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“3S”集成综述

摘要：

随着空间测量技术的发展，“3S”集成的理论不断成熟并且逐渐应用到了各领域当中。

本文概要地介绍了“3S”集成的概念、基本理论、集成模式，并且提出了将“3S”的概念进行扩展，并在“3S”集成中应该注意对于精度的讨论。

关键词：

3S，GIS，RS，GPS，GNSS，集成模式，精度

1、“3S”集成的概念

1.1、“3S”集成的定义

“3S”是指遥感（RemoteSensing，RS）、全球定位系统（GlobalPositionSystem，GPS）与地理信息系统（GeographicalInformationSystem，GIS）的简称。

“3S”集成是指将RS、GPS、GIS三者进行一体化组合，形成对地观测、空间定位与空间分析的完整体系结构。

其中，GPS能够实时、快捷、高精度地获取目标精确的位置信息；RS能够全天候、大范围、快捷便利地提供多尺度、多频率的目标信息；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，是集成系统的基础平台。

【1】“3S”集成技术能够使三者间优势互补，广泛地应用于灾害预警及救援、基础设施建设、移动导航、精准农业等一系列关乎国计民生的领域。

随着欧盟的伽利略卫星导航系统和中国的北斗导航系统的建设，结合原来俄罗斯的GLONASS卫星导航系统，美国GPS导航系统一家独大的局面面临挑战，因此在相关学术会议上提出了全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）的概念，这一概念包含了已用的GPS与GLONASS导航系统，也将包含北斗以及伽利略导航系统。

因此，似乎可以提出将已有的“3S”集成概念扩展为GIS、RS与GNSS三者的集成。

当然，鉴于目前GPS的主流市场地位，“3S”仍然可以使用原来的概念。

1.2、“3S”集成的目标

“3S”集成的目的是对现实世界或者现实世界的自然现象通过计算机进行数字刻画、模拟和分析，本质是对地理空间对象的地学特征进行空间描述与表达，包括从现实世界到比特世界及从比特世界到计算机世界的两个转换过程，这两个转换过程是通过对空间对象的定位、地学信息的获取以及空间分析等功能的综合集成来实现的。

【2】

2、“3S”集成的必要性与可行性

2.1、“3S”集成的必要性

之所以要进行“3S”集成，原因在于两点：

一是GPS、GIS与RS三者之间有着互补性，三者集成能够更好地发挥各自的作用，形成优势互补；二是GPS、GIS与RS三者之间用着相同的应用领域，即应用领域上的交叉重合。

2.1.1、GIS与RS的互补

遥感影像是GIS数据的重要来源，随着GIS的发展，利用GIS的工具又可以提高RS空间数据的分析能力及信息识别精度。

图1，RS与GIS之间的互补

（1）RS与GIS在信息更新方面的互补性

空间数据是GIS最基本与最重要的组成部分，是GIS的核心与运行的基础，是GIS生存与发展的保障，被誉为GIS的“血液”。

然而，空间数据又是多变的，随着时间的变化，数据的更新成为GIS的重要课题，GIS所需的数据只有及时更新，才能获得于用户有用的GIS信息。

遥感数据以其获取的地物范围大、时间间隔短，成为了GIS应用中不可或缺的重要数据来源。

（2）RS与GIS在信息识别方面的互补

RS的本质是运用地物的光谱反射原理通过卫星传感器和地面接收系统获取地面坐标、反射值、波段和时间之间的关系，从而得到所需地物的真实反映。

但是，由于存在异物同谱和同物异谱的现象，单纯依靠遥感数据获取地物信息存在许多不确定因素。

随着GIS系统的广泛运用，GIS可以提供遥感图像处理所需要的一些辅助数据。

2.1.2、GPS与RS的互补

RS存在着空间定位的问题，这一问题极大地妨碍了RS与GIS的集成。

随着以GPS为标志的空间定位系统的发展，GPS实施、精确的定位功能克服了RS定位问题，GPS的快速定位为RS数据进入GIS系统提供了可能，保证了RS数据及地面同步监测数据获取的动态匹配。

GPS与RS的结合就是要实现无地面控制点（GCP）的情况下空对地直接定位。

此外，利用RS数据可以实现GPS定位遥感信息查询。

图2，RS与GPS的互补

2.1.3、GIS与GPS的互补

GPS数据是GIS的数据来源之一，利用GPS可以直接获取地理信息，为GIS及时采集、更新或修正空间定位数据，为GIS从静态管理扩展到动态实时监测提供了有力的技术支持。

