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现代测绘技术
目 录
§1 GPS 3
§1.1 什么是GPS？ 3
§1.2 GPS系统包含哪些组成部分？ 4
§1.3 在GPS之前还有哪些卫星导航定位系统？ 6
§1.4 目前世界上除了GPS之外还有哪些导航定位系统？我国有自主研发的卫星导航定位系统吗？ 6
§1.5 GPS定位的基本原理 7
§1.6 影响GPS定位精度的因素有哪些？ 8
§1.7 GPS现代化是什么？ 9
§1.8 GPS定位方法有哪些？ 10
§1.9 什么是RTK？ 10
§1.10 什么是CORS？ 10
§1.11 GPS有哪些应用？ 11
1、GPS在军事中的应用 11
2、GPS在交通运输业中的应用 13
3、GPS在测量领域中的应用 14
4、GPS在地球动力学中的应用 14
5、GPS在精细农业和林业中的应用 15
6、GPS在移动通信中的应用 16
7、GPS气象学 17
§2 摄影测量与遥感技术 18
§2.1 摄影测量技术的起源 18
§2.2 什么是摄影测量 19
§2.3 摄影测量的发展 22
§2.4 摄影测量学 24
§2.5 摄影测量与遥感技术的结合 25
§3 地理信息系统 30
§3.1 什么是GIS？ 30
§3.2 GIS的发展历程 30
§3.3 GIS与其它学科的关系 31
§3.4 什么是“3S”技术及其相互关系 32
§3.5 GIS的组成 33
§3.6 GIS主要功能 34
§3.7 空间分析举例 36
一、缓冲区分析 36
二、叠加分析 39
三、网络分析 39
§3.8 GIS的新技术 42
一、网络GIS(Web GIS) 43
二、组件式GIS(COM-GIS) 44
三、虚拟现实GIS(VR GIS) 45
四、时态GIS 45
五、互操作GIS 45
六、数字地球 46
§3.9 GIS技术与中学地理教学 47
§3.10 主要的GIS公司和软件 50
§3.11 主要的GIS论坛和网站 52

§1 GPS
§1.1 什么是GPS？

GPS是全球导航定位系统（Global Positioning System）的英文缩写，其全称是“卫星测时测距导航/全球定位系统”（NAVigation System with Timing And Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR/GPS）。它是美国的中高轨道导航卫星系统，包含卫星网、地面控制站网和用户设备三个部分。
GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。它的特点是：（1）精度高、速度快；（2）被动接收，隐蔽性好；（3）用户的数量不受限制；（4）具有统一的坐标和时间标准；（5）提供全天候、全球范围的定位和授时服务。由于具有这么多优点，因此GPS具有非常广泛的用途，我们将在后面详细介绍GPS在各个领域的用途，不过这些用途归根结底就是利用GPS提供“位置、速度和时间”。GPS被认为是人类二十世纪在空间技术领域最伟大的发明之一。
§1.2 GPS系统包含哪些组成部分？

图： GPS系统组成部分示意图
一个完整的GPS系统包括三个组成部分：空间部分、地面控制部分和用户部分。
空间部分（Space Segment）
GPS的空间部分是由GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号（星历）。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。最初设计的GPS卫星星座共包括24颗卫星，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°、高度约为20200公里的轨道上绕地球运行。通常，在地球上任何一个地方如果没有遮挡都能够同时接收到6颗以上卫星的信号。为了提高GPS定位的精度，在GPS卫星星座建成后美国又相继发射了一些卫星，截止到2008年3月，GPS卫星星座一共有31颗卫星。

图：GPS卫星星座动画
控制部分（Control Segment）
GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又分为主控站、监控站和注入站。
主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。
监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein）。监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。
注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

图：GPS地面控制部分示意图
用户部分（User Segment）
GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。

