《测量学》课程简介

word第十五章 “3S技术简介本章摘要：本章简单介绍GPS全球定位系统的组成，GPS测量坐标系、GPS定位原理、GPS测量的实施、实时GPS的应用、GIS地理信息系统、RS遥感技术与“3S集成技术的应用。“3S是中国科学家按照GPS、GIS、RS字尾均为S，而这三者关系日趋严密结合构成的一个对地观测、处理、分析、制图系统。国外地学科学家也认为GPS、GIS、RS的结合与集成是从整体上解决空间对地观测的理想手段。GPS是授时与测距导航系统/全球定位系统Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System的简称；GIS是地理信息系统或地学信息系统Geographic Information System的简称；RS是遥感Remote Sensing的简称。“3S技术通常指GPS、GIS、RS三者的集成技术。全球定位系统GPS是利用卫星发射的无线电信号进展导航定位，具有全球性、全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能，以与良好的某某性和抗干扰性。地理信息系统GIS是指与所研究对象的空间地理分布有关的信息。它是表示地表物体与环境固有的数量、质量、分布特征、属性、规律和相互联系的数字、文字、音像和图形等的总称。遥感技术RS是利用光谱学、光电子学和电子技术从高空或远距离平台上，利用电磁波的探测仪器，获得接收物体辐射与反射的电磁波信息，经信息处理，测定被测物体的性质、形状位置和动态变化。15-1 GPS全球定位系统的组成摘要内容：介绍GPS全球定位系统的空间星座局部、地面监控局部、用户设备局部。讲课重点：GPS全球定位系统的用户设备局部。讲课难点：GPS全球定位系统的用户设备局部。讲授重点内容提要：一、空间星座局部1.GPS卫星星座布设方案保证在世界任何地方、任何时间，都可进展实时三维定位。说明：GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中有21颗工作卫星，3颗备用卫星。工作卫星分布在6个近似圆形轨道面内，每个轨道上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55。各轨道面升交点赤经相差60。轨道平均高度为20200km。卫星运行周期为11小时58分。卫星同时在地平线以上的情况至少有4颗，最多可达11颗。2.GPS卫星功能1接收并存储由地面监控站发来的导航信息；2接收并执行主控站发出的控制命令，如调整卫星姿态，启用备用卫星等；3向用户连续发送卫星导航定位所需信息，如卫星轨道参数、卫星健康状态与卫星信号发射时间标准等。二、地面监控局部地面监控局部是由分布在美国本土和三大洋的美军基地上的五个地面站组成。按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。地面监控系统的整个系统是由主控站控制，地面站之间由现代化通信系统联系。三、用户设备局部1.主要任务捕获卫星信号，跟踪并锁定卫星信号GPS卫星是以广播方式发送定位信息。2.分类1按用途导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机、姿态测量型接收机。2按接收机通道数多通道GPS接收机、序贯穿道接收机、多路复用通道接收机。3.设备用户设备是指用户GPS接收机。GPS接收机是一种被动式无线电定位设备，在全球任何地方只要能接收到4颗以上GPS卫星的信号，实现三维定位、测速、测时。GPS接收机组成：GPS接收机天线、GPS接收主机和电源三局部组成。其主要功能是接收GPS卫星信号并经过信号放大、变频、锁相处理，测定出GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间，解释导航电文，实时计算GPS天线所在位置三维坐标与运行速度。