3S技术与集成考试复习资料.doc

3S技术：是遥感技术(Remote sensing，RS)、地理信息系统(Geography information systems，GIS)与全球定位系统(Global positioning systems，GPS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术与计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播与应用的现代信息技术。
GIS（地理信息系统）：是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示与描述的技术系统。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析与处理（简而言之，是对地球上存在的现象与发生的事件进行成图与分析）。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果与地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询与统计分析等）集成在一起。
RS：Remote sensing，遥感是指非接触的，远距离的探测技术。一般指运用传感器/遥感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的探测，并根据其特性对物体的性质、特征与状态进行分析的理论、方法与应用的科学技术。
GPS：是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，称为全球卫星定位系统。GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度与精确定时等导航信息。系统由空间星座、地面控制与用户接收机三部分组成。
数字地球：一个以地球坐标为依据的、具有多分辨率的海量数据与多维显示的地球虚拟系统。数字地球看成是“对地球的三维多分辨率表示、它能够放入大量的地理数据”。 戈尔的数字地球学是关于整个地球、全方位的GIS与虚拟现实技术、网络技术相结合的产物。
大数据：或称巨量资料，指的是所涉及的资料量规模巨大到无法通过目前主流软件工具，在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯。大数据的4V特点：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Value（价值）。
云计算：（cloudcomputing）是基于互联网的相关服务的增加、使用与交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。云计算是通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将与互联网更相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机与存储系统。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，取用方便，费用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。
智慧城市：就是运用信息与通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应。其实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理与运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的与谐、可持续成长。
RS的最新发展
1、 应用卫星的发展：遥感的多平台、多传感器与多角度；
2、 传感器分辨率的发展：空间、时间、波谱；
3、 分析处理技术的发展：对地定位与智能化分析；
4、 应用卫星的发展：信息获取向三维动态方向发展，定性描述向定量表达过渡，应用方向转向环境研究。
GIS的最新发展
1、 空间数据库趋向“三库”一体化：面向对象的数据模型及图形矢量库、影像栅格库与DEM格网库；
2、 空间数据表达趋向多尺度；
3、 数据挖掘技术可发现更多知识；
4、 互联网推进互操作及地学信息服务业；
5、 将形成较完整的理论框架体系。
3S技术的集成模式
目前，3S技术集成主要还是采用两两集成的模式，即通过3S技术与功能的两两组合，共同作用，形成有机的一体化系统，已快速准确的获取具有定位功能的对地观测信息，实现对系统信息的实时更新与对地表现象与过程的综合分析。其主要技术思路如图。
两两集成与整体集成（手机）
3S技术的集成的关键技术
1、 多源、多时相、多尺度信息的获取技术：遥感技术、GPS技术、空三摄影测量技术、定位定向系统技术、激光断面扫描测高技术；
2、 多源、多时相、多尺度信息的集成技术：GIS技术、多尺度地理信息的自动综合技术、多源多时相多尺度地学信息的统一坐标系技术、多时空数据一体化管理技术、多源异构数据的格式转换技术；
