3S技术与3S集成

摘 要：通过介绍GIS，GPS，RS的概念，发展和相互之间的关系，阐述了3S集成是信息系统发展的必然趋势，归纳了目前3S集成技术的应用现状和发展前景。

关键词：地理信息系统；遥感；全球定位系统；“3S”集成

3S Technology and 3S Integration

Li Bi-wen

（Shenzhen Investigation & Research Institute CO.，LTD， 15 Fuzhong Road，Shenzhen，518026）

Abstract： By introducing GIS， GPS， RS concept， development and the relationship between expounded 3S integration is the inevitable trend of development of information systems， summarized the current application of 3S integration technology status and development prospects.

Keywords： geographic information systems； remote sensing； Global Positioning System； "3S" integration

空间定位系统（目前主要指GPS全球定位系统）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）是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（以下简称“3S”），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[1]。

近几年来，国际上“3S”的研究和应用开始向集成化（或综合化）方向发展。在这种集成应用中：GPS主要被用于实时、快速地提供目标， 包括各类传感器和运载平台（车、船、飞机、卫星等）的空间位置；RS用于实时地或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面上的各种变化，及时地对GIS进行数据更新；GIS则是对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取，作为新的集成系统的基础平台，并为智能化数据采集提供地学知识。

1.3S概述

1.1地理信息系统GIS

地理信息系统（Geographic Information System）是一种由硬件、软件、数据和用户组成以研究地理或地学数据的数字化或图形化采集、存贮、管理、描述、检索、分析和应用与空间位置有关的相应属性信息的计算机支持系统，它是集计算机学、地理学、测绘遥感学、环境科学、空间科学、信息科学、管理科学和现代通讯技术为一体的一门新兴边缘学科。

地理信息系统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[2]。地理信息系统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GIS软件有ARC/ INFO 、IGDS/ MRS、 TIGRIS、MAPGIS、GEOSTAR、CITYSTAR以及 VIEWGIS等。

1.2全球定位系统GPS

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[3]，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）和精确定位服务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。

70年代初期，美国国防部为满足其军事部门海陆空高精度导航、定位和定时的需求而建立了GPS。80年代以来尤其90年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变革。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从事后处理扩展到实时（准实时）定位和导航，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用

1.3遥感技术（RS）

遥感（Remote Sensing），是一种远距离不直接接触物体而取得其信息的探测技术。即指从远距离高空以及外层空间的各种平台上利用可见光、红外、微波等电磁波探测仪器，通过摄影和扫描、信息感应、传输和处理，从而研究地面物体的形状、大小、位置及其环境的相互关系与变化的现代综合性技术。

遥感是由美国Pruitt提出的名称，1962 年美国地理学会正式公开使用。1972 年美国陆地卫星发射成功，MSS图像获得巨大效益，得到世界范围的认可和支持，使遥感成为一门高新技术并得以长足发展。遥感用于实时或准实时、快速地提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面的各种变化，及时地对GIS进行数据更新。遥感技术朝着多传感器、多遥感图像的空间分辨率、多光谱分辨率和多时间分辨率，以及对遥感图像自动判读的精确性、可靠性和定量量测的精度都在不断地提高，使之不仅用于观测和监测地面变化，而且主要用于地表信息的采集和更新，成为地理空间基础框架建设中空间数据获取与更新的基本手段之一[4]。遥感技术将进一步与GIS和GPS结合，广泛应用于数字城市建设、生态环境保护、自然灾害监测与预报以及资源调查与评估等领域。

2.3s的关系

GIS、GPS与RS三者功能上存在明显的互补性，在实践中人们渐渐认识到只有将它们集成在一个统一的平台中，其各自的优势才能得到充分发挥。

对于GIS来说，全球定位系统（GPS），遥感（RS）提供了极为重要的实时、动态、精确获取空间数据的方法，是GIS的重要数据源。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。GIS与RS的结合中，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.对于RS和GPS而言，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。

从信息和系统运转的流程来说，RS，GPS是数据采集阶段获取信息的的方法和手段，GIS是数据处理阶段信息分析演算的工具，在结果输出和运用阶段，GPS和GIS则协同作用，为用户提供决策参考和依据。

3.3s集成现状与发展

“3S”是指将GIS，GPS，RS三种对地观测新技术及其他相关技术有机地集成在一起。目前，3S在空间信息获取与处理、海量信息管理，以及信息集成分析应用中已日益成熟，并达到产业化应用。

3.1 GIS与RS的集成

遥感是地理信息系统重要的数据源和数据更新的手段。相反，GIS则是遥感中数据处理的辅助信息，用于语义和非语义信息的自动提取。GIS与RS可能的结合方式包括：分开但是平行的结合（不同的用户界面、不同的工具库和不同的数据库）、表面无缝的结合（同一用户界面，不同的工具库和不同的数据库）和整体的结合（同一个用户界面、工具库和数据库） 。

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。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。

3.3 GIS与GPS的结合

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。

GPS是全球定位系统，利用GPS接收机，可以直接测定地面上任一点的三维坐标。GPS与GIS相结合可以实现电子导航，用于交通管理、公安侦破、自动导航，也可以用作GIS实时更新。如果再加上CCD摄像机实时摄像和配以影像处理，则可以形成实时GIS运行系统，用于公路、铁路线路状况的自动监测和管理，以及作战指挥系统等。

3.3 RS与GPS的结合

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[5]。此外，利用RS数据也可以实现GPS定位遥感信息查询。

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。

为了实现真正的“3S”技术集成，需要研究和解决“3S”集成系统设计、实现和应用过程中出现的一些共性的基本问题，如“3S”集成系统的实时空间定位、一体化数据管理、语义和非语义信息的自动提取、数据自动更新、数据实时通讯、集成化系统设计方法以及容图形和影象的空间可视化等，为进一步设计和研制实用的“3S”集成系统提供理论、方法和工具。

4.结论

“3s”的集成是GIS，GPS和RS三者发展的必然结果。三者最初独立发展，但各有优缺点，因此有了“3S”的两两结合，其中应用最广泛，技术最成熟的当属GIS与RS的结合，二者结合的关键在软件，即实现图形和图象的真正集成。后来，动态监测，作物估产等领域的应用又把“3S”的完全集成推上了历史舞台，从而揭开了地理学等学科发展的新篇章。

目前关于“3S”的集成研究虽然较多，且有了较多的研究成果，但其内容多是技术之间的相互调用，而直正将三者完全统一，实现一体化数据管理的文章并不多见。由于系统缺乏良好兼容性的数据格式，多维数据之间的融合分析、系统信息流的实时安全传输不能保证，因而要想真正实现“3S”

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