第八章遙感、地理信息系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)綜合應(yīng)用
教學(xué)目的：了解3S的概念及簡(jiǎn)單應(yīng)用
教學(xué)課時(shí)：2
遙感技術(shù)通過不同遙感傳感器來獲取地表數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理、分析，最后獲得感興趣地物的有關(guān)信息，并且隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)所能獲得的信息越來越豐富。地理信息系統(tǒng)的長(zhǎng)處在于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如果將兩者集成起來，一方面，遙感能幫助GIS系統(tǒng)解決數(shù)據(jù)獲取和更新的問題；另一方面，可以利用GIS中的數(shù)據(jù)幫助遙感圖像處理。由于GPS在實(shí)時(shí)定位方面的優(yōu)勢(shì)，使得GPS與遙感圖像處理系統(tǒng)的集成變得很自然。不管是地理信息系統(tǒng)，還是遙感圖像處理系統(tǒng)，都處理的是帶坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，而GPS是當(dāng)前獲取坐標(biāo)最快、最方便的方式之一，同時(shí)精度也越來越高。3S集成，即遙感圖像處理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的集成可謂是水到渠成的事。
“3S”的兩兩結(jié)合即GPS與RS的結(jié)合，GPS與GIS的結(jié)合和RS與GIS的結(jié)合。其中RS和GIS的結(jié)合是核心。
1）GPS與RS結(jié)合的關(guān)鍵在硬件，即GPS與RS傳感器的結(jié)合；二者的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)無控制點(diǎn)的情況下空對(duì)地的直接定位。
2）GPS與GIS結(jié)合的關(guān)鍵在軟件，GPS作為GIS的數(shù)據(jù)源用于尋找目標(biāo)，幫助GIS定位以及數(shù)據(jù)的更新。二者的集成可利用地面與空間的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行載波相位差分測(cè)量以滿足GIS不同比例尺數(shù)據(jù)庫的要求。二者集成的最成功的應(yīng)用是車輛導(dǎo)航與監(jiān)控。
3）RS與GIS的結(jié)合。RS與GIS的結(jié)合有三種方式，圖8-1是分開但平行的結(jié)合，這種結(jié)合方式的系統(tǒng)有不同的用戶界面，不同的工具庫和不同的數(shù)據(jù)庫。RS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為柵格數(shù)據(jù)，其幾何信息（定位信息）為其行、列數(shù)，而其屬性信息（定性信息）為其灰度值，GIS多為矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)矢－柵轉(zhuǎn)換，因此，GIS與RS的結(jié)合實(shí)質(zhì)上是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸、配準(zhǔn)。為了便于管理，在具體實(shí)施中有兩種結(jié)構(gòu)，一種是GIS為RS的一個(gè)子系統(tǒng)；另一種是RS為GIS的子系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)更易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵?/span>GIS中增加?xùn)鸥駭?shù)據(jù)處理功能比在RS中增加矢量數(shù)據(jù)處理、分析及數(shù)據(jù)庫管理功能更容易一些，邏輯上也更為合理；圖8-1b為表面無縫的結(jié)合。這種結(jié)合方式的系統(tǒng)有同一的用戶界面，不同的工具庫和數(shù)據(jù)庫。這種類型結(jié)合的軟件系統(tǒng)比較多。以上兩種方式的結(jié)合都需要建立一種標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)交換格式作為RS與GIS之間、各種GIS之間、GIS與電子地圖之間的數(shù)據(jù)交換格式和標(biāo)準(zhǔn)；圖8-1c為整體的結(jié)合，這種結(jié)合方式的系統(tǒng)有同一用戶界面，同一工具庫和同一數(shù)據(jù)庫，即將GIS與RS真正集成起來，形成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)均為一體化的系統(tǒng)。這是RS與GIS結(jié)合的理想方式。目前，已經(jīng)有這樣的系統(tǒng)出現(xiàn)。
軟件方面，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致，物理結(jié)構(gòu)緊密的“3S”集成系統(tǒng)目前尚不多見，常見的多系兩兩緊密結(jié)合，而附加了第三者，即相對(duì)松散的集成系統(tǒng)。下面介紹兩個(gè)“3s”集成系統(tǒng)的例子。