3、 空间信息的动态管理与综合分析技术：GIS数据的自动更新技术、数据仓库技术、数据挖掘技术、模型库管理系统技术、模型库与应用系统的无缝集成技术；
4、 3S技术集成的数据通信与交换技术：数据单向实时传送技术、数据双向实时传送技术、数据交换技术；
5、 3S技术集成的虚拟现实与可视化技术：虚拟现实技术、地理空间信息的可视化技术。
3S技术集成的理论依据
3S技术集成的核心是对地理信息的认知，即通过对地球圈层间信息传输过程与物理机制的研究，揭示地球几何形态与空间分布及变化规律。因此，地理信息理论与地理信息认知理论是3S技术集成的基础理论。
4D产品
DEM（数字高程模型）、DOM（数字正射影像）、DRG（数字栅格地图）、DLG（数字线划地图）；4D产品的生产成本较低、数据组合灵活，影像、栅格图形与矢量图形之间能够相互补充。
地物的反射波谱特征
1、 植被：可见光0.45um（色素）、近红外0.7-1.1（叶片内部细胞结构）、短波红外1.4 1.9 2.7（含水量）；
2、 土壤：土壤之地与有机质含量。另氧化铁含量；
3、 水体：水体本身光学性质与水的状态；
4、 岩石：无统一。
传感器的主要类型：可见光近红外遥感、远红外遥感、微波遥感。
遥感图像分辨率
1、 空间分辨率：指像元所代表的地面范围的大小，即扫描仪的瞬间视场或地面物体能分辨的最小像元。
2、 波谱分辨率：包含两方面信息，一是指传感器所用的波段数目、波段波长及其波段宽度，二是指辐射分辨率（传感器接受波谱信号时，能分辨的最小辐射差）。
3、 时间分辨率：对同一地点进行遥感采样的时间间隔。
数据融合
是对来自不同遥感数据源的高空间分辨率影像数据与多光谱数据，按照一定的融合模型，进行数据合成，获得比单个遥感数据源更精确的数据，从而增强影像质量，保持多光谱特性，提高空间分辨率，达到信息优势互补、有利于图像解译与分类应用的目的。
融合层次分为像素级融合、特征级融合、决策级融合。
地理空间：一般指地球表层生命活跃、人地关系最为密切的区域。它上至大气电离层，下至地幔莫霍面，包括岩石圈、水圈、生物圈与大气圈，之间又相互交叉，能量、信息交换极为活跃，是一个复杂的开放式巨系统。以地球椭球面为界，地理空间又分为内地理空间与外地理空间。
地理信息：是有关地理空间对象的性质、特征与运动状态的表征以及一切与之相关有用的知识。建立地理信息系统的目的就是在表达、存贮、管理地理信息的基础上，通过地理信息的综合分析、模拟、再现等，为地理研究与空间规划管理等的应用提供决策支持。
地理数据：是相关地理现象、地理特征及关系的符号化记载，是地理信息的载体与形式。
地理信息基本特征：
除具备客观性、适用性、可传输性与共享性等基本信息特征，开具有：
1、 空间位置及分布特征；
2、 多媒体特征；
3、 时变性；
4、 多尺度特性：空间多尺度、语义多尺度、时间多尺度；
5、 多维结构特性。
空间对象：是地理空间的组成单元，是对地理现象与地理事物简化、抽象的结果。空间对象的描述主要包括空间特征、属性特征与时态特征。
空间关系有：方位关系、度量关系、拓补关系。
空间数据库设计过程：需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计。
GIS数据的管理方案：
1、 文件与关系数据库的混合管理；
2、 全关系型空间数据库管理；
3、 对象-关系型空间数据库管理；
4、 面向对象的空间数据库管理。
空间分析：是基于空间数据的分析技术，它以地学原理为依托，通过相关算法，从空间数据中提取新的空间知识，为地理研究与地理决策服务。
空间分析的基本功能：
1、 叠置分析：它通过将同一地区两组或两组以上的图层要素叠置，产生新的多边形，并对其范围内的属性进行分析。
2、 缓冲区分析：它根据分析对象的点、线、面实体自动建立他们周围一定距离的带状区，用于识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响度，以便为分析决策提供依据。
3、 网络分析：是通过分析、模拟网络的状态以及资源在网络上的流动与分配情况，对网络结构及其资源的优化配置问题进行研究。
4、 空间统计分析：主要用于空间目标的分类与综合评价。
l 空间变量的筛选；
l 空间目标分类：分类方法有聚类分析与判别分析两类；
l 综合分析评价：一般经过四步1、评价因子的选择与简化2、多因子重要性指标（权重）的确定3、因子内各类别对评价目标的隶属度确定4、选用某种方法进行多因子综合。
地理信息可视化：是现有计算机可视化技术的具体应用，是以地理环境为依托，以地理信息系统为工具，采用二维三维等表现形式，把实测或计算获得的大量抽象的空间数据转换为人的视觉可以直接感受的图形图像，从而通过视觉效果，探讨地理信息所反映的规律与知识。
二维空间数据的可视化—地图方法涉及内容：检索数据、预处理（投影变换、数据压缩、几何数据的光滑）、符号化、地图显示。
三维仿真地图：是基于三维仿真与计算机三维真实感图形技术而产生的三维地图，具有仿真的形状、光照与纹理等，也可进行各种三维量测与分析。
三维仿真地图的生成步骤：
1、 地面模型的三角形剖分；
2、 根据视点位置与观察方向对地面进行图形变换；
3、 图形消隐；
