张占阳
长安大学地测学院地理信息系统，陕西西安 （710054）
摘 要：随着科学技术的不断发展，地理信息系统作为一门学科和技术，其应用也越来越广泛，GIS技术不仅能处理、分析各种地表、空间数据，而且能实现多种数据的相互转换，但数据更新周期长、更新速度慢、精度低又制约着GIS在某些尖端领域中的应用，而GPS则解决了数据的实时采集和数据更新问题，大大缩短了库存数据的更新周期、提高了数据精度，而RS技术则可对采集的数据或图形图像数据进行处理、分析，并得到所需的感兴趣的专题数据，并在一定程度上提高了图形图像的数据精度。本文主要介绍了GIS、RS和GPS的基本概念和三者集成的基本设计思想及其在相关领域中的应用。
关键词：RS，GIS，GPS，矢量数据，栅格数据
0.引言
遥感技术通过不同遥感传感器来获取地表数据，然后进行处理、分析，最后获得感兴趣地物的有关信息，而其随着技术的不断进步，所获得的遥感信息也越来越丰富；而地理信息系统的特点在于能够对数据进行分析。如果将两者集成起来，一方面，遥感能帮助GIS系统解决数据获取和更新的问题；另一方面，可以利用GIS中的数据帮助遥感进行图像等的相关处理、分析等。此外，由于GPS在实时定位方面的优势，使其与遥感图像处理系统的集成变得很方便。但不管是地理信息系统，还是遥感图像处理系统，处理的都是带坐标的数据，而GPS是目前获取实时坐标数据最快、最方便的方式之一，同时精度也越来越高。因而将三者结合起来应用也是大势所趋。本文主要介绍了3S的基本概念，系统集成的基本设计方案，以及具体的实际应用等相关内容。
1.“3S”集成技术简介
“3S”技术是英文遥感技术（Remote Sensing RS）、地理信息系统（Geographical information System GIS）、全球定位系统（Global Positioning System GPS）这三种技术英文名词中第一个单词字头的统称。
1.1遥感技术（RS）
“遥感”，顾名思义，就是遥远的感知。地球上的每一个物体都在不停的吸收、发射和反射信息和能量。其中的一种形式-电磁波早已经被人们所认识和利用。人们发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。
遥感技术的实际操作虽然很复杂，但其结果在我们每个人的生活中，天天都能用到！您也许每天都收看电视台的“天气预报”吧，“天气预报”中所播放的"卫星气象云图"就是由“气象卫星”拍摄的“云”的图像。气象观测只不过是遥感技术众多应用的一个领域。
各种卫星通过不同的遥感技术实现不同的用途，如气象卫星是用于气象的观测预报；海洋水色卫星用于海洋观测；陆地资源卫星用于陆地上所有土地、森林、河流、矿产、环境资源等的调查；雷达卫星是以全天候（不管阴天、云雾）、全天时（不管黑天、白天）以及能穿透一些地物（如水体、植被及土地等）为特点的对地观测遥感卫星。
遥感技术使用的负载工具，不仅仅是卫星，还可以是航天飞机、飞机、气球、航模飞机、汽车、照相机的三角架等，从而实现了在不同高度上应用遥感技术，使之为我们不同的工作目的服务。我们目前最常用的是卫星遥感技术和航空遥感技术。
1.1.1成像方法
简单归纳遥感技术的成像方法，一般有两种：第一种是用照相机拍的胶卷，它用的照相机和胶卷和我们平常生活中用的照相机和胶片基本一样，所不同的是遥感的专业照相机要大一些，当然胶片也相应要大一些，另外有些胶片是专用胶卷，如"彩色红外"专用胶卷。将拍摄完毕的胶卷冲洗、印像、放大，即成为遥感像片；第二种是"数字成像"的，成像原理类似于我们看的电视。电视节目是从由电视台发射数字电信信号，这种信号在空中传播，到用户电视接收、回放信号，一幅图像的信号传输完毕，就实现了"可视化"。遥感技术也可理解为上述的信息传输过程，即把地面信息，通过卫星上的设备"拍摄"下来，然后将拍摄的信号传输到计算机中回放出来，我们就可以看到遥感图像了！
1.1.2分辨率
分辨率是用于记录数据的最小度量单位，一般用来描述在显示设备上所能够显示的点的数量（行、列），或在影像中一个象元点所表示的面积。
因为遥感"拍摄"的"像片"是由位于不同高度，装在不同载体（如飞机、卫星等）上的不同清晰度（分辨率）"照相"设备，以不同的"照相"（采集）方式，获取的遥感"像片"（图像、数据、影像等），这些遥感图像是具有不同清晰度、不同分辨率的"照片"。类似我们在生活中用"135" 照相机拍摄一棵树，从汽车上拍一张，然后再从飞机上拍一张，两张"135"底片在放大同一棵树时，其放大效果是不一样的。肯定是高度低的"135"照片放大后的效果最清晰，也就是说分辨率最高。
