3s技術(shù)及其在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用論文

3S技術(shù)及其在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用S技術(shù)及其在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用摘要本文先分別介紹了全球定位系統(tǒng)、遙感、地理信息系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，主要介紹了3S技術(shù)原理方法，最后簡要介紹了3S技術(shù)集成及其應(yīng)用。隨著戈爾提出“數(shù)字地球”的概念，數(shù)字城市、數(shù)字化建設(shè)層出不窮，包括現(xiàn)在的大熱研究方向信息高速鐵路、空間信息技術(shù)建設(shè)和關(guān)于海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)可視化顯示，掀起了一股數(shù)字化建設(shè)高潮，本文從數(shù)字城市建設(shè)的角度，介紹了3S技術(shù)的各個方面，討論了3S技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用以及數(shù)字城市建設(shè)中可能遇到的問題，并針對這些問題提出了新的研究方向。關(guān)鍵詞：3S技術(shù)；3S集成；數(shù)字城市3STechnologyAndItsApplicationInTheDigitalCityConstructionAbstractFirstofall,Thispaperrespectivelyintroducesthepresentsituationanddevelopmenttrendoftheglobalpositioningsystem(GPS),remotesensing,geographicinformationsystem,mainlyintroducestheprincipleof3stechnologymethods,finallythispaperintroducesthe3stechniqueintegrationandapplication.Sincegoreproposedtheconceptof"digitalearth",constructionofdigitalcity,digitalemergeinendlessly,includingthehotresearchdirectioninformationofhighspeedrailway,thespaceinformationtechnologyconstructionandhugeamountsofdataaboutdatawarehouse,datamininganddatavisualization,accordingtoanupsurgeinthedigitalconstruction,thisarticlefromtheperspectiveofdigitalcityconstruction,introducestheallaspectsofthe3stechnology,3stechnologyisdiscussedintheapplicationofthedigitalcityconstructionaswellasthepossibleproblemsintheconstructionofdigitalcity,andputsforwardanewresearchdirectiontosolvetheseproblems.Keywords:3stechnology,3sintegration,digitalcity.1.3S技術(shù)概述所謂3S是指以遙感RS（RemoteSensing）、地理信息系統(tǒng)GIS（GeographicInformationSystem）和全球定位系統(tǒng)GPS（GlobalPositioningSystem）為主的，與地理空間信息有關(guān)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。國際上一般用“Geomatics”來代表3S?！癎eomatics”譯作“地球空間信息學(xué)”,是以全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感等空間信息技術(shù)為主要內(nèi)容，并以計算機(jī)技術(shù)為主要技術(shù)支撐，用于采集、量測、分析、存儲、管理、顯示、傳播和應(yīng)用于地理空間分布有關(guān)數(shù)據(jù)的一門綜合的、集成的信息科學(xué)的重要組成部分，構(gòu)成數(shù)字地球的基礎(chǔ)?！癎eomatics”反映了現(xiàn)代測繪科學(xué)、遙感和地理信息科學(xué)與現(xiàn)代計算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合的多學(xué)科集成以滿足空間信息處理要求的應(yīng)用?！癎eomatics”研究的范圍很大，相對比較復(fù)雜，因此，我國用“3S”來代替“Geomatics”。“3S技術(shù)”作為一種對地觀測技術(shù)，為科學(xué)研究、政府管理和社會建設(shè)提供了新一代的觀測手段、描述語言和思維工具。結(jié)合“3S”各自的優(yōu)勢并實現(xiàn)其真正集成是當(dāng)今研究的一個重要方向，即RS向GIS提供空間信息或更新信息，GPS向GIS提供空間定位，GIS對收集到的空間信息進(jìn)行處理、存儲、空間分析并提取有用信息，進(jìn)行綜合集成，從而為決策、城市規(guī)劃和某些專門的應(yīng)用服務(wù)。3S技術(shù)集成，具有動態(tài)，實時、整體、多維等性質(zhì)，然而現(xiàn)實生活中能夠真正實現(xiàn)3S集成技術(shù)的系統(tǒng)并不多見，較為常見的是“3S”兩兩集成，如GIS和RS集成，GIS和GPS集成或者RS和GPS集成等。一個得以真正實現(xiàn)“3S“集成的應(yīng)用實例是測繪車系統(tǒng)，它是由美國Ohio大學(xué)與公路管理部門共同研制的，它將GPS接收機(jī)結(jié)合一臺立體視覺系統(tǒng)載于車上，通過車的行進(jìn)來獲取道路及其周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)并存儲于GIS數(shù)據(jù)庫中。最簡單的3S集成方式是三種系統(tǒng)分開而由用戶綜合使用，高級的是三個系統(tǒng)有共同的界面并且能夠?qū)崿F(xiàn)表面上的無縫集成，數(shù)據(jù)傳輸在內(nèi)部通過特征碼結(jié)合，最高級的是實現(xiàn)整體的集成，構(gòu)建一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。從軟件角度來看，開發(fā)“3S“集成的系統(tǒng)在技術(shù)上很容易實現(xiàn)。對于”3S“集成技術(shù)而言，最重要的是充分利用遙感以及全球定位系統(tǒng)的實時、準(zhǔn)確、大面積獲取數(shù)據(jù)的能力，節(jié)約時間，降低成本，尋找新的應(yīng)用領(lǐng)域或者探索新的應(yīng)用。目前，”3S“集成技術(shù)成了一個新的、熱門的研究方向。但是用遙感和全球定位系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，用地理信息系統(tǒng)處理和應(yīng)用數(shù)據(jù)的3S系統(tǒng)只是”3S“技術(shù)的綜合應(yīng)用，還沒有實現(xiàn)真正的集成。真正的”3S“集成應(yīng)該是基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面上的。與GPS數(shù)據(jù)作為矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS空間數(shù)據(jù)庫相比，遙感數(shù)據(jù)雖然是柵格數(shù)據(jù)，但由于其影像中的每個象元存儲的是灰度值，不直接代表某種專題值，顯然要導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)庫并不容易。遙感數(shù)據(jù)要按照某種格式導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)庫中可以有兩種途徑實現(xiàn)，一種是從矢量的角度實現(xiàn)，一種是從柵格的角度。GIS可以支持矢量和柵格兩種形式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，若從矢量的角度導(dǎo)入，由于遙感圖像的復(fù)雜性，要實現(xiàn)快速、全自動提取，還需要充分研究遙感圖像的地物目標(biāo)提取和自動分類技術(shù)，當(dāng)今，自動分類技術(shù)中，模糊分類法、神經(jīng)元法以及面向?qū)ο蠓ㄊ潜容^新穎的分類方法，但由于誤差大和需人為編輯并不能實現(xiàn)完全自動化，因此從矢量層面，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)融入GIS數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫并不是明智的選擇。