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§4.8 空间数据的更新处理
GIS的生命力将最终取决于其空间数据库的现势性，遥感数据是GIS的重要信息源和数据更新的手段。全球卫星定位系统(GPS)作为一种新型的定位数据的采集和更新手段，具有高精度、高效益、全天候、低成本、高灵活性、实时性等特有的优势，因而在GIS中具有重要的应用价值。
一、利用遥感（RS）更新空间数据
RS与GIS的结合具有重要意义。GIS的生命力将最终取决于其空间数据库的现势性，遥感数据是GIS的重要信息源和数据更新的手段。同时，RS与GIS的结合可以有效地改善遥感分析。利用GIS的空间数据可以提高遥感数据的分类精度。由于分类可信度的提高，又推动了GIS中数据快速更新的实现。GIS中的高程、坡度、坡向、土壤、植被、地质、土地利用等信息是遥感分类经常要用到的数据。另外，RS与GIS的结合可以进一步加强GIS的空间分析功能。
二、利用全球定位系统（GPS）更新空间数据
全球卫星定位系统(GPS)作为一种新型的定位数据的采集和更新手段，具有高精度、高效益、全天候、低成本、高灵活性、实时性等特有的优势，因而在GIS中具有重要的应用价值。先介绍全球定位系统（GPS）的基本原理与技术然后介绍了GPS的测距方法，接着阐述了GPS用于GIS空间数据的更新的方法，最后介绍了GPS与GIS的结合方式。
一、利用遥感（RS）更新空间数据
1、遥感(RS)的基本原理与技术
(1)遥感的基本概念
遥感是一种远离目标，通过非直接接触而判定、测量并分析目标性质的技术。
对目标进行信息采集主要是利用了目标反射或辐射的电磁波。
接收从目标中反射或辐射的电磁波的装置叫作遥感器(remote sensor)，照相机及扫描仪等即属于此类。此外，搭载这些遥感器的移动体叫做遥感平台(platform)，
根据可利用的电磁波的光谱段，遥感可分为可见光与反射红外遥感、热红外遥感、微波遥感三种类型。
(2)航空遥感技术
航空遥感是以飞机或气球作为工作平台进行成象或扫描的一种遥感方式。航空遥感具有成像比例尺大、分辨率高、几何纠正准确等优点，在GIS中也有重要的应用。现在的航空遥感，除以感光胶片作为传统记录外，还可进行磁带记录，把获取的紫外、红外、微波等信息，转换成图像和数字信息，以便于计算机对遥感信息的进一步处理。
(3)航天遥感技术
人造卫星给多种传感器提供了离地面更高的工作平台，使传感器具有更广阔的视野，居高临下，俯视一切。卫星遥感还可不受国界和地形的限制，可对全球作连续的观测。遥感卫星根据其轨道及搭载的遥感器不同而有不同的特征。遥感卫星的主要功能有，记录准确的遥感器的位置，可靠地获取数据以及将获取的数据传送到地面站。
2、遥感数据的计算机处理
(1)遥感数据
遥感数据是用遥感器探测来自地表的电磁波，通过采样及量化后获得的数字化数据。
遥感中所采用的电磁波的波长范围是从紫外线到微波。用遥感器接收的电磁波是按每个特定的波长段进行数字化的。这种由多个波长段构成的数据叫多通道数据或多波段数据或多光谱数据。
在多波段数据中，各波段的电磁波是用不同的探测元件探测的。各探测元件捕捉到的地表位置存在着细小的差异。校正这种差异，把各通道的数据重合起来的过程叫通道间的配准。
多波段图像具有位置和光谱信息，其数据格式根据二维空间的像元配置中如何存贮各种波段的信息而分成三类：①BSQ方式，②BIL方式，③BIP方式。
在遥感数据中，除图像信息以外，还附带有各种注记信息。
(2)图像校正
图像校正就是指从具有畸变的图像中消除畸变的处理过程。图像校正分为辐射量校正和几何校正。消除图像数据中依附在辐射亮度中的各种失真的过程叫辐射量校正。辐射量校正包括由遥感器的灵敏度特性为起因的畸变校正，由太阳高度及地形等为起因的畸变校正、大气校正等。图像的几何校正是指从具有几何畸变的图像中消除畸变的过程。也可以说是定量地确定图像上的像元坐标(图像坐标)与目标物的地理坐标( 坐标等)的对应关系(坐标变换式)。
