遙感第十章遙感地理信息系統(tǒng)-與全球定位系統(tǒng)綜合應(yīng)課件

第十章遙感地理信息系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)綜合應(yīng)用第三節(jié)基于3S技術(shù)數(shù)字水利建設(shè)第一節(jié)遙感、地理信息系統(tǒng)

與全球定位系統(tǒng)綜合應(yīng)用概述第二節(jié)遙感、地理信息系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)綜合應(yīng)用實例第四節(jié)3S集成技術(shù)與數(shù)字地球本章主要內(nèi)容第一節(jié)遙感、地理信息系統(tǒng)

與全球定位系統(tǒng)綜合應(yīng)用概述地理信息系統(tǒng)及其在3S技術(shù)中的作用全球定位系統(tǒng)及其在3S技術(shù)中的作用遙感技術(shù)及其在3S技術(shù)中的作用一.地理信息系統(tǒng)及其在3S技術(shù)中的作用地理信息系統(tǒng):計算機(jī)軟硬件支持下，應(yīng)用地理信息科學(xué)和系統(tǒng)工程理論，科學(xué)管理和綜合分析地理數(shù)據(jù)，提供管理、模擬、決策預(yù)測預(yù)報等任務(wù)所需的各種地理信息的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)的功能地理信息采集功能地理數(shù)據(jù)管理功能空間分析與屬性分析功能地理信息的可視化功能二、全球定位系統(tǒng)及其在3S技術(shù)中的作用全球定位系統(tǒng):空間定位系統(tǒng)的種類全球定位系統(tǒng)全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)在3S技術(shù)中的作用精確的定位能力準(zhǔn)確定時與測速能力三、遙感技術(shù)及其在3S技術(shù)中的作用GIS的數(shù)據(jù)源利用遙感數(shù)據(jù)影象獲取地面高程,更新GIS高程數(shù)據(jù)RSGPSGIS幾何配準(zhǔn)、輔助分類等提供或更新區(qū)域信息提供或更新空間定位定點(diǎn)查詢專題信息幾何校正、訓(xùn)練區(qū)選擇及分類驗證等提供定位遙感信息查詢3S的相互作用與集成第二節(jié)遙感、地理信息系統(tǒng)

與全球定位系統(tǒng)綜合應(yīng)用實例技術(shù)系統(tǒng)及其功能GPS在車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用對行駛中的車輛進(jìn)行定位車輛導(dǎo)航3S技術(shù)在車輛導(dǎo)航與車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用LD2002外觀圖系統(tǒng)特點(diǎn)：采用DGPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)兩臺車用電子計算機(jī)四臺CCD黑白相機(jī)+一臺彩色數(shù)碼相機(jī)測量精度0.1-0.3米量測范圍：道路及兩側(cè)各50米以內(nèi)車內(nèi)的兩臺電腦與電源

一、3S技術(shù)在車輛導(dǎo)航與

車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用GIS在車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行多種查詢完成簡單的計算支持電子地圖的無級縮放、分層顯示和管理提供輔助決策

一、3S技術(shù)在車輛導(dǎo)航與

車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用RS在車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用利用高分辨率遙感影像圖作為電子地圖利用高分辨率遙感影像圖更新城市矢量道路圖3S在車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用二、3S海洋漁業(yè)資源開發(fā)中的綜合應(yīng)用應(yīng)用現(xiàn)狀RS海洋漁業(yè)資源開發(fā)中的應(yīng)用GIS海洋漁業(yè)資源開發(fā)中的應(yīng)用GPS海洋漁業(yè)資源開發(fā)中的應(yīng)用3S海洋漁業(yè)資源開發(fā)中的綜合應(yīng)用三、3S技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的綜合應(yīng)用精細(xì)農(nóng)業(yè)與3S的關(guān)系RS在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用GIS在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用GPS在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用3S在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的綜合應(yīng)用3S技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中面臨的問題與解決對策四、3S技術(shù)土地研究中的綜合應(yīng)用RS技術(shù)土地領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用GIS技術(shù)土地領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用土地管理信息系統(tǒng)土地利用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)地籍管理信息系統(tǒng)GPS技術(shù)土地領(lǐng)域中的綜合應(yīng)用五、3S技術(shù)全球變化研究中的綜合應(yīng)用RS技術(shù)全球變化監(jiān)測中的綜合應(yīng)用GIS技術(shù)全球變化監(jiān)測中的綜合應(yīng)用GPS技術(shù)全球變化監(jiān)測中的綜合應(yīng)用環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與環(huán)境保護(hù)防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)城市規(guī)劃與城市管理SeaIce

Examplesofseaiceinformationandapplicationsinclude:iceconcentrationicetype/age/motionicebergdetectionandtrackingsurfacetopographytacticalidentificationofleads:navigation:safeshippingroutes/rescueicecondition(stateofdecay)historicaliceandicebergconditionsanddynamicsforplanningpurposeswildlifehabitatpollutionmonitoringmeteorological/globalchangeresearchAgriculturalapplications

croptypeclassificationcropconditionassessmentcropyieldestimationmappingofsoilcharacteristicsmappingofsoilmanagementpracticescompliancemonitoring(farmingpractices)

