吾嘗跂而望矣，不如登高之博見也。荀子第十二章3S集成技術(shù)導(dǎo)讀：本章簡介了遙感和全球定位系統(tǒng)技術(shù)的基本概念以及它們與GIS的集成應(yīng)用。作為實時、客觀獲取空間信息的新興技術(shù)手段，遙感和全球定位系統(tǒng)成為地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來源，而通過GIS對其獲得的數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以提取各種有用信息，以進行決策支持。本章主要介紹了一些3S集成的具體應(yīng)用，并簡要描述了其技術(shù)實現(xiàn)方案。1．遙感簡介遙感(RemoteSensing)，通常是指通過某種傳感器裝置，在不與研究對象直接接觸的情況下，獲得其特征信息，并對這些信息進行提取、加工、表達和應(yīng)用的一門科學技術(shù)。作為一個術(shù)語，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，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。遙感技術(shù)的基礎(chǔ)，是通過觀測電磁波，從而判讀和分析地表的目標以及現(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電磁波的特性”（圖12-1），所以遙感也可以說是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，通過觀測電磁波，識別物體以及物體存在環(huán)境條件的技術(shù)。圖12-1：幾種常見地物（水、綠色植被、裸旱地）的電磁波反射曲線在遙感技術(shù)中，接收從目標反射或輻射電磁波的裝置叫做遙感器（RemoteSensor），而搭載這些遙感器的移動體叫做遙感平臺（Platform），包括飛機、人造衛(wèi)星等，甚至地面觀測車也屬于遙感平臺。通常稱用機載平臺的為航空遙感（AerialRemoteSensing），而用星載平臺的稱為航天遙感。按照遙感器的工作原理，可以將遙感分為被動式遙感（PassiveRemoteSensing）和主動式遙感（ActiveRemoteSensing）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（MultispectralScanner）和TM（ThematicMapper）屬于被動式、掃描方式的遙感器（圖12-2），而合成孔徑雷達(SAR-SyntheticApertureRadar)屬于主動式、掃描方式的遙感器。圖12-2：多光譜掃描儀示意圖[Curran]從遙感的定義中可以看出，首先，遙感器不與研究對象直接接觸，也就是說，這里的“遙”并非指“遙遠”；其次，遙感的目的是為了得到研究對象的特征信息；最后，通過傳感器裝置得到的數(shù)據(jù)，在被使用之前，還要經(jīng)過一個處理過程。圖12-3描述了從獲取遙感數(shù)據(jù)到應(yīng)用的過程。圖12-3：遙感數(shù)據(jù)過程遙感數(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、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(圖12-4)。遙感圖像處理可以采取光學處理和數(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，目前被廣泛采用。下面簡單介紹數(shù)字圖像處理的主要功能。圖12-4：武漢市東湖附近TM合成圖像，長江上的輪船清晰可見（合成方案：R=TM7，G=TM4，B=TM2，經(jīng)增強處理）1）圖像糾正圖像糾正是消除圖像畸變的過程，包括輻射糾正和幾何糾正。輻射畸變通常由于太陽位置，大氣的吸收、散射引起；而幾何畸變（圖12-5）的原因則包括遙感平臺的速度、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)進行糾正；而后者通過采集地面控制點（GCPs,GroundControlPoints），建立糾正多項式，進行糾正。圖12-5：遙感圖像幾何畸變的各種情形[LillesandandKiefer]2）增強增強的目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，也可以在頻域中進行直接運算。