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《3S 技术的集成及其应用》讲义一、引言在当今科技飞速发展的时代，3S 技术——遥感（Remote Sensing，RS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和全球定位系统（Global Positioning System，GPS），已经成为了地理信息科学领域的重要支柱。
这三项技术各自具有独特的功能和优势，而它们的集成应用更是为众多领域带来了前所未有的机遇和变革。
二、3S 技术概述1、遥感（RS）遥感是一种非接触式的对地观测技术，通过传感器获取远距离目标物的电磁波信息，并对其进行处理和分析，从而获取地物的特征和状态。
遥感技术能够快速、大面积地获取地表信息，包括土地利用、植被覆盖、水资源等。
2、地理信息系统（GIS）GIS 是一种用于采集、存储、管理、分析和展示地理空间数据的计算机系统。
它可以将地理数据与属性数据相结合，进行空间分析、地图制作、决策支持等操作。
3、全球定位系统（GPS）GPS 是一种基于卫星的导航定位系统，能够为用户提供高精度的位置、速度和时间信息。
GPS 在导航、测量、农业、交通等领域有着广泛的应用。
三、3S 技术的集成方式1、两两集成（1）RS 与 GIS 的集成RS 为 GIS 提供了丰富的数据源，而 GIS 则可以对遥感数据进行处理、分析和管理。
例如，将遥感影像进行分类处理后，可以导入 GIS中与其他地理数据进行叠加分析。
（2）GPS 与 RS 的集成GPS 可以为遥感影像的获取提供精确的空间定位信息，有助于提高遥感数据的精度和准确性。
（3）GPS 与 GIS 的集成GPS 可以实时获取地理对象的位置信息，并将其更新到 GIS 数据库中，实现动态监测和管理。
2、完全集成将RS、GIS 和GPS 三者进行深度融合，构建一个统一的系统平台。
在这个平台上，可以实现数据的实时采集、处理、分析和应用，大大提高了工作效率和决策的科学性。
《3S 技术的集成及其应用》讲义一、3S 技术概述3S 技术是指遥感（Remote Sensing，RS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和全球定位系统（Global Positioning System，GPS）这三种技术的集成。
这三种技术各具特点，相互补充，为解决众多领域的问题提供了强大的支持。
遥感技术是一种通过非接触方式获取目标物体信息的技术。
它利用传感器接收来自地表物体反射或发射的电磁波信号，并对这些信号进行处理和分析，从而获取地表物体的特征和状态信息。
遥感技术具有大面积同步观测、时效性强、数据综合性和可比性等优点，能够快速提供大面积的地表信息。
地理信息系统是一种用于采集、存储、管理、分析和展示地理空间数据的计算机系统。
它可以将地理空间数据与属性数据相结合，进行空间分析和建模，为决策提供支持。
GIS 具有强大的空间分析能力、数据管理能力和可视化表达能力，能够对复杂的地理现象进行深入分析和研究。
全球定位系统是一种基于卫星的导航定位系统，能够为用户提供高精度的位置、速度和时间信息。
GPS 具有高精度、全天候、全球覆盖等优点，广泛应用于导航、测绘、地质勘探等领域。
二、3S 技术的集成3S 技术的集成不是简单的叠加，而是通过数据融合、系统集成和功能互补等方式，实现更强大的功能和更广泛的应用。
数据融合是 3S 技术集成的基础。
通过将遥感获取的图像数据、GPS 测量的位置数据和 GIS 中的地理空间数据进行融合，可以获得更全面、更准确的地理信息。
例如，将遥感图像与GPS 定位数据相结合，可以实现对遥感图像的精确定位和校正；将遥感数据和GIS 数据融合，可以进行土地利用变化监测、森林资源调查等。
系统集成是将 3S 技术的硬件和软件进行集成，形成一个统一的系统平台。
例如，将遥感传感器、GPS 接收机与 GIS 软件集成在一起，可以实现数据的实时采集、处理和分析，提高工作效率和数据质量。
3S技术的集成与应用重点3S技术的集成：由英文Integration一词翻译而来包含有使完整、整合、融合、合而为一等含义，其核心含义是要在不同的部分之间建立一种有机的联系。
目的：多源信息（多时相、多尺度、多类型）在同一坐标系的动态管理、分析与应用。
地理信息系统（GIS , Geographic Information System）：以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理决策服务而建立起来的计算机技术系统。
