GPS/GIS/RS /CAD Integration

****信息技术在城市规划中的应用**** 第四篇信息技术的综合应用信息技术的综合应用 GPS/GIS/RS /CAD Integration 主讲人：刘英建筑工程管理系城市规划教研室

本章主要内容 • 一、3S技术集成的原理及应用 • 二、3S技术的集成应用 • 三、网络技术以及信息技术的集成应用

第五章 3S技术集成与应用（3S Integration) 第一节 “3S”技术概述一、3S集成的概念： GPS：可以高效精确的提供点状地物的空间位置信息； RS：可以迅速及时的提供大面积地表的属性并在一定程度上提供地物的大面积的空间位置信息； GIS：为地物的几何数据和属性数据的存储、管理和应用提供了软件平台。因为三者英文名称中最后一个单词均含有“S”，人们习惯将这三种技术合称之为“3S”技术。

二、3S技术集成原理 • RS与GIS的集成 • GPS与GIS的集成 • GPS与RS • 3S的集成 • 3S集成应用领域

1、遥感与地理信息系统的集成 • GIS是分析、处理和显示空间数据的系统，而遥感影像则是空间数据的一种形式，类似于GIS中的栅格数据。因此，GIS和RS很容易在数据的功能上进行集成： • GIS作为RS图像处理的工具：－ GIS为RS提供空间数据管理和分析的技术手段： • －基于GIS数据的几何纠正和辐射纠正；

－－借助GIS数据库中空间数据（如DTM），可解决遥感的“异物同谱” 问题，从而提高对遥感数据的识别精度和效率。 • RS作为GIS的数据来源： • －地物要素的提取； DEM数据生成； • －土地利用变化以及地图数据更新； • －及时准确地为GIS提供综合和大范围的资源和环境数据；

显示 GIS 数据记录 GPS接收机数据接口数据处理定位测量串口通信监控与导航 2、全球定位系统与地理信息系统的集成 • GPS与GIS的集成主要是利用GPS的实时空间定位数据以及 • GIS的地图数据和空间分析技术，来实现不同的具体应用目标：如：定位、测量、车辆、船只飞机等移动物体的监控与导航等。

（1）定位 主要运用在诸如旅游探险等需要室外动态定位信息的活动。通过将GPS接收机连接在安装GIS软件和该地区空间数据的便携式计算机上，可以方便地显示GPS接收机所在位置，并实时显示其运动轨迹，进而可以利用GIS提供的空间检索功能得到定位点周围的信息，从而实现决策支持。

GIS与GPS集成

（2）测量 主要应用于土地管理城市规划等领域。利用GPS、GIS集成来测量区域面积或路径长度。方法：跟踪测量区域的多边形边界或路径的顶点坐标，并将坐标数据通过GIS记录，然后计算相关的面积或长度数据。

（3）监控导航 • 用于车辆船只的动态监控。 • 方法： • 根据车辆船只发回的位置数据，确定车船的运行轨迹， • 进而利用GIS空间分析工具判断其运行是否正常，是否偏离预定的路线、速度是否异常静止等等。 • 在出现异常时监控中心可以提出相应的处理措施，其中包括向车船发布导航指令。

系统由安装在监控中心的中央监控系统、安装在每辆车上的移动单元以及GSM通信网络三个部分组成。系统由安装在监控中心的中央监控系统、安装在每辆车上的移动单元以及GSM通信网络三个部分组成。移动单元设备可以为控制中心实时提供每一辆车的最新位置数据、车辆的状况和报警信息，并自动记录这些信息以便事后分析。中央监控系统将收到的位置信息经过处理，在大屏幕显示器上实时显示出当前监控车辆的地理位置。

车辆监控导航系统

3、全球定位系统与遥感 1、遥感图像几何校正的对地定位遥感影像的几何校正需要地面控制点（GCP），地面控制点应选用图像上易分辩、较精细、容易目视辨别的特征，如道路交叉点，河流弯曲或分叉处，海岸线弯曲、湖泊边缘，飞机场，城廓边缘等。这些地面控制点的坐标一般借助地形图来确定。但由于地形图的时效性，有时需要实地测量，GPS可以准确、快速地测出地面控制点地坐标，这是传统测绘方法无法相比的。

2、航空遥感中航线的控制 航空遥感中，飞机的姿态、飞行路线的控制对遥感任务是非常重要的。尤其是在多航线的面状遥感任务中，航线与航线之间的影像拼合主要取决于飞行路线的控制。空间定位系统可提供精确导航，使得航线之间平行，为遥感影像的高精度拼接和几何校正提供保证。