通过GIS系统，可使GPS的定位信息在电子地图上得到实时、准确而又形象的反映，同时可以进行漫游查询、最短路径分析等功能，目前，GPS与GIS所结合的电子导航系统已经广泛地应用于交通、公安侦破、车船自动驾驶等方面，成为GPS与GIS最成熟的市场应用领域。

图3，GPS与GIS的互补

2.2、应用目标的一致性

无论是RS的动态监测、GIS的高动态分析决策，还是GPS实时定位，其研究对像都是与地学相关的地理空间数据，通过实时获取、分析地理空间数据，研究它们的变化并进行动态决策，来实现对区域或者全球范围内资源、环境的动态监测。

2.3、“3S”集成的可行性

（1）、数据结构的兼容

（2）、数据库技术的支撑

（3）、强大的系统支持

3、“3S”的空间参数

“3S”集成的本质是对地理空间对象的地学特征进行表达。

地学特征的表达是通过计算机转换为地学信息来实现的，地学信息具有多尺度特征。

地学特征的表达是通过计算机转换为地学信息来实现的，地学信息具有多维动态特性，是由地学对象属性、时间和空间三种元素构成的信息元组成。

由此可见，空间参数是地学信息的最基本部分。

3.1、RS的空间参数

一般来说，一幅卫星遥感影像记录了逐个像元的位置（r，c）以及像元值D，可以通过下式来描述：

3.2、GIS的空间参数

GIS的表达和描述空间信息IG可以用下式表示：

式中，（X,Y,Z）表示地物目标的空间位置，A表示地物目标的属性，p表示空间投影。

3.3、GPS的空间参数

通过求解接收机的位置（Xp,Yp,Zp），从而得到接受机所在点的地理位置与高程。

3.4、“3S”的空间参数转换

由以上描述，笔者根据自己的理解画了下图（图4）。

图4，“3S”空间关系示意图

从上图可以看出，遥感影像的像元的位置（r，c）对应GIS与GPS中的X，Y值，在RS与GIS的集成中，需要进行配准，而现在的配准一般都是手工进行的，在对动态性要求较高的情况下，显然无法满足要求，因此提出了RS与GPS的集成，试图解决RS影像的空间定位问题。

而GPS与GIS空间参数的转换是很明显的，GPS中对应Xp，Yp，Zp，与GIS中的X，Y，Z是一一对应关系，区别在于投影坐标系p，GPS采用的是WGS84，在两者相同时，GIS数据与GPS数据可以直接相互转换，缺点在与GPS的记录数据中必须设定地物属性值A，而RS中的像元值D既可能表示为GIS与GPS中的Z值，也可能表现为地物属性值A。

