三维GIS课件(三维空间数据及其获取方法
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中国地质大学（武汉）信息工程学院
频率偏移对于时间而言是线性的，所以反射脉冲可以解 释成是经过线性调频调制而得到的。因此，将在不同位 置接收到的目标信号通过具有频率逆偏移特性的匹配滤 波器进行滤波调制，就能得到目标的唯一像点。 •SAR特点：在距离方向上与真实孔径雷达相同，采用 脉冲压缩来提高距离分辨率，在方位方向上则通过合成 孔径原理来改善方位分辨率。
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（2）传感器：接收从目标反射和辐射过来的电磁波 信号的装置； （3）遥感平台：搭载传感器的载体。
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图1. 遥感数据流程图
中国地质大学（武汉）信息工程学院
传感器数据采 集
物体的电磁波 特性
影响因子
数据处理
应用
电 磁 能 量 （ ）
太阳位置 大气状态 气象 季节 地表状态 传感器性能 传感器位置
纸 质 地 图
扫 描 转 化
拼 接 子 图 块
几 何 校 正
矢 量 图 编 辑
2.1.3 地表3D空间数据获取方法
中国地质大学（武汉）信息工程学院
1、GPS测量技术 具有代表性的系统：欧洲的“伽利略系统”、俄罗斯 的“GLONASS卫星系统” 。
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中国地质大学（武汉）信息工程学院
我国自行研制的导航卫星系统——北斗双星导航定 位系统，通过全天候跟踪GPS卫星，免费向用户提供 星历文件。该系统具有快速定位、短报文通信、精 密授时3大功能，并具有以下优势：
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2、空间数据的室内获取方式
中国地质大学（武汉）信息工程学院
（1）点方式：坐标量算、手扶数字化； （2）面方式：扫描数字化
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中国地质大学（武汉）信息工程学院 中国地质大学（武汉）信息工程学院
根据GIS获取方式和应用需求的不同，GIS空间数据 可区分为地表2D(x,y)、地表3D(x,y,z)、地上3D(x， y，zi)。
中国地质大学（武汉）信息工程学院
（2）测量仪器的发展：经纬仪、水准仪全站仪测量 机器人； （3）测量技术的发展：三角测量边角网、测边网、全 站仪3D实时和自动导航技术。
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3.遥感技术
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（1）遥感是一种远距离的、非接触的目标探测技术和 方法，通过对目标进行探测，获取目标信息，然后对 所获取的信息进行加工处理，从而实现对目标的定位、 定性或定量描述；
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4、地图数字化技术
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广义数字化：泛指将信息转化为计算机能接收的 形式的过程； 狭义数字化：将地图/影像转变为符合要求的矢量 数据结构的过程。 手扶跟踪数字化 地图/影像数字化 扫描数字化
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（1）手扶跟踪数字化
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借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图 上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的 过程。包括以下三步：
图 像 数 据
图像增强 计算机处 理
农林 地质 水文 海洋 气象
人工图像
判读
E
环境
地震
波长（λ ）
波段 14
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（4）遥感发展的特点： 新型传感器不断出现； 多级空间分辨率形成金字塔遥感影像结构； 光谱分辨率不断提高； 多时相性遥感成为可能； 全方位立体观测健步发展； 遥感应用由定性走向定量。
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2.1 数据获取方法
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2.1.1
GIS空间数据获取方法分类
1、空间数据的野外获取方式
（1）点方式：天文测量、罗盘定位、惯性测量、大地 测量、工程测量、矿井测量、GPS技术、钻孔勘探、 物理勘探技术等；
3
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（2）面方式：摄影测量、遥感技术、激光扫描技术、集 成传感技术； （3）体方式：CT扫描、3D地震技术等
表2. 摄影测量3个发展阶段特点的对比
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摄影负片
像片扫描 控制点数据
像对定向或方位元素安置 自动相关获取DEM
DEM编辑 多模型DEM镶嵌 存盘或建库 质量检查与元数据文件记录 全数字化摄影测量生产DEM的工作流程
摄影负片
像片扫描 控制点数据
像对定向或方位元素安置 DEM采集与编辑 数字微分纠正 数字正射影像镶嵌 存盘或建库
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2、摄影测量技术
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（1）传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像 片，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质 和相关关系的，并将所测得的成果以图解形式或数字 形式进行输出。