在精细定位测量工作中，一般均采用大地型双频接收机或单频接收机。用于精细定位测量工作的GPS接收机，其观测数据必需进展后处理，因此必须配有功能完善的后处理软件，才能求得所需测站点的三维坐标。15-2 GPS坐标系统摘要内容：介绍GPS全球定位系统的坐标系。讲课重点：WGS-84坐标系、三维坐标系统中的转换模型。讲课难点：三维坐标系统中的转换模型。讲授重点内容提要：一、WGS-84坐标系几何定义：WGS-84世界大地坐标系就是以国际时间局1984年第一次公布的瞬时地极BIH1984.0作为基准，建立的地球瞬时坐标系，严格来讲属准协议地球坐标系。物理定义：它拥有自己的重力场模型和重力计算公式，可以算出相对于WGS-84椭球的大地水准面差距。说明：由于GPS是全球性的定位导航系统，其坐标系统必须是全球性的。它是通过国际协议确定的，通常称为协议地球坐标Coventional Terrestrial System-CTS。GPS测量中所使用的协议地球坐标系统称为WGS-84坐标系World Geodetic system。几何定义是：原点是地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极CTP方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手坐标系。CTP是协议地球极Conventional Terrestrial Pole的简称；由于极移现象的存在，地极的位置在地极平面坐标系中是一个连续的变量，其瞬时坐标XP，YP由国际时间局Bureau International deIHeure简称BIH定期向用户公布。二、GPS坐标转换1. GPS坐标转换意义在城市、矿山等区域性的测量工作中，需要将GPS测量成果，换算到用户所采用的区域性坐标系统；或者为了改善已有的经典地面控制网，确定GPS网与经典地面网之间的转换参数，需要进展两网的联合平差。2.三维坐标系统中的转换模型1转换模型用于基准转换的模型，主要有布尔沙沃尔夫Bursa-Wolf模型、维斯Veis模型和莫洛金斯基巴代卡斯Molodensky-Badekas模型。这些模型，虽表达形式略有差异，但它们都是等价的。说明：由于GPS网和地面网所取坐标系的基准不同即原点位置、坐标轴定向和尺度的差异，以与观测误差的影响，两网同名点的坐标值将是不同的。2大地坐标、GPS坐标经典地面网三维坐标，通常都是在参心坐标系中，以大地坐标的形式表示的，设为B,L,HT，其中BT为大地纬度，LT为大地经度，HT为大地高。GPS网三维坐标，一般是在协议地球坐标系中，以空间直角坐标或大地坐标的形式给出的，设为X,Y,Zs或B,L,Hs。3网的三维联合平差网的三维联合平差，原如此上可以在空间直角坐标系统中进展，也可以在三维大地坐标系统中进展。通常以在空间直角坐标系统中进展为宜。将地面网的大地坐标，按以一定系式转换为相应的空间直角坐标。一般包括两类参数：基准转换参数通过这些参数，将两个具有不同基准的坐标系统化为一致；网的配合参数因为网的定向和尺度，除与网的基准有关外，还可能含有系统性观测误差的影响，为此，尚应引入相应的参数，以使两网通过联合处理达到最优的配合。15-3 GPS定位原理摘要内容：介绍GPS全球定位原理。讲课重点：GPS定位方法。讲课难点：相对定位。讲授重点内容提要：1.GPS定位方法GPS定位方法主要有伪距法定位、载波相位测量定位和GPS差分定位。对于待定点位，根据其运动状态可分为静态定位和动态定位。说明：静态定位是指用GPS测定相对于地球不运动的点位，GPS接收机安置在该点上接收数分钟甚至更长时间，以确定其三维坐标，又称为绝对定位；动态定位是确定运动物体的三维坐标。假如将两台或两台以上GPS接收机分别安置在固定不变的待定点上，通过同步接收卫星信息号，确定待测点间的相对位置，称为相对定位。