3S集成技术

吾尝跂而望矣，不如登高之博见也。荀子第十二章3S集成技术导读：本章简介了遥感和全球定位系统技术的基本概念以及它们与GIS的集成应用。作为实时、客观获取空间信息的新兴技术手段，遥感和全球定位系统成为地理信息系统的重要数据来源，而通过GIS对其获得的数据进行处理和分析，可以提取各种有用信息，以进行决策支持。本章主要介绍了一些3S集成的具体应用，并简要描述了其技术实现方案。1．遥感简介遥感(RemoteSensing)，通常是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。作为一个术语，遥感出现于1962年，而遥感技术在世界范围内迅速的发展和广泛的使用，是在1972年美国第一颗地球资源技术卫星(LANDSAT-1)成功发射并获取了大量的卫星图像之后。近年来，随着地理信息系统技术的发展，遥感技术与之紧密结合，发展更加迅猛。遥感技术的基础，是通过观测电磁波，从而判读和分析地表的目标以及现象，其中利用了地物的电磁波特性，即“一切物体，由于其种类及环境条件不同，因而具有反射或辐射不同波长电磁波的特性”（图12-1），所以遥感也可以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过观测电磁波，识别物体以及物体存在环境条件的技术。图12-1：几种常见地物（水、绿色植被、裸旱地）的电磁波反射曲线在遥感技术中，接收从目标反射或辐射电磁波的装置叫做遥感器（RemoteSensor），而搭载这些遥感器的移动体叫做遥感平台（Platform），包括飞机、人造卫星等，甚至地面观测车也属于遥感平台。通常称用机载平台的为航空遥感（AerialRemoteSensing），而用星载平台的称为航天遥感。按照遥感器的工作原理，可以将遥感分为被动式遥感（PassiveRemoteSensing）和主动式遥感（ActiveRemoteSensing）两种，而每种方式又分为扫描方式和非扫描方式，其中陆地卫星使用的MSS（MultispectralScanner）和TM（ThematicMapper）属于被动式、扫描方式的遥感器（图12-2），而合成孔径雷达(SAR-SyntheticApertureRadar)属于主动式、扫描方式的遥感器。图12-2：多光谱扫描仪示意图[Curran]从遥感的定义中可以看出，首先，遥感器不与研究对象直接接触，也就是说，这里的“遥”并非指“遥远”；其次，遥感的目的是为了得到研究对象的特征信息；最后，通过传感器装置得到的数据，在被使用之前，还要经过一个处理过程。图12-3描述了从获取遥感数据到应用的过程。目标物的电磁波特征影响因子遥感器数据采集信息提取应用农林地质水文海洋气象环境等计算机数据处理及人工图像判读图像数据波段太阳位置大气状态气象季节地表状态遥感器性能遥感器位置电磁能量(E)波长(λ)图12-3：遥感数据过程遥感数据的处理——通常是图像形式的遥感数据的处理，主要包括纠正（包括辐射纠正和几何纠正）、增强、变换、滤波、分类等功能，其目的主要是为了提取各种专题信息，如土地建设情况、植被覆盖率、农作物产量和水深等等(图12-4)。遥感图像处理可以采取光学处理和数字处理两种方式，数字图像处理由于其可重复性好、便于与GIS结合等特点，目前被广泛采用。下面简单介绍数字图像处理的主要功能。图12-4：武汉市东湖附近TM合成图像，长江上的轮船清晰可见（合成方案：R=TM7，G=TM4，B=TM2，经增强处理）1）图像纠正图像纠正是消除图像畸变的过程，包括辐射纠正和几何纠正。辐射畸变通常由于太阳位置，大气的吸收、散射引起；而几何畸变（图12-5）的原因则包括遥感平台的速度、姿态变化，传感器，地形起伏等，几何纠正包括粗纠正和精纠正两种，前者根据有关参数进行纠正；而后者通过采集地面控制点（GCPs,GroundControlPoints），建立纠正多项式，进行纠正。