在通常的几何校正过程中，是在校正后的输出地图坐标系上设定正方格，求出格点上对应的图像数据。可是，在该输出图像坐标系的格点上所对应的输入图像坐标通常不是整数值，所以必须用输入图像上周围点的像元值对所求点的像元值进行内插来求出。用于几何校正的主要内插方法有以下3种：①最邻近内插法，②双线性内插法，③3次卷积内插法。
(3)图像变换
按照分析目的对图像数据进行加工，这一处理过程叫图像增强。典型的图像增强有灰度变换、彩色合成、色彩空间变换等。把图像所具有的性质进行定量化的处理过程叫特征提取。实际上，图像增强和特征提取多用于同一处理中，前者是以人工判读为前提，重点放在显示技术上，后者的特征则是处理的定量性。
①灰度变换
灰度变换是指通过对图像的灰度信息进行变换处理，而达到增强图像的目的的方法。
②直方图变换
直方图变换是使输入图像的灰度值的频率分布(直方图)与所希望的直方图形状一致而变换灰度值的方法。典型的直方图变换分为直方图均衡化和直方图正态化。
③图像的彩色显示
遥感数据是直接从遥感器得到的数字数据的罗列。为了使其内容直观易懂，常需进行彩色显示。彩色显示有两种方法，一是把多个波段的图像分别赋予一种原色而进行显色的合成法；另一种是对黑白图像的灰阶赋予颜色的假彩色显示法。
④图像间运算
在以同一区域为目标的不同图像间进行运算的处理过程称为图像间运算。包括多光谱图像的波段间运算和不同时期观测的图像间运算等。运算的结果生成新的图像数据。图像间的运算分为算术运算(加减乘除及其组合)和逻辑运算(逻辑和、逻辑积等)。
⑤主成份分析
主成份分析着眼于变量之间的相互关系，在尽量不丢失信息的前提下，用几个综合性指标对多个测量值进行描述。在多光谱图像中，由于各波段的数据间存在相关的情况很多，通过主成份分析可以把图像中所含的大部分信息用假想的少数波段表示出来。
⑥空间滤波
空间滤波是指对图像应用若干滤波函数而获得改进的输出图像的技术。滤波函数有低通滤波、高通滤波、带通滤波等。
⑦纹理分析
纹理也称结构，是指存在于图像某一范围内的有规律排列的图案。根据构成图案的要素的形状、密度、方向等纹理进行图像特征提取的处理叫做纹理分析。
(4)图像分类
将图像中所含的多个目标物区分开就是图像的分类。常用方法是：多级切割分类法、决策树分类法、最小距离分类法、最大似然比分类法、模糊分类法、专家系统分类法、神经网络分类法等。
3、RS用于GIS空间数据的更新
RS与GIS的结合具有重要意义。GIS的生命力将最终取决于其空间数据库的现势性，遥感数据是GIS的重要信息源和数据更新的手段。同时，RS与GIS的结合可以有效地改善遥感分析。利用GIS的空间数据可以提高遥感数据的分类精度。由于分类可信度的提高，又推动了GIS中数据快速更新的实现。GIS中的高程、坡度、坡向、土壤、植被、地质、土地利用等信息是遥感分类经常要用到的数据。另外，RS与GIS的结合可以进一步加强GIS的空间分析功能。
(1)RS与GIS的结合方式
RS与GIS的结合方式通常有三种：①分开但是平等的结合，②表面无缝的结合，③整体的结合。
(2)RS用于GIS地理数据库的快速更新
图像预处理的主要目的是根据资料及所需要的专题信息设法提高遥感图像的可分性。其技术方法有反差增强、边界增强、均衡化、比值组合处理(产生比值影象、差值影像)、色度空间转换等。。
自动识别分类处理是对预处理后的图像进行模糊分类、领域分类和纹理分类等，然后选择分类结果最好的一种。
实现数据快速自动更新的关键在于提高分类精度。另外，可采用人机交互判读、利用专题信息引入编译分类等方法来完成。
几何精校正处理是为了与地图数据配准，取得投影方式一致，比例尺一致，便于入库存贮而进行的，也就是用与传统的图像同名控制点相对应的方法来实现的。
通过遥感影像的正射纠正、投影转换、坐标变换等，遥感影像应与GIS的空间数据在同一数据基底下配准。配准精度应满足基底数据精度，对1：25万数据而言，配准误差不应大于图上0.2毫米。
