3S技术集成教案——第五章 3S集成的基本原理

2.
空间数据库是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。 空间数据库的诞生和发展是为了使用户能够方便灵 活地查询出所需的地理空间数据，同时能够进行有 关地理空间数据的插入、删除、更新、分析、查询 等操作。目前，空间数据库正在努力克服传统数据 库的局限性，与面向对象模型相结合，向更加适合 管理复杂多变的地理信息的数据库方向发展
1．RS与GIS在信息识别方面的互补性
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，由于存在异物同谱与同物异谱现象，单纯依靠遥 感数据获取地物信息存在许多不确定因素，因而需要 某些与背景有关的辅助信息参与信息确定的过程。 另一方面，能够对不同类型的信息进行分析、处理和加 工的GIS系统已经应用到空间信息的各个方面，如城市、 农业、制图、土地、环境等领域的信息都可以利用GIS 系统来管理，因而这些具有明确意义的信息都可以作 为确定地物类型的依据。 即，GIS可以提供遥感图像处理所需要的一些辅助数据， 也可以将实地调查所获得的非遥感数据与遥感数据结 合，从而提高遥感图像处理和解译的精度。
5.3.2GPS与RS的互补
GPS实时,精确的定位功能克服了RS定位问题,解决
了RS快速进入GIS系统的可能,保证了RS数据与地面 同步监测数据获取的动态匹配. 利用RS数据可以实现GPS定位遥感信息查询. GPS与RS的互补就是要实现地面无控制点的情况下 的空对地懂得直接定位.
5.3.2GPS与GIS的互补
GPS采集GIS数据有独特优势：
(1)GPS提供高精度的空间信息，采用先进的GPS 接收机技术并利用差分GPs能在一两分钟内提供分 米级精度的定位； (2)GPS与计算机(电子手簿)结合能在定位的同时 采集详细的属性数据，实现空间数据与属性数据 同时获取，提高GIS数据的完整性和准确性，这一 点是GPS与GIS集成的重要切入点； (3)GPS用于GIS的数据采集，提高了GIS数据的数 字化度，速度更快，成本更低； (4)GPS采集GIS数据也能够缩短局部GIS系统的更 新周期，更新更加灵活方便、快速。
5.3技术方法的互补性
随着遥感空间分辨率、光谱分辨率以及时间分辨率
的提高，遥感数据量将成倍增长，需要高速、高精 度的数据处理系统予以支持，以充分发挥遥感快速、 综合优势。GIS作为空间数据处理分析的工具，可 用于提高RS空间数据的分析能力及信息识别精度， 使遥感应用的深度和广度达到一个新的水平，而 GIS又需要应用RS提供资料更新其数据库中的数据， 于是，RS成为GIS重要的信息源。
GIS空间数据库的发展趋势主要有
(1)应用面向对象模型，建立具有更丰富语义表达能 力并具有模拟和操纵复杂地理对象能力的空间数据库； (2)引入多媒体技术拓宽空间数据库的应用领域，现 在广义的地理信息不仅包括图形、图像和属性信息， 而且还包括音频、视频、动画等多媒体信息； (3)结合虚拟现实技术建立可视化空间数据库，这里 地理空间数据被转换成一种虚拟环境，人们可以进入 该数据环境中，寻找不同数据集之间的关系，感受数 据所描述的环境； (4)应用分布式处理和Client／Server模式，使空间数据 库具有Internet／Intranet连接能力，实现分布式事务处 理、透明提取、跨平台应用、异构网互联、多协议自 动转换等功能。
RS,GIS,GPS获取数据的手段不同带来了参数的描述与表
达方式的不尽相同,但他们的目标实质上是相同的. RS通过传感器瞬间成像．将特定区域内现实空间的 地物信息载入图像空间．进而进入汁算机宅间．进行 信息处理并应用于相关领域； GIS通过各种数据采集方法．将图形数据数字化．属 性数据经过键盘输入存入汁算机系统。用于时空分 析．从而为决策提供依据。 GPS接收机瞬时接收无线电信号．获得接收机的地理 位置与高程信息．这些数据经过差分处理、扫描脉冲 时刻GPS大线同步位置解算、坐标基准变换、坐Байду номын сангаас投影 变换、偏心矢量改正等一系列处理．转入计算机空 间．为GIS提供时空分析需要的高精度定位信息和高程 信息
I s f s ( x, y, z, t , A)
(x,y,z)表示空间位置信息,并且隐含着空间位置关系 的关联. t表示事物的事件发生的信息; A表示目标对象的属性信息. IS表示对象在空间尺度s下的地学信息; fs表示目标对象的地学信息之间的函数关系.
5.1.1空间参数
根据空间平面形态,把地面对象分为三类:点,线,面.
获取帝庙目标信息的方式不同,空间参数的表达方 式也不同. RS通过相元位置和相元值来表达; GIS通过不同投影下的坐标来表达; GPS不仅表达坐标,还表达高程信息.
RS的空间参数 Irs=f(x,y,D)
目前在遥感判读中,象元位置 f(x,y)更多的被用来空间定位, 对应了地面位置f(x,y,D)应用最多的是影像的象元值. 但实际象元位置 f(x,y)更多的隐含着地物的空间特征,如形状, 大小,纹理等,甚至还包括地物间的空间位置匹配关系. 地物的空间特征形状,大小主要通过光谱特征即象元值得变 化来体现. 地物在影像上的大小特征与地物背景有关系,并且与图像的 空间分辨率有关系.
GPS定位属于无线电定位范畴. 最基本的方法是距离交会定位方法. 最基本的数学模型:交会定点模型. 定位精度受到钟差,对流层延迟,电离层延迟等因素的
影响.
5.1.2时间参数
RS具有周期性和瞬时性的特点;
GIS数据具有一定的更新周期,具有时间序列属性; GPS记录地物空间位置具有瞬时性.
数据采集的方式有很多，包括地图数字化、遥感、
航空摄影测量以及基于GPS的GIS野外数据采集。高 精度GPS定位技术的出现，大大简化了空间数据的 获取，并提高了空间数据的精度。用户只要手持高 精度GPS，就可以进行导航与数据采集。GPS用于 GIS数据采集，可以使数据采集更为精确、快速、 可靠。
地物空间分布特征的确定:空间位置,大小,形状,空
间关系.
一定空间范围内的地面目标之间具有一定的空间分
异规律,并且具有一定的空间组合. 并且地物目标的空间分布特征,空间组合关系受到 地域分异规律的控制.
空间分异规律和空间结构关系可以通过目标描述参
数(x,y,z)利用一定的数据关系间接获得.
2．基于GIS的GPS定位信息查询
通过GIS系统，可使GPS的定位信息在电子地图上获
GIS空间参数
空间可以分为两类：大尺度空间和小尺度空间，大 尺度空间超过个体的定点感知能力，不能够从一个 固定的点来感知，而小尺度可以从一点感知。 地理空间是大尺度空间，为了感知他，需要借助地 图或遥感影像等。即对大尺度空间的感知可通过小 尺度空间着手. GIS是从小尺度感知大空间的一种很好的方法，是一 种典型的空间参数表达媒介，连同涉及的理论以及 应用的目的和范围，形成了地理信息科学。

