第1章 3S技术基本概念和基础

3S技术与应用理学院地理系冯恒栋第1章3S技术基本概念和基础第1章3S技术基本概念和基础1.1地球信息科学1.23S技术概念1.33S技术产生与发展1.4数字地球概述第1章3S技术基本概念和基础1.1地球信息科学地球系统科学地球信息科学地理信息科学1.1.1地球系统科学地球系统科学是一门新的综合性学科，它是将构成地球整体的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈等作为一个相互作用的系统，研究它们之间物理的、化学的和生物的过程，并与人类生活和生产活动结合起来，借以了解现在和过去，预测未来（黄秉维，1996）。1.1.1地球系统科学人类面临的全球性、综合性问题：气候变暖、沙漠化、人口增加等解决需要对地观测系统并对数据

进行综合分析3S技术是有力的工具1.1.2地球信息科学

地球信息科学（Geoinformatics或Geomatics），是地球系统科学的组成部分，是研究地球表层信息流的科学，也是研究地球表层资源与环境、经济与社会综合信息流的科学。就技术特征而言，地球信息科学是由遥感、地理信息系统、全球定位系统、现代通讯技术及其相关空间信息科学集成的一大系统科学，是采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用与地球和空间分布有关数据的一门综合的信息科学和技术。1.1.2地球信息科学地球信息科学是在信息时代的召唤下，经过许多学科的交叉、渗透和融合以及现代技术的高度集成而形成的，具有坚实的学科基础和技术基础以及鲜明的时代背景。地球信息科学是地球科学的分支学科，脱胎于地图学，形成与众多学科的交叉领域。1.1.2地球信息科学地图学地球科学信息科学系统科学……地球信息科学1.1.3地理信息科学

地理信息科学是关于地理信息本质特征与运动规律的一门学科，其研究对象是地理信息，是地球信息科学的重要组成部分。

地理信息是关于自然、人文现象的空间分布与组合的信息，它表征地理环境的数量、质量、分布特征、内在联系和运动规律。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。1.1.3地理信息科学特点：动态性、系统化、实时性、空间特征、信息科学1.1.3地理信息科学地理信息科学的组成

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、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1章3S技术基本概念和基础1.1地球信息科学1.23S技术概念1.33S技术产生与发展1.4数字地球概述第1章3S技术基本概念和基础1.23S技术概论遥感地理信息系统全球定位系统1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）遥感技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴的综合性探测技术，它与空间科学、近代物理、电子计算机技术密切相关，是近代科学技术最新成就的综合成果。1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）

1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）

1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）

1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）一、遥感的概念

从不同高度的遥感平台上，通过探测仪器接收来自目标物体反射和发射的电磁波信息，经数据处理分析来识别目标物体和现象的技术。在探测中使用的运载工具称为遥感平台，如飞机、卫星获取目标物体信息的探测仪器称为传感器，如相机、摄影机

1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）二、遥感系统的组成遥感平台与传感器遥感信息传输遥感信息处理图像数据分析与专题应用1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）三、遥感技术的优势（1）宏观观测，大面积获取数据资料遥感平台越高，视角越宽广，可以同步探测到的地面范围越大，从而可观测地表的空间分布规律。如，Landsat图像（1景），覆盖面积为185km×185km，一景气象卫星可覆盖1/3的地球表面。（2）动态监测，快速更新监控范围数据卫星周期性对地球各处进行观察，可以在短时间内对同一地区进行重复探测，获取新颖的资料，从而实现对地面的动态变化监测。如Landsat覆盖地球一次需16天；SPOT26天；CBERS4-5天；气象卫星每天可覆盖地球2次。（3）获取信息方便而且快速利用遥感获取信息不受地面条件限制。对于高山冰雪、戈壁沙漠、海洋、跨国界等地区。一般方法不易获得的资料,卫星像片则可以获得大量有用的资料。（4）技术手段多样，信息综合性强。遥感技术利用不同功能的传感器及工作波段，构成对地球观察监测的多层空间、多波段、多时相的探测网，所获取的数据反映地表的综合特性。（5）经济效益高与传统方法相比，遥感技术可节省大量的人力物力和财力。1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）三、遥感技术的优势10/24/2023美国Oakland县动态监测1963197219791983198719952015年6月5日天津滨海新区高分二号卫星假彩色融合影像2015年8月17日天津滨海新区高分二号卫星假彩色融合影像雅鲁藏布大峡谷1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）四、遥感的分类1、按平台分地面遥感、航空遥感、航天遥感2、按传感器分被动式、主动式3、按应用领域分农业、地质、水利、海洋、气象、环境、军事……1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）五、遥感技术应用领域1.农业方面用于土地调查、土壤调查、农作物长势监测与估产、预报作物病虫害、研究与农业有关的局部气候和区域气候、收集农田灌溉情况、开发草原牧场等2.林业方面勘测森林资源、监测森林火灾、发现病虫害、编制植被图等3.气象方面收集大气层温度、湿度、云层分布等资料以提高气象预报，尤其是台风、寒潮等灾害性天气的准确性1.23S技术概论1.2.1遥感（RemoteSensing）五、遥感技术应用领域4.地质方面研究大的地质单元和区域型结构，绘制地质地貌图，寻找矿区（如煤田、石油和天然气勘探），地热、火山探测，沙漠、冰川研究等5.海洋方面

