3S技术集成与应用的发展前沿
本科课程论文题目：3S技术集成与应用的发展前沿
姓名：XXX 学号：XXXXXXXXX 专业：地理信息系统
指导教师：XX 职称副教授
中国·武汉
二○一二年十二月
分类号密级
3S技术集成与应用的发展前沿
华中农业大学本科课程论文3S技术集成与应用的发展前沿
学生姓名：XXX
学生学号：XXXXXXXXX
学生专业：地理信息系统
指导教师：XX 副教授
华中农业大学资源与环境学院
二○一二年十二月
华中农业大学09届本科课程论文
目录
Ⅱ摘要 (4)
Ⅲ主题词 (4)
1 前言 (4)
2 相关概念 (4)
2.1地理信息系统 (4)
2.2 遥感 (5)
2.3 全球定位系统 (5)
3 系统集成 (5)
3.1 GIS 与RS 结合 (6)
3.1.1 基本原理 (6)
3.1.2 实际应用 (6)
3.2 GIS 与GPS 结合 (7)
3.2.1 基本原理 (7)
3.2.2 实际应用 (7)
3.3 RS 与GPS 结合 (7)
3.3.1 基本原理 (7)
3.3.2 实际应用 (8)
3.4 GIS、GPS 和RS 集成 (8)
3.4.1 系统集成的关键问题 (9)
3.4.2 系统集成的应用研究 (9)
4 “3S”的发展趋势 (10)
4.1 卫星导航定位系统的发展趋势 (10)
4.1.1 GPS 与GLONASS 导航定位系统的发展动态 (10)
4.1.2 欧洲全球卫星导航定位系统-Galileo 计划的实施状况 (11)
4.1.3 北斗卫星导航系统 (11)
4.1.4 卫星重力测量技术 (12)
4.2 遥感技术的发展趋势 (13)
4.2.1 遥感( RS) 概念的发展 (13)
3S技术集成与应用的发展前沿
4.2.2 RS 平台与观测技术的发展 (13)
4.2.3 RS 影像定位技术的发展 (13)
4.2.4 RS 影像处理技术的发展 (14)
4.2.5 遥感应用领域的拓展 (14)
4.2. 6 遥感基础理论的发展 (15)
4.3 GIS 技术的若干发展趋势 (15)
4.3.1 GIS 概念上的发展 (15)
4.3.2 GIS 基础数据结构的发展 (15)
4.3.3 GIS 表达技术的发展 (15)
4.3.4 GIS 处理技术的发展 (15)
4.3.5 网络GIS、联邦数据库和互操作的发展 (16)
4.3.6 GIS 理论基础的发展 (16)
4.4 “3S”技术体系发展方向 (16)
4 结语 (17)
5参考文献 (18)
6 致谢 (18)
华中农业大学09届本科课程论文
Ⅱ摘要
“3S”技术是地理信息系统( GIS)、遥感(RS)及全球定位系统(GPS)的总称。它被广泛的应用于工业、农业、国防等方面。3个技术系统, 在空间信息管理中各具特色,但相互之间又有许多关联。三者的结合和集成已以成为空间信息系统的发展方向和必然趋势。本文在介绍“3S”系统基本概念的基础上, 综述了目前我国“3S”系统集成的理论、技术和实践, 并探讨了其发展方向。
Ⅲ主题词
地理信息系统; 遥感; 全球定位系统; “3S”集成
1 前言
“3S”系统是GIS、GPS、RS ,即地理信息系统( Geographical Information System)、遥感(Remote Sensing)和全球定位系统( Global Positioning System) 的总称。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一,三者在空间信息管理上各具特色,均可独立完成自身具有的功能,同时相互之间
又有许多关联, 在解决问题的功能上各有优点与不足。三者的结合与集成已成为空间科学的发展方向和必然趋势。本文试就目前我国“3S”集成的基本理论、技术和应用等做一综述, 并探讨其发展前景。
2 相关概念
2.1地理信息系统
信息系统是具有采集、处理、管理和分析数据能力的系统, 它能为单一的或有组织的决策过程提供各种有用的信息。地理信息系统则是在计算机硬件与软件的支持下, 运用系统工程和信息科学的理论, 科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据, 以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。地理信息系统
3S技术集成与应用的发展前沿
主要由计算机硬件系统、计算机软件系统、空间数据和系统使用管理及维护人员四部分组成, 其主要功能模块有空间数据输入模块、空间数据管理模块、空间数据处理分析模块、应用模型和空间数据输出模块。目前市场上流行的国外软件有ARC/ INFO ,IGDS/ MRS , TIGRIS 等, 国内主要有MAPGIS , GEOSTAR , CITYSTAR , VIEWGIS 等软件。
2.2 遥感
遥感即在不直接接触的情况下, 对目标或自然现象远距离感知的一种探测技术, 狭义上是指在高空和外层空间的各种平台上, 运用各种传感器(如摄影仪、扫描仪和雷达等) 获取地表信息, 通过数据的传输和处理, 来研究地面物体形状、大小、位置、性质及其与环境相互关系的一门现代化技术科学。遥感通常按照其承载传感器的平台不同分为航天遥感和航空遥感。遥感具有可获取大范围资料、获取信息手段多、信息量大、获取信息速度快、周期短和获取信息受条件限制少等特点。目前遥感技术正经历着从定性向定量从静态向动态的发展变化。
2.3 全球定位系统
全球定位系统是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统, 由分布在与赤道面夹角为55°的6个轨道上的24 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成, 可为航天、航空、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据。所谓GPS 定位是指运动载体实时测出接受天线所在的位置, 而导航则是指GPS接收机在测得运动载体实时位置的同时, 还测得运动载体的速度, 时间和方位等状态参数, 进而可“引导”运动载体驶向预定的目标位置。作为从军方发展起来的产品, 根据其用途不同(民用和军用两种) , GPS 定位分为标准定位服务SPS (Standard Positioning Service) 精确定位服务PPS (Precise Positioning Service) , 其通常由空间导