图：GPS用户部分示意图

§1.3 在GPS之前还有哪些卫星导航定位系统？
在GPS之前的一个卫星导航定位系统是子午卫星系统，它是第一代卫星导航定位系统，由美国的海军研制、开发、管理，又称为海军导航卫星系统（NNSS-Navy Navigation Satellite System），由于该系统采用多普勒方法进行导航和定位，所以又称为多普勒卫星定位系统。子午卫星导航系统于1964年1月正式建成并投入军方使用，直至1967年7月该系统才由军方解密供民间使用。
子午卫星系统的星座一般由6颗卫星组成。这个系统的缺点主要是：（1）一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要；（2）卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要；（3）子午卫星导航系统的定位精度偏低，这是该系统的致命缺陷。由于上述种种原因，纵使子午卫星导航系统刚服役不久，就迫使美国国防部不得不着手研究第二代卫星导航系统——全球定位系统（GPS）。
§1.4 目前世界上除了GPS之外还有哪些导航定位系统？我国有自主研发的卫星导航定位系统吗？
目前世界上除了GPS外，还有俄罗斯的“全球导航卫星系统”、欧洲的“伽利略卫星导航定位系统”，我国现在也具有自行研制的北斗卫星导航定位系统。
全球导航卫星系统（GLObal NAvigation Satellite System，GLONASS）是前苏联研制、组建的第二代卫星导航定位系统，现在由俄罗斯负责管理和维持。该系统和GPS的工作原理基本相似，可以为用户提高连续的、精确的三维坐标、三维速度和时间信息。前苏联从1976年开始研制GLONASS，1982年10月12日发射了第一颗GLONASS卫星，至1995年12月14日止，先后共发射了73颗GLONASS卫星，最终建成了由24颗工作卫星组成的卫星星座。这24颗卫星均匀分布在三个轨道面上。GLONASS虽然已于1996年初组网成功并正式投入使用，但是由于卫星的平均寿命过短，一般仅有2－3年，加上俄罗斯经济状况欠佳，没有足够的资金来及时补发新卫星，一度只有7颗在轨卫星能正常工作。目前，GLONASS系统的境况有所改善，截止到2008年三月，在轨能正常工作的GLONASS卫星共有16颗，不过仍然无法提供全球全天候的服务。
伽利略定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟正在建造中的一个卫星定位系统，是继GPS和GLONASS系统外，第三个可供民用的定位系统，也是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统。伽利略系统的整个卫星星座将由30颗卫星组成（27颗工作卫星和3颗在轨备用卫星），均匀的分布在三个卫星轨道面上。中国也参与了伽利略系统的部分研制工作。
北斗卫星导航定位系统（又称Compass Navigation System）是中国独立开发的卫星导航定位系统。目前的北斗一代系统包括四颗卫星，属于试验系统，是一种区域性的有源导航定位系统，只覆盖中国部分地区。与GPS、GLONASS、Galileo不同，北斗一代系统靠双星定位，只能确定用户的平面位置，海拔高程则依靠中心站内的地面高程模型来确定，因此，用户自己并不能独立求得自己的三维坐标，计算工作必须在地面中心站完成。目前，我国正在开发北斗二代系统。这个系统包括35颗卫星，将是一个真正的全球卫星导航定位系统。

§1.5 GPS定位的基本原理
为了测定某一点P（称为测站）的位置（X,Y,Z），GPS需要获得某一时刻P点所能观测到的GPS卫星的位置，以及卫星到点P的距离（如下图所示）。通常对于用户来讲，卫星位置（称为星历）是已知的，这样，如果获取了三颗以上卫星到P点的距离就可以计算出P点的位置参数（X,Y,Z）。不过，由于测站P采用的GPS接收机的时钟一般具有较大的误差，我们也把测站GPS接收机的时钟误差（简称钟差）作为一个参数来计算，因此要测定一个点的位置通常至少需要观测四颗卫星到测站的距离。这就是GPS单点定位的基本思想。

图：GPS定位示意图

§1.6 影响GPS定位精度的因素有哪些？
影响GPS定位精度的因素可以分为三类：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差、与接收机有关的误差。