简言之，地理信息系统是综合处理和分析空间数据的一种技术系统。
全球定位系统（GPS）：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 简称GPS，有时也被称作NA VSTAR GPS遥感（Remote Sensing)：指遥远的感知，它是从不同高度的遥感平台(Platform)上，使用各种传感器(Remote Sensor)，接收来自地球表层各类地物的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及其特性进行远距离的探测和识别的综合技术。
集成的模式分为：广度：建立了联系的子系统或要素的多少，包括三种两要素集成方式（GIS+RS / GIS+GPS / RS+GPS）和一种三要素集成方式（GIS+GPS+RS）。
深度：联系的紧密程度，包括三个层次，即数据层次的集成、平台层次的集成和功能层次的集成。
数据层次的集成，是通过数据的传递来建立子系统之间的联系，此时平台处于分离状态，数据传递要通过网络或人工干预完成，故效率较低。
平台层次的集成是在一个统一的平台中分模块实现两个以上子系统的功能，各模块共用同一用户界面和同一数据库，但彼此保持相对的独立性。
功能层次的集成是一种面向任务的集成方式，此种集成方式同样要求平台统一，数据库统一，界面统一，不同的是，它不再保持子系统之间的相对独立性，而是面向应用设计菜单、划分模块，往往在同一模块中包括了属于不同子系统的功能实现。
3S集成与应用Integration and Application of RS, GIS and GPS课程编号：学分：3学时：48（讲课：38学时；上机：10学时）课程性质：选修先修课程：遥感原理、地理信息系统原理、全球定位系统原理、遥感数字图像处理适用专业：遥感科学与技术专业本科生教材：开课院系：遥感学院遥感科学与技术系一、课程的性质和任务“3S”集成是指将遥感RS、地理信息系统GIS和全球定位系统GPS这三种对地观测新技术及其他相关技术有机的集成在一起。
这一新技术在国际上尚处于起步阶段，在国内还属于理论探讨阶段。
本课程主要是为了把这一领域的最新进展介绍给学生，为他们进一步学习和研究工作打下坚定的基础。
通过课程学习，要求学生在掌握3S集成相关定义与基本理论的基础上，通过对3S集成系统中一些关键技术的了解，重点掌握3S技术中两两集成的方法与具体应用。
二、教学内容和要求（要求分为掌握、熟悉、理解、了解、初步了解等）1、绪论（2学时）掌握3S集成的定义；了解3S集成与Geomatics和数字地球的关系，以及3S集成在Geomatics和数字地球中的作用与地位；了解3S集成中需要解决的基本理论与关键技术；熟悉3S集成与应用的现状及发展；掌握实际应用中可能的3S集成模式。
2、3S集成系统的关键技术（10学时）理解3S集成系统的数据结构；掌握集成系统中一体化数据的组织与管理方法；理解空间数据挖掘的定义及其常用方法；了解多尺度、多时相、多类型数据在各种介质和终端上的可视化问题；了解3S集成系统构成的主要硬件组成和3S软件系统的不同集成方式。
3、遥感与地理信息系统的集成与实现（12学时）熟悉RS与GIS的集成方法：掌握RS数据对GIS数据库的更新作用；掌握GIS辅助RS数据的处理与应用；熟悉基于GIS与RS集成的动态变化分析；了解多源GIS与RS数据的配准方法。
4、地理信息系统与全球定位系统的集成与实现（6学时）熟悉GIS与GPS的集成方法；理解GIS对GPS数据的组织与管理、GPS技术对GIS空间数据的实时更新和采集；掌握GIS与GPS的集成在实时定位、数据测量与采集和监控导航等方面的原理与应用。
名词解释:1 多光谱合成图像：multi-spectral posite imagery ，把同一地区多光谱影像，配以红、绿、蓝等多波段图像进行校正、配准、融合形成的图像。
2. 二值图像：binary image ，是指每个像素不是黑就是白，其灰度值没有中间过渡的图像。
3. 非监督分类：是以不同影像地物在特征空间中类别特征的差别为依据的一种无先验（已知）类别标准的图像分类，是以集群为理论基础，通过计算机对图像进行集聚统计分析的方法。
根据待分类样本特征参数的统计特征，建立决策规则来进行分类。
而不需事先知道类别特征。
把各样本的空间分布按其相似性分割或合并成一群集，每一群集代表的地物类别，需经实地调查或与已知类型的地物加以比较才能确定。
是模式识别的一种方法。
