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1、3S 理论与技术 1 绪论 1.1 3S 技术及其概念 1.3S 技术概念：指以遥感 RS（Remote Sensing）、地理信息系统 GIS（Geographical Information System）和全球定位系统 GPS（Global Positioning System）为主的，与地理空间信息有关的技术领域的三大空间信息科学总称，是目前对地观测系统中空间信息获取、存储、管理、更新、分析和应用的三大支撑。3S 的理解：（1）数字化地球的核心技术体系；数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的
2、三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。（2）以人与地球的关系为主题，以全球变化和区域可持续发展为目的，集成“3S”及互联网等为主的数字化技术，形成对人流、物流、能流进行时空分析与科学调控的战略技术；用于对全球气候变化、海平面变化、荒漠化、生态与环境变化、土地利用变化的监测。2.Geomatics：Geomatices is the modern scientific term referring to the integrated approach of measurement,analysis,management and display of the spatial d
3、ata.Geomatics 的内容：（1）处理的是空间数据（spatial data）和空间信息（spatial information）；（2）是采集、测量、分析、存储、管理、显示和应用空间数据的集成方法，是属于现代空间信息科学技术；（3）涵盖地图学、控制测量学、数字测图学、大地测量学、GIS、土地信息管理、摄影测量、RS 等计算机有关的空间信息科学。3.3S 技术的关系 一个大脑和两只眼睛 RS：用于实时或准时、快速提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面各种变化，及时对 GIS 进行数据跟新。GIS 是对多种来源数据进行综合处理、集成管理、动态存储，为智能化数据采集提供地学知识。
4、GPS 主要用于实时、快速提供目标的空间信息。4.3S 技术的集成及综合应用 真正的集成是在数据库结构层次上实现的，以 GIS 为信息管理平台，GPS 数据作为点数据进行，RS 数据提供实时动态监测 综合应用：RS/GIS，RS/GPS，GIS/GPS，RS/GIS/GPS.RS/GIS:RS 空间数据的集成和分类的有效数据，提供更新数据；GIS 管理和分析空间数据的有效手段，处理空间数据。RS/GIS：图像、图形存储、编辑、处理、分析、预测和决策系统。RS/GPS:数据获取系统，GPS 为 RS 提供精确的位置坐标，保证 RS 数据与地面监测数据的动态匹配。RS/GPS:完备一致的对地观测、
5、数据采集系统。GIS/GPS:电子地图，GIS 提供数据的管理和显示，GPS 提供准确的位置。RS/GIS/GPS:有机的结合，而不是真正意义的集成。RS/GIS/GPS:技术的功能为一体，可构成高度自动化、实时化和智能化的地理信息系统，为各种应用提供科学的决策咨询，以解决用户可能提出的各种复杂问题。技术的整体结合方式 3S 技术综合应用:图像、图形、文字报告、决策手段和预测结果的输出。5.3S 技术的应用特点：改变了以往的调查作业方式（土地调查省时省力，工作效率提高，成本降低）监测手段大大增强（对林木病虫害、水涝灾害等）。快速制定、编制各种专题图件。6.3S 技术的应用领域：土地资源监测评价
6、体系、海洋导航调查测图系统、车辆定位指挥系统、精细农业、水利信息化、环境监测和评价、数字林业、城市规划 3S 集成用于精准农业 7 3S 技术的应用前景 随着空间技术及其相关高技术的迅速发展和相互融合，建立“数字城市”、“数字国家”、“数字地球”、“数字林业”、“数字水利”等形成完备的公众服务体系，将是 3S 技术发展的重要方向是 3S 空间信息技术全面步入集成化、网络化和产业化应用的新时期，目前在主要应用于军事、交通、公共安全、城市规划、能源调查、灾害监测与预报等一系列领域，且具有更为广阔的应用前景。其表现如下：数字地球的技术支持：以遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS
7、）为代表的地球空间信息技术，以数字的方式获取、处理、分析和应用关于地球自然和人文要素的地理空间数据，并以此为基础提出解决资源环境问题的科学方案和有力措施，增强对地球的认识能力。3S技术：RS（Remote Sensing）、GIS（Geographical Information System）、GPS（Global Positioning System）空间信息技术。数字地球的理解：信息高速公路是建设数字地球的基础；数字地球的主要资源是全球各方面的综合资料，包括各种立体数字化地理图、资源、人文、地物等专题图和城市地图。数字地球的内容是动态的；数字地球不是一个单纯的科技项目或技术目标，而是一个