调查洋流界线、海洋生物、海洋表面水温、海洋与浅海地层及沉积侵蚀等6.监测环境污染方面

监测大气污染、土地污染、海洋污染、河流污染等7.其他方面水文水资源、工程建设、地图测绘及军事方面等等江西泰和县白口城汉代遗址

大连TM、SPOT融合图三维卫星遥感图象IKONOS图象——4米分辨率（本图由IKONOS摄于2004年8月2日，尼亚加拉大瀑布中蓝绿色的水流落差达51米，蔚为壮观。瀑布位于加拿大境内，成马蹄形，每秒水流量超过2百万升，是世界上最大的瀑布之一。）图中两大气旋于2006年11月相继形成于冰岛以南，本图由NASA地球卫星MODIS成象仪摄于11月20日，图中南为上。本图由IKONOS商业卫星摄于2002年6月27日，显示的是刚果共和国北部的森林。图中划过中心的桔色线条是肮脏的运送木材的公路。自2003年起，国际林木研究中心借助商业和NASA卫星拍摄了数百张图片，用于修建一条可贯穿非洲4百万平方公里热带丛林的伐木运输公路，这张由商业卫星IKONOS摄于2004年9月的卫星图，显示了内华州拉斯维加斯繁华熙攘的街道和房屋。位于青藏高原的高原湖——纳木错，是世界上最人迹罕至的地方之一。该图由国际太空站一颗轨道卫星所摄，生动显示了冬季时纳木错湖的景象。纳木错海拔16503英尺，约5030米，被认为水质超寡营养，因为无论在湖水还是湖底沉积物中营养物含量都极低，上图中显示了冬季湖面复杂壮观的冰块。ATLANTER机场卫星图象1米分辨率1.23S技术概论1.2.2全球定位系统（GlobalPositioningSystem）全称：导航卫星测时与测距全球定位系统NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem，NAVSTARGPS美国，1973年筹建，1995年建成。6个轨道平面、24颗卫星在任何时间向地球上任何地方的用户提供高精度的位置、速度、时间信息革命性的定位技术从陆地和近海－>整个海洋和外层空间从静态—>动态从单点定位—>局部差分与广域差分1.23S技术概论1.2.2全球定位系统（GlobalPositioningSystem）1.23S技术概论1.2.2全球定位系统（GPS）GPS优越性：与天气状况无关不要求点与点之间的彼此通视高度均匀的定位精度日夜均可作业定位速度之快无与伦比大大节省人力资源测线长度不受限制统一的坐标系统生产成本低于常规测量技术1.23S技术概论1.2.2全球定位系统（GPS）GPS应用领域1.23S技术概论1.2.2全球定位系统（GPS）定位——实时定位测量——大地测量、工程测量、航空摄影测量导航——汽车导航、飞机导航、航海导航等监测——地壳运动监测、工程变形监测精细农业野外探险及个人旅游紧急救援智能交通……1.23S技术概论1.2.3地理信息系统（GIS）一、基本概念1.信息（Information）：表示事件、事物和现象的内容、数量、特征和知识所用的数字、文字、符号和语言等。数字、文字、符号、和语言等介质是信息载体。2.地理信息（GeographicInformation）：指与空间地理分布有关的信息，表示地表物体、环境和现象的数量、质量、分布特征、相互联系和规律的数字、文字、图形和图像等。数字、文字、图件等介质时地理信息载体。包含的内容广泛，地表的各种信息，具有地面坐标，或者定位相关的各类信息。关键：具有地面坐标，又称为空间信息。区域性动态性（时间性）多维性地理信息的定位特征单点多重属性信息随时间动态变化地理信息的特点1.23S技术概论1.2.3地理信息系统（GIS）1.23S技术概论1.2.3地理信息系统一、基本概念3.地理信息系统（GeographicInformationSystem）（GIS）是在计算机软件和硬件的支持下（存在条件），运用地理学和信息科学的理论（理论基础），科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据（技术与方法），以提供对规划、管理、决策和研究所需信息和技术支持（目的和用途）的空间信息系统。特点：①研究对象有地理分布特征。②强调空间分析的能力。③对空间数据操作，且图和属性一体化管理。1.23S技术概论1.2.3地理信息系统一、基本概念1.23S技术概论1.2.3地理信息系统二、产生背景1.23S技术概论1.2.3地理信息系统二、产生背景1.23S技术概论1.2.3地理信息系统三、功能采集和检验地理空间数据地理空间数据的存储和组织编辑、更新、维护地理空间数据空间数据量算、转换，空间数据概化空间数据的查询检索、信息提取空间数据分析地图显示——地理信息可视化（二维、三维）Web上的GIS应用……1.23S技术概论1.2.3地理信息系统四、应用领域资源管理、调查与监测：土地利用、森林资源、矿产、海洋……环境管理、监测与评价：水土保持，荒漠化监测，生态环境监测与评价……灾害监测、预测与防治：森林火灾预测预报、洪水灾情监测和洪水淹没损失的估算，病虫害监测城乡规划：进行城市与区域多目标的开发和规划，包括城镇总体规划、城市建设用地适宜性评价、环境质量评价、道路交通规划、公共设施配置，以及城市环境的动态监测等商业管理：商场选址等3D场景在线电子地图服务电信资源管理铁路地理信息系统公安警用地理信息系统属性查询查询专题图作战指挥地图切换医疗机构信息查询第1章3S技术基本概念和基础1.1地球信息科学1.23S技术概念1.33S技术产生与发展1.4数字地球概述1.33S技术产生与发展1.3.1形成的时代背景