2.伪距测量伪距测量就是测定卫星到接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得的距离。说明：卫星时钟产生一定结构伪随机码，与卫星星历数据码模二相加后，调制在载波上向地面发送，经过时间的延迟到达接收机天线；接收机在自己的时钟控制下产生一组结构与卫星伪随机码一样的测距码，称为复制码，并通过延时器使其延迟时间。将卫星传来的测距码和接收机内产生的复制码送入相关器进展相关处理。标准时改正因素：卫星钟的改正数、接收机钟的改正数、电离层折射改正与对流层折射改正。这样在任何一个观测瞬间用户至少要同时测定四颗卫星的距离，以便解算出四个未知数。3.相对定位GPS相对定位，也叫差分GPS定位。说明：相对定位的最根本情况是用两台GPS接收机，分别安置在基线的两端，并同步观测一样的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。1是精度最高的一种定位方法，它广泛地应用于大地测量、精细工程测量、地球动力学的研究和精细导航。这种方法一般可推广到多台接收机安置在假如干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星，以确定多条基线向量的情况。2因为在两个观测站或多个观测站同步观测一样卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以与电离层和对流层的折射误差等，对观测量的影响具有一定的相关性，所以利用这些观测量的不同组合，进展相对定位，便可有效地消除或减弱上述误差的影响，从而提高相对定位的精度。3静态相对定位，即设置在基线端点的接收机是固定不动的，这样便可能通过连续观测，取得充分的多余观测数据，以改善定位的精度。静态相对定位，一般均采用载波相位观测值或测相伪距为根本观测量。实践明确，对中等长度的基线100km500km，其相对定位精度可达10-610-7，甚至更好些。4动态相对定位，是用一台接收机设在基准站上固定不动，另一台接收机要设在运动载体上，两台接收机同步观测一样的卫星，以确定运动点相对基准点的实时位置。动态相对定位根据观测量不同通常可分为以测码伪距和以测相伪距为观测量的动态相对定位；根据数据处理方法，通常分为实时处理和测后处理。4.载波相位测量载波相位测量是测定GPS卫星载波信号到接收机天线之间的相位延迟。对卫星载波与接收机基准信号进展相位测量，即可得到卫星到接收机天线间用载波相位表达的距离观测值说明：1GPS卫星载波上调制了测距码和导航电文，所以，GPS接收机接收到卫星信号后，要将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获得载波，这一工作称为重建载波。GPS接收机将卫星重建载波与接收机内由振荡器产生的本振信号通过相位计比相，即可得到相位差。2用载波相位测量进展相对定位一般是用两台GPS接收机，分别安置在测线两端该测线称为基线，固定不动，同步接收GPS卫星信号。利用一样卫星的相位观测值进展解算，求定基线端点在WGS-84坐标系中的相对位置或基线向量。3载波相位相对定位普遍采用将相位观测值进展线性组合的方法。其具体方法有三种，即单差法、双差法和三差法。5.载波相位差分定位技术RTK技术RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位根底上，能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度观测成果。15-5 GPS测量的实施摘要内容：介绍在城市与工程控制网中采用GPS定位的方法和工作程序。讲课重点：GPS测量的观测工作。讲课难点：GPS测量的网形设计。讲授重点内容提要：一、GPS测量内容GPS测量的实施过程与常规测量的一样，包括方案设计、外业测量和内业数据处理三局部。