4）變換包括主成分分析(PrincipalComponentAnalyst)，色度變換以及傅立葉變換等，還包括一些針對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信息，但是最主要的手段則是通過遙感圖像分類(Classification)。計算機分類的基本原理是計算圖像上每個象元的灰度特征，根據(jù)不同的準則，進行分類。遙感圖像分類有兩類方法，即監(jiān)督分類(SupervisedClassification)和非監(jiān)督分類(UnsupervisedClassification)，前者需要事先確定各個類別及其訓練區(qū)(TrainingArea)，并計算訓練區(qū)象元灰度統(tǒng)計特征，然后將其它象元歸并到不同類別；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,ArtificialNeuralNetwork）應(yīng)用于遙感分類，在有些情況下，可以達到較好的分類效果。遙感的出現(xiàn)，擴展了人類對于其生存環(huán)境的認識能力，較之于傳統(tǒng)的野外測量和野外觀測得到的數(shù)據(jù)，遙感技術(shù)具有以下優(yōu)點：增大了觀測范圍；能夠提供大范圍的瞬間靜態(tài)圖像，用于監(jiān)測動態(tài)變化的現(xiàn)象；能夠進行大面積重復(fù)觀測，即使是人類難以到達的偏遠地區(qū)；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，遠遠超出了可見光范圍；而雷達遙感由于使用微波，可以不受制于晝夜、天氣變化，進行全天候的觀測；空間詳細程度高，航空相片的空間分辨率可以高達厘米級甚至毫米級。與航空遙感相比，航天遙感能夠進行連續(xù)的、全天候的工作，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；而航空遙感主要應(yīng)用于臨時性的、緊急的觀測任務(wù)以獲得高精度數(shù)據(jù)。目前，世界上許多國家都已經(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，形成了從粗到細的對地觀測數(shù)據(jù)源系列，可以用于監(jiān)測從土地利用、農(nóng)作物生長、植被覆蓋到洪水、森林火災(zāi)、污染等現(xiàn)象的信息以及其動態(tài)變化?？傊?，利用遙感技術(shù)，可以更加迅速、更加客觀地監(jiān)測環(huán)境信息；同時，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)的一個重要的數(shù)據(jù)源，以實時更新空間數(shù)據(jù)庫。表12-1：幾種常用的遙感衛(wèi)星及其遙感器參數(shù)衛(wèi)星傳感器波段(μm)空間分辨率覆蓋范圍周期主要用途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、植被葉綠素、居住區(qū)植物長勢土壤和植物水分云及地表溫度巖石類型SPOT-HRV0.50-0.590.61-0.680.79-0.890.51-0.7320m20m20m10m60km×60km26天水色、植物狀況葉綠素、居住區(qū)植物長勢制圖NOAA-VHRR0.58-0.680.72-1.103.55-3.9310.3-11.311.5-12.51.1km2400km×2400km0.5天植物、云、冰雪植物、水陸分界熱點、夜間云云及地表溫度大氣及地表溫度IKONOS**IKONOS衛(wèi)星于1999年發(fā)射成功，其提供的高分辨率遙感數(shù)據(jù)具有良好的應(yīng)用前景。相關(guān)信息來自。0.45-0.90.45-0.520.52-0.600.63-0.690.76-0.900.82m4m4m4m4m11km×11km14天2．全球定位系統(tǒng)簡介全球定位系統(tǒng)(GPS,GlobalPositioningSystem)是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量導(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，國際移動衛(wèi)星組織的INMARSAT等等。GPS全稱是NAVSTAR(NAVigationSatelliteTimingAndRanging)/GPS，由美國軍方組織研制建立，從1973年開始實施，到九十年代初完成。2．1GPS系統(tǒng)介紹GPS系統(tǒng)包括三大部分：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信號接收機。