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1、第三章 GPS基礎(chǔ)理論,3.1 GPS概念 3.2 GPS系統(tǒng)介紹 3.3 GPS定位基本原理 3.4 GPS誤差和糾正,3.1 GPS概念,全球定位系統(tǒng)(GPS, Global Positioning System)是利用人造地球衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量導(dǎo)航技術(shù)的一種，其它的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)有俄羅斯的GLONASS，歐洲空間局的NAVSAT，國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星組織的INMARSAT等等。GPS全稱是NAVSTAR(NAVigation Satellite Timing And Ranging)/GPS，由美國(guó)軍方組織研制建立，從1973年開始實(shí)施，到九十年代初完成。,3.2 GPS系統(tǒng)介紹,GPS系統(tǒng)包括

2、三大部分：空間部分-GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分-GPS信號(hào)接收機(jī)。 3.2.1 GPS衛(wèi)星及其星座 GPS由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，它們均勻分布在六個(gè)相互夾角為60度的軌道平面內(nèi)，即每個(gè)軌道上有四顆衛(wèi)星。衛(wèi)星高度離地面約20000公里，繞地球運(yùn)行一周的時(shí)間是12恒星時(shí)，即一天繞地球兩周。GPS衛(wèi)星用L波段兩種頻率的無(wú)線電波（1575.42MHz和1227.6MHz）向用戶發(fā)射導(dǎo)航定位信號(hào)，同時(shí)接收地面發(fā)送的導(dǎo)航電文以及調(diào)度命令。,3.2.2地面控制系統(tǒng) 對(duì)于導(dǎo)航定位而言，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，而衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)

3、計(jì)算得到的。每顆GPS衛(wèi)星播發(fā)的星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的，同時(shí)衛(wèi)星設(shè)備的工作監(jiān)測(cè)以及衛(wèi)星軌道的控制，都由地面控制系統(tǒng)完成。 GPS衛(wèi)星的地面控制站系統(tǒng)包括位于美國(guó)科羅拉多的主控站以及分布全球的三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星運(yùn)行的監(jiān)控。,3.2.3 GPS信號(hào)接收機(jī) GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是，捕獲GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，并進(jìn)行處理，根據(jù)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，確定接收機(jī)到衛(wèi)星的距離。如果計(jì)算出四顆或者更多衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，再參照衛(wèi)星的位置，就可以確定出接收機(jī)在三維空間中的位置。,33 GPS定位基本原理,GPS定位基本原理是利用測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位。如圖3-1所示，一顆衛(wèi)星信號(hào)傳播到接

4、收機(jī)的時(shí)間只能決定該衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，但并不能確定接收機(jī)相對(duì)于衛(wèi)星的方向，在三維空間中，GPS接收機(jī)的可能位置構(gòu)成一個(gè)球面；當(dāng)測(cè)到兩顆衛(wèi)星的距離時(shí)，接收機(jī)的可能位置被確定于兩個(gè)球面相交構(gòu)成的圓上；當(dāng)?shù)玫降谌w衛(wèi)星的距離后，球面與圓相交得到兩個(gè)可能的點(diǎn)；第四顆衛(wèi)星用于確定接收機(jī)的準(zhǔn)確位置。因此，如果接收機(jī)能夠得到四顆GPS衛(wèi)星的信號(hào)，就可以進(jìn)行定位；當(dāng)接收到信號(hào)的衛(wèi)星數(shù)目多于四個(gè)時(shí)，可以優(yōu)選四顆衛(wèi)星計(jì)算位置。,3.3 GPS定位基本原理,圖3-1：測(cè)距交會(huì)定位示意圖,3.4 GPS誤差和糾正,造成GPS定位誤差的因素有很多，如由于衛(wèi)星軌道變化以及衛(wèi)星電子鐘不準(zhǔn)確以及定位信號(hào)穿越電離層和地表對(duì)流

5、層時(shí)速度的變化等引起的誤差，但是GPS定位中最為嚴(yán)重的誤差則是由于美國(guó)軍方人為降低信號(hào)質(zhì)量造成的，這種誤差可高達(dá)100米。,3.4 GPS誤差和糾正,美國(guó)為了防止未經(jīng)許可的用戶把GPS用于軍事目的，實(shí)施了各種技術(shù)。首先GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)包括兩種不同的測(cè)距碼，即P碼（也稱精碼）和C/A碼（也稱粗碼），相應(yīng)兩種測(cè)距碼GPS提供兩種定位服務(wù)方式，即精密定位服務(wù)(PPS)和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)，前者的服務(wù)對(duì)象主要是美國(guó)軍事部門和其它特許部門，后者則服務(wù)于廣大民間用戶。此外，通過(guò)使用SA（Selective Availability，選擇可用性）技術(shù)，C/A碼的定位精度從20米降低至100米；