而從柵格角度比較容易實現(xiàn)與GIS的集成。遙感影像的每個象元記錄的是反映對應(yīng)的地物平均輻射發(fā)射灰度值，通過將每個柵格的光譜輻射值使用某種算法轉(zhuǎn)化為某種專題值如生物量、植被蓋度等被稱之為遙感信息模型，從而將遙感信息轉(zhuǎn)化為GIS所支持的柵格數(shù)據(jù)模型?！?S“集成技術(shù)的形成拓寬了傳統(tǒng)的測繪技術(shù)領(lǐng)域，形成了新一代對地觀測技術(shù)，”3S“技術(shù)試圖在最大程度上實現(xiàn)遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位技術(shù)的綜合使用，掀起了”3S“集成技術(shù)的深入研究和其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，未來，若能真正克服數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面上的障礙，實現(xiàn)更多的領(lǐng)域的”3S“集成應(yīng)用系統(tǒng)，將會極大的降低成成本，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的實時、快速、大面積獲取。2.GPS原理與應(yīng)用2.1GPS發(fā)展概況GPS技術(shù)作為一種全新的對地觀測技術(shù)，正在逐漸取代傳統(tǒng)的常規(guī)儀器在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮作用。20世紀(jì)八十年代以來，GPS衛(wèi)星定位與導(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)產(chǎn)生了了革命性的變化。用GPS同時測定三維坐標(biāo)的方法將測繪技術(shù)從陸地和近海擴(kuò)展到海洋和外層空間，從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)，從單點定位擴(kuò)展到局部與廣域差分，從事后處理擴(kuò)展到實時定位與導(dǎo)航，絕對和相對定位精度擴(kuò)展到米級、厘米級，乃至亞毫米級，大大拓寬的它的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。2.2GPS的優(yōu)點2.2.1測站與測站之間無需通視與傳統(tǒng)儀器獲取地面點坐標(biāo)測量相比，GPS測量時，由于不需要站與站之間通視，因此節(jié)省了覘標(biāo)建設(shè)的時間和經(jīng)費，另外，選擇點位時也變得比較輕松，，不必考慮是否通視的影響。2.2.2提高地面點定位精度經(jīng)過很多實踐，證明在小于50km的基線上，可以達(dá)到1～2×10-6的相對定位精度，而在100km～500km的基線上可以達(dá)到10-6～10-7的定位精度。由于觀測技術(shù)的提高和處理軟件的完善，可以預(yù)測將來在大于1000km的基線上，相對定位精度可望達(dá)到甚至優(yōu)于10-8。相對定位精度提高也為GPS測量能夠應(yīng)用更多的領(lǐng)域準(zhǔn)備了條件，相信，隨著GPS測量定位精度的提高，GPS測量會逐步取代傳統(tǒng)的地面測量方法，應(yīng)用于愈來愈多的領(lǐng)域。2.2.3觀測的時間短一般來說，采用靜態(tài)定位方式來完成一條基線的定位，由于所要求的定位精度的不同，時間也就1～3小時。最近幾年來迅速發(fā)展的短基線（如不超過20km）快速定位方法，觀測時間僅僅為幾分鐘，大大提高了觀測速度，縮短了外業(yè)觀測的時間，這也間接降低了費用，提高了作業(yè)效率。2.2.4能夠提供三維坐標(biāo)GPS測量不僅能夠獲得地面的的平面位置坐標(biāo)，還能夠同時獲得地面點的高程，即GPS能夠提供地面測站點的三維坐標(biāo)。GPS水準(zhǔn)引起了越來越廣泛的興趣。與常規(guī)水準(zhǔn)相比，GPS水準(zhǔn)具有費用低、效率高、能夠在很大范圍內(nèi)進(jìn)行高程加密的特點，這一特點為GPS在航空攝影測量和遙感獲取地面點高程方面開辟了新的應(yīng)用途徑。2.2.5操作簡單宜行首先由于GPS接收機(jī)的重量比較輕、體積比較小，因而遷站時比較容易攜帶；另外由于GPS接收機(jī)無需完全人為干預(yù)，采集測站數(shù)據(jù)時，只需要測量員進(jìn)行測站設(shè)置，量取儀器高，記錄環(huán)境和氣象等參數(shù)，其他由接收機(jī)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，GPS測量極大的提高了了操作的自動化程度，減少了人為干預(yù)，節(jié)約了人力成本。2.2.5全天侯作業(yè)GPS觀測工作，可以在任何地點，任何時間連續(xù)地進(jìn)行，一般也不受天氣狀況的影響。2.3GPS系統(tǒng)組成全球定位系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星、地面監(jiān)控部分以及用戶部分三個部分組成。GPS衛(wèi)星星座有24顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道面?zhèn)€數(shù)6個，衛(wèi)星高度20200KM，軌道傾角55度，運行周期11小時58分，載波頻率為1575和1227MHZ，GPS衛(wèi)星在軌重量為843.68KG，設(shè)計壽命七年半。GPS衛(wèi)星可連續(xù)的向用戶播發(fā)進(jìn)行導(dǎo)航定位的測距信號和導(dǎo)航電文，并接受來自地面監(jiān)控系統(tǒng)的的各種信息和命令以維持系統(tǒng)的正常運行。地面監(jiān)控部分的主要功能是跟蹤GPS衛(wèi)星、確定衛(wèi)星的運行軌道及各種衛(wèi)星鐘改正數(shù)，進(jìn)行預(yù)報后，再按規(guī)定的格式編制導(dǎo)航電文，并通過注入站送往衛(wèi)星。地面監(jiān)控系統(tǒng)還能通過注入站向衛(wèi)星發(fā)送各種指令，調(diào)整衛(wèi)星的軌道及時鐘讀數(shù)，修復(fù)故障或啟用備用件等。用戶則用GPS接收機(jī)來測定從接收機(jī)至GPS之間的距離，并根據(jù)衛(wèi)星星歷所給出的觀測瞬間衛(wèi)星的空間位置等信息求出自己的三維位置，三維運動速度和鐘差等參數(shù)。2.4GPS定位原理GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間后方交會的方法確定待定點的位置。GPS獲取接收機(jī)所在位置的坐標(biāo)需要解決兩個問題即如何確定衛(wèi)星的位置以及如何測量出衛(wèi)星到測站的距離。設(shè)接收機(jī)機(jī)在開始接收信號的時間為t0,信號到達(dá)接收機(jī)的時間為△t，衛(wèi)星星歷可以從衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)中獲得，即已知衛(wèi)星的空間位置。有以上數(shù)據(jù)可以列出如下方程，如下圖2-1所示：圖2-1GPS測量簡圖[（Xi-X）2+(Yi—Y)2+(Zi—Z)2]1/2+C(Vti—Vt0)=D(1)方程(1)中X、Y、Z為待測點地面的空間直角坐標(biāo)，為未知參數(shù)；(Xi、Yi、Zi)為某一衛(wèi)星的空間三維坐標(biāo)，可以由導(dǎo)航電文求得；Vt0為衛(wèi)星鐘的鐘差，Vti為某一觀測衛(wèi)星鐘的鐘差，可有衛(wèi)星星歷得到，視為已知數(shù)；D為衛(wèi)星至接收機(jī)的距離，可有D=c△t求得，其中C為測距信號的傳播速度。事實上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過某種算法挑出誤差最小的一組用于定位，從而提高數(shù)據(jù)解算的精度。四顆衛(wèi)星就可以列出4個方程，解出四個未知數(shù)，即可計算出未知點三維坐標(biāo)X、Y、Z和接收機(jī)的鐘差Vt0。由于衛(wèi)星運行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護(hù)政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。目前，一般采用差分GPS(DGPS)技術(shù)，建立地面基準(zhǔn)站進(jìn)行GPS觀測來提高定位的精度，利用已知的基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)，和觀測數(shù)值進(jìn)行比較，從而得出修正數(shù)，并對外共享，以供測量時使用。GPS接收機(jī)根據(jù)改正值，并用所測得的數(shù)據(jù)，參照改正值，得到相對較正確的數(shù)據(jù)，間接不用考慮很多誤差，從而提高了定位精度。實踐證明，利用差分GPS，可以大大提高定位的精度。2.5GPS定位方法按定位模式可分為絕對定位（單點定位）、相對定位和差分定位；按定位時接收機(jī)天線的運動狀態(tài)分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位；按獲得定位結(jié)果的時效分為事后定位和實時定位；按觀測值類型分為偽距測量和載波相位測量。單點定位即單獨利用一臺接收機(jī)確定待定點在地固坐標(biāo)系中絕對位置的方法。