2．1．1GPS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相互夾角為60度的軌道平面內(nèi)，即每個軌道上有四顆衛(wèi)星。衛(wèi)星高度離地面約20000公里，繞地球運行一周的時間是12恒星時，即一天繞地球兩周。GPS衛(wèi)星用L波段兩種頻率的無線電波（1575.42MHz和1227.6MHz）向用戶發(fā)射導(dǎo)航定位信號，同時接收地面發(fā)送的導(dǎo)航電文以及調(diào)度命令。2．1．2地面控制系統(tǒng)對于導(dǎo)航定位而言，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點，而衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷——描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù)——計算得到的。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，同時衛(wèi)星設(shè)備的工作監(jiān)測以及衛(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)包括位于美國科羅拉多的主控站以及分布全球的三個注入站和五個監(jiān)測站組成，實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星運行的監(jiān)控。2．1．3GPS信號接收機GPS信號接收機（圖12-6）的任務(wù)是，捕獲GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，并進行處理，根據(jù)信號到達接收機的時間，確定接收機到衛(wèi)星的距離。如果計算出四顆或者更多衛(wèi)星到接收機的距離，再參照衛(wèi)星的位置，就可以確定出接收機在三維空間中的位置。圖12-6：GARMIN手持式GPS接收機2．2GPS定位基本原理GPS定位基本原理是利用測距交會確定點位。如圖12-7所示，一顆衛(wèi)星信號傳播到接收機的時間只能決定該衛(wèi)星到接收機的距離，但并不能確定接收機相對于衛(wèi)星的方向，在三維空間中，GPS接收機的可能位置構(gòu)成一個球面；當測到兩顆衛(wèi)星的距離時，接收機的可能位置被確定于兩個球面相交構(gòu)成的圓上；當?shù)玫降谌w衛(wèi)星的距離后，球面與圓相交得到兩個可能的點；第四顆衛(wèi)星用于確定接收機的準確位置。因此，如果接收機能夠得到四顆GPS衛(wèi)星的信號，就可以進行定位；當接收到信號的衛(wèi)星數(shù)目多于四個時，可以優(yōu)選四顆衛(wèi)星計算位置。圖12-7：測距交會定位示意圖2．3GPS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)星電子鐘不準確以及定位信號穿越電離層和地表對流層時速度的變化等引起的誤差，但是GPS定位中最為嚴重的誤差則是由于美國軍方人為降低信號質(zhì)量造成的，這種誤差可高達100米。美國為了防止未經(jīng)許可的用戶把GPS用于軍事目的，實施了各種技術(shù)。首先GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號包括兩種不同的測距碼，即P碼（也稱精碼）和C/A碼（也稱粗碼），相應(yīng)兩種測距碼GPS提供兩種定位服務(wù)方式，即精密定位服務(wù)(PPS)和標準定位服務(wù)(SPS)，前者的服務(wù)對象主要是美國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，通過使用SA（SelectiveAvailability，選擇可用性）技術(shù)，C/A碼的定位精度從20米降低至100米*美國已于2000年5月取消SA政策，使得單點定位精度可以達到20-30米。；而AS(Anti-spoofing，反電子欺騙)技術(shù)用于對P碼進行加密，當實施AS時，非特許用戶不能得到*美國已于2000年5月取消SA政策，使得單點定位精度可以達到20-30米。上述的人為誤差給GPS的民用造成了障礙，但是可以通過差分糾正來消除。差分糾正是通過兩個或者更多的GPS接收機完成的，其方法是在某一已知位置，安置一臺接收機作為基準站接收衛(wèi)星信號，然后在其它位置用另一臺接收機接收信號，由前者可以確定衛(wèi)星信號中包含的人為干擾信號，而在后者接收到的信號中減去這些干擾，即可以大大降低GPS的定位誤差。