3S理论与技术复习参考

地球信息科学（Geoinformatics或Geomatics）：

又译为地理信息科学，是测绘学、摄影测量与遥感学、地图学、地理科学、计算机科

学、卫星定位技术、专家系统技术与现代通讯技术等的有机集成，即

多种学科的综合。是用各种现代化方法采集、量测、分析、存储、管

理、显示、传播、和应用与地理和空间分布有关数据的一门综合的计

算机信息科学、技术和产业实体。Geomatics作为解决空间问题的工

具，是一门应用科学。

地球——空间系统本身是复杂的、开放的、动态的，因此要用动态

的、系统的方法来研究。“3S”技术是Geomatics的核心内容，

Geomatics是3S技术的广义定义。

特点：动态性、系统化、实时性、空间特征、信息科学

狭义的3S技术：

RS（Remote Sensing）：

获取地面信息，并更新。

GIS（Geographic Information System）：

对地理信息进行采集、存储、管理、分析和显示的基础平台。

GPS（Global Positioning System）：

实现准确的定位。（实时、动态）

一、RS,GPS,GIS的概念和功能

概念：

GIS:地理信息系统是在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、存储、管理、操作、模拟、显示和综合分析的计算机技术系统。

RS:不直接接触物体本身，从远处通过各种传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输及其处理分析，来识别物体的属性及其分布等特征的综合技术。

RS（抽象）：安装在平台上的传感器，借助于某种信息传播媒介来感测遥远事物的过程。

RS技术（具体）：从不同高度的平台（如飞机、人造卫星等）使用传感器收集地物的电磁波信息，再将这些信息传输到地面并加以处理，从而达到对地物的识别与监测的全过程。

GPS:

利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统，简称GPS。是一种全球性、全天候、连续的卫星无线导航系统，可向用户提供连续、实时、高精度的位置、速度、时间信息

功能：

GIS:

（1）空间数据输入模块：

对多种形式、多种来源的信息，通过有关的量化工具按照地理

坐标转化为计算机能够接受的形式，同时进行编辑、检查并存储。

即包含输入、编辑、编码和存储等过程。

输入：手扶跟踪数字化——数字化仪

扫描数字化——扫描仪

键盘录入——非图形数据

格式转换——其他格式的数字化信息转换

编辑：增加、删除、修改等

编码：属性、图形数据编码

（2）空间数据库管理：

对数据进行合理组织，包含位置数据、拓扑数据、属性数据和

其他数据

（3）空间数据处理和分析：

对数据的基本操作，基本运算，查询检索和空间分析

操作：如拼接、裁剪、漫游、放大、缩小等

运算：算术运算、关系运算、逻辑运算、函数运算等等

查询检索：多条件双向查询

空间分析：叠加分析、网络分析、几何量算、缓冲区分析等

（4）应用模型分析：

统计、预测、评价等专业分析模型

（5）空间数据输出：

将检索、查询、分析和处理的结果展示给用户，包括图形、图象、

数字、文字、报表等等，输出途径可以是显示器、绘图仪、打印

机等

RS：遥感技术的应用范围很广，下面简要介绍其在农业、林业等方面的应用。

1．农业、林业方面的应用在农业方面，利用遥感技术可以识别各类农作物，计算其种植面积，并根据作物生长情况估计产量。例如，美国利用卫星遥感资料对世界小麦产量进行估算，精度达90％。

这种大面积的估产对于国际贸易、储运、加工等都有重要意义。在作物生长过程中，可以利用遥感技术分析其长势，及时进行灌溉、施肥和收割等。当农作物受灾时，可以实时监测。

2．在林业方面，利用遥感技术可以清查森林资源，监测森林火灾和病虫害。火灾是林业的大敌。利用航空红外遥感技术，不仅能发现已燃烧起来的烈火，而且可以探测到面积小于0.1～0.3平方米小火情，还能及时预报由于自燃尚未起火的隐伏火情。利用卫星遥感，一次就可探测到上千平方千米范围内所发生的林火现象。遥感技术在我国扑灭大兴安岭特大林火中起了很大的作用。遥感技术在土地资源和土壤调查中也获得普遍应用。

