长安大学《测量学》“3S”技术简介省名师优质课获奖课件市赛课一等奖课件

第十五章“3S”技术介绍长安大学公路学院第1页§15-1概述3S”是中国科学家按照GPS、GIS、RS字尾均为S，而这三者关系日趋紧密结合组成一个对地观察、处理、分析、制图系统。GPS是授时与测距导航系统/全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem）简称.GIS是地理信息系统或地学信息系统（GeographicInformationSystem）简称；RS是遥感（RemoteSensing）简称第2页§15-1概述全球定位系统（GPS）是利用卫星发射无线电信号进行导航定位，含有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功效，以及良好保密性和抗干扰性。地理信息系统（GIS）是指与所研究对象空间地理分布相关信息。它是表示地表物体及环境固有数量、质量、分布特征、属性、规律和相互联络数字、文字、音像和图形等总称。遥感技术（RS）是利用光谱学、光电子学和电子技术从高空或远距离平台上，利用电磁波探测仪器，取得接收物体辐射及反射电磁波信息，经信息处理，测定被测物体性质、形状位置和动态改变。第3页§15-2GPS全球定位系统组成全球定位系统（GPS）主要由GPS空间卫星部分（卫星星座）、地面监控部分和用户设备部分三部分组成。一、空间星座部分1.GPS卫星星座布设方案确保在世界任何地方、任何时间，都可进行实时三维定位。第4页§15-2GPS全球定位系统组成一、空间星座部分2.GPS卫星功效（1）接收并存放由地面监控站发来导航信息；（2）接收并执行主控站发出控制命令，如调整卫星姿态，启用备用卫星等；（3）向用户连续发送卫星导航定位所需信息，如卫星轨道参数、卫星健康状态及卫星信号发射时间标准等。第5页§15-2GPS全球定位系统组成二、地面监控部分地面监控部分是由分布在美国本土和三大洋美军基地上五个地面站组成。按功效可分为监测站、主控站和注入站三种。地面监控系统整个系统是由主控站控制，地面站之间由当代化通信系统联络。第6页§15-2GPS全球定位系统组成三、用户设备部分1.主要任务捕捉卫星信号，跟踪并锁定卫星信号（GPS卫星是以广播方式发送定位信息。）2.分类（1）按用途:导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机、姿态测量型接收机。（2）按接收机通道数:多通道GPS接收机、序贯通道接收机、多路复用通道接收机。第7页§15-2GPS全球定位系统组成三、用户设备部分3.设备用户设备是指用户GPS接收机。GPS接收机是一个被动式无线电定位设备，在全球任何地方只要能接收到4颗以上GPS卫星信号，实现三维定位、测速、测时。GPS接收机组成：GPS接收机天线、GPS接收主机和电源三部分组成。主要功效是接收GPS卫星信号并经过信号放大、变频、锁相处理，测定出GPS信号从卫星到接收机天线间传输时间，解释导航电文，实时计算GPS天线所在位置（三维坐标）及运行速度。第8页§15-3GPS坐标系统一、WGS-84坐标系几何定义：WGS-84世界大地坐标系就是以国际时间局1984年第一次公布瞬时地极（BIH1984.0）作为基准，建立地球瞬时坐标系，严格来讲属准协议地球坐标系。物理定义：它拥有自己重力场模型和重力计算公式，能够算出相对于WGS-84椭球大地水准面差距。第9页§15-3GPS坐标系统二、GPS坐标转换1.GPS坐标转换意义在城市、矿山等区域性测量工作中，需要将GPS测量结果，换算到用户所采取区域性坐标系统；或者为了改进已经有经典地面控制网，确定GPS网与经典地面网之间转换参数，需要进行两网联合平差。第10页§15-3GPS坐标系统二、GPS坐标转换2.三维坐标系统中转换模型（1）转换模型用于基准转换模型，主要有布尔沙—沃尔夫（Bursa-Wolf）模型、维斯（Veis）模型和莫洛金斯基—巴代卡斯（Molodensky-Badekas）模型。这些模型，虽表示形式略有差异，但它们都是等价。第11页§15-3GPS坐标系统二、GPS坐标转换2.