地理信息技术应用

地理信息技术应用第三章地理Ⅲ（必修）3.1地理信息系统及其应用第一节地理信息系统及其应用一、地理信息系统二、地理信息系统与城市管理(一)地理信息系统的概念(二)地理信息系统的发展(四)地理信息系统的工作过程(三)地理信息系统的组成(一)地理信息系统(GIS)的概念是一种以采集、储存、管理、分析和描述地球表面与地理分布有关数据的空间信息系统。与一般信息系统的差别是，它采集的信息是按地理空间分布特征来反映地理实体结构及其动态变化规律的。从学科的角度，GIS是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系；从功能上，GIS具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能地理信息系统与地图的区别(1)不仅有平面信息,还有三维立体的信息(2)有很多的检索功能和大容量的信息库(3)随时进行信息的切换\缩放\补充测算等,获得更新的信息(4)不仅有空间数据信息,还有景观照片和动态的影像信息(5)查询方式不同,地理信息系统通过计算机进行查询和数据更新,而地图通过肉眼进行判读,获得地理信息。地理信息系统的信息更有针对性,速度也更快.（二）地理信息系统的发展地理信息系统发展（二十世纪）1、60年代：开拓期2、70年代：巩固发展期4、90年代：用户时代3、80年代：大发展期（三）地理信息系统的组成数字化仪解析测图仪扫描仪测绘仪器光笔手写笔计算机输出设备喷墨打印机磁带机喷墨绘图仪光盘刻录机储存设备光盘机激光打印机活动硬盘主页返回组成功能包括的内容硬件用于数据和信息的采集、处理、加工、分析和输出软件提供储存分析、显示地理数据的功能包括数据输入与编辑、数据管理、数据操作以及数据显示和输出等地理数据是GIS建立的基础包括基础数据和专题数据人员GIS是一个动态的地理模型，仅有系统的软硬件和数据，还不能构成完整的地理信息系统，需要人员进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善以及应用程序并开采用空间分析模型提取模型提取多种信息包括GIS系统开发的专业人员和采用GIS完成工作的用户应用模型应用模型是在对专业领域的具体对象过程进行大量研究的基础上总结出的规律表示，GIS应用就是利用这些模型对大量空间数据进行综合分析解决实际问题包括人口扩散模型、商业选址模型、路径分析模型包括计算机主机、数据输入设备、数据输出设备、数据传输设备、储存设备（四）地理信息系统的工作过程信息源（地图、遥感图象、实验数据、GPS数据）数据处理（即建立空间模型和数据模型）数据库（关于某一研究区域的若干图层的总和）数据分析（使各类数据之间的关系，以直观的形式表现出来，如图形、地图或表格）表达（将系统分析的结果形成地图、图象、图表、数字等产品）采集储存分析输出返回信息源数据处理数据库空间分析表达信息源:地图、遥感图象、野外考察、室内实验、社会经济统计获得。数据处理：建立空间模型和数据模型。空间模型是用点、线、面来表示地物的空间特征（如位置、形状）和属性特征（如种类、大小）。数据模型是通过一定的方式将所要表达的内容转变成数据，这是GIS与地图最基本的差异。数据库：地物空间特征和属性的各项数据的结合，构成某一主题的图层，如地貌图层、土壤图层、土地利用图层等。关于某一研究区域的若干图层就组成GIS数据库。空间分析：按一定规划对所研究的局部进行空间分析，也可对局部及其相邻的部分，以至整个区域进行综合分析。数据库中各图层上有关的数据，都可供分析。表达：将系统处理，分析的结果，形成可供研究、规划和决策人员使用的产品，主要形式有：地图、图象、统计图表、数字等。应用领域应用城市规划与管理城市规划的设计、工程选址、城市管理和辅助决策基础设施管理（道路交通、电力、电信、燃气、自来水、排污）工程设计、应急抢修、日常维护土地利用管理（土地使用性质变化，地块轮廓变化、土地权属关系变更）土地利用状况的监控和管理生态环境管理城市生态规划、环境评价、环境与区域可持续发展的决策分析、环保设施管理二、地理信息系统与城市管理应用领域应用道路交通管理道路的通行状况,定位事故地点,提供交通疏散道路设计最佳路径分析、最小造价分析道路建设工程进度、工程质量道路管理路况信息、道路养护地理信息系统在道路交通中的应用GIS能够回答的问题?1．位置问题。即“在某个特定位置有什么”的问题。位置可以用多种方式描述，如名称，邮编，地理参照物等。