遥感卫星的飞行高度一般在4000km（千米）~600 km（千米）之间，图像分辨率一般从1 km（千米）~1m（米）之间。图像分辨率是什么意思呢？可以这样理解，一个象元，代表地面的面积是多少。象元是什么意思呢？象元相当于电视屏幕上的一个点（电视是由若干个点组成的图像画面），相当于计算机显示屏幕上的一个象素，相当于一群举着不同色板拼成画图的人中的一个。
当分辨率为1km时，一个象元代表地面1kmX1km的面积，即1km2（平方千米）；当分辨率为30m时，一个象元代表地面30mX30m的面积；当分辨率为1m时，也就是说，图像上的一个象元相当于地面1m x 1m的面积，即1m2（平方米）。 在您使用遥感图像数据时，请您千万注意，您所要解决的工作问题，应选相应分辨率的遥感数据资料。
1.1.3用途
就像我们生活中拍摄的照片一样，遥感像片同样可以"提取"出大量有用的信息。从一个人的像片中，我们可以辨别出人的头、身体及眼、鼻、口、眉毛、头发等信息。遥感像片（图像）一样可以辨别出很多信息，如水体（河流、湖泊、水库、盐池、鱼塘等）、植被（森林、果园、草地、农作物、沼泽、水生植物等）、土地（农田、林地、居民地、厂矿企事业单位、沙漠、海岸、荒原、道路等）、山地（丘岭、高山、雪山）等等；从遥感图像上能辨别出较小的物体如：一棵树、一个人、一条交通标志线、一个足球场内的标志线等。大量信息的提取，无疑决定了遥感技术的应用是十分广阔的，据统计，有近30个领域、行业都能用到遥感技术。由于遥感技术是从人们一般不能站到的高度去"拍照"，故从宏观视野上，也有着人力所不能及的优势。
1.2地理信息系统技术（GIS）
信息总量中有85%的信息是与地理位置有关的信息。与地理位置有关的信息，就叫地理信息。这样的信息相当广泛，如耕地的分布、林地的分布、城镇的分布、楼房等建筑物的分布、道路、河流、海岸、人口、医院、学校、企事业单位、管线、派出所、商店、井位、门牌、电闸、水表、开关等等，只要能用"位置"去描述的东西，都属于"地理信息"，遥感所提取的信息也全部包含在地理信息之中。
地理信息系统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、分级分层的去管理上述信息；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或遥感像片上，成为信息可视化工具，清晰直观的表现出信息的规律和分析结果，同时还能动态的在屏幕上监督"信息"的变化。总之，地理信息系统，您可以通俗的理解为信息的"大管家"。从上面的叙述中，我们可以看到，整个地理信息系统由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型和图形用户界面及系统人员组成。
1.3全球定位系统（GPS）
一种系统，由处于2万公里高度的6个轨道平面中的25颗卫星组成。此系统用于在任何时间，向地球上任何地方的用户提供高精度的位置、速度、时间信息，或给用户提供其邻近者的这种信息。
我们知道，一张像片是没有坐标的，而像片上的信息，特别是遥感图像上的信息，是需要定出位置的，只有 "有位置的信息"，才能成为地理信息。那么怎样来给遥感像片确定位置呢？有一种方便、快捷的手段，就是"全球卫星"定位系统。该系统是通过太空中的24颗GPS卫星来完成的。只需其中3颗卫星，就能迅速确定您在地球上的位置。您在确定位置时，仅需要一台像手机大小的"卫星定位仪"就可以了。这可比传统的测量定位、罗盘定位等先进多了。
全球定位系统主要有六大特点：
第一，全天候，不受任何天气的影响；
第二，全球覆盖（高达98%）；
第三，三维高精度定速、定时；
第四，快速、省时、高效率；
第五，应用广泛、多功能；
第六，可移动定位。
2.“3S”集成基本概念
广义的“3S”技术包括空间信息获取、传感器和信息探测、图形图像处理、空间定位、动态监测、信息管理与存储、预测评价与决策分析等。事实上 “3S技术”为资源管理人员对自然资源的调查、监测和分析，提供了有效的手段和工具。卫星遥感主要用来定期提供 (或生成 )详尽的自然资源分类图，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。“3S”技术 (即 R S、GIS、G PS技术 )已经成为不可分割的有机整体，它们将会在资源调查领域产生重大的影响。
一般情况，3S集成都会涉及到两两结合，所谓两两结合，即GPS与RS的结合、GPS与GIS的结合以及RS与GIS的结合。
2.1 GPS与RS结合