航卫星、地面监控站组和用户设备三部分组成。
3 系统集成
目前“3S”技术的结合与集成研究已经有了一定的发展, 正在经历一个从低级向高级的发展和完善过程。“3S”系统的低级阶段, 系统之间是通过互相调用一些功能来实现的；“3S”集成的高级阶段, 三者之间不只是相互调用功能,而是直接共同作用, 形成有机的一体化系统, 以快速准确地获取定位的现势信息, 对数据进行动态更新, 实现实时实地的现场查询和分析判断。其具体主要表现四种结合方式: (1) GIS 与RS 的结合；(2) GIS 与GPS 的结合；(3) RS 与GPS 的结合；(4) GIS、GPS 和RS 的结合。
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3.1 GIS 与RS 结合
3.1.1 基本原理
GIS与RS 的结合主要表现为RS是GIS的重要信息源,GIS是处理和分析应用空间
数据的一种强有力的技术保证。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,它们之间的差别是影像数据和制图数据用不同的空间概念表示客观世界的相同信息而产生的。对于RS与GIS一体化的策略, Ehlers 等提出了三个发展阶段；第一阶段,采用数据交换格式把两个软件模式联结起来；第二阶段,两个软件模式具有共同的用户接口,且同时显示；第三阶段,具有复合处理功能的软件体。这种提法与陆守一论述的三种结合途径基本类似； (1) 采用软件接口方式,实现RS 与GIS 的数据交换；(2)发展一种标准的空间数据交换格式；
(3)地理信息系统与遥感信息系统相互结合形成一个完整的系统。
3.1.2 实际应用
近年来我国关于RS和GIS结合集成研究较多,经历了由初步探讨向逐渐成熟发展的过程。其应用主要包括两个方面: 一是RS数据作为GIS的信息源；二是GIS为RS提
供空间数据管理和分析的手段。张继贤在国内较早提出综合GIS信息中的地学知识和遥感数据可以提高遥感分类的精度,消除应用单一遥感图象判读所存在的若干弊端。但是,两者的结合由于存在数据转换的问题,因而相应软件的研究也是一个重要方面。任小虎在应用RS与GIS集成系统GRAMS的过程中,认为该软件虽然可以实现表面无缝的结合, 但是就其内部格式的转换上却还不能实现数据的共享与自由转换。初期的关于遥感如何为GIS提供数据和信息的研究也开展较多,如刘滨谊等在对城乡区域进行规划的过程中,就借助遥感作为主要信息源来采集区域信息,并在此基础上进行规划设计。向发灿在对湖北武昌和陕西安塞土地进行评价中,也应用遥感获取评价因子的值作为信息源, 进行复合和叠加,在此基础上,由地理信息系统进行加工和处理, 实现了动态快速的土地资源评价。具体到RS 与GIS 完全结合与数据格式的转换问题, 秦志远在他的博士论文研究中,创造性地提出了“结合锥”的结合模式和混合Freeman 链码结构,以解决这一问题。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。在应用GIS 空间分析的功能为RS 数据提供空间数据管理和分析的研究中, 多是考虑GIS 的DEM 数据、气候、环境等因素的空间分布。如刘纪远等在对中国东北植被综合分类的研究中,探讨了将地理信息系统提供的地理数据与遥感数据复合的可行性; 尝试在GIS 环境下, 将气温、降水、高程3个影响区域植被覆盖的主要指标,按一定的地面网格系统和数学模式进行定量化,生成数字地学影像,并使之与经过优化、压缩处理的NOAA AVHRR 数据进行复合, 取得了良好的效果。李震等在对青藏高原冰川变化的研究中,以RBV、MSS、TM 遥感资料为信息源, 提取冰川界线, 形成冰川边界图；以GIS 为工具分析该冰川群的变化,得出了布喀塔格山峰北部冰川的变化规律。综合应用GIS 和RS 进行旱情监测、土地利用分类的技术也已相当成熟。黄家柱等充分发挥RS、GIS、计算机制图技术及
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网络技术等学科前沿的优势,研制了“长江三角洲地区遥感卫星动态决策咨询系统”则代表了我国当前RS和GIS结合并综合其它多学科技术的新方向。
3.2 GIS 与GPS 结合
3.2.1 基本原理
GPS和GIS结合,不仅能取长补短使各自的功能得到充分的发挥,而且还能产生许多更高级功能,从而使GPS和GIS的功能都迈上一个新台阶通过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。通常GPS接受机所接受的信号无法输入底图,若从GPS 接受机上获取定位信息后,再回到地形图或专题图上查找,核实周围地理属性,该工作十分繁琐,而且花费时间长,在技术手段上也是不合理的。如果把GPS 接受机同电子地图相配合,利用实时差分定位技术,加上相应的通信手段组成各种电子导航和监控系统,可广泛应用于交通、公安侦破、车船自动驾驶等方面。GPS 可以为GIS 及时采集、更新或修正数据。如在地籍测量或外业调查中,通过GPS定位得到的数据,输入电子地图或数据库,可对原有数据进行修正、核实、赋予专题图属性以生成专题图。
3.2.2 实际应用