定位結(jié)果與所用星歷同屬一坐標(biāo)系的絕對坐標(biāo)，采用廣播星歷時屬WGS-84，采用IGS精密星歷時為ITRF。其優(yōu)點是一臺接收機(jī)單獨定位，觀測簡單，可瞬時定位；缺點是精度主要受系統(tǒng)性偏差的影響，定位精度比較低。單點定位的應(yīng)用領(lǐng)域主要是低精度導(dǎo)航、資源普查和軍事方面。單點定位一般通過采用精密星歷，采用精密鐘差，地面跟蹤雙頻改正，對流層延遲模型改正來提高定位精度。相對定位是確定進(jìn)行同步觀測的接收機(jī)之間相對位置的定位方法。定位結(jié)果與所用星歷同屬一坐標(biāo)系的基線向量及其精度信息，采用廣播星歷時屬WGS-84，采用IGS精密星歷時為ITRF。相對定位的優(yōu)點是定位精度高；缺點是多臺接收共同作業(yè)，作業(yè)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，不能直接獲取絕對坐標(biāo)。其應(yīng)用領(lǐng)域主要是高精度測量定位及導(dǎo)航。相對定位的類型有靜態(tài)定位、普通靜態(tài)定位、快速靜態(tài)定位、動態(tài)定位、實時動態(tài)定位（RTK）、單基準(zhǔn)站RTK和多基準(zhǔn)站RTK（網(wǎng)絡(luò)RTK）。絕對定位精度不能滿足要求就產(chǎn)生了差分定位。差分GPS利用設(shè)置在坐標(biāo)基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)測定GPS測量定位誤差，用以提高在一定范圍內(nèi)其它GPS接收機(jī)（流動站）測量定位精度的方法。差分定位的原理是根據(jù)誤差具有空間相關(guān)性，差分定位極大的提高了定位的精度。2.6GPS應(yīng)用GPS是世界上最先進(jìn)的、最完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與定位系統(tǒng)，它具有全國性、全天候、實時高精度、三維導(dǎo)航與定位能力，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此引起世界各國軍事部門和廣大民用部門尤其是測繪界高度重視，特別是最近幾年來，GPS定位技術(shù)在應(yīng)用基礎(chǔ)的研究、新領(lǐng)域的開拓、軟硬件的開發(fā)等方面取得了快速發(fā)展，廣泛的科學(xué)實驗活動和開發(fā)項目也為GPS技術(shù)的完善提供了廣泛的發(fā)展前景。近年來，GPS精密定位技術(shù)已經(jīng)在我國得到廣泛的應(yīng)用，在大地測量中、工程測量與變形監(jiān)測、資源勘測與地殼動力監(jiān)測等方面取得了良好的效果，在新的世紀(jì)，GPS導(dǎo)航與定位技術(shù)獎會獲得進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)用將更加廣泛，效益會更加顯著，將為我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步發(fā)揮更大的作用。2.6.1在測量領(lǐng)域中的應(yīng)用（1）GPS在大地測量與與地球動力學(xué)中的應(yīng)用a.建立和維持國際地球參考框架、測定地球自傳參數(shù)b.建立和維持區(qū)域性動態(tài)參考框架c.大地定位（2）在工程測量中的應(yīng)用a.布設(shè)各種類型的工程測量控制網(wǎng)b.變形監(jiān)測c.一般的工程測量（3）在航測和遙感中的應(yīng)用a.布設(shè)測區(qū)內(nèi)的大地控制點b.GPS輔助空中三角測量c.遙感衛(wèi)星定規(guī)（4）地籍測量和地形測量中的應(yīng)用3.遙感原理及應(yīng)用3.1遙感發(fā)展概況遙感是指在不直接接觸地物目標(biāo)的前提下，遠(yuǎn)距離感知目標(biāo)物和自然現(xiàn)象的的一門探測技術(shù)，即在航空、航天、地面各種的遙感平臺上，運用搭載在遙感平臺上的各種傳感器來獲取地表的各種數(shù)據(jù)，通過傳輸、變換、處理、提取有用信息，來研究地表物體的空間位置、形狀、大小和物理特性的一門學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為遙感技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了新的條件。衛(wèi)星遙感拍攝范圍大、速度快、成本低，重復(fù)觀測周期短，有利于監(jiān)測地表的動態(tài)變化，并且能觀察到地面近距離無法觀測到的宏觀自然現(xiàn)象。傳感器技術(shù)方面也取得了很大發(fā)展，出現(xiàn)了多光譜掃描儀、紅外傳感器、雷達(dá)成像儀，極大擴(kuò)展了獲取信息的電磁波波長范圍，一些傳感器的甚至能達(dá)到全天時、全天候工作。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得海量遙感數(shù)據(jù)存儲、處理、檢索、分析應(yīng)用快速有效，尤其是在圖像的壓縮、增強(qiáng)、信息提取方面顯示了極大的優(yōu)勢。遙感技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)在以下方面。首先是越來越高的空間分辨率，20世紀(jì)70年代發(fā)射的第一顆資源衛(wèi)星，又稱陸地衛(wèi)星，其搭載的傳感器，能夠達(dá)到90m的空間分辨率，后來出現(xiàn)的第二代遙感衛(wèi)星，其空間分辨率提高到30m，到第三代遙感衛(wèi)星如快鳥能夠達(dá)到0.61m的極高空間分辨率，所測遙感圖能夠用來繪制和補(bǔ)測1:5000地形圖。遙感平臺的發(fā)展是另外一個方面，從航天飛機(jī)，宇宙飛船等有一定時間間隔的中短期觀測發(fā)展到以國際空間站為主的多平臺、多層面、長期的動態(tài)觀測。尤其是近年來小衛(wèi)星的發(fā)展實現(xiàn)了任意時獲取衛(wèi)星影像的能力。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)觀測一次，獲取高分辨率的成像光譜儀數(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。光譜探測能力方面，遙感技術(shù)也取得了極速發(fā)展，成像光譜儀能夠探測到地物在某些狹窄波區(qū)光譜輻射特性的差別，目前已在運行的MODIS成像光譜儀能達(dá)到36個波段，每個波段的波長區(qū)間間隔達(dá)到5nm。立體成方面，由鄰軌立體觀測發(fā)展到同軌立體觀測，極大的節(jié)省了圖像獲取的時間，尤其是側(cè)視雷達(dá)和相干雷達(dá)立體成像使得立體測圖方法更加多樣化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)全天候作業(yè)，目前側(cè)視雷達(dá)和相干雷達(dá)用于獲取數(shù)字地面高程模型方面取得了很大進(jìn)步。在遙感圖像處理硬件設(shè)備方面開始由光學(xué)處理設(shè)備向數(shù)字處理系統(tǒng)，內(nèi)外存容量的迅速擴(kuò)大，處理速度急速增加，使處理海量遙感數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實，網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)將使數(shù)據(jù)實時傳輸和實時處理成為現(xiàn)實。遙感圖像處理軟件系統(tǒng)更是不斷翻新，從開始的人機(jī)對話操作方式,發(fā)展到視窗方式（ERDAS、PCI、ENVI等），未來將向智能化方向發(fā)展。另一個特點是與GIS集成，有代表性的是ERDAS與ARCIINFO的集成。遙感軟件的組件化也是一個發(fā)展方向，遙感軟件的網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)遙感軟件和數(shù)據(jù)資源的共享和實時傳輸。另外由于多種分辨率遙感影像的出現(xiàn)，導(dǎo)致海量數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，使數(shù)據(jù)檢索出現(xiàn)矛盾，遙感數(shù)據(jù)庫的建立也迫在眉睫，現(xiàn)在遙感影像數(shù)據(jù)庫的研究在各個方面展開，例如數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)庫間的無縫集成。在遙感圖像識別和分類方面，開始大量使用統(tǒng)計模式識別，后來出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模式識別、模糊分類、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)分類，半自動人機(jī)交互分類和遙感圖像識別的專家系統(tǒng)。但在遙感圖像識別和分類中尚有許多不確定性因素尚需作深入研究。在遙感應(yīng)用方面有也有很大突破，總的看來是從定性分析走向定量分析。另一個進(jìn)步是是開始從宏觀性分析到微觀性分析。未來要建立的數(shù)字地球是對真實地球及其相關(guān)現(xiàn)象數(shù)字化描述的一個虛擬地球。