8、战略性的系统工程。军队现代化离不开 3S 技术“沙漠风暴”战役的成功：3S 技术的商业化和民用化 GPS 技术应用在交通、石油、地质、测绘、环境等。RS 技术应用在资源环境、气象、防灾减灾、道路工程勘测等。GIS 技术应用在市政工程、移动通讯、规划管理、交通调度等。90 年代初美国对 GIS 数据需求量年增长率达到 35%21 世纪 3S 技术是信息化社会数字化生存的重要组成部分 数字流域是以空间地理单元-流域为对象，应用遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、数据收集系统（DCS）、网络和多媒体技术、现代通信等高科技手段，对流域内的资源、环境、社会、经济等各个复杂系统的
9、数字化、数字整合、虚拟仿真的信息集成应用系统，并提供流域问题决策支持的可视化表现。流域从技术上应该包括以下四个部分：数据采集系统、数据传输系统、数据存储与管理系统、数据应用系统。A 1、空间数据的表示 1）空间特征：表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示。空间数据的基本特征 2）属性特征：表示现象的特征，例如变量、分类、数量特征和名称等。3）时间特征：指现象或物体随时间的变化。GIS 数据的两种表示方法 矢量数据的结构 三种基本的矢量数据模型 Points Spatial objects with no area but can have
10、attached attributes.A single set of coordinates(X,Y)in a coordinate space.Lines Spatial object made up of connected points(nodes).Have no width.Polygons Closed areas that can be made up of a circuit of line segments.Line segments that make up a portion of a polygon.栅格数据存储模型 栅格数据的表达 GIS 组成：计算机硬件系统 GI
11、S 组成：计算机软件系统 GIS 组成：地理空间数据 GIS 组成：系统使用、管理和维护人员 3.GIS 的类型 A、专题性地理信息系统(Thematic GIS):特定的专门服务的，森林资源管理，水资源管理，森林扑火指挥系统等。B、区域性地理信息系统（Regional GIS）区域综合研究，具有一定的自然区域特征，如哈尔滨水资源管理系统等。C、运用工具性地理信息系统（GIS tools）普遍用于教学和科研的，如 ArcGIS，Mapinfo等。4、GIS 的功能 1、数据的采集、检验与编辑；2、数据处理；3、空间数据库管理；4、空间分析(核心功能)；5、应用模型（二次开发）；6、结果显示和输
12、出（文字，三维模型）。GIS 基本功能的实现过程 网络分析 灾害监测 What can a GIS do?Generically Find features with known properties but unknown location (“Where is a particular feature on the landscape?”)(“Where are features with specific properties?”)Identify properties of features with known location(“What type of features are
13、at a specific location?”)Analyze the relationship between/among features and location(“Is there a reason these features are found at this location?”)_ What can a GIS do?Specifically Estimate economic effects of land-use regulation(Spotted owl,salmon)Determine the optimal locations of new businesses(
14、demographics,transportation)Generate optimal routing and scheduling delivery and repair services(network&routing)Determine the ground area covered by a new cellular phone network(visibility and line-of-sight analysis)_ What can a GIS do?Specifically Delineate watershed boundaries for estimates of se
15、dimentation effects on fish-bearing streams Predict vegetation types based on elevation,slope,and aspect Predict landslide hazard for forest harvest units Calculate the correlation between demographics and HIV infection rates Locate natural areas that need protection Make communicative,colorful,and