我国国内关于GPS与GIS结合的文献不算太多。李汉如等在论述现代化战争中提出现代化的战场将是数字化的战场,在这样的背景下,加强军事信息系统的建设迫在眉睫。运用GPS结合差分技术进行空间军事测量和定位,并将其信息与GISES等信息系统相结合可以加速我国军事的数字化进程。时加新在研究城市地理信息系统中的指挥监控报警子系统中运用GIS技术建立城市电子地图,运用GPS 技术对城市主要道路干线、重点设施进行精确定位,为城市内的盗警、火警等突发性事件提供信息上的支撑。在地震监测网络的研究中,陈俊勇提出应当建立基于GPS数据采集、GIS 数据处理、数据通讯等为一体的网络系统,以满足学科发展的需求。而将GPS 用于土地科学进行野外测量定位, 则主要是在控制测量中的应用, 但是随着RTK技术的应用, 采
用动态双频的GPS 进行碎部测量的技术也日益得到广泛应用。
3.3 RS 与GPS 结合
3.3.1 基本原理
从GIS的角度说,GPS和RS都可看作数据源获取系统。然而,GPS和RS既分别具有独立的功能,又可以互相补充完善对方,这就是GPS和RS结合的基础。GPS的精确定位功能克服了RS 定位困难的问题。传统的遥感对地定位技术主要采用立体观测、二维空间变换等方式, 采用地-空-地模式先求解出空间信息影像的位置和姿态或变换系数, 再利用它们来求出地面目标点的位置,从而生成DEM和地学编码图像。但是,这种定位
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方式不但费时费力,而且当地面无控制点时更无法实现,从而影响数据实时进入系统。而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/ GPS/INS方法,将传感器的空间位置(Xs,Ys,Zs) 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。此外,利用RS数据也可以实现GPS定位遥感信息查询。
3.3.2 实际应用
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。随后, 李树楷于90 年代初创造性地提出了将激光测距和扫描成像仪在硬件上实现严格匹配形成了扫描测距—成像组合遥感器, 再和GPS、INS 进行集成构成三维遥感影像制图系统。随着GPS 进入到完全运作阶段(FOC)以及高重复频率激光测距技术的应用,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。尤红建在研究适用于机载三维遥感的动态GPS
定位技术的研究中,认为三维遥感直接对地定位采用了GPS定位技术,姿态测量系统
和扫描激光测距技术来直接对同步获取的遥感数据进行三维定位,能够实时(准实时) 地得到地面点的三维位置和遥感信息,具有快速实时(准实时) 且无需地面控制, 是
遥感对地定位的重大突破。在他随后的相关研究中,对中国自行研制、具有独创性的机载三维遥感影像制图系统中的动态GPS 定位技术特点和要求进行了分析,认为机
载三维遥感对GPS 定位的特点要求主要表现在: (1) 高精度差分GPS 定位；(2) GPS 数据和遥感数据的同步联系；(3) 适应机载动态分行作业的要求。同时, 还具体论述了应用于三维遥感的GPS 定位数据的处理和算法流程。
3.4 GIS、GPS 和RS 集成
空间定位技术、遥感技术和地理信息技术的整体集成无疑是人们所追求的目标。这种系统不仅具有自动、实时地采集、处理和更新数据的功能, 而且能够智能式地分析和运用数据, 为各种应用提供科学决策咨询,并回答用户可能提出的各种复杂
问题。在这个系统内, GIS 相当于中枢神经, RS 相当于传感器, GPS 相当于定位器, 三者的共同作用将使地球能实时感受到自身的变化, 使其在资源环境与区域管理等众多领域中发挥巨大作用。
概括地说, “3S”集成技术就是将遥感技术与全球定位技术作为快速获取和更新地理信息的手段；将地理信息系统作为存贮、管理和分析空间信息和数据的基础平台, 以这三项技术和技术系统为核心而形成的技术体系。其实,应该从更广义和更深层的意义来理解这种新的技术体系。它代表了用各种现代化方法来采集、量测、分析、存贮、管理、显示、传播和应用与地理和空间分布有关的数据的一种综合和集成的技术体系;将地球轨道资源卫星、空间定位卫星、机载和舰载传感器以及多种地面测量和调查资料,已有地图等作为多种数据来源,将地理信息系统作为基础平台, 用作搜集、管理和分析空间信息与数据；卫星定位、摄影测量与遥感作为快速获取和更新地理信息的主要技术手段；地图制图与图形图象技术作为地理信息分析、处
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理和成果的显示与表达, 专家系统使数据采集、更新、分析和应用自动化与智能化；现代通讯技术尤其是信息高速公路为地理信息在各部门的传递和应用作了保证。可见,“3S”集成技术是当前测绘技术、摄影测量与遥感技术、地图制图技术、图形图象技术、地理信息系统技术、计算机技术、卫星定位技术、专家系统技术和现代通讯技术等的有机结合和综合运用。它们共同组成了一个整体的、实时的、动态的对地观测、分析和应用的智能化运行系统。“3S”集成技术已成为现代地理信息技术的核心。
当然, “3S”集成技术作为一种技术体系, 在层次上、规模上和集成的布置上, 或者说在功能上, 可分别不同情况, 分别建立“大系统”、“中系统”、“小系统”和“专用系统”, 但它们之间应能实现信息的彼此调用与共享。
3.4.1 系统集成的关键问题
对于“3S”系统的集成研究, 不同专业背景的学者从各自的需要、背景出发纷纷发表不同的观点,刘震从地理信息流的角度出发,认为在“3S”系统中的信息获取、信息处理和信息应用应当是一体化的, 其需要解决的关键问题在于以下八个方面: (1)学科的组织；(2)信息流的描述；(3)集成系统的开发原型和规范以及计算机辅助集成系统设计及仿真的研究；(4)系统的同步控制；(5)多平台异质数据的采集、压缩、编码、存储及数据结构的研究；(6)多平台的互验、互校；(7)误差模型、数据质量；(8)地理信息系统支持下的异质数据的多元多维动态复合分析。李德仁认为为了实现真正的“3S”技术集成, 需要研究和解决系统设计、实现和应用过程中出现的一些共性的基本问题, 包括(1)系统的实时空间定位；(2)系统的一体化数据管理；
