3S技术在辽宁水利中的实践(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-10-19 20:42:28

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作者:李趋,王振颖,孟晓路

出版社:辽宁科学技术出版社

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3S技术在辽宁水利中的实践

3S技术在辽宁水利中的实践试读:

前言

21世纪的中国,经济、社会以及信息技术日新月异。水利信息化在这股浪潮的推动下,得到飞速发展,并推动了水利现代化的进步。水利信息化的实质是要充分利用现代信息技术,深入开发和广泛利用信息资源,促进信息交流和资源共享,实现各类水利信息及其处理的数字化、网络化、集成化、智能化,全面提升水利为国民经济和社会发展服务的能力和水平。水利信息化可以提高信息的实时采集与处理能力,提高信息资源的应用水平,并辅助决策分析,全面提高水利建设的效率,在防汛抗旱、水资源管理、水土保持、农村水利等方面的应用有巨大的潜力。

2000年后,随着信息化发展进程的加快,以应用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)及全球定位系统(GPS)为基础的3S技术在水利行业中的应用越来越普遍。在全国水利信息化整体加速发展的带动下,辽宁省也结合自身的特点与优势,以《辽宁省水利信息化规划》为依据,全面开展了水利信息化建设。3S技术已成功应用于辽宁省水利行业的方方面面,如防汛抗旱、水资源管理、水利工程管理、水质水量调度、水污染突发事件应急管理等,3S技术为辽宁省水利行业更好地服务于人民生产生活提供了强大的技术支持。

本书以辽宁省水利信息化中取得的进展为背景,简要介绍了3S技术的理论基础,选取辽宁省水利行业近年来所建立的一系列服务于水利比较有特色的管理系统为案例,阐述了3S技术应用于这些系统中所发挥的作用及应用手段等。在案例的选择上,本书有意选取了与辽河流域、太子河流域相关的管理系统,展示了辽河流域水质水量优化调配技术及示范研究的一些成果。本书旨在抛砖引玉,为普及3S技术在水利行业中的实践及应用等提供可借鉴的素材。

本书由李趋、王振颖策划、组织和协调,孟晓路负责组稿。具体章节编写人员为:第1章由董婷婷、孟晓路、于梅艳等编写,第2章由马涛、任聃、雷炎、李伟等编写;第3章由董婷婷、张勤、王志坤、杨洵等编写;第4章由曹丽娜、武玉峰、黄猛、尉光等编写;第5章由曹丽娜、黄猛、雷明、赵博等编写;第6章由雷宏军、徐建新编写;第7章由刘晓波、吴文强、孟晓路等编写。

本书集合了国家水体污染控制与治理科技重大专项(水专项)河流主题:辽河流域水污染综合治理技术集成与工程示范项目(2008ZX07208)辽河流域水质水量优化调配技术及示范部分研究成果,并得到了国家水专项办公室的资助,在此表示感谢。在本书的编写过程中,辽宁省水利水电科学研究院、中国水利水电科学研究院、华北水利水电学院、辽宁省水文水资源勘测局均给予了大力支持,在此对有关单位及人员表示衷心的感谢。

由于时间仓促,编写人员水平有限,书中难免有不妥之处,敬请批评指正。编者2011年12月1 3S技术理论基础

遥感(RS)、全球定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)共同组成了“3S”技术,“3S”技术在当今的水利信息化建设中发挥了不可估量的作用。在3S技术中,遥感与全球定位系统主要功能是获取数据,地理信息系统用来处理和分析,因此前两者被比喻为眼睛,后者被比喻成大脑。1.1 3S技术基础1.1.1 全球定位系统

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位、实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

全球定位系统的用途主要包括以下三方面内容:①陆地应用。主要包括车辆导航、应急反应、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;②海洋应用。包括远洋船最佳航程航线测定、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平台定位、海平面升降监测等;③航空航天应用。包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

全球定位系统在水利信息化中的用途主要是直接获取时间、经度、纬度和高程信息,这些信息在防汛减灾、水资源信息实时监控、河道变迁、滩区开发、水土保持、生态建设、水利水电工程等方面均发挥了重要的作用。随着全球定位系统技术的日益更新和水利信息化需求的不断提升,全球定位系统在水利信息化中应用的领域将不断拓宽、定位和导航的精度逐渐提高、普及程度也将随之提高。1.1.1.1 全球定位系统的组成