二、GPS控制网精度标准1.精度要求GPS网的技术设计是进展GPS测量的根底。它应根据用户提交的任务书或测量合同所规定的测量任务进展设计。其内容包括测区X围、测量精度、提交成果方式、完成时间等。设计的技术依据是国家测绘局颁发的全球定位系统GPS测量规X与建设部颁发的全球定位系统城市测量技术规程。2.GPS测量精度指标GPS网的精度指标，通常是以网中相邻点之间距离误差mD=a+b10-6来表示。不同用途的GPS网的精度是不一样的，GPS控制网分为A、B、C、D、E五个等级。三、网形设计1.GPS网的设计主要考虑问题1可靠性设计由于无线电定位受外界环境影响大，所以在图形设计时应重点考虑成果的准确可靠，并应考虑有可靠的检验方法。GPS网一般应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检查条件，提高网的可靠性。布设通常有点连式、边连式、网连式与边点混合连式等四种方式。点连式是指相邻同步图形多台仪器同步观测卫星获得由基线的闭合图形仅由一个公共点连接，这样构成的图形检查条件太少，一般很少使用。边连式是指同步图形之间由一条公共边连接。说明：这种方案的连接边较多，非同步图形的观测基线可组成异步观测环称为异步环，异步环常用于观测成果的质量检查。所以边连式比点连式可靠。网连接是指相邻同步图形之间有两个以上公共点相连接。说明：这种方法需要4台以上的仪器。这种方法的几何强度和可靠性更高，但是花费的时间和经费也更多，常用于高精度控制网。边点混合连接说明：是指将点连接和边连接有机结合起来，组成GPS网。这种网的布设特点是周围的图形尽量以边连接方式，在图形内部形成多个异步环。利用异步环闭合差进展检验，保证测量可靠性。另外：在低等级GPS测量或碎部测量时可用星形布设。这种方式常用于快速静态测量，优点是测量速度快，但是没有检核条件。为了保证质量，可选两个点作基准点。2平面控制坐标联系设计为了求定GPS网坐标与原有地面控制网坐标之间的坐标转换参数，要求至少有三个GPS控制网点与地面控制网点重合。3高程控制坐标联系设计为了利用GPS进展高程测量，在测区内GPS点位尽可能与水准点重合，或者进展等级水准联测。4通视、选点、建标志设计GPS点尽量选在视野开阔、交通方便的地点，并要远离高压线、变电所与微波辐射干扰源。GPS点虽然不需要通视，但是为了便于用经典方法联测和扩展，要求控制点至少与一个其他控制点通视，或者在控制点附近300m外布设一个通视良好的方位点，以便建立联测方向。选点时除了应远离产生磁场源的地方和保证观测站在视场内周围障碍物的高度角应小于1015外，其它要求与建立标志同常规控制测量。四、GPS测量的观测工作 1.外业观测计划设计1编制GPS卫星可见性预报图利用卫星预报软件，输入测区中心点概略坐标、作业时间、卫星截止高度角15等，利用不超过20天的星历文件即可编制卫星预报图。2编制作业调度表应根据仪器数量、交通工具状况、测区交通环境与卫星预报状况制定作业调度表。作业表应包括：观测时段测站上开始接收卫星信号到停止观测，连续工作的时间段，注明开、关机时间；测站号、测站名；接收机号、作业员；车辆调度表。2.野外观测1安置天线天线安置是GPS精细测量的重要保证。要仔细对中、整平，量取仪器高。仪器高要用钢尺在互为120方向量三次，互差小于3mm，取平均值后输入GPS接收机。2安置GPS接收机GPS接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线与电源电缆，并确保无误。3按顺序操作按规定时间打开GPS接收机，输入测站名、卫星截止高度角、卫星信号采样间隔等。说明：一般情况下，GPS接收机只需3分钟即可锁定卫星进展定位。假如仪器长期不用，超过3个月，仪器内的星历过期，仪器要重新捕获卫星，这就需要12.5分钟。GPS接收机自动化程度很高，仪器一旦跟踪卫星进展定位，接收机自动将观测到的卫星星历、导航文件以与测站输入信息以文件形式存入接收机内。