三维坐标系统中转换模型（2）大地坐标、GPS坐标经典地面网三维坐标，通常都是在参心坐标系中,以大地坐标形式表示，设为（B,L,H）T，其中BT为大地纬度，LT为大地经度，HT为大地高。GPS网三维坐标，普通是在协议地球坐标系中，以空间直角坐标或大地坐标形式给出，设为（X,Y,Z)s或（B,L,H)s。第12页§15-3GPS坐标系统二、GPS坐标转换2.三维坐标系统中转换模型（3）网三维联合平差网三维联合平差，标准上能够在空间直角坐标系统中进行，也能够在三维大地坐标系统中进行。通常以在空间直角坐标系统中进行为宜。将地面网已知大地坐标，按以一定系式转换为对应空间直角坐标。普通包含两类参数：基准转换参数；网配合参数.第13页§15-4GPS定位原理GPS定位方法主要有伪距法定位、载波相位测量定位和GPS差分定位。对于待定点位，依据其运动状态可分为静态定位和动态定位。一、伪距测量伪距测量就是测定卫星到接收机距离，即由卫星发射测距码信号抵达GPS接收机传输时间乘以光速所得距离。标按时更正原因：卫星钟更正数、接收机钟更正数、电离层折射更正与对流层折射更正。这么在任何一个观察瞬间用户最少要同时测定四颗卫星距离，方便解算出四个未知数。第14页§15-4GPS定位原理二、相对定位GPS相对定位，也叫差分GPS定位，是当前GPS定位中精度最高一个定位方法.依据用户接收机，在定位过程中所处状态不同，相对定位有静态和动态之分。第15页§15-4GPS定位原理三、载波相位测量载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间相位延迟。对卫星载波与接收机基准信号进行相位测量，即可得到卫星到接收机天线间用载波相位表示距离观察值.载波相位相对定位普遍采取将相位观察值进行线性组合方法。其详细方法有三种，即单差法、双差法和三差法。第16页§15-4GPS定位原理四、载波相位差分定位技术（RTK技术）RTK技术是建立在实时处理两个测站载波相位基础上，能实时提供观察点三维坐标，并到达厘米级高精度观察结果。第17页§15-5GPS测量实施一、GPS测量内容GPS测量实施过程与常规测量一样，包含方案设计、外业测量和内业数据处理三部分。二、GPS控制网精度标准1.精度要求GPS网技术设计是进行GPS测量基础。它应依据用户提交任务书或测量协议所要求测量任务进行设计。其内容包含测区范围、测量精度、提交成果方式、完成时间等。设计技术依据是国家测绘局颁发《全球定位系统（GPS）测量规范》及建设部颁发《全球定位系统城市测量技术规程》。第18页§15-5GPS测量实施二、GPS控制网精度标准2.GPS测量精度指标GPS网精度指标，通常是以网中相邻点之间距离误差mD=a+b×10-6D来表示。不一样用途GPS网精度是不一样，GPS控制网分为A、B、C、D、E五个等级。第19页§15-5GPS测量实施三、网形设计1.GPS网设计主要考虑问题（1）可靠性设计因为无线电定位受外界环境影响大，所以在图形设计时应重点考虑结果准确可靠，并应考虑有可靠检验方法。GPS网普通应经过独立观察边组成闭合图形，以增加检验条件，提升网可靠性。布设通常有点连式、边连式、网连式及边点混合连式等四种方式。第20页§15-5GPS测量实施三、网形设计1.GPS网设计主要考虑问题（1）可靠性设计①点连式:是指相邻同时图形（多台仪器同时观察卫星取得由基线闭合图形）仅由一个公共点连接，这么组成图形检验条件太少，普通极少使用。②边连式:是指同时图形之间由一条公共边连接。第21页§15-5GPS测量实施三、网形设计1.GPS网设计主要考虑问题（1）可靠性设计③网连接:是指相邻同时图形之间有两个以上公共点相连接。④边点混合连接第22页§15-5GPS测量实施三、网形设计1.GPS网设计主要考虑问题（2）平面控制坐标联络设计为了求定GPS网坐标与原有地面控制网坐标之间坐标转换参数，要求最少有三个GPS控制网点与地面控制网点重合。（3）高程控制坐标联络设计为了利用GPS进行高程测量，在测区内GPS点位尽可能与水准点重合，或者进行等级水准联测。第23页§15-5GPS测量实施三、网形设计1.GPS网设计主要考虑问题（4）通视、选点、建标志设计GPS点尽可能选在视野开阔、交通方便地点，并要远离高压线、变电所及微波辐射干扰源。