GPS与RS的结合关键在硬件，即GPS与RS传感器的结合。二者的结合能够实现无控制点的情况下空对地的直接定位。
2.2 GPS与GIS结合
GPS与GIS结合关键在软件，GPSP作为GIS的数据源用于寻找目标，帮助GIS定位以及数据的更新。二者的集成可利用地面与空间的GPS数据进行载波相位差分测量以满足不同比例尺数据库的要求。二者集成最成功的应用是车辆导航与监控。
2.3 RS与GIS结合
RS与GIS的结合方式一般有三种：
第一种，分开平行结合。这种结合方式的系统有不同的用户界面，不同的工具库和不同的数据库。RS的数据结构为栅格结构，其几何信息为行列数，属性信息为灰度值；GIS多为矢量数据结构，可实现矢量与栅格的相互转换。因此，GIS与RS的结合实际上是数据转换、传输、配准等相关的操作应用。为了便于管理，在具体的实施中有两种结构，一种是GIS为RS的一个子系统，另一种是RS作为GIS的一个子系统。在实际运用中后者更易实现，因为在GIS中增加栅格数据处理功能比在RS中增加矢量数据处理、分析及数据库管理功能更容易一些，逻辑上也更为合理。如下图：
图1 分开平行结合
第二种，表面无缝结合。该结合方式的系统有统一的用户界面，不同的工具库和数据库，这种类型结合的软件系统比较多。以上两种结合方式都需要建立一种标准的空间数据交换格式作为RS与GIS之间、各种GIS之间、GIS与电子地图之间的数据交换格式和标准。如下图：
图2 表面无缝结合
第三种，整体结合。这种结合方式的系统有统一的用户界面，同一工具库和同一数据库，即将GIS于RS真正集成起来，形成数据结构和物理结构均为一体化的系统。这是RS与GIS结合最理想的方式。目前，也已经有类似的系统出现。如下图为整体结合示意图：
图3 整体结合
软件方面数据结构一致，物理结构紧密的3S集成系统目前尚不多见，常见的多为两两紧密结合，只是附加了第三者，形成了相对松散的集成系统。
3.“3S”集成设计方案
遥感系统对遥感图像采集、图像处理和识别分类的功能很强，地理信息系统对图形的处理、管理和分析的功能很强，对于两者的集成理所应当要吸取两者的优点并填补两者的缺陷。现在已经有遥感和地理信息集成的软件，使它们在系统中自有的进行操作。二者如果再与全球定位系统（GPS）和实况采集系统（LCS）集成，则空间定位的实时获取和地表物体及环境信息（属性）的实时采集，将使集成系统的处理和分析也能达到实时或准实时化。但由于地理信息系统中分析功能的局限性，会使许多专业分析受到限制，但如果将“环境分析系统（EAS）”集成在一起，将使其专业分析和预测、决策功能更强。有人提出将运用人工智能技术的专家系统集成起来，那将使这个庞大的集成系统更加完美，这个集成系统称之为完美3S系统。
除了全球定位系统、遥感图像处理系统和地理信息系统三个主要核心系统外，增加了必要的实况采集系统、图形图像显示系统、环境分析系统和两个数据库系统。如下图为本集成系统的设计方案：
图4 3S集成系统构成
3.1全球定位系统
全球定位系统主要用作实时定位，无论是遥感数据采集和车、船导航等，采用单个GPS接收机定位的精度已经能满足要求，如Mage NAV5000型手持式GPS，单机定位精度在30米—100米之间，静态观测定位时间只需一分钟，动态观测时间约为10毫秒—20毫秒。如果采用双机作差分法观测，则定位精度在X、Y、Z方向上都能达到1米。所有的数据都可通过GPS输出端与计算机串口或并口连接后输入计算机。实时的GPS数据为本系统提供载运本系统的运载工具的坐标和实况采集数据的空间几何位置，在卫星上装载的GPS则提供获取遥感图像时的卫星空间坐标甚至姿态数据，从而解算出每个图像点的地面坐标。
3.2遥感图像处理系统
图像处理系统的功能包括：
（1）根据实况数据（包括卫星测定的参数）与原始遥感图像的特点所作的辐射校正；
（2）根据GPS定位数据或PDB中的地图数据对图像作几何校正及其它各种几何处理；
（3）数据交换和压缩，尤其是为了与GIS矢量数据叠合分析需将提取的专题数据进行栅格—矢量数据转换，或将PDB及GIS中传送过来的图形数据变换成栅格数据；
（4）图像增强处理等；
（5）图像识别与特征提取。
工作站上使用的图像处理软件如ErDas Imagine。图像处理系统向GIS和EAS提供专题信息，向PDS提供导航用图像并显示处理的中间结果和最后结果，向PDB存放处理后的图形或图像。
3.3地理信息系统
如前面所说，GIS以处理矢量形式的图形数据为主进行制图分析，也可对栅格形式的数据进行叠加分析。其特点是可以对同一地区，以统一的几何坐标为准，对不同层面上的信息进行查询、编辑、统计和分析。本系统中其作用是将预先存入PDS中的背景数据与LDB中的实况数据和RPS中的遥感分类数据进行多层面的管理和分析。
