城市建设3S(RS、GIS、GPS)技术基础

（IntroductionTo“3S”

Technology）城市建设系

3S技术导论第一章绪论本章学习目的:

通过本章的学习，初步了解“3S”技术即遥感技术、全球定位系统、地理信息系统的基本概念，应用现状及发展前景，明确“3S”技术的学习目的。

本章学习内容:

地球信息科学“3S”技术的含义及其应用领域遥感的概念、发展及应用全球定位系统（GPS）的概念、发展和应用地理信息系统（GIS）概念、发展和应用第一节地球信息科学一、含义：

地球信息科学（Geoinformatics或Geomatics），又译为地理信息科学，是测绘学、摄影测量与遥感学、地图学、地理科学、计算机科学、卫星定位技术、专家系统技术与现代通讯技术等的有机集成，即多种学科的综合。是用各种现代化方法采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用与地理和空间分布有关数据的一门综合的计算机信息科学、技术和产业实体。第一节地球信息科学Geomatics作为解决空间问题的工具，是一门应用科学。地球——空间系统本身是复杂的、开放的、动态的，因此要用动态的、系统的方法来研究。“3S”技术是Geomatics的核心内容，Geomatics是3S技术的广义定义。二、特点：

动态性、系统化、实时性、空间特征、信息科学第一节地球信息科学三、组成

GIS：多种学科集成的基础平台，用来搜索、存储、管理和分析空间信息数据。

RS、DPS（摄影测量）、GPS：快速获取和更新地理信息的主要技术手段。

地图学与图象图形学：用作地理信息的表示、分析和处理，以及地理信息成果的表达和显示。

人工智能：如专家系统（ES）和人工神经网络，使数据采集、更新、分析和应用更加自动化和智能化，达到决策层次的应用。

现代通讯技术：为地理信息在各部门的传播和应用提供保证第二节“3S”技术的含义及其应用领域

一、3S技术的含义实质：RS、GIS、GPS3种技术的集成

遥感RS（RemoteSensing）：获取地面信息，并更新。地理信息系统GIS（GeographicInformationSystem）：对地理信息进行采集、存储、管理、分析和显示的基础平台。

全球定位系统GPS（GlobalPositionSystem）：实现精确的定位。（实时、动态、多维）3S技术：GPS技术，RS技术和GIS技术的简称。第二节“3S”技术的含义及其应用领域二、应用领域

地图制图：RS和GPS

获取和更新数据，GIS

编辑、存储、显示和输出。

自然资源管理、监测和评价：森林资源、土地资源、矿产等。

城市与区域规划：需综合自然环境、地形、地貌、人口密度等多种因素，同时考虑生态、经济、社会等多种效益。设计交通网络、地下管线、绿地设施、水系和利用等等。

交通管理：导航系统，实时监控、调度。

环境监测和分析：污染监测、评价和分析。确定污染源、蔓延过程、评价污染程度、预测。

工商管理：客户位置、相关信息（邮编、电话、销售状况、负责销售员等），销售分析。图1联合收割机外貌图3作物产量传感图2监视器和控制面板GPS和GIS设备装载于联合收割机上上图（1，2，3）显示了GPS和GIS设备装载于联合收割机上的情景，可以通过GPS随时提供收割机当前的精确位置，通过作物产量传感器给出当前时段的收割作物流量，通过GIS搜集和存储这些信息，以提供查询、分析和制图之用。3S应用实例：3S集成用于精准农业3S应用实例：

3S与数字城市数字城市工程关键技术1)

遥感对地观测技术

2)

GIS技术

3)

差分GPS技术

4)

虚拟现实（VR）技术

5)空间数据管理系统（SDM）3S应用实例：

3S在耕地保护中的应用第三节全球定位系统的概念、发展和应用

一、全球定位系统（GPS）的概念：

全球定位系统GPS：NavigationSatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem（NAVSTARGPS）,以卫星为基础的无线电授时、定位、测距导航系统。（GPS——GlobalPositioningSystem）