6、而AS(Anti-spoofing，反電子欺騙)技術(shù)用于對(duì)P碼進(jìn)行加密，當(dāng)實(shí)施AS時(shí)，非特許用戶不能得到P碼。,3.4 GPS誤差和糾正,上述的人為誤差給GPS的民用造成了障礙，但是可以通過(guò)差分糾正來(lái)消除。差分糾正是通過(guò)兩個(gè)或者更多的GPS接收機(jī)完成的，其方法是在某一已知位置，安置一臺(tái)接收機(jī)作為基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星信號(hào)，然后在其它位置用另一臺(tái)接收機(jī)接收信號(hào)，由前者可以確定衛(wèi)星信號(hào)中包含的人為干擾信號(hào)，而在后者接收到的信號(hào)中減去這些干擾，即可以大大降低GPS的定位誤差。,第四章 RS基礎(chǔ)理論,4.1 遙感概述 4.2 遙感數(shù)據(jù)處理 4.3 遙感技術(shù)的特點(diǎn) 4.4 遙感技術(shù)的應(yīng)用,4.1 遙感概述,遙感

7、(Remote Sensing)，通常是指通過(guò)某種傳感器裝置，在不與研究對(duì)象直接接觸的情況下，獲得其特征信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行提取、加工、表達(dá)和應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。 作為一個(gè)術(shù)語(yǔ)，遙感出現(xiàn)于1962年，而遙感技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速的發(fā)展和廣泛的使用，是在1972年美國(guó)第一顆地球資源技術(shù)衛(wèi)星(LANDSAT-1)成功發(fā)射并獲取了大量的衛(wèi)星圖像之后。近年來(lái)，隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，遙感技術(shù)與之緊密結(jié)合，發(fā)展更加迅猛。,4.1 遙感概述,遙感技術(shù)的基礎(chǔ)，是通過(guò)觀測(cè)電磁波，從而判讀和分析地表的目標(biāo)以及現(xiàn)象，其中利用了地物的電磁波特性，即“一切物體，由于其種類及環(huán)境條件不同，因而具有反射或輻射不同波長(zhǎng)

8、電磁波的特性 ，所以遙感也可以說(shuō)是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，通過(guò)觀測(cè)電磁波，識(shí)別物體以及物體存在環(huán)境條件的技術(shù)。在遙感技術(shù)中，接收從目標(biāo)反射或輻射電磁波的裝置叫做遙感器（Remote Sensor），而搭載這些遙感器的移動(dòng)體叫做遙感平臺(tái)（Platform），包括飛機(jī)、人造衛(wèi)星等，甚至地面觀測(cè)車也屬于遙感平臺(tái)。通常稱用機(jī)載平臺(tái)的為航空遙感（Aerial Remote Sensing），而用星載平臺(tái)的稱為航天遙感。,4.2 遙感數(shù)據(jù)處理,按照遙感器的工作原理，可以將遙感分為被動(dòng)式遙感（Passive Remote Sensing）和主動(dòng)式遙感（Active Remote Sensin

9、g）兩種，而每種方式又分為掃描方式和非掃描方式，其中陸地衛(wèi)星使用的MSS（Multispectral Scanner）和TM（Thematic Mapper）屬于被動(dòng)式、掃描方式的遙感器，而合成孔徑雷達(dá)(SAR-Synthetic Aperture Radar)屬于主動(dòng)式、掃描方式的遙感器。 從遙感的定義中可以看出，首先，遙感器不與研究對(duì)象直接接觸，也就是說(shuō)，這里的“遙”并非指“遙遠(yuǎn)”；其次，遙感的目的是為了得到研究對(duì)象的特征信息；最后，通過(guò)傳感器裝置得到的數(shù)據(jù)，在被使用之前，還要經(jīng)過(guò)一個(gè)處理過(guò)程。,遙感數(shù)據(jù)的處理-通常是圖像形式的遙感數(shù)據(jù)的處理，主要包括糾正（包括輻射糾正和幾何糾正）、增強(qiáng)、

10、變換、濾波、分類等功能，其目的主要是為了提取各種專題信息，如土地建設(shè)情況、植被覆蓋率、農(nóng)作物產(chǎn)量和水深等等。遙感圖像處理可以采取光學(xué)處理和數(shù)字處理兩種方式，數(shù)字圖像處理由于其可重復(fù)性好、便于與GIS結(jié)合等特點(diǎn)，目前被廣泛采用。,1）圖像糾正 圖像糾正是消除圖像畸變的過(guò)程，包括輻射糾正和幾何糾正。輻射畸變通常由于太陽(yáng)位置，大氣的吸收、散射引起；而幾何畸變的原因則包括遙感平臺(tái)的速度、姿態(tài)變化，傳感器，地形起伏等，幾何糾正包括粗糾正和精糾正兩種，前者根據(jù)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行糾正；而后者通過(guò)采集地面控制點(diǎn)（GCPs, Ground Control Points），建立糾正多項(xiàng)式，進(jìn)行糾正。 2）增強(qiáng) 增強(qiáng)的目