16、interesting maps_ GIS 技术的简要程序（地理信息系统的工作流程）数据处理（即建立空间模型和数据模型）6、GIS 发展前景和通用软件 1、网络 GIS（WebGIS）与互联网相结合，GIS 的信息化。2、组件 GIS（COMGIS）研发人员，根据需要开展研究。3、三维时态 GIS（DEM 和遥感数据的叠加；平面坐标的二维半表示方法）。国外的主流软件：ArcGIS，Mapfino,Geomedia,Genamap 等。国产软件：MapGIS，Geosatr，citygis，viewgis，supermap 等。7、Wherever Spatial Data Analysis N
17、eeded Emergency Services Fire&Police Environmental Monitoring&Modeling Business Site Location,Delivery Systems Industry Transportation,Communication,Mining,Pipelines,Healthcare Government Local,State,Federal,Military Education Research,Teaching Tool,Administration 二、GIS 学科树 城市土地利用信息系统 电信资源管理 铁路地理信息系
18、统 公安警用地理信息系统 医疗机构信息查询 B 1.2 遥感技术的基本过程 一、遥感技术概念：遥感(Remote Sensing)，字面意思是遥远的感知。从广义上说是泛指从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过仪器(传感器)探测和接收来自目标物体的信息(如电场、磁场、电磁波、地震波等信息)，经过信息的传输、加工处理及分析解译，识别物体和现象的属性及其空间分布等特征与变化规律的理论和技术。航天器、传感器。为什么能进行遥远的感知呢？因为地球上所有物体都在不停地发射、反射、吸收电磁波，而且不同物体对电磁波的发射、反射、吸收的特性不同。例如，植物的叶子看起来是绿色的，是因为叶
19、子中的叶绿素对太阳光中蓝色和红色波长的光强烈反射的缘故。物体的这种对电磁波固有的特性叫做光谱特性 地物波谱特征 不同的地物对不同波长的电磁波具有不同的吸收和反射特性 遥感影像的解译实际上是一个逆过程 二、遥感技术的特点 （1）观测范围大，具有宏观综合的特点。一张比例尺 135000 的 23cm23cm 的航空像片，可展示出地面 60 余平方千米范围的地面景观实况。并且可将连续的像片镶嵌成更大区域的像片图，以便总观全区进行分析和研究。卫星图像的感测范围更大，一幅陆地卫星 TM 图像可反映出 34225 平方千米(即 185kml85km)的景观实况。（2）技术手段多且先进，可获取海量数据。微波
20、具有穿透云层、冰层和植被的能力；红外线则能探测地表温度的变化等。因而遥感使人们对地球的监测和对地物的观测达到多方位和全天候。Landsat TM 影像数据量达到 270MB，覆盖全国范围的 TM 数据量将达到135GB 的海量数据，远远超过了用传统方法获得的信息量。高光谱图像的分类土地利用类型分类（3）获取信息快，更新周期短，具有动态监测特点。Landsat TM 星 45 每 1 6 天即可对全球陆地表面成像一遍，NOAA 气象卫星甚至可每天收到两次覆盖地球的图像。因此，可及时地发现病虫害、洪水、污染、火山和地震等自然灾害发生的前兆，为灾情的预报和抗灾救灾工作提供可靠的科学依据和资料。这种特
21、点有利于及时发现病虫害、洪水及森林火灾等自然灾害，为抗灾、减灾工作提供可靠的科学依据。遥感技术的发展历程（4）应用领域广泛，经济效益高。遥感已广泛应用于农业、林业、地质矿产、水文、气象、地理、测绘、海洋研究、军事侦察及环境监测等领域。甘肃舟曲泥石流 范晓认为，这次泥石流的爆发与当地几十年来严重的水土流失不无关系。世纪年代到本世纪初，当地森林砍伐严重，白龙江上游森林面积减少了大约万亩，坡度在度以下的土地基本已被开垦，水土流失日益加剧，出现大量松散泥沙物质。范晓说，目前并没有足够的证据说明水坝建设是造成这次灾难的直接原因。但他认为水电等大规模人类工程活动对当地地质条件的影响是不可忽视的，将加剧水土
22、流失，加剧灾难的规模和频率。范晓介绍，白龙江干流水电开发相当密集。仅舟曲境内的白龙江干流江段，就有已经建成或正在建设的水坝座。公开资料显示，年，舟曲 个在建或已建的水电站工程合计扰动地表面积达公顷，弃渣达万立方米，水土流失预测量达万吨。三、遥感过程：(一)遥感试验；(二)遥感信息获取；(三)遥感信息处理；(四)遥感信息应用 四、遥感技术系统：是一个从地面到空中直到外层空间，从信息收集、存储、传输、处理分析、判读应用，由遥感器、数据处理系统、数据和用户构成的完整技术体系。对地观测 传感器和遥感平台；遥感数据接收和传输系统；遥感数据处理系统；遥感资料分析解译系统 五、遥感技术的分类：1）按照遥感平