Oceans&CoastalMonitoringGeologicalapplicationssurficialdeposit/bedrockmappinglithologicalmappingstructuralmappingsandandgravel(aggregate)exploration/exploitationmineralexplorationhydrocarbonexplorationenvironmentalgeologygeobotany

baselineinfrastructureeventmappingandmonitoringgeo-hazardmappingplanetarymappingsedimentationmappingandmonitoringLanduseapplications:naturalresourcemanagementwildlifehabitatprotectionbaselinemappingforGISinputurbanexpansion/encroachmentroutingandlogisticsplanningforseismic/exploration/resourceextractionactivitiesdamagedelineation(tornadoes,flooding,volcanic,seismic,fire)legalboundariesfortaxandpropertyevaluationtargetdetection-identificationoflandingstrips,roads,clearings,bridges,land/waterinterface

LandCover&LandUse第三節(jié)基于3S技術(shù)數(shù)字水利建設(shè)

3S技術(shù)是數(shù)字水利的核心。在3S技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的支持下，探討數(shù)字水利建設(shè)的理論和方法。簡要介紹了數(shù)字水利建設(shè)的現(xiàn)狀，指出了建設(shè)數(shù)字水利的必要性。結(jié)合數(shù)字水利的關(guān)鍵支撐技術(shù)，搭建了數(shù)字水利的框架結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式。最后，展望了數(shù)字水利的應(yīng)用前景。1.引言水利行業(yè)是一個歷史十分悠久的行業(yè)。水利不但是農(nóng)業(yè)的命脈、國民經(jīng)濟(jì)的命脈，而且將是中華民族生存和發(fā)展的命脈。水利不僅是國民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)施，而且在基礎(chǔ)設(shè)施中處于首位。20世紀(jì)60年代，隨著信息論的創(chuàng)立，以計算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)為核心的信息技術(shù)革命逐步向全社會的各個行業(yè)滲透，也在深刻地改變著人類的生活方式。作為國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的水利行業(yè)同樣面臨著信息化建設(shè)的問題，水利信息化是水利現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。從國家到地方，從領(lǐng)導(dǎo)到大眾，水利行業(yè)信息化確實引起了重視，并建立了眾多的水利信息系統(tǒng)，但普遍存在著網(wǎng)絡(luò)功能弱、數(shù)據(jù)共享能力弱、數(shù)據(jù)更新手段受限、數(shù)據(jù)可視化手段單一、系統(tǒng)各自為政和缺乏決策支持分析能力等弱點(diǎn)。

解決上述問題的基本方案是實施以3S技術(shù)為核心的數(shù)字水利戰(zhàn)略規(guī)劃。數(shù)字水利涉及的技術(shù)專業(yè)非常寬泛，其中的主要技術(shù)有3S技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通訊和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)集成和互操作技術(shù)等。數(shù)字水利是古老的水利行業(yè)的發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，并有一個逐漸發(fā)展的過程，而且在發(fā)展過程中將會對其他行業(yè)、城市建設(shè)、市民生活帶來直接或間接的影響。而數(shù)字水利的戰(zhàn)略目標(biāo)是實現(xiàn)水利行業(yè)中各種數(shù)據(jù)的整合，使之便于共享和容易使用，使我們的政府決策機(jī)構(gòu)、水利工作者、企業(yè)、個人都能方便有效地進(jìn)行網(wǎng)上辦公、網(wǎng)上查詢、網(wǎng)上學(xué)習(xí)、網(wǎng)上工作等。2.數(shù)字水利的關(guān)鍵技術(shù)3S技術(shù)是地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)的簡稱，是數(shù)字水利的支撐技術(shù)。2.1.地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)地理信息系統(tǒng)(GIS)是一個集計算機(jī)、地理學(xué)、測繪科學(xué)、遙感科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、城市科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)等為一體的新興邊緣學(xué)科，是綜合分析與處理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)。它把計算機(jī)技術(shù)與空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過一系列的空間操作和空間分析，實時提供各種空間及動態(tài)的統(tǒng)計和分析資料。

水利信息固定實體的河道、湖泊、水庫、樞紐工程、抽水泵站、開采井等和非固定實體的水位、降水量、蒸發(fā)量、調(diào)水量等，它們的最大特點(diǎn)是具有空間屬性，與GIS空間實體的點(diǎn)、線、面屬性的一致性。水利信息圖形上表現(xiàn)數(shù)據(jù)，與GIS提供的圖形能力是一致的，用GIS完全能表現(xiàn)水利的各個方面。數(shù)字水利的首要任務(wù)是把這些固定實體和非固定實體有序地疊加到電子地圖中，實現(xiàn)地圖與數(shù)據(jù)庫的實體和非實體的雙向查詢，基于三維和多維空間的查詢，不僅僅包括具有固定實體三維和非實體的四維空間的查詢。