11、的是為了改善圖像的視覺效果，并沒有增加信息量，包括亮度、對(duì)比度變化以及直方圖變換等。,3）濾波 濾波分為低通濾波、高通濾波和帶通濾波等，低通濾波可以去除圖像中的噪聲，而高通濾波則用于提取一些線性信息，如道路，區(qū)域邊界等。濾波可以在空域上采用濾波模板操作，也可以在頻域中進(jìn)行直接運(yùn)算。 4）變換 包括主成分分析(Principal Component Analyst)，色度變換以及傅立葉變換等，還包括一些針對(duì)遙感圖像的特定變換，如纓帽變換。,5）分類 利用遙感圖像的主要目的是為了提取各種信息，一些特定的變換可以用于提取特定的信息，主要應(yīng)用目的是進(jìn)行遙感圖像分類。計(jì)算機(jī)分類的基本原理是計(jì)算圖像上每個(gè)

12、象元的灰度特征，根據(jù)不同的準(zhǔn)則，進(jìn)行分類。遙感圖像分類有兩類方法，即監(jiān)督分類(Supervised Classification)和非監(jiān)督分類(Unsupervised Classification)，前者需要事先確定各個(gè)類別及其訓(xùn)練區(qū)(Training Area)，并計(jì)算訓(xùn)練區(qū)象元灰度統(tǒng)計(jì)特征，然后將其它象元?dú)w并到不同類別；后者則直接根據(jù)象元灰度特征之間的相似和相異程度進(jìn)行合并和區(qū)分，形成不同的類別。典型的監(jiān)督分類算法有：最小距離法、最大似然法、平行六面體法等；而K-均值聚類屬于非監(jiān)督分類；將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN, Artificial Neural Network）應(yīng)用于遙感分類，在有些情

13、況下，可以達(dá)到較好的分類效果。,4.3 遙感技術(shù)的特點(diǎn),遙感的出現(xiàn)，擴(kuò)展了人類對(duì)于其生存環(huán)境的認(rèn)識(shí)能力，較之于傳統(tǒng)的野外測(cè)量和野外觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)，遙感技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1） 增大了觀測(cè)范圍； （2）能夠提供大范圍的瞬間靜態(tài)圖像，用于監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)變化的現(xiàn)象； （3）能夠進(jìn)行大面積重復(fù)觀測(cè)，即使是人類難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)； （4）大大“加寬”了的人眼所能觀察的光譜范圍，遙感使用的電磁波波段從X光到微波，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了可見光范圍；而雷達(dá)遙感由于使用微波，可以不受制于晝夜、天氣變化，進(jìn)行全天候的觀測(cè)； （5）空間詳細(xì)程度高，航空相片的空間分辨率可以高達(dá)厘米級(jí)甚至毫米級(jí)。,航天遙感能夠進(jìn)行連續(xù)的、全天候的工作

14、，提供更大范圍的數(shù)據(jù)，其成本更低，是獲取遙感數(shù)據(jù)的主要方式； 航空遙感主要用于臨時(shí)性、緊急的觀測(cè)任務(wù)以獲得高精度數(shù)據(jù)。 目前，世界上許多國(guó)家都已經(jīng)發(fā)射了服務(wù)于不同目的的各種遙感衛(wèi)星，其遙感器的空間分辨率和光譜分辨率也都各異，形成了從粗到細(xì)的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)源系列，可以用于監(jiān)測(cè)從土地利用、農(nóng)作物生長(zhǎng)、植被覆蓋到洪水、森林火災(zāi)、污染等現(xiàn)象的信息以及其動(dòng)態(tài)變化。 總之，利用遙感技術(shù)，可以更加迅速、更加客觀地監(jiān)測(cè)環(huán)境信息；同時(shí)，由于遙感數(shù)據(jù)的空間分布特性，可以作為地理信息系統(tǒng)的一個(gè)重要的數(shù)據(jù)源，以實(shí)時(shí)更新空間數(shù)據(jù)庫(kù)。,4.4 遙感技術(shù)的應(yīng)用,1 、遙感技術(shù)在測(cè)繪中的應(yīng)用 遙感圖像在測(cè)繪中主要被用來(lái)測(cè)繪地形

15、圖、制作正射影像圖和經(jīng)專業(yè)判讀后編繪各種專題圖。使用現(xiàn)時(shí)的遙感圖像補(bǔ)測(cè)和修編地形圖和地圖，以及在一些特殊條件下，如云覆蓋、森林覆蓋、水下、雪原上測(cè)繪地形圖等。所測(cè)繪的地形圖或地圖已是數(shù)字形式，通過(guò)格式變換直接存入GIS的數(shù)據(jù)庫(kù)，修測(cè)的內(nèi)容可以更新GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。,2 、遙感技術(shù)在環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 地球環(huán)境是一個(gè)龐大而復(fù)雜并且在不斷變化的系統(tǒng)。出于人類活動(dòng)和自然本身演變的原因，使地球環(huán)境產(chǎn)生急劇地，甚至發(fā)生一些災(zāi)難性的變化。如地球溫室效應(yīng)、厄爾尼諾現(xiàn)象、海洋赤潮、洪澇和旱災(zāi)、臭氧空洞、沙塵暴、南北極和珠峰的冰雪線退化等。遙感是監(jiān)測(cè)這些環(huán)境現(xiàn)象的最佳方法之一。,3、遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