利用多颗导航卫星的无线电信号，对地球表面某地点进行定位、报时或对地表移动物体进行导航的技术系统。第三节全球定位系统的概念、发展和应用

二、GPS定位系统的组成：GPS定位系统由三部分组成，即由GPS卫星组成的空间星座部分、由若干地面站组成的地面监控系统、以接收机为主体的广大用户部分，三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监控站组成卫星由分布在6根轨道上的24颗工作卫星和若干备用卫星所组成。用户部分主要由GPS接收机构成GPS卫星组成的卫星网GPS卫星组成的卫星网GPS卫星工作示意图GPS卫星二、GPS定位系统的组成：GPS接收机只要可以同时接收到3个卫星的信号，就可以间接推算出观测者的位置（经纬度、高程），同时可以利用第4颗卫星进行纠正。从而实现了可以实时、连续的提供地球表面任意一点的经纬度和高程。第三节全球定位系统的概念、发展和应用

GPS接收机便携式GPS车载GPS第三节全球定位系统的概念、发展和应用三、GPS定位系统的特性（1）：

定位精度高：相对定位精度：<50km的基线已达到2ppm

。

适应性强：目前有24颗GPS卫星均匀分布天空，故该系统具有全天候、全球性、实时连续的精密三维导航和定位能力，适应性强。

自动化程度高：GPS接收机已制造成傻瓜型，仪器安置好后，仅仅按一下电源开关健，仪器即启动开始工作，当约定时间一到或信号量批示灯闪烁时，关闭电源即可。第三节全球定位系统的概念、发展和应用三、GPS定位系统的特性（2）：

经济效益高：与传统测量方法相比，GPS定位无须点间通视、不强调图形条件、不必建造昂贵的觇标，选点灵活，外业工作量少，比常规方法快3-5倍,使工期大大缩短，可节省70％，80％的工程费用。

保密性好：GPS卫星的信号采用了伪随机噪声码技术，使GPS的信号深埋于噪声之中；因而具有良好的抗干扰能力和保密性能。第三节全球定位系统的概念、发展和应用其他卫星导航定位系统

(1)格鲁纳斯——GLONASS

俄罗斯的全球导航卫星系统，简称为GLONASS或格鲁纳斯，亦为全球导航与定位的系统。 该系统的空间卫星部分与美国的GPS原理基本相同，由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上．每个轨道平面有8颗卫星。 卫星的分布使得在全球的任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，由此获得高精度的三维定位数据。据消息称，到2011年，俄罗斯Glonass卫星网络的数量将会增加至30个。第三节全球定位系统的概念、发展和应用俄罗斯的全球导航卫星系统

GLONASS系统俄罗斯的全球导航卫星系统

GLONASS系统GLONASS系统，最高分辨率可以达到1.5m；该系统将在2010年正式投入使用。现阶段GLONASS系统已经发射了16颗卫星，其中13颗运作正常，另外3颗处于维修状态。2006年，俄罗斯投入GLONASS系统的资金数额为47亿卢布(约合2亿美元)，2007年为99亿卢布(4.2亿美元)。俄罗斯计划2009年前完成全部24颗卫星的部署工作。

第三节全球定位系统的概念、发展和应用第三节全球定位系统的概念、发展和应用其他卫星导航定位系统

(2)北斗导航系统----BDNS

我国的北斗导航系统，英文名称为BeidouNavigationSystem，简称为BDNS。 该系统为局域导航定位系统，是世界上除美、俄外第三个建成的卫星导航定位系统，可全天候、全天时服务于我国及周边地区，定位精度预计可达数十米。 系统空间卫星部分由2000年10月31日、12月21日和2003年5月25日分别发射的三颗“北斗一号”导航定位卫星组成，其中，两颗为工作卫星，一颗为备用卫星。 我国目前正在研究第二代导航定位卫星，有望5-10年后，成为卫星导航定位强国。(2)北斗导航系统----BDNS北斗卫星发射现场我国在建的这个导航系统又叫做“COMPASS”，计划由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。此系统将提供两种服务方式，即开放服务和授权服务——美国的GPS系统也采用类似的服务方式。此系统将主要用于国家经济建设，为交通运输、气象、石油、海洋、森林防火、灾害预报、通信、公安以及其他特殊行业提供高效的导航服务。第三节全球定位系统的概念、发展和应用其他卫星导航定位系统(3)伽利略系统——GNS