一、車輛導(dǎo)航系統(tǒng)
這是一個(gè)GPS與GIS集成的例子，由武漢測(cè)繪科技大學(xué)研制。該系統(tǒng)由GPS接受機(jī)實(shí)時(shí)接受衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)信息，與地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配；利用GIS組織管理路網(wǎng)空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)，并對(duì)路網(wǎng)建立拓?fù)潢P(guān)系。
包括：主頻工控機(jī)一臺(tái)，帶多媒體設(shè)備、GPS接收機(jī)、電子羅盤、車輪記速器、操作系統(tǒng)、GPS信號(hào)處理系統(tǒng)、GPS與GIS集成軟件、語音識(shí)別軟件、電子地圖。
1）GIS與GPS的接口。接受GPS信號(hào)，處理，獲得坐標(biāo)信息以及進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
2）GIS數(shù)據(jù)的組織與最佳路徑的搜索。系統(tǒng)利用GeoStar組織底層空間數(shù)據(jù)；動(dòng)態(tài)建立路網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系；利用DIJSTRA算法進(jìn)行最佳路徑選擇。
3）GPS坐標(biāo)與數(shù)字地圖匹配。由于GPS精度問題，系統(tǒng)采用一定的算法進(jìn)行GPS定位結(jié)果與道路網(wǎng)的強(qiáng)制符合。
4）系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)。
5）聲音控制。駕駛員可以通過聲音控制系統(tǒng)，便于集中精力駕駛。
該系統(tǒng)能夠幫助司機(jī)選擇最佳路徑，提供道路信息，提高效率。該系統(tǒng)的界面如圖8-2所示。
圖8-2 車載導(dǎo)航系統(tǒng)界面
二、邊緣區(qū)的監(jiān)測(cè)
這是一個(gè)3S集成應(yīng)用的例子，主要進(jìn)行加拿大馬克海姆市邊緣區(qū)的變化情況研究。首先，通過RS獲取城市邊緣區(qū)的影像，并對(duì)其進(jìn)行分類，獲取邊緣區(qū)的信息。然后，利用GPS獲取路網(wǎng)數(shù)據(jù)作為現(xiàn)世數(shù)據(jù)之一，再通過數(shù)字化已有圖件獲取OBM數(shù)據(jù)和區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)，最后輸入到GIS軟件中進(jìn)行分析比較獲得城市變化信息。
其技術(shù)流程圖如圖8-3所示。
圖8-3左邊流程是利用SPOT衛(wèi)星HRV XS（多光譜）和P（全色波段）圖像數(shù)據(jù)提供馬克海姆市邊緣區(qū)的土地利用類型數(shù)據(jù)。首先，將兩幅圖像進(jìn)行幾何糾正，接著采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行多光譜波段影像和全色波段的復(fù)合，然后采用監(jiān)督最大似然法進(jìn)行分類，分出光譜類別，再利用頻譜算法進(jìn)行土地覆蓋和土地利用分類，分出不同的土地利用類型。
圖8-3右邊示出了集成分析的過程。首先，由車載GPS接收機(jī)采集道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用ARC/INFO產(chǎn)生道路網(wǎng)圖，接著，通過數(shù)字化基本圖和土地利用圖獲取OBM數(shù)據(jù)和區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)，最后，將SPOT HRV的分類數(shù)據(jù)，GPS道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)和OBM數(shù)據(jù)一起輸入GIS軟件中，用矩陣覆蓋分析方法提取有關(guān)信息（如演變信息），并通過彩色繪圖儀得到馬克海姆城市邊緣區(qū)的演變圖。
現(xiàn)在也有人不僅限于3S，提出更多的系統(tǒng)集成，將“3S”再加上數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)（DPS）和專家系統(tǒng)（ES）構(gòu)成“5S”。還有將3S系統(tǒng)與實(shí)況采集系統(tǒng)（LCS）和環(huán)境分析系統(tǒng)（EAS）進(jìn)行集成以實(shí)現(xiàn)地表物體和環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集、處理和分析。
3S集成是GIS、GPS和RS三者發(fā)展的必然結(jié)果。3S的迅猛發(fā)展使得傳統(tǒng)的地球系統(tǒng)科學(xué)所涵蓋的內(nèi)容發(fā)生了變化，形成了綜合的、完整的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，提高了人類認(rèn)識(shí)地球的能力。
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