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东 北 大 学
研 究 生 考 试 试 卷
考试科目： 3S 技术集成与应用
课程编号：
阅 卷 人： 考试日期： 2012.06 姓 名： 陈晓玲 学
号：
1101661
注 意 事 项
1．考 前 研 究 生 将 上 述 项 目 填 写 清 楚2．字 迹 要 清 楚，保 持 卷 面 清 洁
3．交 卷 时 请 将 本 试 卷 和 题 签 一 起 上 交
东北大学研究生院
3S技术集成与应用期末考试题
（共5题总分100）
一、简答题
1.简述3S技术集成与应用的目的和意义？（10分）
“3S”是中国科学家按照GPS、GIS、RS字尾均有一个S，而这三者关系日趋紧密
结合，而构成的一个对地观测、处理、分析、制图系统。然而，对于3S的理解必须建
立在广义的基础上，包括GPS在内的一切定位、测量手段和多平台、多波段、高分辨
率的RS数据，通过含有ES（专家系统）的GIS，实现空间数据的自动采集、编辑、管理、分析、制图，进而为一切与地学科学相关的行业服务，实现地学信息的实时、自动、数字、智能化的应用，为各行各业的预测和决策服务。因此，3S不是GPS、GIS、RS
的简单组合，而是将其通过数据接口严格地、紧密地、系统地集成起来，使其成为一个大系统。
3S集成的目的是对现实世界或现实世界的自然现象通过计算机进行数字刻画、模
拟和分析，本质是对地理空间对象的地学特征进行空间描述与表达，包括从现实世界到比特世界以及从比特世界到计算机世界的两个转换过程，这两个过程是通过对空间对象的定位、地学信息的空间获取以及空间分析等功能的综合集成来实现的。
3S集成技术的发展，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；相应地，它拓展了传统测绘科学的研究领域。目前，3S在资源与环境调查、
监测、评价中，在重大自然灾害监测、预警、评估、消灭对策中，对城市及经济技术开发区规划、开发、管理、评价中，在现代化军事作战指挥系统中有着广阔的应用前景。随着对3S技术研究的不断深入，其应用领域还在不断扩大。
2.简述物联网的定义和内涵？（10分）
顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核
心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的
协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联网不是一个简单的信息管理系统，而是一个涉及到多种学科领域（如生物、物理、通信、微电子、计算机等）的复杂信息系统，融合了感知和识别技术、网络通信技术、数据处理技术、信息安全技术等多种技术。
1)感知和识别技术
物联网要实现真正的“物物相连”，用于识别物体的电子标签技术（RFID 射频识别）
和感知物体的传感器技术至关重要。RFID 是通过空间电磁耦合技术利用射频信号实现
无接触信息传递的一项技术，最终能够通过所传递的信息识别物体。传感器是一种检测装置，它能感知到被测量的信息，并能将感知到的信息变换成电信号或其他形式的信号
输出，以满足信息的传输、处理和控制等要求。
2)网络通信技术
RFID 射频识别、传感器等信息采集技术为客观存在的物体和虚拟网络之间提供了沟通的桥梁。通过感知和识别技术对物体进行信息采集之后，采集到的信息数据需要通过有线网络或无线网络进行快速、安全地传输，实现自下而上地传输感知信息、自上而下地传输控制指令，从而达到信息的实时交互性。
3)数据处理技术
由于物联网中包含有大量的传感器节点，在信息采集过程中，每个节点都会提供一定的感知信息，如果这些数据分别进行单独处理将会造成通信带宽和资源的严重浪费，这样势必会大大降低信息收集效率，从而影响数据的实时性。另一方面，物联网规模的迅速增长也给数据处理带来了巨大的压力和挑战。因此利用并行计算（云计算）等智能计算技术来提高数据处理效率无疑是一个较好的解决办法。
4)信息安全技术
物联网的安全问题和互联网的安全问题同样重要，都是被大家广泛关注的话题。由于物联网处理的对象主要是人或物的相关数据，其“所有权”特性导致物联网比以“文本”为主的互联网的安全性要求要高，对保护“隐私权”的要求也更高，因此有很多人特别关注物联网的安全性。物联网系统的安全和一般IT 系统的安全基本一样，主要有8 个尺度：读取控制、隐私保护、用户认证、不可抵赖性、数据保密性、通讯层安全、数据完整性、随时可用性。