全球定位系统主要包括三大组成部分,它们是空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分(图1-1)。这三个部分对全球定位系统的正常工作所起的作用各不相同,缺一不可。图1-1 全球定位系统组成

1.空间星座部分

1974年美国发射了第一颗GPS导航技术实验卫星,随后在1978—1985年间先后发射了11颗Block I型实验卫星;1989年发射了第一颗BlockⅡ型工作卫星,到1994年3月累计将9颗BlockⅡ型和15颗BlockⅡA型工作卫星送入轨道,从而建成了由24颗卫星组成的GPS星座,其中包括21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星,记作(21+3)GPS星座。它们分布在离地高约20200km的6个近似于圆形的轨道上,每个轨道4颗,轨道面倾角为55°,各轨道间的交角为60°,即轨道的升交点赤经各相差60°,每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90°,一轨道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°,轨道的长半轴为26560km,卫星运行周期为11小时58分,即每颗卫星每天绕过您的头顶两次,每次在观测者可视范围内的运行时间约为5小时。由于每个轨道上的卫星不是均匀分布的,且在轨道的不同位置的运行速度也不相同,所以同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异,最少为4颗,最多可达11颗。在我国境内全天有50%的时间能见到7颗,29%的时间能见到6颗,17%的时间能见到8颗,4%的时间只能见到5颗。GPS卫星在空间上的配置,保障了在地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星,加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响,因此GPS是一种全球性、全天候的连续实时定位的系统。空间星座中的3颗备用星可在必要时根据指令替代发生故障的卫星,这对GPS系统的高效、稳定运行起到了保障作用。

GPS卫星的基本功能如下:

(1)执行地面监控站的控制指令,接收和储存由地面监控站发来的导航信息。

(2)向GPS用户发送导航电文、年代导航和定位信息。

(3)通过高精度原子钟(铷钟和铯钟)向用户提供精密的时间标准。

(4)GPS卫星上设有微处理机,可进行必要的数据处理工作。并可根据地面监控站指令,调整卫星姿态、启动备用卫星。

2.地面监控部分

用户是根据GPS卫星为动态已知点来进行导航定位的,卫星位置的提供、卫星上各种设备是否正常工作、各颗卫星是否处于同一时间系统,这些都需要地面控制系统进行监测和控制。地面监控系统包括一个主控站、3个注入站和5个监控站。主控站位于美国科罗拉多州的空军基地;3个注入站分别位于大西洋、印度洋和太平洋;5个监控站除了与主控站和注入站同设一处的4个站外,还有1个设在夏威夷。另外,美国国防制图局还在中国、澳大利亚、英国、阿根廷等世界7个地方设立了GPS跟踪站。

主控站是整个GPS系统的“中枢神经”。主控站除了协调和管理所有地面站监控系统的工作外,其主要任务是:

(1)根据该站和其他监测站的所有观测资料推算和编制各卫星星历、卫星钟差和大气层的修正参数等,并把这些数据传送到注入站。

(2)提供GPS系统的时间基准、各监测站和GPS卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步或测出其间的钟差,并把这些钟差信息编入导航电文送到注入站。

(3)调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行。

(4)启用备用卫星以代替失效的工作卫星。

注入站的主要设备包括一个大型天线、一台C波段发射机和计算机。它的主要任务是在主控站的控制下,将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入相应的卫星存储系统,并监测注入信息的正确性。

监测站是主控站直接控制下的数据采集中心。它的主要作用是对GPS卫星数据和当地的环境数据进行采集、存储并传送给主控站。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机用于对GPS卫星进行连续观测,以采集数据和监测卫星的工作状况;高精度原子钟用于提供时间标准;环境传感器用于收集有关当地的气象数据;计算机用于对所有观测资料进行初步处理并储存和传送到主控站,用以确定卫星的精密轨道。

3.用户设备部分

作为被动式的定位技术,GPS用户必须通过专用信号接收设备才能达到定位的目的,这就需要用户设备。GPS用户设备的任务是捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。用户设备主要由GPS接收机组成的,它是一种特制的无线电接收机。

