“3S”集成技术研究现状的综述
摘 要：目前“3S”技术发展迅猛，“3S”集成技术已成为当今科学领域的研究前沿，西欧、北美等与其它发展中国家推动着“3S”技术向着更深更广的领域发展。 本文先概述了GIS，RS，GPS三者的内涵，之后着重从参数集成，系统集成，功能集成三个角度阐述“3S”集成技术在国内外的研究现状，并介绍了“3S”集成在农林业、动态监测方面的发展。
关键词：“3S”技术，参数集成，功能集成
“3S”是GIS(地理信息系统)，RS(遥感)和GPS(全球定位系统)的统称。 近年来，现代空间信息技术的综合应用飞速发展，使人们能及时连续不断的获得有关地球表层及其环境的大量几何物理信息，形成地球空间数据流和信息流，其最基本的技术核心就是“3S”技术。
1、“3S”技术概述
“3S”技术即利用GIS的空间查询、分析和综合处理能力，RS的大面积获取地物信息特征，GPS快速定位和获取数据准确的能力，三者有机结合形成一个系统，实现各种技术的综合。 作为目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的3大支撑技术，它们是现代社会持续发展、资源合理规划利用、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段，也是地学研究走向定量化的科学方法之一。 从20世纪90年代开始，“3S”集成日益受到关注。
Michael Goodchild认为GIS是 “采集、 存储、 管理、 分析和显示有关地理现象信息的综合系统 ”。 Bernhardsen[1992]，Jones[1997]，Burrough和McDonnell[1998]，Demers[2000]，以及Longley[2001]等也都曾提出过GIS的基本概念。美国UCGIS提出了GIS是在计算环境中解决地理问题的概念和方法
（，2003）。 GIS的定义是多元化的，学术界，产业界，政府在不同的领域就有不同的关注重点。 30多年的GIS技术发展使GIS在数据库系统，分析模型等方面有长足进步。 地理信息科学，空间信息科学越加受到关注，数据结构也已发展到面向对象的数据模型和多库一体化，表达技术向着多比例尺、多尺度、动态多维和实时三维可视化的方向发展。 网络使GIS发展为网络上的分布式异构系统，也促使了空间互操作的迅速发展，LBS（基于位置的服务）和MLS（移动定位服务）则是其突出反映。 多源数据集成，知识挖掘和知识发现等也是GIS的研究重点。
遥感，即RS，作为一个术语出现于1962年，而遥感技术在世界范围内迅速的发展和广泛使用是在1972年美国Landsat-1成功发射并获取了大量卫星图像之后。 近年来遥感发展更加迅猛。 其主要研究内容如下所示：
国际上遥感技术的发展，各种高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星相互协同，高、中、低分辨率互补的全球对地观测系统，将能快速、及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的对地观测数据。 新世纪，遥感产业面临挑战，要使高质量的遥感数据以平价为更多的用户所获取，就要通过发展微型卫星，高光谱和图像增强以及在线地图服务等技术才能使用户以广泛的途径获取使用地理空间数据。
GPS是一种卫星导航定位系统， 它是对地球表层空间点的三维定位测量 ， 以及对飞行器及运载工具的导航 。GPS的主要技术内容包括卫星系统和地面接收系统，能够定位，导航，并获取高程信息。 美国GPS卫星———BlockIII已经开始研究，计划2010年发射，一旦完成部署，将用33颗星构建高椭圆轨道及地球静止轨道相结合的GPS混合星座。卫星导航定位系统在全球并非美国GPS一枝独秀， 俄罗斯的GLONASS系统， 欧洲的Galileo计划也已全面展开。Galileo系统的覆盖率，精度和可靠性与GPS相近甚至更高。 我国在卫星导航定位技术上，除了拥有独立自主的区域性服务北斗导航系统之外，也参与了Galileo系统的研建。 另外，印度也部分的加入了GLONASS计划，同时也研发了本国的区域卫星导航系统———GAGAN(GPS
Aided.Geo Augmented Navigation) 。