欧盟正在启动的伽利略系统，简称GNS。该系统为全球导航定位系统，空间部分由30颗卫星组成，拟定于2008年投入使用，属于纯民用系统，我国为该系统的合作成员国家。随着科技发展和一些国家经济实力增强，出于经济、战略和政治等因素，将会有更多的国家建立自己的导航定位系统。

(3)伽利略系统——GNS欧洲伽利略计划是中高度圆轨道(MEO)方案，该系统将由30颗中高度圆轨道卫星和2个地面控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。到目前为止，“伽利略计划”仅发射了一颗“GIOVE-A”实验卫星第三节全球定位系统的概念、发展和应用四、全球定位系统（GPS）的发展：

GPS整个发展计划分三个阶段实施：

1973年～1978年为原理可行性验证阶段，组织海陆空三军开始策划、研制；1978年2月2日-1989年间发射了11颗GPS卫星进行系统实验，称为BlockⅠ。1989年2月14日-1994年3月9日为工程发展与完成阶段，共发射了24颗正式工作的GPS卫星。总之，24颗正式工作的GPS卫星的成功发射，标志着GPS已配置完毕。整个计划历时20年，耗资130多亿美元。这是继阿波罗计划、航天飞机计划之后的又一庞大的空间计划。第三节全球定位系统的概念、发展和应用五、全球定位系统（GPS）的应用（1）：

建立或改善各种规模、等级的大地控制网；

在地球动力学研究方面，精确测定地球板块间的相对滑动、俯冲、变形及构造活动情况；

监测地球极移现象；

对海岛、海洋、海面地形图测绘变得十分方便；第三节全球定位系统的概念、发展和应用五、全球定位系统（GPS）的应用（2）：

在工程勘测、放样、变形监测等方面应用广泛；

GPS与RS(遥感)、GIS(地理信息系统)DPS：(航测数字化成图系统)、DS(专家系统)集成，其应用领域十分广泛；

在生物科学、导游、人们日常生活等方面也应用广泛；

国土资源调查；

车辆交通管理。第四节遥感的概念、发展及应用

RS技术是60年代以来，在现代物理学（包括光学技术、红外技术、微波技术、雷达技术、激光技术和全息技术）、空间科学、电子计算机技术、数学方法和地球科学理论的基础上，建立和发展起来的一门新兴的综合性的边缘学科，是一门先进的，实用的探测技术。

一、什么是遥感RS

遥感：“遥远的感知”

不与目标物体直接接触，运用航天、航空（包括近地面）的运载工具上的遥感仪器，获取地球表层各物体的从紫外线到微波波段的电磁波辐射特征,并且成像，来识别与区分地物属性，并探测其在空间上、时间上的变化规律的综合探测技术。什么是遥感RS—定义

RS（抽象）：安装在平台上的传感器，借助于某种信息传播媒介来感测遥远事物的过程。

RS技术（具体）：从不同高度的平台（如飞机、人造卫星等）使用传感器收集地物的电磁波信息，再将这些信息传输到地面并加以处理，从而达到对地物的识别与监测的全过程。什么是遥感RS—简单直观认识什么是遥感RS—简单直观认识什么是遥感RS—简单直观认识侦察卫星拍摄的美国五角大楼遥感专业软件:ENVI遥感专业软件:ERDAS第四节遥感的概念、发展及应用二、构成要素：

