RS、GIS和GPS集成——3S技术系统

当前，以地理信息系统为核心的三S技术（遥感技术RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS）与多媒体（MM）技术有机结合一体化，以其强大的空间信息（数据）采集、处理、分析综合和表达与管理能力，为各行业实际应用部门提供了各种有用的决策信息，大大提高应用部门的生产力及其管理水平，已成为直接为国土资源勘查、生态环境和自然灾害调查、评价、监测与防治等工作及社会生产与管理部门服务的一种实用技术方法。

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20.2.1 地理信息系统（GIS）

20.2.1.1 地理信息系统的概念及其作用

地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）集计算机科学、地理学、测绘、环境科学、空间科学、地质学、信息科学和管理科学等为一体的多学科结合的新兴边缘学科。它以空间数据为研究对象，以计算机为工具，通过人的参与进行一系列空间操作和分析，为地球科学、环境科学、灾害监测与评价、工程设计乃至企业经营等工作提供规划管理的决策科学信息。

地理信息系统已被广泛用于国土资源勘查和环境监测与评价等方面，特别在遥感制图、矿产资源定量预测、工程布置的点位优选、勘探靶区优选等等方面，已有相当的成功实例与经验。目前，地理信息系统已经作为一种主要的信息产业，取得了显著的社会与经济效益。实际上，地理信息系统所研究的对象及覆盖面远远超出了地理学的范畴。

地理信息系统是管理空间数据的计算机系统。空间数据是指不同来源的用遥感和非遥感手段所获取的数据，它有多种数据类型，包括地图、遥感影像、统计数据等，其共同特点是都有确定的空间位置——地理坐标参照系统。其工作过程主要是通过空间实体的空间位置与空间关系来进行的，当然也可以通过它们的属性来进行。它对空间数据除管理、检索、查询外，还必须进行各种运算和分析。其输出除表格、文字、数据外，主要的形式是图形。地理信息系统主要用来分析和管理在一定地理区域内分布的各种地学、社会现象和过程。它是地学、计算机、系统工程等学科知识的融合，是跨学科的技术系统。

遥感是地理信息系统重要的数据源和强有力的数据更新手段。遥感的多时相、量纲统一的、动态的全球范围内的快速监测数据，是其他手段所不能替代和比拟的，因而地理信息系统作为一种空间数据管理、分析的有效技术，可为遥感提供各种有用的辅助信息和分析手段。目前，地理信息系统的一个重要发展趋势，是加强空间信息管理系统与遥感图像处理系统的结合，以提高资源与环境信息系统在动态分析、监测与预报方面的能力，改善遥感分析的精度。

20.2.1.2 系统构成

地理信息系统主要是由GIS的硬件、软件、地理数据（库）和系统的管理操作人员四个部分组成。

GIS硬件主要是计算机，包括必备的外部设备如数字化仪、打印机及绘图仪。可选设备有扫描仪、激光绘图仪及打印机、磁带机等。

地理空间数据是指以地球表面空间位置作为参照系的各种景观数据（如自然的、社会的、人文经济的等）。这些数据可以是图形、图像、文字、表格和数字等形式，由系统的建立者通过有关的量化工具和介质输入GIS，是系统程序作用的对象，是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。

早期的GIS一直是以各种类型的地图作为主要的数据源。随着遥感技术的兴起，遥感信息以其周期性、动态性、信息丰富、获取效率高并可直接以数字方式记录传送等优点成为重要的GIS信息源和数据更新手段。遥感与GIS的结合是空间技术发展的趋势。

系统开发、管理和使用人员是GIS的重要构成因素。因为GIS是一个动态的地理模型，光有系统软硬件和数据不能构成完整的GIS，需要由人进行系统的组织、管理、维护和数据更新，使系统不断得到完善，并合理使用地理分析模型提取多种信息，为研究和决策服务。

GIS软件是GIS技术的核心，它既是GIS技术的集中体现，又是这一技术的应用基础。一般商品化产品，如美国的ARC／INFO系统，中国的MAPGIS，主要由数据采集、数据管理、数据分析、数据转换和数据输出五部分构成。

（1）数据采集

其功能是完成地学数据采集与输入工作，可用扫描仪、数字化仪、图形终端或其他系统的磁盘数据文件输入。主要的信息源有：专题地图（包括地形图）、统计表格、遥感影像、实测数据以及其他系统的数据文件。

数据采集方式主要有以下几种：① 手工式，是早期和试验时采用的方法，效率和精度均低。② 手扶跟踪数字化，是当前最有效的地图数字化方式，在手扶跟踪数字化仪和数字化板支持下进行。通过这种方式可得到矢量格式的地图数字化数据。③ 自动扫描，是最有前途的数字化方式。由扫描仪进行，扫描仪可以每英寸300～600点（线）采集地图或影像的灰度或颜色，形成点阵像元数据或多波段数据。④ 数据通讯，是在联网方式下获取有关的其他信息系统的一种方式。无论用何种方式采集，其目的都是要把数据源变为GIS可以存贮管理和分析的形式。