GPS接收机是由天线单元和接收单元两大部分组成的,其类型很多。按照接收机的用途可分为3类:第一类,导航型接收机。主要用于运动载体的导航,它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量,单点实时定位精度较低,一般为±25mm,有SA影响时为±100mm。这类接收机价格便宜,应用广泛。根据应用领域的不同,此类接收机还可以进一步分为:车载型、航海型、航空型、星载型。第二类,测地型接收机。测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位,定位精度高,仪器结构复杂,价格较贵。第三类,授时型接收机。这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时,常用于天文台及无线电通信中时间同步。按接收机的载波频率可分为两类:第一类,单频接收机。单频接收机只能接收L1载波信号,测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效地消除电离层延迟影响,单频接收机只适用于短基线(15km)的精密定位。第二类,双频接收机。双频接收机可以同时接收L1,L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样,可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响,因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。按照接收机所具有的通道种类可分三类:第一类,多通道接收机;第二类,序贯通道接收机;第三类,多路多用通道接收机。按接收机的工作 原理可分为4类:第一类,码相关型接收机;第二类,平方型接收机;第三类,混合型接收机;第四类,干涉型接收机。1.1.1.2 全球定位系统的工作原理

1.全球定位系统的定位原理

所有在轨运行的GPS卫星既可以作为一系列的动已知点,又可以作为无线电信号发射台存在于空间中。它们发射的星历信号为用户提供了卫星的空间坐标、轨道参数、时间、各种改正等一系列信息,接收机通过接收这些星历信号,测量出观测者距离所选卫星的距离,然后根据所测得距离求出观测者的坐标参数,这就是GPS的定位。

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,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图1-2所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,则可以测定GPS信号到达接收机的时间Δt,同时辅助接收机所接收到的卫星星历等其他数据信息则可以确定以下4个方程式:图1-2 全球定位系统的定位原理示意图

上述4个方程式中待测点的坐标x,y,z和Vt0为未知参数,其中di=c;ti(i=1,2,3,4);di(i=1,2,3,4)分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4到接收机之间的距离;Δti(i=1,2,3,4)分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的信号到达接收机所经历的时间;c为GPS信号的传播速度(即光速)。

4个方程式中各个参数意义如下:

(1)x,y,z为待测点的空间直角坐标。

(2)xi,yi,zi(i=1,2,3,4)分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4在t时刻的空间直角坐标,这四个参数的数值可以由卫星导航电文求得。

(3)Vti(i=1,2,3,4)分别为卫星l、卫星2、卫星3和卫星4的卫星钟的钟差,这四个参数的数值可以由卫星星历提供。

(4)Vt0为接收机的钟差。

通过对以上4个方程进行求解运算即可求出待测点的坐标(x,y,z)和接收机的钟差Vt0。

为了求解4个未知参量,至少需要建立4个类似于上式的观测方程,因此在通常的GPS定位测量中最少需要接收4颗卫星。按目前的方案,卫星的分布使得在全球的任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图形(DOP),这就保证了在时间上连续的全球导航能力。实际上,观测到的卫星越多,观测的时间就越长,其测量效果也就越好。

按照定位时接收机运动状态的不同、定位所采用的观测值的不同、定位模式的不同,全球定位系统可以进行如下三种分类:

(1)根据定位时接收机的运动状态不同可以分为静态定位和动态定位两类

①静态定位。即在定位的过程中,接收机天线的位置是固定的,处于静止状态的。不过,严格来说,所谓的静止状态只是相对的,在卫星大地测量中,静止状态通常是指待定点的位置相对其周围的点位没有发生变化,或变化极其缓慢以致在观测期内(例如数天或数星期)可以忽略。静态定位一般用于高精度的定位测量。

②动态定位。是指接收机天线位置在观测过程中是随时间变化的;是在运动状态下实时地测定运动客体位置的一种定位方法,接收机天线位置在观测过程中是随时间变化的。与静态定位相比,它具有用户广泛性、定位实时性、速度范围宽等显著特点。

(2)根据定位所采用的观测值的不同可以分为伪距定位和载波相位定位两类

①伪距定位。是采用C/A码伪距或P码伪距为观测值的定位。其优点是数据处理简单、定位条件要求低、不存在整周模糊度的问题。不足之处是观测精度低。

②载波相位定位。是采用载波相位为观测值的定位。其优点是定位精度高,一般能达到厘米量级。其缺点是数据处理复杂,存在整周模糊度的问题。两种(3)根据定位模式的不同可以分为单点定位和多点相对定位

①单点定位。是采用一台接收机进行的定位。其优点是速度快、无多值问题、作业简单、外业观测的组织及实施较为方便。其缺点是由于受钟差、传播误差等影响,定位精度低,所以它适合于一般的导航和精度要求不高的应用。

