本科毕业论文3s技术及其在数字城市建设中的应用论文.docx
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本科毕业论文3s技术及其在数字城市建设中的应用论文
目录
摘要3
1.3S技术概述5
2.GPS原理与应用6
2.1GPS发展概况6
2.2GPS的优点7
2.3GPS系统组成8
2.4GPS定位原理8
2.5GPS定位方法9
2.6GPS应用10
3.遥感原理及应用11
3.1遥感发展概况11
3.2遥感原理13
3.3遥感分类14
3.4遥感的特点14
3.5遥感的物理基础14
3.6遥感数字图像处理16
3.7遥感应用18
4.地理信息系统概论22
4.1地理信息系统发展史22
4.2地理信息系统发展趋势23
4.3地理信息系统原理24
4.4GIS应用26
4.5城市管理中的地理信息系统26
5.3S集成及应用29
5.1RS与GPS的集成29
5.2GIS与GPS的集成29
5.33S集成所遇到的问题30
5.43S产品（4D产品）的应用30
6.数字城市建设31
6.1目前的数字城市建设32
6.2数字城市建设框架33
6.3数字城市建设关键技术33
6.4数字城市建设过程中出现的问题及可能的解决方案33
总结35
致谢35
参考文献36
3S技术及其在数字城市建设中的应用
摘要
本文先分别介绍了全球定位系统、遥感、地理信息系统的现状和发展趋势，主要介绍了3S技术原理方法，最后简要介绍了3S技术集成及其应用。
随着戈尔提出“数字地球”的概念，数字城市、数字化建设层出不穷，包括现在的大热研究方向信息高速铁路、空间信息技术建设和关于海量数据的数据仓库、数据挖掘和数据可视化显示，掀起了一股数字化建设高潮，本文从数字城市建设的角度，介绍了3S技术的各个方面，讨论了3S技术在数字城市建设中的应用以及数字城市建设中可能遇到的问题，并针对这些问题提出了新的研究方向。
关键词：
3S技术；3S集成；数字城市
3STechnologyAndItsApplicationInTheDigitalCityConstruction
Abstract
Firstofall,Thispaperrespectivelyintroducesthepresentsituationanddevelopmenttrendoftheglobalpositioningsystem（GPS）,remotesensing,geographicinformationsystem,mainlyintroducestheprincipleof3stechnologymethods,finallythispaperintroducesthe3stechniqueintegrationandapplication.Sincegoreproposedtheconceptof"digitalearth",constructionofdigitalcity,digitalemergeinendlessly,includingthehotresearchdirectioninformationofhighspeedrailway,thespaceinformationtechnologyconstructionandhugeamountsofdataaboutdatawarehouse,datamininganddatavisualization,accordingtoanupsurgeinthedigitalconstruction,thisarticlefromtheperspectiveofdigitalcityconstruction,introducestheallaspectsofthe3stechnology,3stechnologyisdiscussedintheapplicationofthedigitalcityconstructionaswellasthepossibleproblemsintheconstructionofdigitalcity,andputsforwardanewresearchdirectiontosolvetheseproblems.
Keywords:
3stechnology,3sintegration,digitalcity.
1.3S技术概述
所谓3S是指以遥感RS（RemoteSensing）、地理信息系统GIS（GeographicInformationSystem）和全球定位系统GPS（GlobalPositioningSystem）为主的，与地理空间信息有关的科学技术领域。
国际上一般用“Geomatics”来代表3S。