当前的GIS软件主要是Arc/Infor，GeoMap等，为了集成RPS和GIS的数据在一个软件中进行处理，已有的集成软件是GRASS和GRAMS，但这两种软件需要将矢量数据转换成栅格数据后进行叠加处理，而ErDas Imagine相对来说功能更强，但它也是在栅格数据的基础上进行操作处理。而Er Mapper软件则可将栅格图像和矢量形式的图形直接在不同的层面上进行叠加显示，更为方便。为了使声音、图像、动画等功能综合在一起，可以使用多媒体的GIS软件。
3.4实况采集系统
无论是遥感调查、环境监测和导航都少不了实况数据采集。实况采集的传感器包括红外辐射计、瞬时光谱仪、湿度计、酸碱度测定仪，噪声仪，甚至像雷达、声纳等等。大多数传感器输入的是模拟数据，须经模拟/数码转换并结合GPS定位数据建库或进入其它系统。模拟/数码转换是由计算机中的模/数转换接口板来完成。如下图为一种SV12S模/数变换接口板，它有16个通道与16中传感器相连，采用CAL译码，16路同时进入计算机，采样重复率为每秒钟8次。实况数据可在PDS上直接显示，也可以通过建库后经RPS或GIS处理后在PDS上显示。
图5 实况采集系统
3.5图形图像显示系统
图像图形显示系统是处理和分析人员了解和监视系统工作的窗口，对于导航和实况采集尤为重要，因此这两项工作要以实时显示来指导航行和采集数据。在图像处理、分类、图形编辑、叠加等以及数据分析中也随时需要显示中间结果和最终成果。显示屏幕可以有专用屏幕，也可直接在操作终端上显示图像，需要在图像卡支持下工作，要求有漫游、缩放、彩色合成、专题显示、图像与图形以及实况数据叠合，动态变化及图形图像的其它各项普通显示功能，屏幕缓冲器最好在2MB以上，位码在16—32bit，用以作多层面显示。
3.6环境分析系统
环境分析系统是为各种专业应用分析所设置的，这些专业分析已远远超过了GIS中的分析功能。环境分析系统是按照用户的要求，以一定的模式把有关数据和分析方法像积木一样地组织在一起，例如根据环境分析要求，选择来自LDB和PDB的数据，组织GIS提供的若干功能，结合EAS本身的一些专用分析功能，作叠置分析、网络分析，甚至运用人工智能方法进行动态分析和预测分析等，完成规定的环境分析任务。系统软件需结合应用目的编制。
4.系统应用
现在大型船舶在海上航行，虽然已经有先进的导航设备，但海难事故时有发生，如我国的“向阳红16号”科考船在去太平洋作锰结核矿调查中与塞浦路斯货轮相撞并沉默；“爱沙尼亚”号客轮在波罗的海遭遇风暴而遇难，死亡人数达900人。去南极的科学考察船，往返经过咆哮的西风带时，在惊涛骇浪中航行更是惊心动魄；进入南极圈时在冰山林立的海区航行，除了要有丰富的航海经验外，更需要有先进的导航设备来保证航行安全。本系统是一种理想的实用性导航系统，航海需要精确的实时定位，GPS实现了这一点。同时，航海还与气象息息相关，气象卫星遥感图像能提供最新的气象信息，气象分析还与高空和地面形势、海况有密切关系，本集成系统的优势是对遥感图像进行了几何纠正，使GPS定位数据能在图像上正确地显示船位，同时利用GIS的叠加功能将GPS数据、纠正后的遥感图片与海图和各种背景资料，如高空形势图、地面形势图、海况图作叠加处理和分析，寻找安全路线。驾驶员可以十分清楚地在PDS上观察到自己所处的位置及航行路线周围的情况。如下图为某海港GPS导航图：
图6 某海港导航图
对于冰区航行，需有雷达图像导航，同样需经RPS处理。为防止船舶与冰山或其它船只碰撞，须将船载雷达信号通过LCS进入系统，在PDS上与海图叠加显示。
南极大陆考察，在茫茫的冰原中行进，大部分地区没有详细的地图，南极气候变幻无常，风暴中能见度很低，冰盖上不少地区又有地裂缝难以通过。考察中需要遥感图像结合GPS导航，同时需要前人在考察中积累的资料做背景数据参与分析，考察数据又可通过LCS收集后建库，也可在行进中作实时分析。
5.结论
3S集成不仅能够实时获取数据、数据处理和实时导航，而且可以实时获取地表现状信息，实现变形监测分析，并可绘制土地利用现状图、森林分布图、草场分布图、城市变迁图、水资源分布图以及全球气候监测图与温室效应与环境污染监督图等。我们也相信，随着科学技术的不断发展，3S技术将会广泛的应用于社会中的各个领域中。
参考文献
[1] 孙家抦主编.遥感原理与应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003.2.