为了更新GIS的矢量数据库，需要将遥感图像与GIS空间数据对应的图形以透明方式迭加，并发现和确定需要更新的内容。然后要将栅格数据进行矢量化处理，同时进行一些入库前的预处理。如处理数据更新区域新数据与旧数据的关系，建立拓扑关系等。然后数据就可以按GIS指定的数据结构入库了。
用卫星影像获取各种地面要素的矢量信息，可选用美国陆地卫星的TM多光谱图像或法国的SPOT卫星图像。SPOT卫星图像的产品有全色、多光谱和立体图像三种。
水系要素的更新：由于水体对近红外辐射强烈吸收，因而水体在TM4波段影像上明显地显示出来。
道路要素的更新：新修的道路在TM2波段影像上反射强烈，目视判读容易，具有一定的形状特征，且辐射特性与邻域目标反差较大。
居民地要素的更新：面状居民地在TM2波段影像上比较明显，因此面状居民地可利用TM2波段提取或采用数字化方法进行更新。
植被要素的更新：1：25万比例尺的植被层变化较大，可利用植被在红外波段反射率最大的特性，直接在TM2，3，4三波段彩色合成影像上目视判读植被的边界并在屏幕上半自动确定分割边界，或采用多波段合成影像进行分类，最后获得植被要素的矢量数据。
其他要素的数据更新，同样需要根据地物的反射或辐射特性选择相应的遥感影像，并与要素的矢量数据配准迭加，更新方法同样可采用自动与半自动两种方式。
由遥感影像支持的GIS数据库的更新可以有两种途径：
（1）对GIS总体数据库的直接更新。
（2）处理结果的独立存贮。
二、利用全球定位系统（GPS）更新空间数据
1、全球定位系统（GPS）概述
（1）GPS定位的基本原理
20世纪60年代，随着空间技术的发展，各种人造卫星相继升空。于是人们很自然地想到，如果把无线电信号发射机从地面站搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统，就能较好地解决覆盖面与定位精度之间的矛盾。全球定位系统就是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。
GPS定位与通常的距离交会法从原理上讲并无差别，只是在一般的距离交会中，已知点A、B、C通常为固定点，其坐标一经确定后便能长期使用，而在GPS定位中三个已知点A、B、C是高速运动的卫星，其位置将随时间而迅速变化。此外在一般的距离交会中待定点至已知点的距离通常是用测距仪或钢尺丈量的，而在GPS定位中则采用了不同的方法。
GPS由空间部分、控制部分和用户设备三部分组成。
1°空间卫星
它们是由载有原子钟的21颗工作卫星及3颗热备份的卫星组成。分别在6个倾角为55°的几乎为圆形的轨道上，每个轨道上有3颗卫星，每隔一条轨道平面配1颗热备份卫星。卫星轨道呈圆形，高19650km，周期为12个恒星时。这种配置可实现24小时全球覆盖，地球上任何地点的用户在任何时候至少能看到4颗卫星。每个卫星都向地面连续发射L1和L2的载波频率分别为1575.42MHz和1227.60MHz，L1是扩频调制采用非平衡式QPSK，1信道扩频码是长度为1023CHIP的GOLD码，CHIP速率为1.023Mbps，码周期为1.0ms。
2°控制部分
控制部分由一个主控站和分布在地球上不同地点的多个监测站组成，负责卫星的定位、监测和数据的加载。各个监测站跟踪其视野中的所有卫星，并将收集到的卫星距离、时钟数据送往主站。主站将这些数据与前一次测得到卫星天文数据。时钟漂移数据等进行比较，并根据比较结果校正导航数据，再通过一个地球站将导航数据加载到卫星上，供用户使用。
3°用户设备
用户设备上一部科在地球上如何地点利用“导航星”信号，确定位置和时间、指示运动方向、速度和目的地方位等等接收机。接收机有并行、串行两种方式。并行方式上接收机具有多个信道，每信道分别跟踪一颗卫星信号；可连续不断地监测，并同时解调各个信道的信号；串行方式上接收机只有单个信道，利用切换来选择卫星信号，并逐个解调来处理至少4颗卫星的信号。两种接收机都是首先同步并跟踪C/A码，在C/A码建立同步后，载波恢复电路可以相位锁定于C/A载波，然后进行数据解调。P码同步是利用从数据报文或以前得到的数据获得到信息完成的。