遙感技術(shù)將為數(shù)字地球提供動態(tài)的高分辨力、高光譜影像，用遙感影像生成的三維數(shù)字地面模型（DEM），以及地物和環(huán)境的各種屬性數(shù)據(jù)等一些數(shù)字地球中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。3.2遙感原理遙感是通過遙感器這類對電磁波敏感的儀器，在遠(yuǎn)離目標(biāo)和非接觸目標(biāo)物體條件下探測目標(biāo)地物，獲取其反射、輻射或散射的電磁波信息，進(jìn)行處理、分析與應(yīng)用的一門科學(xué)和技術(shù)。如圖3-1所示：衛(wèi)星傳感器衛(wèi)星傳感器太陽信息接收處理物體實況調(diào)查分析判斷用戶制圖圖3-1遙感系統(tǒng)遙感分為主動遙感和被動遙感。主動遙感是指傳感器主動發(fā)射一定電磁波能量并接收目標(biāo)的后向散射信號。被動遙感是指傳感器不向目標(biāo)發(fā)射電磁波，僅被動地接收目標(biāo)物的自身發(fā)射和對自然輻射的反射能量。任何目標(biāo)都具有反射、發(fā)射、吸收電磁波的性質(zhì)，遙感能根據(jù)搜集到的電磁波來判斷地物目標(biāo)和自然現(xiàn)象。一切物體由于其種類、特征和環(huán)境條件的不同、具有完全不同的電磁波反射或發(fā)射輻射特征，遙感技術(shù)就是建立在物體反射或發(fā)射電磁波的原理之上的。地物的空間信息主要通過搭載在遙感平臺上的遙感器如多光譜傳感器、圖像增強(qiáng)等來獲取。遙感器接收到地物目標(biāo)的電磁波信息，被記錄在膠片或數(shù)字磁帶上。遙感衛(wèi)星地面站接收、處理、存檔、分發(fā)各類地球資源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究，為遙感應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。3.3遙感分類按探測波段分類，如下表3—1所示：表3—1按傳感器的探測波段分類按傳感器的探測波段分波長紫外遙感0.05-0.38μm可見光遙感0.38-0.76μm紅外遙感0.76-1000μm微波遙感1mm-10m按工作方式劃分：主動遙感與被動遙感。按成像方式分為成像遙感與非成像遙感，其中成像傳感器包括攝影傳感器、掃描成像傳感器、雷達(dá)成像傳感器。按應(yīng)用領(lǐng)域劃分外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感。3.4遙感的特點大面積同步觀測時效性強(qiáng)、數(shù)據(jù)的綜合性和可比性好、較高的經(jīng)濟(jì)和社會效益其局限性就是具有海量數(shù)據(jù)，存儲、管理和使用問題，數(shù)據(jù)融合與壓縮、定量遙感、新型數(shù)據(jù)處理、國際合作、高分辨率影像問題3.5遙感的物理基礎(chǔ)3.5.1電磁波按電磁波波長的長短，依次排列制成的圖表叫電磁波譜，如圖3-2所示：圖3-2電磁波譜各波段劃分和特點如下表3—2所示波段波長特征應(yīng)用紫外波段0.001—0.38μm大氣對紫外線吸收較強(qiáng)；能使溴化銀底片感光；太陽光譜中只有0.3-0.38μm的光到達(dá)地面，對油污染敏感用于測定碳酸巖的分布；用于油污的監(jiān)測可見光波段紅澄黃綠青藍(lán)紫0.38—0.76μm0.62—0.76μm0.59—0.62μm0.56—0.59μm0.50—0.56μm0.47—0.50μm0.43—0.47μm0.38—0.43μm由紅,橙,黃,綠,青,藍(lán),紫光組成；人眼對可見光有敏銳的分辨率；是遙感技術(shù)應(yīng)用中的重要波段鑒別物質(zhì)特性的主要波段；以光學(xué)攝影或掃描方式接收和記錄地物對可見光的反射特征紅外波段近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外超遠(yuǎn)紅外0.76—1000μm0.76—3μm3—6μm6—15μm15—1000μm近紅外性質(zhì)與可見光相似；中紅外、遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外為熱紅外利用紅外遙感可以在夜間工作；紅外線不易為天空微粒所散射，這點比可見光優(yōu)越微波毫米波厘米波分米波1mm—1m1mm—1dm1dm—1m穿透云層、植被和一定厚度的冰和土壤，具有全天候工作的能力遙感中常用主動式和被動式遙感，雷達(dá)遙感所用的就是微波表3—2遙感波段特點及其應(yīng)用3.5.2地物的反射特性曲線物體的反射特性曲線是以反射率為縱坐標(biāo)，波長為橫坐標(biāo)的的二維圖形。由于同一地物對不同波長具有不同的反射率，不同地物對同一波長具有不同的反射率，因此不同地物具有不同的反射特性曲線。物體的反射特性受很多因素的影響，如入射波長和地物的組成、表面粗糙程度和所處的環(huán)境等。因此應(yīng)用地物的反射特性是遙感判讀的基礎(chǔ)。3.6遙感數(shù)字圖像處理遙感數(shù)字圖像處理屬于內(nèi)業(yè)處理部分，主要包括遙感圖像的幾何校正、輻射校正、鑲嵌、接邊、地物分類，產(chǎn)品應(yīng)用。3.6.1圖像間的自動配準(zhǔn)由于遙感技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了同一地區(qū)不同分辨率的多幅圖像或者不同地區(qū)不同分辨率圖像，要想拼接兩幅遙感影像，首先要進(jìn)行圖像間的配準(zhǔn)，要進(jìn)行圖像的多波段融合、模式識別也需要圖像間的配準(zhǔn)，包括絕對配準(zhǔn)和相對配準(zhǔn)。這些多源圖像包括不同的時間同一地區(qū)的圖像，不同傳感器同一地區(qū)的圖像以及不同時段的圖像等。圖像配準(zhǔn)就是采用一種數(shù)學(xué)算法，用一種幾何變換方法把遙感圖像變換到某種統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。圖像之間的配準(zhǔn)一般有兩種方式圖像間的配準(zhǔn)和絕對配準(zhǔn)。圖像配準(zhǔn)通常采用多項式糾正法，直接用一個適當(dāng)?shù)亩囗検絹砟M兩幅圖像間的相互變形。配準(zhǔn)的過程分兩步。首先在多源圖像上確定分布均勻，足夠數(shù)量的圖像同名點，然后通過所選擇的圖像同名點確定幾何變換的多項式系數(shù)，從而完成一幅圖像對另一幅圖像的幾何糾正。輻射校正是指消除或改正遙感圖像成像過程中附加在傳感器輸出的輻射能量中的各種噪聲的過程。由于遙感圖像成像過程的復(fù)雜性，傳感器接收到的電磁波能量與目標(biāo)本身輻射的能量是不一致的。傳感器輸出的能量還包含了由于太陽位置和角度條件、大氣條件、地形影響和傳感器本身的性能等所引起的各種失真，這些失真不是地面目標(biāo)本身的輻射，因此對圖像的使用和理解造成影響，必須加以校正或消除。一般情況下，用戶得到的遙感圖像在地面接收站處理中心已經(jīng)做了系統(tǒng)輻射校正。3.6.2遙感圖像的增強(qiáng)處理作為遙感圖像處理環(huán)節(jié)中最基本的一項內(nèi)容，遙感圖像增強(qiáng)處理的目的是增強(qiáng)感興趣的目標(biāo)與背景色調(diào)的反差，使目標(biāo)易于判讀。它不能增加原始圖像的信息，有時反而會損失一些信息。它也是計算機(jī)自動分類一種預(yù)處理方法。目前常用的圖像的增強(qiáng)處理技術(shù)可以分為兩大類：空間域和頻率域的處理。主要內(nèi)容包括基于直方圖的處理、圖像平滑以及圖像銳化等?？臻g域處理是指直接對圖像進(jìn)行各種運算以得到需要的增強(qiáng)結(jié)果。頻率域處理是指先將空間域圖像變換成頻率域圖像，然后在頻率域中對圖像的頻譜進(jìn)行處理，以達(dá)到增強(qiáng)圖像的目的。3.6.3遙感圖像的輻射處理圖像平滑的目的在于消除各種干擾噪聲，使圖像中高頻成分消退，即平滑掉圖像的細(xì)節(jié)，使其反差降低，保存低頻成分。圖像平滑包括空間域處理和頻率域處理兩大類。銳化是增強(qiáng)圖像中的高頻成份，突出圖像的邊緣信息，提高圖像細(xì)節(jié)的反差，也稱為邊緣增強(qiáng)，其結(jié)果與平滑相反。圖像銳化處理有空間域和頻域處理兩種。遙感技術(shù)的發(fā)展為人們提供了豐富的多源遙感數(shù)據(jù)。這些來自不同傳感器的數(shù)據(jù)具有不同的時間、空間和光譜分辨率以及不同的極化方式。圖像融合的目的是彌補(bǔ)單一傳感器的不足，從不同的遙感器中獲取更多全面的信息。所謂的圖像融合是指按照某種算法，在規(guī)定的坐標(biāo)系中，生成一幅新圖像的過程。圖像融合可以分為若干層次。一般認(rèn)為可分像素級，特征級和決策級。像素級融合對原始圖像及預(yù)處理各階段上所產(chǎn)生的信息分別進(jìn)行融合處理，以增加圖像中有用信息成分，改善圖像處理效果。特征級融合能以高的置信度來提取有用的圖像特征。決策級融合允許來自多源數(shù)據(jù)在最高抽象層次上被有效的利用。3.6.4遙感圖像計算機(jī)分類遙感圖像的計算機(jī)分類，是模式識別技術(shù)在遙感技術(shù)領(lǐng)域中的具體運用。遙感圖像的計算機(jī)分類是運用計算技術(shù)，采用某種算法對遙感影像進(jìn)行分類的一種分類方法。與目視判讀相比，計算機(jī)分類節(jié)省時間，步奏簡單，自動化程度高。目視判讀是借助人的先驗知識和收集到的數(shù)據(jù)資料來識別地物的方式，計算機(jī)分類是模擬人工智能來識別遙感影像所代表的地物種類。