4、“3S”技术的集成模式

三者的结合具体表现为四种形式：

RS和GIS集成；RS和GPS集成；GPS和GIS集成；RS，GPS和GIS集成[7]。

4.1、RS与GIS的集成模式

对GIS而言，遥感主要为GIS提供大面积的实时数据。

在遥感技术的支持下，能实现GIS数据库的自动/半自动更新；对遥感而言，GIS主要是为遥感提供了功能强大的数据处理手段。

如果在影像理解过程中加入GIS数据库中提取的专家知识和经验，必将大大提高影响解译的精度和可靠性。

目前RS与GIS集成的实现方式主要有“分开但是平行的结合”、“表面无缝的结合”和“整体的集成”三种形式。

图5，GIS与RS分开但是并行的结合【2】

图6，GIS与RS表面无缝的结合【2】

图7，GIS与RS整体的集成【2】

4.2、RS与GPS的集成模式

利用GPS（GNSS）定位技术，姿态测量系统和激光测距技术来直接对同步获取的遥感数据进行三维定位，实时（准实时）地得到地面点的三维位置和遥感信息。

同时也可以利用GPS数据对RS图像进行校正纠正【8】。

4.3、GIS与GPS的集成模式

GPS（GNSS）与GIS在功能上存在明显的互补性。

两者的集成基础是统一的坐标系，集成应用主要在于利用GPS对GIS数据进行更新以及GPS与GIS结合的车载导航。

4.4、“3S”整体结合

“3S”整体集成包括以GIS为中心的集成方式和以GPS／RS为中心的集成方式。

前者的目的主要是非同步数据处理，通过利用GIS作为集成系统的中心平台，对包括RS和GPS在内的多种来源的空间数据进行综合处理、动态存储和集成管理。

同样存在数据、平台（数据处理平台）和功能3个集成层次，可以认为是RS与GIS集成的一种扩充。

后者以同步数据处理为目的。

通过RS和GPS提供的实时动态空间信息结合GIS的数据库和分析功能为动态管理、实时决策提供在线空间信息支持服务。

形成“一个大脑，两只眼睛”的模式。

图8，“3S”整体集成示意图

5、“3S”集成的精度初探

5.1、GIS的精度

数据是GIS最基本和最重要的组成部分，数据质量的优劣将直接影响GIS应用的分析结果的可靠程度和应用目标的实现。

GIS数据可以分为空间数据与属性数据。

GIS数据质量要求包括：

位置精度、属性精度、时间精度、逻辑一致性、数据完整性等。

【3】对于“3S”集成来说，GIS对于数据位置精度的要求，将直接影响对于GPS与RS数据采集精度的要求。

比例尺的精度就是衡量GIS位置精度的重要的标准。

地图比例尺的精度定义为比例尺为1：

M时，比列尺精度为P=0.1mm*M；下表列出了部分比列的精度。

表一，比例尺精度

比例尺

1:

500

1:

1000

1:

5000

1:

10000

比例尺精度（m）

0.05

0.1

0.5

1

5.2、GPS的精度

GPS定位精度目前已经达到很高的水平，常用的手持GPS定位精度已经达到5m以内【4】，而目前工程测量中应用的GPS已经能够达到cm级精度【9】，而用于精密相对定位时，其双频接受机精度可达5mm+1ppm*D，单频接受机在一定距离内精度可达10mm+2ppm*D。

5.3、RS的精度

遥感影像的分辨率一般分为光谱分辨率和空间分辨率。

目前，常用的遥感影像中，Landsat-7的ETM+图像能够达到30m的分辨率，SOPT-5在全色波段达到了2.5m的分辨率，在多光谱和远红外分别能够达到10m和20m的分辨率【5】。

而美国的快鸟遥感卫星的分辨率在全色波段可达到0.61m—0.72m，多光谱分辨率则可达到2.44m—2.88m。

5.4、在“3S”集成中精度的要求

由上述可知，目前，遥感与GPS的精度要求已经能够满足一般GIS对于数据精度的要求。

因此，在“3S”集成的过程中，对精度的考虑是很重要的。

其出发点应该在于GIS对于数据处理的精度的要求。

对于GPS提供的数据来说，GIS对空间的精度要求可以直接地表达，而在遥感的分辨率与比例尺精度中间则存在着转换关系【6】。

同时，在集成的过程中，要考虑到精度的损失。

比如，GPS与GIS在实际应用中也可能存在投影转换等，精度会有一定的损失。

因此，在“3S”集成的过程中应该考虑到这些精度的问题，以达到用户的要求。

参考文献：

[1]杨树文，杨亮洁，程耀东.“3S”集成技术在地图数据库建设中的应用[J].地理空间信息，2007，5（6）：

48—50

[2]冯学智，王结臣等.“3S”技术与集成[M].北京：

商务印刷馆，2007

[3]徐卫，张艳玲.关于地理信息系统（GIS）的数据精度与质量探讨[J].吉林地质，2004,23（3）：

98—101

[4]王晓明，高平.提高手持GPS定位精度的方法研究[J].宁夏工程技术，2009.8（4）：

338—340

[5]刘献伦，乔洪波，王广民，孔令雷，丰伟.法国Spot5卫星遥感影像自动分类研究[J].山东林业科技，2008（4）：

18—19

[6]王会然.正射影像DOM中关于影像分辨率与成图比例尺的一种计算方法[J].城市勘探，2010

（1）：

84—85

[7]朱小韦，禄丰年，鲁欣宇.“3S”技术集成与应用研究[J].太原科技，2009（6）:

83—85

[8]白恩亮，王心源.“3S”集成野外地物几何空间信息实时获取[J].安徽农业科学，2009，37（24）：

11599—11600

[9]任锴，杨力，冯勇.GPS／GLONASS组合单点定位精度分析[J].海洋测绘，2010，30

（1）：

11—13，17