（2）数据管理

其功能是实现空间（几何）数据和属性（非几何）数据的存储、检索、查询、编辑、修改。GIS与其他信息系统最大的不同之处是对空间数据的管理。如何实现空间数据与属性数据的统一存储、检索、查询、编辑和修改是评价GIS的一个重要方面。

一个功能强大的GIS产品能够提供一个统一的空间数据库管理系统，提供各种范围内的双向查询、编辑、建模功能，允许快速地修正并更新空间数据及有关的描述数据。例如，最新推出的许多GIS软件都使用了一个优化的、面向目标的数据库管理系统，可以快速地存取大型关系文件，它把现实物体的空间关系、特征和属性存储在同一个网络分布式关系数据库中，所以做图、拓扑数据结构是这种数据模型的特征。

（3）数据分析

数据分析部分借助地学模型（预置式模型或用户自定义模型），完成地理数据的分析和计算工作，是GIS的核心内容。目前比较成熟的分析功能有地面数字高程模型、网络分析模型、邻近分析模型、区域分析模型、拓扑分析模型以及空间距离搜索模型等。

数字地面模型（DTM）在自然地理、地貌、水利、工程设计、管道布线等领域有着广泛的应用。当地图被数字化后，利用等高线通过插值可以生成数字地面高程模型（DEM），并由DEM进一步产生坡度、坡向、沟谷、山脊、地表粗糙度等10多个地形要素，构成DTM数据。利用这些地表信息与植被、土壤、人文要素的相关性，可建立不同的地学应用模型。

网络分析模型在经济地理、市场分析、交通管理等领域有着广泛的应用。此模型根据网络拓扑性质，可以在两点间选择最短路径，并绘出其长度和有关信息，也可以比较各个市场中心服务范围和影响区域。

定距离空间搜索（Buffer）模型和邻近区域分析模型在区域规划、国土整治、土地管理等领域有着广泛的应用。通过指定空间搜索距离，用户可以方便地进行空间检索、查询，了解在一定范围内地理现象的空间分布；通过邻近区域分析模型，用户可方便地进行邻近区域检索、查询、了解区域周围的环境情况。由于用模式来定义表，表和空间数据联系在一起，这样用户能进行集成的空间和属性处理、报表生成、专栏处理、属性标记和相互作用的属性修改、更新等项内容。

点、线、多边形是GIS图形数据的基本单元，与之相应的拓扑分析模型在自然资源管理、生态评价、土地评价和规划等领域有着广泛的应用。它通过多幅专题图或专题图与图像合并办法，生成新的专题图及新的属性表，为运用不同评价和规划模型，完成地理信息的分析和地理数据的计算提供了极大方便。

上述系统底层通用分析模型仅提供了某些数据分析的工具。在具体应用领域还需结合专业知识和实际要求建立用户的应用模型。

（4）数据转换

是提供不同空间数据集的集成途径。空间数据都是用矢量和栅格格式进行采集、存贮和处理的。矢量结构的数据更能表达我们的空间想像，因此它最常用于手工的数据采集。但是，数据自动采集方式往往产生与计算机的规则结构相匹配的栅格结构数据。因此，现代GIS应兼容矢量和栅格两种数据格式，提供多种方法进行两种数据的相互转换，满足多源信息综合分析的需求。

（5）数据输出

数据输出部分将GIS信息或分析结果以可视的形式表示，如屏幕，绘图仪、打印机输出等。系统同时支持软硬件拷贝显示，使用户能够获得在屏幕上所见结果，即在地图成图之前，用户能预先看到硬拷贝输出的图形。用户还可以在图形窗口内编辑地图，包括彩色设计，图廓整饰、生成比例尺、注记、图例、表格、公里网格等，最后由绘图仪或打印机输出。

20.2.2 全球定位系统（GPS）

全球定位系统（GPS：Global Position System）是美军自20世纪70年代初期开始研制的新一代卫星导航和定位系统。它由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。工作卫星分布在6个轨道面内，卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，每个轨道平面配置3颗卫星，每隔一条轨道平面配备一颗备用卫星，轨道的平均高度约为20200 km，卫星运行周期为11小时58分。因此，在同一测站上，每天出现的卫星分布图相同，只是每天提前几分钟。每颗卫星对地球的可见面积为地球总表面积的38%，每颗卫星每天约有5小时在地平线上。同时位于地平线上的卫星数目最少为4颗，最多为11颗。这样的空间配置，可保证在地球上任何时间，任何地点至少可同时观测到4颗卫星，加上卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS是一种全球、全天候的连续实时导航定位系统。GPS的出现，为大量的野外高精度定位工作提供了极大方便，使定位与导航在精度和速度上都产生了质的飞跃，进入了电子化和自动化时代。