3、遥感实地验证时的导航定位 遥感影像判读后的实地验证过程中，需要知道所处的地点对应于遥感影像上的位置。传统方法主要是依靠明显地物来作参照物，效率低，准确度低。应用空间定位系统可有效地解决这个问题。 4、利用RS数据实现GPS定位遥感信息查询。

5、GPS气象遥感技术 利用GPS气象遥感技术（利用GPS卫星和接收机之间无线电讯号在大气电离层和对流层中的延迟时间），了解电离层中电子浓度和对流层中温度湿度，获得大气参数及其变化情况，因而目前建立和正在建立的全球许多GPS观测网将对天气预报尤其是短期天气预报发挥巨大作用。

GIS 几何配准、辅助分类等定点查询专题信息提供、更新区域信息提供、更新空间定位信息提供定位遥感信息查询 RS GPS 几何纠正、训练区域选择以及分类验证等第二节 3S的集成应用

3S技术为科学研究、政府管理、社会生活、数字地球提供了新的观测手段、描述语言和思维工具。3S结合应用，三者相互作用形成了“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及空间定位，GIS进行相应的空间分析，提取有用的信息，进行综合集成，为决策提供科学的依据。

3S技术集成的应用领域 • 数字城市 • 规划环保领域 • 车辆导航与监控 • 海洋资源开发利用 • 精细农业 • 土地利用 • 全球变化…

一、规划、环保领域 1、环境动态监测与环境保护遥感技术是环境动态监测的重要手段。通过地球观测卫星或飞机从高空观测地球,监测的区域范围大,获取环境信息快速准确,能够及时发现陆地淡水和海水的污染、大面积空气污染、南、北极冰雪覆盖范围的变化、森林大火，火山喷发、洪水淹没区域等。由此获得的环境动态观测数据，通过地理信息系统快速处理和分析，能够及时发现环境的变化，同时利用GPS的快速定位功能，便于采取措施控制环境污染，最大限度避免环境危害，达到保护环境的目的。

2、防灾、减灾、救灾 利用实时传输的遥感信息，可以动态监测林火发生的地理位置和所在的行政区域，包括经纬度、行政界线；森林火灾的动态演变，包括蔓延方向、燃烧面积和强度等；森林资源的损失情况，包括地类、林型及森林环境。在地理信息系统的支持下，可以快速制作遥感影象图，编制林火管制事态图,并通过屏幕显示和打印成图，为林火指挥人员提供实时决策依据。并利用地理数据库提供的扑灭火灾人员配置资料，根据预先制定的灭火方案，迅速进行灭火部署。

2、防灾、减灾、救灾 在地震预报中，应用GPS技术进行精密的大地测量基准研究，以此为地球动力学研究、地壳形变和地震预报服务。用遥感方法监测地温变化已成为很有发展前途的地震预报手段之一。地理信息系统可以对自然灾害信息进行查询分析，尤其在自然灾害损失评估中具有重要作用。 RS、GIS和GPS的“３Ｓ”集成将为灾害预测预报、制定防灾救灾预案、灾期应急行动指挥、灾后损失评估和治灾工程规划提供现代化的科学手段。

3、城市规划与城市管理 航空像片和高分辨率的卫星图像可以快速、真实地提供城市规划方面的大量信息。通过航空像片和高分辨率的卫星图像的判读和解译,城市规划人员和城市建设管理人员能够了解城市基本布局，或者了解城市建成区内的居民住房、工厂、商店、学校等各种建筑物,广场、街道、公园绿地和河湖水面的分布现状，这对于提高城市规划水平,监测城市规划的实施,总结城市规划方面的经验教训,搞好城市建设,有着重要的意义。

3、城市规划与城市管理 GIS的真正价值在于它能够快速进行分析，帮助规划人员来解决城市规划中碰到的问题。 GPS技术在城市交通管理和社会治安管理中具有重要作用，GPS为飞机、车、船导航和调度管理提供了全新的手段，也为银行、保险、公安、医疗、出租车等各类业务车辆提供了监控、调度和安全管理手段，因而将大大加强城市交通管理和社会治安工作。

二、其他领域中的应用 1、车辆导航与监控系统车辆导航与监控系统是一项融GPS、GIS、遥感技术与通讯技术为一体的复杂系统，它通过对车辆（移动目标）的导航、动态跟踪、监控、检查与服务等机制，来完成对车辆的综合管理与控制。目前，这类系统已经在国内外不少城市试用，它倍受公安、银行、保安、出租车管理等部门的青睐。