GPS点即使不需要通视，不过为了便于用经典方法联测和扩展，要求控制点最少与一个其它控制点通视，或者在控制点附近300m外布设一个通视良好方位点，方便建立联测方向。选点时除了应远离产生磁场源地方和确保观察站在视场内周围障碍物高度角应小于10~15°外，其它要求及建立标志同常规控制测量。第24页§15-5GPS测量实施四、GPS测量观察工作1.外业观察计划设计（1）编制GPS卫星可见性预报图利用卫星预报软件，输入测区中心点概略坐标、作业时间、卫星截止高度角≥15°等，利用不超出20天星历文件即可编制卫星预报图。（2）编制作业调度表作业表应包含：①观察时段，注明开、关机时间；②测站号、测站名；③接收机号、作业员；④车辆调度表。第25页§15-5GPS测量实施四、GPS测量观察工作2.野外观察（1）安置天线要仔细对中、整平，量取仪器高。仪器高要用钢尺在互为120°方向量三次，互差小于3mm，取平均值后输入GPS接收机。（2）安置GPS接收机GPS接收机应安置在距天线不远安全处，连接天线及电源电缆，并确保无误。（3）按次序操作按要求时间打开GPS接收机，输入测站名、卫星截止高度角、卫星信号采样间隔等。第26页§15-5GPS测量实施四、GPS测量观察工作2.野外观察（4）GPS接收机统计数据①GPS卫星星历和卫星钟差参数；②观察历元时刻和伪距观察值及载波相位观察值；③GPS绝对定位结果；④测站信息。第27页§15-5GPS测量实施四、GPS测量观察工作3.观察数据下载及数据预处理外业观察数据在测区时就要及时进行严格检验，对外业预处理结果，按规范要求严格检验、分析，根据情况进行必要重测和补测。4.内业数据处理内业数据处理普通采取软件处理，主要工作内容有基线解算、观察结果检核及GPS网平差，内业数据处理完成后应写GPS测量技术汇报并提交相关资料。第28页§15-6实时GPS应用一、实时GPS测量原理GPS实时差分定位系统由基准站、流动站和无线电通信链三部分组成。第29页§15-6实时GPS应用一、实时GPS测量原理基准站：接收GPS卫星信号并实时向流动提供差分修正信号。流动站：接收GPS卫星信号和基准站发送差分修正信号，对GPS卫星信号进行修正，并进行实时定位。第30页§15-6实时GPS应用二、实时GPS测量特点GPS动态差分定位方法有位置差分、伪距差分、载波相位实时差分及广域差分，各自分别含有不一样特点。1.位置差分是将基准站GPS接收机伪距单点定位得到坐标值与已知坐标作差分，无线电传送是坐标修正值，流动站用坐标修正值对其坐标进行修正。位置差分精度可达5～10m。不过位置差分要求流动站接收机单点定位所用卫星与基准站求修正值时所用卫星完全一致。若有一颗卫星不一样就可能产生45m以上误差。第31页§15-6实时GPS应用二、实时GPS测量特点2.伪距差分（RTD）利用基准站已知坐标和卫星星历，求卫星到基准站几何距离作为距离准确值，将此值与基准站所测伪距值求差作为差分修正值，经过数据链传给流动站。流动站接收差分信号后，对所接收每颗卫星伪距观察值进行修正，然后再进行单点定位。因为伪距差分是对每颗卫星伪距观察值进行修正，所以不要求基准站和流动站接收卫星完全一致，只要有4颗以上相同卫星即可。第32页§15-6实时GPS应用二、实时GPS测量特点3.载波相位实时差分（RTK）因为载波相位观察值精度高，若经过数据链将基准站载波相位观察值传到流动站，在流动站进行实时载波相位数据处理，其定位精度可到达1～2cm。RTK差分距离不可太远，当前最远可到30km。另外流动站是否能进行RTK差分，取决于数据通信可靠性和流动站载波相位观察值是否失锁。第33页§15-6实时GPS应用二、实时GPS测量特点4.广域差分广域差分是利用大范围内建立卫星跟踪网跟踪卫星信号。利用跟踪网已知坐标和原子钟，求每颗卫星星历更正值、卫星钟更正值及电离层更正参数，并经过无线电台向用户流动站发送。流动站接收这些修正信息，并对观察值进行修正。差分修正后精度可到达1～3m。差分范围可到达1000km。第34页§15-6实时GPS应用三、实时GPS测量应用当前实时动态定位值采取作业模式主要有：