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（2）主要特点：在像片上进行量测，无须或很少接 触被摄体，受自然和地理等外界条件的约束少；像 片是对客观现象的一次真实记载，包含有丰富的信 息，可以选择所需量测和处理的对象，从像片上所 包含的几何信息中进行判读和计算。
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•干涉纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差 的精确信息。因此，利用传感器高度、雷达波长、 波束视向及天线基线距之间几何关系，通过相位解 缠，可精确测出图像上每一点的3D位置及其微小变 化信息。
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2.1.4 地下3D空间数据获取方法
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是
高精度扫 描目标区 域 拍摄照片 是否扫描 完毕 否
外业测量结束
搬站，回到第 一步
点云数据
点云数据
颜色数据 32
• （2）内业处理
噪 声 去 除
采 样
生 成 网 格
生 成 轮 廓
构 造 格 栅
曲 面 拟 合
纹 理 映 射
建 模 完 成
点云数据
三角网格数据
光滑 曲面
带颜色信息的 光滑曲面
4、SAR与InSAR技术
1、钻孔勘探技术：通过向地下钻进一定直径、一定深度
的孔并提取其中的岩芯来探查和测量地下岩层组成、空间 关系。
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• 按地质钻探目的，可将应用地质钻探分为矿产地 质钻探、水文地质钻探、工程地质钻探。
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2、应用地球物理技术
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（1）应用地球物理方法及其分类 利用物理学原理，借助仪器技术测量获得地层的大量 数据，通过数学反演和计算机处理，探测地下地层的物 理力学性质，进而研究地下地层的结构和构造，进行矿 体或油藏的3D精细描述。 分为两类，一类以测定特定区域、特定对象的物理力 学性质为主；另一类以测定地质对象的空间分布与空间 位置为主。
图属关系 连接
预处理
数字化
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（2）扫描数字化
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借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地 图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。包括：
栅格扫描 地图扫描：扫描仪按预先设定的空间分 数字化 辨率对地图进行扫描，形成二值图像；
矢量扫描数字化
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大致流程为：
屏 幕 跟 踪 矢 量 化 矢 量 图 合 成 接 边 存 入 空 间 数 据 库
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（1）基本原理： SAR是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传 感器，具有全天候、全天时成像能力，并能穿透某些 地物表面。SAR在波束能照射到的时间内，不断接收 来自地表目标的反射脉冲。随着遥感平台的前进，平 台和目标的相对位置发生变化，在不同时刻和位置接 收到同一地面目标信号的频率也会发生变化，即出现 多普勒频移效应。
工程测量 GPS技术 地图数字化 矿井测量 钻孔勘探
2.1.2 2D空间数据获取方法
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1.天文测量技术 利用宇宙间天体的相关位置 和运行规律，在选定的地面 点上观测某天体的高度和方 位，并记录观测瞬间的时刻， 从而确定该地面点的地理位 置——天文经纬度及该点至 另一地面点的天文方位角。
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发展阶段
原始资料
投影方式
物理投影 数字投影
仪器
操作方式
产品
模拟产品
模拟摄影测量 像片 解析摄影测量 像片
模拟测图仪 作业员手工 解析测图仪 机助作业员操作
模拟产品 数字产品
像片 数字摄影测量 数字化影像 数字投影 数字影像
计算机
自动化操作+ 作业员干预
数字产品 模拟产品
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GIS空间数据获取方法分类如下表
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空间维数
点方式 天文测量 罗盘定位
面方式 遥感 地图扫描数字化
体方式
2D（x，y）
惯性测量
大地测量 工程测量 地图数字化 大地测量 摄影测量 激光扫描 SAR/InSAR 集成传感 物理勘探技术 7 CT扫描 3D地震 CT扫描
地表3D（x，y，z） 与 地上3D（x，y，zi） 2017/3/5 地下 3D（x，y，zi）
（2）2D地震勘探
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3、三维地震技术
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3D地震是高精度、高分辨率的勘探技术。按激发点 （炮点）、接收点（检波点）网格分布的规律性，3D 地震观测系统分为规则观测系统和不规则观测系统两 类； 3D地震野外数据被采集后，需要进行一系列处理， 才能形成供地质解释用并能完整反映地质体时空变化 的3D地震数据体，用不同方法显示成各种地质图件， 如剖面图、立体图。
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中国地质大学（武汉）信息工程学院