GPS作为新一代卫星导航与定位系统。不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性等优点，现在已广泛地在全球应用。需要指出，全球定位系统的导航和定位在概念上是有所不同的，所谓定位是指运动载体，如汽车上安装GPS信号接收机，然后实地测出接收天线所在的位置，这称为GPS定位，也称GPS动态定位。动态的意思是指定位是在极短的时间内完成的。如果GPS接收机在测得运动载体实时位置的同时，还测得运动载体的速度，时间和方位等状态参数，进而可“引导”运动载体驶向预定的目标位置，这称为导航。由此可知，导航是一种广义的动态定位。

GPS是从军事方面发展起来的，出于军事目的，它提供两种服务即标准定位服务SPS（Standard Positioning Service）和精确定位服务PPS（Precise Positioning Service）。前者用于民用事业，后者为美国军方服务。美国政府为限制非军事用户和其他国家使用GPS的精度，分别在 1991年和 1994年实施了“SA（Selective Availability）”技术和“AS（Anti-spoofing）”技术，即“有选择可用性”技术和“反电子欺骗技术”。使SPS服务水平定位精度降低到100 m，而在密码保护下的PPS服务精度提高到1 m。

针对实施的“SA”技术，各国纷纷采用技术对策，出现了差分GPS即DGPS（Differential GPS）。“差分”的概念在无线电导航领域早就被采用，差分GPS的提出，使差分技术提高到过去从未有过的重要地位。采用差分GPS几乎可以完全消除“选择可用性”带来的误差。它利用某些地面发射站送出的已知精确位置的基准信号，将其与GPS的定位信号进行比较和修正。这样，通过建立基准通讯链方式，使GPS数据实现精确校正。目前利用差分技术可使定位精度超过单独使用PPS所得到精度。因此，美国比其他许多国家更快地将DGPS投入到实际使用中，目前其精度可达1 cm，用它可监视地球和冰川的微小运动。2001年美国取消了“SA”技术限制，GPS的定位精度大大提高。

全球卫星定位系统的迅速发展，引起了各国军事部门和广大民用部门的普遍关注。GPS定位技术的高度自动化及其所达到的高精度和具有的潜力，也引起了广大测量工作者的极大兴趣。特别是近十多年来，GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速发展。广泛的科学实验活动为这一新技术的应用展现了极为广阔的前景，经典的大地测量技术经历了一场意义深远的变革，从而进入一个崭新的时代。

目前，GPS精密定位技术已经广泛地渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，尤其对经典大地测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理勘探、资源勘察、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分地显示了这一卫星定位技术的高精度与高效益。

20.2.3 RS、GIS和GPS多功能综合

作为空间信息处理的3S技术系统，在空间信息管理中各具特色，均可独立完成自身的功能。同时，它们所能解决的问题之间又有很多关联性，在解决问题的功能上又各自存在着优点和不足：GIS具有较强的空间查询，分析和综合处理能力，但获取数据困难；RS能高效地获取大面积的区域信息，但受光谱波段的限制，且数据定位及分类精度差；GPS能快速地给出目标的位置，对空间数据的精确定位具有特殊意义，但它本身通常无法给出目标点的地理属性。因此，只有三者有机结合起形成一个多功能综合的技术系统，才能发挥更大的作用（图20-3）。在3S系统中，简单地说，GIS相当中枢神经，RS相当传感器，GPS相当定位器，三者的共同作用将使地球能实时感受到自身的变化，使其在资源环境和区域管理等众多领域中发挥巨大作用。RS，GIS和GPS三者的结合与集成已成为当今空间信息系统的发展方向，也是空间科学发展的必然趋势。

图20-3 3S技术系统

20.2.3.1 GIS与RS的结合

GIS和RS都是独立发展起来的支撑现代地学的空间科学技术，其中GIS是管理与分析空间数据的有效工具，RS是空间数据采集和分类的有效工具，它们的研究对象都是空间实体，二者关系十分密切。