GPS：

1、导航

2、测量

3、授时

二、GPS定位原理（绝对/相对）

利用三个以上卫星的已知空间位置，用空间距离交会法，求得地面待定点（接收机）的位置，这就是GPS卫星定位的基本原理但考虑到各种误差的影响，为了达到定位精度要求，至少需要同步观测4颗以上的卫星。

卫星是高速运行的动态已知点，卫星的实时位置是由导航电文解算的，只要实时测量出测站（接受机天线中心）至卫星间的距离，就可以进行测站点的定位。公式如下：

式中（x J，y J，z J）为三个卫星某时刻的位置（j=1,2,3）；

(x P，y P，z P) 为测站点P点坐标；

(ρ1，ρ2，ρ3) 为卫星到接收机天线的距离。

依据测距原理，其定位方法可分为：伪距法定位、载波相位定位和差分定位等。根据待定点运动状态可分为静态定位和动态定位。

绝对定位

绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。

相对定位

相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。

三、地理信息系统和空间数据分析

GIS的数据源：

从总体上数据源可分为图形图像数据、文字数据以及音频等媒体数据。

空间实体：

在GIS中，不可再分的最小单元，称为空间实体，是构成空间数据的基本元素。

空间实体的类型

点：如地名、高程点、钻孔、节点等等。

线：如河流、行政边界、等高线、街道等等。

面：如行政区域、湖泊、岛屿等等。

体：立体状实体，如断面、剖面等

空间特征：

数据的空间特征包括几何特征和拓扑关系，通过一定的坐标系统实现。

几何特征——空间物体的位置、形状、大小、距离等

拓扑关系——空间物体的相连、相邻、包含等空间关系。

数据结构：

空间数据在系统内的组织和编码形式，是适合于计算机系统存储、管理和处理地理图形的逻辑结构，是地理实体的空间排列方式和相互关系的抽象描述。不同类型的数据，只有按照一定的数据结构进行组织，并将它映射到计算机存储器中去，才能进行存取、检索、处理和分析。GIS常用的数据结构主要有栅格结构和矢量结构。(具体的内容参考PPT，仔细看看)

(1)栅格结构：

用规则的网格阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织方式将地理空间划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个象元，

地理实体的位置由其所在的网格的行和列来定义

地理实体的属性由网格的代码确定

(2)矢量结构：

通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、面等地理实体的数据组织方式其坐标空间假定为连续空间，不必象栅格数据结构那样进行量化处理。因此矢量数据能更精确地定义位置、长度和大小。

常见的空间分析有哪些：

查询检索、几何量算、等值线分析、复合分析、网络分析、邻域分析、空间数据的插值

复合分析（数字，视觉，叠加）：

空间复合分析主要是将同一空间上两个或两个以上不同含义的地理

要素的重合点之间进行分析处理。主要方法有：

数学方法：

逻辑关系分析：用逻辑表达式分析重合点的非几何特征之间的逻辑关系，实现对空间数据提取、删除等操作。如子集A是在植被覆盖图上的针叶林区，子集B为坡度等级图上坡度<15°的子区，则A∧B是针叶林且坡度小于15°的区域。

算术关系分析：通过对重合点的非几何特性间算术运算，求得新的复合数据层。如提取两期土地覆盖的变化，可以通过减法来实现。

统计关系分析：用统计分析方法获取重合点的非几何特性间算术运算，求得新的复合数据层，以表示不同属性之间关系或按统计值划分区域。如求最大、最小以及各种统计模型等等

视觉信息复合：

将同一区域的同一比例尺的不同专题图进行视觉上的叠加，从而获得更多的空间信息，以判断实体间的空间关系。复合后各图层不改变数据结构，也不形成新的数据。如将专题图和数字高程图复合生成立体专题图。