②多点相对定位。又称为差分定位(Differential Positioning,DGPS),是在GPS的基础上利用差分技术使得用户能够从GPS全球定位技术中获得更高的定位精度。差分定位是由两台或两台以上的GPS接收机同时进行的定位作业,它把两台接收机分别置于两个观测站上,其中一台的位置已知(基准站),该接收机为基准接收机;另一台安装在待测的运动客体上,称为动态接收机(移动站),这两台接收机同时接收来自相同GPS卫星的导航信号。基准接收机将所测得的基准站三维位置参数与该点的已知值进行比较,得到一组差值,并通过数传电台将这组差值及该站点的坐标信息发送给移动站,与此同时,移动站不仅接收来自基准站的数据,自身也观测GPS卫星信号,并在系统内将这些信号合成为差分观测值进行实时处理,此方法可以消除多项测量误差,获得高精度的定位坐标。

根据差分GPS基准站发送信息方式的不同可以将差分GPS的定位分为三类,分别是位置差分、伪距差分和载波相位差分。它们的工作原理是相同的,都是由基准站发送改正数,由用户站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。所不同的是,发送改正数的具体内容不一样,其差分定位精度也不同,具体如下:

①位置差分是一种最简单的差分方法,任何一种GPS接收机均可以改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测到4颗卫星后便可进行三维定位,解算出基准站的坐标信息。由于存在轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差,解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的,存在着一定的误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去,由用户站接收,并且对其解算的用户站坐标进行改正,最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。

②伪距差分是目前用途最广的一种技术,几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。这种技术首先在基准站上的接收机求得它至可见卫星的距离,并将此距离与含有误差的测量值加以比较,而后利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差;其次,将所有卫星的测距误差传输给用户,用户利用此测距误差来改正测量的伪距;最后,用户利用改正后的伪距来解出本身的位置,就可消去公共误差,提高定位精度。与位置差分相似,伪距差分能将两站公共误差抵消,但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差,这种误差是用任何差分法都不能消除的。

③载波相位差分技术(Real Time Kineruatic,RTK)是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的,它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。

2.全球定位系统的测速原理

观测者(运动客体)的运动速度可以通过两种方法进行测量,它们分别是平均速度法和多普勒频移法。一般来说,车辆、船舶等速度不太高的运动客体的速度测量采用平均法,而对于飞机等高速客体,则多普勒频移法更为合适。

平均速度法是观测者在时间Δt内通过了距离Δl,则速度可简单地表示为:v=Δl/Δt。由此可见,该速度测量仍然是定位问题,只要确定前后两点的位置参数便可求得,距离和速度也就得到了,但测速的精度与时间的采样周期密切相关。

多普勒频移法是观测者接收到的GPS卫星载波频率与GPS卫星发射的载波频率之间存在频率差,而该频率差与GPS卫星的运行速度相关,同时GPS卫星的速度又是已知量的,这与已知卫星的空间坐标可求得地面接收机的位置是一样的,因此,已知卫星的速度则可测得观测者(运动客体)的速度。

3.全球定位系统的测时原理

由于全球定位系统向全球用户连续不断地播发相同精度的GPS时间信息,所以地球上任意一地的时间,都可以不经过任何附加环节的传输或通信而利用GPS接收机统一到GPS时间系统上。GPS测时通常采用两种方法,它们是单站测时法和双站共视测时法。

(1)单站测时法的原理与测伪距相同,伪距公式中的钟差就是GPS接收机时钟与GPS时间系的差值,通过测伪距则可对当地的时间进行校准。

(2)双站共视测时法与定位中的差分法相似,即通过在同一传播通道上的观测消除卫星钟差、电离层、大气对流等因素的影响,从而大大提高了时间测量的精度。1.1.1.3 全球定位系统的特点

全球定位系统具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点,具体情况如下:1.定位精度高

大量的应用实践已经证明:GPS相对定位精度在50km以内的可达10-6;100~500km范围内的可达10-7;1000km可达10-9。此外,GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。

2.观测时间短

随着全球定位系统的不断完善,软件的不断更新,目前,20km以内的相对静态定位仅需15~20min。快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15km以内时,流动站观测时间只需1~2min,然后可随时定位,每站观测只需几秒钟,实时快速定位。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在1s甚至更短的时间内便可完成,这对高动态用户来讲是尤其重要的。

3.执行操作简便

随着GPS接收机的不断改进,其自动化程度也越来越高,有的甚至已经达到了“傻瓜化”的程度。接收机的体积越来越小,重量越来越轻,这样极大地减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度,使得野外工作变得轻松愉快。