（2）GPS的测距方法
1°概述
我们知道测距通常可采用几何测距和物理测距这两种方法。几何测距是通过将待测距离与标准长度(如铟钢线尺、钢卷尺等)进行几何对比来实现的。这种方法显然不能用于测定用户与GPS卫星间的距离。物理测距则是通过测定测距信号的传播时间来间接测定距离的。在物理测距中信号的传播速度通常被认为是已知的(信号传播过程中介质对传播速度的影响通常是通过专项改正来加以消除的)。物理测距又可分为下列两种方式：
①主动式测距
②被动式测距
2°测距码
全球定位系统是利用测距码来测定距离的。测距码是一种周期性的按照某种特定规律编排起来的二进制代码。这是一种从某一特定结构的线性反馈移位寄存器中产生并经过移位、复合、截短等处理后形成的一种伪随机噪声码。如果用户接收机也能产生结构完全相同的测距码(称为复制码或本地码)，那么就能用它来测定从接收机至卫星间的距离。
3°载波相位测量
4°载波相位测量
（3）GPS的卫星星历
1°地面控制系统
2°广播星历和精密星历
（4）美国政府的GPS政策
1°SA技术
2°AS技术
3°影响及对策
【关键语句解释】
GPS用于GIS空间数据的更新
全球卫星定位系统(GPS)作为一种新型的定位数据的采集和更新手段，具有高精度、高效益、全天候、低成本、高灵活性、实时性等特有的优势，因而在GIS中具有重要的应用价值。
GPS在GIS中的应用常常分为两种情况，一是直接用GPS技术对GIS的空间数据作实时更新和采集；二是把GPS接收机的实时差分定位技术与GIS的电子地图相结合，组合成各种电子导航系统。另外，GPS还可以为GIS中空间数据的采集提供辅助的定位数据，可大大提高成果数据的精度和应用范围，例如在航空摄影测量和遥感中应用GPS技术。下面把GPS在GIS的有关应用举例说明。
①GIS空间基础数据的采集
这种数据一般包括应用GPS技术所建立的大地测量控制网和水准模型等数据。这些数据所体现的大地模型是地理信息系统所有空间数据赖以存在的空间基准，它一经建立就会保持相当长时间的稳定，可保持几十年甚至上百年。目前，应用GPS系统的静态或快速静态观测模式，可建立各种等级的测量控制网。由于GPS技术的应用，使得各等级的测量控制网的布设在精度、速度和成本等方面得到了极大的改善。
②地形数据的局部修测
地形数据是GIS数据的基础部分，这些数据在总体上是比较稳定的，整体数据的更新时间比较长，但局部的修测和补充往往比较频繁，否则数据的现势性和应用价值就会降低。利用GPS来进行这方面的工作，具有明显的优越性。传统的地形测量方法，必须遵循先逐级布设控制，然后再进行碎部测量的操作程序。并且，要按照所布设的图根点逐一设站，每站测量的地形范围都是有限的，所以工作效率和成图精度都受到了很大的限制。而利用GPS的RTK定位技术进行野外作业时，流动站(工作站)与参考站之间的距离可达10～20公里，所以，流动站可在参考站周围10～20公里的范围内机动灵活地采集数据，不受视距长度和地形条件的限制，大大提高了工作效率。RTK定位技术本身的精度可达到厘米级，由于没有其他的中间环节，所以成图的精度也是很高的，碎部点点位数据信息的采集精度将优于0.1米。
③公路数据的采集与更新
在地理信息系统中，有关公路尤其是高等级公路的数据包括公路横断面和纵断面以及中心线等数据。GPS技术非常适合于公路信息的采集工作。横断面数据的采集以利用GPS的准动态观测模式为宜。横断面测量一般每隔一定的间隔采集一个数据面。公路纵断面数据信息的采集，可利用动态GPS定位技术。采集公路纵断面数据信息时，一般沿公路的左边线、右边线和中心线连续地采集断面点的坐标信息。如果应用传统的采集方法，需沿着公路断面线每隔20米采测一个点，与之相比，动态GPS定位技术的一个明显的优势是它能以更高的采样密度采集断面点的平面坐标和高程信息，从而可以获得更为逼真的公路断面图。加拿大的测量工作者在一次试验性的公路断面测量工程中，通过精度的检核说明，在99%的置信水平下，应用动态GPS定位技术采集断面点的点位信息在水平和垂直两个方向的精度都优于±5厘米，高程精度68%优于±16毫米，95%优于±32毫米。由此可见其精度足以满足实际要求。