a）机载激光扫描系统：应用激光扫描仪和实时动 态GPS对地面进行高精度、准实时测量的系统， 主要用于大面积的3D地形数据。其基本组成为： 激光扫描仪； 飞行惯性导航系统INS及其显式设备； 差分GPS与计算机； 数据采集与记录设备； 电源。
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中国地质大学（武汉）信息工程学院
质量检查与元数据文件记录
全数字摄影测量方法生产数字正射影像
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3、激光扫描测量技术 （1）原理：通过主动发射激光信号并测量从被测目 标反射回来的激光信号，高密度、高精度获取目标体 的数字距离信息，进而得到目标的几何信息；
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（2）激光扫描系统分为：机/空载激光扫描系统、 地面扫描系统。
激光扫描测量技术可应用于： ①地形测绘； ②建筑物立体模型重构； ③生成DEM、DTM； ④数字城市模型。
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b）地面扫描系统
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•地面三维激光扫描仪工作流程可分为外业测量与内 业处理两个部分 •（1）外业测量
360度全 景扫描， 精度不 高，目的 为获取目 标区域的 大致方位
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主要应用邻域： 宇宙太空观测； 宇宙奥秘探测；
Hale Waihona Puke Baidu
2、大地测量与工程测量技术
中国地质大学（武汉）信息工程学院
（1）该技术是空间定位的基本手段之一，利用大地测 量与工程测量技术，既可以获得地表点的2D坐标数据 （x,y），也可获得地表点的3D坐标数据（x,y,z）；
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中国地质大学（武汉）信息工程学院
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InSAR的实质：是利用SAR复数据的相位差信息来提 取地表的3D信息和高程变化信息。通过两副天线同时 观测，或两次近平行的观测，获取地面同一景观的复 图像对。由于目标与两天线位置的几何关系，在复图 像上产生了相位差，形成干涉纹图。
三维GIS
中国地质大学（武汉）信息工程学院
三维空间数据及其获取方法
主讲：郑坤 中国地质大学（武汉）信息工程学院 2011年5月
本章内容
中国地质大学（武汉）信息工程学院
1、 GIS空间数据获取方法分类 2 、2D空间数据获取方法 3 、地表3D空间数据获取方法 4 、地下3D空间数据获取方法
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同时具备定位与通信功能，无须其他通信系统文件； 融合北斗导航定位系统和卫星导航增强系统两大资源， 提供更丰富的增值服务； 覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无 通信盲区； 定位解算都集中在地面控制中心站，特别适合于大范 围移动目标监测与管理； 自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适 合关键部门应用。
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频率偏移对于时间而言是线性的，所以反射脉冲可以解 释成是经过线性调频调制而得到的。因此，将在不同位 置接收到的目标信号通过具有频率逆偏移特性的匹配滤 波器进行滤波调制，就能得到目标的唯一像点。 •SAR特点：在距离方向上与真实孔径雷达相同，采用 脉冲压缩来提高距离分辨率，在方位方向上则通过合成 孔径原理来改善方位分辨率。
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中国地质大学（武汉）信息工程学院
（2）传感器：接收从目标反射和辐射过来的电磁波 信号的装置； （3）遥感平台：搭载传感器的载体。
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图1. 遥感数据流程图
中国地质大学（武汉）信息工程学院
传感器数据采 集
物体的电磁波 特性
影响因子
数据处理
应用
电 磁 能 量 （ ）
太阳位置 大气状态 气象 季节 地表状态 传感器性能 传感器位置
纸 质 地 图
扫 描 转 化
拼 接 子 图 块
几 何 校 正
矢 量 图 编 辑
2.1.3 地表3D空间数据获取方法
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1、GPS测量技术 具有代表性的系统：欧洲的“伽利略系统”、俄罗斯 的“GLONASS卫星系统” 。
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我国自行研制的导航卫星系统——北斗双星导航定 位系统，通过全天候跟踪GPS卫星，免费向用户提供 星历文件。该系统具有快速定位、短报文通信、精 密授时3大功能，并具有以下优势：
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2、空间数据的室内获取方式
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（1）点方式：坐标量算、手扶数字化； （2）面方式：扫描数字化
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根据GIS获取方式和应用需求的不同，GIS空间数据 可区分为地表2D(x,y)、地表3D(x,y,z)、地上3D(x， y，zi)。
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（2）测量仪器的发展：经纬仪、水准仪全站仪测量 机器人； （3）测量技术的发展：三角测量边角网、测边网、全 站仪3D实时和自动导航技术。
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3.遥感技术