“Geomatics”译作“地球空间信息学”,是以全球定位系统、地理信息系统、遥感等空间信息技术为主要内容，并以计算机技术为主要技术支撑，用于采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用于地理空间分布有关数据的一门综合的、集成的信息科学的重要组成部分，构成数字地球的基础。
“Geomatics”反映了现代测绘科学、遥感和地理信息科学与现代计算机科学和信息科学相结合的多学科集成以满足空间信息处理要求的应用。
“Geomatics”研究的范围很大，相对比较复杂，因此，我国用“3S”来代替“Geomatics”。
“3S技术”作为一种对地观测技术，为科学研究、政府管理和社会建设提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。
结合“3S”各自的优势并实现其真正集成是当今研究的一个重要方向，即RS向GIS提供空间信息或更新信息，GPS向GIS提供空间定位，GIS对收集到的空间信息进行处理、存储、空间分析并提取有用信息，进行综合集成，从而为决策、城市规划和某些专门的应用服务。
3S技术集成，具有动态，实时、整体、多维等性质，然而现实生活中能够真正实现3S集成技术的系统并不多见，较为常见的是“3S”两两集成，如GIS和RS集成，GIS和GPS集成或者RS和GPS集成等。
一个得以真正实现“3S“集成的应用实例是测绘车系统，它是由美国Ohio大学与公路管理部门共同研制的，它将GPS接收机结合一台立体视觉系统载于车上，通过车的行进来获取道路及其周围的环境数据并存储于GIS数据库中。
最简单的3S集成方式是三种系统分开而由用户综合使用，高级的是三个系统有共同的界面并且能够实现表面上的无缝集成，数据传输在内部通过特征码结合，最高级的是实现整体的集成，构建一个统一的系统。
从软件角度来看，开发“3S“集成的系统在技术上很容易实现。
对于”3S“集成技术而言，最重要的是充分利用遥感以及全球定位系统的实时、准确、大面积获取数据的能力，节约时间，降低成本，寻找新的应用领域或者探索新的应用。
目前，”3S“集成技术成了一个新的、热门的研究方向。
但是用遥感和全球定位系统收集数据，用地理信息系统处理和应用数据的3S系统只是”3S“技术的综合应用，还没有实现真正的集成。
真正的”3S“集成应该是基于数据结构层面上的。
与GPS数据作为矢量数据导入GIS空间数据库相比，遥感数据虽然是栅格数据，但由于其影像中的每个象元存储的是灰度值，不直接代表某种专题值，显然要导入GIS数据库并不容易。
遥感数据要按照某种格式导入GIS数据库中可以有两种途径实现，一种是从矢量的角度实现，一种是从栅格的角度。
GIS可以支持矢量和栅格两种形式的数据导入，若从矢量的角度导入，由于遥感图像的复杂性，要实现快速、全自动提取，还需要充分研究遥感图像的地物目标提取和自动分类技术，当今，自动分类技术中，模糊分类法、神经元法以及面向对象法是比较新颖的分类方法，但由于误差大和需人为编辑并不能实现完全自动化，因此从矢量层面，实现遥感数据融入GIS数据数据库并不是明智的选择。
而从栅格角度比较容易实现与GIS的集成。
遥感影像的每个象元记录的是反映对应的地物平均辐射发射灰度值，通过将每个栅格的光谱辐射值使用某种算法转化为某种专题值如生物量、植被盖度等被称之为遥感信息模型，从而将遥感信息转化为GIS所支持的栅格数据模型。
“3S“集成技术的形成拓宽了传统的测绘技术领域，形成了新一代对地观测技术，”3S“技术试图在最大程度上实现遥感技术、地理信息系统、全球定位技术的综合使用，掀起了”3S“集成技术的深入研究和其他相关学科的发展，未来，若能真正克服数据结构层面上的障碍，实现更多的领域的”3S“集成应用系统，将会极大的降低成成本，实现空间数据的实时、快速、大面积获取。
2.GPS原理与应用
2.1GPS发展概况
GPS技术作为一种全新的对地观测技术，正在逐渐取代传统的常规仪器在越来越多的领域发挥作用。
20世纪八十年代以来，GPS卫星定位与导航技术与现代通信技术相结合在空间定位技术产生了了革命性的变化。
用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘技术从陆地和近海扩展到海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时定位与导航，绝对和相对定位精度扩展到米级、厘米级，乃至亚毫米级，大大拓宽的它的应用领域和范围。
2.2GPS的优点
2.2.1测站与测站之间无需通视
与传统仪器获取地面点坐标测量相比，GPS测量时，由于不需要站与站之间通视，因此节省了觇标建设的时间和经费，另外，选择点位时也变得比较轻松，，不必考虑是否通视的影响。
2.2.2提高地面点定位精度