遙感圖像的計算機(jī)分類是模式識別中的一個方面，它的主要識別對象是遙感圖像及各種變換之后的特征圖像，識別目的是國土資源與環(huán)境的調(diào)查。目前，遙感圖像的自動識別分類主要采用決策理論（或統(tǒng)計）方法，按照決策理論的有關(guān)方法，從被識別的模式中選取一組指標(biāo)作為硬性指標(biāo)，當(dāng)要識別的影響的相應(yīng)指標(biāo)與硬性指標(biāo)相比較，在一定范圍內(nèi)相似的就可以確定為該種地物，從而達(dá)到分類的目的。遙感圖像模式的特征主要表現(xiàn)為光譜紋理兩種特征。其中基于光譜特征的是最長用的方法，紋理特征只是起到補(bǔ)充和輔助作用，目前還不能單純依靠這種方法來解決遙感應(yīng)用的實際問題。另外一種方法稱為句法（或結(jié)構(gòu)）模式識別，這種方法在遙感中的應(yīng)用目前還在進(jìn)行探索。3.7遙感應(yīng)用3.7.1衛(wèi)星影像修測地形圖衛(wèi)星影像修測地形圖具有面積范圍大、費用低和速度快等優(yōu)點。修測不同比例尺的地形圖所用衛(wèi)星影像的空間分辨率不同，一般要求衛(wèi)星影像的空間分辨率比地形圖分比例尺大。例如修測1:50000比例尺地形圖最好使用分辨力在5米左右的衛(wèi)星影像，例如IRS－1C上的全色影像分辨力為5.8m,如下圖所示。SPOT全色影像分辨力10米，勉強(qiáng)可用于該比例尺地形圖的修測。IKONOS影像分辨力為1米，可用于1:10000比例尺地形圖的修測。被修測的地形圖應(yīng)數(shù)字化后形成數(shù)字柵格地圖（DRG）或數(shù)字矢量地圖（DLG），利用DRG或DLG對衛(wèi)星影像進(jìn)行糾正，將DRG或DLG與糾正后的影像進(jìn)行疊合，然后去除DRG或DLG上已變化了的地物，繪上變化后的地物，形成更新后的地形圖，根據(jù)國家測繪局規(guī)范的規(guī)定，更新地物一律用紫色表示，以示區(qū)別。如下圖所示3-4修測后的地形圖。圖3-3修測后的地形圖（1：50000）3.7.2陸地地形圖測繪使用航空像片測繪地形圖的技術(shù)已相當(dāng)成熟，它的進(jìn)一步發(fā)展是與計算機(jī)和自動控制技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)測圖自動化。但航空像片覆蓋面積小，全世界那么大的地方不可能在短時間內(nèi)拍攝全部的陸地，并且價格昂貴。而衛(wèi)星像片覆蓋面積很大，能在短時間內(nèi)對全球攝影一遍，還可進(jìn)行重復(fù)攝影。隨著分辨力的提高，測圖比例尺也在不斷提高，如IKONOS獲取的立體圖像能測繪1:2.5萬比例尺的地形圖，美國使用像幅為23×46cm的大像幅像機(jī)，圖3－4為利用IRS－1C上的全色影像與TM融合后修測1:50000地形圖的工藝流程圖。原始的DRG原始的DRG比例尺1:50000的DRG原始的IRS—ICPAN影像配準(zhǔn)后的IRS—ICPAN影像原始的LADSATTM5.4.3YINGXIANG配準(zhǔn)后的TM5.4.3影像增強(qiáng)后的TM5.4.3影像IRS—ICPAN影增強(qiáng)IRS—ICPAN+TM5.4.3融合對DRG進(jìn)行整飾勾畫到道路拓寬成雙線勾畫水系紫邊修改文字注記勾畫居民地紫和填斜線邊和消去消失地物精度檢查輸出修測后的DRG圖形圖像疊加套合圖3-41：50000地形圖修測工藝流程圖圖3－5IRS-1C全色衛(wèi)星影像（分辨率5.8m）3-6武漢市影像地圖4.地理信息系統(tǒng)概論GIS是由計算機(jī)硬軟件、地理數(shù)據(jù)和用戶組成，通過對地理數(shù)據(jù)的采集，輸入、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理數(shù)據(jù)，從而為工程設(shè)計、土地利用、資源管理、城市管理、環(huán)境監(jiān)測、管理決策等應(yīng)用服務(wù)的計算機(jī)系統(tǒng)。GIS的地理數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)學(xué)空間的幾何對象、空間分析、數(shù)字高程模型、空間數(shù)據(jù)挖掘與空間決策支持系統(tǒng)、GIS的輸出與地圖可視化、地理信息系統(tǒng)工程與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成了GIS的研究內(nèi)容。4.1地理信息系統(tǒng)發(fā)展史20世紀(jì)60年代中期，由于計算機(jī)技術(shù)在自然資源、環(huán)境數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用迅速發(fā)展，致使計算機(jī)輔助制圖和空間分析等領(lǐng)域得到極大的發(fā)展，最終導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)技術(shù)的產(chǎn)生。1963年，加拿大測量學(xué)家P．F．Tomlinson首先提出了“地理信息系統(tǒng)”這一術(shù)語，并建立了世界上第一個實用的地理信息系統(tǒng)—加拿大地理信息系統(tǒng)(CGIS)；美國的DuaneF．Marble，在美國西北大學(xué)研究大規(guī)模城市交通，并提出建立GIS軟件系統(tǒng)的思想；許多有關(guān)的組織和機(jī)構(gòu)紛紛建立。70年代為GIS鞏固發(fā)展期。20世紀(jì)70年代，美國、加拿大、英國、西德、瑞典和日本等國對地理信息系統(tǒng)的研究均投入了大量的人力、物力、財力，研究不同專題、不同規(guī)模、不同類型的各具特色的地理信息系統(tǒng)。1972年出版了地理信息系統(tǒng)方面的第一本專著《地理數(shù)據(jù)處理》；許多大學(xué)培養(yǎng)GIS人才，創(chuàng)建了地理信息系統(tǒng)實驗室。這一時期，世界上發(fā)展了許多具有一定功能的地理信息系統(tǒng)，大約有80多種，著名的ARC/INFO即是該時期的產(chǎn)品；出現(xiàn)了大量的數(shù)據(jù)庫，但這些系統(tǒng)的分析功能和60年代相比，并沒有得到很大的擴(kuò)充，而且數(shù)據(jù)庫的容量一般都比較小，因此說70年代為GIS鞏固階段。80年代為GIS技術(shù)大發(fā)展時期。20世紀(jì)80年代，計算機(jī)的迅速發(fā)展和普及，地理信息系統(tǒng)也逐步走向成熟。這一時期GIS注重于空間決策支持分析，并在資源管理、環(huán)境規(guī)劃、商業(yè)服務(wù)等領(lǐng)域得到的廣泛應(yīng)用。許多國家制定了本國GIS發(fā)展規(guī)劃，啟動了若干科研項目。建立了一些政府性、學(xué)術(shù)性機(jī)構(gòu)。我國于1985年成立了資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室。軟件制造商開始出現(xiàn)，商業(yè)化的實用地理信息系統(tǒng)軟件陸續(xù)進(jìn)入市場。90年代為GIS的用戶時代。20世紀(jì)90年代，由于計算機(jī)的軟硬件均得到飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已進(jìn)入千家萬戶，導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的擴(kuò)大與深化。4.2地理信息系統(tǒng)發(fā)展趨勢4.2.13S集成技術(shù)GIS、RS、GPS無縫集成技術(shù)，使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。4.2.3網(wǎng)絡(luò)GIS萬維網(wǎng)的發(fā)展給GIS數(shù)據(jù)在更大范圍內(nèi)的發(fā)布、出版、獲取和查詢提供了有效可行的途徑。4.2.3三維GISDEM地形數(shù)據(jù)和地面正射影像紋理疊加在一起，形成三維的虛擬地形景觀模型。在虛擬地形景觀模型之上將地面建筑物豎起來，形成城市三維GIS，真三維GIS，它不僅表達(dá)三維物體，也表達(dá)物體的內(nèi)部。4.2.4組件GISGIS軟件大多數(shù)都已經(jīng)過渡到基于組件的體系結(jié)構(gòu)，一般都采用COD/DCOM技術(shù)。組件體系結(jié)構(gòu)為GIS軟件工程化開發(fā)提供了強(qiáng)有力的保障，也為用戶的二次開發(fā)提供了良好的接口。組件接口是二進(jìn)制接口，它可以跨語言平臺調(diào)用，即用C++開發(fā)的COM組件可以用VB，VC或Delphi語言調(diào)用。4.2.5移動GIS移動GIS系統(tǒng)主要由移動通信、地理信息系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和移動終端4個部分組成。其特點包括：移動性、動態(tài)（實時）性。GIS發(fā)展的主要趨勢是由二維到三維和網(wǎng)絡(luò)方向。單從技術(shù)方面來說，一種發(fā)展方向是基于客戶/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，一個發(fā)展方式基于網(wǎng)絡(luò)的WebGIS；另一種發(fā)展方式是數(shù)據(jù)挖掘，從空間數(shù)據(jù)庫自動發(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。