图：GPS误差源示意图
与卫星有关的误差
（1）卫星星历误差
卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差。由于卫星空间位置是由地面监控系统根据卫星测轨结果计算求得的,所以又称为卫星轨道误差。
（2）卫星钟差
卫星钟差是指GPS卫星的时钟与GPS标准时间的差别。虽然GPS卫星均采用高精度的原子钟，但它们与GPS标准时之间仍不可避免的存在误差。
（3）相对论效应的影响
相对论效应是指由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度和重力位) 不同引起的两台钟之间产生相对钟误差的现象。
与传播途径有关的误差
（1） 电离层延迟
在电离层中,气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离,形成大量的自由电子和正离子。当GPS信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差,这种误差称为电离层延迟误差。
（2） 对流层延迟
对流层是高度在50km 以下的大气层,其大气密度比电离层更大,大气状态也更复杂。对流层与地面接触并从地面得到辐射热能,其温度随高度的增加而降低。GPS 信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差,这种误差称为对流层延迟误差。
（3）多路径误差
经某些物体表面反射后到达接收机的信号如果和直接来自卫星的信号叠加干扰后进入接收机，就将使测量值产生系统误差，这就是所谓的多路径误差。多路径误差取决于测站周围的环境、接收机的性能以及观测时间的长短。
与接收机有关的误差
（1）接收机钟差
与卫星钟一样，接收机钟也有误差，而且由于接收机钟大多采用石英钟，因而其误差相对于卫星钟更为显著。前面已经介绍了，我们通常将GPS接收机的钟差作为一个未知参数来计算。
（2）接收机天线的相位中心位置误差
在GPS定位中，观测值都是以接收机的相位中心位置（可以简单的理解为天线接收到GPS信号的那个点）为准的，而天线的相位中心与其几何中心在理论上应该保持一致。可是实际上接收机天线的相位中心随着信号输入的强度和方向的不同而有所变化，这就引起了观测瞬间的相位中心位置与理论上的相位中心位置不符合，这种差别叫天线相位中心的位置偏差。
（3） 接收机的测量噪声
这是指用接收机进行GPS测量时，由于仪器设备及外界环境影响而引起的随机测量误差，其值取决于仪器性能及作业环境的优劣。一般而言，测量噪声的值远小于上述各种偏差值。

§1.7 GPS现代化是什么？
1999年1月25日美国副总统以文告的形式正式提出GPS现代化。GPS现代化的主要目的是军民分离，强化军用；也就是实施所谓的“3P”政策：（1）保护（protection）战区内的美方军用；（2）防止（prevention）敌方开拓GPS军用；（3）保护（protection）战区外的GPS民用。为了实现这些目的，美国拟采取下面的措施：（1）分离军民用户伪噪声码所占的频带，增强军用伪噪声码的发射功率；（2）GPS新型工作卫星在轨自主更新星历，提高GPS系统抗毁能力；（3）第二导航定位信号（L2）增设C/A码和军用ME码，顺利实现GPS双频观测的电离层延迟误差改正；（4）Block IIF卫星增设第三导航定位信号L5；（5）实现地面监控系统的现代化。

§1.8 GPS定位方法有哪些？
GPS定位方法有不同的分类方法，如按照定位时待定物体的运动状态分，可以分为动态定位和静态定位；如按照定位采用的观测值类型分，可以分为伪距观测值定位和载波相位观测值定位；如按照时效分，可以分为实时定位和事后定位；如按照定位模式分，可以分为绝对定位、相对定位和差分定位。

§1.9 什么是RTK？
RTK是实时动态（Real Time Kinematic）测量系统的英文缩写，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。RTK定位技术是基于载波相位观测值的实时差分GPS测量技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。RTK的基本思想是：在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见的GPS卫星进行连续的观测，并将其观测数据通过无线电传输设备实时的传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，计算出流动站的三维坐标及其精度。

§1.10 什么是CORS？
CORS是连续运行参考系统（Continuous Operational Reference System）的英文缩写）。系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。基准站网是由一定范围内均匀分布的基准站组成。负责采集GPS卫星观测数据并输送至数据处理中心，同时提供系统完好性监测服务。数据处理中心是系统的控制中心，用于接收各基准站数据，进行数据处理，形成多基准站差分定位用户数据，组成一定格式的数据文件，分发给用户。数据传输系统将各基准站的数据传输至监控分析中心，该系统包括数据传输硬件设备及软件控制模块。数据播发系统通过移动网络、UHF电台、Internet等形式向用户播发定位导航数据。用户应用系统包括用户信息接收系统、网络型RTK定位系统、事后和快速精密定位系统以及自主式导航系统和监控定位系统等。
CORS系统彻底改变了传统RTK测量作业方式，其主要优势体现在：1）改进了初始化时间、扩大了有效工作的范围；2）采用连续基站，用户随时可以观测，使用方便，提高了工作效率；3）拥有完善的数据监控系统，可以有效地消除系统误差和周跳，增强差分作业的可靠性；4）用户不需架设参考站，真正实现单机作业，减少了费用；5）使用固定可靠的数据链通讯方式，减少了噪声干扰；6）提供远程INTERNET服务，实现了数据的共享；7）扩大了GPS在动态领域的应用范围，更有利于车辆、飞机和船舶的精密导航；8）为建设数字化城市提供了新的契机。
目前，为满足国民经济建设信息化的需要，我国一大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的连续运行网络系统。深圳市建立了我国第一个连续运行参考站系统（SZCORS），目前已开始全面地测量应用。全国部分省、市也已初步建成或正在建立类似的省、市级CORS系统，如：广东省、江苏省、北京、天津、上海、广州、东莞、成都、武汉、昆明、重庆等

