1、3S技术及其应用1 什么是3S技术？3S技术是遥感技术(Remote sensing，RS)、地理信息系统(Geography information systems，GIS)和全球定位系统(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和计算机技术、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、传播和应用的现代信息技术。3S技术的发展历史 随着3S技术的不断发展，将遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统紧密结合起来的“3S一体化技术已显示出更为广阔的应用前景。以RS、GIS、GPS为基础，将RS、G
2、IS、GPS三种独立技术中的有关部分有机集成起来，构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。1993年9月，美国克林顿政府作出了“冷战”结束后的一项重大决策，放弃“星球大战”和“新一代高能加速器”计划，转向推行引起全球关注的国家信息基础设施（National Information Infrastructure，简记为NII）计划俗称信息高速公路（Information Super-Highway，简记为ISH），其技术含义实际为“高速信息电子网络”。该计划是指一个能给全球广大用户随时提供大量信息的。由国家级、地区级和大企业的数据库、声象
3、设备及覆盖全国及至全球的通讯网络组成的，并通过国际互联网络（Internet）连结的计算机通讯网络系统及个人办公自动化系统。NII计划的实现将能改变人们的生产、生活和人际的交互方式，全世界已经有150多个国家正在或准备实施这项计划。1994年4月，由美30多所著名大学、国家高新技术项目署和美国自然科学基金会联合提出，经美政府批准，“国家空间数据基础设施”（National Spatial Data Infrastructure NSDI）。基于3S技术的地理空间数据的处理是实现NII的“瓶颈”问题。90年代中期，全球信息产业的总产值已超过$1万亿；发达国家信息产业的产值占国民生产总值的比重已达
4、到50%左右。3S在我国的发展历史 邓小平80年代提出“开发信息资源，服务四化建设”。江泽民也指出：“四个现代化，哪一个也离不开信息化”。我国九五科技规划中将3S技术列为国家15项重中之重的高新技术发展项目。2019年1月国务院批准了中华人民共和国计算机信息网络国际联网管理暂行规定，表明了中国信息高速公路（China ISH）计划的正式启动。根据我国国情，从抓“三金工程”，既，金桥工程(国家经济信息网，覆盖全国的八横八纵光缆网络)，金关工程(国家外贸信息管理系统，金卡工程（电子货币工程）入手，正式拉开了我国信息化建设的序幕。现运行的还有邮电网、教育科研网等并通过INTERNET与150个国家连
5、网。我国在实施“三金工程”的同时，也积极开展了中国的空间信息基础设施建设，其中包括：国务院基础地理信息系统网络-9201工程，中科院的“全国生态网络”以及国家计委、国家教委、中国科学院联合项目“国家空间信息基础设施及示范系统-国家资源环境数据库及地区经济信息系统”等工程。我国GPS技术应用已开始进入民用和商业化；RS技术应用位于世界先进水平；GIS技术正应用在大中城市的建设中。3S技术技术Remote sensing，RS1Geography information systems，GIS2Global positioning systems，GPS3RS RS是指从高空或外层空间接收来自地球
6、表层各类地物的电磁波信息，并通过对这些信息进行扫描、摄影、传输和处理，从而对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术。遥感技术可用于植被资源调查、气候气象观测预报、作物产量估测、病虫害预测、环境质量监测、交通线路网络与旅游景点分布等方面。例如，在大比例尺的遥感图像上，可以直接统计烟囱的数量、直径、分布以及机动车辆的数量、类型，找出其与燃煤、烧油量的关系，求出相关系数，并结合城市实测资料以及城市气象、风向频率、风速变化等因数，估算城市大气状况。同样，遥感图像能反映水体的色调、灰阶、形态、纹理等特征的差别，根据这些影像显示，一般可以识别水体的污染源、污染范围、面积和浓度。另外，利用热红
7、外遥感图像能够对城市的热岛效应进行有效的调查。由于遥感在地表资源环境监测、农作物估产、灾害监测、全球变化等等许多方面具有显而易见的优势，它正处于飞速发展中。更理想的平台、更先进的传感器和影像处理技术正在不断地发展，以促进遥感在更广泛的领域里发挥更大的作用。GISGIS就是一个专门管理地理信息的计算机软件系统，它不但能分门别类、分级分层地去管理各种地理信息；而且还能将它们进行各种组合、分析、再组合、再分析等；还能查询、检索、修改、输出、更新等。地理信息系统还有一个特殊的“可视化”功能，就是通过计算机屏幕把所有的信息逼真地再现到地图上，成为信息可视化工具，清晰直观地表现出信息的规律和分析结果，同时