对象：被感测的事物传感器：能感测事物并能将感测的结果传递给使用者的仪器。如摄影机、雷达等。信息传播媒介：在对象和传感器间起信息传播作用的媒介。如电磁波、声波、重力场、磁力场、电力场、地震波。平台：装载传感器并使之能有效地工作的装置。如飞机、人造地球卫星、航天飞机等。能够运动的平台也叫运载工具。现在实用的RS技术大多是以电磁波为信息传播媒介，以飞机、人造卫星等飞行器为平台的第四节遥感的概念、发展及应用三、遥感类型按遥感对象分：

宇宙遥感：对象是宇宙中的天体和其他物质。

地球遥感：对象是地球和其他的事物。按遥感平台分：

航天遥感：平台处于海拔高度大于80km的空中，如火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机等。

航空遥感：平台处于海拔高度小于80km的空中，如飞机、气球等。

地面遥感：平台处于地面。如三脚架、遥感车、塔、船等。第四节遥感的概念、发展及应用三、遥感类型按传播媒介分：

电磁波遥感：以可见光、红外、微波、紫外线较为常见（利用不同的工作波段）。

声波遥感：适于探测海水和海底情况，一般用超声波。

力场遥感：重力场、磁力场、电力场等，适用于物理探矿。

地震波遥感：探测地层构造和探矿。第四节遥感的概念、发展及应用三、遥感类型按传感器工作方式分：

被动遥感：传感器本身不发射任何人工探测信号，只能被动地接受来自对象的信息。如不用闪光灯的摄影。主动遥感：传感器本身带有电磁波的辐射源，工作时向目标发射信号，接收目标物反射这种辐射波的强度。如使用闪光灯的摄影和侧视雷达。

按应用领域分：农业遥感、林业遥感、地质遥感、大气遥感等等。第四节遥感的概念、发展及应用三、遥感类型按资料获取方式分：

成像方式：把所探测的地物辐射的电磁波强度用不同的色调构成图像，如航片、卫片等。光学摄影：将探测到的地物的电磁波信息以深浅不同的色调直接记录在感光胶片上。以照相机或摄影机进行。第四节遥感的概念、发展及应用三、遥感类型成像方式：扫描成像：将所探测视场分为若干象元，传感器按顺序接收每个象元的电磁波强度，并将其转换成电信号，经传输、处理再显示成图像。如电视摄像、雷达成像等。非成像方式：获取数据、曲线等形式的资料。如不扫描的辐射计。第四节遥感的概念、发展及应用四、遥感特性

空间特性：感测距离远，视域范围大。某些波段的遥感对冰雪、云雾、水体和陆地等有一定的穿透力。因此RS具有宏观性和直观性。如LandsatTM每幅图象（一景）所表示的地面区域为185

185km2。

时间特性：平台运行快，周期短，能够周期成象。且能获得多时相、准同步的影象和数字资料。通过不同时间成象资料的对比，可以研究地面物体的动态变化，为环境监测、病虫害等地物发展变化规律的研究提供条件。第四节遥感的概念、发展及应用四、遥感特性