图：深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结果及通信网络示意图

§1.11 GPS有哪些应用？
1、GPS在军事中的应用
在1970年代，正值美国与前苏联两个超级大国进行激烈的军备竞赛的时期，为了使中长程核子武器能够精准的命中目标、使海军舰队能够准确的抵达战场、陆军军队在不熟悉的战场上不会迷失方向等军事需要，美苏两国都大力发展定位导航系统，这就导致了GPS和GLONASS系统的诞生。因此，GPS至诞生之日起，其主要的目的便是为军队服务的。在信息化时代，GPS已成为高技术战争的重要支持系统。它极大地提高了美军的指挥控制、多军兵种协同作战和快速反应能力，大幅度地提高了武器装备的打击精度和效能。具体说来，GPS在军事上的应用主要有以下几个方面：
全时域的自主导航。GPS的主要功能就是自主导航，利用接收终端向用户提供位置、时间信息，也可结合电子地图进行移动平台航迹显示、行驶线路规划和行驶时间估算，从而大大提高部队的机动作战和快速反应能力。
各种作战平台的指挥监控。GPS的导航定位和数字短报文通信基本功能可以有机结合，利用系统特殊的定位体制，将移动目标的位置信息和其他相关信息传送至指挥所，完成移动目标的动态可视化显示和指挥指令的发送，实现战区移动目标的指挥监控。
精确制导和打击效果评估。GPS制导有精度高、制导方式灵活等特点，已成为精确制导武器的一种重要制导方式在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增加了近100倍，而它们全部或大部分都依靠GPS制导。GPS还可以对打击目标命中率进行评估。在装有GPS接收终端的弹药击中目标引爆的瞬间，触发用户机进行定位，并将位置信息和时间信息迅速传送到指挥中心，从而进行命中率评估，其评估效果已在伊拉克战争中得到充分检验。
未来单兵作战系统保障。主要利用定位和通信功能，为单兵提供位置信息和时间信息服务，同时可将单兵的位置信息实时动态传送到指挥机构，并及时向单兵发送各种指令，提高单兵作战和机动能力。在科索沃战争中，美军的F-117隐形飞机被击落后，由于飞行员配备了GPS接收机的呼救装置，从而使美军能抢在南联盟军队之前，在7小时内找到并救出飞行员。
军用数字通信网络授时。利用GPS可提供高精度授时，为军用通信网络提供统一的时标信息，从而使通信网络速率同步，保证通信网中的所有数字通信设备工作于同一标准频率上。

图：GPS军事应用示意图
2、GPS在交通运输业中的应用
GPS技术在交通运输和道路工程中的运用已经开始得到重视和发展。我们已经发现许多城市的出租车、租车服务、物流配送等行业已经开始利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车请求，降低能源消耗，节省运行成本。在车辆导航方面，通过GPS系统和数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。民航运输还通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。在航海方面，GPS可以用来进行船只的航行导航、船只进出港的导航服务、海上救援以及航空母舰上飞机着舰/起飞导引系统，直升机临时起降导引、军用飞机的编队、突防、空中加油、空中搜索与救援等特殊服务。