4. 辐射校正：radiometric correction ，是指对由于外界因素，数据获取和传输系统产生的系统的、随机的辐射失真或畸变进行的校正，消除或改正因辐射误差而引起影像畸变的过程。
5. 几何配准：geometric registration ，将不同时间、不同波段、不同遥感器系统所获得的同一地区的图像（数据），经几何变换使同名像点在位置上和方位上完全叠合的操作。
6. 拓扑关系：topological relation ，指满足拓扑几何学原理的各空间数据间的相互关系。
即用结点、弧段和多边形所表示的实体之间的邻接、关联、包含和连通关系。
7. 导航电文：导航卫星信号一般由3部分组成：载波信号、伪随机噪声码（测距码）和数据码。
其中，数据码是卫星以二进制码流形式发送给用户的导航定位数据，通常称为导航电文。
导航电文（Navigation Message ）是由GPS卫星在L1和/或L2信号上，以50bps电文包含播发的1500bit导航电文。
电文包含有系统时间、时钟改正参数、电离层延迟模型参数、卫星星历及卫星健康状况、由C/A码捕获P码的信息等。
这是为了给用户提供时间、位置坐标。
《3S 技术的集成及其应用》讲义一、3S 技术概述在当今科技迅速发展的时代，3S 技术作为一种强大的工具，正广泛应用于各个领域。
那么，什么是 3S 技术呢？3S 技术是指遥感（Remote Sensing，简称 RS）、地理信息系统（Geographic Information System，简称 GIS）和全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）这三种技术的集成与融合。
遥感技术，简单来说，就是通过非接触的方式获取目标物体的信息。
它就像我们的“高空眼睛”，能够从遥远的距离感知地球表面的各种现象和物体，比如土地利用、植被覆盖、水体分布等。
地理信息系统则像是一个巨大的“数字地图库”，它能够对地理数据进行采集、管理、分析和展示。
我们可以利用 GIS 来处理和分析空间数据，帮助我们做出决策和规划。
全球定位系统，大家可能比较熟悉，它能为我们提供精确的位置信息，无论是在陆地、海洋还是空中，都能准确告诉我们所在的位置。
二、3S 技术的集成这三种技术并不是孤立存在的，它们的集成能够发挥出更强大的作用。
首先，GPS 可以为 RS 和 GIS 提供精确的位置信息。
比如，在进行遥感图像的获取时，GPS 能够确定遥感设备的位置和姿态，从而提高遥感图像的精度。
RS 为 GIS 提供了大量的数据源。
通过遥感获取的图像和数据，可以输入到 GIS 中进行进一步的分析和处理。
GIS 则可以对 GPS 和 RS 获取的数据进行综合管理和分析，生成有用的信息和决策支持。
这种集成不是简单的相加，而是通过数据的交互、算法的融合以及功能的互补，实现了“1 ＋ 1 ＞2”的效果。
三、3S 技术在资源调查中的应用在资源调查方面，3S 技术大显身手。
比如说，对于森林资源的调查，利用遥感技术可以快速获取大面积的森林覆盖信息，包括森林的类型、面积、分布等。
GPS 则可以帮助调查人员准确到达指定的调查地点，进行实地观测和样本采集。
3S参数及主要特征（P6）�"3S"集成的关键技术集成的关键技术可分为五个方面（1）多源、多时相、多尺度信息的获取技术（2）多源、多时相、多尺度信息的集成技术（3）空间信息的动态管理与综合分析技术（4）"3S"技术集成的数据通信与交换技术（5）"3S"技术集成的虚拟现实与可视化技术RS遥感定义：通过遥感器这类对电磁波敏感的仪器，在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标地物，获得其反射、散射和辐射的电磁波信息，进行处理、分析与应用的一门科学和技术主动遥感：传感器主动的发射一定的电磁波能量并接收目标的后向散射信号。
被动遥感：传感器不向目标发射电磁波，仅被动的接收目标物的自身发射和对自然辐射的反射能量。
遥感的特点与应用：大面积同步观测、时效性强、数据的综合性和可比性好、较高的经济效益和社会效益、一定的局限性、大面积实时观测、信息客观真实、20世纪地球科学进步的一个突出标志是人类脱离地球从太空观测地球电磁波普：按电磁波在真空中的传播波长和频率，递增或递减的排列，则构成了电磁波普大气窗口：电磁波通过大气层时较少被反射、吸收和散射的，透过率较高的波段地球辐射的分段特性：1）0.3-2.5微米波段（主要在可见光与近红外波段），地表以反射太阳辐射为主，地球自身的辐射可以忽略。