16、（1） 遙感圖像上的地質(zhì)構(gòu)造解譯 地質(zhì)構(gòu)造是指巖層和巖體在地殼運(yùn)動(dòng)所引起的構(gòu)造作用力的作用下，所發(fā)生的各種永久性的變形和變位。地質(zhì)構(gòu)造是巖漿活動(dòng)、沉積作用、變質(zhì)作用、風(fēng)化作用及地球內(nèi)部放射物質(zhì)遷移、集中和裂變等地質(zhì)作用的綜合結(jié)果。 地質(zhì)構(gòu)造與地貌類型密切相關(guān)，所以研究地質(zhì)構(gòu)造往往從地貌類型的調(diào)查開始。衛(wèi)星遙感圖像上對(duì)各種地貌類型顯示得十分清楚，有時(shí)可將整個(gè)盆地或山脈容納在一張像片中。由于衛(wèi)片具有宏觀觀察的特點(diǎn)，使地面上許多構(gòu)造特征歷歷在目，如山地和平原的交界、支流河谷的線性排列、洪積扇、斷裂、褶皺等等。 （2）遙感圖像的巖性分類 在地面無(wú)植被覆蓋的巖石探露地區(qū)，利用不同巖石間光譜特性差異，可對(duì)

17、巖性進(jìn)行識(shí)別分類。,（3）遙感方法調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害 地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生主要是不良地質(zhì)引起的，不良地質(zhì)是指地球的外營(yíng)力和內(nèi)營(yíng)力所產(chǎn)生的對(duì)人類活動(dòng)造成危害的地質(zhì)作用和現(xiàn)象。這些現(xiàn)象主要包括滑坡、崩塌、巖堆、錯(cuò)落、泥石流、沙丘、河岸沖刷、水庫(kù)坍岸、沖溝、巖溶、黃土陷穴、地面塌陷、溜坍、人工采空區(qū)突然下陷、地裂縫、潛蝕、風(fēng)化、凍脹、融陷、坑道涌水、斷層破碎帶、巖爆、高烈度地震等。利用遙感圖像判釋調(diào)查可以直接按影像勾繪出發(fā)生災(zāi)難的范圍，并確定其類別和性質(zhì)，同時(shí)還可查明其產(chǎn)生原因、分布規(guī)律和危害程度。某些不良地質(zhì)的發(fā)生較快，利用不同時(shí)期的遙感圖像進(jìn)行對(duì)比研究，往往能對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)和危害程度做出準(zhǔn)確的判斷。,4 、遙

18、感技術(shù)在農(nóng)林牧等方面的應(yīng)用 （1）遙感信息應(yīng)用于農(nóng)作物估產(chǎn) 研究作物冠層反向光譜特征與冠層狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，是用MSS、TM和NOAA等衛(wèi)星遙感信息進(jìn)行作物估產(chǎn)的基礎(chǔ)。已有研究表明，可見光和近紅外波段反射率組成的植被指數(shù)隨作物冠層狀態(tài)參數(shù)變化呈有規(guī)律變化。 （2）遙感影像用于土壤解譯 （3）衛(wèi)星影像用于土壤侵蝕調(diào)查 （4）遙感技術(shù)在森林立地類型調(diào)查中的應(yīng)用 森林立地是指一定的空間位置及與之相關(guān)的環(huán)境因子的總和，凡具有相同或相似的林木生長(zhǎng)環(huán)境或生長(zhǎng)效果的地段謂之一種立地類型。它決定一個(gè)地段的植被適生條件及林木生產(chǎn)能力，在營(yíng)林、造林和規(guī)劃設(shè)計(jì)中具有重要的意義。近年來(lái)迅速發(fā)展的遙感技術(shù)，為我們對(duì)森

19、林生態(tài)環(huán)境的研究，提供了新的手段。,5、遙感技術(shù)在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用 （1）遙感技術(shù)在考古方面的應(yīng)用 遙感考古在20世紀(jì)源于歐洲，第一次世界大戰(zhàn)以來(lái)歐美等國(guó)已普遍運(yùn)用遙感技術(shù)從事考古調(diào)查和研究。 遙感技術(shù)用于考古，可以從高空的航片或衛(wèi)片上發(fā)現(xiàn)一些已不存在的古城的遺跡。判讀像片時(shí)，可以從它們的廢墟、城堡護(hù)堤、巖堆、古河道、廢城墻根基等的空間特征上去推斷，例如，我國(guó)西安(古長(zhǎng)安)的秦姑皇墓，原有兩重城墻(內(nèi)城和外城)圍護(hù)，現(xiàn)已沒有，但從航空像片上可以清楚地看到內(nèi)城和外城的規(guī)則矩形遺跡。,（2）遙感技術(shù)在旅游資源開發(fā)中的應(yīng)用 隨著經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和人們的物質(zhì)與精神生活的提高，旅游業(yè)也隨之飛速發(fā)展，旅游人