图：GPS在交通运输中的应用示意图

3、GPS在测量领域中的应用
GPS已经成为目前最为重要的大地测量和工程测量手段之一。起初，它在测量中的主要用途是建立国家和地区的控制网，比如我国的“2000国家GPS控制网”等，为局部的测量提供一个参考框架。目前，GPS不仅用来建立国家和地区的控制网，而且在众多的工程测量中都采用了GPS技术，比如桥梁、大坝、高楼、边坡等的变形监测等等。特别是随着RTK、CORS等技术的发展，GPS在城市和野外测量中的使用越来越便捷、应用领域越来越广泛。

图：隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统

4、GPS在地球动力学中的应用
地球动力学是从地球的整体运动出发，由地球内部和表层的构造运动来探讨其动力演化过程，进而寻求其驱动机制。其基本问题是研究地球的变形及其变形机理。由于GPS能够精确的提供监测点的三位坐标和速度，因此它从1980年代后期开始已经逐步取代传统的大地测量方式成为地壳运动监测的最主要的手段。目前，GPS已经被广泛的用来研究板块构造，监测地震、火山、冰川冰盖等引起的地壳运动，并与其它手段相结合研究海平面变化、极移等等。
全球有200个GPS基准站，计划在板块边界和全球已知构造活动区约25个区域加密GPS监测网，实现全球地壳运动的自动监测。近年来，随着GPS技术的发展，加之各国相继受强烈地震的袭击，国际上兴起了利用GPS研究地震预测、大陆构造变形和地球动力学等领域的高潮。开展此项研究的观测网主要有：美国南加州GPS观测网（SCIGN）、日本的密集GPS观测台阵（GEONET）和中国地壳运动观测网络（CMONOC）等。
中国地壳运动观测网络，是以GPS观测技术为主，辅之以已有的空间技术，结合精密重力和精密水准测量构成的大范围、高精度、高时空分辨率的地壳运动观测网络。地壳运动观测网络可以绘制出覆盖中国大陆及周边广大地区的地壳运动图，为研究地震活动的时空迁移规律、未来地震的强度等一系列问题，提供了定量的数据，从根本上改变以往推测过多的状况，大大提高了我国监测预报地震的能力和水平。同时，这一网络对预测其他地质灾害，例如滑坡、火山也有重要作用。

图：中国地壳运动速度场（自王琪等，Science 2001）
5、GPS在精细农业和林业中的应用
所谓“精细农业”，就是将现代化信息高新技术与作物栽培管理辅助决策支持技术、农学、农业工程装备技术集成应用于农业，获取农田高产、优质、高效的现代化农业精耕细作技术。其核心是指实时地获取地块中每个小区土壤、农作物的信息，诊断作物的长势和产量在空间上差异的原因，并按每一个小区做出决策，准确地在每一个小区上进行灌溉、施肥、喷药，以达到最大限度地提高水、肥和杀虫剂的利用效率，增加产量，减少环境的污染的目的。
GPS技术在精细农业中可以发挥重要的作用，比如：采集土壤样品时，GPS接收机把样品采集点的位置精确地测定出来，将其输入计算机，计算机依据地理信息系统将采样点标定，绘出一幅土壤样品点位分布图；在收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机，就构成了作物产量监视系统，当收割玉米时，监视器记录下玉米所接穗数和产量，同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置，通过计算机最终绘制出一幅关于每块土地产量的产量分布图；在GPS的控制下，依据土壤养分含量分布图，农药或化肥喷施器能够精确地给田地的各点因地制宜的定量施肥或喷洒农药等等。
在林业方面，GPS能够快速、高效、准确地提供精密坐标，是森林资源调查与动态监测的重要工具。在造林、确定林区面积、估算木材量、计算可采伐木材面积、确定原始森林和道路位置、对森林火灾周边监测、寻找水源和测定地区界线等方面都可以发挥重要的作用。