2）2.5-6.0微米波段（主要在中红外波段），地表反射太阳辐射和地球自身的热辐射为被动遥感的辐射源。
3）6.0以上的红外热波段，地球自身的辐射为主，地表反射太阳辐射可以忽略不计。
植被的波普特征：1）可见光波段：在0.45微米附近区间兰色波段有一个吸收谷，在0.55微米附近区间绿色波段有一个反射峰，在0.67微米附近区间红色波段有一个吸收谷。
2）近红外波段：从0.76微米处反射率迅速增大，形成一个爬升的陡坡，至1.1微米附近有一个峰值，反射率最大可达50%，形成植被的独有特征。
3）中红外波段：1.5-1.9微米光谱区反射率增大，在1.45微米，1.95微米和2.7微米为中心的附近区间受到绿色植物含水量的影响，反射率降低，形成低谷。
《3S 技术的集成及其应用》讲义一、3S 技术概述3S 技术是指地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）和遥感（RS）这三种技术的统称。
这三种技术各具特点，又相互关联，在现代社会的多个领域中发挥着重要作用。
地理信息系统（GIS）是一种用于采集、存储、管理、分析和展示地理空间数据的计算机系统。
它能够将地理数据与属性数据相结合，通过空间分析和建模等功能，为决策提供支持。
全球定位系统（GPS）则是一种基于卫星的导航和定位系统，可以实时、准确地获取地面点的位置、速度和时间等信息。
遥感（RS）是指不直接接触物体，通过传感器获取目标物体的电磁波信息，并对其进行处理和分析，以获取有关目标物体的特征和状态等信息。
二、3S 技术的集成3S 技术的集成并非简单的组合，而是通过不同技术之间的数据交换、功能互补和协同工作，实现更强大的应用能力。
数据集成是 3S 技术集成的基础。
GPS 提供的精确位置信息可以作为 GIS 和 RS 数据的空间参考，而 RS 所获取的大面积、多时相的地表信息可以为 GIS 提供丰富的数据来源。
功能集成是 3S 技术集成的关键。
例如，利用 GPS 进行实地调查和数据采集，将获取的数据输入到 GIS 中进行处理和分析，同时结合 RS 图像进行解译和监测。
三、3S 技术集成在资源调查中的应用在土地资源调查方面，通过 RS 技术可以快速获取大面积的土地利用现状信息，而 GPS 可以用于实地调查样点的定位，GIS 则用于对数据的整理、分析和管理，实现土地资源的动态监测和合理规划。
在森林资源调查中，RS 能够提供森林覆盖范围、植被类型等信息，GPS 有助于确定样地的位置和边界，GIS 用于对森林资源数据的存储和分析，为森林资源的保护和管理提供科学依据。
在水资源调查中，RS 可以监测水体的分布和变化，GPS 用于测量水文站点的位置，GIS 用于整合和分析水资源相关数据，为水资源的合理开发和利用提供决策支持。
3S集成技术介绍遥感和全球定位系统技术的基本概念以及它们与GIS的集成应用。
作为实时、客观获取空间信息的新兴技术手段，遥感和全球定位系统成为地理信息系统的重要数据来源，而通过GIS对其获得的数据进行处理和分析，可以提取各种有用信息，以进行决策支持。
本章主要介绍了一些3S集成的具体应用，并简要描述了其技术实现方案。
1．遥感简介遥感(Remote Sensing)，通常是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。
作为一个术语，遥感出现于1962年，而遥感技术在世界范围内迅速的发展和广泛的使用，是在1972年美国第一颗地球资源技术卫星(LANDSAT-1)成功发射并获取了大量的卫星图像之后。
近年来，随着地理信息系统技术的发展，遥感技术与之紧密结合，发展更加迅猛。
遥感技术的基础，是通过观测电磁波，从而判读和分析地表的目标以及现象，其中利用了地物的电磁波特性，即“一切物体，由于其种类及环境条件不同，因而具有反射或辐射不同波长电磁波的特性”（图12-1），所以遥感也可以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电磁波，识别物体以及物体存在环境条件的技术。
图12-1：几种常见地物（水、绿色植被、裸旱地）的电磁波反射曲线在遥感技术中，接收从目标反射或辐射电磁波的装置叫做遥感器（Remote Sensor），而搭载这些遥感器的移动体叫做遥感平台（Platform），包括飞机、人造卫星等，甚至地面观测车也属于遥感平台。
通常称用机载平台的为航空遥感（Aerial Remote Sensing），而用星载平台的称为航天遥感。