3．GIS與遙感的集成及具體技術(shù)簡而言之，地理信息系統(tǒng)是用于分析和顯示空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，而遙感影象是空間數(shù)據(jù)的一種形式，類似于GIS中的柵格數(shù)據(jù)。因而，很容易在數(shù)據(jù)層次上實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)與遙感的集成，但是實際上，遙感圖像的處理和GIS中柵格數(shù)據(jù)的分析具有較大的差異，遙感圖像處理的目的是為了提取各種專題信息，其中的一些處理功能，如圖像增強、濾波、分類以及一些特定的變換處理（如陸地衛(wèi)星影象的KT變換）等，并不適用于GIS中的柵格空間分析，目前大多數(shù)GIS軟件也沒有提供完善的遙感數(shù)據(jù)處理功能，而遙感圖像處理軟件又不能很好地處理GIS數(shù)據(jù)，這需要實現(xiàn)集成的GIS。在軟件實現(xiàn)上，GIS與遙感的集成，可以有以下三個不同的層次[Ehlers]：分離的數(shù)據(jù)庫，通過文件轉(zhuǎn)換工具在不同系統(tǒng)之間傳輸文件；兩個軟件模塊具有一致的用戶界面和同步的顯示；集成的最高目的是實現(xiàn)單一的、提供了圖像處理功能的GIS軟件系統(tǒng)。在一個遙感和地理信息系統(tǒng)的集成系統(tǒng)中，遙感數(shù)據(jù)是GIS的重要信息來源，而GIS則可以作為遙感圖像解譯的強有力的輔助工具，具體而言，有以下的應(yīng)用方面[J.C.Hinton]：GIS作為圖像處理工具將GIS作為遙感圖像的處理工具，可以在以下幾個方面增強標準的圖像處理功能：1．1）幾何糾正和輻射糾正在遙感圖像的實際應(yīng)用中，需要首先將其轉(zhuǎn)換到某個地理坐標系下，即進行幾何糾正。通常幾何糾正的方法是利用采集地面控制點建立多項式擬合公式，它們可以從GIS的矢量數(shù)據(jù)庫中抽取出來，然后確定每個點在圖像上對應(yīng)的坐標，并建立糾正公式。在糾正完成后，可以將矢量點疊加在圖像上，以判斷糾正的效果。為了完成上述功能，需要系統(tǒng)能夠綜合處理柵格和矢量數(shù)據(jù)。一些遙感影象，會因為地形的影響而產(chǎn)生幾何畸變，如側(cè)視雷達（Dideways-lookingradar）圖像的疊掩（Layover）、陰影（Shadow）、前向壓縮（Foreshortening）等等，進行糾正、解譯時需要使用DEM數(shù)據(jù)以消除畸變。此外，由于地形起伏引起光照的變化，也會在遙感圖像上表現(xiàn)出來，如陰坡和陽坡的亮度差別，可以利用DEM進行輻射糾正，提高圖像分類的精度。1．2）圖像分類對于遙感圖像分類，與GIS集成最明顯的好處是訓練區(qū)的選擇，通過矢量/柵格的綜合查詢，可以計算多邊形區(qū)域的圖像統(tǒng)計特征，評判分類效果，進而改善分類方法。此外，在圖像分類中，可以將矢量數(shù)據(jù)柵格化，并作為“遙感影象”參與分類，可以提高分類精度，例如，考慮到植被的垂直分帶特性，在進行山區(qū)的植被分類時，可以結(jié)合DEM，將其作為一個分類變量。3）感興趣區(qū)域的選取在一些遙感圖像處理中，常常需要只對某一區(qū)域進行運算，以提取某些特征，這需要柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)之間的相交運算。遙感數(shù)據(jù)作為GIS的信息來源數(shù)據(jù)是GIS中最為重要的成分，而遙感提供了廉價的、準確的、實時的數(shù)據(jù)，目前如何從遙感數(shù)據(jù)中自動獲取地理信息依然是一個重要的研究課題，包括：2．1）線以及其它地物要素的提取在圖像處理中，有許多邊緣檢測（EdgeDetection）濾波算子，可以用于提取區(qū)域的邊界（如水陸邊界）以及線形地物（如道路、斷層等），其結(jié)果可以用于更新現(xiàn)有的GIS數(shù)據(jù)庫，該過程類似于掃描圖像的矢量化。2．2）DEM數(shù)據(jù)的生成利用航空立體像對(StereoImages)以及雷達影象，可以生成較高精度的DEM數(shù)據(jù)。2．3）土地利用變化以及地圖更新利用遙感數(shù)據(jù)更新空間數(shù)據(jù)庫，最直接的方式就是將糾正后遙感圖像作為背景底圖，并根據(jù)其進行矢量數(shù)據(jù)的編輯修改。而對遙感圖像數(shù)據(jù)進行分類，得到的結(jié)果可以添加到GIS數(shù)據(jù)庫中。