[2] 孙家抦，舒宁，关泽群.遥感原理方法和应用[M].北京：测绘出版社，1997.6.
[3] 崔铁军.地理空间数据库原理[M].北京：科学出版社，2007.
[4] 李德仁，周月琴，金为铣.摄影测量与遥感概论[M].北京：测绘出版社，2001.
[5] 梅安新.遥感导论[M].北京：高等教育出版社，2001.
[6] 李建松.地理信息系统原理[M].武汉：武汉大学出版社，2006.
遥感技术通过不同遥感传感器来获取地表数据，然后进行处理、分析，最后获得感兴趣地物的有关信息，而其随着技术的不断进步，所获得的遥感信息也越来越丰富；而地理信息系统的特点在于能够对数据进行分析。如果将两者集成起来，一方面，遥感能帮助GIS系统解决数据获取和更新的问题；另一方面，可以利用GIS中的数据帮助遥感进行图像等的相关处理、分析等。此外，由于GPS在实时定位方面的优势，使其与遥感图像处理系统的集成变得很方便。但不管是地理信息系统，还是遥感图像处理系统，处理的都是带坐标的数据，而GPS是目前获取实时坐标数据最快、最方便的方式之一，同时精度也越来越高。因而将三者结合起来应用也是大势所趋。本文主要介绍了3S的基本概念，系统集成的基本设计方案，以及具体的实际应用等相关内容。
1.“3S”集成技术简介
“3S”技术是英文遥感技术（Remote Sensing RS）、地理信息系统（Geographical information System GIS）、全球定位系统（Global Positioning System GPS）这三种技术英文名词中第一个单词字头的统称。
1.1遥感技术（RS）
“遥感”，顾名思义，就是遥远的感知。地球上的每一个物体都在不停的吸收、发射和反射信息和能量。其中的一种形式-电磁波早已经被人们所认识和利用。人们发现不同物体的电磁波特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。
遥感技术的实际操作虽然很复杂，但其结果在我们每个人的生活中，天天都能用到！您也许每天都收看电视台的“天气预报”吧，“天气预报”中所播放的"卫星气象云图"就是由“气象卫星”拍摄的“云”的图像。气象观测只不过是遥感技术众多应用的一个领域。
各种卫星通过不同的遥感技术实现不同的用途，如气象卫星是用于气象的观测预报；海洋水色卫星用于海洋观测；陆地资源卫星用于陆地上所有土地、森林、河流、矿产、环境资源等的调查；雷达卫星是以全天候（不管阴天、云雾）、全天时（不管黑天、白天）以及能穿透一些地物（如水体、植被及土地等）为特点的对地观测遥感卫星。
遥感技术使用的负载工具，不仅仅是卫星，还可以是航天飞机、飞机、气球、航模飞机、汽车、照相机的三角架等，从而实现了在不同高度上应用遥感技术，使之为我们不同的工作目的服务。我们目前最常用的是卫星遥感技术和航空遥感技术。
1.1.1成像方法
简单归纳遥感技术的成像方法，一般有两种：第一种是用照相机拍的胶卷，它用的照相机和胶卷和我们平常生活中用的照相机和胶片基本一样，所不同的是遥感的专业照相机要大一些，当然胶片也相应要大一些，另外有些胶片是专用胶卷，如"彩色红外"专用胶卷。将拍摄完毕的胶卷冲洗、印像、放大，即成为遥感像片；第二种是"数字成像"的，成像原理类似于我们看的电视。电视节目是从由电视台发射数字电信信号，这种信号在空中传播，到用户电视接收、回放信号，一幅图像的信号传输完毕，就实现了"可视化"。遥感技术也可理解为上述的信息传输过程，即把地面信息，通过卫星上的设备"拍摄"下来，然后将拍摄的信号传输到计算机中回放出来，我们就可以看到遥感图像了！
1.1.2分辨率
分辨率是用于记录数据的最小度量单位，一般用来描述在显示设备上所能够显示的点的数量（行、列），或在影像中一个象元点所表示的面积。
因为遥感"拍摄"的"像片"是由位于不同高度，装在不同载体（如飞机、卫星等）上的不同清晰度（分辨率）"照相"设备，以不同的"照相"（采集）方式，获取的遥感"像片"（图像、数据、影像等），这些遥感图像是具有不同清晰度、不同分辨率的"照片"。类似我们在生活中用"135" 照相机拍摄一棵树，从汽车上拍一张，然后再从飞机上拍一张，两张"135"底片在放大同一棵树时，其放大效果是不一样的。肯定是高度低的"135"照片放大后的效果最清晰，也就是说分辨率最高。