作业员只需要定期查看接收机工作状况，发现故障与时排除，并做好记录。接收机正常工作过程中不要随意开关电源、更改设置参数、关闭文件等。4GPS接收机记录的数据GPS卫星星历和卫星钟差参数；观测历元的时刻和伪距观测值与载波相位观测值；GPS绝对定位结果；测站信息。3.观测数据下载与数据预处理观测成果的外业检核是确保外业观测质量和实现定位精度的重要环节。所以外业观测数据在测区时就要与时进展严格检查，对外业预处理成果，按规X要求严格检查、分析，根据情况进展必要的重测和补测。4.内业数据处理内业数据处理一般采用软件处理，主要工作内容有基线解算、观测成果检核与GPS网平差，内业数据处理完毕后应写GPS测量技术报告并提交有关资料。15-6 实时GPS的应用摘要内容：介绍GPS实时定位差分的原理与应用。讲课重点：实时GPS测量的应用。讲课难点：实时GPS测量的应用。讲授重点内容提要：一、实时GPS的测量原理GPS实时差分定位的原理是在已有准确地心坐标的点上安放GPS接收机称为基准站，利用的地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值，并通过无线电通信设备称为数据链将校正值发送给运动中的GPS接收机称为流动站。流动站利用校正值对自己的GPS观测值进展修正，以消除上述误差，从而提高实时定位精度。GPS实时差分定位系统由基准站、流动站和无线电通信链三局部组成。基准站：接收GPS卫星信号并实时向流动提供差分修正信号。流动站：接收GPS卫星信号和基准站发送的差分修正信号，对GPS卫星信号进展修正，并进展实时定位。二、实时GPS测量特点GPS动态差分定位方法有位置差分、伪距差分、载波相位实时差分与广域差分，各自分别具有不同特点。1.位置差分是将基准站GPS接收机伪距单点定位得到的坐标值与坐标作差分，无线电传送的是坐标修正值，流动站用坐标修正值对其坐标进展修正。位置差分精度可达510m。但是位置差分要求流动站接收机单点定位所用的卫星与基准站求修正值时所用的卫星完全一致。假如有一颗卫星不一样就可能产生45m以上的误差。2.伪距差分RTD利用基准站坐标和卫星星历，求卫星到基准站的几何距离作为距离准确值，将此值与基准站所测的伪距值求差作为差分修正值，通过数据链传给流动站。流动站接收差分信号后，对所接收的每颗卫星的伪距观测值进展修正，然后再进展单点定位。由于伪距差分是对每颗卫星的伪距观测值进展修正，所以不要求基准站和流动站接收的卫星完全一致，只要有4颗以上一样卫星即可。其左分精度取决于差分卫星个数、卫星空中分布状况与差分修正值延迟时间。伪距差分精度为310m。基准站距流动站距离可达200300km。近年来又开展利用相位观测值精化伪距值，以提高差分精度，称为相位平滑伪距差分，其差分精度可达到1m。3.载波相位实时差分RTK由于载波相位观测值精度高，假如通过数据链将基准站载波相位观测值传到流动站，在流动站进展实时载波相位数据处理，其定位精度可达到12cm。RTK差分距离不可太远，目前最远可到30km。另外流动站是否能进展RTK差分，取决于数据通信可靠性和流动站载波相位观测值是否失锁。目前在城市测量中因受周围环境影响，实时动态RTK还很难使用，但在空旷地区、海上应用较多。4.广域差分广域差分是利用大X围内建立的卫星跟踪网跟踪卫星信号。利用跟踪网坐标和原子钟，求每颗卫星的星历改正值、卫星钟改正值与电离层改正参数，并通过无线电台向用户流动站发送。流动站接收这些修正信息，并对观测值进展修正。差分修正后的精度可达到13m。差分X围可达到1000km。三、实时GPS测量的应用由以上各种GPS实时差分定位的特点可知位置差分、伪距差分与广域差分的精度为中级，只能满足局部精度要求不太高的测量工作，如水下地形测量、资源调查勘察与工程勘察等工作中，实时动态RTK定位技术即基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时地提供观测点在指定坐标系中的三维定位成果，并达到厘米级的高精度。