1.快速静态测量这种测量模式要求GPS接收机在每一用户站上，静止地进行观察，在观察过程中连同接收到基准站同时观察数据，实时地解算整周未知数和用户站三维坐标。假如解算结果改变趋于稳定，且其精度已满足设计要求，便可适时结束观察工作。采取这种模式作业时，用户站接收机在流动过程中，能够无须保持对GPS卫星连续跟踪，其定位精度可达1~2cm。这种方法可用于城市、矿山等区域性控制测量，工程测量和地籍测量等。第35页§15-6实时GPS应用三、实时GPS测量应用2.准动态测量这种测量模式通常要求流动接收机在观察工作开始之前，首先在某一起始点上静止地进行观察，方便使用快速解算整周未知数方法实时地进行初化工作。初始化后，流动接收机在每一观察站上，只需静止观察数历元，并连同基准站同时观测数据，实时地解算流动站三维坐标。这种方法要求接收机在观察过程中，保持对所测量卫星连续跟踪。一旦发生失锁，便需重新进行初始化工作通常主要应用于地籍测量、碎部测量、路线测量和工程放样等。第36页§15-6实时GPS应用三、实时GPS测量应用3.动态测量动态测量模式普通需首先在某一起始点上静止地观察数分钟，方便进行初始化工作。之后，运动接收机按预定采样时间间隔自动地进行观察，并连同基准站同时观察数据，实时地确定采样点空间位置。第37页§15-7GIS与RS技术介绍一、GIS技术地理信息系统（GIS）通常以图形数据结构为特征分为两大类型：矢量结构和栅格结构。普通来说栅格结构轻易与遥感数据结合，建立GIS和RS集成化系统；而矢量数据需要经过矢量至栅格转换，才能与遥感数据集成使用。1.矢量数据结构从几何上说，空间目标可划分为点、线、面、体四种基本类型。在图面上点、线、面实体，能够用采样点X、Y坐标表示。第38页§15-7GIS与RS技术介绍一、GIS技术1.矢量数据结构在地理信息系统中，除了统计空间目标几何位置数据外，还要考虑与这个目标相关属性信息以及空间目标之间相互关系，以满足空间查询和空间分析需要。矢量数据结构一个突出和最具特色优点是能够完全显示地表示结点、弧段、面块之间所相关联关系。第39页§15-7GIS与RS技术介绍一、GIS技术2.栅格数据结构来自遥感、摄影测量和扫描数据是栅格形式，格网数字地面模型是栅格形式。在GIS中，有许各种基于栅格数据结构，这些节约存贮空间，有些则操作效率高。类型：栅格矩阵；行程编码；四叉树编码第40页§15-7GIS与RS技术介绍一、GIS技术3.矢量栅格一体化数据结构即使栅格数据结构有许多优点，但栅格结构精度低，并难以建立网络拓扑结构。这些缺点恰好能够用矢量数据结构加以克服，所以现在许多GIS软件中，既含有栅格结构又保持矢量结构，以形成一个混合数据结构。它不是矢量与栅格结构简单混合，而是一个现有矢量特点又有栅格性质数据结构。第41页§15-7GIS与RS技术介绍一、GIS技术4.GIS数据模型是描述数据内容和数据之间联络工具，它是衡量数据库能力强弱主要标志之一。数据库设计关键问题之一是设计一个好数据模型。当前惯用数据模型有层次模型、网络模型、关系模型以及面向目标模型。第42页§15-7GIS与RS技术介绍二、RS技术1.发展阶段遥感技术（RS）作为一个空间探测技术至今已经历了地面遥感、航空遥感和航天遥感三个阶段。2.遥感器遥感器从第一代航空摄影机，第二代多光谱摄影机、扫描仪，很快发展到第三代固体扫描仪（CCD）；遥感器运载工具，从飞机很快发展到卫星、宇宙飞船和传输从图像直接传输发展到非图像无线电传输；而图像像元也从地面80m×80m很快发展到40m×40m，30m×30m，20m×20m，10m×10m，6m×6m，1m×1m。第43页§15-7GIS与RS技术介绍二、RS技术3.系统组成RS系统通常由空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面实况调查系统和信息分析系统组成。4.数字图像处理过程第44页§15-8“3S”集成技术与应用介绍“3S”不是GPS、GIS、RS简单组合，而是将其经过数据接口严格地、紧密地、系统地集成起来，使其成为一个大系统。RS与GPS、RS与GIS、GIS与GPS两两集成有许多研究与应用结果。一、RS与GIS集成1.RS为GIS提供信息源比较理