3S原理与应用

3S
原
理
与
应
用
院系：资源与环境工程学院
专业：勘查1141
姓名：马广朋
学号：201110409113
对3S的认识
现代空间信息技术中，GPS、RS、GIS既各有不同的应用，同时又密不可分，相互融合，因此，通常把GPS、RS、GIS合称为3S.
一、空间定位系统（GPS）
1、构成
⑴空间部分
GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55。

此外,还有3 颗有源备份卫星在轨运行。

卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预
存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

⑵地面控制系统
地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。

地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。

⑶用户设备部分
用户设备部分即GPS 信号接收机。

其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择
的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。

当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接
收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。

根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

2、原理
GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综
合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

要达到这一目的，卫星的位置可以根据星
载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。

而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到
用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二
进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。

GPS系统使用的伪码一共有两种，
分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。

C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1
微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于
30m。

而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。

导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。

它是从卫星信号中解调制出来，以
50b/s调制在载频上发射的。

导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。

前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。

后两帧共15000b。

导航电文中的内容主要有
遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。

当用户接受到导航电
文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导
航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

3、特点
⑴定位精度高
应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。

在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置
误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差
中误差为0.3mm。

⑵观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需
15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动
站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

4、应用
⑴GPS应用于运行站网和综合服务系统
在全球地基GPS连续运行站(约200个)的基础上所组成的IGS(International GPS Service)，是GPS连续运行站网和综合服务系统的范例。

它无偿向全球用户提供GPS各种
信息，如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接收的GPS信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。

这些信息在大地测量和地球动力学方面支
持了无数的科学项目，包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨的推算地球
自转速率及其变化、地壳运动等。

⑵GPS应用于电离层监测
GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。

太空中充满了等离子体、宇宙线粒子、各种波段的电磁辐射，由于太阳常在1秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电
离层由此而受到强烈干扰，这是空间气象学研究的一个对象。

通过测定电离层对GPS讯号
的延迟来确定在单位体积内总自由电子含量(TEC)，以建立全球的电离层数字模型。

⑶GPS应用于对流层监测
GPS轨道精度大大提高，对流层折射已成为限制GPS定位精度提高的一个重要障碍。

假设一个高程基本为零的地区，接收机所接收的GPS讯号从天顶方向传来的话，其延迟可
以达到2．2—2．6m这一量级，而2小时内这一延迟变化可达10cm不是少见的，也由于这个实际情况，对流层折射要顾及其随机过程的变化来加以模型化。

在GPS应用于对流层研
究中，IGS的快速轨道和预报轨道信息对于天气预报会起重大作用。

⑷GPS作为卫星测高仪的应用
利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了GPS大气学，利用GPS定位中的多路径效应发
展GPS测高技术，即利用空载GPS作为测高仪进行测高。

它是通过利用海面或冰面所反射
的GPS信号，求定海面或冰面地形，测定波浪形态，洋流速度和方向.
二、遥感（RS）
1、原理
任何物体都具有光谱特性，具体地说，它们都具有不同的吸收、反射、辐射光谱的性能。

在同一光谱区各种物体反映的情况不同，同一物体对不同光谱的反映也有明显差别。

即使是同一物体，在不同的时间和地点，由于太阳光照射角度不同，它们反射和吸收的光
谱也各不相同。

遥感技术就是根据这些原理，对物体作出判断。

遥感技术通常是使用绿光、红光和红外光三种光谱进行探测。

绿光段一般用来探测地下水、岩石和土壤的特性；红光段探测植物生长、变化及水污染等；红外段探测土地、矿
产及资源。

此外，还有微波段，用来探测气象云层及海底鱼群的游弋。

2、用途
目前，遥感技术已广泛应用于农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等
领域。

在未来的十年中，预计遥感技术将步入一个能快速，及时提供多种对地观测数据的
新阶段。

遥感图像的空间分辨率，光谱分辨率和时间分辨率都会有极大的提高。

其应用领
域随着空间技术发展，尤其是地理信息系统和全球定位系统技术的发展及相互渗透，将会
越来越广泛。

3、特点
遥感作为一门对地观测综合性技术，它的出现和发展既是人们认识和探索自然界的客观需要，更有其它技术手段与之无法比拟的特点。

遥感技术的特点归结起来主要有以下三个方面:
⑴测范围广、采集数据快
遥感探测能在较短的时间内,从空中乃至宇宙空间对大范围地区进行对地观测，并从中获取有价值的遥感数据。

这些数据拓展了人们的视觉空间，为宏观地掌握地面事物的现状情况创造了极为有利的条件，同时也为宏观地研究自然现象和规律提供了宝贵的第一手资料。

这种先进的技术手段与传统的手工作业相比是不可替代的。

⑵动态反映地面事物的变化
遥感探测能周期性、重复地对同一地区进行对地观测，这有助于人们通过所获取的遥感数据，发现并动态地跟踪地球上许多事物的变化。

同时，研究自然界的变化规律。

尤其是在监视天气状况、自然灾害、环境污染甚至军事目标等方面，遥感的运用就显得格外重要。

⑶取的数据具有综合性
遥感探测所获取的是同一时段、覆盖大范围地区的遥感数据，这些数据综合地展现了地球上许多自然与人文现象，宏观地反映了地球上各种事物的形态与分布，真实地体现了地质、地貌、土壤、植被、水文、人工构筑物等地物的特征，全面地揭示了地理事物之间的关联性。

