3S及北斗导航系统的原理和应用

全球定位系统是当今世界上应用最广泛最适用的导航定位系统，地理信息系统是处理与地理空间有关的功能强大的计算机信息系统，遥感是不与物体接触，用遥感平台上搭载的的传感器收集目标物的电磁波信息并经处理揭示其性质的科学技术。近年来，地理信息系统(GIS)正在以前所未有的速度应用到各个领域中，而全球定位系统(GPS)也已经开始应用于交通运输和工程等方面，遥感技术也与之密切结合应用，使之有利于人类社会的发展。本课主要以GPS、RS、GIS集成与应用为中心，介了GPS、RS、GIS的特点以及GPS、RS与GIS的应用和发展前景。RS遥感系统GIS地理信息系统GPS全球定位系统一、3S技术概述3S是地理信息系统、遥感和全球定位系统3个名称的英文缩写，是GIS、RS、GPS这3项相互独命、而在应用上又密切关联的高新技术的简略统称。3S技术的集成是当前测绘技术、摄影测量和遥感技术、地图制图技术、图形图像技术、地理信息技术、计算机技术、专家系统和定位技术及数据通讯技术的结合与综合应用。（一）地理信息系统(GIS)是在计算机软件和硬件支持下，以一定格式输入、存储、检索、显示和综合分析应用的技术系统，具有数据输入存储、编辑、操作运算、数据查询检索、应用分析、数据显示及结果输出、数据更新等基本功能，具有标准化、数字化和多维结构等基本特点，是综合处理与分析多源时空数据的理想平台，是空间信息的“大管家”和公共的地理定位基础。（二）遥感（RS）利用飞机、卫星等空间平台上的传感器(包括可见光、红外、微波、激光等传感器)，从远距离进行观测，根据目标反射或辐射的电磁波，经过校门、变换、图像增强和识别分类等处理，快速地获取大范围地物特征和周边环境信息，获得实时、形象化、不同分辨率的遥感图像具有探测范围大、资料新颖、成图速度快、收集资料方便等特点，遥图像具有真实性、直观性、实时性等优点（三）全球定位系统(GPS)是一种同时接收来自多个卫星的电波信号，以卫星为基准求出接收点位置的技术，由空间卫星(均匀分布在6个轨道平面的24颗卫星)、地面监控站和用户接收机下部分组成具有定位精度高、观测时间短、无需通视、操作简便、全天候作收等特点，不仅可以用于测量、导航，还可用于测速、测时等，提供野外基础测绘的数据。二、RS/GPS/GIS的发展背景（一）遥感的发展背景在20世纪60年代初发展起来的一门新兴技术。开始为航空遥感，自1972年美国发射了第一颗陆地卫星后，这就标志着航天遥感时代的开始。经过几十年的迅速发展，目前遥感技术已广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等领域，成为一门实用的，先进的空间探测技术。（二）GPS的发展背景是全球定位系统的简称。它是建立在无线电定位系统基础上的空间导航系统,以距离为基本测量单位,通过同时对多颗卫星进行伪距离测量来计算接收机的位置,由于测距在极短时间内完成,故可实现动态测量。GPS定位是由GPS定位卫星来完成,全球GPS卫星有24颗,分布在六个轨道面上.1957年前苏联发射了第一颗人造地球卫星,美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室在对卫星进行跟踪时得到启示,提出用卫星发射信号进行定位和导航的想法,很快便引起了美国军方的重视。1964年美国海军武器试验研制成功了NNSS系统,20世纪着手研究导航卫星测试,测距全球定位系统,简60年代末70年代初,考虑到NNSS存在的问题,美国又称NAVS/GPS系统,即通常所说的“全球定位系统”(GPS)（三）GIS的发展背景人口、土地、工业、农业、矿业等的普查和统计，海洋、陆地和大气等的监测，陆地测量、航空摄影测量特别是最近二十多年的航空遥感等资料，给社会提供了丰富的信息资源。这些信息不断的积累，造成地理信息的膨胀，促成了处理海量地理信息的GIS的产生与发展。1946年世界上诞生的第一台计算机，主要目的是科学计算。随后发展到处理文字、图形、图像、语言等。近些年来，计算机科学发展迅速，储存设备的容量、微机运算器的主频速度、各种用途的平台和应用软件不断提高和更新，GIS随计算机的发展而发展。地理信息系统是地理信息膨胀、社会普遍需求和计算机科学发展的必然产物（四）我国北斗导航系统发展背景我国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为了更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。三、“3S”技术在我国应用的成功案例我国是开展“3S”技术较早的国家之一“3S”技术的应用已走在世界前列。20世纪80年代初,全国土地调查第一次用遥感卫片提供我国的国土面积和耕地数量;80年代末,黄土高原三北地区遥感调查为该地区经济发展和和生态建设提供了依据;西藏应用遥感技术在全国第一个完成土地详查的工作,为西藏的开发决策创造了条件;90年代各地区广泛应用“3S”技术进行土地资源调查、森林覆盖面积的测算、农作物估产等方面的研究。