20、數(shù)和旅游業(yè)收入增長(zhǎng)勢(shì)頭日益受到各國(guó)政府的重視，并逐漸發(fā)展為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中一個(gè)重要行業(yè)。在這種國(guó)際大趨勢(shì)下，充分利用各種技術(shù)手段調(diào)查、開發(fā)旅游資源，具有現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義。 （3）遙感探測(cè)南極隕石分布,第五章 GPS與GIS的集成,5.1 GIS與GPS的結(jié)合 5.2 基于GIS開發(fā)GIS+GPS的應(yīng)用軟件 5.3 GPS用于GIS數(shù)據(jù)采集,5.1 GIS與GPS的結(jié)合,作為實(shí)時(shí)提供空間定位數(shù)據(jù)的技術(shù)，GPS可以與地理信息系統(tǒng)進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)不同的具體應(yīng)用目標(biāo)： 1）定位 主要在諸如旅游、探險(xiǎn)等需要室外動(dòng)態(tài)定位信息的活動(dòng)中使用。如果不與GIS集成，利用GPS接收機(jī)和紙質(zhì)地形圖，也可以實(shí)現(xiàn)空間定位；但是

21、通過(guò)將GPS接收機(jī)連接在安裝GIS軟件和該地區(qū)空間數(shù)據(jù)的便攜式計(jì)算機(jī)上，可以方便地顯示GPS接收機(jī)所在位置并實(shí)時(shí)顯示其運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而可以利用GIS提供的空間檢索功能，得到定位點(diǎn)周圍的信息，從而實(shí)現(xiàn)決策支持。,2）測(cè)量 主要應(yīng)用于土地管理、城市規(guī)劃等領(lǐng)域，利用GPS和GIS的集成，可以測(cè)量區(qū)域的面積或者路徑的長(zhǎng)度。該過(guò)程類似于利用數(shù)字化儀進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，需要跟蹤多邊形邊界或路徑，采集抽樣后的頂點(diǎn)坐標(biāo)，并將坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)GIS記錄，然后計(jì)算相關(guān)的面積或長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。 在進(jìn)行GPS測(cè)量時(shí)，要注意以下一些問(wèn)題，首先，要確定GPS的定位精度是否滿足測(cè)量的精度要求，如對(duì)宅基地的測(cè)量，精度需要達(dá)到厘米級(jí)，而要在野外

22、測(cè)量一個(gè)較大區(qū)域的面積，米級(jí)甚至幾十米級(jí)的精度就可以滿足要求；其次，對(duì)不規(guī)則區(qū)域或者路徑的測(cè)量，需要確定采樣原則，采樣點(diǎn)選取的不同，會(huì)影響到最后的測(cè)量結(jié)果。,3）導(dǎo)航監(jiān)控 用于車輛、船只的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，在接收到車輛、船只發(fā)回的位置數(shù)據(jù)后，監(jiān)控中心可以確定車船的運(yùn)行軌跡，進(jìn)而利用GIS空間分析工具，判斷其運(yùn)行是否正常，如是否偏離預(yù)定的路線，速度是否異常（靜止）等等，在出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)控中心可以提出相應(yīng)的處理措施，其中包括向車船發(fā)布導(dǎo)航指令。,5.2 GIS+GPS應(yīng)用軟件開發(fā),GIS與GPS的集成過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是解決GIS和GPS之間的邏輯聯(lián)接，包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織和表達(dá)，否則，就難以發(fā)揮二

23、者各自的優(yōu)勢(shì)。以GIS軟件為平臺(tái)，利用GIS(包括矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、DEM、數(shù)字影像以及各種語(yǔ)音和視頻圖像等)開發(fā)GIS+GPS應(yīng)用軟件，可以實(shí)現(xiàn)如下功能： (1)基于道路網(wǎng)及其子網(wǎng)求最佳路徑，并可以繞開交通堵塞路段。 (2)圖形漫游和無(wú)級(jí)比例放大，可在不同層次(不同比例尺)上顯示和瀏覽各級(jí)道路網(wǎng)。,(3)車輛監(jiān)控，主要是通過(guò)車載GPS接受機(jī)和計(jì)算機(jī)所接受的GPS衛(wèi)星發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)屏幕上電子地圖，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前汽車在道路網(wǎng)中的位置。 (4)歷史信息處理，即在接受GPS數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)時(shí)地把當(dāng)時(shí)的位置及相關(guān)的狀態(tài)信息記錄下來(lái)，以便在需要時(shí)，可以把當(dāng)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上模擬出來(lái)。 (5)信息查詢，包