中国地质大学（武汉）信息工程学院
（1）遥感是一种远距离的、非接触的目标探测技术和 方法，通过对目标进行探测，获取目标信息，然后对 所获取的信息进行加工处理，从而实现对目标的定位、 定性或定量描述；
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4、地图数字化技术
中国地质大学（武汉）信息工程学院
广义数字化：泛指将信息转化为计算机能接收的 形式的过程； 狭义数字化：将地图/影像转变为符合要求的矢量 数据结构的过程。 手扶跟踪数字化 地图/影像数字化 扫描数字化
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（1）手扶跟踪数字化
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借助计算机和平板状数字化仪，从已有纸质地图 上进行重采样，并形成数字化的坐标点列数据的 过程。包括以下三步：
图 像 数 据
图像增强 计算机处 理
农林 地质 水文 海洋 气象
人工图像
判读
E
环境
地震
波长（λ ）
波段 14
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（4）遥感发展的特点： 新型传感器不断出现； 多级空间分辨率形成金字塔遥感影像结构； 光谱分辨率不断提高； 多时相性遥感成为可能； 全方位立体观测健步发展； 遥感应用由定性走向定量。
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2.1 数据获取方法
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2.1.1
GIS空间数据获取方法分类
1、空间数据的野外获取方式
（1）点方式：天文测量、罗盘定位、惯性测量、大地 测量、工程测量、矿井测量、GPS技术、钻孔勘探、 物理勘探技术等；
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中国地质大学（武汉）信息工程学院
（2）面方式：摄影测量、遥感技术、激光扫描技术、集 成传感技术； （3）体方式：CT扫描、3D地震技术等
表2. 摄影测量3个发展阶段特点的对比
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摄影负片
像片扫描 控制点数据
像对定向或方位元素安置 自动相关获取DEM
DEM编辑 多模型DEM镶嵌 存盘或建库 质量检查与元数据文件记录 全数字化摄影测量生产DEM的工作流程
摄影负片
像片扫描 控制点数据
像对定向或方位元素安置 DEM采集与编辑 数字微分纠正 数字正射影像镶嵌 存盘或建库
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2、摄影测量技术
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（1）传统的摄影测量技术是利用光学摄影机摄影的像 片，研究和确定被摄物体的形状、大小、位置、性质 和相关关系的，并将所测得的成果以图解形式或数字 形式进行输出。
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（2）主要特点：在像片上进行量测，无须或很少接 触被摄体，受自然和地理等外界条件的约束少；像 片是对客观现象的一次真实记载，包含有丰富的信 息，可以选择所需量测和处理的对象，从像片上所 包含的几何信息中进行判读和计算。
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•干涉纹图中包含了斜距向上的点与两天线位置之差 的精确信息。因此，利用传感器高度、雷达波长、 波束视向及天线基线距之间几何关系，通过相位解 缠，可精确测出图像上每一点的3D位置及其微小变 化信息。
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2.1.4 地下3D空间数据获取方法
中国地质大学（武汉）信息工程学院
是
高精度扫 描目标区 域 拍摄照片 是否扫描 完毕 否
外业测量结束
搬站，回到第 一步
点云数据
点云数据
颜色数据 32
• （2）内业处理
噪 声 去 除
采 样
生 成 网 格
生 成 轮 廓
构 造 格 栅
曲 面 拟 合
纹 理 映 射
建 模 完 成
点云数据
三角网格数据
光滑 曲面
带颜色信息的 光滑曲面
4、SAR与InSAR技术
1、钻孔勘探技术：通过向地下钻进一定直径、一定深度
的孔并提取其中的岩芯来探查和测量地下岩层组成、空间 关系。
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• 按地质钻探目的，可将应用地质钻探分为矿产地 质钻探、水文地质钻探、工程地质钻探。
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2、应用地球物理技术
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（1）应用地球物理方法及其分类 利用物理学原理，借助仪器技术测量获得地层的大量 数据，通过数学反演和计算机处理，探测地下地层的物 理力学性质，进而研究地下地层的结构和构造，进行矿 体或油藏的3D精细描述。 分为两类，一类以测定特定区域、特定对象的物理力 学性质为主；另一类以测定地质对象的空间分布与空间 位置为主。
图属关系 连接
预处理
数字化
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（2）扫描数字化
中国地质大学（武汉）信息工程学院
借助计算机和平板式或滚筒式扫描仪，从已有纸质地 图上进行重采样，并形成坐标点列数据的过程。包括：
栅格扫描 地图扫描：扫描仪按预先设定的空间分 数字化 辨率对地图进行扫描，形成二值图像；
矢量扫描数字化
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大致流程为：
屏 幕 跟 踪 矢 量 化 矢 量 图 合 成 接 边 存 入 空 间 数 据 库