GPS用于GIS采集的流程可以分为以下几个步骤：





(1)在内业编辑数据词典，然后传输到电子手簿中 供外业数据采集使用； (2)建立基准站(在已知点上)； (3)利用GPS流动站设备采集GIS数据； (4)将外业数据传输到计算机进行编辑和处理； (5)将处理后的数据传输到GIS／CAD系统。 目前，GPS用于GIS采集的其中一种产物就是车载 GPS道路信息采集系统
第五章 3S集成的基本原理
王晓峰 长安大学资源学院
5.1”3S”参数的地学特征
3S集成的目的是:对现实世界或现实世界的
自然现象通过计算机进行数字刻画\模拟 和分析. 3S集成的本质是: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,以及比特世界到计算机世界 的两个转换过程.该过程得实现是通过空 间对象的定位,地学信息的空间获取以及 空间分析等功能的综合集成来实现的.
5.2时空表达与兼容
5.2.1时空理解与表达
空间和时间是物质存在的基本形式，空间、时间和运动着的物
质不可分割。研究物质和运动，离不开对空间和时间的研究。 空间表示的是事物的广延性、结构性和并存性。任何事物都有 一定的体积、规模和一定的内部结构，同其他事物之间都有一 定的位置上的并存关系。时间表示事物的持续性和顺序性。任 何事物都有一个或长或短的持续过程，并有一定的发展顺序。 整个物质世界的空间和时间是无限的。科学技术的发展不断 突破认识上的局限，不断证明着空间、时间的无限性。当然， 空间、时间的无限性单靠具体科学的证明是不够的，还需要从 哲学上运用辩证思维去加以把握。物质和运动是永恒存在的。 它们既不能被创造，也不能被消灭，只能永无止境地由一种 形态转化为另一种形态。这种永恒存在和永无休止的转化过程， 就表现为空间、时间的无限性