经过很多实践，证明在小于50km的基线上，可以达到1～2×10-6的相对定位精度，而在100km～500km的基线上可以达到10-6～10-7的定位精度。
由于观测技术的提高和处理软件的完善，可以预测将来在大于1000km的基线上，相对定位精度可望达到甚至优于10-8。
相对定位精度提高也为GPS测量能够应用更多的领域准备了条件，相信，随着GPS测量定位精度的提高，GPS测量会逐步取代传统的地面测量方法，应用于愈来愈多的领域。
2.2.3观测的时间短
一般来说，采用静态定位方式来完成一条基线的定位，由于所要求的定位精度的不同，时间也就1～3小时。
最近几年来迅速发展的短基线（如不超过20km）快速定位方法，观测时间仅仅为几分钟，大大提高了观测速度，缩短了外业观测的时间，这也间接降低了费用，提高了作业效率。
2.2.4能够提供三维坐标
GPS测量不仅能够获得地面的的平面位置坐标，还能够同时获得地面点的高程，即GPS能够提供地面测站点的三维坐标。
GPS水准引起了越来越广泛的兴趣。
与常规水准相比，GPS水准具有费用低、效率高、能够在很大范围内进行高程加密的特点，这一特点为GPS在航空摄影测量和遥感获取地面点高程方面开辟了新的应用途径。
2.2.5操作简单宜行
首先由于GPS接收机的重量比较轻、体积比较小，因而迁站时比较容易携带；另外由于GPS接收机无需完全人为干预，采集测站数据时，只需要测量员进行测站设置，量取仪器高，记录环境和气象等参数，其他由接收机自动进行数据采集。
因此，GPS测量极大的提高了了操作的自动化程度，减少了人为干预，节约了人力成本。
2.2.5全天侯作业
GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。
2.3GPS系统组成
全球定位系统由GPS卫星、地面监控部分以及用户部分三个部分组成。
GPS卫星星座有24颗卫星，卫星轨道面个数6个，卫星高度20200KM，轨道倾角55度，运行周期11小时58分，载波频率为1575和1227MHZ，GPS卫星在轨重量为843.68KG，设计寿命七年半。
GPS卫星可连续的向用户播发进行导航定位的测距信号和导航电文，并接受来自地面监控系统的的各种信息和命令以维持系统的正常运行。
地面监控部分的主要功能是跟踪GPS卫星、确定卫星的运行轨道及各种卫星钟改正数，进行预报后，再按规定的格式编制导航电文，并通过注入站送往卫星。
地面监控系统还能通过注入站向卫星发送各种指令，调整卫星的轨道及时钟读数，修复故障或启用备用件等。
用户则用GPS接收机来测定从接收机至GPS之间的距离，并根据卫星星历所给出的观测瞬间卫星的空间位置等信息求出自己的三维位置，三维运动速度和钟差等参数。
2.4GPS定位原理
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间后方交会的方法确定待定点的位置。
GPS获取接收机所在位置的坐标需要解决两个问题即如何确定卫星的位置以及如何测量出卫星到测站的距离。
设接收机机在开始接收信号的时间为t0,信号到达接收机的时间为△t，卫星星历可以从卫星星历数据中获得，即已知卫星的空间位置。
有以上数据可以列出如下方程，如下图2-1所示：
图2-1GPS测量简图
[（Xi-X）2+（Yi—Y）2+（Zi—Z）2]1/2+C（Vti—Vt0）=D
（1）
方程
（1）中X、Y、Z为待测点地面的空间直角坐标，为未知参数；（Xi、Yi、Zi）为某一卫星的空间三维坐标，可以由导航电文求得；Vt0为卫星钟的钟差，Vti为某一观测卫星钟的钟差，可有卫星星历得到，视为已知数；D为卫星至接收机的距离，可有D=c△t求得，其中C为测距信号的传播速度。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过某种算法挑出误差最小的一组用于定位，从而提高数据解算的精度。
四颗卫星就可以列出4个方程，解出四个未知数，即可计算出未知点三维坐标X、Y、Z和接收机的钟差Vt0。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。
目前，一般采用差分GPS（DGPS）技术，建立地面基准站进行GPS观测来提高定位的精度，利用已知的基准站的精确坐标，和观测数值进行比较，从而得出修正数，并对外共享，以供测量时使用。
GPS接收机根据改正值，并用所测得的数据，参照改正值，得到相对较正确的数据，间接不用考虑很多误差，从而提高了定位精度。
实践证明，利用差分GPS，可以大大提高定位的精度。
2.5GPS定位方法
按定位模式可分为绝对定位（单点定位）、相对定位和差分定位；按定位时接收机天线的运动状态分为静态定位和动态定位；按获得定位结果的时效分为事后定位和实时定位；按观测值类型分为伪距测量和载波相位测量。