二、论述题
1.3S技术集成关键技术有哪些？（20分）
作为地球空间信息科学的组成部分和数字地球方法论研究的重要内容，3S技术与集成将涉及地学、空间科学、计算机科学、数字摄影测量学等众多学科领域。除3S本身涉及的技术内容外，还在集成过程中实现所涉及的实时空间定位、一体化信息管理、数据实时通信、数据综合分析、应用模型集成以及系统信息的虚拟再现与可视化表达等技术的相互融通。除以下说明的一些集成技术外，可以说，面向对象的数据模型和超图数据结构将使一体化的数据结构成为可能。三维计算机图形学技术和高清晰显示技术的发展，可使地学信息的虚拟再现技术不断得到完善。数据建模和计算机的动态模拟技术则更加动态地描述地表现象。概括起来，关键技术可分为方面。
1）多源、多时相、多尺度信息的获取技术
包括遥感技术、GPS技术、空三摄影测量技术、定位定向系统技术、激光断面扫描、测高技术。
2）多源、多时相、多尺度信息的集成技术
包括GIS技术、多尺度地理信息的自动综合技术、多源多时相多尺度地学信息的统一坐标系技术、多时空数据一体化管理技术、多源异构数据的格式转换技术。
3）空间信息的动态管理与综合分析技术
包括GIS数据的自动更新技术、数据仓库技术、数据挖掘技术、模型库管理系统技术、模型库与应用系统的无缝集成技术。
4）3S技术集成的数据通信与交换技术
包括数据单向实时传送的技术、数据双向实时传送的技术、数据交换的技术
5）3S技术集成的虚拟显示与可视化技术
包括虚拟现实技术、地理空间信息的可视化技术。
2.3S技术集成方式有哪些？（20分）
目前，3S技术的集成主要还是采用两两集成的模式，即通过3S技术与功能的两
两组合，共同作用，形成有机的一体化系统，以快速准确地获取具有定位功能的对地观测信息，实现对系统信息的实时更新和对地表现象与过程的综合分析。组合方式分为一下几种
1）RS与GIS集成
主要目的是把来自两个技术系统的多源信息集成到统一的坐标环境下，实现对多源信息的动态管理与综合分析。RS为GIS提供信息源，GIS为RS提供空间数据管理和分析的技术手段。目前这种集成主要从三面考虑，即平行的结合模式；无缝的结合模式；整体的结合方式。
2）GIS与GPS集成
这是最常见、最有发展前景的集成，也是最容易实现的集成。目前，GIS的空间信息
大多以矢量化的图形方式表示，简称电子地图或数字地图。由于图形比例尺的差异，所构建的数据库的空间尺度也不会完全相同。因此，GIS与GPS实时定位技术的集成可为用户提供全新的空间信息组合服务方式，满足不同比例尺空间数据库的建库要求，实现对GIS数据库的实时更新，这一集成模式是通过建立两两技术间统一的大地坐标系之间的数据转换而具体体现的。从直接面向导航、定位的应用角度，两技术的集成有一下几种模式：GPS单机定位与栅格电子地图的组合；GPS单机定位与矢量电子地图的组合；GPS差分定位与矢量/栅格电子地图的组合。
3）RS与GPS集成
从GIS的需求看，GPS与RS都是有效的数据源。主要目的是解决智能化的信息获取问题。从技术角度上讲就是利用GPS精确定位功能解决RS定位难题，其集成模式有两种，同步集成方式与非同步集成的方式。
4）3S整体集成
数据结构一致，物理结构紧密的3S集成系统目前尚不多见。包括以GIS为中心的集
成方式和以GPS/RS为中心的集成方式。前者目的主要是非同步数据处理，通过利用GIS作为集成系统的中心平台，包括RS和GPS在内的多种来源的空间数据进行综合处理、动态存储和集成管理，同样存在前文所说数据、平台和功能三个集成层次。后者以同步数据处理为目的，通过RS和GPS提供的实时动态空间信息，结合GIS的数据库和分析功能，为动态管理、实时决策提供再现空间信息支持服务。
三、应用题
1. 利用现有的航空技术、传感器技术、以及GPS/RS/GIS集成技术，面向重大自然灾害（地震、洪涝、滑坡、泥石流灾害中的一
种或几种）灾情要素的测量需要，基于物联网技术，设计一套天
地空一体化灾害测量系统，要求说明：1）系统设计原理；2）物
联网的传感器组成；3）地面数据处理软件的基本框架和功能；4）所利用的3S技术。（共计40分）