GIS和RS的结合主要表现在RS对GIS动态地提供和更新各种数据，而GIS作为空数据处理分析的技术工具，可大大提高RS空间数据的分析能力及分析精度。在实践中，RS和GIS结合的主要形式是利用遥感图像经过计算机图像处理、信息提取、目视解译等方式，编制各种专题图，而后通过数字化仪等输入设备将专题图上所需信息输入到地理信息系统中，或者遥感数据经图像处理、分类和模式识别等方式提取有关信息直接进入地理信息系统数据库。这种结合方式的实质是用遥感形成专题系列数据库（包括遥感图像库）提供给地理信息系统。数据库中各专题要素因来自同一信息源，保证了时相和图幅位置配准，所以很适合在地理信息系统中进行多重信息的综合与复合分析，从而派生出综合性数据及图件，最大限度地发挥有关数据的作用。例如，在流域综合治理中，根据单要素的坡度图、土壤类型图、地貌类型图及植被类型图，通过地理信息系统中的有关模型分析可得到土地利用评价图及土地利用规划图等。

20.2.3.2 RS与GPS的结合

GPS和RS都可看作为GIS的数据源的获取系统，而且，GPS和RS既分别具有独立的功能，又可以互相弥补其不足。

首先，GPS的精确定位功能解决了RS获取目标信息定位困难的问题。在GPS问世以前，地面同步光谱测量、遥感的几何校正和定位等都是通过地面控制点进行大地测量才能确定的，这不但费时费力，而且当无地面控制点时更无法实现，从而严重影响数据实时进入系统。GPS的快速定位为RS数据实时、快速进入GIS系统提供了可能。也就是说，借助GPS可使RS迅速进入GIS分析系统，保证了RS数据及地面同步监测数据获取的动态配准、动态地进入GIS数据库。

其次，利用RS数据实现GPS定位遥感信息查询。此外，利用GPS形成了一系列新技术，如GPS气象遥感技术，利用GPS卫星和接收机之间无线电讯号在大气电离层和对流层中的延迟时间，了解电离层中电子浓度和对流层中温度湿度获得大气参数及其变化情况。因而目前建立和正在建立的全球许多GPS观测网将是提供大气参数的一个重要新数据源。对天气预报尤其是短期天气预报发挥巨大作用。

20.2.3.3 GPS与GIS的结合

GPS和GIS的结合，不仅能取长补短使各自的功能得到充分的发挥，而且还能产生许多更高级功能，从而使GPS和GIS的功能都迈上一个新台阶。

通过GIS系统，可使GPS的定位信息在电子地图上获得实时的，准确的形象的反映及漫游查询。通常GPS接收机所接收信号无法输入底图。若从GPS接收机上获取定位信息后，再要回到地形图或专题图上查找，核实周围地理属性，该工作十分繁杂，而且花费时间长，在技术手段上也是不合理的。如果把GPS的接收机同电子地图相配合，利用实时差分定位技术，加上相应的通信手段组成各种电子导航和监控系统，可广泛用于交通、公安侦破、车船自动驾驶、科学种田和海上捕鱼等方面。

GPS为GIS及时采集、更新或修正数据，例如在外业调查中通过GPS定位得到的数据，输入给电子地图或数据库，可对原有数据进行修正、核实、赋予专题图属性以生成专题图。

为何把GIS、RS、GPS称为3S技术？

3S技术是遥感技术（Remote Sensing，简称RS）、地理信息系统(Geography Information Systems，简称GIS)和全球定位系统(Global Positioning Systems，简称GPS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。3S技术是现代技术发展的先导，对全世界的科技进步发挥着重要作用，在农业领域也有极广泛的应用。

遥感技术是指从高空或外层空间接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并通过对这些认息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术，可用于植被资源调查、作物产量估测、病虫害预测等方面。

地理信息系统是综合处理和分析空间数据的计算机系统，最常用于资源与环境的监测分析。地理信息系统与遥感技术密不可分，遥感是用业采集空间信息并加以识别、分类，地理信息系统则是对这些信息进行管理和分析。

全球定位系统是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。应用全球定位系统的载波相位测量技术，可以精确测定两点是的相对位置，应用于农业测量、森林资源测量、渔业资源测量等，可获得高精度的空间定位数据。

地图学与3S技术（GIS、RS和GPS)有什么关系？

按照个人的话说，地图学与GIS关系最密切。GIS是地理信息系统（或地理信息科学科学）的缩写，其核心之一就地理信息可视化，而空间信息可视化的最主要载体一般来说是地图。

地图学与地理信息系统采用一致的数学基础。

地图学与地理信息系统采用一致的抽象思想。

地图学与计算机科学的交叉是地理信息系统的主体和基础。

如果将GIS理解为地理信息科学，那么地图学隶属GIS。

……

至于遥感为什么叫遥感而不叫“地表相片”、GPS又是凭什么定位，地图学的灵魂就在其中。

粗浅的表达，见笑了。

地理中3S技术是指什么？

RS、GPS和GIS被统称为3S技术

随着3S技术的不断发展，将遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统紧密结合起来的“3S'’一体化技术已显示出更为广阔的应用前景。以RS、GIS、GPS为基础，将RS、GIS、GPS三种独立技术中的有关部分有机集成起来，构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。

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