2．条件问题。即“在哪里”的问题。这个问题与上述相反，并且需要依靠空间分析来回答。这个问题要求找到满足某个条件的地点。（比如要找到一块无林地，要求是面积为2000平方米，距离公路100米以内，土壤可以支撑建筑物）。

3．趋势问题。即“自从……以来发生了哪些变化？”的问题。可以观察某地区随时间的变化。

4．格局问题。这个问题较为复杂。比如要确定核电站附近的居民，其死亡是否主要由癌症所致。

5．模型问题。即“如果……，会发生什么？”的问题。例如如果一条新道路加入网络，或一种有毒物质渗漏至当地水源供应的地方时，会发生什么事情。回答这些问题需要有关地理学以及其他的信息虚拟洛杉矶浦东新区从业人员密度图人口GIS上海市旧房改造（应用GIS和RS技术）2000年彩红外航空遥感调查的旧区2002年已改造旧区的绿地遥感特征电磁波的热红外波段(更亮的浅色调)第二节遥感(RS)技术及其应用一、遥感技术三、遥感与环境灾害监测二、遥感与资源普查（一）遥感的概念与发展（二）遥感技术系统与遥感类型246810120.20.40.60.81.01.52.03.0辐射能力[J/(cm².min.um)波长（um）紫外线可见光红外线0.760.4不同的物体对电磁波发射、反射和吸收的特征不同（一）遥感的概念与发展①②③可见光红外光返回地物类型吸收和反射电磁波的特征彩色航空片黑白近红外遥感片彩色近红外遥感片红外遥感片水体对蓝绿光难以吸收对近红外波段吸收能力很强水体中杂质对吸收能力会造成影响呈蓝绿色的封闭区域有时会有白点和黑色的污染物呈深色以深灰和黑色为主污水颜色会相对较浅呈深色以黑色和蓝灰色为主污水多呈青色甚至黄色早晨为浅色夜晚为深色植被对可见光吸收强烈，反射绿光对近红外反射强烈不同植物的反射能力与叶绿素含量有关不同季节植物因叶绿素含量的变化使反射能力也发生变化多为绿色成片分布颜色随季节变化很大色调多为浅色，多呈黄色甚至红色植物越鲜嫩则颜色越深如粉红色颜色较深城市居民区由于城市居民区多为混泥土结构，而混泥土吸收能力极差，反射能力强混泥土比热容量很小，白天和晚上的温度差异很大灰白色甚至白色颜色很浅白色和灰色白色浅灰色深色色调较浅，多为灰白色植物越鲜嫩则颜色越浅@2.遥感技术的主要环节遥感平台→传感器→传输与接受→数字\图像处理设备3.遥感的特点:探测的范围广、获得资料的速度快、周期短，受地面条件限制少、成本低、效益大等1.遥感(RS)”千里眼”遥感：人们利用一定的技术装备，在航空器或航天器上，在不与探测目标接触情况下,记录目标物对电磁波的辐射、反射、散射等信息。并通过分析，揭示目标物的特征、性质及其变化的综合探测技术。遥感平台传感器传输分析与应用物体辐射和反射电磁波收集接受与处理标准类型运载工具电磁波的波谱范围应用领域或专题环境遥感、大气遥感、资源遥感、海洋遥感、地质遥感\农业遥感、林业遥感传感器的工作特点（二）遥感技术系统与遥感类型A航天遥感、航空遥感、近地遥感紫外遥感、可见光遥感、红外遥感微波遥感、多谱段遥感主动式、被动式分类特征传感器工作方式被动式传感器被动地探测目标物所反射或辐射的电磁波摄影机照相机、红外扫描仪、多波段扫描仪主动式传感器本身发射电磁波然后接受回波雷达记录方式成像传感器以影像表示探测信息摄影机、扫描仪、成像雷达非成像传感器以数字或图形输出探测信息光谱仪、红外辐射计、雷达高度计算摄影机主要用于可见光范围，扫描仪的工作波段较宽，雷达用于微波波段（二）遥感技术系统与遥感类型B类型概念优点航天遥感利用位于大气层外的卫星、航天飞机、宇宙飞船、航天空间站等携带遥感仪器的遥感覆盖范围大，不受领空限制，可进行重复不定期观测航空遥感利用大气层内飞机携带遥感仪器的遥感。