4、 用光照模型计算可见面的亮度与色彩；
5、 三角面片的明暗处理；
6、 纹理映射。
虚拟现实：又称灵境技术，是指通过三维立体显示器、数据手套、三位鼠标、数据衣、立体声耳机等使人能完全沉浸在计算机生成的一种特殊三维图形环境中的技术，人可以操作控制三维图形环境，实现特殊目的。
虚拟现实技术在人机关系的3I特征：
沉浸感Immersion:能给人们以真实世界的感觉全方位地沉浸在这个虚幻的世界中。
交互性Interaction:不同于CAD系统所产生的模型可以对使用者的输入作出反应。
想象性Imagination: 用户与VR系统并行操作,发挥用户的创造性想象力。
GPS卫星的基本功能：
1、 接受与存储由地面监控站发来的导航信息，接受并执行监控站的控制指令；
2、 进行部分必要的数据处理工作；
3、 通过星载铷钟与铯钟提供精密的时间标准；
4、 向用户发送定位信息；
5、 在地面监控站指令下，通过推进器调整卫星姿态与启用备用卫星。
GPS系统的特点：
1、 定位精度高；
2、 观测时间短；
3、 测站间无需通视；
4、 可提供三维坐标；
5、 操作简便；
6、 全天候作业；
7、 功能多应用广。
GPS坐标系统：
由于GPS是全球性的定位导航系统，其坐标系统也必须是全球性的，目前，GPS测量中所使用的协议地球坐标系统称为WGS-84世界大地坐标系。
WGS-84世界大地坐标系：原点是地球质心，z轴指向BIH1984.0定义的协议地球级方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面与协议地球极赤道的焦点，y轴与x轴、z轴成右手坐标系。
伪距测量定位原理：伪距观测量是通过测量卫星信号从发射时刻到接收机接受时刻的时延乘以光速得到的距离管测量。
3S集成的目的、本质：
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、模拟与分析；
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以及从比特世界到计算机世界的两个转换过程，这两个过程是通过对空间对象的定位、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。
惯性导航系统：
是利用惯性敏感元件测量航行体相对惯性空间的线运动与角运动参数，在给定的运动初始条件下，由计算机推算出航行体的姿态、方位、速度与位置参数，从而引导航行体完成预定的航行任务。
惯性导航的最主要的惯性敏感元件是加速度计与陀螺仪。
惯性导航基本原理：
遵循的基本定律是牛顿运动定律。惯性导航是指通过测量飞行器的加速度，自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度与瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。
惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计与陀螺仪，又称惯性导航组合。3个自由度陀螺仪测量飞行器的三个转动运动，3个加速度计测量飞行器的3个平移运动的加速度；计算机根据测量的各种信息，计算出飞机的速度与位置数据；显示器显示各种导航参数。
机载三维遥感的特点：是在获取图像的同时能够对地面目标进行定位，因此三维遥感技术系统是能够直接对地定位的遥感系统。
机载三维遥感对GPS定位的要求：
1、 高精度差分GPS定位；
2、 GPS数据与遥感数据的同步联系；
3、 适应机载动态飞行作业要求。
空间数据挖掘（SDMKD）：
是在空间数据库的基础上，综合利用统计学方法、模式识别技术、人工智能方法、神经网络技术、粗集、模糊数学、机器学习、专家系统与相关信息技术等，从大量的空间生产数据、管理数据、经营数据或遥感数据中提取人们可信的、新颖的、感兴趣的、隐藏的、事先未知的、潜在有用的与最终可理解的知识，从而揭示出蕴含在数据背后的客观世界的本质规律、内在联系与发展趋势，实现知识的自动获取，提供技术决策与经营决策的依据。
空间数据挖掘方法：
1、 空间统计学；2、规则归纳法；3、聚类分析；4、空间分析；5、模糊集；6、云理论；7、粗集；8、神经网络法；
空间知识规则：
1、 空间关联/序列规则；
2、 空间特征/区分规则；
3、 空间分类/回归规则；
4、 空间聚类/函数依赖规则。
无缝集成特点：
多源空间数据无缝集成（SIMS）是一种无须数据格式转换、直接访问多种数据格式的空间数据集成技术，具有如下特点：
1、 多格式数据直接访问；
2、 格式无关数据集成；
3、 位置无关数据集成；
4、 多源数据符合分析。
技术体系三层结构：数据消费者、数据代理、数据提供者。
应用模型的集成方式：
1、源代码集成；2、函数库集成；3、可执行程序集成；4、基于组件的集成；5、模型库集成。
电子地图的主要功能：
1、 车辆动态轨迹的显示：分为定位与地图匹配两步；
2、 目标查询：包括属性查询与拓扑查询等；
3、 最优路径的选择；
4、 GIS电子地图库的存储与检索。
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