单点定位即单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法。
定位结果与所用星历同属一坐标系的绝对坐标，采用广播星历时属WGS-84，采用IGS精密星历时为ITRF。
其优点是一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位；缺点是精度主要受系统性偏差的影响，定位精度比较低。
单点定位的应用领域主要是低精度导航、资源普查和军事方面。
单点定位一般通过采用精密星历，采用精密钟差，地面跟踪双频改正，对流层延迟模型改正来提高定位精度。
相对定位是确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法。
定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量及其精度信息，采用广播星历时属WGS-84，采用IGS精密星历时为ITRF。
相对定位的优点是定位精度高；缺点是多台接收共同作业，作业复杂，数据处理复杂，不能直接获取绝对坐标。
其应用领域主要是高精度测量定位及导航。
相对定位的类型有静态定位、普通静态定位、快速静态定位、动态定位、实时动态定位（RTK）、单基准站RTK和多基准站RTK（网络RTK）。
绝对定位精度不能满足要求就产生了差分定位。
差分GPS利用设置在坐标基准站上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法。
差分定位的原理是根据误差具有空间相关性，差分定位极大的提高了定位的精度。
2.6GPS应用
GPS是世界上最先进的、最完善的卫星导航系统与定位系统，它具有全国性、全天候、实时高精度、三维导航与定位能力，而且具有良好的抗干扰性和保密性。
因此引起世界各国军事部门和广大民用部门尤其是测绘界高度重视，特别是最近几年来，GPS定位技术在应用基础的研究、新领域的开拓、软硬件的开发等方面取得了快速发展，广泛的科学实验活动和开发项目也为GPS技术的完善提供了广泛的发展前景。
近年来，GPS精密定位技术已经在我国得到广泛的应用，在大地测量中、工程测量与变形监测、资源勘测与地壳动力监测等方面取得了良好的效果，在新的世纪，GPS导航与定位技术奖会获得进一步发展，应用将更加广泛，效益会更加显著，将为我国经济建设、国防建设的发展和科学技术的进步发挥更大的作用。
2.6.1在测量领域中的应用
（1）GPS在大地测量与与地球动力学中的应用
a.建立和维持国际地球参考框架、测定地球自传参数
b.建立和维持区域性动态参考框架
c.大地定位
（2）在工程测量中的应用
a.布设各种类型的工程测量控制网
b.变形监测
c.一般的工程测量
（3）在航测和遥感中的应用
a.布设测区内的大地控制点
b.GPS辅助空中三角测量
c.遥感卫星定规
（4）地籍测量和地形测量中的应用
3.遥感原理及应用
3.1遥感发展概况
遥感是指在不直接接触地物目标的前提下，远距离感知目标物和自然现象的的一门探测技术，即在航空、航天、地面各种的遥感平台上，运用搭载在遥感平台上的各种传感器来获取地表的各种数据，通过传输、变换、处理、提取有用信息，来研究地表物体的空间位置、形状、大小和物理特性的一门学科。
20世纪60年代以来，随着世界上第一颗人造地球卫星发射成功和计算机技术的发展和广泛应用，为遥感技术的发展创造了新的条件。
卫星遥感拍摄范围大、速度快、成本低，重复观测周期短，有利于监测地表的动态变化，并且能观察到地面近距离无法观测到的宏观自然现象。
传感器技术方面也取得了很大发展，出现了多光谱扫描仪、红外传感器、雷达成像仪，极大扩展了获取信息的电磁波波长范围，一些传感器的甚至能达到全天时、全天候工作。
计算机技术的发展使得海量遥感数据存储、处理、检索、分析应用快速有效，尤其是在图像的压缩、增强、信息提取方面显示了极大的优势。
遥感技术发展体现在以下方面。
首先是越来越高的空间分辨率，20世纪70年代发射的第一颗资源卫星，又称陆地卫星，其搭载的传感器，能够达到90m的空间分辨率，后来出现的第二代遥感卫星，其空间分辨率提高到30m，到第三代遥感卫星如快鸟能够达到0.61m的极高空间分辨率，所测遥感图能够用来绘制和补测1:
5000地形图。
遥感平台的发展是另外一个方面，从航天飞机，宇宙飞船等有一定时间间隔的中短期观测发展到以国际空间站为主的多平台、多层面、长期的动态观测。
尤其是近年来小卫星的发展实现了任意时获取卫星影像的能力。
随着小卫星群计划的推行，可以用多颗小卫星，实现每2—3天对地表重复观测一次，获取高分辨率的成像光谱仪数据，多波段、多极化方式的雷达卫星，将能解决阴雨多雾情况下的全天候和全天时对地观测。