4.测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视,只需测站上空开阔即可,因此可节省大量的造标费用。由于无须点间通视,点位位置可根据需要,可稀可密,使选点工作甚为灵活,也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

5.可提供三维坐标

经典的大地测量采用不同的方法对平面与高程进行实测,而GPS可同时精确地测定测站点的三维坐标。目前GPS测定的三维坐标可以满足四等水准测量的精度要求。

6.全球全天候作业

由于GPS卫星数目较多且分布合理,所以在地球上任何地点均可以连续、同步地观测到至少4颗卫星,从而保证了全球全天候连续实时导航与定位的需要。目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

7.功能多,应用广

GPS系统不仅可以应用于测量、导航方面,还可以用于测速、测时方面。其中,测速的精度可达0.1m/s,测时的精度可达几十毫微秒。GPS系统的应用领域也在不断扩大。

8.抗干扰性能好,保密性强

由于GPS系统采用了伪码扩频技术,因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。1.1.2 遥感1.1.2.1 遥感及其特点

遥感(Remote Sensing,RS),泛指从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身,通过仪器(传感器)探测和接收来自目标物体的信息(如电场、磁场、电磁波、地震波等信息),经过信息的传输及其处理分析,识别物体的属性及其分布等特征的技术。

一般意义上的遥感是指空对地的遥感,即在远离地面的不同工作平台上(如高塔、气球、飞机、火箭、人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等)通过传感器,对地球表面的电磁波(辐射)信息进行探测,并经信息的传输、处理和判读分析,对地球的资源与环境进行探测和监测的综合性技术。当前,遥感已经形成了一个从地面到空中,乃至空间,从信息数据收集、处理到判读分析和应用,对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系,广泛用于资源普查、环境监测等各个方面,在洪水淹没评估,旱情监测上具有独特的优势。

相比传统的观测方法,遥感具有以下特点:

1.观测范围大,具有综合、宏观的特点

遥感从飞机上或人造地球卫星上,居高临下获取的航空像片或卫星图像,比在地面上观察视域范围大得多。同时这种感测并不受地形地物阻隔的影响,景观一览无余,为人们研究地面各种自然、社会现象及其分布规律提供了便利的条件。例如,航空像片可提供不同比例尺的地面连续景观像片,并可供相应的立体观测。图像清晰逼真,信息丰富。一张比例尺1∶35000的23cm×23cm的航空像片,可以展示出地面60多平方公里范围的地面景观实况,并且可将连续的像片镶嵌成更大区域的像片图,以便总观全区进行分析和研究。卫星图像的感测范围更大,一幅陆地卫星TM图像可以感测到34225km2(即185km×185km)的景观实况。我国全境仅需要500余张TM图像,就可以拼接成全国卫星影像图。因此,遥感技术为在宏观尺度上研究各种现象及其相互关系,诸如区域地质构造、全球环境等问题,提供了有利的条件。

2.信息量大,具有手段多,技术先进的特点

遥感是现代高科技的产物,它不仅能获得地物可见光波段的信息,还可以获得紫外、红外、微波等波段的信息。不仅能用摄影方式获取信息,而且还可以用扫描的方式获取信息。遥感所获取的信息量远远超过了用常规传统方法所获取的信息量,这无疑扩大了人们的观测范围和感知领域,加深了对事物和现象的认识。例如,微波具有穿透云层、冰层和植被的能力,红外线则能探测地表温度的变化等。因而遥感使人们对地球的监测和对地物的观测达到多方位和全天候的特点。

3.获取信息快,更新周期短,具有动态监测特点

遥感通常为瞬时成像,因此,可以获得同一瞬间大面积区域的景观实况,现实性好,同时还可以通过不同时相取得的资料及像片进行对比、分析来研究地物的动态变化情况,为环境监测以及分析地物发展演化规律提供了基础信息。例如,Landset-5每16天即可对全球陆地表面成像一遍,气象卫星甚至可以每天覆盖地球表面一遍。因此,遥感可以及时地发现病虫害、洪水、污染、火山和地震等自然灾害发生的前兆,为灾情的预报和抗灾救灾工作提供可靠的科学依据和资料。

此外,遥感还具有用途广、效益高的特点。遥感已经被广泛地应用于农业、林业、地质、矿产、水文、气象、地理、测绘、海洋研究、军事侦察及环境监测等领域,其应用领域还在不断扩大。而遥感成果获取的快捷以及所显示出的效益,则是传统方法不可比拟的。遥感正以其强大的生命力展现出了广阔的发展前景。1.1.2.2 常用的遥感软件