遥感卫星的飞行高度一般在4000km（千米）~600 km（千米）之间，图像分辨率一般从1 km（千米）~1m（米）之间。图像分辨率是什么意思呢？可以这样理解，一个象元，代表地面的面积是多少。象元是什么意思呢？象元相当于电视屏幕上的一个点（电视是由若干个点组成的图像画面），相当于计算机显示屏幕上的一个象素，相当于一群举着不同色板拼成画图的人中的一个。
当分辨率为1km时，一个象元代表地面1kmX1km的面积，即1km2（平方千米）；当分辨率为30m时，一个象元代表地面30mX30m的面积；当分辨率为1m时，也就是说，图像上的一个象元相当于地面1m x 1m的面积，即1m2（平方米）。 在您使用遥感图像数据时，请您千万注意，您所要解决的工作问题，应选相应分辨率的遥感数据资料。
1.1.3用途
就像我们生活中拍摄的照片一样，遥感像片同样可以"提取"出大量有用的信息。从一个人的像片中，我们可以辨别出人的头、身体及眼、鼻、口、眉毛、头发等信息。遥感像片（图像）一样可以辨别出很多信息，如水体（河流、湖泊、水库、盐池、鱼塘等）、植被（森林、果园、草地、农作物、沼泽、水生植物等）、土地（农田、林地、居民地、厂矿企事业单位、沙漠、海岸、荒原、道路等）、山地（丘岭、高山、雪山）等等；从遥感图像上能辨别出较小的物体如：一棵树、一个人、一条交通标志线、一个足球场内的标志线等。大量信息的提取，无疑决定了遥感技术的应用是十分广阔的，据统计，有近30个领域、行业都能用到遥感技术。由于遥感技术是从人们一般不能站到的高度去"拍照"，故从宏观视野上，也有着人力所不能及的优势。
1.2地理信息系统技术（GIS）
信息总量中有85%的信息是与地理位置有关的信息。与地理位置有关的信息，就叫地理信息。这样的信息相当广泛，如耕地的分布、林地的分布、城镇的分布、楼房等建筑物的分布、道路、河流、海岸、人口、医院、学校、企事业单位、管线、派出所、商店、井位、门牌、电闸、水表、开关等等，只要能用"位置"去描述的东西，都属于"地理信息"，遥感所提取的信息也全部包含在地理信息之中。
地理信息系统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、分级分层的去管理上述信息；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或遥感像片上，成为信息可视化工具，清晰直观的表现出信息的规律和分析结果，同时还能动态的在屏幕上监督"信息"的变化。总之，地理信息系统，您可以通俗的理解为信息的"大管家"。从上面的叙述中，我们可以看到，整个地理信息系统由计算机、地理信息系统软件、空间数据库、分析应用模型和图形用户界面及系统人员组成。
1.3全球定位系统（GPS）
一种系统，由处于2万公里高度的6个轨道平面中的25颗卫星组成。此系统用于在任何时间，向地球上任何地方的用户提供高精度的位置、速度、时间信息，或给用户提供其邻近者的这种信息。
我们知道，一张像片是没有坐标的，而像片上的信息，特别是遥感图像上的信息，是需要定出位置的，只有 "有位置的信息"，才能成为地理信息。那么怎样来给遥感像片确定位置呢？有一种方便、快捷的手段，就是"全球卫星"定位系统。该系统是通过太空中的24颗GPS卫星来完成的。只需其中3颗卫星，就能迅速确定您在地球上的位置。您在确定位置时，仅需要一台像手机大小的"卫星定位仪"就可以了。这可比传统的测量定位、罗盘定位等先进多了。
全球定位系统主要有六大特点：
第一，全天候，不受任何天气的影响；
第二，全球覆盖（高达98%）；
第三，三维高精度定速、定时；
第四，快速、省时、高效率；
第五，应用广泛、多功能；
第六，可移动定位。
2.“3S”集成基本概念
广义的“3S”技术包括空间信息获取、传感器和信息探测、图形图像处理、空间定位、动态监测、信息管理与存储、预测评价与决策分析等。事实上 “3S技术”为资源管理人员对自然资源的调查、监测和分析，提供了有效的手段和工具。卫星遥感主要用来定期提供 (或生成 )详尽的自然资源分类图，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。“3S”技术 (即 R S、GIS、G PS技术 )已经成为不可分割的有机整体，它们将会在资源调查领域产生重大的影响。
一般情况，3S集成都会涉及到两两结合，所谓两两结合，即GPS与RS的结合、GPS与GIS的结合以及RS与GIS的结合。
2.1 GPS与RS结合
GPS与RS的结合关键在硬件，即GPS与RS传感器的结合。二者的结合能够实现无控制点的情况下空对地的直接定位。
2.2 GPS与GIS结合