8、还能在屏幕上动态地监测“信息”的变化。总之，地理信息系统具有数据输入、预处理功能、数据编辑功能、数据存储与管理功能、数据查询与检索功能、数据分析功能、数据显示与结果输出功能、数据更新功能等。通俗地讲，地理信息系统是信息的“大管家”。地理信息系统一般由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型图形用户界面及系统人员组成。地理信息系统技术现已在资源调查、数据库建设与管理、土地利用及其适宜性评价、区域规划、生态规划、作物估产、灾害监测与预报、精确农业等方面得到广泛应用。目前国内比较流行的GIS平台软件有：ArcInfo、MapInfo等。GPS GPS是美国从20世纪70年代开始研制，于19
9、94年全面建成，具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息，具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，广泛应用于军事、民用交通(船舶、飞机、汽车等)导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活(人员跟踪、休闲娱乐)等不同领域。全球定位系统共由三部分构成：地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入导航电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯
10、辅助系统(数据传输)组成;空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上;用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。GPS全球定位系统的主要特点：全天候，不受天气影响;全球覆盖;三维定点、定速定时高精度;快速省时高效率;应用广泛多功能。GPS全球定位系统的主要用途：陆地应用，主要包括车辆导航、景点导游、应急反应、高精度时频对比、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等;海洋应用，包括远洋船只最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋油井平台定位、海平面升降监测等;航空航天应用，飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫
11、星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。经过20余年的实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的高新技术国际性产业。现在，除了美国的全球定位系统GPS之外，具有GPS同类功能的卫星系统还有俄罗斯的全球卫星导航系统，以及正在发展中的欧洲导航定位卫星系统，日本的多功能卫星增强系统。全球定位系统或GPS仅是这类系统的代名词。人类从航空摄影测量转向基于遥感的航空航天数
12、字摄影测量，从单一的地图制图转向电子地图数据库、地理信息系统的建设，技术结构也从单一技术向“3S”集成技术、基于网络环境的“3S”运行体系发展，已是一个历史发展的必然。2 3S技术的应用及发展 随着3S技术的不断发展，将遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统紧密结合起来的“3S一体化技术已显示出更为广阔的应用前景。以RS、GIS、GPS为基础，将RS、GIS、GPS三种独立技术中的有关部分有机集成起来，构成一个强大的技术体系，可实现对各种空间信息和环境信息的快速、机动、准确、可靠的收集、处理与更新。举例如下：精准农业与3S的应用 精准农业(Precision Agriculture，Precis
13、ion Farming，Precision Crop Management)又称精细农业、精确农业、精准农作和处方农作是近年来国际上农业科学研究的热点领域，实际上是主要应用3S技术，还有作物生产管理辅助决策支持系统和智能化农业机械装备技术，在定位采集地块信息的基础上，根据各地块土壤、水肥、作物病虫害、杂草、产量等在时间与空间上的差异，进行相适宜地耕种、施肥、灌水、用药，其目的是以合理的投入获得最好的经济效益，并保护环境，确保农业可持续发展通俗地说：精准农业就是利用RS作宏观控制；用GPS精确定位地面位置；用GIS将地面信息(地形、地貌、作物种类和长势、土壤质地和养分、水分状况等)进行储存，按区