所以实时动态RTK广泛用于工程测量中。根据用户的要求，目前实时动态定位值采用的作业模式主要有：1.快速静态测量这种测量模式要求GPS接收机在每一用户站上，静止地进展观测，在观测过程中连同接收到的基准站的同步观测数据，实时地解算整周未知数和用户站的三维坐标。如果解算结果的变化趋于稳定，且其精度已满足设计的要求，便可适时的完毕观测工作。采用这种模式作业时，用户站的接收机在流动过程中，可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪，其定位精度可达12cm。这种方法可用于城市、矿山等区域性的控制测量，工程测量和地籍测量等。2.准动态测量同一般的准动态测量一样，这种测量模式通常要求流动的接收机在观测工作开始之前，首先在某一起始点上静止地进展观测，以便使用快速解算整周未知数的方法实时地进展初化工作。初始化后，流动的接收机在每一观测站上，只需静止观测数历元，并连同基准站的同步观测数据，实时地解算流动站的三维坐标。目前，其定位的精度可达厘米级。这种方法要求接收机在观测过程中，保持对所测量卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，便需重新进展初始化的工作。准动态实时测量模式，通常主要应用于地籍测量、碎部测量、路线测量和工程放样等。3.动态测量动态测量模式一般需首先在某一起始点上静止地观测数分钟，以便进展初始化工作。之后，运动的接收机按预定的采样时间间隔自动地进展观测，并连同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。说明：目前，其定位的精度可达厘米级。这种测量模式仍要求在观测过程中，保持对观测卫星的连续跟踪。一旦发生失锁，如此需重新进展初始化。这时，对陆上的运动目标来说，可以在卫星失锁的观测点上，静止地观测数分钟，以便重新初始化，或者利用动态初始化AROF技术，重新初始化，而对海上和空中的运动目标来说，如此只有应用AROF技术，重新完成初始化的工作。实时动态测量模式主要应用于航空摄影测量和航空物探中采样点的实时定位，航道测量，道路中线测量，以与运动目标的精细导航等。目前，实时动态测量系统已在约20km的X围内，得到了成功的应用。相信，随着数据传输设备性能和可靠性的不断完善和提高，数据处理软件功能的增强，它的应用X围将会不断地扩大。15-7 GIS与RS技术简介摘要内容：介绍地理信息系统GIS与遥感技术RS。讲课重点：地理信息系统GIS、RS技术的应用。讲课难点：地理信息系统GIS的概念、RS技术的概念。讲授重点内容提要：一、GIS技术地理信息系统GIS通常以图形数据结构为特征分为两大类型：矢量结构和栅格结构。一般来说栅格结构容易与遥感数据结合，建立GIS和RS集成化系统；而矢量数据需要通过矢量至栅格的转换，才能与遥感数据集成使用。1.矢量数据结构从几何上说，空间目标可划分为点、线、面、体四种根本类型。在图面上的点、线、面实体，可以用采样点X、Y坐标表达。在地理信息系统中，除了记录空间目标的几何位置数据外，还要考虑与这个目标有关的属性信息以与空间目标之间的相互关系，以满足空间查询和空间分析的需要。矢量数据结构的一个突出和最具特色的优点是能够完全显示地表达结点、弧段、面块之间所有关联关系。2.栅格数据结构来自遥感、摄影测量和扫描的数据是栅格形式，格网数字地面模型是栅格形式。在GIS中，有许多种基于栅格的数据结构，这些节省存贮空间，有些如此操作效率高。类型：栅格矩阵；行程编码；四叉树编码3.矢量栅格一体化数据结构虽然栅格数据结构有许多优点，但栅格结构精度低，并难以建立网络拓扑结构。这些缺点正好可以用矢量数据结构加以克制，所以现在许多GIS软件中，既含有栅格结构又保持矢量结构，以形成一种混合数据结构。