1、车辆导航与监控系统 RS——数字图像方式提供了城市范围内道路与相关因子动态变化信息，在GIS中作为电子数字地图使用，也可用遥感图像更新道路数据库。 GPS——提供车辆目前所处的精确位置，在GIS支持下，可在显示器上以“点”状符号的形式直观的为司机指明当前车辆位置，并可以通过无线集群通讯网将位置信息接入控制中心局域网，车辆导航与监控系统服务器接收各个移动车辆的位置信息，并分发给与其相连的各个操作台。 GIS——安装在管理操作台与监视操作台上，可把GPS定位信息表现在电子地图相应位置上，进而实现各种车辆信息的管理、显示和分析，为管理人员和司机提供辅助决策，在突发事件时它可以快速在地图上准确标出各个移动车辆的当前位置，为公安快速反应，交通调度管理，车辆报警求援提供帮助。以上各项技术各有侧重，相互补充，共同完成车辆导航与监控系统承担的各项任务。

2、PDA-3S 石油管线智能巡检系统 利用这套系统，巡检人员带上装有输油管网分布地图的掌上电脑，通过GPS定位，把使用者的位置信息对应显示在地图上，根据这个信息对比数据库中预先存储的管线设施的经纬度，找出所接近的设施，提示工作人员进行每个项目的检查，并把行驶的轨迹保存在电子地图上。用此系统可以直接找到待巡检的管线和设施，使工作有的放矢。所有设施检查完后，可以将掌上电脑中的数据自动同步到桌面电脑供管理者管理和日后的分析使用。

PDA-3S 石油管线智能巡检系统

2、海洋渔业资源开发 自从TIROS系列卫星投入运行以来，为人们提供了大量海洋遥感数据。不同的鱼种有不同的温度习性，因此，利用海面温度图可以推断渔场的分布。再利用遥感数据进行处理分析，绘制海洋表面温度分布图，遥感技术成了发现渔场的有力工具。在80年代初期，日本渔业已应用旬平均海温图来指导渔业生产，其远洋渔业也是利用遥感遥测指导捕鱼活动。

2、海洋渔业资源开发 1、 RS与GIS的综合应用：在GIS支持下，利用遥感技术提供的海洋生态环境参数，结合渔场预测模型和专家知识库，推测海洋鱼群的繁殖、洄游、分布及中心渔场位置，对海洋渔场进行预测、预报。在海洋电子地图上给出中心渔场、渔场边界、鱼群密度分布等信息，并对鱼群维持的时间做出预报，为海洋渔业捕捞提供技术支持。 2、GPS与GIS结合： GIS可以将岛屿、暗礁、洋流、主要鱼群的洄游路线和渔场的分布范围等表现在海洋数字地图上，GPS则提供了当前船只所在的位置，这种信号通过GPS与计算机接口，进入GIS，它可以直观的形象表现为一个箭头或者船只符号，随着船只不停行驶，其航行路线可以记录在地理数据库中，并能够动态地在数字地图上表现出来。

3、精细农业发展 70年代，遥感与地理信息系统技术的发展，为“精细农业”发展作了技术准备。80年代各发达国家在提高农产品市场竞争力目标驱动下，对减少环境污染，节约劳动成本、提高农业利润的大田作物生产的高新技术给予了广泛的关注，遥感与地理信息系统和辅助决策支持系统开始在农业较大范围中应用。90年代初期卫星定位系统技术的民用化，推动了3S在农业生产中的应用，导致了“精细农业”的诞生并推动了精细农业的发展。目前国外关于精细农业的研究，主要内容仍然集中在“3S”技术利用上可以说精细农业的发展起步不久，“3S”技术在精细农业示范应用中预示了良好的发展前景。在“3S”技术支持下的精细农业具有技术性强、定量化、定位化等特点。全球定位系统的优势是精确定位，地理信息系统的优势是管理与分析，遥感的优势是快速提供各种作物生长与农业生态环境在地表的分布信息，它们可以做到优势互补，促进精细农业的发展。

3、精细农业发展 GPS和GIS结合——提供科学种田需要的定位、定量的田间操作和田间管理的技术手段。 GPS——确定拖拉机和联合收割机在田间作业中的精确位置。 GIS——对各种田间数据进行处理和定量分析。例如：GIS能够根据地块中土壤特性(土壤结构和有机质含量)和土地条件(土地平整度和灌溉)，结合GPS接收机提供的位置数据，指挥播种机进行定量播种，播种的疏密程度与土地肥力和土壤质地等作物生长环境相适应。在GIS和GPS指挥下，农药喷洒机可以在病虫害发生地自动喷洒农药。