叠加分析：

与视觉信息复合不同的是参加复合的数据层要进行数据运算，并生成新的数据层，属性数据中包含了多个数据层的数据项。

空间数据插值就是寻找一种函数关系，使其接近或等于已知空间点的分布特征，并用该函数求得其它任意点或区域的数据值。

点插值：一般针对连续空间，可以通过整体拟合和局

部拟合技术实现。

区域插值：从一组已知的分区数据中推断出另一组分区的

数据。

泰森多边形分析：由离散点的数据建立泰森多边形，从而

获得多边形的属性值。如将观测的离散点高程，通过建立

泰森多边形得到等值线，从而得到地形图。

三、遥感

彩色合成原理（互补色）： 三基色：

红、绿、蓝。其中任何一色都不能由三种基色中另外两种基色合成。 加色法：以三基色中两种以上色光按一定比例混合，产生其它色彩。 红（R ）+ 绿（G ）= 黄（Y ） 红（R ）+ 蓝（B ）= 品红（M ） 蓝（B ）+ 绿（G ）= 青（C ）

红（R ）+ 绿（G ）+ 蓝（B ）= 白（W ） 减色法：从白光中减去其中一种或两种基色光而产生色彩。 黄=白－蓝，品红=白－绿，青=白－红，…… 互补色：

当两种色光相叠加成为消色(白色或黑色)时，这两种色光为互补色。

投影和分带，经度（几带）

中和大用高斯克吕格投影（横轴等角切椭圆柱投影），小比例尺用兰伯特等角圆锥投影（横轴等角割圆锥投影）

1:1

6

3

Landsat5(MSS 一台（四通道：MSS1—MSS4），（80?80m ）；TM 一台（七通道，TM1—7），（30?30m ，TM6为120?120m ）)；

专题制图仪（TM ）：第二代多光谱光学—机械扫描仪，在MSS 基础上改进和发展的。Landsat-5为双向扫描共七个通道。TM1-5和TM7为30m ?30m 的地面分辨力，TM6为120m ?120m 。Landsat-7 ETM+有八个通道，增加的全色波段分辨率为15m ，TM6提高到60m ?60m 。

SPOT:SPOT卫星研制起步较晚，但由于采用了具有特色的设计思想和技术，其很快在民用对地观测

领域占有一席之地。其特点是有斜向扫描，能立体成像。

SPOT5：两台HRG，HRS，加载一个植被探测仪（Vegetation），

高分辨力可见光扫描仪HRV的光谱段：（4个通道）

多谱段（相对于TM2，TM3，TM4）：

XS1——0.50～0.59μm（绿）

XS2——0.61～0.68μm（红）

XS3——0.79～0.89μm（近红外）

全色波段：P——0.51～0.73μm（绿～深红），不含青、蓝、紫。多谱段：20′20（m′m），全色波段：10′10（m′m），SPOT5达到2.5~5m

IRS:1994年发射的IRS-P2有一波谱的空间分辨率达到5.8m

加拿大Radarsat系列卫星:其传感器为合成孔径雷达（SAR）,它工作在C

波段（5.3GHz），发射和接收极化均为水平（HH）。分辨率可选10-100m.

JERS-1:：VNR（可见光近红外辐射计）光学传感器,

地面分辨率为18m×24m

SWIR（短波红外辐射计）

SAR（合成孔径雷达）：地面分辨率为18m×18m

ADEOS（先进的地球观测卫星）系列:AVNIR（16m×16m，8m×8m）、OCTS（700m×700m）FY-1：1.1km×1.1km

依科诺斯（IKONOS）:可采集1m分辨率的黑白影像和4m分辨率的多波段(红、绿、蓝、近红外)影像

快鸟（QuickBird）:空间分辨率最高可达0.61米

四、栅格数据与矢量数据，优缺点的表格**PPT

五、遥感的理论基础和技术系统

大气窗口：电磁波在大气中传输时，通过大气层未被反射、吸收和散射的那些

透射率高的波段范围，称为大气窗口。

电磁波谱定义：

按照波长的长短顺序将各种电磁波排列制成的一张图表叫做电磁波谱。在电磁波谱中，从左到右，波长逐渐增大。从左到右依次是宇宙射线、γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、以及其它无线电波等。

