C第十二章3S技术简介

1、第第1212章章 3S3S技术简介技术简介12.1 12.1 GPS基础知识基础知识12.2 12.2 GIS基础知识基础知识12.3 12.3 RS基础知识基础知识12.4 12.4 3S技术的综合应用技术的综合应用本章内容如下：本章内容如下：一一、GPS（Global Positioning System）的组成 12.1 GPS基础知识基础知识 卫星空间部分卫星空间部分 地面监控部分地面监控部分 用户用户GPS接收机接收机空间部分24颗卫星（21+3）6个轨道平面55轨道倾角20200km轨道高度（地面高度）12小时（恒星时）轨道周期每颗卫星可覆盖全球38%的面积 4台高精度铷铯原子钟

2、u1 1个主控站个主控站: :Colorado springs(科罗拉多科罗拉多. .斯平士斯平士) )。u3 3个注入站个注入站: :Ascencion( (阿森松群岛阿森松群岛) )、 Diego Garcia( (迭迭哥伽西亚哥伽西亚) )、kwajalein( (卡瓦加兰卡瓦加兰) )。u5 5个监控站：个监控站： 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. 地面监控部分地面监控部分3. 用户接收机部分uGPS接收机的基本类型分导航型和大地型。接收机的基本类型分导航型和大地型。u大地型接收机又分单频型和双频型。大地型接收机又分单频型和双频型。手持型手持型GPS机机车载型车载型GPS机机导航型导航型GPS机机单频机单频机双频机双频机大地型大地型GPS接收机接收机o12321202020zZyYxXtciiiii203203203232022022022220120120121zZyYxXzZyYxXzZyYxX二、二、GPS定位的基本原理定位的基本原理 1. 伪距法定位原理伪距法定位原理 2121wTjTiwTjTctcc2

4、1202020zZyYxXiiii2120202021zZyYxXctciiiiwTjTitc 2. 载波相位定位测量载波相位定位测量 FNSR0 FIntNN00021NffcfwTjT 202020021021zZyYxXNccFIntNfciiiiwTjTjTwT三、 GPS定位测量的模式 确定距离方法不同：伪距法定位和载波相位 定位 定位接收机的数量不同： 绝对定位和相对定 位 定位时接收机的运动状态：静态定位和动态 定位 实时差分定位方式：位置差分、伪距差分和 载波相位实时差分 四、 GPS测量工作 1）GPS网的技术设计262)10(dba2）选点与建立标志 3）外业观测 4）数据

5、处理基准站移动站(a)(b)五、GPS的定位特点 定位精度高 适应性强 自动化程度高 经济效益高 应用广泛 大地测量：GPS A级和B级网、永久性的GPS跟踪 站、西沙、南沙群岛与大陆的GPS联测 工程测量：精密工程控制网、加密测图控制点、 测绘各种比例尺地形图和施工放样 航空摄影测量：测定航片和卫片上的地面控制点、 航摄飞行导航、空中三角测量、直接测定摄 影机和传感器的空间位置和姿态 交通、监控和智能交通：车辆的监控和调度管理、 选择最佳行车路线、救助、船舶精确航行 六、六、 GPS技术的应用技术的应用 军事：武器的制导、空中飞机指挥、实施空中管 制、夜航盲驶、救援引导、地面部队引导、 战场

6、补给、穿越障碍、提供实时准确的作 战信息 精细农业：监测农作物产量分布、土壤成分和性 质分布、合理施肥、播种和喷撒农药、 除草剂，精准灌溉和收割林业管理：确定林区面积、估算木材量、计算可 采伐木材面积、确定原始森林、道路 位置、对火灾周边测量、寻找水源、 测定地区界线 1. GLONASS定位系统 GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，

7、均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8。与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS是码分多址（CDMA），根据调制七、其它卫星导航定位系统七、其它卫星导航定位系统 码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=124为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONA

8、SS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。GLONASS系统从理论上有24颗卫星，但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题，实际上目前只有8颗。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。2. 北斗卫星导航系统(Compass Navigation Satellite System)，称为北斗一号(BD-1)，是二维有源定位导航系统。BD-1由北斗导航定位卫星、地面控制中心站和用户终端三部分组成。北斗导航定位卫星由4颗高度为36000km的地球同步卫星组成，分别于2000年10月和12月发射了两颗“北斗”工作卫星、2003年5月和2006年2月发射了两颗“北斗”在轨

9、备用卫星，可以向我国及周边地区的用户提供定位、实时导航、简短通信和精密授时服务，已在基础测绘、工程勘探、电信、水利、交通运输、资源调查、地震监测、渔业、森林防火、国家安全、公共安全与应急管理等诸多领域发挥重要作用。简单的通信和数据传输。在2008年汶川大地震抢险救灾、北京奥运气象监测中发挥了重要作用。 2006年2月3日，中国用“长征三号甲”火箭成功发射了第四颗北斗导航定位卫星。 北斗系统工作示意图 2008年5月20日，在机场集结的空降兵部队手持“北斗”终端北斗系统地面定位手持机3. Galileo定位系统卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）

10、。卫星的轨道倾角i =56；轨道高度H=23616km 。地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。定位原理：与GPS相同。定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。12.2 GIS基础知识基础知识一、GIS的组成 Geographic Information System 1. 计算机系统 2. 地理空间数据 3. 管理应用人员 矢量数据模型：x、y坐标来构建点、线、面等空间要素，适合于表示空间上离散的实体 栅格数据模型：格网(像元或空间单元)来表示要素的空间变化，格网中的每个单元格都有一个对应于该位置上空间要素特征的值，适合用于显示空间上连续的要素 二、二、GIS的数据模型与数据

11、结构的数据模型与数据结构矢量数据的表达 矢量模型：利用边界或表面来表达空间目标对象的面或体要素，通过记录目标的边界，同时采用标识符表达它的属性来描述空间对象实体。矢量模型处理的空间图形实体是点(point)、线(line)、面(polygon)，点用空间坐标对来表示水井、通讯和消防设施、控制点、独立树等，线由一串坐标对来表示道路、管线、河流、行政边界等，面是由线形成的闭合多边形，可以表示池塘、球场等。点是矢量数据模型的基本单元，线要素由点构成。线是由两个端点之间一系列标记线形态的点构成，可以是平滑曲线，也可以是折线。面要素由线组成，其边界把区域分成了内部区域和外部区域。如果空间目标对象的空间特

12、征信息与属性特征信息一起存储，根据属性特征的不同，点可用不同的符号表示，线可用不同的颜色和粗细程度不等的线来描绘，面对象则可以填充不同的图案和色彩来区分。1. 矢量模型矢量模型(vector mode) 拓扑：研究几何对象在弯曲拓扑：研究几何对象在弯曲或拉伸等变换下仍保持不变或拉伸等变换下仍保持不变的性质，拓扑结构表示多边的性质，拓扑结构表示多边形实体的数据结构。形实体的数据结构。拓扑数据结构拓扑数据结构 在拓扑学中，把在拓扑学中，把3条以上线段的交点称为节点，两个条以上线段的交点称为节点，两个节点之间的曲线或折线称为链或弧段。通过对节点、弧段、节点之间的曲线或折线称为链或弧段。通过对节点、弧

13、段、多边形拓扑关系的描述，以明确地表达要素之间的空间关多边形拓扑关系的描述，以明确地表达要素之间的空间关系。在系。在GIS的拓扑数据模型中，与点、线、面对应的空间的拓扑数据模型中，与点、线、面对应的空间图形实体主要有节点图形实体主要有节点(node)、弧段、弧段(arc)、多边形、多边形(polygon)，多边形的边界被分割成一系列的弧和结点，结点、弧、多多边形的边界被分割成一系列的弧和结点，结点、弧、多边形间的空间关系在数据结构或属性边形间的空间关系在数据结构或属性(比如地理实体的名比如地理实体的名称、类型和数量等称、类型和数量等)表中加以定义。表中加以定义。 多边形弧段号弧段号起节点终节点