空间数据库的不断完善，必定能够更加高效地管理复
杂多变的地理信息。然而．数据不是一成不变的。数 据库只有及时更新才能满足分析决策的需求。遥感提 供的短周期、高分辨率影像就可以作为GIS空间数据库 的数据源。 目前，航空航天遥感传感器数据获取技术不仅趋向多 平台、多传感器、多角度，其空间分辨率、光谱分辨 率和时间分辨率也在不断提高，为短周期、高精度获 取地理信息提供了保障。 当然,遥感获取的数据不能直接作为GIS数据库的数据源, 也不能直接成为GIS处理的对象,必须进行图象的 各种 处理.
5.1”3S”参数的地学特征
地学特征: 首先是:空间对象的大范围(分布范围广, 三维性) 其次是:目标与环境紧密联系. 再次是:不同的空间对象具有不同的形 态特征,如纹理,形状,大小等. 第四是:地理现象,事物具有多尺度特征
地学特征的表达:通过计算机转换为地学信息来实现
的,地学信息具有多维性,由属性,时间和空间三种元 素组成的.可表达为:
RS信息是多源的.由平台的 高低,视角场的大小,波段
的 多少,时间频率的长短四个方面的因素决定. RS主要以影象的方式记录成像瞬间成像区域的地表 特征.光谱曲线是确定特定地物类型的比较可靠的 依据,他反映同一地物的反射率随着入射波长变化 的规律. GIS而言,其结果就是空间数据模型,空间数据模型是 GIS理论中最为核心的内容.他可分为:场模型,对象 模型和网络模型. GPS测量可以同时获得相对精度较高的三维坐标.
3.RS与GIS在信息分析方面的互补性
RS数据的处理;包括物理和统计两种方法;
GIS数据分析包括三个层次:
空间检索 空间拓扑叠加分析 空间模拟分析(外部的空间模拟分析,内部的空间 分析模拟和混和的模拟分析); 地理属性的分析,主要模型包括 统计系列模型,相关分析系列模型,分类系列模 型,评价系列模型,预测系列模型,规划系列模型.
GPS是一种可供全球享用的空间信息资源.利用GPS
可以直接获取地理信息.可以为GIS提供实时定位信 息,为GIS的静态管理扩展到动态管理提供了可能. 1.在数据采集中的技术互补 数据是GIS的血液，数据采集是实现GIS决策功能的 基础。目前，成本高、更亲慢、精度低是GIS数据 采集中遇到的重要难题。数据采集花费大，据统 计，GIS中数据采集的费用约占总项目的80％，如 此高耗费也就决定了数据更新的滞后性。同时， 尽可能减小数据的误差也是广大GIS丁作者一直努 力的目标
5.2.2时空参数的一体化
时间和空间参数在描述空间对象的特征时一般是不



可分割的. 在RS中,空间参数表达的信息包括地表的各种地物; 时间参数可以表达为成像日期或成像周期. 在GIS中,开始探讨能表达地理现象时间行为的时态 GIS,GIS数据库向时空数据库转变. 在GPS中,导航定位时空参数一直相关出现. 3S的时空参数一体化还体现在三者之间,时间参数 是一条重要的纽带,只有相近时间获得的数据进行 集合才有现实意义.