23、台的分类：地面遥感，航空遥感 和航天遥感；2）根据电磁波波普的分类：可见光遥感，红外遥感，微波遥感，多光谱遥感，紫外遥感；3）根据电磁波辐射能源的分类：被动遥感，主动遥感；4）根据应用目的的分类：地质遥感、农业遥感、林业遥感、水利遥感、环境遥感和军事遥感等。5）根据遥感资料的成像方式：成像方式(或称图像方式)；非成像方式。六、遥感技术的发展历程：1962 年，遥感名词被正式通过，标志着遥感这门新学科的形成。1、常规航空摄影阶段（20 世纪 30 年代以前）1826 年摄影技术的发明，标志着遥感技术的诞生。1839 年以前主要是进行地面摄影。1858 年法国图纳乔（Tournachon）用气球拍
24、摄巴黎。1913 年意大利人用威尔伯赖特用飞机拍摄了第一张航片。1913 年开普敦塔迪沃发表论文描述飞机摄影绘制地形图。1915 年开始生产航摄相机。1924 年产生了彩色胶片，航空摄影正式问世。2、航空遥感阶段（20 世纪 3060 年代）1930 年美国开始进行航测，编制中小地图和农业生产的专题图。1931 年出现了感红外的航摄胶。1937 年首次进行彩色航摄，产生假彩色红外胶片。20 世纪 50 年代，非摄影成像的扫描技术和侧视雷达技术的开始应用，使遥感技术发展到了航空阶段。1949 年美国开设航摄和航片判读的课程。1945 年美国创刊摄影测量工程学，1975 年改名为摄影测量和遥感。3
25、、航天遥感阶段（20 世纪 60 年代以来）1957 年苏联的第一颗人造卫星的发射，开创遥感技术的新纪元。1960 年美国发射 TIROS-1(Television Infrared Observation Satellite)和 NOAA-1(National Oceanic and Atmospheric Administration)太阳同步气象卫星。1972 年 ERTS-1 发射（后改名为 Landsat-1），装有 MSS 传感器，分辨率 79 米，标志着遥感进入新阶段。1982 年 Landsat-4 发射，装有 TM 传感器，分辨率提高到 30 米；1986 年法国发射 SPO
26、T-1，装有 PAN 和 XS 遥感器，分辨率提高到 10 米。1999 年美国发射 IKNOS，空间分辨率提高到 1 米。2001 年美国发射 Quickbird，空间分辨率达到 0.61 米。2007 年左右，韩国军方发射卫星，空间分辨率为 0.1 米。1988 年 9 月 7 日中国发射的第一颗“风云 1 号”气象卫星，其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验。1999 年 10 月 14 日中国发射资源卫星 1 号。资源三号卫星已于 2012 年 1 月 9 日 11 时 17 分在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射.该卫星为农林水土资源提供决策信息，在农
27、业领域，资源三号卫星可以为各种规模的农作物监测、农业工程规划等提供高分辨率卫星影像，满足农业资源调查、结构调整等方面的需求。而在林业领域，可利用高分辨率影像对森林病虫害、森林火灾等进行调查和监测，及时提供危害范围和等级等信息。资源三号卫星提供的立体影像还可获得植被、阴影、沙壤、轻壤等遥感分量图，融合影像色彩丰富、纹理清晰。此外，利用高空间分辨率卫星影像，可提取江河流域的土地利用类型和植被信息，为一定水深的悬浮物和泥沙分布研究、河口近海水域盐度与温度测量、水体叶绿素浓度估算等提供重要的辅助决策信息。七、遥感技术的发展前景：进行地面、航空、航天的多层次综合遥感，建立地球卫星观测网络，系统地获取地球
28、表面不同分辨率的遥感图像数据。传感器向电磁波全波段覆盖，立体遥感，器件固体化、小型化，高分辨率，高灵敏度与高光谱方向发展。图像处理与地学数据库结合，建立遥感信息系统，引进人工神经网络、小波变换、分行技术、模糊分类与专家系统等技术和理论，进行自动分类和模式识别。建立地物波谱与影像特征地关系模型，以实现遥感分析解译地定量化和精确化。RS、GIS 和 GPS 相互依存，共同发展，构成一体化地技术体系。各国军用间谍卫星(也称侦察卫星)影像一直属最高机密。为此，我们特来解开其中之谜。地面分辨率是衡量光学影像卫星技术水平的重要指标。分辨率是指在影像中，将两个物体分开的最小间距，而不是能看到的物体的最小尺寸
29、。如果分辨率大约为 1 米，也就是说当两个人相距 1 米以上时，在影像中就可以看到分开的两个人，当两个人距离小于 1 米时，两个人的影像将合为一体，在影像中只能看到 1 个点。军事上对地面侦察共分为四级。分别是发现、识别、确认、描述。在这四级中，“发现”(看见)所要求的地面分辨率最低，“描述”(看清)所要求的地面分辨率最高。分辨率 30 米的侦察卫星就可以发现港口、基地、桥梁、公路或水面航行的舰船等较大目标。1 米分辨率可以清晰地“识别”航空母舰、飞机、坦克。至于美国最先进的军用间谍卫星最高 0.010.05 米分辨率的影像，则足以“描述”地面上的士兵手中枪的型号，“看见”报纸的标题。八、遥感