(3)语义和非语义信息的自动提取理论方法；(4)基于GIS 的航空, 航天遥感影像的全数字化智能系统及对GIS 数据库快速更新的方法；(5)可视化技术理论与方法；(6)系统中数据通讯与交换；(7)系统设计的方法及CASE 工具的研究；(8)系统中基于客户机/服务器的分布式网络集成环境。
3.4.2 系统集成的应用研究
随着“3S”的结合与集成,目前在许多领域已经得到了应用。王丹在1995 年探讨了“3S”集成系统在地震灾害调查与研究中的应用, 并根据对唐山地震灾害分析和研究的认识, 结合自己工作实践经验和国内外有关资料, 提出在具体实施中应重点注意以下四个方面的问题: (1)卫星遥感资料的收集与利用；(2)航空遥感的实施方案；（3)利用GPS 直接获取震害信息和为专题震害信息定位；(4)震害信息系统的建立。王让会等在对新疆塔里木河流域研究其土地沙漠化时, 应用多时相、多平台的遥感信息, 在野外借肋GPS 进行辅助定位调研编制不同年代的类型图；并在ARC/ INFO软件的支持下,对图件进行编辑处理,制作沙漠化动态图,借助于GM (1,1)模型, 预测阿拉干地区沙漠化的发展趋势,取得了良好的效果。此外,“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。
在对“3S”系统分析研究中,也有引用其他的“S”组成新的“3S”。如张晓丽在对北京市森林立地进行研究中, 就综合应用了RS、GIS 和ES (专家系统) ,实现了
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多层次的综合多因素的立地分类和立地质量评价, 并可以将有林地和无林地进行统一的分类和评价。而ES 与GIS 的松散的结合方式以及KDD 技术的应用, 使得系统不仅具有空间数据的处理和分析能力, 也具有知识表示和利用知识进行启发推理的能力, 实现了分类、评价与决策过程的系统化和一体化。
4 “3S”的发展趋势
4.1 卫星导航定位系统的发展趋势
4.1.1 GPS 与GLONASS 导航定位系统的发展动态
( 1) GPS 近期发展计划
2005年9月,美国发射了首颗改进型GPS-2R-M卫星,迈出了GPS现代化的第一步。2007年,发射第1颗GPS-2F卫星,并增设第3导航定位信号, 形成L1,L2,L3共3个GPS
信号的新格局。第4代GPS卫星-BlockⅢ已开始研究,计划2010年发射,一旦完成部署,将改变现行6轨道24颗星的结局,而用33颗星构建高椭圆轨道( HEO) 及地球静止轨
道(GEO)相结合的新型GPS混合星座。此外,2006年,还要增建6个以上的地面监控站,
以加强对卫星的跟踪及纠错能力。具体地说,在BLOCK 2R-M卫星的L2上增加C/A码,
以利于接收机高质量地获取双频伪距和双频载波相位观测值,减小L2上发生周跳的
可能性,缩短求解整周模糊度的时间,消除多路径效应的影响及电离层延迟改正2007年,在2R-M卫星上加入第3民用频率L5(1176.45MHz)后,测量时可利用L1,L2和L3的不同线性组合来减小各种观测误差的影响；在2R-M上增设军用M码,在L1和L2上采用频谱复用技术,使军民应用分离；延长广播星历的有效期, 在BLOCK 2R-M上可自主在轨更新和精化广播星历和星钟参数、在轨数据传输,保证卫星连续运行180d后,其测距误差仍能达7.4m。为适应GPS卫星的现代化,提高测量精度,在接收机方面也有不少改进。例如: Trimble GPS R7、R8 型机上有R-Track 技术,使其在L1和L2上能进行低噪声载波相位测量,精度可达1mm；进一步增大了L2上的C码信噪比,减小了多路径误差, 增强了低高度角跟踪。Leica 公司的GPS 1200型采用了Smart Track技术,以支持升级后的GPS卫星信号。通过这些现代化措施, 其效果主要表现为: 强化军用信号功率及抗干扰能力；2008 年后民用载波相位测量动态用户可达厘米级的实时点位坐标, 伪距单点定位精度可达6 m；GPS 航空/航天摄影与遥感将成为大中小比例尺测图的主要手段。
( 2) GLONASS 系统发展动态
前几年,由于俄罗斯经济不景气,导致系统性能退化,2001年只有7颗卫星在工作, GLONASS 系统处于崩溃边缘。近年来, 俄罗斯政府决定优先发展该系统,状况开始好转。2005年12月25日,成功发射3颗卫星(其中2颗为M型,寿命可达7a) ,使运行的卫星总数达17颗。预计到2008 年, GLONASS系统的性能将达到GPS系统的先进水平. 新一代GLONASS-K卫星将增加第3个民用信号,重量比M型星减少近一半( 从1 415 kg 减至850 kg) ,工作寿命将延长到10a以上,K星计划2008 年开始发射。
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4.1.2 欧洲全球卫星导航定位系统-Galileo 计划的实施状况
(1) 系统启动背景与特点
1990年,ESA(欧空局)提出GNSS1、2方案；1999 年2月,EC(欧共体)公布了Galileo 计划；2002 年3月26日,EC15国交通部长理事会一致决定正式启动Galileo计划项目.Galileo 系统的特点是:全天候和全球覆盖；独立于GPS,由欧洲人控制的民用卫星导航和定位系统,能与GPS 兼容并对其进行补充；功能与未来的GPS 相似, 但导航定位服务可分为全球性、区域性和局域性等不同精度等级；核心星座为中轨( MEO )；提供加强搜索和救援( Search And Rescue -SAR)以及有限的与导航相关的通讯能力；对其他合作伙伴开放。卫星星座:每个轨道10 颗卫星(9颗工作星,1颗备用)；3个卫星分布轨道面; 轨道倾斜角为56°；轨道高度为23 616 km; 运行周期为14 h 4min; 卫星寿命20 a; 卫星重量625 kg ；射电频率1 202. 025 MHz、1 278. 750 MHz、1 561. 098 MHz 和1 589. 742 MHz。地面控制部分是连接空间段和用户段的中间环节, 其主要功能: 导航控制和星座管理；完好性数据检测和分发。