“3S”集成技术是以RS，GIS，GPS为基础，RS，GIS，GPS将三种独立的技术领域中的有关部分与其它高技术领域的有关部分有机地构成一个整体而形成的一项新的综合技术领域，其通畅的信息流贯穿于信息获取，信息处理，信息应用的全过程。
“3S”集成技术以“3S”地学参数为基点，注重研究“3S”时空特征的兼容性，技术方法的互补性，应用目标的一致性，软件集成的可行性，数据结构的兼容性以及数据库技术的支撑性等方面。
2、“3S”集成技术模式
2.1RS与GIS集成
RS与GIS的集成是“3S”集成中最重要也最核心的内容。 对于各种GIS，RS是其重要的外部信息源，是其数据更新的重要手段。 反之，GIS亦可为RS的图像处理提供所需要的一切辅助数据。 两者结合的关键技术在于栅格数据和矢量数据的接口问题：遥感系统普遍采用栅格格式，其信息是以像元存储的；而GIS主要是采用图形矢量格式，是按点、线、面（多边形）存储的。 因而由于数据结构的差异，图像数据库和图形数据库之间的集成也是两者集成的难点，现阶段其解决方式如图1所示。
目前，RS与GIS一体化的集成应用技术渐趋成熟，在植被分类、灾害估算、图像处理等方面均有相关报道。 1998年高志强等利用RS与GIS技术对中国土地利用和土地覆盖的现状进行研究，得出:中国植被值的大小分布同中国植被类型分布密切相关，其值的大小分布也反映了中国水热的空间分布格局，中国的东部湿润、半湿润地区的平原、盆地、河冲击扇区是我国土地利用程度最高的地区；1994年吴炳方、黄绚等应用RS与GIS技术进行了植被制图，分析了地理信息系统模型在改善植被分类中精度问题，并得出结论:单纯对遥感数据(TM/SPOT)进行监督分类或非监督分类的精度低于50%，而通过结合辅助数据和应用地理信息系统模型，其精度将大大提高。
2.2 GPS与GIS集成
GPS和GIS集成是利用GIS中的电子地图结合GPS的实时定位技术为用户提供一种组合空间信息服务方式，通常采用实时集成方式。 从严格的意义上说，GPS提供的是空间点的动态绝对位置，而GIS提供的是地球表面地物的静态相对位置，二者通过同一个大地坐标系统建立联系。 通过GIS系统，可使GPS的定位信息在电子地图上获得实时、准确而又形象的反映及漫游查询。 GPS可以为GIS及时采集、更新或修正数据。
两者集成的主要内容有多尺度的空间数据库技术，金字塔和LOD空间数据库技术，真四维的时空GIS和实时数据库更新等。 GIS数据库的实时更新技术包括实时动态测量RTK技术(Real-Time Kinematic)和虚拟参考站VRS技术(Virtual Reference
Stations)等。 在地形可视化这一领域，著名的LOD算法之一是微软研究院Hoppe提出的基于TIN格网的VDPM算法，该算法涉及到的数据结构复杂，但它的最大优势在于对有分化的地形表面具有较强的表达能力。VRS技术在国外很早就得到了广泛的推广和运用。 丹麦覆盖全国的VRS网络是全球第一个VRS网络，1999年就已建成。 经过7年的发展，VRS网络几乎覆盖了整个欧洲。 亚洲的网络包括日本覆盖全境的网络，韩国、新加坡、马来西亚和中国已建系统的大部分也都是选用的VRS技术。 澳洲的新西兰、澳大利亚，非洲的南非，美洲的美国、加拿大等国也有大片区域为VRS网络所覆盖。
2.3 GPS与RS集成
两者集成的主要目的是利用GPS的精确定位解决RS定位困难的问题，GPS作为一种定位手段，可应用它的静态和动态定位方法，直接获取各类大地模型信息，既可以采用同步集成方式，也可以采用非同步集成方式。 GPS的快速定位为RS 实时、快速进入GIS系统提供了可能，其基本原理是用GPS/INS方法，将传感器的空间位置（X，Y，Z）和姿态参数（φ、ω、K）同步记录下来，通过相应软件，快速产生直接地学编码。
李德仁等于80年代末就开始了GPS在RS中的定位研究。 在他们的研究中， 应用GPS技术， 结合惯性导航系统（INS），探讨了空—地定位模式，即根据测出的空中遥感器的位置和姿态直接求解地面目标点的位置 ，实现了采用少量的地面控制点或无需控制点而生成DEM。 将GPS、INS和激光测距技术进行集成得到机载扫描激光地形系统已成为国内外遥感界研究的热点。 而Luboˇs Matˇej1cˇek等人利用激光雷达获取数据对城市环境污染进行时空分析，对布拉格的Kobylisy区域利用LIDAR扫描来获取臭氧浓度数据，研究了空气污染的分布状况，及其对生存环境的影响。