30、技术所面临的问题：1、有效存储、管理和使用应用。2、遥感数据的融合压缩处理，遥感信息的自动识别应用是最重要的问题。3、定量遥感，新型数据处理相关技术与生产应用具有一定的差距。4、遥感与国际之间的合作有待进一步的探索。九、遥感技术的应用：遥感信息是人们了解自然、认识自然、改造自然、保护环境和资源的重要信息源。由于遥感信息的独特优势，使遥感技术广泛应用于测绘、国土资源调查（森林、土壤、土地、地矿、水利、海洋等）、农业生产和环境监测、城乡规划、军事侦查等许多方面。值得指出的是，遥感应用技术的发展已经逐步地从利用单一波段的遥感资料进行分析、应用，向利用多平台、多波段、多光谱、多时相的遥感资料进行综合分
31、析、应用发展；油田、采矿用地、遥感在林业和农业方面的应用、军事用地 C 1.3GPS 定位技术及其发展 20 世纪 70 年代，由美国国防部批准，海陆空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其目的是为陆海军三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆炸监测和应急通讯等一些军事目的，是美国全球战略的重要组成部分。Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System GPS 提供两种服务：SPS（standard positioning service）民用；PPS（precise positionin
32、g service）军用。1 卫星大地测量及其发展（一）、大地测量发展概况 现代大地测量的主要任务是研究和解决地面点的几何定位、地球重力场的测定、点位和重力场的变化等问题，具体包括：(1)建立与维护国家、地区及全球的大地网，并研究其变化；(2)测量并研究地极移动、地壳运动、潮汐等地球动力现象；(3)测定地球重力场及其变化。（二）、卫星大地测量的兴起(1)精确测定地面点在地心(质心)坐标系内的坐标，从而能够将全球大地网连成整体，建成统一的大地测量坐标系统。正因为如此，卫星大地测量极大地优于常规大地测量，能在对常规大地测量来讲极困难的地区布设控制网，进行海岛联测、海上定位等，并能加强国家天文大地网
33、，以提高其精度。(2)精确测定地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间的相对运动以及大地水准面的形状，为大地测量和其他科学技术服务。(3)广泛地用于空中和海上导航，矿产勘探及军事等方面。（三）、GPS 定位的基本概念 现在欲确定待定点 P 的位置，可以在该处安置 GPS 接收机。如果在某一时刻 t 同时测得了4 颗 GPS 卫星(A，B，C，D)的距离 SAp、SBp、SCP、SDp，则可列出 4 个观测方程为：式中(xA，yA，zA)；(xB，yB，zB)，(xC，yC，zC)，(xD，yD，zD)分别为卫星(A，B，C，D)在 ti 时刻的空间直角坐标；vtA，vtB，vtC
34、，vtD 分别为该时刻 4 颗卫星的钟差，它们均可以由卫星所广播的卫星星历来提供。求解上列方程，即得待定点的空间直角坐标 xP，yP，zP。GPS 定位实质：根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法；确定待定点的空间位置。2 导航卫星及其星座（1）美国的 GPS（2）俄罗斯的 GLONASS（3）欧空局的 NAVSAT,2002 galileo（4）中国的北斗系列 俄罗斯“格洛纳斯”系统（GLONASS）是 Global Navigation Satellite System 的字头缩写，是前苏联国防部从 20 世纪 80 年代初开始建设的与美国 GPS 相抗衡
35、的全球卫星导航系统，与 GPS 系统原理、功能十分类似，耗资 30 多亿美元，1995 年投入使用，现在由俄罗斯联邦航天局管理。罗斯对 GLONASS 系统采用了军民合用、不加密的开放政策。与美国的 GPS 相较，GLONASS导航精度相对较低（单点定位精度水平方向为 16 米，垂直方向为 25 米）。应用普及情况远不及 GPS，其最大价值在于抗干扰能力强。GPS+GLONASS 系统对纯 GPS 系统的改进 可见卫星数增加一倍：GLONASS 卫星星座组网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯 GPS 系统时，一般为 7-11 颗；GPS+GLONASS 系统
36、则可达到 14-20 颗。在山区或城市中，有时因障碍物遮挡，纯 GPS 可能无法工作，GPS+GLONASS 则可以工作。3)提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。因此 GPS+GLONASS 将大大提高观测结果的可靠性。4)提高观测结果的精度：观测卫星相对于测站的几何分布(DOP 值)直接影响观测结果的精度。可观测到的卫星越多，则可以 大大改善观测卫星相对于测站的几何分布，从而提高观测结果的精度。为了打破美国全球卫星定位系统（GPS）的垄断地位，帮助欧洲摆脱对 GPS 的依赖，欧盟于 1999 年提出了建立欧洲自主、独立的民用全球卫星