3、精细农业发展 RS和GIS结合——提供建立农田基础数据库所需的多种数据源。搭载在拖拉机和联合收割机上的GIS可以记录各种农田操作过程中获得的数据，如作物品种、播种深度、喷洒农药类型、施肥和灌溉，以及收获产量，同时记录下田间作业时的位置与范围，灌溉量、化肥使用量、农药喷洒量、喷施部位、使用时间、当时天气状况，这些都可以记录在数据库内，日积月累，形成农田基础数据库，作为辅助决策支持系统的重要科学依据。

4、土地研究 RS、GIS及GPS在土地研究领域的推广与应用，带来了十分明显的社会效益和经济效益。 RS在土地领域中的应用：常规的土地资源调查方法，获取数据的周期长而且精度差，无法提供及时、准确、全方位的信息。由于每年土地利用和土地覆盖状况都在变化，往往使耗资巨大的调查结果难以反映当前土地资源现状，而应用遥感技术可以快速获得土地利用和土地覆盖的动态变化信息。

4、土地研究 GIS在土地领域的应用： GIS最早是由土地部门发展起来的。尽管在不同土地部门中应用的地理信息系统名称不同，但它们实质上都是与具体部门相结合的地理信息系统软件。 GPS在土地领域的应用： GPS由于定位的高精度和应用的灵活性，目前已经成为土地调查中进行空间定位的主要手段。对于权属划拨引起的用地类型改变的情况，可以使用GPS接收机在野外获取变化区域的定位数据，在此基础上对土地资源数据库进行更新。

5、全球变化研究 全球变化与对地观测研究的技术支撑是遥感技术、地理信息系统技术、全球定位技术与高速数字通讯网络。遥感技术提供了地球上环境与资源动态变化信息，地面卫星接收站与数字通讯网络分别实现天地之间通讯传输与地球不同区域分布式数据库的联网；地理信息系统完成地球资源与环境信息的分析任务；全球定位技术提供了地球表层观测地点的精确位置等信息，以上技术各有侧重，相互补充，在全球变化研究和对地观测研究中发挥着重要作用。

5、全球变化研究 遥感技术是全球变化动态监测的重要手段。利用遥感技术获取全球变化信息，时间周期很短。以大气监测为例。当大气成分的浓度、温度、压力等大气状况发生变化时，电磁波信号的强度、相位、频谱和偏振状态就会发生变化，分析接收到电磁波中的各种物理特征，由此可以反推大气的状况。因此，可以利用气象雷达，探测目标物的空间位置、形状、尺度、运动趋势、降水强度、云中含水量、降水粒子谱、水平风场、大气垂直速度、大气湍流场、大气温度层等，以此预测天气情况。

5、全球变化研究 利用GIS技术进行全球变化数据管理、检索和查询在全球变化研究中，海－陆－气相互作用和水分循环在全球变化的区域响应中起着关键的作用。上述研究，涉及大气、海洋、地理、水文和生态多种学科的大量数据和多种遥感资料，需要用GIS进行管理。 GPS技术在全球变化监测中的应用：利用GPS定位技术监测气候变暖导致的海平面上升。利用高精度GPS测量地球表层的板块运动，监测地球变化。

第三节网络技术以及信息技术的集成应用 一、城市规划中网络技术和计算机的结合 1、信息发布与公众讨论：公布法规、办事程序、建设项目网上批示、规划问题网络讨论等。 2、数据共享，如土地管理部门、测绘部门和城市规划部门可以共享地形图、地籍图和规划图等图件，提高工作效率。 3、处理功能共享：通过网络实时传递、安装计算机程序，处理特定业务。 4、设备资源共享：依靠网络服务器完成复杂的功能处理，大量计算机用户只需要配置简单低档的计算机，输入输出设备也可网络共享。 5、分散而协同地工作：通过网络传递文件，召开视频会议、发布信息、以此代替传统办公形式，提高工作效率。

二、信息技术的综合应用 1、CAD和GIS结合： CAD编辑制图更准确，广泛应用于建筑设计、机械制图等要求非常精密的图形设计上； GIS侧重于描述空间对象的关系（如拓扑关系）及空间对象的属性信息，其空间管理和分析功能很突出。因此，有的人说“CAD是设计世界的工具，而GIS是管理世界的工具”。目前，北京超图地理信息技术公司推出的SuperMap系列GIS软件，既有CAD般的强大编辑设计功能又有GIS软件管理功能的软件，完美地实现了CAD和GIS的融合。

2、互联网与CAD、GIS和RS的结合： （1）Internet与CAD相结合，使远程协同设计得以实现；（2）Internet与GIS相结合，使空间信息的查询、分析远程化、社会化、大众化，将大大促进空间信息的共享和利用。（如：电子地图）（3）Internet与RS相结合，使遥感图像的共享程度提高，应用更加广泛。（如：Google Earth）

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