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（1）基本原理： SAR是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传 感器，具有全天候、全天时成像能力，并能穿透某些 地物表面。SAR在波束能照射到的时间内，不断接收 来自地表目标的反射脉冲。随着遥感平台的前进，平 台和目标的相对位置发生变化，在不同时刻和位置接 收到同一地面目标信号的频率也会发生变化，即出现 多普勒频移效应。
工程测量 GPS技术 地图数字化 矿井测量 钻孔勘探
2.1.2 2D空间数据获取方法
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1.天文测量技术 利用宇宙间天体的相关位置 和运行规律，在选定的地面 点上观测某天体的高度和方 位，并记录观测瞬间的时刻， 从而确定该地面点的地理位 置——天文经纬度及该点至 另一地面点的天文方位角。
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发展阶段
原始资料
投影方式
物理投影 数字投影
仪器
操作方式
产品
模拟产品
模拟摄影测量 像片 解析摄影测量 像片
模拟测图仪 作业员手工 解析测图仪 机助作业员操作
模拟产品 数字产品
像片 数字摄影测量 数字化影像 数字投影 数字影像
计算机
自动化操作+ 作业员干预
数字产品 模拟产品
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GIS空间数据获取方法分类如下表
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空间维数
点方式 天文测量 罗盘定位
面方式 遥感 地图扫描数字化
体方式
2D（x，y）
惯性测量
大地测量 工程测量 地图数字化 大地测量 摄影测量 激光扫描 SAR/InSAR 集成传感 物理勘探技术 7 CT扫描 3D地震 CT扫描
地表3D（x，y，z） 与 地上3D（x，y，zi） 2017/3/5 地下 3D（x，y，zi）
（2）2D地震勘探
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3、三维地震技术
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3D地震是高精度、高分辨率的勘探技术。按激发点 （炮点）、接收点（检波点）网格分布的规律性，3D 地震观测系统分为规则观测系统和不规则观测系统两 类； 3D地震野外数据被采集后，需要进行一系列处理， 才能形成供地质解释用并能完整反映地质体时空变化 的3D地震数据体，用不同方法显示成各种地质图件， 如剖面图、立体图。
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a）机载激光扫描系统：应用激光扫描仪和实时动 态GPS对地面进行高精度、准实时测量的系统， 主要用于大面积的3D地形数据。其基本组成为： 激光扫描仪； 飞行惯性导航系统INS及其显式设备； 差分GPS与计算机； 数据采集与记录设备； 电源。
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质量检查与元数据文件记录
全数字摄影测量方法生产数字正射影像
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3、激光扫描测量技术 （1）原理：通过主动发射激光信号并测量从被测目 标反射回来的激光信号，高密度、高精度获取目标体 的数字距离信息，进而得到目标的几何信息；
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（2）激光扫描系统分为：机/空载激光扫描系统、 地面扫描系统。
激光扫描测量技术可应用于： ①地形测绘； ②建筑物立体模型重构； ③生成DEM、DTM； ④数字城市模型。
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b）地面扫描系统
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•地面三维激光扫描仪工作流程可分为外业测量与内 业处理两个部分 •（1）外业测量
360度全 景扫描， 精度不 高，目的 为获取目 标区域的 大致方位
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主要应用邻域： 宇宙太空观测； 宇宙奥秘探测；
Hale Waihona Puke Baidu
2、大地测量与工程测量技术
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（1）该技术是空间定位的基本手段之一，利用大地测 量与工程测量技术，既可以获得地表点的2D坐标数据 （x,y），也可获得地表点的3D坐标数据（x,y,z）；
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38
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InSAR的实质：是利用SAR复数据的相位差信息来提 取地表的3D信息和高程变化信息。通过两副天线同时 观测，或两次近平行的观测，获取地面同一景观的复 图像对。由于目标与两天线位置的几何关系，在复图 像上产生了相位差，形成干涉纹图。
三维GIS
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三维空间数据及其获取方法
主讲：郑坤 中国地质大学（武汉）信息工程学院 2011年5月
本章内容
中国地质大学（武汉）信息工程学院
1、 GIS空间数据获取方法分类 2 、2D空间数据获取方法 3 、地表3D空间数据获取方法 4 、地下3D空间数据获取方法
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同时具备定位与通信功能，无须其他通信系统文件； 融合北斗导航定位系统和卫星导航增强系统两大资源， 提供更丰富的增值服务； 覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无 通信盲区； 定位解算都集中在地面控制中心站，特别适合于大范 围移动目标监测与管理； 自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适 合关键部门应用。