光谱探测能力方面，遥感技术也取得了极速发展，成像光谱仪能够探测到地物在某些狭窄波区光谱辐射特性的差别，目前已在运行的MODIS成像光谱仪能达到36个波段，每个波段的波长区间间隔达到5nm。
立体成方面，由邻轨立体观测发展到同轨立体观测，极大的节省了图像获取的时间，尤其是侧视雷达和相干雷达立体成像使得立体测图方法更加多样化，并且能够实现全天候作业，目前侧视雷达和相干雷达用于获取数字地面高程模型方面取得了很大进步。
在遥感图像处理硬件设备方面开始由光学处理设备向数字处理系统，内外存容量的迅速扩大，处理速度急速增加，使处理海量遥感数据成为现实，网络的出现将使数据实时传输和实时处理成为现实。
遥感图像处理软件系统更是不断翻新，从开始的人机对话操作方式,发展到视窗方式（ERDAS、PCI、ENVI等），未来将向智能化方向发展。
另一个特点是与GIS集成，有代表性的是ERDAS与ARCIINFO的集成。
遥感软件的组件化也是一个发展方向，遥感软件的网络化，实现遥感软件和数据资源的共享和实时传输。
另外由于多种分辨率遥感影像的出现，导致海量数据的出现，使数据检索出现矛盾，遥感数据库的建立也迫在眉睫，现在遥感影像数据库的研究在各个方面展开，例如数据挖掘、数据压缩、数据共享及数据库间的无缝集成。
在遥感图像识别和分类方面，开始大量使用统计模式识别，后来出现了结构模式识别、模糊分类、神经元网络分类，半自动人机交互分类和遥感图像识别的专家系统。
但在遥感图像识别和分类中尚有许多不确定性因素尚需作深入研究。
在遥感应用方面有也有很大突破，总的看来是从定性分析走向定量分析。
另一个进步是是开始从宏观性分析到微观性分析。
未来要建立的数字地球是对真实地球及其相关现象数字化描述的一个虚拟地球。
遥感技术将为数字地球提供动态的高分辨力、高光谱影像，用遥感影像生成的三维数字地面模型（DEM），以及地物和环境的各种属性数据等一些数字地球中最基础的数据。
3.2遥感原理
遥感是通过遥感器这类对电磁波敏感的仪器，在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标地物，获取其反射、辐射或散射的电磁波信息，进行处理、分析与应用的一门科学和技术。
如图3-1所示：
图3-1遥感系统
遥感分为主动遥感和被动遥感。
主动遥感是指传感器主动发射一定电磁波能量并接收目标的后向散射信号。
被动遥感是指传感器不向目标发射电磁波，仅被动地接收目标物的自身发射和对自然辐射的反射能量。
任何目标都具有反射、发射、吸收电磁波的性质，遥感能根据搜集到的电磁波来判断地物目标和自然现象。
一切物体由于其种类、特征和环境条件的不同、具有完全不同的电磁波反射或发射辐射特征，遥感技术就是建立在物体反射或发射电磁波的原理之上的。
地物的空间信息主要通过搭载在遥感平台上的遥感器如多光谱传感器、图像增强等来获取。
遥感器接收到地物目标的电磁波信息，被记录在胶片或数字磁带上。
遥感卫星地面站接收、处理、存档、分发各类地球资源遥感卫星数据并进行相关技术研究，为遥感应用提供数据服务。
3.3遥感分类
按探测波段分类，如下表3—1所示：
表3—1按传感器的探测波段分类
按传感器的探测波段分
波长
紫外遥感
0.05-0.38μm
可见光遥感
0.38-0.76μm
红外遥感
0.76-1000μm
微波遥感
1mm-10m
按工作方式划分：
主动遥感与被动遥感。
按成像方式分为成像遥感与非成像遥感，其中成像传感器包括摄影传感器、扫描成像传感器、雷达成像传感器。
按应用领域划分外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感。
3.4遥感的特点
大面积同步观测时效性强、数据的综合性和可比性好、较高的经济和社会效益其局限性就是具有海量数据，存储、管理和使用问题，数据融合与压缩、定量遥感、新型数据处理、国际合作、高分辨率影像问题
3.5遥感的物理基础
3.5.1电磁波
按电磁波波长的长短，依次排列制成的图表叫电磁波谱，如图3-2所示：
图3-2电磁波谱
各波段划分和特点如下表3—2所示
波段
波长
特征
应用
紫外波段
0.001—0.38μm
大气对紫外线吸收较强；能使溴化银底片感光；太阳光谱中只有0.3-0.38μm的光到达地面，对油污染敏感
用于测定碳酸岩的分布；用于油污的监测
可见光波段
红
澄
黄
绿
青
蓝
紫
0.38—0.76μm
0.62—0.76μm
0.59—0.62μm
0.56—0.59μm
0.50—0.56μm
0.47—0
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