GPS在精细农业和林业中的应用示意图
6GPS在移动通信中的应用
移动通信与GPS的结合是GPS发展的重要方向和新领域，传统的GPS领域与移动通信的相互渗透会促进GPS的发展，使GPS在民用领域不再是一种独立的业务与市场需求。
GPS在移动通信中的应用主要通过A-GPS (Assisted Global Positioning System) 技术完成。A-GPS主要依靠GPS卫星完成定位操作。对一般的GPS技术来说，需要GPS接收机在全空域范围内搜索可以使用的GPS卫星个数，通常这种搜索需要较长的时间，并不能满足快速移动定位的需要。在A-GPS技术中，网络可以根据移动平台当前所在的区域范围，确定所在区域上空的GPS卫星个数，并将这些信息提供给移动平台。移动平台根据这些信息，缩小搜索范围，缩短搜索时间，更快地完成可用卫星的搜索过程。A-GPS通过移动网络的定位系统进行一些参数补偿以缩短第一次定位时间和降低能耗，其精度在卫星可视时可以达到5～50m。
作为无线移动通信系统的特色业务之一，移动定位业务被全球的许多移动运营商视为是未来移动网络增值业务的一个亮点，主要是向移动运营商为移动通信用户提供LBS（Location Based Service）服务，将用A–GPS定位技术获得的用户位置信息发送给用户本人或他人。目前，世界各地的主要移动运营商都已开通了移动定位业务，如诺基亚公司收购了数字地图提供商Navteq公司，我国的两大移动运营商中国移动和中国联通也分别向用户提供了各种基于位置的服务。3G时代的到来将会为这一前景看好的无线增值业务提供一个更加广阔的发挥舞台。据统计，目前中国市场拥有GPS功能的手机销量约为350万部，到2011年将达到2100万部左右，增长速度相当惊人。未来，GPS功能将是手机功能的一种标准配置。

7、GPS气象学
在20世纪90年代初，人们就提出是否可以利用GPS接收点收到的讯号反算出大气中的电子浓度、水汽含量等信息。实验证实，这样得到的大气水汽含量对气象预告和气候分析十分有用，从而使GPS的应用领域更加扩宽。
当GPS卫星发出的信号穿过对流层时，对流层对GPS的影响主要表现为传播路径弯曲和传播速度延迟。其中前者的影响相对较小，而后者通常在2-3m。在GPS精确定位测量中，大气折射的影响是被当作误差源而尽可能地将其消除。相反，如果我们已经知道了地面接收站的精确位置，那么利用GPS观测值就可以反算出对流层延迟量。而在GPS气象学中，通过计算大气折射量，再利用适当的气象模型可以估计出对流层中的水汽含量，并进而进行天气预报等研究。
  GPS气象探测数据具有覆盖范围广（全球）、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定的特点。目前，用GPS测量大气水汽的观测网逐步形成，成为气象监测的一个重要手段。随着研究的进一步深入，GPS气象学必将对天气预报、气候和全球变化监测等领域产生深刻的影响。
  与GPS监测对流层相似，利用电离层对卫星讯号的延迟效应，采用GPS观测的信号可以获得GPS电离层延迟量可以反算出电离层中的电子含量。通过持续的观测，总结出其变化规律，从而可以建立起精确的电离层延迟预报模型。

§2 摄影测量与遥感技术
§2.1 摄影测量技术的起源
1858年，法国摄影师汤纳森在距地面80米高的气球上，用照像机拍下了鸟瞰巴黎市区的世界上第一张空中像片。之后，1860年10月13日，美国的博兰克在“空中皇后”号气球上，从365米的高空拍下了波士顿商业区一部及邻近的港口的像片。像片被刊登在了大西洋月刊1863年7月号上，这也是保存下来的最早的空中像片。1906年，劳伦斯在17只风筝上安装照相机，拍下了当时旧金山大火的大幅照片。