( 2) 中国参与系统研建的情况
2001 年6 月,朱基总理在北京接见欧盟副主席De Palicio女士率领的欧盟访华团时,就中国参与Galileo计划事项,提出了“平等参与、承担必要的义务、享有应有的权利”的原则。2002年,我国启动了参加伽利略计划的战略研究工作。2003年10月,温家宝总理在北京代表中方正式签约,参与该系统的研建。2004 年10月9日,中国科技部与欧盟委员会在北京具体签署伽利略计划技术合作协议,使中欧伽利略计划
的合作进入实质性操作阶段,中国由此成为伽利略联合执行体中与欧盟成员国享有
大体相同权利和义务的第1个非欧盟成员国。Galileo系统具有比GPS 更佳的覆盖率、更高的精度和可靠性,对我国经济社会发展和科学研究将产生重大影响。
( 3) Galileo 计划的进展情况
第1阶段任务,为地面段研发测试( GST B-V1)。此阶段任务已于2004 年12月完成, 并建成了由全球34个采集高质量GPS数据的监测站网络及由一个精确授时站和
一个信息处理中心组成的平台,用于:试验Galileo系统时间与世界时/ 国际原子钟
时间(UTC/TAI)的比对；轨道测定、时间同步和空间信号精度；完好性计算。
第2阶段( GST B-V2) 任务,为空间段验证。2005年12月28日,发射了第1颗试验卫星,2006年再发射2颗,主要任务是对卫星导航的有效载荷、MEO 轨道空间环境和空间信号的精度进行测试。之后,将再发射4 颗在轨验证卫星,部署一系列地面设施。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, 作为Galileo 系统欧盟以外的参与国之一, 将能够合法使用该系统, 并大大增强我国的空间对地观测能力, 但是仍然无权享受特许服务( PRS)。
4.1.3 北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（CNSS），是继美（GPS）和俄GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口
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控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。
中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和十六颗导航卫星（其中，北斗-1A 已经结束任务，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。
北斗卫星导航系统建设目标是建成独立自主、技术先进、稳定可靠覆盖全球的导航系统。
北斗卫星导航系统，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在经济社会各行业的广泛应用。
该系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文能力。中国以后生产定位服务设备的产商，都将会提供对GPS和北斗系统的支持，会提高定位的精确度。而北斗系统特有的短报文服务功能将收费，这个功能的实用性还有待观察。
2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。2012年12月27日向亚太地区正式提供服务，民用服务与GPS一样免费。
北斗导航终端与GPS、“伽利略”和“格洛纳斯”相比，优势在于短信服务和导航结合，增加了通讯功能；全天候快速定位，极少的通信盲区，精度与GPS相当，而在增强区域也就是亚太地区，甚至会超过GPS；向全世界提供的服务都是免费的，在提供无源定位导航和授时等服务时，用户数量没有限制，且与GPS兼容；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”；自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。
4.1.4 卫星重力测量技术
地球重力场是地球的一种重要物理特性, 重力测量及重力场构模是大地测量和地球科学研究的重要内容。目前,地球重力数据的求定方法包括地面的、卫星的、航空的和测高的重力测量, 特别是从卫星上采集重力数据。卫星重力测量技术多种多样, 例如, 高-低卫星跟踪卫( SST-hl) 测量地球重力场, 德国的CHAMP 已于2001 年开始实施, 工作时间为5 a. CHAMP 利用GPS 卫星进行高-低卫星跟踪卫星, 通过分析精确的GPS 轨道改善重力场的中长波信息。低-低卫星跟踪卫星( SST-ll)测量地球重力场GRACE, 美国宇航局NASA 最近公布了GRACE ( Gravity Recovery and Climate Experiment ) 计划, 于2002 年发射, 工作时间设计为5 a. GRACE 同时采用高-低和低-低卫星跟踪卫星技术, 由GPS 确定轨道精度( 厘米量级) , 并测量两颗低轨卫星之间的距离和距离的变化率.GRACE 可精确求定重力场的中短波部分,
并可监测重力场长波部分的月变化和年际变化. 卫星重力梯度( SGG) 测量地球重
力场GOCE, 欧空局ESA 将于2006 年开始实施GOCE 计划( T he Gravity Field and Steady-state Ocean Circulation Explorer) , 采用GPS 卫星来确定卫星的轨道, 其精度可达几厘米。由于该系统将同时装载重力梯度仪,用于测定引力场沿卫星轨道方向的二阶导数,以加强并改进全球中、短波的重力场信息.