GPS与GIS结合关键在软件，GPSP作为GIS的数据源用于寻找目标，帮助GIS定位以及数据的更新。二者的集成可利用地面与空间的GPS数据进行载波相位差分测量以满足不同比例尺数据库的要求。二者集成最成功的应用是车辆导航与监控。
2.3 RS与GIS结合
RS与GIS的结合方式一般有三种：
第一种，分开平行结合。这种结合方式的系统有不同的用户界面，不同的工具库和不同的数据库。RS的数据结构为栅格结构，其几何信息为行列数，属性信息为灰度值；GIS多为矢量数据结构，可实现矢量与栅格的相互转换。因此，GIS与RS的结合实际上是数据转换、传输、配准等相关的操作应用。为了便于管理，在具体的实施中有两种结构，一种是GIS为RS的一个子系统，另一种是RS作为GIS的一个子系统。在实际运用中后者更易实现，因为在GIS中增加栅格数据处理功能比在RS中增加矢量数据处理、分析及数据库管理功能更容易一些，逻辑上也更为合理。如下图：
图1 分开平行结合
第二种，表面无缝结合。该结合方式的系统有统一的用户界面，不同的工具库和数据库，这种类型结合的软件系统比较多。以上两种结合方式都需要建立一种标准的空间数据交换格式作为RS与GIS之间、各种GIS之间、GIS与电子地图之间的数据交换格式和标准。如下图：
图2 表面无缝结合
第三种，整体结合。这种结合方式的系统有统一的用户界面，同一工具库和同一数据库，即将GIS于RS真正集成起来，形成数据结构和物理结构均为一体化的系统。这是RS与GIS结合最理想的方式。目前，也已经有类似的系统出现。如下图为整体结合示意图：
图3 整体结合
软件方面数据结构一致，物理结构紧密的3S集成系统目前尚不多见，常见的多为两两紧密结合，只是附加了第三者，形成了相对松散的集成系统。
3.“3S”集成设计方案
遥感系统对遥感图像采集、图像处理和识别分类的功能很强，地理信息系统对图形的处理、管理和分析的功能很强，对于两者的集成理所应当要吸取两者的优点并填补两者的缺陷。现在已经有遥感和地理信息集成的软件，使它们在系统中自有的进行操作。二者如果再与全球定位系统（GPS）和实况采集系统（LCS）集成，则空间定位的实时获取和地表物体及环境信息（属性）的实时采集，将使集成系统的处理和分析也能达到实时或准实时化。但由于地理信息系统中分析功能的局限性，会使许多专业分析受到限制，但如果将“环境分析系统（EAS）”集成在一起，将使其专业分析和预测、决策功能更强。有人提出将运用人工智能技术的专家系统集成起来，那将使这个庞大的集成系统更加完美，这个集成系统称之为完美3S系统。
除了全球定位系统、遥感图像处理系统和地理信息系统三个主要核心系统外，增加了必要的实况采集系统、图形图像显示系统、环境分析系统和两个数据库系统。如下图为本集成系统的设计方案：
图4 3S集成系统构成
3.1全球定位系统
全球定位系统主要用作实时定位，无论是遥感数据采集和车、船导航等，采用单个GPS接收机定位的精度已经能满足要求，如Mage NAV5000型手持式GPS，单机定位精度在30米—100米之间，静态观测定位时间只需一分钟，动态观测时间约为10毫秒—20毫秒。如果采用双机作差分法观测，则定位精度在X、Y、Z方向上都能达到1米。所有的数据都可通过GPS输出端与计算机串口或并口连接后输入计算机。实时的GPS数据为本系统提供载运本系统的运载工具的坐标和实况采集数据的空间几何位置，在卫星上装载的GPS则提供获取遥感图像时的卫星空间坐标甚至姿态数据，从而解算出每个图像点的地面坐标。
3.2遥感图像处理系统
图像处理系统的功能包括：
（1）根据实况数据（包括卫星测定的参数）与原始遥感图像的特点所作的辐射校正；
（2）根据GPS定位数据或PDB中的地图数据对图像作几何校正及其它各种几何处理；
（3）数据交换和压缩，尤其是为了与GIS矢量数据叠合分析需将提取的专题数据进行栅格—矢量数据转换，或将PDB及GIS中传送过来的图形数据变换成栅格数据；
（4）图像增强处理等；
（5）图像识别与特征提取。
工作站上使用的图像处理软件如ErDas Imagine。图像处理系统向GIS和EAS提供专题信息，向PDS提供导航用图像并显示处理的中间结果和最后结果，向PDB存放处理后的图形或图像。
3.3地理信息系统
如前面所说，GIS以处理矢量形式的图形数据为主进行制图分析，也可对栅格形式的数据进行叠加分析。其特点是可以对同一地区，以统一的几何坐标为准，对不同层面上的信息进行查询、编辑、统计和分析。本系统中其作用是将预先存入PDS中的背景数据与LDB中的实况数据和RPS中的遥感分类数据进行多层面的管理和分析。