数字技术的高速发展，把人类带入了数字时代（digitalera）、信息社会(informationsociety）数字技术是用离散的、不连续的值表示信号的技术．用数字技术表示的信号叫数字信号，也叫数码信号。用数字表示模拟量，使所有的信息获得统一的数字体现，这就是数字化。数字技术数字化指以计算机和通信网络为主体的数字化、网络化、智能化和可视化为主体的全部过程。信息化广义的信息就是消息，指相关物体的知识。任何物体都有自己的信息。信息1.33S技术产生与发展1.3.1形成的时代背景

数字技术的高速发展，把人类带入了数字时代（digitalera）、信息社会(informationsociety）1.3.23S技术的兴起

一.产生动力学科理论基础技术发展推动社会需求促进1.33S技术产生与发展1、学科基础

3S技术与科学是地球科学的一个分支，它脱胎于地图学，形成于众多学科的交叉边缘领域。地图学地球科学系统科学信息科学地图学的研究对象与内容与3S技术与科学相似；其功能和特点与3S的主要技术——地理信息系统的部分特点和功能一致；地理信息科学是在地图学的现代化过程中逐渐形成的，并显示出强劲的发展势头。地图学地球科学3S技术和其他一些分支学科都是研究地球系统的科学，即其研究对象同构，其他分支学科已经形成的思维模式和研究范式可以为地理信息科学所用，其中地理科学的作用最重要；地球科学地理信息科学主要研究地球系统中的空间信息结构和信息流，任何信息结构和流动都与系统中物质、能量结构和流动相联系，因此关于地球系统物质、能量结构和流动的理论和研究方法也是地理信息科学学科基础的重要组成部分。系统科学系统科学以系统为研究对象，主要研究系统的类型、结构、性质和运动规律，包括系统观、系统论、系统技术和系统过程。系统科学理论和方法的引入和应用极大的推动了地球科学的发展。信息科学现代信息科学在美国数学家C.E.Shannon于20世纪40年代末提出的信息论的基础上发展起来。首先，地图学、遥感、地理信息系统和全球定位系统及其相关学科的发展，为3S科学体系的建立奠定了技术基础，创造了条件。

（1）地图具有公式化、抽象化、符号化等基本性质和形象直观性、地理方位性、几何精确性等基本特点以及信息传输、信息载负、地图模拟与地图认知等基本功能。

2、技术发展推动（2）在计算机制图基础上迅速发展起来的地理信息系统(GIS)，已被广泛应用于空间信息管理与分析的各个领域，并已形成相当规模的产业。

（3）遥感是通过电磁波在空间对地表特征与地学过程进行测量而