第1卷第1期1997年2月遥　感　学　报J OU RNAL OF REMO TE SENSIN GVol 11,No 11Feb 1,1997　3该文得到国家科学基金重点项目支持1收稿日期:1996年9月13日;收到修改稿日期:1996年10月28日论RS ,GPS 与GIS 集成的定义、理论与关键技术3李　德　仁(武汉测绘科技大学　武汉　430070)摘　要　该文从什么是GPS 、RS 与GIS (简称三S )的集成开头,讨论三S 集成中需要研究和解决的一些理论与关键技术,最后介绍各种可能的集成应用系统。

关键词　遥感,全球定位系统,地理信息系统,集成1　GPS 、RS 与GIS 的集成空间定位系统(目前主要指GPS 全球定位系统)、遥感(RS )和地理信息系统(GIS )是目前对地观测系统中空间信息获取、存贮管理、更新、分析和应用的3大支撑技术(以下简称“3S ”),是现代社会持续发展、资源合理规划利用、城乡规划与管理、自然灾害动态监测与防治等的重要技术手段,也是地学研究走向定量化的科学方法之一。

这3大技术有着各自独立、平行的发展成就:GPS 是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统,可为航空、航天、陆地、海洋等方面的用户提供不同精度的在线或离线的空间定位数据;RS 在过去的20年中已在大面积资源调查、环境监测等方面发挥了重要的作用。

在未来5年之中还将会在空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率3个方面,全面出现新的突破;GIS 技术则被各行各业用于建立各种不同尺度的空间数据库和决策支持系统,向用户提供着多种形式的空间查询、空间分析和辅助规划决策的功能。

随着“3S ”研究和应用的不断深入,科学家们和应用部门逐渐地认识到单独地运用其中的一种技术往往不能满足一些应用工程的需要。

事实上,许多应用工程或应用项目需要综合地利用这3大技术的特长,方可形成和提供所需的对地观测、信息处理、分析模拟的能力。

例如海湾战争中“3S ”技术的集成代表了现代战争的高技术特点,而且“3S ”技术的集成应用于工业、农业、交通运输、导航、捕鱼、公安、消防、保险、旅游等不同行业,将产生愈来愈大的市场价值。

近几年来,国际上“3S ”的研究和应用开始向集成化(或综合化)方向发展。

在这种集成应用中:GPS 主要被用于实时、快速地提供目标,包括各类传感器和运载平台(车、船、飞机、卫星等)的空间位置;RS 用于实时地或准实时地提供目标及其环境的语义或非语义信息,发现地球表面上的各种变化,及时地对GIS 进行数据更新;GIS 则是对多种来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取,作为新的集成系统的基础平台,并为智能化数据采集提供地学知识。

集成是英语Integration 的中译文,它指的是一种有机的结合,在线的连接、实时的处理和系统的整体性。

目前,由于对“集成”的含义理解不清,似有“集成”泛滥化之势头。

譬如说,对于已得到的航空航天遥感影象,到实地用GPS 接收机测定其空间位置(X 、Y 、Z ),然后通过遥感图象处理,将结果经数字化送入地理信息系统中,这同样使用了“3S ”技术,但它不是一种集成。

它不符合上述的集成概念。

一个较好的“3S ”技术集成系统的例子是美国俄亥俄州立大学、加拿大卡尔加里大学分别在政府基金会和工业部门资助下进行的集CCD 摄像机、GPS 、GIS 和惯性导航系统(INS )为一体的移动式测绘系统(Mobile Mapping System )。

该系统将GPS/INS ,CCD 实时立体摄像系统和GIS 在线地装在汽车上。

随着汽车的行驶,所有系统均在同一个时间脉冲控制下进行实时工作。

由空间定位、导航系统自动测定CCD 摄象瞬间的象片外方位元素。

据此和已摄得的数字影象,可实时/准实时地求出线路上目标(如两旁建筑物、道路标志等)的空间坐标,并随时送入GIS 中,而GIS 中已经存贮的道路网及数字地图信息,则可用来修正GPS 和CCD 成象中的系统偏差,和作为参照系统,以实时地发现公路上各种实施是否处于正常状态。

显然,这样的集成还应当有现代通讯技术和专家系统技术相配合,只是“3S”的提法已经广为流传开了。

从以上讨论不难看出,空间定位技术,遥感技术和地理信息技术的集成是一项技术难度极高的高科技。

2　“3S”技术集成中需要解决的理论问题和关键技术 为了实现真正的“3S”技术集成,需要研究和解决“3S”集成系统设计、实现和应用过程中出现的一些共性的基本问题,如“3S”集成系统的实时空间定位、一体化数据管理、语义和非语义信息的自动提取、数据自动更新、数据实时通讯、集成化系统设计方法以及容图形和影象的空间可视化等,为进一步设计和研制实用的“3S”集成系统提供理论、方法和工具。

这里不妨再作一些更具体的分析和说明。

211　“3S”集成系统的实时空间定位研究“3S”集成系统的传感器实时空间定位、系统行进过程中快速确定相关地面目标的方法和实现技术。

包括:———广域和局域差分GPS网的构建方法与实时数据处理的理论与算法;———遥感传感器位置和姿态的测定及在航空、航天遥感中的应用;———GPS辅助的遥感地面目标的自动重建与量测方法。

212　“3S”集成系统的一体化数据管理研究“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,以实现图形、图象、属性、GPS定位数据等的一体化管理,为“3S”的集成处理和综合应用提供基础平台。