光谱特性：探测波段从可见光向两侧延伸。现在，已用于遥感的电磁波段有

射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波以及波长更长的无线电波等。各波段间性质差异很大，用途也各不相同。可以用于地物分类、制图、遥感定量分析和应用等等。这三大特性构成了遥感信息地学评价的三个基本标准（空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率）。第四节遥感的概念、发展及应用五、优势信息量大。受地面条件限制少：可用于自然条件恶劣，地面工作困难的地区。经济效益好：降低成本，特别是灾害预报、资源探测、资源清查等。用途广。发展迅速。六、遥感技术的发展及其趋势按发展阶段看：1.无记录的遥感阶段1608年，汉斯·李波尔赛制造了世界上第一架望远镜1609年，伽利略制作了放大3倍的望远镜，为远距离观测开辟了先河有记录的地面遥感阶段1839年，Daguerre与Niepce首次摄影，此后，巴黎观测站主任Arago专心于地貌摄影1849年，法国一位军官Laussadet用摄影绘制地形图3.空中摄影遥感阶段1858年，气球大面积摄影1909年，意大利Wright驾驶的飞机，首次航空摄影，在第一、二次世界大战中作为侦察手段。第四节遥感的概念、发展及应用航天遥感阶段1956年，Colwell,特殊目的的航摄试验，分类并识别植被类型，探测病虫害及受灾植被1957年，前苏联第一颗卫星1960年第一颗气象卫星TIROS-I，病虫害及受灾植被20世纪60年代中期，NASA资助，大量红外及多光谱彩色摄影1972年第一颗地球观测卫星Landsat发射成功。（原名地球资源技术卫星ERTS-1后命名为陆地卫星，遥感一词迅速普及，卫星已超过3000颗（军用60%）第四节遥感的概念、发展及应用第四节遥感的概念、发展及应用六、遥感技术的发展史及其发展趋势世界遥感发展近史（1）：

1962年：“RS”术语在第一次国际环境遥感讨论会后被普遍采用。由美国海军研究局的伊

普鲁伊特（ErelynPruitt）最早提出。

20世纪20年代：航空摄影出现。

一战时期：主要用于军事。航空摄影因军事的需要得到发展，形成了具有独立体系的航空摄影测量学

象片判读

航空遥感

RS的初始阶段。第四节遥感的概念、发展及应用六、遥感技术的发展史及其发展趋势1、世界遥感发展近史（2）：

二战时期：航空摄影技术得到发展，从可见光扩展到紫外线和红外波段长及微波，形成现代航空遥感体系，开始用于自然资源调查。1957年：前苏联发射了第一颗人造地球卫星；60年代：美、苏发射了宇宙飞船；航天技术迅速发展，传感器不断改进；70年代初：美国发射了第一颗地球资源技术卫星。第四节遥感的概念、发展及应用2、中国遥感发展简史：

50年代：开始开展航空摄影工作，并在此基础上，进行了土地资源、森林资源的调查研究及地质找矿、铁路选线等。60年代：航空摄影初具规模，完成了大部分地区的航空摄影工作。70年代初：成功地发射了第一颗人造地球卫星，并很快掌握了卫星回收技术，获得了我国的第一批卫星图象。70年代后期：购买了美国陆地卫星图象，并引进了数字图象处理系统。80年代空前活跃，六五计划遥感列入国家重点科技攻关项目第四节遥感的概念、发展及应用3、发展趋势：从应用角度遥感分析由单一遥感资料到多时相、多数据源（含非RS数据）的信息复合与综合分析；从资源环境静态分布研究到动态过程监测；从动态监测到预测预报；从定性调查、系列制图到计算机辅助的数字图象处理、定量自动制图；从对各种事物表面现象描述到内在规律分析、计量探求

定量遥感。第四节遥感的概念、发展及应用3、发展趋势：从技术角度（未来10～20年内）：微波遥感技术进一步提高，其实用性可与现在的MSS，TM，HRV等传感器不分伯仲。星载传感器的地面分辨力和光谱分辨力大大提高，可达到与目前航空摄影的效果相似的程度。高光谱遥感、高空间分辨率遥感将得到极大发展，激光测距与遥感成像、卫星定位技术集成使3D实时成像成为可能。

第四节遥感的概念、发展及应用3、发展趋势：从技术角度（未来10～20年内）：专业图象处理软件的功能将不断完善，如可以读取多种数据格式，可以处理雷达数据、进行三维显示和分析与GIS软件和数据库的兼容等等。在信息提取方面，分形理论、小波变换、人工神经网络等方法使信息处理和分析更趋智能化。RS将与GIS、GPS、DPS、ES更加紧密地结合。第四节遥感的概念、发展及应用七、遥感应用