按照遥感器的工作原理，可以将遥感分为被动式遥感（Passive Remote Sensing）和主动式遥感（Active Remote Sensing）两种，而每种方式又分为扫描方式和非扫描方式，其中陆地卫星使用的MSS（Multispectral Scanner）和TM（Thematic Mapper）属于被动式、扫描方式的遥感器（图12-2），而合成孔径雷达(SAR-Synthetic Aperture Radar)属于主动式、扫描方式的遥感器。
1.3S技术的概述“3S”技术就是地理信息系统( GIS) 、遥感( RS) 、全球定位系统( GPS) 这三种现代高新技术的总称，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。
近十年来, 3S 技术的应用已经渗入到各个领域和行业, 并且进入到了一个以服务为主体的阶段。
地理信息系统( Geographic Information Systems , 简称GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术，是现代信息社会的产物。
它有一个特殊的“可视化”功能，就是通过计算机屏幕把所有的信息逼真地再现到地图上，成为信息可视化工具，清晰直观地表现出信息的规律和分析结果，同时还能在屏幕上动态地监测“信息”的变化。
在GIS 中，基础性空间数据和属性数据( 如数字高程模型、数字正射影像、地名、境界、道路、水系等) 是构成GIS 的基础。
专业数据是GIS 进行专业分析、决策的基础和依据。
遥感( Remote Sensing，简称RS) 是根据地面目标反射或辐射电磁波的固有特性，通过观察目标的电磁波信息，对这些信息进行扫描、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，达到获取目标的几何信息和物理属性的目的。
现代遥感技术已经进入一个能够动态、快速、准确、多手段提供多种对地观测数据的新阶段，能在不同的航天、航空遥感平台上获取不同空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的遥感影象。
全球定位系统( Global Positioning System,简称GPS) 是美国建立的“导航卫星测时和测距/全球定位系统”的简称，它是美国从20世纪70年代开始研制，于1994年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
什么是3S技术及其应用3S技术是遥感（Remote Sensing）、地理信息系统(Geographical Information System)、全球定位系统（Global Position System）的统称。
因这三个概念的相应英文中都分别含一个S而得名。
遥感遥感，顾名思义，就是遥远地感知。
传说中的“千里眼”、“顺风耳”就具有这样的能力。
人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射和反射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式－电磁波，并且发现不同物体的电磁波特性是不同的。
遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。
例如，大兴安岭森林火灾发生的时候，由于着火的树木温度比没有着火的树木温度高，它们在电磁波的热红外波段会辐射出比没有着火的树木更多的能量，这样，当消防指挥官面对着熊熊烈火担心不已的时候，如果这时候正好有一个载着热红外波段传感器的卫星经过大兴安岭上空，传感器拍摄到大兴安岭周围方圆上万平方公里的影像，因为着火的森林在热红外波段比没着火的森林辐射更多的电磁能量，在影像着火的森林就会显示出比没有着火的森林更亮的浅色调。
当影像经过处理，交到消防指挥官手里时，指挥官一看，图像上发亮的范围这么大，而消防队员只是集中在一个很小的地点上，说明火情逼人，必须马上调遣更多的消防员到不同的地点参加灭火战斗。
上面的例子简单的说明了遥感的基本原理和过程，同时涉及到了遥感的许多方面。
除了上文提到的不同物体具有不同的电磁波特性这一基本特征外，还有遥感平台，在上面的例子中就是卫星了，它的作用就是稳定地运载传感器。
除了卫星，常用的遥感平台还有飞机、气球等；当在地面试验时，还会用到地面象三角架这样简单的遥感平台。
传感器就是安装在遥感平台上探测物体电磁波的仪器。
针对不同的应用和波段范围，人们已经研究出很多种传感器，探测和接收物体在可见光、红外线和微波范围内的电磁辐射。