14、节点弧段P1e1、e5、e6e1N2N1N1e1、e3、e6P2e2、e4、e5e2N3N2N2e1、e2、e5P3e3、e4、e6e3N1N3N3e2、e3、e4P4e7e4N4N3N4e4、e5、e6e5N4N2N5e7e6N1N4e7N5N5拓朴的关联性拓朴的关联性多边形之间的邻接性弧段之间的邻接性节点之间的连通性P1P2P3P4e1e2e3e4e5e6e7N1N2N3N4N5P1110e1110110N11110P2110e2111100N21110P3111e3111010N31110P4001e4011110N41110e5110110N50000e6101110e7000000拓

15、扑的邻接性和连通性拓扑的邻接性和连通性线要素的数据结构线要素的数据结构线要素的数据结构线要素的数据结构面要素的数据结构面要素的数据结构ArcView，MapInfo和GeoMedia 矢量数据模型具有如下特点： 相邻弧段的公用结点，相邻多边形的公用弧段在计算机中只需记录一次，空间数据文件较小。 空间图形实体的拓扑关系，如拓扑邻接、拓扑关联、拓扑包含不会随着诸如移动、缩放、旋转等变换而变化，而空间坐标及一些几何属性（如面积、周长、方向等）会受到影响。 能够精确地表达图形目标，精确地计算空间目标的周长、面积等，适合图形处理(比例尺变换、投影变换以及图形的输入和输出)，精度高。 数据结构和图形叠加复

16、杂，与遥感等图像数据难以结合。 非拓扑矢量数据结构非拓扑矢量数据结构栅格数据的表达 栅格模型直接采用面域或空域枚举来直接描述空间目标对象。在栅格模型中，点或点状符号是由一个格网来表示，线是由一串在一定方向上相邻彼此相连的格网构成，面由聚集在一起的相邻格网组成，空间现象的变化由格网单元值的变化来反映，每一单元值代表了此行此列决定的该位置上空间现象的特征。在栅格模型中，每一格网的大小是一致的(一般是正方形)，而且每一个格网层记录着不同的属性(如植被类型等)。栅格数据模型不把空间数据与属性数据明确分开，因此对于数据库管理用处不大，这与矢量数据不同。随着分辨率的增多，存储空间还会呈几何级数增加。大尺寸

17、的网格单元无法表示空间要素的精确位置，这就减少了在一个格网单元中存在混合要素(如森林、牧场与水体)的机会。采用较小的格网2. 栅格模型栅格模型(raster model) 单元，这些问题就会得到缓解，但小尺寸的格网增大了数据量和数据处理时间。 栅格数据结构GIS中的许多数据都用栅格格式来表示，这些数据包括数字高程数据、卫星影像、数字正射影像、扫描地图和图形文件(TIFF、GIF和JPEG)。(1) 完全栅格结构（2）游程编码 4A 1A 3B 2A 2B 3A 1B （3）块式编码 (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）四叉树编码 BAAAAAAABBBBBMQP1234567810 11 12 13N9根结点第零层第一层第二层内结点子结点(5) 栅格模型特点 三、GIS数据输入与处理1. GIS数据输入 2. GIS数据处理格式转换 图形单元的修改与增删 图幅拼接 坐标转换 四、GIS空间信息分析 1. 空间查询 2. 拓扑叠加 3. 建立缓冲区 4. 网络分析 5. 数字地形分析 五、GIS应用 1. 城市地下管网管理系统 2. 城市综合管理系统 3. 港口管理系统 4. 金融管理分析系统 5. 生态环境管理分析系统 6. 人口管理系统 12.3 RS基础知识 遥感(Remote sensing) ：遥远感知事物，应用于测绘、城市规划、水利、电力、通讯、交通、军事、农业、林业、环境监测等领域 一、遥感技术系统 1. 空间信息采集系统2. 地面接收和预处理系统3. 地面