37、定位导航系统的“伽利略”(Galileo)计划。“伽利略”计划是全球多模式卫星定位导航系统，原理和 GPS 相似，将实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能，为用户提供误差不超过 1 米的高精度、高可靠性的定位服务。“伽利略”计划的投资总额估计高达 38 亿欧元，预计将在 2010 年投入使用。“北斗卫星导航系统”(Compass Navigation Satellite System，CNSS，为英文名称，Beidou为中文音译名称)北斗卫星定位系统覆盖范围是北纬 555，东经 70140之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬 35左右。其定位精度为水平精度 100m(1)
38、，设立标校站之后为 20 m(类似差分状态)。工作频率：2 491.75 MHz。系统能容纳的用户数为每小时 540 000 户。由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。北斗应用五大优势 同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；覆盖中国及周边国家和地区，24 小时全天候服务，无通信盲区；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。3 卫星的构成 全
39、球定位系统(GPS)主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。a、空间星座部分 全球定位系统的空间卫星星座，由 24 颗卫星组成，其中包括 3 颗备用卫星。卫星分布在 6个轨道面内，每个轨道面上分布有 4 颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55，各轨道平面升交点的赤经相差 60。在相邻轨道上，卫星的升交距角相差 30。轨道平均高度约为 20200km,卫星运行周期为 11 小时 58 分。GPS 卫星已设计了三代，分别为 BlockI、Block和 Block。第一代(Blockl)卫星，用于全球定位系统的实验，通常称为 GPS 实验卫星。这一代卫星共研制发射了
40、 11 颗，卫星的设计寿命 5 年，卫星分布在两个轨道面内，轨道倾角约为 63，现已停止工作。第二代(Block，A)卫星用于组成如图 1.1.3 所示的 GPS 工作卫星星座，通常称为 GPS 工作卫星。第二代卫星共研制了 28 颗，卫星的设计寿命为 7.5 年，从 1989 年初开始，至 1994年上半年已发射完毕。第三代(Block，1R)卫星尚在设计中，预计于 90 年代末期发射，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。GPS 卫星的基本功能是 接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精
41、密的时间标准；向用户发送定位信息；在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。对于我们 GPS 观测而言，最多可以观测 11 颗星，最少要观测 4 颗星。b、地面监控部分 目前主要由分布在全球的 5 个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。监测站：是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。主控站：根据本站和其它监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。提供全球定位系统的时间基准。各监测站和 GPS 卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。调整偏离
42、轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。启用备用卫星以代替失效的工作卫星。注入站：其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。C、用户设备部分 主要由 GPS 接收机硬件和数据处理软件。而 GPS 接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。4 美国的 SA 政策 一、1990 年 3 月 17 日实施：SA(1)在广播星历中有意地加入误差，在起算数据 xi,yi,zi 加入误差，人为地降低星历的精度，使定位中的已知点(卫星)的位置精度大为降低；称为 技术。(2)有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟频产
43、生快慢变化，导致测距精度大为降低。称为 技术。实施 SA 技术后，CA 码实时定位精度，平面位置降低至 100m，高程位置降低至 150m，严重影响了实时导航定位。二、摆脱 GPS 限制政策的途径 1建立独立的卫星导航与定位系统；2建立自己的 GPS 卫星跟踪网，独立确定 GPS 卫星精确轨道；3改进 GPS 精密定位方法及软件，削弱 SA 和 AS 技术的影响。三、GPS 的优点 1.全球连续覆盖，全天候连续实时、动态导航和定位；2.功能多，精度高，用途广，为各用户提供动态目标的三维位置、三维航速和时间信息；3.选点灵活，两点之间观测时无须通视；4.操作简单，效益增加；5.抗干扰性好，保密性