14、内要素的空间变量数据，精确设定最佳耕作、施肥、播种、灌溉、喷药等多种操作，变传统的粗放型经 营为精细生产例如在喷洒农药时通过传感器获得不同田块不同程度病虫害的具体数据，实地调整喷药量，对症下药有效降低农业成本，使每一寸土地都得到最优化使用，使每一份资源都发挥应有的作用，以最经济的投人获得最佳的产出；又能有效地减少对环境的污染，保护农业的生态环境，走可持续发展之路3S技术在城市规划中的应用1 城市基本地形图更新 城市规划的基本条件就是大比例尺地形图，但传统的线划地图不仅建立周期长，更新困难，而且比较抽象，已经从原始信息中筛去了很多环境成分。4D产品包括数字线划地图(DLG)、数字高程模型(DEM
15、)、数字栅格地图(DRG)、数字正射影像图(DOM)，是新一代测绘产品的标志，有着现势性强、更新速度快、信息含量丰富等优点，将转变传统地图的观念，加快数据更新，丰富表现手段，也是对传统测绘方法的现代化改造。2 现状调查与数据管理 城市规划的初始阶段就是现状调查，往往要耗费大量的人力、物力、财力，又难以做到实时、准确。运用Rs技术可以迅速进行城市地形地貌、湖泊水系、绿化植被、景观资源、交通状况、土地利用、建筑分布的调查；运用GIS技术则能将大量的基础信息和专业信息进行数据建库，实现空间信息和属性信息的一体化管理与可视化表现，提供方便的信息查询和统计工具，克服CAD辅助制图的局限性。3 现状评价与
16、空间分析 利用多个时期的航空遥感影像图进行城市用地变迁动态研究，结合数理统计方法进行城市重心移动、离散度、紧凑度和放射状指数等形态测度评价，利用叠加分析、缓冲区分析、拓扑分析等工具进行商业服务设施和中小学的服务范围分析、交通可达性评价和建设条件适宜性评价，这有助于总结城市发展规律，发现存在的问题，增加空间分析的深刻性。4 交通调查与模拟分析 利用GIS进行城市交通小区出行分布的数据建库，可以对现状路网密度、出行距离和时间、交通可达性、公交服务半径进行合理性评价，结合专业软件能进行城市交通的规划预测、出行分布和流量分配，开展交通环境容量影响评价。利用遥感数据进行道路勘测设计，可以快速完成对路线所
17、经区域的地形、地貌、河流、建筑以及交通网系的概要判读。利用虚拟现实技术和三库一体(影像数据库、矢量图形库、数字高程模型)技术可以进行道路方案的仿真表现和环境模拟，实现全方位、立体化、多层次的规划和评价新模式。5规划管理 基础信息和规划信息的集成建库将使规划设计与规划管理更紧密地结合起来，可以在GIS平台上开展电子报批和网上报批，提高指标核算的科学性，避免地区规划的前后矛盾和土地批租的问题。3S技术的集成还促进了土地利用动态监测和规划执法检查，可以利用遥感卫星数据与历史数据进行复合分析，主动发现土地利用的变化靶区。用差分GPS技术精确测量土地利用的变化数据，再根据现场勘察资料，利用GIS技术进行
18、准确详查，增加了监测的主动性、及时性和客观性。总之，我国城市必将进一步迅速发展，随着城市现代化建设与管理 的加强。各大中城市建立城市地理信息系统将是必然趋势。目前北京、上海、广州等大城市均已提出建立数字城市的规划。3s技术的应用，实现了城市各种历史、现状和规划信息的集成管理和实时更新处理，能够动态、快速、高精度、规范化地获取和存储城市的各种空间和属性信息；快速而方便地进行信息查询、检索和统计；有效和智能化地进行城市空间分析，开展网络化的公众参与，提高了对城市发展的科学预见和动态监控水平。3S技术的发展与应用将推动数字城市规划技术从定性到定量的飞跃和理论从经验到科学的转变。3S技术为科学研究、政
19、府管理、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的结合应用，取长补短，是一个自然的发展趋势，三者之间的相互作用形成了“一个大脑，两只眼睛”的框架，即RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位，GIS进行相应的空间分析，以从RS和GPS提供的浩如烟海的数据中提取有用信息，并进行综合集成，使之成为决策的科学依据。3S技术应用前景 3S技术是一个有机的整体,RS用于提供大量实时、动态、快速、廉价的地理信息;GPS用于空间数据快速定位，为遥感数据提供空间坐标，并对遥感数据进行校正和检验;GIS用于对空间数据进行存贮、管理、查询、分析和可视化，将大量抽象的统计数据变成直观的专题图
20、和统计报表等。集 RS、GPS、GIS技术的功能为一体，可构成高度自动化、实时化和智能化的地理信息系统，为各种应用提供科学的决策咨询，以解决用户可能提出的各种复杂问题。RS、GIS、GPS的结合,实际上是将空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合,实现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、传播和应用。“3S”集成系统可以自动、实时地采集、处理和更新数据,还能够智能化地分析和运用数据,为各种应用提供科学的辅助决策,并能够回答用户提出的各种复杂问题。3S 技术具有获取信息的实时性，准确性，便捷性，综合性等特点。而以遥感技术、地理信息系统和全球定位系