GIS針對水利信息應(yīng)用的各個方面，可以根據(jù)水利信息的地理坐標(biāo)進(jìn)行管理、評價、分析、結(jié)果輸出等處理，提供決策支持、動態(tài)模擬、統(tǒng)計分析、預(yù)測預(yù)報，是數(shù)字水利的技術(shù)基礎(chǔ)，是各種具有時空要素的水利信息分析的現(xiàn)代化工具。在實踐中，GIS將為數(shù)字水利提供空間量算、空間分析、疊加分析、緩沖區(qū)分析和網(wǎng)絡(luò)分析等強(qiáng)有力的分析手段。2.2.遙感技術(shù)(RS)遙感是根據(jù)不同物體的電磁波特性不同的原理來探測地表物體對電磁波的反射和其發(fā)射的電磁波，從而提取這些物體的信息，完成遠(yuǎn)距離識別物體。遙感的實現(xiàn)還需要遙感平臺，譬如衛(wèi)星、飛機(jī)、氣球等，運(yùn)載傳感器。傳感器會把這些電磁輻射按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為原始圖像。原始圖像被地面站接受后，要經(jīng)過一系列復(fù)雜的處理，才能提供給不同的用戶使用。遙感廣泛應(yīng)用于陸地水資源調(diào)查、土地資源調(diào)查、植被資源調(diào)查、地質(zhì)調(diào)查、城市遙感調(diào)查、海洋資源調(diào)查、測繪、考古調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測和規(guī)劃管理等領(lǐng)域。數(shù)字水利依賴遙感技術(shù)主要有以下幾個原因：(1)根據(jù)紅外波段的水體輻射率明顯低于其它地物，選用一個合適的紅外波段，定出其水體的閥值，高于該值，即為非水體。利用此原理，即可測量出河道、湖泊的水位值，還可以利用衛(wèi)星資料綠、紅和紅外波段的綜合信息來求取綠色系數(shù)和紅色系數(shù)，從而確定水體面積。(2)利用不同時間段的兩幅或多幅衛(wèi)星圖像進(jìn)行假彩色合成，不僅可以分析時間段內(nèi)的洪水淹沒的范圍，還能反映洪水移動的方向和速度，以便決策部門采取措施，做出正確的決策。依據(jù)洪水泛濫時的衛(wèi)星圖像，可以繪制洪水淹沒范圍，估算洪水造成的損失。(3)通過遙感技術(shù)實時獲取洪水情況，輸出地圖、圖表。(4)由于遙感技術(shù)能對下墊面進(jìn)行詳細(xì)分析，并可進(jìn)行逐項成因分析，直接利用衛(wèi)星圖像上獲取的信息作為參數(shù)來編制洪水預(yù)報方案。通過衛(wèi)星或航天傳感器系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用，確定出地物覆蓋分布，并與土壤、坡度等資料一起轉(zhuǎn)化成數(shù)字化格式存入GIS系統(tǒng)。(5)遙感技術(shù)在水環(huán)境、干旱及土壤含水量實時監(jiān)測，以及防洪工程檢查、河道清障等方面也大有用武之地。2.3.GPS技術(shù)GPS是美國國防部于1973年籌建的全球定位系統(tǒng)，至1994年系統(tǒng)的全部24顆衛(wèi)星已部署完畢，開始投入運(yùn)行。GPS系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶部分組成。具有全天候、全天時、全球覆蓋、三維定位定速、高精度、高效率、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。GPS能準(zhǔn)確地確定某一實體的位置，從而為該實體獲得信息源的定位提供強(qiáng)有力的手段。GPS對面廣量大的實體空間定位起著舉足輕重的作用。目前，GPS已在江河、湖泊、水庫的水下地形測量、堤防險工險段監(jiān)測、拋石護(hù)岸監(jiān)測、大堤安全監(jiān)測、泥石流滑坡預(yù)警監(jiān)測等方面已得到了廣泛的應(yīng)用。如在1996年和1998年的長江大洪水的監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用，特別是對長江險工險段監(jiān)測，長江水道地形和洞庭湖、鄱陽湖的水域監(jiān)測及長江堤防安全監(jiān)測等方面，發(fā)揮了重要作用。2.4.3S集成雖然GIS,RS,GPS技術(shù)各有各的發(fā)展和需求，但是地理信息是一種信息流，遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)的任意一個系統(tǒng)都是側(cè)重了信息流的一個方面，而不能滿足準(zhǔn)確地、全面地描述地理信息流的要求，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展必然促使它們緊密結(jié)合，成為一個整體。RS強(qiáng)大的信息采集、獲取能力，與GPS快速精確全天候提供定位信息等能力以及GIS強(qiáng)大的存儲、分析、處理和輸出地理空間數(shù)據(jù)的能力，在3S技術(shù)一體化的今天，將越來越多地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。所以，無論從物質(zhì)運(yùn)動形式、地學(xué)信息的本身特征還是從3S技術(shù)的各自特性出發(fā)，3S集成是科技發(fā)展的必然結(jié)果。