1993年利用黄淮平原旱灾遥感监测评估系统对黄淮平原以得出以县为单位的不同受旱等级对应的面积和比例。1994年西南林学院作利用“3S”技术对滇西北地区的森林资源作出详细的调查,得出了迪庆州的森林覆盖面积和森林种类。1994年吴炳方应用“3S”技术进行了植被制图,分析了地理信息系统模型在改善植被分类中精度问题,1997年倪绍祥等在自然景观类型卫星图像解译和制图的基础上,将华中地区划分为5个自然区,19个自然亚区和30个自然小区,第一次将“3S”技术用于自然区划方面。1997年李建龙等利用观测资料和环境遥感资料,结合“3S”技术对新疆北部天然草地进行估产,建立了地学、光学和非线性遥感产模型,使得大面积草地牧草遥感估产的精度达到75%以上,实现了遥感大面积估产目标和草地生态意义及“3S”技术与草地专家技术的集成。1998年高志强等利用“3S”技术对中国土地用土地覆盖的现状进行研究,得出中国植被值的大小分布同中国植被类型分布密切相关。四、我国发展3S技术的现状我国GPS技术应用已开始进入民用和商业化；RS技术应用位于世界先进水平；GIS技术正应用在大中城市的UIS建设中。RS在生态学上的直接应用包括收集数据信息源、生态调查和动态监侧,间接应用包括预测预报和灾害危险等级确定等,如土地利用和土地覆盖变化,湖泊与海洋生态环境污染,生物多样性保护,城市生态变化,全球变化,生态环境灾害预测,森林经营管理与生态恢复等。GIS在生态学上的应用有以下优势:能够分析生态实体与其他生物体或环境的相关空间定位对它自身功能的影响,可以分析多种空间尺度下的数据.GIS具体可解决以下生态学问题:生物群落生存地调查;不同生物群落间的相关性;不同环境因素影响下生物群落的分布;植物群落分布随时间推移而变化的规律;生物群落未来分布的演化规律等。GPS在生态学上主要应用于生态调查、定位,一般与RS、GIS结合起来使用。主要应用在水域生态研究、生物多样性保护研究、城市生态变化研究及环境污染的生态效应研究、全球变化研究、生态环境灾害监测与生态旅游规划、精确农业、区域可持续发展研究、森林经营管理和生态恢复。五、“3S”技术发展展望经过几十年的发展“,3S”技术已经逐渐成熟。就“3S”技术而言,未来发展趋势:(一)为未来“数字地球”作全面服务。建立全球化的对地观测系统,由航天、航空对地观测网站等子系统构成,能够提供实时地球数字信息,“3S”系统承担定位、定量、数据的处理,如实时观测数据、卫星数据的收集处理和分析成图。它将为地学、测绘学空间科学、环境科学等众多的学科建立密切的联系。(二)对遥感技术而言,能够对遥感数据作进一步的处理,提供更加精确的地面信息,为大比例尺地形图的更新服务。等待发展第五代扫描仪,以解决能在空间云层较厚,地形结构较复杂等多种因素的干扰下,得到分辨率更高的卫星照片。(三)对GIS技术而言,首先要解决由海量数据的存储,处理向超海量数据处理的方向发展。以LANDSAT25卫星而言,由于每一波段的卫片的数据量都有几十兆,七个波段的卫片的数据量达几百兆。随着机载扫描仪的对地扫描分辨率的不断提高,其数据量将大大增加,这样增加数据存储设备的容量,提高数据处理的速度,将为实时地球信息的获取起到至关重要的作用。对这一问题的解决办法可以依靠并行处理及计算机网络的发展,另外还可以通过发展遥感图像压缩格式,减少存储量。其次通过解决计算机自动识别分析技术,快速更新地理信息系统数据库,以便能提供实时空间信息。六、3S系统对智慧林业发展的深远意义。3S一体化技术在多资源综合调查及态监测中的应用地理信系统(GIS)、遥感技术(RS)和全球定位系统(GPS)随着计算机技术、无线电技术以及地球环境科学的发展从各对独立发展阶段进入相互融合、相互渗透和共同发展阶段。3S一体化技术为森林资源清查、森林消防，野生动植物资源等多资源调查提供有力的技术手段,通过不同年度卫片光谱特征性质的分析来进行动态监测。同时,地理信息系统可以将森林的自然及社会经济属性转述数字形式，从而为森林资源全方位多层次的综合管理提供有力的技术支持在遥感、地理信息系统和全球定位系统现有技术的基础上，进一步完善森林资源清查、灾害调查、监测与预测预报、森林信息动态更新的“3S”一体化技术与分析处理系统；开发网络GIS与微型GIS系统，逐步形成以网络为传输工具、网络GIS为传输平台、微型GIS为林业数据管理、遥感为数据更新信息源的林业信息共享服务信息产业，为林业生产和生态监测、灾害预报等提供遥感制图、信息更新、辅助决策等信息技术服务，提高林业生产整体水平。七、3S系统在智慧林业发展中面临的问题。3s技术因其发展时间较短涉及的技术含量高投入成本大的原因其应用价值远未发掘，目前，“3S”技术在林业上的应用还属于起步阶段，国内从事“3S”技术研究和应用的专业、技术人员还不多，因此，必须进一步加大人才培养的力度，尽快培养出“3S”专业技术队伍，更好的将“3S”技术应用于林业生产中，提高工作效率。拓宽“3S”技术的应用范围