它不是矢量与栅格结构的简单混合，而是一种既有矢量特点又有栅格性质的数据结构。说明：由这种方式建立的数据结构既有矢量的特点，精度较高，容易建立拓扑关系，又有栅格的性质，容易进展空间叠置分析和易于与遥感影像数据结合。4.GIS数据模型是描述数据内容和数据之间联系的工具，它是衡量数据库能力强弱的主要标志之一。数据库设计的核心问题之一是设计一个好的数据模型。目前常用的数据模型有层次模型、网络模型、关系模型以与面向目标模型。说明：数据源是GIS的瓶颈问题，解决GIS数据源的手段，一类是基于栅格结构的RS数据源，包括对航片、地图的扫描所获得的数据源；另一类是基于矢量结构的大地测量数据，如经纬仪、惯性测量系统、DGPS、TSS全站仪测定系统等野外直接测量获得的数据，包括对地形图的手扶跟踪数字化。前者数据现实性好，但数据精度和空间分辨往往不能令人满意。后者是用户关心和便于使用的，实际上这些数据有很大的局限性。二、RS技术1.开展阶段遥感技术RS作为一种空间探测技术至今已经历了地面遥感、航空遥感和航天遥感三个阶段。2. 遥感器遥感器从第一代的航空摄影机，第二代的多光谱摄影机、扫描仪，很快开展到第三代的固体扫描仪CCD；遥感器的运载工具，从飞机很快开展到卫星、宇宙飞船和传输从图像的直接传输开展到非图像的无线电传输；而图像像元也从地面80m80m很快开展到40m40m，30m30m，20m20m，10m10m，6m6m，1m1m。3.系统组成RS系统通常由空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面实况调查系统和信息分析系统构成。4.数字图像处理的过程RS数字图像处理的过程就是几何、辐射校正、信息定量化、信息复合、图像增强、信息特征提取、图像分类等一系列图像处理和技术研究，为各类型区的遥感综合调查提供了大量的优质图像，并在定量化、智能化，以与和RS与GIS的集成等方面开展研究。说明：RS图像的实质是一X电磁波辐射的能量平面分布图，包括图像所表现出的灰度或彩色；图像的空间位置；电磁波长；获取图像的时间等。一幅扫描图像是由时间t决定的诸多像元探测器的瞬时视场组成的。一幅可观察的图像是一个二维光强度的函数，它既反映了图像灰度的大小，也反映了图像灰度的分布。由此可见，所谓光学图像就是人眼可观察的图像，其根本特点是：它的灰度或彩色在像幅几何空间二维和图像灰度空间第三维上的分布都是连续的无连续的。RS信息源主要来源于地物对太阳辐射的反射作用，识别地物主要依据于RS量测地物灰展值的差异，实践中出现“同物异谱和“同谱异物是可能的。15-8 “3S集成技术与应用简介摘要内容：介绍“3S技术中，RS与GIS的集成、RS与GPS的集成、GPS与GIS的集成、“3S集成。讲课重点：“3S技术的应用。讲课难点：“3S技术的的概念。讲授重点内容提要：一、“3S“3S不是GPS、GIS、RS的简单组合，而是将其通过数据接口严格地、严密地、系统地集成起来，使其成为一个大系统。RS与GPS、RS与GIS、GIS与GPS的两两集成有许多研究与应用成果。说明：“3S系统是一个集多种功能和特点的对地观测手段主要是RS、DPS、GPS和其它大地测量仪器、专业传感器于一体，向GIS和RS数字图像处理系统提供具有足够数量、精度、可靠性、完备性的空间数据，通过空间分析、预测、决策确保地学问题优化、系统地解决。“3S是高度自动化、实时化、智能化的对地观测系统，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，而且能够智能化地分析和运用数据，为多种应用提供科学的决策咨询，并回答用户可能提供的各种复杂问题。“3S系统在土地、地质、采矿、石油、军事、土建、管线、道路、环境、水利、林业等多种领域的开发、调查、评价、监测、预测中发挥根底和信息提供的作用；为决策科学化提供依据和保障。