拓撲結構表示多邊的性質，拓撲結構表示多邊形實體的數(shù)據(jù)結構。形實體的數(shù)據(jù)結構。拓撲數(shù)據(jù)結構拓撲數(shù)據(jù)結構 在拓撲學中，把在拓撲學中，把3條以上線段的交點稱為節(jié)點，兩個條以上線段的交點稱為節(jié)點，兩個節(jié)點之間的曲線或折線稱為鏈或弧段。通過對節(jié)點、弧段、節(jié)點之間的曲線或折線稱為鏈或弧段。通過對節(jié)點、弧

13、段、多邊形拓撲關系的描述，以明確地表達要素之間的空間關多邊形拓撲關系的描述，以明確地表達要素之間的空間關系。在系。在GIS的拓撲數(shù)據(jù)模型中，與點、線、面對應的空間的拓撲數(shù)據(jù)模型中，與點、線、面對應的空間圖形實體主要有節(jié)點圖形實體主要有節(jié)點(node)、弧段、弧段(arc)、多邊形、多邊形(polygon)，多邊形的邊界被分割成一系列的弧和結點，結點、弧、多多邊形的邊界被分割成一系列的弧和結點，結點、弧、多邊形間的空間關系在數(shù)據(jù)結構或屬性邊形間的空間關系在數(shù)據(jù)結構或屬性(比如地理實體的名比如地理實體的名稱、類型和數(shù)量等稱、類型和數(shù)量等)表中加以定義。表中加以定義。 多邊形弧段號弧段號起節(jié)點終節(jié)點

14、節(jié)點弧段P1e1、e5、e6e1N2N1N1e1、e3、e6P2e2、e4、e5e2N3N2N2e1、e2、e5P3e3、e4、e6e3N1N3N3e2、e3、e4P4e7e4N4N3N4e4、e5、e6e5N4N2N5e7e6N1N4e7N5N5拓樸的關聯(lián)性拓樸的關聯(lián)性多邊形之間的鄰接性弧段之間的鄰接性節(jié)點之間的連通性P1P2P3P4e1e2e3e4e5e6e7N1N2N3N4N5P1110e1110110N11110P2110e2111100N21110P3111e3111010N31110P4001e4011110N41110e5110110N50000e6101110e7000000拓

15、撲的鄰接性和連通性拓撲的鄰接性和連通性線要素的數(shù)據(jù)結構線要素的數(shù)據(jù)結構線要素的數(shù)據(jù)結構線要素的數(shù)據(jù)結構面要素的數(shù)據(jù)結構面要素的數(shù)據(jù)結構ArcView，MapInfo和GeoMedia 矢量數(shù)據(jù)模型具有如下特點： 相鄰弧段的公用結點，相鄰多邊形的公用弧段在計算機中只需記錄一次，空間數(shù)據(jù)文件較小。 空間圖形實體的拓撲關系，如拓撲鄰接、拓撲關聯(lián)、拓撲包含不會隨著諸如移動、縮放、旋轉等變換而變化，而空間坐標及一些幾何屬性（如面積、周長、方向等）會受到影響。 能夠精確地表達圖形目標，精確地計算空間目標的周長、面積等，適合圖形處理(比例尺變換、投影變換以及圖形的輸入和輸出)，精度高。 數(shù)據(jù)結構和圖形疊加復

16、雜，與遙感等圖像數(shù)據(jù)難以結合。 非拓撲矢量數(shù)據(jù)結構非拓撲矢量數(shù)據(jù)結構柵格數(shù)據(jù)的表達 柵格模型直接采用面域或空域枚舉來直接描述空間目標對象。在柵格模型中，點或點狀符號是由一個格網(wǎng)來表示，線是由一串在一定方向上相鄰彼此相連的格網(wǎng)構成，面由聚集在一起的相鄰格網(wǎng)組成，空間現(xiàn)象的變化由格網(wǎng)單元值的變化來反映，每一單元值代表了此行此列決定的該位置上空間現(xiàn)象的特征。在柵格模型中，每一格網(wǎng)的大小是一致的(一般是正方形)，而且每一個格網(wǎng)層記錄著不同的屬性(如植被類型等)。柵格數(shù)據(jù)模型不把空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)明確分開，因此對于數(shù)據(jù)庫管理用處不大，這與矢量數(shù)據(jù)不同。隨著分辨率的增多，存儲空間還會呈幾何級數(shù)增加。大尺寸

17、的網(wǎng)格單元無法表示空間要素的精確位置，這就減少了在一個格網(wǎng)單元中存在混合要素(如森林、牧場與水體)的機會。采用較小的格網(wǎng)2. 柵格模型柵格模型(raster model) 單元，這些問題就會得到緩解，但小尺寸的格網(wǎng)增大了數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)處理時間。 柵格數(shù)據(jù)結構GIS中的許多數(shù)據(jù)都用柵格格式來表示，這些數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像、數(shù)字正射影像、掃描地圖和圖形文件(TIFF、GIF和JPEG)。(1) 完全柵格結構（2）游程編碼 4A 1A 3B 2A 2B 3A 1B （3）塊式編碼 (1,1,1,A), (1,2,1,A), (1,3,1,A), (1,4,1,A), (2,1,1,A), (

18、2,3,1,B), (2,3,2,B), (3,1,2,A), (4,3,1,A),(4,4,1,B) （4）四叉樹編碼 BAAAAAAABBBBBMQP1234567810 11 12 13N9根結點第零層第一層第二層內結點子結點(5) 柵格模型特點 三、GIS數(shù)據(jù)輸入與處理1. GIS數(shù)據(jù)輸入 2. GIS數(shù)據(jù)處理格式轉換 圖形單元的修改與增刪 圖幅拼接 坐標轉換 四、GIS空間信息分析 1. 空間查詢 2. 拓撲疊加 3. 建立緩沖區(qū) 4. 網(wǎng)絡分析 5. 數(shù)字地形分析 五、GIS應用 1. 城市地下管網(wǎng)管理系統(tǒng) 2. 城市綜合管理系統(tǒng) 3. 港口管理系統(tǒng) 4. 金融管理分析系統(tǒng) 5. 生態(tài)環(huán)境管理分析系統(tǒng) 6. 人口管理系統(tǒng) 12.3 RS基礎知識 遙感(Remote sensing) ：遙遠感知事物，應用于測繪、城市規(guī)劃、水利、電力、通訊、交通、軍事、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領域 一、遙感技術系統(tǒng) 1. 空間信息采集系統(tǒng)2. 地面接收和預處理系統(tǒng)3. 地面