3S集成是指將地理信息系統(tǒng)、遙感、全球定位系統(tǒng)這三種對地觀測新技術(shù)有機(jī)地集成在一起。但3S技術(shù)≠GIS+RS+GPS，有些專家認(rèn)為還應(yīng)有數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)DPS和專家系統(tǒng)ES，即5S，但不管是3S還是5S，都應(yīng)有現(xiàn)代通訊技術(shù)和通訊手段的參與。可見，3S技術(shù)應(yīng)等于(p1GPS+p2GIS+p3RS+…+piITS)(pi為權(quán)，ITS為信息技術(shù)系統(tǒng))。這已經(jīng)成了統(tǒng)一認(rèn)識。3S集成是當(dāng)今空間科學(xué)領(lǐng)域的一個研究前沿，它的發(fā)展目標(biāo)是“在線的連接，實時的處理”。3S集成是一項技術(shù)難度極高的高科技。為了實現(xiàn)3S的集成，需要探索3S集成的有關(guān)理論，提高3S集成的技術(shù)方法和拓寬3S集成的應(yīng)用范圍。實際上，3S集成的發(fā)展正如GIS的發(fā)展一樣，應(yīng)用超前于理論。但目前應(yīng)用水平的3S集成是膚淺的，僅是表面的集成，功能互補(bǔ)而已，還沒有實現(xiàn)3S的真正集成，3S集成要解決數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)可視化等問題。因此，3S集成的源泉是數(shù)據(jù)(信息)，集成的歸屬還是數(shù)據(jù)(信息)。劉震等認(rèn)為信息獲取，信息處理和應(yīng)用是一體的，不可分割的，并把信息流的描述列為3S集成的關(guān)鍵問題之一。在3S還沒有實現(xiàn)真正集成之前，3S集成應(yīng)用的各子系統(tǒng)(即GIS子系統(tǒng)、RS子系統(tǒng)、GPS子系統(tǒng))應(yīng)以系統(tǒng)論“系統(tǒng)總體最優(yōu)”為原則確定技術(shù)路線。3S技術(shù)是數(shù)字地球的核心技術(shù)之一，當(dāng)然也是數(shù)字水利的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)之一。此時強(qiáng)調(diào)3S的目的是要重視加強(qiáng)3S在水利行業(yè)的集成應(yīng)用。目前在水利領(lǐng)域，3S的集成應(yīng)用還不夠深入，基本上是處于1S狀態(tài)；GIS大多被簡單地用作圖形顯示和查詢，RS大多用作提取背景信息，GPS被用作遙感圖像處理的定位信息獲取。因此，還談不上3S的集成應(yīng)用。這種情況有望逐漸在兩兩集成的技術(shù)方法和應(yīng)用范圍上取得突破后，才能走上真正的3S集成應(yīng)用之路。3.數(shù)字水利的框架結(jié)構(gòu)

數(shù)字水利是水利公用信息平臺上的空間信息獲取、更新、處理和應(yīng)用系統(tǒng):包括數(shù)據(jù)獲取和更新體系、數(shù)據(jù)庫體系、網(wǎng)絡(luò)體系等，如圖2所示。3.1.數(shù)據(jù)獲取和更新體系

數(shù)據(jù)獲取和更新體系是根據(jù)數(shù)字水利的實際情況和有效需求來獲取數(shù)據(jù)，確定其更新周期，更新辦法和管理辦法，建立起更新體系。傳統(tǒng)上是用航測工程采集空間實體數(shù)據(jù)的，包括流域彩色、黑白影像的獲取、空間基礎(chǔ)信息提取(地貌、地物)、DEM自動提取、正射影像制作等。近年來，星載對地觀測發(fā)展十分迅速。系統(tǒng)通過衛(wèi)星、航天飛機(jī)、宇宙飛船、飛機(jī)、熱氣球攜帶的各種波段的各類傳感器提供全球連續(xù)和重復(fù)的表面數(shù)據(jù)，保證數(shù)字水利具有準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)。在目前和在將來都是最基本的技術(shù)手段。3.2.數(shù)據(jù)存儲體系

隨著數(shù)據(jù)獲取手段的不斷增強(qiáng)，對數(shù)據(jù)處理、傳輸、分辨和壓縮技術(shù)的要求也越來越高。數(shù)字水利要管理海量的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)以及其它數(shù)據(jù)，由于存儲容量的限制，在集中存儲和管理的基礎(chǔ)上，可能需要適量分散以提高存取及更新的速度，但分散存儲和建庫的方法存在著安全性差、數(shù)據(jù)兼容性及標(biāo)準(zhǔn)化困難等局限，需要進(jìn)一步研究。3.3.信息提取與分析體系

通過數(shù)據(jù)獲取和更新體系，我們可以獲得大量數(shù)據(jù)，但是如何從這些海量的數(shù)據(jù)中提取出我們感興趣的信息，并加以利用呢?這些要借助于信息提取與分析體系。在基本數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上，還需要采用現(xiàn)代科學(xué)方法進(jìn)行挖掘，提取可用的、相關(guān)的信息。3.4.數(shù)據(jù)庫體系

數(shù)據(jù)庫體系是數(shù)字水利的核心，包括水利衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)庫、不同比例尺的地形圖庫、專題信息數(shù)據(jù)庫、三維模型庫、知識庫、數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)庫等等。

空間數(shù)據(jù)庫是一個存儲空間和非空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，因其存儲數(shù)據(jù)性質(zhì)的特殊性，成為當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)共享、查詢、訪問、評估和集成的基礎(chǔ)，也是建立數(shù)據(jù)庫和復(fù)雜信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對于數(shù)字水利這樣大型多用途的信息基礎(chǔ)設(shè)施，非常需要建立元數(shù)據(jù)庫。元數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)質(zhì)量、標(biāo)識、引用、時間范圍、聯(lián)系、地址等信息。3.5.網(wǎng)絡(luò)與傳輸體系

數(shù)字水利工程建于網(wǎng)上，網(wǎng)絡(luò)體系是空間數(shù)據(jù)查詢、交換和更新的基本途徑，能提供專業(yè)空間信息服務(wù)。數(shù)字水利網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)，要充分利用現(xiàn)有設(shè)施，按照全國水利信息骨干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)絡(luò)和水利部門局域網(wǎng)三級網(wǎng)絡(luò)體系來建設(shè)。同時，也要考慮網(wǎng)絡(luò)信息的安全問題。3.6.數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化體系