3S技术集成与应用的发展前沿
4.2 遥感技术的发展趋势
4.2.1 遥感( RS) 概念的发展
从早期的摄影测量( photogrammetry, 150 a 前)到遥感( remote sensing, 40 a 前)技术的出现,发展到摄影测量与遥感( remote sensing & photogrammetry, 20 a 前),进而发展到现今的遥感科学与技术( remote sensing science and Technology )。狭义地说, 遥感科学与技术被认为是属于对地观测( Earth observation) 体系的组成部分。
4.2.2 RS 平台与观测技术的发展
RS平台与观测技术已从单一传感器、单一平台、单一观测技术发展到现代的多传感器、多平台、多角度及三高( 高分辨率、高光谱、高时相) 局面。其中: 民用遥感平台的空间分辨率可高达0.62 m ,军用的可高达10cm；光谱分辨率可达nm 级；小卫星群的重访周期为1~ 3 d；机载、星载SAR 卫星日益普及, 具有全天候、全天时观测能力。目前, 商品化的卫星遥感数据产品及其分辨率主要有: 美国Landsat 6、7 的ETM和ETM具有15m的空间分辨率；法国等的SPOT-5最高空间分辨率可达2.5 m ；中国资源2 号全色波段图像为30 m；IKONOSⅡ为1m；Quickbird 为0.62m ；MODIS 中分辨率航天成像光谱仪有36个光谱通道( 0. 4~ 14. 3 s ) ,空间分辨率为250~ 500~ 1 000 m。此外,2006 年1月24 日,日本陆地观测技术卫星“大地”号发射成功, 其运行周期为99 min, 重访周期约46d, 装载有3种遥感仪器: 2.5 m 空间分辨率的全色遥感立体测绘仪( PRISM)、高性能可见光和近红外辐射计( AVN IR-2) 及相控阵型L 波段SAR (PALSAR)。这些仪器能提供高分辨率和立体地表测绘图像, 并采用高速大容量的数据传输技术,及时地将观测数据传回地球. 据说, 它将重点监测亚太
地区。另据报道,美国DigitalGlobe 公司将于2006 年发射具有0.5 m 超高空间分辨率的商业遥感卫星WorldView。
在合成孔径雷达遥感图像数据方面,加拿大的Radarsat 有8种工作模式,精细模式的空间分辨率可达9 m, 覆盖宽度为45 km; 宽覆盖模式的扫描宽度可达510 km, 空间分辨率则为100 m。
4.2.3 RS 影像定位技术的发展
目标定位是遥感技术需要解决的根本任务之一, 传统的定位技术需要大量地面控制点( GCP) 和精确配准。现在, 利用DGPS 与INS 惯性导航系统可以获得航空/ 航天影像传感器的位置与姿态, 实现定点摄影和无地面控制( 或极少地面控制) 的高精度对地观测和三维重建。将DGPS、INS 和LIDAR ( 机载激光扫描雷达) 集成, 可实现无地面控制的实时三维测量。LIDAR 测量的应用领域相当广泛, 例如树高测量、道路测量、城市地理信息数据获取、断面测绘等. 无地面控制的影像定位技术是当今国内外研发的热点和难点之一。Quickbird 平台利用三轴稳定装置、星相仪, 在
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GPS 等辅助下, 无地面控制点的定位精度可达17~ 23m. 法国DORIS 系统, 在全球设有54个站点( 其中1 个点设在我国南京紫金山天文台),利用Doppler 频移以精确解求卫星的空间坐标, 对Topes/ Poseidon 卫星的高度测量精度达3 cm,对SPOT 5 直接进行无地面控制的正射影像制作,精度可以达到15 m,完全能满足国家安全的要求。
4.2.4 RS 影像处理技术的发展
从影像中提取地物目标, 解决其属性和语义(what) 是遥感的另一个重要任务。目标识别方法从传统的目视判读到目前常用的人机交互判读, 正在向自动化和智能化方向发展；影像识别和分类不再限于统计分类, 基于结构和纹理的分析方法很受关注；影像融合技术、数据压缩技术成果显著; 大规模影像库的建设促进了影像检索技术和无缝影像库的发展；空间数据挖掘用于遥感图像解译是研究的热点之一。目前, 基于目标时间域和空间域序列变化过程的图像数据融合技术主要是从3个级别上进行的, 即像元级融合、特征级融合及决策级融合。空间数据压缩与解压缩的难点在于海量数据；无损/ 准无损、实时的影像压缩模型的建立；大型影像库的建立及影像无缝漫游等。解决这些问题的技术途径包括: 小波、分形和神经元网络等算法的应用；基于灰度、特征、纹理和分类的多层次数据压缩；扩大带宽, 提高传输速度, 减轻压缩负担；算法硬件化等。近年来, 从单幅雷达影像提取地面高程信息的研究比较活跃, 其中雷达干涉测量具有广阔的应用前景, 干涉测量可分为沿轨道干涉模式、垂直轨道干涉模式、重复轨道干涉模式. 干涉测量的数据处理理论则有基线测定方法研究, 如轨道参数法、控制点法、图像配准研究. 相位解缠, 即解求相位差的方法研究, 如枝切法、条纹检测法、最小二乘法、基于网络规划的算法等. 干涉测量的数据处理流程( 模式) 可以是3 轨道差分干涉测量、4 轨道差分干涉测量、2 轨道+ DEM 的干涉测量. 利用干涉雷达和差分干涉雷达测量法可以进行地表三维形态和变化的监测。