2.4 RS，GIS，GPS整体集成
GIS，RS，GPS的三者集成可构成高度自动化，实时化和智能化的地理信息系统，这种系统不仅能够分析和运用数据，而且能为各种应用提供科学的决策依据，以解决复杂的用户问题。 按照集成系统的核心来分，主要有两种。 一是以GIS为中心的集成系统，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，对包括RS和GPS在内的多种来源的空间数据进行综合处理、动态存贮和集成管理，存在数据、平台（数据处理平台）和功能三个集成层次，可以认为是RS与GIS集成的一种扩充。二是以GPS／RS为中心的集成，它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、实时决策提供在线空间信息支持服务。 该模式要求多种信息采集和信息处理平台集成，同时需要实时通讯支持。
“3S”集成在环境监测和分析 、水利工程 、公路自动测绘 、土地利用动态监测等方面也有了许多成功的经验 。1997年印度遥感研究院的S. K. Bhan，S. K. Saha，
L. M. Pande和J. Prasad在对印度南部热带雨林地区研究的过程中建立了遥感地理信息模型，为利用“3S”技术对可持续发展的研究提供了范例。 1997年瑞典隆德大学的Jonas Ardo利用“3S”技术对位于捷德边境由于森林破坏受到严重污染的Krusne
Hory山区的范围、速率及空间特征进行了研究，对森林的破坏进行了评估，探讨了森林破坏与海拔高度和坡向的关系，森林破坏与林区相对于点污染源的距离和方向的关系。 为环境监测提供了依据[12]。
3. “3S”集成技术的关键问题
除了以上几个方面以外，“3S”集成关键技术还包括多源，多时相，多尺度信息的获取与集成技术，空间信息的动态管理与综合分析技术，“3S”集成的技术与交换技术以及虚拟现实和可视化技术等。 以下着重从多源空间数据的集成，数据挖掘，模型库管理系统和虚拟现实可视化技术几个方面简述集成技术的研究现状。
3.1 多源空间数据的集成
由于不同地理信息系统平台的数据并没有一个统一的数据表达的标准规范， 所以各GIS应用软件都使用各自的数据定义方式，当需要建立一个标准的地理信息数据库的时候，就需要将来自不同GIS应用软件的数据进行数据格式的转换操作，以实现数据的整合。 主要的集成模式有数据格式转换模式，数据互操作模式和直接数据访问模式。 不同数据格式之间的转换会造成部分信息的丢失，而且数据转换一般通过交换格式进行，转换过程较复杂。 在数据互操作模式下，需要每种格式的宿主软件都按照统一的规范实现数据访问接口，在一定时期内还不现实，另外用户必须同时拥有两个GIS软件并同时运行才能完成互操作过程，也显示了其一定局限性。 直接访问模式是在一个GIS软件中实现对其他软件数据格式的直接访问，存取和空间分析，用户以单个的GIS软件存取处理多种数据格式。
为了解决格式转换的问题，需要利用多源空间数据无缝集成（SIMS）技术，SIMS是在一个软件中实现对多种数据格式的访问，实现与格式无关，位置无关的数据集成。 目前使用SIMS的软件主要有Intergraph公司的GeoMedia和北京超图地理信息技术公司的SuperMap5。 GeoMedia实现了对大多数GIS格式数据的访问， 包括：MGE、ARC/INFO、Framme、MDB等 。 SuperMap5支持AutoCAD的DXF，MicroStation的DGN，Arc/Info的E00、Coverage、SHP，MapInfo的MIF和 TAB等，并可直接基于这些数据格式进行拓扑关系建立，网络拓扑分析等工作。
3.2 数据挖掘
数据挖掘（DM，Data Mining）是指把人工智能、机器学习与数据库等技术结合起来，由计算机自动地从数据库或数据仓库中的大量数据中揭示出隐含的、先前未知的并具有潜在价值的信息或模式，以解决数据量大而知识贫乏这一困扰专家系统的知识瓶颈问题的非平凡过程。 尽管专家系统中在知识表达和知识应用的研究取得了不少进展，但知识获取仍然主要依赖于专家和知识工程师，离知识自动生成还有相当大的差