投入極大的力量建設(shè)數(shù)字水利，解決了數(shù)據(jù)采集，海量數(shù)據(jù)的存儲、處理、傳輸，其目的就是要讓更多的人充分應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，也就是要實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用軟件的相互兼容，減少重復(fù)勞動和投資，讓更多的專業(yè)技術(shù)人員把精力集中于數(shù)據(jù)應(yīng)用上。要實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和軟件兼容，必須建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式和交換標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字水利工程所需的標(biāo)準(zhǔn)按內(nèi)容可分為:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分類與編碼、空間坐標(biāo)參照系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、元數(shù)據(jù)、軟硬件配置原則、系統(tǒng)安全與保密、網(wǎng)絡(luò)管理、信息服務(wù)等。4.數(shù)字水利的運(yùn)行模式

數(shù)字水利工程是一個超大型的信息系統(tǒng)，是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、決策支持技術(shù)、地理信息系統(tǒng)等高新科技手段逐步向古老的水利行業(yè)滲透的必然產(chǎn)物；數(shù)字水利工程也是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，涉及到數(shù)據(jù)和應(yīng)用的分布式操作、跨平臺應(yīng)用；數(shù)字水利工程也是一個智能化的決策系統(tǒng)，尤其是面對洪澇災(zāi)害或即將面對洪澇災(zāi)害時，可以輔助指揮人員進(jìn)行合理調(diào)度和科學(xué)決策，對于管理人員來說，可以對流域或地區(qū)的水資源進(jìn)行實時、優(yōu)化配置和調(diào)度，以遠(yuǎn)程控制及自動化技術(shù)為手段對流域或地區(qū)的工程設(shè)施進(jìn)行控制操作。

數(shù)字水利的運(yùn)行模式是指各類用戶(包括各機(jī)構(gòu)、單位及個人)如何借助于數(shù)字水利實現(xiàn)業(yè)務(wù)處理和邏輯應(yīng)用。隨著Internet技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)計算模式。數(shù)字水利的運(yùn)行無疑是基于Internet的分布式、異構(gòu)互連、多協(xié)議的體系模式，如圖3所示。數(shù)字水利的各類用戶的所有邏輯應(yīng)用都是通過Web瀏覽器呈現(xiàn)出來的。用戶的事務(wù)包括兩個方面，即應(yīng)用邏輯處理和網(wǎng)絡(luò)生活方式。用戶的應(yīng)用邏輯處理采用的是網(wǎng)絡(luò)計算模式。用戶通過Web服務(wù)器的安全認(rèn)證等機(jī)制登錄到相關(guān)站點(diǎn)，提出應(yīng)用處理請求(如查詢、分析、管理、規(guī)劃等)，應(yīng)用請求經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議傳達(dá)給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器接受到請求信息后，通過安全認(rèn)證、身份鑒別及權(quán)限認(rèn)證等過程，確認(rèn)用戶請求的有效性。然后對用戶應(yīng)用進(jìn)行歸類，根據(jù)應(yīng)用類別選擇應(yīng)用服務(wù)器中的應(yīng)用組件，以消息形式命令應(yīng)用組件完成用戶的應(yīng)用，或允許Web服務(wù)器下載相關(guān)組件。應(yīng)用服務(wù)器將響應(yīng)結(jié)果返回Web服務(wù)器，經(jīng)由Web服務(wù)器傳送到用戶的Web瀏覽器中。其中，對數(shù)字水利的數(shù)據(jù)庫訪問由應(yīng)用組件通過ODDC或JDDC接口完成。用戶不直接訪問和操縱數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性。5.數(shù)字水利的應(yīng)用

數(shù)字水利的提出，對水利從傳統(tǒng)的工程水利向可持續(xù)發(fā)展的資源水利的轉(zhuǎn)變提供了理論上的指導(dǎo)和先進(jìn)的技術(shù)手段的支持，對于我國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著巨大的促進(jìn)和推動作用。就數(shù)字水利的具體應(yīng)用來說，不可能一言以蔽之，但就現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展水平來說，我們從中也可以窺之一二。運(yùn)用災(zāi)情評估系統(tǒng)，實時評估洪澇干旱災(zāi)害涉及的耕地及居民地面積、受災(zāi)人口和受淹房屋間數(shù);實時監(jiān)控大面積水體污染和赤潮的影響范圍；大面積泥石流、滑坡等山地災(zāi)害的影響范圍。