4.3地理信息系統(tǒng)原理4.3.1地理信息系統(tǒng)定義GIS是由計算機(jī)硬軟件、地理數(shù)據(jù)和用戶組成，通過對地理數(shù)據(jù)的采集，輸入、存儲、檢索、操作和分析，生成并輸出各種地理數(shù)據(jù)，從而為工程設(shè)計、土地利用、資源管理、城市管理、環(huán)境監(jiān)測、管理決策等應(yīng)用服務(wù)的計算機(jī)系統(tǒng)。按研究區(qū)域分區(qū)域性地理信息系統(tǒng)和全球性地理信息系統(tǒng)，按研究內(nèi)容分綜合地理信息系統(tǒng)和專題地理信息系統(tǒng)，按功能分工具型地理信息系統(tǒng)和應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)。4.3.2GIS系統(tǒng)組成地理信息系統(tǒng)分為系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件、空間數(shù)據(jù)、開發(fā)應(yīng)用人員和應(yīng)用模型五個部分。系統(tǒng)硬件包括輸入設(shè)備、管理設(shè)備和輸入設(shè)備。輸入設(shè)備包括數(shù)字化儀、掃描儀、圖像處理設(shè)備、GPS和測繪儀器；輸出設(shè)備包括打印機(jī)、顯示器和繪圖儀；管理設(shè)備包括存儲設(shè)備、主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)軟件部分包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件和GIS專業(yè)件部分。操作系統(tǒng)主要指計算機(jī)操作系統(tǒng)，包括Windows、Unix和Linux系列。數(shù)據(jù)庫軟件包括空間數(shù)據(jù)庫管理軟件和屬性數(shù)據(jù)庫管理軟件如Oracle，Sybase，SQLSever。地理信息系統(tǒng)的操作對象是空間數(shù)據(jù)，它具體描述地理實體的空間特征、屬性特征和時間特征?？臻g特征是指地理實體的空間位置及相互關(guān)系；屬性特征表示地理實體的名稱、質(zhì)量和特征；時間特征指地理實體隨時間而發(fā)生的變化?？臻g地理實體可以用兩種方式來表示，一種是用柵格結(jié)構(gòu)，一種用矢量結(jié)構(gòu)表示。開發(fā)/應(yīng)用人員包括系統(tǒng)開發(fā)人員，GIS的最終用戶。雖然GIS的基本功能能夠滿足一般應(yīng)用，但針對某一項具體工作需要建立運用地理信息系統(tǒng)的解決方案，既需要建立針對某一問題的GIS應(yīng)用模型，如：土地利用適宜性模型，公園選址模型，洪水預(yù)測模型，森林增長模型、人口擴(kuò)散、水土流失模型、最優(yōu)化模型等。4.3.3GIS基本功能數(shù)據(jù)采集與編輯:地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通常抽象為不同的專題或?qū)?。?shù)據(jù)采集與編輯功能就是保證各層實體的地物要素按順序轉(zhuǎn)化為X、Y坐標(biāo)及對應(yīng)的代碼并輸入到計算機(jī)中。數(shù)據(jù)采集是地理信息系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容，它是把現(xiàn)有資料轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可處理的形式，按照統(tǒng)一的參考坐標(biāo)、統(tǒng)一編碼、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)組織到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)編輯是對采集的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、修改等，分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的編輯。數(shù)據(jù)存儲與管理,這是數(shù)據(jù)集成的過程，涉及到空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的組織。數(shù)據(jù)處理與變換指對數(shù)據(jù)從一種數(shù)學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種數(shù)學(xué)狀態(tài)，包括投影變換、比例尺縮放、誤差改正和處理等?？臻g分析包括空間數(shù)據(jù)幾何量測、空間集合分析、疊加分析。產(chǎn)品制作與顯示。產(chǎn)品制作和顯示。地理信息系統(tǒng)產(chǎn)生的最終結(jié)果是生成各種地圖、表格、文件、圖形和文字說明，其中地圖是地理信息系統(tǒng)的產(chǎn)品的主要表現(xiàn)方式。地圖可以直接在計算機(jī)屏幕中顯示、磁盤中存儲，也可以印刷成紙質(zhì)地圖，以用于生產(chǎn)、管理、規(guī)劃和決策。二次開發(fā)與編程。為使GIS技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，滿足各種不同的應(yīng)用需求，它必須具備二次開發(fā)功能，這樣用戶就可以方便的開發(fā)自己的GIS應(yīng)用程序，生成可視化界面、完成特定的應(yīng)用目的。4.4GIS應(yīng)用4.4.1資源清查管理資源清查是地理信息系統(tǒng)最基本的職能．這時系統(tǒng)的主要任務(wù)是將各種來源的數(shù)據(jù)匯集在一起，并通過系統(tǒng)的統(tǒng)計和覆蓋分析功能，按多種邊界和屬性條件，提供區(qū)域多種條件組合形式的資源統(tǒng)計和進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的快速再現(xiàn)。4.4.2城鄉(xiāng)規(guī)劃進(jìn)行城市與區(qū)域多目標(biāo)的開發(fā)和規(guī)劃，包括城鎮(zhèn)總體規(guī)劃、城市建設(shè)用地適宜性評價、道路交通規(guī)劃、公共設(shè)施配置，以及城市環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測等。這些規(guī)劃功能的實現(xiàn)，是以地理信息系統(tǒng)的空間搜索、多種信息的疊加處理和一系列分析模型加以保證的。4.4.3國土監(jiān)測借助遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，利用地理信息系統(tǒng)空間分析功能，可以有效地用于森林火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報、洪水災(zāi)情監(jiān)測和洪水淹沒損失的估算，為救災(zāi)搶險及防洪決策提供及時準(zhǔn)確的信息；也可進(jìn)行土地利用動態(tài)變化分析等，為土地資源的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。4.4.4環(huán)境管理環(huán)境管理涉及人類社會活動和經(jīng)濟(jì)活動的一切領(lǐng)域，一個大中型城市每年搜集和監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)可能多達(dá)100萬個，對如此大量的數(shù)據(jù)，應(yīng)使其有效地為環(huán)境管理決策及其它用途服務(wù)。4.4.5輔助決策利用GIS可以迅速有效管理空間數(shù)據(jù)，進(jìn)行空間可視化分析，通過一系列決策模型的構(gòu)建和比較分析,為國家宏觀決策提供依據(jù)。4.5城市管理中的地理信息系統(tǒng)城市管理是應(yīng)用地理信息系統(tǒng)最早、最有成效的領(lǐng)域之一．GIS主要應(yīng)用與城市的信息管理與服務(wù)、交通道路管理、環(huán)境管理，以及城市規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)等方面，現(xiàn)已成為城市管理的重要應(yīng)用手段。如圖4-1、圖4-2、圖4-3所示城市土地利用信息系統(tǒng)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)信息查詢、電信資源管理。圖4-1城市土地利用信息系統(tǒng)界面圖4-2醫(yī)療機(jī)構(gòu)信息查詢界面4-3電信資源管理界面5.3S集成及應(yīng)用GIS、RS和GPS三者集成利用，構(gòu)成為整體的、實時的和動態(tài)的對地觀測、分析和應(yīng)用的運行系統(tǒng)，提高了GIS的應(yīng)用效率。在實際的應(yīng)用中，較為常見的是3S兩兩之間的集成，如GIS/RS集成，GIS/GPS集成或者RS/GPS集成等，但是同時集成并使用3S技術(shù)的應(yīng)用實例則較少。5.1RS與GPS的集成從GIS的角度看，GPS和RS都可看做為數(shù)據(jù)源獲取系統(tǒng)。