包括:———非均质、多尺度、多时态空间数据的组织与管理;———面向对象的一体化数据结构与数据模型的研究;———大容量影象数据的压缩、传输、建库和存贮的理论与方法。

213　语义和非语义信息的自动提取理论方法研究从航空、航天遥感数据和CCD立体象对中自动、快速和实时地提取空间目标位置、形状、结构及相互关系和空间目标的语义信息的理论与方法。

主要包括:———遥感影象地物结构信息的自动提取和精确图形表达;———多种传感器、多分辨率和多时相遥感图象的融合理论与方法;———基于知识工程的遥感影象解译与分类系统的研究。

214　基于GIS的航空、航天遥感影象的全数字化智能系统及对GIS数据库快速更新的方法 研究如何依托已建立的GIS系统来实现航空、航天遥感影象的智能化全数字过程,并从中快速发现在哪些地区空间信息发生了变化,进而实现GIS 数据库的自动/半自动快速更新。

主要内容为:———GIS信息与现势的航空、航天影象复合;———从GIS信息与航空、航天影象之配准中,自动(或半自动)检测空间信息的变化和增加;———由GIS的属性数据以及它与现势影象配准之结果,自动(或半自动)提取语义信息与获取知识;———GIS信息的自动(或半自动)更新。

215　“3S”集成系统中的数据通讯与交换数据通讯是“3S”技术集成中的一个关键问题。

例如在环境监测、灾害应急、自动导航和自动加强系统中,需要将GPS记录数据和遥感成象数据(CCD记录和雷达记录等)实时传送到信息处理中心或反之将所有数据传送到量测平台上去,为此,需要研究:———数据单向实时传送的理论和方法;———数据双向实时传送的理论和方法;———数据交换的理论和方法。

216　“3S”集成系统中的可视化技术理论与方法“3S”集成系统中将有不同分辨率、不同时相的大量图形和影象数据,需要研究它们的多级分辨率和多尺度表示在各种介质和终端上的可视化问题。

包括:———空间图形图象数据库的多级分辨率的存贮,显示和表达;———可视化空间数据库的构建与应用;———从空间数据库至地图数据库的自动综合和56第1期李德仁:论RS,GPS与GIS集成的定义、理论与关键技术符号化理论与方法;———容图形和影象的可视化技术与虚拟现实。

217　“3S”集成系统的设计方法及CASE工具的研究主要研究基于计算机辅助软件工程(CASE)技术的“3S”集成系统的设计方法和软件开发、维护的自动化技术,设计和发展专用于“3S”集成系统设计的CASE工具,例如:———可视化编程技术的研究和工具开发;———“3S”集成系统的结构化分析和设计规格的自动生成;———综合考虑时空关系及语义信息的数据实体关系表达与数据字典生成;———“3S”集成中的分量方法(Component ap2 proach)及关键技术。

218　“3S”集成系统中基于客户机/服务器的分布式网络集成环境 “3S”集成系统研究是一项涉及到多专业、多用户、多数据的综合研究课题,它需要一个强大而又有效的硬环境支持。

这其中包括:多种软件系统(GIS软件ARC/IN FO、M GE、G eoStar等,全数字化摄影测量系统VirtuZuo,遥感图象处理系统ER2 DAS,GPS数据处理软件WuCAPS等)的综合使用;多类型数据的快速传输;多用户的工作方式。

该项研究应根据“3S”集成系统研究的特点与特殊要求,为“3S”集成研究设计提供一个多种空间信息数据获取方式与地理信息管理系统融为一体的基础研究环境。

这种集成化环境的研究完成,可以将多种数据集中在一起实现共享,特别是网络化的数据传送方式可以快速有效地将数据传送到各用户,为“3S”集成的深入研究提供条件。

此项研究包括:———“3S”集成系统网络集成环境的硬、软件组织;———分布式多用户间的数据快速传送;———多类型数据的数据通讯与格式转换。

以上是就“3S”整体集成系统来讨论的,具体应用时可视应用目的和集成方式不同而有可能加以简化。

3　“3S”技术中实用的集成模式这里,简要地对实际应用中可能用到的“3S”技术集成模式加以讨论。

311　GIS与GPS的集成利用GIS中的电子地图和GPS接收机的实时差分定位技术,可以组成GPS+GIS的各种电子导航系统,用于交通,公安侦破,车船自动驾驶。

也可以直接用GPS方法来对GIS作实时更新。

这是最为实用、简便、低廉的集成方法。

这时存在几种复杂程度不同、价格也不同的集成模式:(1)GPS单机定位+栅格式电子地图。

该集成系统可以实时地显示移动物体(如车、船、飞机)所在位置,从而进行辅助导航,优点是价格便宜,不需要实时通讯。

缺点是精度不高,自动化程度也不高。

(2)GPS单机定位+矢量电子地图。

该系统可根据目标位置(工作时输入)和车船现在位置(由GPS测定)自动计算和显示最佳路径,引导驾驶员最快地到达目的地。

并可用多媒体方式向驾驶员提示。

但矢量地图(交通图)数据库需要化较大成本。

GPS测定误差可设法加以补偿和改正。

(3)GPS差分定位+矢量/栅格电子地图。

该系统通过固定站与移动车船之间两台GPS伪距差分技术,可使定位精度达到±(1—3)m,此时需要通讯联系,可以是单向的,也可以是双向的,即GIS系统可以放在固定站上,构成车、船现状监视系统,可以放在车、船上,构成自动导航系统,双方均有GIS加通讯,则可构成交通指挥、导航、监测网络,上述GPS+GIS集成系统可用于农作物耕作运营中。