包括600—10000米的低、中空遥感和10000-25000米的高空超高空遥感机动性强，可以根据研究主题选择适当的传感器、适当的飞行高度和飞行区域近地遥感距地面高度在几十米以内的遥感用于城市遥感、海面污染监测、森林火灾监测等中、高分辨率的遥感活动（二）遥感技术系统与遥感类型CD遥感片类型成像电磁波波段地物特征彩色航空遥感片利用可见光波段遥感片上地物与天然色实物十分接近近红外遥感片黑白遥感片利用可见光和近红外波段对近红外光吸收能力越强，色彩越深彩色遥感片相片的合成为人工合成，与天然实物色彩不同，对近红外光吸收能力越强、色彩越深热红外遥感片利用物体发射的热能量扫描成图一般与物体温度有关，物体温度越高则颜色越浅，反之越深侧视雷达遥感片利用物体反射的雷达波扫描成图一般与物体反射的雷达波能力有关，回波能力越强颜色越浅二、遥感与资源普查A应用领域具体内容备注矿产资源蕴藏矿产的地方有许多是地质断裂或环行构造带，较容易借助遥感技术发现矿产人们只需要分析遥感图像就可以划定蕴藏矿产的大致区域生物资源为农业、林业、城市绿化、环境保护等部门服务通过遥感图象解译或图象处理技术，提取植被的分布、类型、结构、健康状况、产量等数据B应用领域具体内容备注环境监测有利于人们了解环境变化，使环境得到保护和改善灾害监测旱情、水灾、滑坡、泥石流、地震、农林病虫害、森林火灾有利于防灾减灾荒漠化、土壤盐渍化、海洋生态、植被变化、水体变化污染、大气污染、海上冰山、全球气候变化C部门应用主要原理林业清查森林资源、监测火灾和病虫害着火树木、病害树木与正常树木反射光谱不同农业识别农作物、估算产量、灾情预报植物生长情况不同，其反射波谱特征不同思考:重度病害植物反射率高于健康植物反射率的波段是地物的不同状况,有不同的反射率,根据这一原理,可以利用遥感的工作领域有:判断水体污染,分析城市大气污染,监测灾害,粮食作物的产量等.在特定的卫星图上,健康的植被往往呈鲜红色,长势弱的植被颜色较浅，由此可以判断植被生长的状况。实验原理举例利用高真空、强辐射、失重等地面实验难以模拟的物理条件，可以在卫星上进行各种科学实验农作物空间育种微生物菌种实验从卫星搭载的变异种子中，选育优良品种菌种在轨道飞行时比地面生长快，样品返回可用于生产抗菌素，生物酶等医药产品D遥感卫星的科学实验功能返回利用遥感技术可以及时探知森林火灾发生的地点和范围,可分析大火蔓延的方向,为灭火总指挥制定灭火计划提供科学依据.电磁波的热红外波段(更亮的浅色调)葛洲坝与三峡工地遥感图片3.3全球定位系统及其应用一、全球定位系统二、全球定位系统与定位导航（1）全球定位系统的组成（2）全球定位系统的的基本原理一、全球定位系统(GPS)1.概念：具有在海、陆、空进行全方位、实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。通俗地说：利用卫星，在全球范围内适时进行导航、定位的系统全球定位系统是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。目前的全球覆盖率为98%。在美国,GPS全球卫星定位技术与“阿波罗”飞船登月,航天飞机升空,共同位列为20世纪“三大航天工程”它能够实时测量“四度”：经度、纬度、高度、速度。