4.2.5 遥感应用领域的拓展
遥感的传统民用领域从资源调查开始, 随着技术水平的提高, 应用领域不断拓展, 例如: 利用多时影像进行土地利用变化监测、军事打击效果的评估、农作物估产、林业资源调查、自然灾害监测、全球和局部环境监测等；利用高分辨率遥感影像可提取城市交通道路网络。近年发展起来的高光谱遥感在精准农业应用、矿物成分及土壤理化成分检测中发挥了重要作用。此外, 遥感技术在数字城市、数字省区和数字中国的建设以及DOM、DEM 和DLG 图的制作中也都作用显著。
在土地和城市变化监测方法及基础数据、资料使用上可以有多种工作模式: 基于新与老影像数据, 基于新影像和老地图, 基于新老影像和老地图, 基于新的多源影像和老地图/ 老影像, 基于老DEM、DOM 和未纠正的影像, 基于老DLG、DRG 和未纠正影像, 基于老DEM、DOM 和多张重叠影像进行3D 变化检测等。
3S技术集成与应用的发展前沿
4.2. 6 遥感基础理论的发展
传统的遥感数据分析以目视解译的定性分析为主, 获得观测目标的地物特性。
现在, 需要从影像的几何与物理方程出发, 加强全定量化遥感反演理论及方法的研究。为此, 需要研究遥感成像机理、地物波谱特性、各大气层和气溶胶对电磁波谱的吸收和散射特征、不同地物对电磁波的吸收、发射和散射特征等。总之, 遥感技术与应用正经历着由定性向定量化、智能化的方向发展。
4.3 GIS 技术的若干发展趋势
4.3.1 GIS 概念上的发展
从20 世纪60 年代提出“地理信息系统”概念, 发展到现阶段的地理信息科学、空间信息科学( SIS) , 正经历着GIS 概念从局部到一般, 从单一研究向综合研究的方向发展。 GIS 从开始的一种技术( 计算机应用系统) 发展到当今, 已经成为一门有独特研究领域、科学理论问题和研究方法的科学。
4.3.2 GIS 基础数据结构的发展
在GIS 数据结构上, 经历了从栅格数据结构、矢量数据结构及栅矢一体化阶段, 发展到目前面向对象的数据模型和多库一体化( 现阶段以影像库、矢量库和DEM 库
为代表) 的数据结构。传统的GIS 系统正转向以GIS 应用为前台、以具有空间数据存储功能的大型关系数据库( Oracle 8 etc.)为后台的数据管理模式。
4.3.3 GIS 表达技术的发展
从传统的静态、二维数据表达向多比例尺、多尺度、动态多维和实时三维可视化的方向发展；真四维时空GIS 是目前GIS 理论的研究热点之一；基于金字塔的多比例尺空间数据库, 在不同尺度上实时显示空间数据是目前主要空间数据表达方法；基于多库一体化的3D可视化技术发展迅速。
4.3.4 GIS 处理技术的发展
空间分析技术是GIS 理论研究的核心问题之一, 其中数据挖掘和知识发现、数据融合等新理论和新方法不断引入。从GIS 数据库挖掘知识以支持遥感图像解译,
是遥感图像自动解译的深层次发展, 但空间数据挖掘的一系列问题仍处于理论研究阶段；从各异质、异源GIS 数据库中获取数据以作决策分析, 是空间数据融合的主要研究内容之一, 和数据挖掘一样, 也处于理论研究阶段。所谓空间数据发掘和知识发现( SDMKD) 是指从空间数据库中提取隐含的、用户感兴趣的空间和非空间模式
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及普遍特征的过程。SDMKD 的特点是需要确定数据发掘的粒度, 需要通过空间分析对图形数据进行特征提取, 发现状态空间理论。针对关系数据库的三维发现状态空间可以有: 面向属性的操作, 即对属性之间关系的认识和发现；面向宏元组的操作, 即对各宏元组之间一致性和差异性的认识和发现; 面向知识模板的操作, 即属性值从微观到宏观的操作, 知识模板上升到比抽象级别更高的知识模板。针对空间数据库的四维发现状态空间, 面向空间尺度的操作是对空间数据由细到粗的计算、变换、概括、综合的过程。从空间数据库可发现的知识类型包括普遍的几何知识、空间分布规律、空间关联规则、空间分类/ 聚类规则、空间特征规则、空间区分规则、空间演变规则、面向对象的知识等。空间数据发掘和知识发现的方法包括统计方法、归纳方法、聚类方法、空间分析方法、探测性的数据分析、Rough 集方法、云理论、图像分析和模式识别、神经网络、证据理论和遗传算法等。
4.3.5 网络GIS、联邦数据库和互操作的发展
随着计算机网络技术的发展, GIS 已成为网络上的分布式异构系统。不同组织、不同部门维护和使用的数据库既相互独立又相互联系, 促使联邦数据库和互操作迅速发展. 互操作意味着不同数据库中数据的直接共享、GIS 功能的共享以及网络上不同GIS 站点之间的协同工作。目前兴起的LBS ( 基于位置的服务) 和MLS ( 移动定位服务) 突出地反映了这种发展, 并涉及到GIS 技术、LBS 技术、基于WAP 的