图1. 空中拍摄的旧金山大火影像
1903年莱特兄弟发明了飞机，但是当时并没有用来航空摄影，直到1909年，一位电影摄影师跟随莱特飞行，拍下了第一部以飞机为平台的电影。这一年的4月23日，莱特兄弟在意大利训练海军军官时，在机翼上安放照像机，拍下了世界第一张真正意义上的航空像片。第一次世界大战期间，为了军事侦察，第一台航空摄影机问世，飞机上的摄影才受到重视。由于航空摄影与地面摄影相比，在快速获取地面信息方面有着明显的优越性，使其在从1900年代到1910年代短短的十几年间得到迅速发展。也就是在此期间，诞生了一个崭新的工程技术领域——航空摄影测量。
航空摄影就是利用飞机、人造地球卫星装载专门摄影机，对地面进行摄影，获得像片或数字影像。用所获得地面像片进行地图制图，称为航空摄影测量。航空摄影测量是20世纪以后大面积测制地形图的最有效快速的方法。
§2.2 什么是摄影测量
简单地说，摄影测量就是首先对测量对象（地表面或地面上特定的物体）拍摄像片，通过对像片进行处理，然后依据影像来判断和解答被摄取的对象是什么？有些什么特性？尺寸的大小是多少？地理位置在哪里等等基本的问题。
因此摄影测量工作首先要根据影像的纹理、色彩、灰度等来判断被摄取的对象是什么以及对象的诸多特性；比如我们在影像上判断一个地块上面是什么农作物等等，这部分的工作称为影像解译。影像解译需要了解在特定的光谱条件（比如可见光）下对象的反射规律（称为光谱响应）。由于地面上不同的物体的反射情况通常不同，因此其成像的纹理、灰度也不同。比如房屋的反射较强，其成像一般比较亮，而植被的反射较弱，其影像的颜色较深。根据不同地物的这种光谱响应规律，就可以基本掌握一幅影像内究竟有哪些地物以及它们的特征了。再加上适当的实地调查（调绘），我们就可以搞清楚影像像幅内地物的准确信息。

图2. 早期的航空摄影照片
摄影测量要解决的另一方面的问题是定位的问题，这是摄影测量的核心问题。比如我们想知道影像上一个房屋的地理位置是在哪里？尺寸大小是多少？--这样的问题。那么怎样通过摄取的影像来进行定位呢？简单来讲，是通过室内处理恢复摄影的瞬间地面点及其影像点之间的对应的几何关系。这种处理涉及到一整套严密的空间解析几何理论。当我们确定了整幅影像内所有点的位置后，我们就可以得到这个地面区域的地形图。
传统的摄影测量利用机载的光学摄影机，在可见光条件下进行框幅式摄影。即飞机控制在一定的航高和航速，保持在一定的航向飞行，摄影机每隔一定的时间间隔拍摄一张照片，而且相邻像片之间保证有较大的重叠度。这样通过飞机的来回飞行拍摄，形成一条一条平行的航带，航带之间也需要保持一定的重叠度，直至拍摄的影像能覆盖整个测量区域。
重叠就是相邻像片上有部分影像是相同地物的影像。这不是没有必要的重复劳动，而恰恰是航空摄影测量的需要。相邻航线之间的重叠称为旁向重叠；同一航线相邻像片之间的重叠称为航向重叠。航向重叠度应不小于53％，旁向重叠度应不小于15％。如果重叠度不够，就会出现航摄漏洞，应该及时补摄。

图3. 航空摄影中的航带和影像重叠度
为什么航向或旁向要有一定的重叠度呢？这是为了在航空摄影测量立体测图时可以建立立体像对。由于相邻像片之间有一定的重叠，我们就可以根据人眼存在生理视差的原理，形成人造的立体视觉。
航空摄影瞬间，由于飞行姿态不同，每张像片与地面之间的几何关系也是不同的。利用航空像片进行地面点的定位，首先要恢复这种几何关系。对于单张像片来说，像点的空间位置和它相应的地面点的关系可以用一些特定的参数建立起来，确定这些参数就能恢复相互的几何关系，这些参数称为像片的方位元素。其中，确定摄影物镜（摄影中心）与像片关系位置的参数称为内方位元素，恢复内方位元素的目的在于恢复摄影光束；确定摄影中心与地面相互关系的参数称为外方位元素，外方位元素有六个：其中三个是摄影中心在地面辅助坐标系中的坐标，是直线元素；另外三个是航摄像片（或摄像光束）在地面辅助坐标系中的姿态，是角元素。确定外方位元素的目的在于恢复摄影像片与地面的几何关系。当这些元素都恢复后，航摄像片与地面之间的固定关系也就恢复了。也就是说我们已经确定了像点及其对应的地面点之间的几何关系，这样通过在室内量测影像上像点的坐标，就可以计算或投影得到地面点的实际位置。
由于相邻像片之间可以构成立体模型，对于由多张像片构成的立体模型来说，恢复或确定其与地面的几何关系，一般分为两步：相对定向和绝对定向。相对定向是在仪器上恢复摄影瞬间构成像对的像片间的相对位置关系，即恢复两个摄影光束的相对位置，使同名投影光线对对相交。相对定向后，就能够观察到立体了。两张像片构成的单独像对，只要转动左右两个光束，就能完成相对定向；连续立体模型的相对走向则要保持左光束不动，依次旋转右光束即可。相对定向后，就建立了自由比例尺的、方位任意的立体模型。但是，我们建立立体模型的目的是为了测绘与实地相似的地图，这就要求把模型按着确定的比例尺和实际方位放置到大地坐标系当中，这个过程就是绝对定向。经过相对定向和绝对定向后，就可以在立体模型上测绘地物和等高线了。