44、强；6.提供全球坐标系-三维地心坐标系；7.全天候作业（不受时间、地点和天气的影响）；8.观测时间短，1S 可以完成。四、GPS 系统的应用前景：（1）GPS 系统用途广泛；（2）多元化管理空间环境资源的出现；（3）发展 GPS 产业；（4）GPS 的应用将进入人们的日常生活。D 1.4GIS 的概念及发展状况 一、数据和信息 1、数据：是未加工的原始资料，是信息的表达，是客观对象的表示,而信息是数据的内容。GIS 主要是对数据进行收集、输入和处理，建立空间数据库，进而进行空间分析。2、信息：信息是用文字、数字、符号、语言、图形、图像、声音等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，向人
45、们提供关于现实世界新的事实知识。信息的特点：客观性-正确和精确性、实用性-经处理分析有价值、可传输性-以一定的形式或格式在用户间传输、共享性-信息能提供并发应用 3、信息与数据的关系：数据是客观对象的表示；信息是数据内涵的意义，是数据的内容和解释，是从数据中抽取概括而得到的。在空间信息科学领域,数据和信息是不可分离的。信息源于数据，又通过数据进行表达，即数据是信息的表达，而信息则是数据的内容。数据处理：是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算、分析、模拟和预测等等操作。二、地理信息和地理信息系统 2、地理信息的特点：属于空间信息，具有空间分布的特点。空间信息具有空间特征、属
46、性特征和时态特征三个要素。地理信息具有多维性。时序特征十分明显。地图是按照一定的数学法则，运用符号系统和地图制图综合原则，表示地面上各种自然现象和社会经济现象的图。地图是图像的方式提供地理实体的空间信息、时间信息、空间关系和属性信息等地理信息。3、地理信息系统（GIS）（1）信息系统是具有采集、处理、管理和分析数据能力的系统。它能为单一或有组织的决策过程提供有用信息。一个基于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素：计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备，它帮助人们在非常短的时间内组织、存储和处理大量的数据；软件是计算机程序，没有软件支持的计算机硬件是发挥不了作用的；数据是系统
47、分析与处理的对象，构成系统的应用基础；用户是信息系统服务的对象。（2）地理信息系统：是在计算机软件和硬件的支持下，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，是研究与地理分布有关的空间信息系统。GIS 重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。（3）地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位
48、置及与该位置有关的地物属性成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素、实体或地理现象，这些地理特征由空间位置信息和非位置的属性信息两个部分组成。A Definition of GIS GIS is a System of computer software,hardware and data,and personnel to help manipulate,analyze and present information that is tied to a spatial location.-A method to visualize,manipulate,ana
49、lyze,and display spatial data -“Smart Maps”linking a database to the map GIS 的内涵：（1）具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力；（2）以地理研究和规划决策为目的，以模型为方法，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力；（3）由计算机系统支持进行空间数据管理、并由计算机模拟常规或专门分析的方法。CAD（Computer Aided Design）图形处理功能强大，制图、编辑、输出等，但属性功能很弱。GIS 对图形属性综合管理，具有较强的空间分析能力。二者不能互相替代，CAD 可作为 GIS 数据采集的工具。
50、5、GIS 研究对象的特点：空间性：反映空间位置的关系。用坐标表示空间位置，用空间拓扑关系表示空间位置关系。属性：描述现象的特征，非空间数据和空间数据相结合描述空间实体的全貌。时间性：空间数据的空间特征和属性特征随时间尺度的变化。6、GIS 与其它相关的学科 地理信息系统：（地理学、数学、地图学）遥感技术 GPS 技术、测量学、地面调查技术。问题解决方案、地学空间分析方法、模型。计算机图形学，数据库技术、虚拟现实技术、人工智能 7、GIS 所能解决的问题是什么?位置：即在某个地方有什么的问题？条件：符合某些条件的实体在哪里的问题？趋势：某个地方发生的某个事件随时间的变化过程。模拟：在某个地方如