图12-5：遥感图像几何畸变的各种情形[LillesandandKiefer]2）增强增强的目的是为了改善图像的视觉效果，并没有增加信息量，包括亮度、对比度变化以及直方图变换等。3）滤波滤波分为低通滤波、高通滤波和带通滤波等，低通滤波可以去除图像中的噪声，而高通滤波则用于提取一些线性信息，如道路，区域边界等。滤波可以在空域上采用滤波模板操作，也可以在频域中进行直接运算。4）变换包括主成分分析(PrincipalComponentAnalyst)，色度变换以及傅立叶变换等，还包括一些针对遥感图像的特定变换，如缨帽变换。5）分类利用遥感图像的主要目的是为了提取各种信息，一些特定的变换可以用于提取信息，但是最主要的手段则是通过遥感图像分类(Classification)。计算机分类的基本原理是计算图像上每个象元的灰度特征，根据不同的准则，进行分类。遥感图像分类有两类方法，即监督分类(SupervisedClassification)和非监督分类(UnsupervisedClassification)，前者需要事先确定各个类别及其训练区(TrainingArea)，并计算训练区象元灰度统计特征，然后将其它象元归并到不同类别；后者则直接根据象元灰度特征之间的相似和相异程度进行合并和区分，形成不同的类别。典型的监督分类算法有最小距离法、最大似然法、平行六面体法等；而K-均值聚类属于非监督分类；将人工神经网络（ANN,ArtificialNeuralNetwork）应用于遥感分类，在有些情况下，可以达到较好的分类效果。遥感的出现，扩展了人类对于其生存环境的认识能力，较之于传统的野外测量和野外观测得到的数据，遥感技术具有以下优点：增大了观测范围；能够提供大范围的瞬间静态图像，用于监测动态变化的现象；能够进行大面积重复观测，即使是人类难以到达的偏远地区；大大“加宽”了的人眼所能观察的光谱范围，遥感使用的电磁波波段从X光到微波，远远超出了可见光范围；而雷达遥感由于使用微波，可以不受制于昼夜、天气变化，进行全天候的观测；空间详细程度高，航空相片的空间分辨率可以高达厘米级甚至毫米级。与航空遥感相比，航天遥感能够进行连续的、全天候的工作，提供更大范围的数据，其成本更低，是获取遥感数据的主要方式；而航空遥感主要应用于临时性的、紧急的观测任务以获得高精度数据。目前，世界上许多国家都已经发射了服务于不同目的的各种遥感卫星，其遥感器的空间分辨率和光谱分辨率也都各异，形成了从粗到细的对地观测数据源系列，可以用于监测从土地利用、农作物生长、植被覆盖到洪水、森林火灾、污染等现象的信息以及其动态变化。总之，利用遥感技术，可以更加迅速、更加客观地监测环境信息；同时，由于遥感数据的空间分布特性，可以作为地理信息系统的一个重要的数据源，以实时更新空间数据库。表12-1：几种常用的遥感卫星及其遥感器参数卫星传感器波段(μm)空间分辨率覆盖范围周期主要用途LandsatTM0.45-0.520.52-0.600.63-0.690.76-0.901.55-1.7510.4-12.42.05-2.3530m(1-5,7波段)185km×185km16天水深、水色水色、植被叶绿素、居住区植物长势土壤和植物水分云及地表温度岩石类型SPOT-HRV0.50-0.590.61-0.680.79-0.890.51-0.7320m20m20m10m60km×60km26天水色、植物状况叶绿素、居住区植物长势制图NOAA-VHRR0.58-0.680.72-1.101.1km2400km×0.5天植物、云、冰雪植物、水陆分界3.55-3.9310.3-11.311.5-12.52400km热点、夜间云云及地表温度大气及地表温度IKONOS*0.45-0.90.45-0.520.52-0.600.63-0.690.76-0.900.82m4m4m4m4m11km×11km14天2．全球定位系统简介全球定位系统(GPS,GlobalPositioningSystem)是利用人造地球卫星进行点位测量导航技术的一种，其它的卫星定位导航系统有俄罗斯的GLONASS，欧洲空间局的NAVSAT，国际移动卫星组织的INMARSAT等等。