图4. 航空摄影像片对
在多倍仪、立体坐标量测仪、立体测图仪这类模拟摄影测量仪器上，通过建立立体像对和立体模型的定向，就形成了“假立体”即人造立体视觉。在我们观察立体模型的视野里，会出现突兀的高山，低凹的江河，广阔的平原，浩瀚的沙漠……，呈现出高低起伏的自然景观，令观察者有身历其境的感觉。其实这就是我们依据人眼观察物体时产生立体感觉的原理，在仪器上模拟航摄时的情形，建立立体模型，实现人造立体观察。大家知道，照像机和人眼很相似，它们都能感受物体的反射光。不过，摄影时，景物是聚焦在胶片上；眼睛观察时，景物是聚焦在视网膜上。假定我们以双眼代替摄站S1、S2，左右两眼分别观察已经摄取的左右像片，当像点视线构成的光束与摄影时光束相应，并方位一致时，视网膜上便形成生理误差，于是可以获得与观察实物相似的立体感觉。这说明，观察实物和观察立体像对，在视网膜上所形成的生理视差，取得了等效的结果。通过人造立体观察，可以大大提高摄影测量中对地物判读的准确性和对地面点量测的精确度，从而开辟了摄影测量的新天地。
人造立体观察至少应该满足以下条件：观察的必须是两个摄影站对同一景物摄取的像对；每只眼必须各观察像对中的一张像片；安放像片应该尽量使左右像片相应点的连线与眼基线平行，并使两条同名像点的视线与眼基线在一个平面内。掌握了人造立体观察的要领，有经验的测量员不必利用仪器，就可以直接用两张可以构成立体像对的像片进行立体观察。

图5. 航空摄影成像原理和立体模型
§2.3 摄影测量的发展
摄影测量的发展可分为三个阶段。
第一阶段为模拟法摄影测量阶段(1851-1970)。模拟摄影测量主要由立体测图仪进行。这些仪器均采用光学投影器、机械投影器或光学一机械投影器“模拟”摄影过程，用它们交会被摄物体的空间位置。模拟法摄影测量在我国一直延伸进行到20世纪70年代。

第二阶段为解析法摄影测量阶段(1950-1980)。20世纪30年代，美国开始研究解析法空间前方交会、后方交会和双点交会等方法。20世纪70年代由于计算机技术的发展，解析法摄影测量得到了迅速发展，这一时期主要产品是“解析立体测图仪”。解析立体测图仪与模拟测图仪的主要区别在于：前者使用数字投影方式；后者使用的是模拟物理投影方式。仪器设计和结构也不同：前者是由计算机控制的坐标量测系统；后者是使用纯光学、机械型的模拟测图装置。解析测图仪中引入了半自动化的机助作业，免除了定向时的一些繁琐过程和测图过程中的许多手工作业，输出成果可以形成数字产品。
解析摄影测量的发展，使得地形摄影测量与非地形摄影测量的应用不再受模拟测图仪的一些限制，它可以利用摄影仪器对各种目标进行各种方式摄影，用来研究和监测目标的外形、几何位置和动态目标的轨道测量等。

图6. 解析测图仪（左）与全数字摄影测量系统（右）
第三阶段为数字摄影测量阶段(1970-现在）。数字摄影测量是解析法摄影测量进一步发展的结果。它的发展起源于摄影测量自动化的实践，即利用相关技术，实现自动化测图。数字摄影测量处理的影像不再是模拟的像片，而是数字的栅格图像。通过计算机对影像的分析和处理，获取数字图形和数字影像信息。具体地说，它是在立体数字像对的基础上，由计算机进行影像处理和影像匹配，自动地识别（称为影像匹配或影像相关）相应像点及