運(yùn)用水資源水環(huán)境調(diào)查系統(tǒng)，應(yīng)用遙感資料進(jìn)行下墊面屬性分類，計算其分類面積，選取經(jīng)驗參數(shù)及入滲系數(shù)。根據(jù)多年平均降水量，計算出多年平均地表徑流、入滲補(bǔ)給量。兩者之和扣去重復(fù)計算的基流量即為多年平均水量，對國內(nèi)某些流域進(jìn)行估算的相對誤差小于7%，尤其適用于無水文資料地區(qū)。此外，根據(jù)遙感資料提供的積雪分布(三維)、積雪量、雪面濕度，用融雪徑流流域模型估算融雪水資源和流域出流過程。如有精度較高的數(shù)字高程模型，對湖泊面積及容量調(diào)查也有較高精度。目前已可以對混濁度、pH值、含鹽度、BOD和COD等要素做定量監(jiān)測，對污染帶的位置作定性監(jiān)測。運(yùn)用土地資源調(diào)查系統(tǒng)，實時監(jiān)測水蝕、風(fēng)蝕等多種類型的土壤侵蝕區(qū)的侵蝕面積、數(shù)量和強(qiáng)度發(fā)展的動態(tài)變化；鹽堿地、沼澤地、風(fēng)沙地、山地侵蝕地等劣質(zhì)土地的面積調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測；土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、耕地面積和灘涂面積調(diào)查。運(yùn)用工程規(guī)劃與管理系統(tǒng)，可以進(jìn)行大型水庫淹沒區(qū)實物量估算，庫區(qū)移民安置環(huán)境容量調(diào)查，灌溉區(qū)實際灌溉面積和有效灌溉面積的調(diào)查，水庫淤積測量等等。除了提供調(diào)查、監(jiān)測和統(tǒng)計數(shù)據(jù)外，3S技術(shù)作為一種新的技術(shù)手段，與傳統(tǒng)手段相結(jié)合，還在防災(zāi)減災(zāi)、水資源開發(fā)利用以及水利工程規(guī)劃、建設(shè)和管理等方面發(fā)揮了重要作用。防洪減災(zāi)及業(yè)務(wù)運(yùn)行。包括:星載和機(jī)載合成孔徑雷達(dá)(SAR)實時監(jiān)測特大洪水造成的災(zāi)情，將信息迅速傳送到指揮決策機(jī)構(gòu)；對易發(fā)洪災(zāi)區(qū)和重點(diǎn)防洪地區(qū)建立防洪信息系統(tǒng)；旱災(zāi)的實時監(jiān)測；在全球氣候變暖、海平面上升以及地下水超采造成地面沉降等情況下，對可能造成的海水入侵的范圍做出預(yù)估和進(jìn)行對策研究。水資源開發(fā)利用研究。包括:利用遙感資料和GIS建立與大氣模型耦合的大尺度水文模型，計算出在全球未來氣候變化情況下區(qū)域水資源的增減；采用細(xì)分光譜衛(wèi)星資料、主動式微波傳感器與地球物理、地球化學(xué)等多種信息源相結(jié)合，以信息系統(tǒng)為支持，分析研究地下儲水結(jié)構(gòu)。大型水利水電工程及跨流域調(diào)水工程對生態(tài)環(huán)境影響的監(jiān)測與綜合評價。包括:大型水利水電樞紐工程地質(zhì)條件的遙感調(diào)查、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價及動態(tài)監(jiān)測，流域綜合規(guī)劃；灌區(qū)規(guī)劃；水庫上游水土流失調(diào)查及對水庫淤積的趨勢預(yù)測，河口泥沙監(jiān)測和綜合治理；河道演變監(jiān)測；河道、水庫、湖泊等水體水質(zhì)污染遙感動態(tài)監(jiān)測；流域治理效益調(diào)查；海岸帶綜合治理；對施工過程中的壩址進(jìn)行1:2000的大比例尺遙感制圖。

目前，正在啟動的國家防汛指揮系統(tǒng)工程將在數(shù)據(jù)傳輸方面采用通信衛(wèi)星和安全的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。用遙感技術(shù)監(jiān)測洪澇災(zāi)害；在七大江河流域建立以GIS技術(shù)為支撐的包括社會經(jīng)濟(jì)、水體、水利工程、地形、土地利用、行政邊界、交通、通信、生命線工程等數(shù)據(jù)層的分布式防洪基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫；完善水文及災(zāi)害預(yù)報這些以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的虛擬地球的技術(shù)；可以進(jìn)行異地會商和遠(yuǎn)程教育。在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以在災(zāi)前作洪水預(yù)報及對未來各種降雨情況下的水情進(jìn)行模擬；可以針對洪水預(yù)報做出多個調(diào)度預(yù)案，進(jìn)行后效與損失比較，為決策提供依據(jù)；可根據(jù)決策，優(yōu)化分洪區(qū)居民撤離，搶險物資及救災(zāi)物資的輸運(yùn)路線；可對災(zāi)情的發(fā)展做出空間與時間上的預(yù)測；可對災(zāi)后重新進(jìn)行規(guī)劃?？偠灾?，將在真正意義上做到防洪減災(zāi)，把損失減少到最小。這是數(shù)字水利在防洪方面的一個雛形。