2.组成：包括三大部分空间部分、地面控制部分、用户设备部分GPS组成系统结构空间位置组成和分布全球定位系统空间由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内地面由分布在全球的5个地面站组成（5个监控站、1个主控站和3个注入站）用户导航接收机、测地型接收机、授时接收机实时计算出三维坐标\速度以及时间GPS卫星星座地面监控系统GPS信号接收机空间部分各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55º，轨道平面间距60º。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90º为了减少误差，一般要求4颗卫星，用于定位的4颗卫星称为定位星座。地面监控部分主控站位于美国科罗拉多的斯平士（ColoradoSprings）的联合空间执行中心（CSOC），三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地上，即大西洋的阿松森（Ascension）岛、印度洋的狄哥·伽西亚(DiegoGarcia)和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein),五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。返回卫星上各种设备是否正常工作,是否一直沿预定轨道运行,要由地面设备监控主控站收集各监控站提供的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据这些数据，完成各项工作：(1)如及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站；(2)控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了gps用户系统(3)诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。注入站:在每颗卫星运行到上空时,将导航数据及主控站的指令注入到卫星.用户设备类型应用用于运动载体的导航，分为车载型、航海型、航空型和星载型能够实时给出载体的位置和速度，价格便宜，应用广泛测地接收机定位精度高，仪器结构复杂，价格较贵授时接收机用于天文台及无线电通讯利用GPS卫星提供的高精度时间进行授时用于精密大地测量@

导航接收机应用领域性能优点功能手持型GPS接受机多为导航使用液晶显示，导航画面清晰，配有背景灯，方便夜间操作，功能齐全不需要地面设备，只要收到卫星信号，就能快速定位，不受天气、行政区域的限制能够计算当地的国际标准时间，处于运动状态还能指出正北方，并将经过的地点、路线记录下来，方便返回时用；计算两点的距离，实现坐标系之间的相互转换；计算日出、日落时间手持型GPS接收机3、特点和用途

全能性、全球性、全天候、连续性、实时性

提供精密的三维坐标，三项速度和时间信息GPS特点

(1)全球,全天候工作

(2)实时性,能提供连续、实时的三维位置、速度和精密时间，不受天气的影响。（3）高精度（4）自动测量它能够实时测量“四度”：经度、纬度、高度、速度GPS功能1、定位:2、导航:我现在在哪里？我要去哪里？如何去？3、跟踪:跟踪-监视人或物体的运动。4、绘图:用于绘制世界地图。5、定时:提供精确的时间。二、GPS与定位导航GPS应用军事:导弹的飞行、飞机的导航、精确打击的实现测绘：有哪些优势？有哪些具体应用领域？交通：关键是导航救援：关键是定位农业：什么是精准农业耕作？其优势在哪里？娱乐旅游GPS应用领域主要功能在林业管理方面的应用GPS技术在确定林区面积，估算木材量，计算可采伐木材面积，确定原始森林、道路位置，对森林火灾周边测量，寻找水源和测定地区边界方面可以发挥独特的重要作用在合理施肥，精确农业管理方面的应用依据农田土壤养分含量分布图，设置有GPS接收机的“受控应用”的喷施器，在GPS的控制下，依据土壤养分含量分布图，能够精确地给田地各点施肥。(1)可以监测作物产量(计算机\产量监视器\GPS接收机)(2)帮助合理施肥(3)应用于土壤养分的分布调查(GPS接收机把样品的位置)在精确定时方面的应用每颗GPS卫星上都有精密的原子钟，所以GPS接受器可以接收到精确的时间信息信息接收信息发射应用领域通过车载GPS可以在屏幕上及时查看车辆所在的经纬度、运行轨迹、速度、行进方向车载电台把定位信息发给监控中心，在电子地图上显示出来，可对车辆进行调度指挥城市公共汽车调度管理，旅游区车辆报警与调度，海关、公安、海防等部门对车辆的调度与监控1、车载GPS的功用P100使装有GPS的出租车配备合理，能最大程度的满足乘客的要求，从而减少了空载率，降低能源消耗，节省运行成本，并使行车、乘车安全系数大大提高等功能。应用类型应用领域应用作用向用户提供船舶的位置、航速、航向、时间信息、海图、海迹显示避免船只冲撞，确保航行安全现在很难想象那艘船舶不装备GPS导航系统和设备

把自己的位置和航向发送到航海管理中心便于中心的跟踪、搜寻和救援3、航空应用p100空域航路、着陆、机场监视和管理实现空域划分、空中交通流量管理、飞行路径管理2、航海应用P1004．GPS系统的应用范例