然而GPS和RS除分別具有各自獨立的功能外，有相輔相成，這就構(gòu)成了GPS和RS結(jié)合的基礎(chǔ)。首先，GPS可以實現(xiàn)精確的三維定位，這是RS所不能是實現(xiàn)的。在沒有引進(jìn)GPS以前，地面同步光譜測量、遙感的集合校正和定位都是通過地面控制點進(jìn)行大地測量才確定的，GPS的快速定位為RS數(shù)據(jù)的實時獲取、快速更新GIS數(shù)據(jù)庫提供了可能。也就是說，借助GPS，RS才順利的進(jìn)入了GIS系統(tǒng)，保證了RS數(shù)據(jù)具有數(shù)學(xué)屬性、動態(tài)的進(jìn)入GIS數(shù)據(jù)庫，其次，利用GPS技術(shù)，可以通衛(wèi)星上搭載的專門儀器獲氣象條件如電離層中的離子濃度和濕度，并可以根據(jù)測定的大氣參數(shù)來減小遙感圖像處理誤差。5.2GIS與GPS的集成目前，GIS與GPS的集成是在硬件水平上的集成。GPS接收機(jī)能夠提供地面點的空間三維位置，二者的集成使得GIS具有空間屬性，擴(kuò)大了GIS的應(yīng)用范圍。5.2.1定位一般可以應(yīng)用GPS接收機(jī)，借助紙質(zhì)地圖來實現(xiàn)空間定位，但是這種定位比較麻煩。而GIS與GPS的集成系統(tǒng)的應(yīng)用可以實現(xiàn)空間位置的動態(tài)定位，并顯示運動軌跡，如手機(jī)上設(shè)置GPS導(dǎo)航并鑲嵌地圖，可以實現(xiàn)實時動態(tài)定位、位置查詢檢索并得到距離、方位等信息。5.2.2測量GIS與GPS的集成，使系統(tǒng)具有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，能夠查詢點的空間位置、兩點之間的距離、方位，可以丈量區(qū)域面積，周長。在進(jìn)行GPS測量時，要注意以下問題，首先，要確定GPS的定位精度是否滿足測量的精度要求，應(yīng)該根據(jù)不同的場合選擇不同的精度。主要應(yīng)用于管理和規(guī)劃方面。5.2.3監(jiān)控導(dǎo)航這項功能主要用于運動物體的動態(tài)監(jiān)控，監(jiān)控中心監(jiān)控物體的運動狀態(tài)，通過接受從運動物體返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析運算，把分析結(jié)果分發(fā)給運動物體接受部分，用于指導(dǎo)運動物體的運動。在出現(xiàn)異常時，監(jiān)控中心可以提出相應(yīng)的處理措施，其中包括向運動物體發(fā)出導(dǎo)航面命。為了實現(xiàn)與GPS的集成，GIS要能接受并識別GPS發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行出路，如通過投影將經(jīng)緯度裝換為GIS能夠識別的格式，然后進(jìn)行各種空間分析運算。5.33S集成所遇到的問題在3S技術(shù)應(yīng)用中，一個很大的問題是數(shù)據(jù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化問題。一方面，由于使用的系統(tǒng)多樣，如遙感數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng)有PCI、ERDAS、ENVI地理信息系統(tǒng)有Mapinfor、ARC/INFO、GeoMadia。另一方面，很多現(xiàn)有的專題圖件缺乏科學(xué)的分類系統(tǒng)，數(shù)據(jù)懸殊很大，圖件參差不齊，導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)共享困難、3S技術(shù)應(yīng)用的首要問題是要研究數(shù)據(jù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，主要涉及如下內(nèi)容：（1）資源與環(huán)境信息的數(shù)據(jù)編碼表示、地圖投影系統(tǒng)、地理格網(wǎng)和地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（2）資源與環(huán)境信息的專業(yè)分類系統(tǒng)，區(qū)域分類和組合。（3）分類編碼的原則和格式。（4）數(shù)據(jù)格式記錄和轉(zhuǎn)換。5.43S產(chǎn)品（4D產(chǎn)品）的應(yīng)用GIS技術(shù)數(shù)據(jù)獲取的半自動化遙感和攝影測量方面。從理論上來說，一個真正的全自動GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該有計算機(jī)自動的完成包括圖像處理（幾何校正和輻射校正），幾何量測和影響判讀的所有任務(wù)，無需人工干預(yù)。然而事實上由于條件有限和航空遙感圖像的復(fù)雜，盡管幾何量測方面已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，但要做到全自動地進(jìn)行地物目標(biāo)的提取與識別，并非一件容易的事，實際上目前采用的是半自動化的數(shù)據(jù)獲取方式。一個自動化的數(shù)字?jǐn)z影測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件包括PC計算機(jī)、高分辨率圖像監(jiān)視器、立體觀察裝置、CC相機(jī)等；軟件應(yīng)具有數(shù)字影像預(yù)處理、影像量測、內(nèi)定向、相對定向、絕對定向、核線影像生成、影響匹配、DEM內(nèi)插、數(shù)字微分糾正、圖像圖形疊置、數(shù)據(jù)編輯和管理、數(shù)據(jù)存儲和輸出功能，人工半自動化量測，計算機(jī)完成計算工作。在這種系統(tǒng)中采集GIS數(shù)據(jù)，由計算機(jī)半自動提取地形信息，人工采集地形信息和屬性信息，即人工進(jìn)行地物測繪和屬性識別，最終生成4D產(chǎn)品。具體數(shù)據(jù)采集過程包括建立立體模型、內(nèi)定向、相對定向、核線重采樣、絕對定向、影像匹配、DEM編輯、生成DEM、繪制等高線，自此即可生成所需要的地形信息。然后生成立體正射影像，進(jìn)行地物測繪。立體觀察利于于幾何定位，也便于像片判讀。在測繪地形圖時，通過鼠標(biāo)的移動驅(qū)動側(cè)標(biāo)移動，在立體觀察下，使側(cè)標(biāo)在正射影像上沿地物邊界移動即可。在測繪每一個地物之前，依據(jù)調(diào)繪片，并輔以人工判讀，辨認(rèn)出該地物的屬性，然后通過鍵盤輸入屬性碼。從而精確獲取GIS所需要的圖形信息和屬性信息。最后生成的而是4D產(chǎn)品即DEM數(shù)字高程模型，DOM數(shù)字正射模型，DRG數(shù)字柵格影像，DLG數(shù)字線畫圖。5.4.14D產(chǎn)品的應(yīng)用（1）地形圖測繪（2）土地利用動態(tài)監(jiān)測（3）洪水災(zāi)情預(yù)報與評估6.數(shù)字城市建設(shè)數(shù)字城市廣義上指的城市信息化，即通過建設(shè)寬帶多媒體信息網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施平臺。整合城市信息資源、建立電子政務(wù)、電子商務(wù)、勞動社會保險等信息化社區(qū)。逐步實現(xiàn)城市國民經(jīng)濟(jì)和社會的信息化。使城市在信息化時代立于不敗之地。狹義的數(shù)字城市是指綜合運用地理信息系統(tǒng)、遙感、遙測、網(wǎng)絡(luò)、多媒體及虛擬仿真等技術(shù)，對城市的基礎(chǔ)設(shè)施、功能機(jī)制進(jìn)行信息自動采集、動態(tài)監(jiān)測管理和輔助決策服務(wù)的技術(shù)系統(tǒng)，它具有城市地理、資源、生態(tài)環(huán)境、人口、經(jīng)濟(jì)、社會等復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬仿真、優(yōu)化決策支持和可視化表現(xiàn)等強(qiáng)大的功能。數(shù)字城市不僅能提高城市管理的效率，而且能大力發(fā)展生產(chǎn)力，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，增加市民收入，提高服務(wù)質(zhì)量促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)效益。正因為如此，自從美國副總統(tǒng)戈爾第一次提出數(shù)字地球的概念后，數(shù)字地球，數(shù)字中國、數(shù)字城市、數(shù)字行業(yè)等就成了熱點話題。無論是數(shù)字地球，還是數(shù)字城市建設(shè)，遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)都構(gòu)成了其主要支撐技術(shù)。6.1目前的數(shù)字城市建設(shè)自從美國提出建設(shè)數(shù)字城市后，世界各地各個國家各個地區(qū)陸續(xù)提出數(shù)字城市建設(shè)的設(shè)想。現(xiàn)在數(shù)字城市建設(shè)在諸如城市交通規(guī)劃，政府建設(shè)、公共服務(wù)、政府決策和動態(tài)監(jiān)測方面得到了廣泛的應(yīng)用。