农林方面：

农业——识别各类农作物、估产、灾害预报、分析长势；林业——调查森林资源、监测森林火灾和病虫害等等；（如1987年中国大兴安岭特大森林火灾，运用LandSatTM和NOAA卫星数据进行火灾监测和灾后生态评价）；土地资源与土壤调查——RS资料提供了土地和土壤状况的动态情况。协助寻找宜林、宜农荒地；（如伊朗通过卫星图象找到了3%的可耕地）。第四节遥感的概念、发展及应用七、遥感应用

地质矿产：减小野外工作量，节省人力、物力、财力，加快速度，提高精度。如：进行成矿条件的地质分析；查明地质构造，发现隐伏构造；大型堤坝、厂矿等的选址和道路选线；地震、暴雨等造成的灾害性地质过程的预测。水文和水资源研究：水资源调查、水文情报预报和区域水文研究等等。第五节地理信息系统的概念、发展和应用

一、地理信息系统（GIS）概念：地理信息系统：在计算机软件和硬件的支持下，以一定的格式输入、存贮、检索、显示和综合分析现实世界的各类空间数据及属性特征的技术系统。由于它有自已完整的理论体系，现已发展成为一门学科。

二、地理信息系统（GIS）的分类：

从提供的性能角度看GIS分类

1）空间管理型GIS大众型

2）空间分析型GIS传统型

3）空间决策型GIS决策型第五节地理信息系统的概念、发展和应用

从系统开发角度看GIS的分类

1）最终用户用GIS2）专业人士用GIS3）软件开发者/系统集成者用GIS

从系统结构角度看GIS的分类

1）单机GIS2）网络GIS

从数据结构角度看GIS的分类

1）矢量数据结构GIS2）栅格数据结构GIS3）混合型数据结构第五节地理信息系统的概念、发展和应用

按应用类型分类

1)专题性GIS以特定专题、任务或现象为主要内容所建立的地理信息系统。系统具有明显的专业特点，数据项选择和操作功能设计均为特定目的服务，如森林动态监测信息系统、矿产资源信息系统、城市管网信息系统等。

2)区域性GIS

以自然区、行政区或任意区等区域的若干指定目标、任务或现象为主要内容所建立的地理信息系统。系统数据项选择和操作功能设计主要考虑为区域研究、管理和规划提供信息，具有数据项较多、功能较齐全、开放性较强等特点。如国家、省或地区、市或县等行政区域信息系统，自然分区或以流域为单位的区域信息系统等。

第五节地理信息系统的概念、发展和应用

按应用类型分类

3)综合性GIS

在一定范围内，依据国家统一标准，包含有该范围的各种基础信息、自然和社会经济要素的地理信息系统。系统数据项选择和操作功能设计要考虑政府、部门决策、规划和管理需要，考虑专业设计部门需要，还要顾及公众和人民生活需要。具有数据项多、功能齐全、开放性强等特点。行政区基础地理信息系统，如广东省基础地理信息系统；大、中、小城市、城镇信息系统，上海、深圳城市地理信息系统。第五节地理信息系统的概念、发展和应用三、GIS发展回顾和前景

GIS的发展----国外GIS发展回顾(起源于实际应用)

60年代是摇篮时期；70年代是GIS迅速发展时期；80年代是GIS普及应用推广时期；90年代产业化时期第五节地理信息系统的概念、发展和应用三、GIS发展回顾和前景

GIS的发展----国内GIS发展回顾(起步晚、发展快)70年代是GIS起步年代；80年代是GIS应用试验年代；90年代出现国产GIS商品。总之，目前标志着我国GIS产业已经进入了一个新的发展阶段。集中表现在：商业GIS软件的大量出现；GIS专业机构及其活动十分活跃；高校中GIS专业的迅速发展。第五节地理信息系统的概念、发展和应用

GIS发展的趋向--从软件系统看GIS的发展趋势