因為圖像分類結(jié)果是柵格數(shù)據(jù)，所以通常要進行柵格轉(zhuǎn)矢量運算；如果不進行轉(zhuǎn)換，可以直接利用柵格數(shù)據(jù)進行進一步的分析，則需要系統(tǒng)提供柵格/矢量相交檢索功能。因為遙感圖像可以視為一種特殊的柵格數(shù)據(jù)，所以不難實現(xiàn)遙感和GIS的集成的工具軟件——關(guān)鍵是提供非常方便的柵格/矢量數(shù)據(jù)相互操作和相互轉(zhuǎn)換功能，但是要注意的是，由于各種因素的影響，使得從遙感數(shù)據(jù)中提取的信息不是絕對準確的，在通常的土地利用分類中，90%的分類精度就是相當可觀的結(jié)果，因而需要野外實際的考察驗證——在這個過程中可以使用GPS進行定位。此外，還要考慮尺度問題，即遙感影象空間分辨率和GIS數(shù)據(jù)比例尺的對應(yīng)關(guān)系，例如在實踐中，一個常見的問題是：地面分辨率為30米的TM數(shù)據(jù)，進行幾何糾正時，需要多大比例尺的地形圖以采集地面控制點坐標，而其分類結(jié)果可以用來更新多大比例尺的土地利用數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗，合適的比例尺為1：5萬到1：10萬，太大則遙感數(shù)據(jù)精度不夠，過小則是對遙感數(shù)據(jù)的“浪費”。4．GIS與全球定位系統(tǒng)的集成及具體技術(shù)作為實時提供空間定位數(shù)據(jù)的技術(shù)，GPS可以與地理信息系統(tǒng)進行集成，以實現(xiàn)不同的具體應(yīng)用目標：1）定位主要在諸如旅游、探險等需要室外動態(tài)定位信息的活動中使用。如果不與GIS集成，利用GPS接收機和紙質(zhì)地形圖，也可以實現(xiàn)空間定位；但是通過將GPS接收機連接在安裝GIS軟件和該地區(qū)空間數(shù)據(jù)的便攜式計算機上，可以方便地顯示GPS接收機所在位置并實時顯示其運動軌跡，進而可以利用GIS提供的空間檢索功能，得到定位點周圍的信息，從而實現(xiàn)決策支持。2）測量主要應(yīng)用于土地管理、城市規(guī)劃等領(lǐng)域，利用GPS和GIS的集成，可以測量區(qū)域的面積或者路徑的長度。該過程類似于利用數(shù)字化儀進行數(shù)據(jù)錄入，需要跟蹤多邊形邊界或路徑，采集抽樣后的頂點坐標，并將坐標數(shù)據(jù)通過GIS記錄，然后計算相關(guān)的面積或長度數(shù)據(jù)。在進行GPS測量時，要注意以下一些問題，首先，要確定GPS的定位精度是否滿足測量的精度要求，如對宅基地的測量，精度需要達到厘米級，而要在野外測量一個較大區(qū)域的面積，米級甚至幾十米級的精度就可以滿足要求；其次，對不規(guī)則區(qū)域或者路徑的測量，需要確定采樣原則，采樣點選取的不同，會影響到最后的測量結(jié)果。3）監(jiān)控導(dǎo)航用于車輛、船只的動態(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行軌跡，進而利用GIS空間分析工具，判斷其運行是否正常，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，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。圖12-8：GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖12-8描述了GIS與GPS集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，為了實現(xiàn)與GPS的集成，GIS系統(tǒng)必須能夠接收GPS接收機發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)（一般是通過串口通信），然后對數(shù)據(jù)進行處理，如通過投影變換將經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)換為GIS數(shù)據(jù)所采用的參照系中的坐標，最后進行各種分析運算，其中坐標數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示以及數(shù)據(jù)存儲是其基本功能。5．3S集成綜述3S技術(shù)為科學研究、政府管理、社會生產(chǎn)提供了新一代的觀測手段、描述語言和思維工具。3S的結(jié)合應(yīng)用，取長補短，是一個自然的發(fā)展趨勢