由于我國數(shù)字城市建設(shè)起步較晚，硬件設(shè)施條件與發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，我國與發(fā)達(dá)國家數(shù)字城市建設(shè)還有一定差距。近年來，我國各個城市如重慶，武漢、北京、上海等一線城市在數(shù)字城市建設(shè)方面取得了一定的進(jìn)步，然而建設(shè)數(shù)字城市是很復(fù)雜的一項工程，建設(shè)我國數(shù)字城市框架還有很多進(jìn)步的空間。6.1.1國外數(shù)字城市建設(shè)現(xiàn)狀國外數(shù)字城市建設(shè)，尤其是美國和英國的數(shù)字城市建設(shè)起步較早，現(xiàn)在數(shù)字城市建設(shè)給政府管理、企業(yè)活動和百姓日常生活帶來了越來越多的益處。由于美英重視信息技術(shù)的發(fā)展，倡導(dǎo)信息高速公路，地理空間框架建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)普及，為數(shù)字城市建設(shè)鋪墊了基礎(chǔ)。在美國數(shù)字城市發(fā)展過程中，地理信息系統(tǒng)占據(jù)了特別重要的地步。目前，數(shù)字城市建設(shè)廣泛的應(yīng)用于規(guī)劃管理、決策和各項日常應(yīng)用。6.1.2國內(nèi)數(shù)字城市發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)字城市是城市信息化的發(fā)展趨勢，也是推動整個國家信息化的重要手段，已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化的標(biāo)志和城市綜合實力的重要組部分。自20世紀(jì)90年代美國提出數(shù)字城市后，世界上各個國家相繼提出本國數(shù)字城市建設(shè)的構(gòu)想，并通過行政、法律、經(jīng)濟(jì)的手段加以實施。數(shù)字城市很快就在城市規(guī)劃、市政建設(shè)、交通設(shè)施、公共服務(wù)、動態(tài)監(jiān)測、政府決策等方面得到廣泛應(yīng)用。這種有效應(yīng)用又進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)字城市建設(shè)的縱深推進(jìn)。我國數(shù)字城市建設(shè)應(yīng)用開展相對較晚，雖然在技術(shù)和應(yīng)用上取得了顯著的績效，開創(chuàng)了具有我國特色的數(shù)字城市建設(shè)模式。但相對于國外發(fā)達(dá)國家，仍然具有較大的差異。2012年9月10日從國家測繪地理信息局“數(shù)字城市建設(shè)專題研究班”獲悉，目前全國已經(jīng)有270多個地級城市開展數(shù)字城市建設(shè)，“十二五”期間我國全部地級市將建成數(shù)字城市。我國已有311個地級市開展數(shù)字城市建設(shè)，其中158個數(shù)字城市已經(jīng)建成并在60多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，同時最新啟動了100多個數(shù)字線與建設(shè)和3個智慧城市建設(shè)試點。2013年，國家測繪地理信息局將在全國范圍內(nèi)組織開展智慧城市時空信息云平臺建設(shè)試點工作，每年將選擇10個左右城市進(jìn)行試點，每個試點項目建設(shè)周期為2至3年，經(jīng)費總投入不少于3600萬元。在不久的將來，人們將盡享智能家居、路網(wǎng)監(jiān)控、智能醫(yī)院、食品藥品管理、數(shù)字生活等所帶來的便捷服務(wù)，“智慧城市”時代即將到來。如圖1三維數(shù)字城市模型：6.2數(shù)字城市建設(shè)框架數(shù)字城市建設(shè)框架所涉及到的技術(shù)和應(yīng)用方面。數(shù)字城市主要包括以下內(nèi)容：城市基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，包括基礎(chǔ)地理信息設(shè)施、市政基礎(chǔ)設(shè)施、交通設(shè)施、金融服務(wù)設(shè)施、工業(yè)服務(wù)設(shè)施、安全應(yīng)急設(shè)施、規(guī)劃管理設(shè)施、政府服務(wù)設(shè)施等。城市信息和交換共享化，包括數(shù)據(jù)通訊三網(wǎng)合一、網(wǎng)上分布式運算、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)處理平臺、數(shù)據(jù)共享。城市生活和管理網(wǎng)絡(luò)化。6.3數(shù)字城市建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)、遙感數(shù)據(jù)只能獲取技術(shù)、4D地圖應(yīng)用技術(shù)、三維地理信息空間表現(xiàn)技術(shù)、空間技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)、三維測量技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)、小比例尺全數(shù)字測圖技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)地理交換技術(shù)。6.4數(shù)字城市建設(shè)過程中出現(xiàn)的問題及可能的解決方案數(shù)字城市建設(shè)過程是一個很復(fù)雜的過程，目前還處于理論研究階段。數(shù)字城市建設(shè)涉及到以下幾個方面：（1）獲取數(shù)字城市建設(shè)所需要的各種數(shù)據(jù)。各種傳統(tǒng)的地面測量方法和現(xiàn)代空間測量手段獲取地面點的空間三維位置；交通、土地信息、人口等不同屬性信息的收集；各種元數(shù)據(jù)的收集。（2）統(tǒng)一的數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。由于不同的系統(tǒng)具有不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此在數(shù)字城市建設(shè)中應(yīng)該綜合考慮不同專業(yè)，設(shè)置數(shù)據(jù)分類體系和數(shù)據(jù)編碼，以便于數(shù)據(jù)出路、檢索、數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用。（3）信息高速公路建設(shè)。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有助于信息的傳輸和共享，因此數(shù)字城市建設(shè)中其中一個重要的發(fā)面就是信息高速公路和國建網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。（4）空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)。空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)包括空間定位框架的確定，可以通過鋪設(shè)平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)來測定地面基準(zhǔn)點的空間位置，從而為數(shù)字城市的其他應(yīng)用奠定地理基礎(chǔ)。（5）衛(wèi)星影像和導(dǎo)航技術(shù)。航空遙感和航空攝影測量能夠快速獲取大范圍數(shù)字城市建設(shè)所需的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字城市系統(tǒng)的快速更新，因此數(shù)字城市建設(shè)中必須會用到的就是衛(wèi)星影像和導(dǎo)航定位技術(shù)。（6）海量數(shù)據(jù)存儲和管理。數(shù)字城市建設(shè)是一個很復(fù)雜的項目，因此牽涉到的很多數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，有的是基于不同的尺度，有的事基于不同的數(shù)據(jù)獲取手段，有的事基于不同的分類系統(tǒng)，因此探索能夠存儲這些海量數(shù)據(jù)的設(shè)備將會是數(shù)字城市建設(shè)研究的一個重要方面。（7）數(shù)據(jù)的科學(xué)計算。（8）可視化和虛擬現(xiàn)實技術(shù)?，F(xiàn)代遙感技術(shù)以及大比例尺航空攝影技術(shù)，為數(shù)字城市建設(shè)中數(shù)據(jù)的獲取和更新提供了可能。遙感和航空攝影能夠快速實現(xiàn)地圖的更新，大面積獲取地表影像，成圖周期短。GPS的精確定位RS圖像和各種信息的配準(zhǔn)提供了可靠保證，尤而其是現(xiàn)在GPS精度越來越高，所獲取地面點的位置越精確。3S作為數(shù)字地球的技術(shù)基礎(chǔ)和核心將得到迅速發(fā)展，一方面數(shù)字城市的研究和建設(shè)為3S技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，另一方面"3S"技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字城市的建設(shè)提供了技術(shù)支持。數(shù)字城市