空间数据发布技术、基于PDA 的电子地图技术、空间数据移植集成、联邦数据库和接口方法等. 互操作GIS 是指在计算机网络环境下,遵循一个公共接口标准, 实现
空间数据和数据处理功能共享和相互操作的GIS 系统。互操作GIS 系统之间能够自由交换彼此数据库中的信息, 并且不同系统的软件功能模块能够协同处理这些信息. 互操作GIS 特点: 空间数据互操作；系统之间可自由交换空间对象及其他的空间信息；能够透明访问分布式异质环境下的空间数据库。此外,还有2个概念或技术方法: GIS 软件功能互操作, 即互操作GIS 能够像计算机换零件一样替换软件功能模块；
协同工作, 即GIS系统的零件能够协同工作。
4.3.6 GIS 理论基础的发展
GIS 从技术到科学的突出标志是其理论框架的发展, 并可望在不久的将来形成地球空间信息学的理论框架. 现阶段涉及的主要理论研究方面包括基准问题、信息标准、时空变化、空间信息认知、空间信息不确定性、定量化反演、空间信息可视化和表达等。
4.4 “3S”技术体系发展方向
经过几十年的发展“, 3S”技术已经逐渐成熟。就“3S”技术而言 ,未来发展趋势:
(1) 为未来“数字地球”(1998 年美国副总统戈尔提出) 作全面服务。建立全球化的对地观测系统,由航天、航空对地观测网站等子系统构成,能够提供实时地球
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数字信息,“3S”系统承担定位、定量、数据的处理,如实时观测数据、卫星数据的收集处理和分析成图。它将为地学、测绘学、空间科学、环境科学等众多的学科建立密切的联系。
(2) 对遥感技术而言,能够对遥感数据作进一步的处理,提供更加精确的地面信息,为大比例尺地形图的更新服务。现在的卫星扫描仪已发展到第四代。种类有:美国的最新型超高分辨率辐射计(AVHRR) ,航天飞机成像雷达(SIR2C) ,热红外多光谱扫描仪(STIMS) ,多光谱线阵探测器(MLA) ,海色成像仪(OCT) ,航天飞机成像光谱仪(SIS) ;法国的改进型HRV ,微波辐射计等;日本的多波段扫描(OPS ,VNIR) ,侧视雷达等,但对地面的遥感在云层较密集时效果不是很好。亟待发展第五代扫描仪,以解决能在空间云层较厚、地形结构较复杂等多种因素的干扰下,得到分辨率更高的卫星照片。
(3) 对GIS 技术而言,首先要解决由海量数据的存储,处理向超海量数据处理的方向发展。以LANDSAT25 卫星而言,由于每一波段的卫片的数据量都有几十兆,七个波段的卫片的数据量达几百兆。随着机载扫描仪的对地扫描分辨率的不断提高,其数据量将大大增加,这样增加数据存储设备的容量,提高数据处理的速度,将为实时地球信息的获取起到至关重要的作用。对这一问题的解决办法可以依靠并行处理及计算机网络的发展,另外还可以通过发展遥感图像压缩格式,减少存储量。其次通过解决计算机自动识别分析技术,快速更新地理信息系统数据库,以便能提供实时空间信息。
(4)“5S”系统的建立。所谓“5S”系统即在“3S”系统的基础上加入DPS (数字摄影测量系统) 和ES(专家系统) 。“5S”系统集成不仅具有自动、实时采集、处理、更新数据的功能,而且还能智能化的分析和运用数据,为各种应用提供科学的决策咨询,并能回答用户提出的各种复杂的问题。它的发展,促使测绘科学相互融合成为地球信息科学的一个重要的组成部分。随着Internet 技术的不断成熟, Internet 向Internet2 成功过渡,将加快影像信息和多媒体信息的传播速度,从信息高速公路到国家空间数据库交换中心的建立都为“3S”技术乃至今后的“5S”技术提供良好的发展机遇。世界的发展已进入了一个全新的阶段,即向着网络共享,虚拟显示,数字化生存,数字经济的模糊感念,一个以三维空间和多维信息处理为目的的能真正共享处理实时地球信息的概念体系迈进,未来的世界是一个数字化的世界,“3S”技术的发展将进入一个全新的阶段。
4 结语
GPS和GLONASS 两个卫星导航定位系统未来几年的技术水平、精度及抗干扰能力将有大幅度提高。中国的北斗卫星导航系统目前已经向亚太地区正式提供服务，并将于2020 年前后建成我国自己的全球卫星导航系统,从而打破GPS在全球的垄断局面。遥感科学技术及其应用将逐步走向定量化、自动化与实时化。GIS 科学技术的研究重点包括三维多尺度空间数据分析与表达、多源数据集成或融合、空间数据的不确定性及数据挖掘和知识发现等, 并将走向网络化、大众化. 地理信息产业将成为重要的信息服务业之一；遥感与GIS 已初步形成各自的学科体系；“3S”技术集成方式能够多样化并为大众服务。
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6 致谢