并且这些数据在时间上具有相同的现势性。

三、地理信息系统（GIS）
1、原理
GIS地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，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，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。

简单的说，地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。

2、应用
⑴资源管理
主要应用于农业和林业领域，解决农业和林业领域各种资源分布、分级、统计、制图
等问题。

“定位”和“模式等。

⑵资源配置
在城市中各种公用设施、救灾减灾中物资的分配、全国范围内能源保障、粮食供应等
到机构的在各地的配置等都是资源配置问题。

⑶城市规划和管理
空间规划是GIS的一个重要应用领域，城市规划和管理是其中的主要内容。

⑷土地信息系统和地籍管理
土地和地籍管理涉及土地使用性质变化、地块轮廓变化、地籍权属关系变化等许多内容，借助GIS技术可以高效、高质量地完成这些工作。

⑸生态、环境管理与模拟
区域生态规划、环境现状评价、环境影响评价、污染物削减分配的决策支持、环境与
区域可持续发展的决策支持、环保设施的管理、环境规划等。

⑹应急响应
解决在发生洪水、战争、核事故等灾害时，如何安排最佳的人员撤离路线、并配备相
应的运输和保障设施的问题。

⑺地学研究与应用
地形分析、流域分析、土地利用研究、经济地理研究、空间决策支持、空间统计分析、制图等都可以借助地理信息系统
⑻商业与市场
商业设施的建立充分考虑其市场潜力。

例如大型商场的建立如果不考虑其他商场的分布、待建区周围居民区的分布和人数，就无法达到预期的市场和服务面。

⑼基础设施管理
城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力
设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。

⑽选址分析
根据区域地理环境的特点，综合考虑资源配置、市场潜力、交通条件、地形特征、环
境影响等因素，在区域范围内选择最佳位置，是GIS的一个典型应用领域，充分体现了
GIS的空间分析功能。

⑾网络分析
建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、处理
地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。

⑿可视化应用
以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的三维
可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。

⒀分布式地理信息应用
运行于Intranet或Internet环境下的地理信息系统，是实现地理信息的分布式存储
和信息共享，以及远程空间导航等。

3S的发展趋势
3S 技术形象的代表了测绘学科与其他相关学科的融合与交叉，其本身也在走向集成。

在3S 技术集成中，GPS 主要是实时、快速的提供目标的空间位置，RS 用于实时、快速的
提供大面积地表物体及其环境的几何与地理信息及各种变化，GIS 则是多源时空数据的综
合处理和应用分析的平台。

应用中可根据实际需要实现两种技术的集成，也可以是三种技
术的集成。

当前，3S 技术在国民经济建设、国家安全保障、资源环境管理以及灾害监测上发挥着重要作用，同时也为科学研究、社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言和思
维工具。

3S 技术的结合应用，取长补短，是三种技术自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，使之成为决策的科学依据。

在2008 年的冰冻灾害、抗震救灾以及奥运安保中，3S 技术可以提供实时便捷的信息，这非常有利于国家做出科学决策，减少经济损失，提高工作效率。

所以说，3S 技术应该在不久的将来得到越来越多用户的欢迎。

RS 与GIS 的集成与应用
RS 为GIS 提供数据源，反过来，GIS 则是遥感中数据处理的辅助信息。

两者集成可
用于全球变化监测、国土资源调查和监测，基本农田建设，林地、沙漠、草原的生态监测，农业收成面积监测和产量预估、空间数据自动更新等方面。

GPS 与GIS 的集成与应用
利用GIS 中的电子地图和GPS 接收机的实时差分定位技术，可以组成GPS+GIS 的各
种自动电子导航系统，用于交通指挥调度、公安侦破、车船导航、农田作业管理、渔船捕
鱼等多方面。

GPS 与RS 的集成与应用
在遥感平台上安装GPS 可以记录传感器在获取信息瞬间的空间位置数据，直接用于空
三平差加密，可以大大减少野外控制测量的工作量。

可在自动定时数据采集、环境监测、
灾害预测等方面发挥着重要作用。

3S 技术以其获取信息的实时性，准确性，便捷性，综合性等特点正越来越快的发展，但目前在国内的应用并不是很多，很多民众并没有体会到它的好处。

随着时代的发展，科
技的进步，世界已经进入到“数字地球”时代。

而以遥感技术、地理信息系统和全球定位
系统为核心技术的3S 技术作为数字地球的核心技术已从各自独立发展进入相互融合、共
同发展的阶段。

在当今信息时代，网络技术、三维可视化技术、虚拟现实技术、神经网络
技术、海量数据处理技术、数据库等技术的突飞猛进的情况下，和3S 技术紧密结合将在
国民经济建设中发挥更加强大的威力。

3S 技术有力地促进各学科突破传统的手段向纵深方向发展，研究的趋势是定量化，数字化，可视化，成为未来数字中国建设不可缺少的技术
基础。

3S 等技术应用于国家建设也是时代需求的必然结果，代表了信息化的未来趋势。

同时3S 技术还需要很长的路要走，需要我国相应的技术人才不断努力进步！。