由于大量的公路建设和改造，有许多新公路的数据信息需要进入地理信息系统，因此有时要进行大面积的公路网数据信息的普查工作。这项工作的主要任务是采集公路中心线的位置。这种数据信息采集工作的精度要求一般并不很高，如果是与1：5万或1：10万等中小比例尺地形数据相结合，能达到米级的采样精度就能满足要求，这时可利用GPS伪距动态差分定位技术。观测时，参考站可放在一个比较方便的地方，流动站可安置于汽车的车顶，沿着公路的中心线行驶，这样每天可测量上百公里的线路。如果是为1：1万以上的中、大比例尺地形数据相结合，则要求成果精度优于1.0米，为此，可应用载波相位差分动态测量技术，相位差分动态测量要求流动站和参考站之间的距离小于20公里，这时为了提高工作效率，可沿路每隔30公里左右连续布设几个参考站，只设置一个车载流动站，这样，一次就能连续测量近百公里左右的线路。所以，利用车载GPS动态测量，能以极快的速度完成这类线路普查生产任务。
④边界数据的采集与更新
在各种境界测量中，GPS定位技术同样能显示其优越性。如在县界测量中，边界点有很多都位于很偏僻地区，距离已知的控制点很远，但是，边界点的分布都比较密集呈线状分布，此时根据边长的长短情况，可灵活运用GPS的静态和快速静态观测模式。一般先沿着边界的走向，利用静态观测模式每20公里左右布设一个控制点，然后，以这些控制点为参考站，利用快速静态模式，对其周围方圆20公里范围内的边界点逐一测量，可极大地提高边界测量的精度和工作效率。
⑤周期性数据的采集
周期性数据主要是指在地震和变形监测等领域采集的周期性数据，这些数据的特点是更新速度快而且新旧数据间要相互比较。用于地震监测和预报的控制网中，因为基线都比较长，所以在实际测量中采用静态观测模式，在这个领域里，GPS技术有着其它技术无法替代的优势，它能极大地提高地震监测的精度、缩短检测周期，在关键时期可以将观测周期缩短到一天甚至几个小时，从而提高了监测可靠性。
在普通的形变监测中，因为基线长度比较短，所以，一般采用快速静态观测模式。普通的快速静态测量的精度为±5～10毫米，这还不能满足形变监测的要求，为了满足形变监测±1～2毫米的测量精度，必须采取一些特殊的措施，如强制归心、传感器定向和选择多卫星状态等等。由于GPS测量具有全天候的特点，使其在某些形变监测中发挥了重要的作用。例如，在大型水坝的形边监测中，一旦汛期来临，监测的频率必然提高，但是，由于汛期的雨水不断，传统的光电测量难以进行，如果采用GPS技术，只要不是雷雨，采取一些简单的防雨措施就可以全天24小时频繁地工作。
⑥ GPS为GIS提供实时定位信息
由于GPS可以提供实时的定位信息，因此，当把GPS与GIS连接起来后，用户可以很快地在GIS的电子地图上找到自己的位置。因此在旅游、探险、航行、军事等领域均有广泛的应用，如用于车、船的定位和自动驾驶等。GPS与GIS的结合方式如：
·GPS单机定位+栅格电子地图 该系统可实时地显示移动物体(如车、船、飞机等)的所在位置，从而进行辅助导航。优点是价格便宜，缺点是精度不高，功能简单。
·GPS单机定位+矢量电子地图 该系统可以根据目标位置(工作时输入)和车船现在的位置(由GPS测定)，自动计算机和显示最佳路径，还可以用多媒体方式向用户提示。但矢量数据库的建立需花费较大成本，同时GPS的测量误差应设法加以补偿和改正。
·GPS差分定位+矢量/栅格电子地图 该系统通过固定站与移动车船之间两台GPS，并使用伪距差分技术，可使定位精度达到1～3m。这种情况需有通讯联系，可以是单向的或双向的。即GIS可放在固定站上，构成车船现状监视系统；也可以放在车船上，构成自导航系统；双方均有GIS加通讯，则可构成交通指挥、导航、监测网络。
GPS数据采集系统一例：
GPS控制测量一例：
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