全第八章遥感、地理信息系统与全球定位系统综合应用

第八章遥感、地理信息系统与全球定位系统综合应用

教学目的：了解3S的概念及简单应用

教学课时：2

遥感技术通过不同遥感传感器来获取地表数据，然后进行处理、分析，最后获得感兴趣地物的有关信息，并且随着遥感技术的发展，这种技术所能获得的信息越来越丰富。地理信息系统的长处在于对数据进行分析。如果将两者集成起来，一方面，遥感能帮助GIS系统解决数据获取和更新的问题；另一方面，可以利用GIS中的数据帮助遥感图像处理。由于GPS在实时定位方面的优势，使得GPS与遥感图像处理系统的集成变得很自然。不管是地理信息系统，还是遥感图像处理系统，都处理的是带坐标的数据，而GPS是当前获取坐标最快、最方便的方式之一，同时精度也越来越高。3S集成，即遥感图像处理系统、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）的集成可谓是水到渠成的事。

“3S”的两两结合即GPS与RS的结合，GPS与GIS的结合和RS与GIS的结合。其中RS和GIS的结合是核心。

1）GPS与RS结合的关键在硬件，即GPS与RS传感器的结合；二者的结合能够实现无控制点的情况下空对地的直接定位。

2）GPS与GIS结合的关键在软件，GPS作为GIS的数据源用于寻找目标，帮助GIS定位以及数据的更新。二者的集成可利用地面与空间的GPS数据进行载波相位差分测量以满足GIS不同比例尺数据库的要求。二者集成的最成功的应用是车辆导航与监控。

3）RS与GIS的结合。RS与GIS的结合有三种方式，图8-1是分开但平行的结合，这种结合方式的系统有不同的用户界面，不同的工具库和不同的数据库。RS的数据结构为栅格数据，其几何信息（定位信息）为其行、列数，而其属性信息（定性信息）为其灰度值，GIS多为矢量数据结构，可实现矢－栅转换，因此，GIS与RS的结合实质上是数据转换、传输、配准。为了便于管理，在具体实施中有两种结构，一种是GIS为RS的一个子系统；另一种是RS为GIS的子系统，这种结构更易实现，因为在GIS中增加栅格数据处理功能比在RS中增加矢量数据处理、分析及数据库管理功能更容易一些，逻辑上也更为合理；图8-1b为表面无缝的结合。这种结合方式的系统有同一的用户界面，不同的工具库和数据库。这种类型结合的软件系统比较多。以上两种方式的结合都需要建立一种标准的空间数据交换格式作为RS与GIS之间、各种GIS之间、GIS与电子地图之间的数据交换格式和标准；图8-1c为整体的结合，这种结合方式的系统有同一用户界面，同一工具库和同一数据库，即将GIS与RS真正集成起来，形成数据结构和物理结构均为一体化的系统。这是RS与GIS结合的理想方式。目前，已经有这样的系统出现。

软件方面，数据结构一致，物理结构紧密的“3S”集成系统目前尚不多见，常见的多系两两紧密结合，而附加了第三者，即相对松散的集成系统。下面介绍两个“3s”集成系统的例子。

一、车辆导航系统
这是一个GPS与GIS集成的例子，由武汉测绘科技大学研制。该系统由GPS接受机实时接受卫星信号转换为坐标信息，与地图数据进行匹配；利用GIS组织管理路网空间数据及属性数据，并对路网建立拓扑关系。

• 系统的组成

包括：主频工控机一台，带多媒体设备、GPS接收机、电子罗盘、车轮记速器、操作系统、GPS信号处理系统、GPS与GIS集成软件、语音识别软件、电子地图。

• 系统的功能：

• 地图的显示、缩放、漫游、图形的任意旋转
• 查询功能，属性、图形的相互查询
• 最佳路线的搜索，邮路的选择，
• 最佳路径导航和随机导航两种导航方式
• 动态显示车的当前位置和汽车走过的路程
• GPS飘移误差的纠正
• 当GPS信号丢失时，推估车的当前位置
• GPS坐标与地图匹配，驾驶方向的确定，根据驾驶方向实时的把前进方向调整到正北方向
• 行车道路、位置、到达目的地等丰富的声音、文字提示
• 可以摆脱传统鼠标、键盘输入、采用声音输入，而且不需要口音适应
• 系统的主要技术内容：

1）GIS与GPS的接口。接受GPS信号，处理，获得坐标信息以及进行坐标转换。

2）GIS数据的组织与最佳路径的搜索。系统利用GeoStar组织底层空间数据；动态建立路网拓扑关系；利用DIJSTRA算法进行最佳路径选择。

3）GPS坐标与数字地图匹配。由于GPS精度问题，系统采用一定的算法进行GPS定位结果与道路网的强制符合。

4）系统的界面设计。

5）声音控制。驾驶员可以通过声音控制系统，便于集中精力驾驶。

该系统能够帮助司机选择最佳路径，提供道路信息，提高效率。该系统的界面如图8-2所示。

图8-2 车载导航系统界面

二、边缘区的监测
这是一个3S集成应用的例子，主要进行加拿大马克海姆市边缘区的变化情况研究。首先，通过RS获取城市边缘区的影像，并对其进行分类，获取边缘区的信息。然后，利用GPS获取路网数据作为现世数据之一，再通过数字化已有图件获取OBM数据和区域土地利用数据，最后输入到GIS软件中进行分析比较获得城市变化信息。
其技术流程图如图8-3所示。

图8-3左边流程是利用SPOT卫星HRV XS（多光谱）和P（全色波段）图像数据提供马克海姆市边缘区的土地利用类型数据。首先，将两幅图像进行几何纠正，接着采用相关系数法进行多光谱波段影像和全色波段的复合，然后采用监督最大似然法进行分类，分出光谱类别，再利用频谱算法进行土地覆盖和土地利用分类，分出不同的土地利用类型。

图8-3右边示出了集成分析的过程。首先，由车载GPS接收机采集道路网数据，利用ARC/INFO产生道路网图，接着，通过数字化基本图和土地利用图获取OBM数据和区域土地利用数据，最后，将SPOT HRV的分类数据，GPS道路网数据，区域土地利用数据和OBM数据一起输入GIS软件中，用矩阵覆盖分析方法提取有关信息（如演变信息），并通过彩色绘图仪得到马克海姆城市边缘区的演变图。

现在也有人不仅限于3S，提出更多的系统集成，将“3S”再加上数字摄影测量系统（DPS）和专家系统（ES）构成“5S”。还有将3S系统与实况采集系统（LCS）和环境分析系统（EAS）进行集成以实现地表物体和环境信息的实时采集、处理和分析。

3S集成是GIS、GPS和RS三者发展的必然结果。3S的迅猛发展使得传统的地球系统科学所涵盖的内容发生了变化，形成了综合的、完整的对地观测系统，提高了人类认识地球的能力。