24、括指定屏幕位置的查詢，根據(jù)輸入信息的查詢以及模糊信息查詢。后者主要指對(duì)查詢對(duì)象的位置和屬性都不完全確定時(shí)的查詢。 (6)緊急情況處理，包括突發(fā)事件的位置確定和突發(fā)事件的范圍限定等，并能提供相關(guān)單位的信息。 (7)可利用CCD相機(jī)及其它多種車載傳感器進(jìn)行移動(dòng)測(cè)繪。,5.3 GPS用于GIS采集的流程,GPS用于GIS采集的流程可分為以下幾個(gè)步驟： (1)在內(nèi)業(yè)編輯數(shù)據(jù)詞典，然后傳輸?shù)诫娮邮植局泄┩鈽I(yè)數(shù)據(jù)采集用； (2)建立基準(zhǔn)站(在已知點(diǎn)上)； (3)利用GPS流動(dòng)站設(shè)備采集GIS數(shù)據(jù)； (4)將外業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行編輯和處理； (5)將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾ISCAD系統(tǒng)。 其系統(tǒng)框圖如下圖

25、所示。,5.3 GPS用于GIS數(shù)據(jù)采集,第六章 GPS與RS的集成,6.1 GPS輔助空中三角測(cè)量與自動(dòng)空中三角測(cè)量的結(jié)合 6.2 GPS輔助空中三角測(cè)量中的一些關(guān)鍵技術(shù) 6.3 GPS支持下的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng) 6.4 GPS輔助光束法平差系統(tǒng),遙感是通過(guò)非接觸傳感器獲得所攝目標(biāo)的影像，由影像提取各種幾何信息和屬性信息。以航空攝影測(cè)量而言，其定位方法通稱空中三角測(cè)量，共工作可分為兩大主要部分：第一部分是數(shù)據(jù)采集，包括轉(zhuǎn)點(diǎn)、像點(diǎn)坐標(biāo)或模型點(diǎn)坐標(biāo)量測(cè)、坐標(biāo)規(guī)化和預(yù)改正。第二部分是數(shù)據(jù)處理，一般為區(qū)域網(wǎng)平差，平差過(guò)程中要引入非攝影測(cè)量信息，主要是地面控制點(diǎn)坐標(biāo)，使空中三角測(cè)量網(wǎng)納入規(guī)定的物方坐標(biāo)

26、系，同時(shí)對(duì)像片系統(tǒng)誤差進(jìn)行有效地改正。,傳統(tǒng)的空中三角測(cè)量首先是依靠人工選點(diǎn)、轉(zhuǎn)點(diǎn)和在航測(cè)儀器上人工量測(cè)獲得像點(diǎn)像片坐標(biāo)或模型坐標(biāo)，然后利用大地測(cè)量方法測(cè)定在像片上滿足良好分布條件的若干控制點(diǎn)。隨著GPS輔助空中三角測(cè)量和自動(dòng)空中三角測(cè)量技術(shù)的研制成功，航空攝影測(cè)量已進(jìn)入全數(shù)字化階段，利用GPS輔助空中三角測(cè)量和全數(shù)字化攝影測(cè)量，也即從外業(yè)控制到內(nèi)業(yè)加密直至快速獲取地面DEM、數(shù)字正射影像與數(shù)字線劃圖完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。 此外，還可以把GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)(INS)、CCD和激光掃描儀集成在一起用于對(duì)地觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集。,6.1 GPS輔助空中三角測(cè)量與自動(dòng)空中三角測(cè)量的結(jié)合,1 GPS輔助空中三角測(cè)

27、量 GPS輔助空中三角測(cè)量是指利用機(jī)載GPS接收機(jī)與地面基準(zhǔn)點(diǎn)的GPS接收機(jī)同時(shí)、快速、連續(xù)地記錄相同的GPS衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)相對(duì)定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理獲取攝影機(jī)曝光時(shí)刻攝站的高精度三維坐標(biāo)，將其作為區(qū)域網(wǎng)平差中的附加非攝影測(cè)量觀測(cè)值，以空中控制取代(或減少)地面控制；經(jīng)采用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型和算法，整體確定點(diǎn)位并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定的理論、技術(shù)和方法。,2 自動(dòng)空中三角測(cè)量 自動(dòng)空中三角測(cè)量是利用模式識(shí)別與多片影像匹配等方法代替人工進(jìn)行自動(dòng)選點(diǎn)與轉(zhuǎn)點(diǎn)、同時(shí)自動(dòng)獲取像點(diǎn)坐標(biāo)，提供給區(qū)域網(wǎng)平差程序解算。其主要過(guò)程如下： (1)自動(dòng)內(nèi)定向 主要指建立數(shù)字影像各像素行列數(shù)與其像點(diǎn)坐標(biāo)之間的關(guān)系，其核心是數(shù)字