遥感中常用的电磁波段：

可见光、红外线、微波是RS中常用的三大波段

波段：两个波长之间的全体波长的集合。

发射率：地物单位面积上发射（辐射）能量M与同一温度下同面积黑体发射能量M黑之比值。即：ε=M/M黑

反射率：地物的反射能量与入射总能量之比，其数值用百分数表示。

透射率：地物的透射度与其表面的辐照度之比。

吸收率：地物的吸收度与其表面的辐照度之比。

地物的反射光谱曲线：

地物的反射率随入射波长变化的规律。以波长为横坐标，反射率为纵坐标，绘成的曲线图称为地物反射光谱曲线。

植物：（必考）

在蓝光波段(0.38～0.50μm)反射率低，绿光波段(0.50～0.60μm)

的中点0.55μm左右，形成一个反射率小峰，这就是植物叶子呈绿光

的原因。在红光波段(0.60～0.76μm)，起先反射率甚低，在0.65μm

附近达到一个低谷，随后又上升，在0.70～0.80 μm反射率陡峭上

升，到0.80μm附近达到最高峰。

影响植物反射率的主要因素包括叶色、细胞结构和含水量等

地物的发射光谱特性：

任何地物当温度高于绝对温度0K时，就存在着分子运动，不断地向外发射电磁波。实际上，世界上任何物体的温度都高于0K（0K=?273.15℃）。所以，任何物体都有热辐射。

六、问答：GPS,GIS,RS有什么功能和特点（网上找的太多了。。。简答的话答要点就好）

功能见一、特点如下：

3S技术是一个有机的整体, RS用于提供大量实时、动态、快速、廉价的地理信息; GPS用于空间数据快速定位，为遥感数据提供空间坐标，并对遥感数据进行校正和检验; GIS用于对空间数据进行存贮、管理、查询、分析和可视化，将大量抽象的统计数据变成直观的专题图和统计报表等。

RS的特性：

空间特性：

感测距离远，视域范围大。某些波段的遥感对冰雪、云雾、水体和陆

地等有一定的穿透力。因此RS具有宏观性和直观性。如Landsat TM每幅图象所表示的地面区域为185×185km2。

时相特性：

平台运行快，周期短，能够周期成象。且能获得多时相、准同步的影

象和数字资料。通过不同时间成象资料的对比，可以研究地面物体的动

态变化，为环境监测、病虫害等地物发展变化规律的研究提供了条件。

光谱特性：

探测波段从可见光向两侧延伸。现在，已用于遥感的电磁波段有γ射

线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波以及波长更长的无线电波

等。各波段间性质差异很大，用途也各不相同。可以用于地物分类、制

图、遥感定量分析和应用等等。

这三大特性构成了遥感信息地学评价的三个基本标准（空间分辨率、

时间分辨率和光谱分辨率）

GIS的特点：

（1）公共的地理定位基础（坐标系统）：

所有的地理要素按特定的坐标系统进行严格的空间定位，才能对空间要素进行复合和分解，将隐含的信息变为显式表达，形成空间上连续分布的综合信息基础，支持空间问题的处理与决

策。

（2）标准化和数字化（分类、分级、规格化、标准化）：

多信息源空间数据、统计数据经过分类、分级、规格化、标准化使其适合于计算机输入与输出的要求。

（3）多维结构（多专题分析，并按时间序列延续）：

实现多专题的分析，并按时间序列延续，从而具有信息存储、更新和转换能力。

GPS的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。

1、定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。

2、观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

3、测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

4、可提供三维坐标

经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

5、操作简便

随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。

6、全天候作业

目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

7、功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和

七、综合题**空间分析（可根据老师的提示自行思考）

GIS“选址”：医院，救护中心，卫星城，迁都？大学如何布局？规划？最佳方案是？

3S应用：内插，遥感提取信息（生物多样性分析，森林病虫害监测）---->GIS进行各种信息分析-->GPS 手持（精度！！）定位（准确度？）---->提高精度的原理