GPS全称是NAVSTAR(NAVigationSatelliteTimingAndRanging)/GPS，由美国军方组织研制建立，从1973年开始实施，到九十年代初完成。2．1GPS系统介绍GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。2．1．1GPS卫星及其星座GPS由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，它们均匀分布在六个相互夹角为60度的轨道平面内，即每个轨道上有四颗卫星。卫星高度离地面约20000公里，绕地球运行一周的时间是12恒星时，即一天绕地球两周。GPS卫星用L波段两种频率的无线电波（1575.42MHz和1227.6MHz）向用户发射导航定位信号，同时接收地面发送的导航电文以及调度命令。2．1．2地面控制系统对于导航定位而言，GPS卫星是一动态已知点，而卫星的位置是依据卫星发射的星历——描述卫星运动及其轨道的参数——计算得到的。每颗GPS卫星播发的星历是由地面监控系统提供的，同时卫星设备的工作监测以及卫星轨道的控制，都由地面控制系统完成。GPS卫星的地面控制站系统包括位于美国科罗拉多的主控站以及分布全球的三个注入站和五个监测站组成，实现对GPS卫星运行的监控。2．1．3GPS信号接收机GPS信号接收机（图12-6）的任务是，捕获GPS卫星发射的信号，并进行处理，根据信号到达接收机的时间，确定接收机到卫星的距离。如果计算出四颗或者更多卫星到接收机*IKONOS卫星于1999年发射成功，其提供的高分辨率遥感数据具有良好的应用前景。相关信息来自。的距离，再参照卫星的位置，就可以确定出接收机在三维空间中的位置。图12-6：GARMIN手持式GPS接收机2．2GPS定位基本原理GPS定位基本原理是利用测距交会确定点位。如图12-7所示，一颗卫星信号传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机的距离，但并不能确定接收机相对于卫星的方向，在三维空间中，GPS接收机的可能位置构成一个球面；当测到两颗卫星的距离时，接收机的可能位置被确定于两个球面相交构成的圆上；当得到第三颗卫星的距离后，球面与圆相交得到两个可能的点；第四颗卫星用于确定接收机的准确位置。因此，如果接收机能够得到四颗GPS卫星的信号，就可以进行定位；当接收到信号的卫星数目多于四个时，可以优选四颗卫星计算位置。D1D2D3准确位置图12-7：测距交会定位示意图2．3GPS误差和纠正造成GPS定位误差的因素有很多，如由于卫星轨道变化以及卫星电子钟不准确以及定位信号穿越电离层和地表对流层时速度的变化等引起的误差，但是GPS定位中最为严重的误差则是由于美国军方人为降低信号质量造成的，这种误差可高达100米。美国为了防止未经许可的用户把GPS用于军事目的，实施了各种技术。首先GPS卫星发射的无线电信号包括两种不同的测距码，即P码（也称精码）和C/A码（也称粗码），相应两种测距码GPS提供两种定位服务方式，即精密定位服务(PPS)和标准定位服务(SPS)，前者的服务对象主要是美国军事部门和其它特许部门，后者则服务于广大民间用户。此外，通过使用SA（SelectiveAvailability，选择可用性）技术，C/A码的定位精度从20米降低至100米*；而AS(Anti-spoofing，反电子欺骗)技术用于对P码进行加密，当实施AS时，非特许用户不能得到P码。上述的人为误差给GPS的民用造成了障碍，但是可以通过差分纠正来消除。差分纠正是通过两个或者更多的GPS接收机完成的，其方法是在某一已知位置，安置一台接收机作为基准站接收卫星信号，然后在其它位置用另一台接收机接收信号，由前者可以确定卫星信号中包含的人为干扰信号，而在后者接收到的信号中减去这些干扰，即可以大大降低GPS的定位误差。3．