28、影像中框標(biāo)點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別與定位。由于各種框標(biāo)均具有對(duì)稱性及任意倍數(shù)90旋轉(zhuǎn)不變性，對(duì)每一種相機(jī)，可用該特性自動(dòng)建立標(biāo)準(zhǔn)模板。其后利用模板匹配自動(dòng)快速識(shí)別與定位各框標(biāo)點(diǎn)，再根據(jù)相機(jī)檢校的理論框標(biāo)值進(jìn)行參數(shù)解算。,(2)自動(dòng)選點(diǎn)與自動(dòng)相對(duì)定向 首先由點(diǎn)特征提取算子從每?jī)煞嗷ブ丿B的影像的重疊范圍內(nèi)選取均勻分布的明顯特征點(diǎn)。為了保證高可靠性，所選的點(diǎn)應(yīng)充分多。對(duì)每一點(diǎn)進(jìn)行局部多點(diǎn)松弛法影像匹配，得到其在另一幅影像中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。然后進(jìn)行相對(duì)定向解算，并根據(jù)相對(duì)定向結(jié)果剔除粗差，重新解算，直至沒有粗差為止。,(3)多片匹配自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn) 對(duì)每幅影像中所選取的點(diǎn)，在所有與其重疊的影像中，利用核線(共面)條件約束的局

29、部多點(diǎn)松弛法影像匹配，進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)，并對(duì)每一對(duì)點(diǎn)進(jìn)行反向匹配，以檢測(cè)并排除可能的粗差。 (4)控制點(diǎn)半自動(dòng)量測(cè) 對(duì)于GPs輔助空中三角測(cè)量，還需要量測(cè)少量地面控制點(diǎn)的影像坐標(biāo)，為此由作業(yè)員直接在計(jì)算機(jī)屏幕上對(duì)某一影像進(jìn)行辨識(shí)并精確定位，然后通過(guò)多片匹配而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)。,3 GPS全自動(dòng)空中三角測(cè)量 由自動(dòng)空中三角測(cè)量中的多片影像匹配自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)技術(shù)取代常規(guī)航測(cè)中像點(diǎn)坐標(biāo)的人工量測(cè)，由GPS動(dòng)態(tài)差分技術(shù)獲取GPS攝站坐標(biāo)，以空中控制取代或減少地面控制，即可使解析空中三角測(cè)量實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，流程為： (1)用機(jī)載GPS接收機(jī)與地面參考點(diǎn)的GPS接收機(jī)同時(shí)、快速、連續(xù)地記錄相同的GPS衛(wèi)星之信號(hào)，同時(shí)在機(jī)

30、載GPS接收機(jī)記錄數(shù)據(jù)中加入攝影瞬間的時(shí)標(biāo)信號(hào)。 (2)利用后處理軟件進(jìn)行離線數(shù)據(jù)后處理，內(nèi)插獲得攝影瞬間GPS天線相位中心的三維坐標(biāo)。,(3)利用自動(dòng)空中三角測(cè)量中的多片影像匹配自動(dòng)轉(zhuǎn)點(diǎn)技術(shù)，對(duì)數(shù)字化后的影像進(jìn)行整體影像匹配，獲得較常規(guī)數(shù)量多、精度高、可靠性好的模型連接點(diǎn)的像片坐標(biāo)。 (4)由上所得的GPS攝站坐標(biāo)，連接點(diǎn)像片坐標(biāo)，外加攝影機(jī)數(shù)據(jù)，必要時(shí)加入少量地面控制，進(jìn)行攝影測(cè)量與非攝影測(cè)量觀測(cè)值的聯(lián)合平差，求解加密點(diǎn)坐標(biāo)(物方坐標(biāo)系)或像片定向參數(shù)。,常規(guī)空中三角測(cè)量與GPS輔助全自動(dòng)空中三角測(cè)量之對(duì)比,6.3 GPS支持下的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng),GPS輔助全數(shù)字自動(dòng)攝影測(cè)量生產(chǎn)DEM,

31、全數(shù)字自動(dòng)攝影測(cè)量生產(chǎn)DOM,全數(shù)字自動(dòng)攝影測(cè)量生產(chǎn)DLG,第七章 遙感與GIS集成,7.1 RS與GIS集成的方式 7.2 RS與GIS集成的應(yīng)用,7.1 RS與GIS的集成方式,在軟件實(shí)現(xiàn)上，GIS與遙感的集成，可以有以下三個(gè)不同的層次： （1） 低層次集成，各自有各自的軟件，只是通過(guò)文件轉(zhuǎn)換工具在不同系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)； （2） 兩軟件具有一致的界面和顯示，但實(shí)質(zhì)還是兩個(gè)軟件； （3） 最高層次是實(shí)現(xiàn)具有強(qiáng)大的圖像處理功能的GIS軟件。,7.2 RS與GIS集成的應(yīng)用,在RS+GIS集成系統(tǒng)中，遙感數(shù)據(jù)是GIS的重要信息來(lái)源，而GIS則可以作為遙感圖像解譯的強(qiáng)有力的輔助工具，其功能集中體現(xiàn)