21、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。3S的整体集成应用广泛，相互之间取长补短，功能也更为强大。从目前来看3S集成技术已是必然的发展趋势。一些文献实例一些文献实例 3S技术在林业中的应用_王雪1 解析3S技术在土地资源管理中的运用_张家源2 _3S_技术的农业应用与精细农业工程_沙宗尧3 .4 3S技术在林业中的应用_王雪 1.森林资源的调查 进行森林资源调查,可以详细掌握森林资源现状及其消长变化规律,提高森林资源管理水平,为各级林业主管部门提供正确的决策依据。3S技术的有机结合为森林资源的调查、监测和分析,提供了有效的手段和工具。因为“3S
22、”技术能快速、实时地获取地面三维信息,省去了以往图像繁重的校正工作及手工作图的作业方式,人工劳务介入量大大减少,作业步骤变得简单,周期缩短,成本成倍降低,整个过程将以自动化作业为主。卫星遥感可以定期提供(或生成)详尽的森林资源分类图,运用GPS可从空间获取地面调查样地的位置信息,并可把这些调查结果直接以数字方式编辑或连接到相应的可列表的数据库中,最后通过GIS把遥感监测图件、调查样地空间位置信息和可列表的资源调查数据(主要指属性)全部融合在一起。这种复杂的GIS数据库除可提供复杂的背景数据、资源多样性的真实描述和多层的数据结构外,还具有对生态系统实施无缝分析以及对数据库进行更新和增强的能力。2
23、.森林资源动态监测 随着3S技术的不断发展,特别是遥感与地理信息系统的日益完善,遥感数据可直接进入地理信息系统,实现了3S技术的一体化,可及时、准确、高效地对森林资源信息进行更新,对森林资源进行动态监测。依据对森林资源进行动态监测的不同应用范围和目的,可以选择不同的卫星遥感影像数据源作为基础数据源,如:Landsat卫星的TM或MSS或者TIR数据。根据各自不同的光谱观测波段和分辨率,用合适的遥感数据源结合地面抽样技术,并利用GPS对样地进行空间定位,最后用GIS对各种调查数据进行汇总和分析,建立起森林资源动态监测体系。3各种林业专题图的编制传统的林业制图一般都以地形图作为制作专题图的基本图,
24、成图周期长,精度低,投入高,且多采用手工绘制,在一些无地形图的地区更是无法进行工作。3S技术中的RS图像含有巨大的信息量,GPS可以精确地导航定位,利用GIS强大的制图功能,可以根据用户需要快速、精确地满足多种专题图制作的要求。所以利用3S技术可以不受时间、地域的影响,利用其获取的直接地学编码图像,直接输出包括地形图件,编制时间大大缩短,精度也有了较高的保证。3S技术的应用,使传统的手工绘图被计算机所取代,是林业制图的一次伟大变革。4森林火灾的监测遥感技术在该领域有着独特的优势,实时获取和处理这些数据成为该技术的关键。美国在现有推扫式扫描、可选择动态范围的红外火灾监测技术基础上,又发展了若干新
25、技术和新方法。在原有的利用卫星遥感数据(主要指AVHRR)监测火灾的技术和方法进行了归纳、整理和合并,形成了一套基于Internet影像查询系统的、实用的火灾探测算法,该算法具有自适应和区域性敏感的特点,所以能适合于区域和全球火灾监测。这样,用户就可以实时获取火灾位置等信息。我国森林火灾的遥感监测技术也比较成熟，行了机星地航空遥感试验,实现了侧视雷达扫描图像的实时数字传输,保障了对灾害事件的全天候监测,并快速地通过通讯卫星向远距离发送。总结了一些问题在林业中要想将遥感、地理信息系统和全球定位系统(3S)进行深层次的结合,需要从以下几方面进行努力:(1)遥感需改善分类精度,进行多维信息复合分析,
26、开展高光谱技术应用和智能化分类软件研制,研究3S数据的集成管理模式,数据模型,设计和发展相应的数据管理系统,以实现图像、图形、属性及GPS定位等的一体化管理,为3S的集成处理和综合运用提供基础平台。(2)GIS不应满足现有的存储、检索功能。要研制符合林业生产实际的预测模型,实现真正意义上的空间预测,更符合实际地进行数据更新,延长森林经理调查的间隔期。此外,自动提取边界、着色、注记等技术的优化,也是3S技术深层次结合必须解决的技术问题。(3)要集中力量克服上述列举的GPS技术的局限性,使数据准确获取,真正实现遥感图像直接空地定位。遥感图像定位是图像处理及应用的前提,传统的遥感图像定位是依赖于地面
27、控制点的选取和用一定的数学方法来实现,花费大量的人力和时间,使遥感技术速度快、周期短的优点难以实现,而使用GPS将实现遥感图像的直接空地定位。(4)要充分研究使3S技术紧密衔接的软件,实现真正的一体化,进而向“数字地球”的构想靠近。“数字地球”是需要高分辨率卫星,高速宽带网,海量存储,高性能计算机技术(仿真、虚拟等)以及功能互操作来实现的。(5)将3S技术在林业上的研究成果尽快转化为生产力,促进产业化革命。随着计算机软硬件技术水平的不断提高,3S技术将不断完善,并与决策支持系统、人工智能技术、多媒体等技术相结合,成为一项高度集成的综合技术,从而使森林资源调查与监测范围扩大、周期缩短,精度提高、现时性增强、工作量减少,进入一个数字化、实时化、自动化、动态化、集成化、智能化的新时代。THANKS