当前的GIS软件主要是Arc/Infor，GeoMap等，为了集成RPS和GIS的数据在一个软件中进行处理，已有的集成软件是GRASS和GRAMS，但这两种软件需要将矢量数据转换成栅格数据后进行叠加处理，而ErDas Imagine相对来说功能更强，但它也是在栅格数据的基础上进行操作处理。而Er Mapper软件则可将栅格图像和矢量形式的图形直接在不同的层面上进行叠加显示，更为方便。为了使声音、图像、动画等功能综合在一起，可以使用多媒体的GIS软件。
3.4实况采集系统
无论是遥感调查、环境监测和导航都少不了实况数据采集。实况采集的传感器包括红外辐射计、瞬时光谱仪、湿度计、酸碱度测定仪，噪声仪，甚至像雷达、声纳等等。大多数传感器输入的是模拟数据，须经模拟/数码转换并结合GPS定位数据建库或进入其它系统。模拟/数码转换是由计算机中的模/数转换接口板来完成。如下图为一种SV12S模/数变换接口板，它有16个通道与16中传感器相连，采用CAL译码，16路同时进入计算机，采样重复率为每秒钟8次。实况数据可在PDS上直接显示，也可以通过建库后经RPS或GIS处理后在PDS上显示。
图5 实况采集系统
3.5图形图像显示系统
图像图形显示系统是处理和分析人员了解和监视系统工作的窗口，对于导航和实况采集尤为重要，因此这两项工作要以实时显示来指导航行和采集数据。在图像处理、分类、图形编辑、叠加等以及数据分析中也随时需要显示中间结果和最终成果。显示屏幕可以有专用屏幕，也可直接在操作终端上显示图像，需要在图像卡支持下工作，要求有漫游、缩放、彩色合成、专题显示、图像与图形以及实况数据叠合，动态变化及图形图像的其它各项普通显示功能，屏幕缓冲器最好在2MB以上，位码在16—32bit，用以作多层面显示。
3.6环境分析系统
环境分析系统是为各种专业应用分析所设置的，这些专业分析已远远超过了GIS中的分析功能。环境分析系统是按照用户的要求，以一定的模式把有关数据和分析方法像积木一样地组织在一起，例如根据环境分析要求，选择来自LDB和PDB的数据，组织GIS提供的若干功能，结合EAS本身的一些专用分析功能，作叠置分析、网络分析，甚至运用人工智能方法进行动态分析和预测分析等，完成规定的环境分析任务。系统软件需结合应用目的编制。
4.系统应用
现在大型船舶在海上航行，虽然已经有先进的导航设备，但海难事故时有发生，如我国的“向阳红16号”科考船在去太平洋作锰结核矿调查中与塞浦路斯货轮相撞并沉默；“爱沙尼亚”号客轮在波罗的海遭遇风暴而遇难，死亡人数达900人。去南极的科学考察船，往返经过咆哮的西风带时，在惊涛骇浪中航行更是惊心动魄；进入南极圈时在冰山林立的海区航行，除了要有丰富的航海经验外，更需要有先进的导航设备来保证航行安全。本系统是一种理想的实用性导航系统，航海需要精确的实时定位，GPS实现了这一点。同时，航海还与气象息息相关，气象卫星遥感图像能提供最新的气象信息，气象分析还与高空和地面形势、海况有密切关系，本集成系统的优势是对遥感图像进行了几何纠正，使GPS定位数据能在图像上正确地显示船位，同时利用GIS的叠加功能将GPS数据、纠正后的遥感图片与海图和各种背景资料，如高空形势图、地面形势图、海况图作叠加处理和分析，寻找安全路线。驾驶员可以十分清楚地在PDS上观察到自己所处的位置及航行路线周围的情况。如下图为某海港GPS导航图：
图6 某海港导航图
对于冰区航行，需有雷达图像导航，同样需经RPS处理。为防止船舶与冰山或其它船只碰撞，须将船载雷达信号通过LCS进入系统，在PDS上与海图叠加显示。
南极大陆考察，在茫茫的冰原中行进，大部分地区没有详细的地图，南极气候变幻无常，风暴中能见度很低，冰盖上不少地区又有地裂缝难以通过。考察中需要遥感图像结合GPS导航，同时需要前人在考察中积累的资料做背景数据参与分析，考察数据又可通过LCS收集后建库，也可在行进中作实时分析。
5.结论
3S集成不仅能够实时获取数据、数据处理和实时导航，而且可以实时获取地表现状信息，实现变形监测分析，并可绘制土地利用现状图、森林分布图、草场分布图、城市变迁图、水资源分布图以及全球气候监测图与温室效应与环境污染监督图等。我们也相信，随着科学技术的不断发展，3S技术将会广泛的应用于社会中的各个领域中。
参考文献
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