32、在： 一、 GIS作為圖像處理工具 二、 遙感數(shù)據(jù)作為GIS的信息來(lái)源 可用于： 1）土地動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè) 2）環(huán)境、礦產(chǎn)、氣候變化監(jiān)測(cè) 3）農(nóng)、林、牧、水利監(jiān)測(cè) ,第八章 “3S”集成技術(shù),8.1 “3S”集成的概念 “3S”集成是指將GIS、GPS、RS這三種對(duì)地觀測(cè)技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)有機(jī)地集成在一起，實(shí)現(xiàn)在線連接、實(shí)時(shí)處理和集成應(yīng)用。“3S”集成包括空基3S集成與地基3S集成。 空基“3S”集成：用空-地定位模式實(shí)現(xiàn)直接對(duì)地觀測(cè)，主要目的是在無(wú)地面控制點(diǎn)(或有少量地面控制點(diǎn))的情況下，實(shí)現(xiàn)航空航天遙感信息的直接對(duì)地定位、偵察、制導(dǎo)、測(cè)量等。 地基“3S”集成：車載、艦載定位導(dǎo)航和對(duì)地面目標(biāo)的

33、定位、跟蹤、測(cè)量等實(shí)時(shí)作業(yè)。,1) 智能交通ITS 智能運(yùn)輸系統(tǒng)是基于數(shù)字地球建立國(guó)家和省市、自治區(qū)的路面管理系統(tǒng)、橋梁管理系統(tǒng)、交通阻塞、交通安全以及高速公路監(jiān)控系統(tǒng)，并將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)地面運(yùn)輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合性交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸工具在道路上的運(yùn)行功能智能化。從而，使公眾能夠高效地使用公路交通設(shè)施和能源。,8.2 “3S”集成應(yīng)用,具體地說(shuō)，該系統(tǒng)將采集到的各種道路交通及服務(wù)信息經(jīng)交通管理中心集中處理后，傳輸?shù)焦愤\(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)用戶(駕駛員

34、、居民、警察局、停車場(chǎng)、運(yùn)輸公司、醫(yī)院、救護(hù)排障等部門)，出行者可實(shí)時(shí)選擇交通方式和交通路線；交通管理部門可自動(dòng)進(jìn)行合理的交通疏導(dǎo)、控制和事故處理；運(yùn)輸部門可隨時(shí)掌握車輛的運(yùn)行情況，進(jìn)行合理調(diào)度。從而，使路網(wǎng)上的交通流運(yùn)行處于最佳狀態(tài)，改善交通擁擠和阻塞，最大限度地提高路網(wǎng)的通行能力，提高整個(gè)公路運(yùn)輸系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性、安全性和生產(chǎn)效率。,對(duì)于公路交通而言，ITS(智能化交通系統(tǒng))將產(chǎn)生的效果主要包括以下幾個(gè)方面： 提高公路交通的安全性； 降低能源消耗，減少汽車運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響； 提高公路網(wǎng)絡(luò)的通行能力； 提高汽車運(yùn)輸生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各方面都將產(chǎn)生積極的影響。,2)數(shù)字城市 基于

35、高分辨率正射影像、城市地理信息系統(tǒng)、GPS、建筑CAD，可以建立虛擬城市和數(shù)字城市，可實(shí)現(xiàn)真三維和多時(shí)相的城市漫游、查詢分析和可視化服務(wù)和管理。 3S可用于城市規(guī)劃、市政管理、城市環(huán)境、城市交通、物流運(yùn)輸、公安消防、保險(xiǎn)與銀行、旅游娛樂等。,3) 數(shù)字農(nóng)業(yè)（農(nóng)林牧漁） 2I世紀(jì)農(nóng)業(yè)要走節(jié)約化的道路，實(shí)現(xiàn)節(jié)水農(nóng)業(yè)、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)無(wú)污染農(nóng)業(yè)。這就要依托數(shù)字地球，每隔35天給農(nóng)民送去他們的莊稼地的高分辨率衛(wèi)星影像，農(nóng)民在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端上可以從影像圖中獲得他的農(nóng)田的長(zhǎng)勢(shì)征兆，通過(guò)GIS作分析，制定出行動(dòng)計(jì)劃，然后在車載GPS和電子地圖指引下，實(shí)施農(nóng)田作業(yè)，及時(shí)地預(yù)防病蟲害，把殺蟲劑、化肥和水用到必須用的地方，而不致使化學(xué)殘留物污染土地、糧食和種子，實(shí)現(xiàn)真正的綠色農(nóng)業(yè)。這樣一來(lái)，農(nóng)民也成了電腦的重要用戶，數(shù)字地球就這樣飛入了農(nóng)民家。到那時(shí)農(nóng)民也需要有組織，有文化，掌握高科技。,4）數(shù)字水利 水利行業(yè)是一個(gè)歷史十分悠久的行業(yè)。水利不但是農(nóng)業(yè)的命脈、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，而且將是中華民族生存和發(fā)展的命脈。水利不僅是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)設(shè)施，而且在基礎(chǔ)設(shè)施中處于首位。數(shù)字水利的戰(zhàn)略目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)水利行業(yè)中各種數(shù)據(jù)的整合，使之便于