第四節(jié)3S集成技術(shù)與數(shù)字地球4.1數(shù)字地球的概念4.2數(shù)字地球的技術(shù)基礎(chǔ)4.3數(shù)字地球中的3S技術(shù)4.4數(shù)字地球的應(yīng)用4.1數(shù)字地球的概念什么是“數(shù)字地球”呢?所謂“數(shù)字地球”，可以理解為對真實地球及其相關(guān)現(xiàn)象統(tǒng)一的數(shù)字化重現(xiàn)和認(rèn)識。其核心思想是用數(shù)字化的手段來處理整個地球的自然和社會活動諸方面的問題，最大限度地利用資源，并使普通百姓能夠通過一定方式方便地獲得他們所想了解的有關(guān)地球的信息。其特點(diǎn)是嵌入海量地理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多分辨率、三維對地球的描述，即“虛擬地球”。通俗地講，就是用數(shù)字的方法將地球、地球上的活動及整個地球環(huán)境的時空變化裝入電腦中，實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的流通，并使之最大限度地為人類的生存、可持續(xù)發(fā)展和日常的工作、學(xué)習(xí)、生活、娛樂服務(wù)。嚴(yán)格地講，數(shù)字地球是以計算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運(yùn)用海量地球信息對地球進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，并利用它作為工具來支持和改善人類活動和生活質(zhì)量。4.2數(shù)字地球的技術(shù)墓礎(chǔ)實現(xiàn)數(shù)字地球需要諸多學(xué)科，特別是信息科學(xué)技術(shù)的支撐。這其中主要包括：信息高速公路和計算機(jī)寬帶高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高分辨率衛(wèi)星影像、空間信息技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)處理與存貯技術(shù)、科學(xué)計算以及可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。4.3數(shù)字地球中的“3S”技術(shù)數(shù)字地球的核心是地球空間信息科學(xué)，地球空間信息科學(xué)的技術(shù)體系中最基礎(chǔ)和基本的技術(shù)核心是“3s”技術(shù)及其集成。所謂“3S”是全球定位系統(tǒng)(GPS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)的統(tǒng)稱。沒有“3S”技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)實變化中的地球是不可能以數(shù)字的方式進(jìn)入計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的?？臻g定位(GPS)技術(shù)

GPS作為一種全新的現(xiàn)代定位方法，已逐漸在越來越多的領(lǐng)域取代了常規(guī)光學(xué)和電子儀器。20世紀(jì)80年代以來，尤其是90年代以來，GPS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，在空間定位技術(shù)方面引起了革命性的變化。用GPS同時測定三維坐標(biāo)的方法將測繪定位技術(shù)從陸地和近海擴(kuò)展到整個海洋和外層空間，從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)，從單點(diǎn)定位擴(kuò)展到局部與廣域差分，從事后處理擴(kuò)展到實時(準(zhǔn)實時)定位與導(dǎo)航，絕對和相對精度擴(kuò)展到米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬它的應(yīng)用范圍和在各行各業(yè)中的作用。不久的將來，人人可以戴上GPS手表，加上移動電話，你的活動就可以自動進(jìn)入數(shù)字地球中去。航空航天遙感(RS)技術(shù)

當(dāng)代遙感的發(fā)展主要表現(xiàn)在它的多傳感器、高分辨率和多時相特征。(1)多傳感器技術(shù)。當(dāng)代遙感技術(shù)已能全面覆蓋大氣窗口的所有部分。光學(xué)遙感可包含可見光、近紅外和短波紅外區(qū)域。熱紅外遙感的波長可從8-14μm，微波遙感觀測目標(biāo)物電磁波的輻射和散射，分被動微波遙感和主動微波遙感，波長范圍為1mm-100cm。(2)遙感的高分辨率特點(diǎn)。全面體現(xiàn)在空間分辨率、光譜分辨率和溫度分辨率三個方面，長線陣CCD成像掃描儀可以達(dá)到1—2m的空間分辨率，成像光譜儀的光譜細(xì)分可以達(dá)到5—6nm的水平。熱紅外輻射計的溫度分辨率可從0.5K提高到0.3K乃至0.1K。(3)遙感的多時相特征。隨著小衛(wèi)星群計劃的推行，可以用多顆小衛(wèi)星，實現(xiàn)每2-3天對地表重復(fù)一次采樣，獲得高分辨率成像光譜儀數(shù)據(jù)，多波段、多極化方式的雷達(dá)衛(wèi)星，將能解決陰雨多霧情況下的全天候和全天時對地觀測，通過衛(wèi)星遙感與機(jī)載和車載遙感技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是實現(xiàn)多時相遙感數(shù)據(jù)獲取的有力保證。遙感信息的應(yīng)用分析已從單一遙感資料向多時相、多數(shù)據(jù)源的融合與分析過渡，從靜態(tài)分析向動態(tài)監(jiān)測過渡，從對資源與環(huán)境的定性調(diào)查向計算機(jī)輔助的定量分析過渡，從對各種現(xiàn)象的表面描述向軟件分析和計量探索過渡。近年來，由于航空遙感具有的快速機(jī)動性和高分辨率的顯著特點(diǎn)使之成為遙感發(fā)展的重要方面。地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)隨著“數(shù)字地球”這一概念的提出和人們對它的認(rèn)識的不斷加深，從二維向多維動態(tài)以及網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展是地理信息系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，也是地理信息系統(tǒng)理論發(fā)展和諸多領(lǐng)域的迫切需要如資源、環(huán)境、城市等。在技術(shù)發(fā)展方面，一個發(fā)展是基于C/S結(jié)構(gòu)，即用戶可在其終端上調(diào)用在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)和程序。另一個發(fā)展是通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展InternetGIS或webGIS，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程尋找所需要的各種地理空間數(shù)據(jù)，包括圖形和圖像，而且可以進(jìn)行各種地理空間分析，這種發(fā)展是通過現(xiàn)代通訊技術(shù)使GIS進(jìn)一步與信息高速公路相接軌。另一個發(fā)展方向，則是數(shù)據(jù)挖掘(DataMining)，從空間數(shù)據(jù)庫中自動發(fā)現(xiàn)知識，用來支持遙感解譯自動化和GIS空間分析的智能化。“3S”集成技術(shù)