二、RS与GIS的集成1.RS为GIS的提供信息源比拟理想的是将RS的分类图像数据直接顺利地进入GIS中，经过栅矢转化形成空间矢量结构数据，满足GIS的多种应用和需求。说明：利用摄影测量像片或RS卫星，经纠正、处理，形成正射影像图，进一步目视判读之后，可编制出多种专题用图，这些图件经过扫描或手扶跟踪数字化之后成为数字电子地图，进入到GIS中，实现多重信息的综合分析，派生出新的图形和图件。例如；公路选线中根据地形图、土壤图、地质水文图和选线的约束条件模型派生出最优路线图。2.GIS为RS提供空间数据管理和分析的技术手段为解决“同物异谱和“同谱异物，从单纯的RS数字图像处理，解决难度较大，假如将GIS与RS结合起来，此类问题就易于解决。说明：如GIS将地形划分为阳坡、阴坡、半阴半阳坡与高山、某某、低山，配合RS进展地表植被分类，就能获得很好的效果。3.RS与GIS的三种结合方式GIS与RS有三种结合方式：分开但平行的结合；无缝的结合；整体结合。说明：1RS的数据结构为栅格数据，其几何信息定位信息为其行、列数，而其属性信息定性信息为其灰展值，GIS多为矢量数据结构，可实现矢栅转化，因此，GIS与RS的结合实质上是数据转换、传输、配准。配准是指RS数据与GIS中图形数据之间几何关系的一致。为了便于管理，在具体实施中有两种结构，一种是GIS为RS的一个子系统；另一种是RS为GIS的子系统。2建立一种标准的空间数据交换格式，作为RS与GIS之间、各种GIS之间、GIS与数字电子地图之间的数据交换格式和标准。美国联邦空间数据委员会1992年颁布了空间数据交换标准SDTSSpatial Data Transfer Standard；澳大利亚基于美国SDTS，建立了自己的ASDT-S；我国亦正在建立相应的标准。应该建立一个全世界统一的标准交换格式，实现空间数据共享，完成数字地球工程。3将GIS与RS真正集成起来，形成数据结构和物理结构均为一体化的系统。美国NASA国家空间实验室的地球资源实验室开发的ELAS系统，将数字化图形数据、同步卫星影像和其安数据置于统一的数据库，实现统一分析、处理、制图。二、RS与GPS的集成利用GPS可以实现RS卫星姿态角测量、摄影测量内外定向元素测定、航测控制点定位、RS几何纠正点定位、数据配准等。说明：从GIS的需求去看，GPS与RS都是其有效的数据源，GPS数据精度高、数量少，侧重提供特征点位的几何信息，发挥定位和导航功能，GPS能够实时明确地物的属性；而RS如此数据量很大，数据精度低，侧重从宏观上反映图像信息、几何特征。把GPS与RS有机地结合起来，可以实现定性、定位、定量的对地观测。三、GPS与GIS的集成把DGPS的实时数据通过串口RS-232C接口实时进入GIS中，在数字电子地图上实现实时显示、定位、纠正、线长、面积、体积等空间位态参数的实时计算与显示、记录。说明：GPS与GIS的集成是最常见、最有开展前景的集成，也是易于实现的。目前GPS与GIS的结合广泛应用于车辆、航舶、飞机定位、导航和监控，广泛应用于交通、公安、车船机自动驾驶、科学种田、集约农业、集约林业、森林防火、海上捕捞等多个领域。四、“3S集成是利用RS提供的最新的图像信息，利用GPS提供的图像信息中“骨架位置信息，利用GIS为图像处理、分析应用提供技术手段，三者一起严密结合为用户提供准确的根底资料图像和数据。一个“3S系统必须具备：1完备、一致的对地观测、数据采集系统2图像、图形存贮、编辑、处理、分析、预测、决策系统3图像、图形、文字报告、决策方案、预测结果输出系统显示、绘图、打印。思考题与习题1“3S技术包括哪些内容？其实际应用有哪些方面？2GPS全球定位系统由哪些局部组成，各局部的作用是什么？3阐述GPS卫星定位原理与定位的优点。4简述WGS-84坐标系；5地理信息系统GIS以图形数据结构为特征分为哪几种类型？各有哪些优缺点。6遥感技术RS由哪几局部组成？16 / 16