(1)当奔驰的车辆行驶在车流熙攘的高速公路上时，司机启动自动驾驶系统，就可悠然自得地读书看报。车辆能自动与前车保持距离，自动刹车或超车，自动驾驶系统能够精确到厘米。在不打搅车内乘客读书看报的情况下，它能自动选择一条能避免堵塞的道路前进。到达目的地后它会自动报告：“您已到达。”这些听起来犹如神话，其实它都依赖于来自太空的信号。这种高度精确的太空信号就是由比GPS更先进的欧洲“伽利略”卫星导航系统提供的。(2)汽车安装上GPS接收机，不仅能利用电子地图知道自己的方位和其他街区的车辆行驶状况，从而绕开堵车地区，选择最便利的路线行驶，还能在遇到劫匪报警时向警方提供自己精确的所在位置，使警方尽快赶+到．据介绍：日本90％的机动车都安装有GPS接收机。(3)GPS电子站牌现身上海街头:下一辆车离本站还有1.2千米,约3分钟内到达.上海的许多出租车上装备了GPS系统.公司可以根据GPS对出租车定位,并提供无线电联系以及电子地图一、数字地球的含义三、数字地球的应用二、数字地球的技术基础四、数字中国与数字城市第四节数字地球按照戈尔提出的时间表,“数字地球”的基本实现预计在2020年,而“数字地球”的初步实现设定在2005年左右.提出特点技术基础应用1998年1月31日,美国副总统阿尔·戈尔在加利福尼亚科学中心的讲演中正式提出了“数字地球”(DigitalEarth)的概念.他说:“我相信我们需要一个数字地球即一种可以嵌入海量地理数据﹑对我们星球所做的多分辩率﹑三维的地球描述，即“虚拟地球”遥感技术、地理信息系统、网络技术、虚拟现实技术可持续发展、农业、灾害、资源、教育等方面一、数字地球的含义严格地讲：以计算机技术、多媒体技术和大规模储存技术为基础，以宽带网络为纽带，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它来作为工具支持和改善人类的活动和生活质量。通俗地讲：用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类生存、可持续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。数字地球是信息化的地球——地球的虚拟对照体返回信息高速公路和高速网络技术高分辨率卫星遥感技术空间信息技术与空间数据基础设施大容量数据存储技术可视化和虚拟现实技术高性能计算能力二、数字地球的技术基础“信息高速公路”的含义“国家信息基础设施”（美国-1993年）“信息高速公路”是一个集电话、电视、电脑等功能于一体，能够综合处理图、文、声、像等各种信息的一个全社会的立体化通信网。国际互联网（Internet），又叫因特网是信息高速公路的具体体现。意为一个大容量、高速度的信息传递网络。它的正式名称是“国家信息基础结构”，简称NII返回1.计算科学技术:随着高速计算机的使用,才能模拟那些不容易观察到的现象,并能更好地理解已经观察到的数据.2.大规模存储技术:数字化地球将要求存储1015字节的信息.3.高分辨率卫星图象技术:卫星图象分辨率达1米的商业卫星系已于1999年投入运营.4.宽带网络技术:当前,电讯营运者已经在试验每秒10亿信息单位的网络,1015信息单位的网络技术是因特网下一代的技术目标之一.5.互操作性:因特网和万维网之所以能够取得成功,关键在于达成统一的协议.这样,有关的地理信息就能被共享.6.元数据:元数据是指“关于数据的数据”以了解信息的名称﹑位置﹑作者或信息来源﹑数据﹑数据形式﹑分辨率等有助于建立其他的地理坐标信息系统.

三、数字中国与数字城市（一）概况：“数字地球”不仅仅在于超越空间和时间的界限,更在于它能帮助人类缓解环境危机、预防自然灾害、打击犯罪和持续发展.中国政府和学术界在“数字地球”的基础上提出“数字中国”的构想.

在数字城市的建设中,“数字北京”是一个由基础层﹑应用层和决策层组成的完整体系.在“基础层”,北京市要加快首都公用信息平台的建设;在“应用层”,要加快建设环境与生态、资源管网、城市建设规划、交通管理、社区服务、电子政