无人机遥感技术是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS 差分定位技术和遥感应用技术, 具有自动化、智能化、专用化快速获取国土、资源和环境等空间遥感信息, 完成遥感数据处理、建模和应用分析的一门应用技术。
汶川大地震后，无人机遥感系统在灾区得到了大规模的使用，为救援部门快速及时地了解人员伤亡，灾区的房屋、道路等损毁情况，以及滑坡、崩塌、堰塞湖等地震次生灾害的分布和动态变化提供了科学的依据，对人员搜救、震后评估和灾区重建工作具有深远的指导意义。以下将重点分析无人机遥感系统在地震灾情的监测面的建设。
1）系统设计原理
以物联网为基础的遥感监测系统以航天技术为平台，在航天器自动飞行控制系统（GPS
导航）、实时数据传输系统和地面监控系统协作下，搭载激光扫描器、红外感应器、高
分辨率光学相机或者视频采集设备，从空中获取地面的各种影像或波谱图，经过大集成、云计算处理，通过通信系统或网络将数据传输至地面接收设备。地面接收数据经过自动化处理与分析，可生产出用于直观分析地震灾害情况现状的高分辨率的影像图、大比例尺地形图，构建DEM和三维模型等基础数据，为决策分析提供了可靠的基础。系统具
有成本较高，但能实现数据观测、数据预处理、数据传输、数据处理无人自动化过程，而且还具有航空限制少，安全系数高等优势，制作出灾区DEM和城区三维模型，提供
安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥，为地质灾害防治提供了实时监测资料。
2）物联网的传感器组成
物联网遥感监测系统主要由感知层、网络层和应用层组成。
(1)感知层由各种传感器以及传感器网关构成，它的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别重大自然灾害的物体，并采集其及时现有的信息。目前，地震灾情监测系统多采用感光度和色彩深度好、载片量大的CCD数码相机，广角镜头对焦至无穷远处，以获取高分辨率的全色影像。(2)网络层由互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。它主要是通过对地震灾害的监测而获取的大量数据通过网络或无线通信网设备及时的把数据传输到地面接收部分。(3)应用层是物联网和用户的接口，通过接收的数据自动化分析与处理，提供给用户参考的各种应对策略，实时对地震灾害情况给出应对方案。
3）地面数据处理软件
地面数据处理软件包括两部分，一是数据预处理显示系统部分，主要是将由无人机传递给地面的数据解压缩，并且实时显示，以便于地面相关人员传感器的灾情监测实时监控，并对灾情损失如房屋损毁、倒塌数量，灾区覆盖面积，救灾的最佳路径选取等做出快速反应，及时做出综合的灾情分析，对及时的应急救灾提供决策依据。二是数据后处理系统部分，主要是对获取的影响数据进行加工，从获得的多种类型图像影像数据源
中提取有用的信息，用于后续的救灾除险、灾民安置、疫情防治以及最后的灾后重建提供及时、准确的信息资料。数据后处理系统主要包括影像外定向处理，空中三角测量，正射影像生成，地理定位、几何精校正及镶嵌合成，地物属性的分类提取，测图和地形图更新模块，其他辅助性模块。
4）所使用的3S技术
3S集成的目的是对地震灾害通过计算机进行数字刻画、模拟和分析，本质是对灾区地学特征进行空间描述与表达，包括从现实世界到比特世界以及从比特世界到计算机世界的两个转换过程，这两个过程是通过对空间对象的定位、地学信息的空间获取以及空间分析等功能的综合集成来实现的。
地震灾害中，GPS可提供全天候实时、高精度三维位置、速度以及精密的时间信息，可对地表空间任一位置准确确定，可为地理信息系统(GIS)及时采集、更新和修正空间
数据，同时GPS的快速定位为RS数据实时、快速进入GIS系统提供了可能，保证了遥感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。RS直接获取或
经转换后为数字化形式；可提供相对高分辨率的时间和空间信息；可全天候、动态地为GIS采集图像数据。GIS拥有海量的数据管理功能和强大的空间分析功能，可将定性分析和定量分析结合应用，能为地球上的空间对象提供数字表达形式，模拟空间事物的动态发展过程，是管理数据、分析空间数据和遥感图像辅助分类的有效工具。从RS中获取信息,由GPS进行定位、定向，再由GIS进行分析处理,并提供各种图形和数学模型,最终提出决策方案。