“3S”集成是指將上述三種對地觀測新技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)有機(jī)地集成在一起。這里所說的集成，是英文Integration的中譯文，是指一種有機(jī)的結(jié)合，在線的連接、實時的處理和系統(tǒng)的整體性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技術(shù)水平上實現(xiàn)?！?S”集成包括空基3S集成與地基3S集成?？栈?S”集成：用空-地定位模式實現(xiàn)直接對地觀測，主要目的是在無地面控制點(diǎn)(或有少量地面控制點(diǎn))的情況下，實現(xiàn)航空航天遙感信息的直接對地定位、偵察、制導(dǎo)、測量等。地基“3S”集成：車載、艦載定位導(dǎo)航和對地面目標(biāo)的定位、跟蹤、測量等適時作業(yè)。4.4數(shù)字地球的應(yīng)用在人類所接觸到的信息中有80％與地理位置和空間分布有關(guān)．地球空間信息是信息高速公路上的貨和車。數(shù)字地球不僅包括高分辨率的地球衛(wèi)星圖像，還包括數(shù)字地圖，以及經(jīng)濟(jì)、社會和人口等方面的信息，它的應(yīng)用正如戈爾副總統(tǒng)在報告中提到的有時會因為我們的想象力而受到限制，換句話說，數(shù)字地球的應(yīng)用在很大程度上超出我們的想象，可以樂觀地說21世紀(jì)中，數(shù)字地球?qū)⑦M(jìn)入千家萬戶和各行各業(yè)。這里只能就我們的理解提出一些現(xiàn)實的應(yīng)用。數(shù)字地球?qū)θ蜃兓c社會可持續(xù)發(fā)展的作用全球變化與社會可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今世界人們關(guān)注的重要問題，數(shù)字化表示的地球為我們研究這一問題提供了非常有利的條件。在計算機(jī)中利用數(shù)字地球可以對全球變化的過程、規(guī)律、影響以及對策進(jìn)行各種模擬和仿真，從而提高人類應(yīng)付全球變化的能力。數(shù)字地球可以廣泛地應(yīng)用于對全球氣候變化，海平面變化，荒漠化，生態(tài)與環(huán)境變化，土地利用變化的監(jiān)測。與此同時，利用數(shù)字地球，還可以對社會可持續(xù)發(fā)展的許多問題進(jìn)行綜合分析與預(yù)測，如：自然資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口增長與社會發(fā)展，災(zāi)害預(yù)測與防御等。我國是一個人口多，土地資源有限，自然災(zāi)害頻繁的發(fā)展中國家，十幾億人口的吃飯問題一直是致關(guān)重要的。經(jīng)過二十多年的高速發(fā)展，資源與環(huán)境的矛盾越來越突出。1998年的洪災(zāi)，黃河斷流，耕地減少，荒漠化加劇，已經(jīng)引起了社會各界的廣泛關(guān)注。必須采取有效措施，從宏觀的角度加強(qiáng)土地資源和水資源的監(jiān)測和保護(hù)，加強(qiáng)自然災(zāi)害特別是洪澇災(zāi)害的預(yù)測、監(jiān)測和防御，避免第三世界國家和一些發(fā)達(dá)國家發(fā)展過程中走過的彎路。數(shù)字地球在這方面可以發(fā)揮更大的作用。數(shù)字地球?qū)ι鐣?jīng)濟(jì)和生活的影響

數(shù)字地球?qū)⑷菁{大量行業(yè)部門、企業(yè)和私人添加的信息，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)在空間和時間分布上的研究和分析。例如國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)劃，全國鐵路、交通運(yùn)輸?shù)囊?guī)劃，城市發(fā)展的規(guī)劃，海岸帶開發(fā)，西部開發(fā)。從貼近人們的生活看，房地產(chǎn)公司可以將房地產(chǎn)信息鏈接到數(shù)字地球上；旅游公司可以將酒店、旅游景點(diǎn)，包括它們的風(fēng)景照片和錄像放入這個公用的數(shù)字地球上；世界著名的博物館和圖書館可以將其收藏以圖像、聲音、文字形式放入數(shù)字地球中；甚至商店也可以將貨架上的商品制作成多媒體或虛擬產(chǎn)品放入數(shù)字地球中，讓用戶任意挑選。另外在相關(guān)技術(shù)研究和基礎(chǔ)設(shè)施方面也將會起推動作用。因此，數(shù)字地球進(jìn)程的推進(jìn)必將對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活產(chǎn)生巨大的影響。數(shù)字地球與精細(xì)農(nóng)業(yè)

2I世紀(jì)農(nóng)業(yè)要走節(jié)約化的道路，實現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)無污染農(nóng)業(yè)。這就要依托數(shù)字地球，每隔3—5天給農(nóng)民送去他們的莊稼地的高分辨率衛(wèi)星影像，農(nóng)民在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上可以從影像圖中獲得他的農(nóng)田的長勢征兆，通過GIS作分析，制定出行動計劃，然后在車載GPS和電子地圖指引下，實施農(nóng)田作業(yè)，及時地預(yù)防病蟲害，把殺蟲劑、化肥和水用到必須用的地方，而不致使化學(xué)殘留物污染土地、糧食和種子，實現(xiàn)真正的綠色農(nóng)業(yè)。這樣一來，農(nóng)民也成