遥感技术是目前获取数据的主要技术手段,也是进一步实现数据挖掘的主要途径,而各种遥感图像处理方法正是不同用户获取满足自身目的产品的重要方式,因此,也就产生了各种遥感图像处理软件。这些遥感图像处理软件主要用来实现数据的显示、数据格式的转换、数据的预处理、光谱分析、图像分类、雷达图像分析、GIS分析、三维可视化分析等主要功能,而且随着用户对遥感图像处理软件功能需求的不断提升,遥感图像处理软件的功能也在不断增加、不断完善和不断地更新,遥感图像处理软件的版本也在不断地升级。此外,随着GIS行业对遥感图像处理需求的日需增加,现在许多GIS软件中也嵌入一少部分遥感图像处理功能,如数据格式的转换、数据显示、数据的预处理等。目前,常用的遥感图像处理软件主要有:ERDAS IMAGEING、EN?VI等,以下主要介绍这两种遥感图像处理软件。

1. ERDAS IMAGEING软件概述

ERDAS IMAGEING是美国ERDAS公司开发的专业遥感图像处理与地理信息系统软件,它是以模块化的方式提供给用户的,可使用户根据自己的应用要求、资金情况合理地选择不同功能模块及其不同组合,对系统进行剪裁,充分利用软硬件资源,并最大限度地满足用户的专业应用要求。它以其先进的图像处理技术,友好、灵活的用户界面和操作方式,面向广阔应用领域的产品模块,服务于不同层次用户的模型开发工具以及高度的RS/GIS(遥感图像处理和地理信息系统)集成功能,为遥感及相关应用领域的用户提供了内容丰富而功能强大的图像处理工具,代表了遥感图像处理系统未来的发展趋势。ERDAS软件具有如下几方面的特性:

(1)方便和直观的操作步骤使用户操作非常灵活。

(2)ERDAS IMAGINE为不同的应用提供了250多种地图投影系统。支持用户添加自己定义的坐标系统。支持不同投影间的实时转换、不同投影图像的同时显示对不同投影图像直接进行操作等。支持相对坐标的应用。另外有非常方便的坐标转换工具,经纬度到大地坐标,反之亦然。

(3)常用的图像处理算法都可用图形菜单驱动,用户也可指定批处理方式,使图像处理操作在用户指定的时刻开始执行。

(4)图像的处理过程可以由图像的属性信息控制,而上层属性信息可存在于本层或任何其他数据层次。

(5)图像处理过程可以用于具有不同分辨率的图像数据上,输出结果的分辨率可由用户指定。

(6)支持对不同图像数据源的交集、并集和补集的图像处理。

(7)图解空间建模语言,EML和C语言开发包的应用使得解决应用问题的客户化更加容易与简单。用户可以对IMAGINE本身应用的功能进行客户化的编辑,满足自己专业的独特需求。还可以将自己多年探索、研究的成果及工作流程以模型的形式表现出来。模型既可以单独运行,也可以和界面结合像其他功能一样运行。更可以利用C Toolkit进行新型算法及功能的开发。

(8)独一无二的专家工程师及专家分类器工具,为高光谱、高分辨率图像的快速高精度分类提供了可能。此工具突破了传统分类只能利用光谱信息的局限,可以利用空间信息辅助分类。此工具可以将我们所积累的几乎所有数字信息应用于分类,是分类应用的一大飞跃。其功能强大且应用方便,其提供的游标功能使知识库的优化成为轻而易举地操作。其知识库的可移动性为其他非专业人员进行分类工作提供了方便,为成熟知识库的推广应用提供了方便易行的途径。利用专家的知识还可以建立决策支持系统,为决策人提供工具。

另外,ERDAS IMAGINE系统已经内含了ArcInfo Coverage矢量数据模型,可以不经转换地读取、查询、检索其Coverage、GRID、SHAPEFILE、SDE矢量数据,并可以直接编辑Coverage、SHAPEFILE数据。如果ERDAS IMAGINE再加上扩展功能,还可实现GIS的建立拓扑关系、图形拼接、专题分类图与矢量二者相互转换。节省了工作流程中让人头疼、费时费力的数据转换工作,解决了信息丢失问题,可大大提高工作效率。使遥感定量化分析更完善。

ERDAS IMAGINE面向不同需求的用户,对于系统的扩展功能采用开放的体系结构以IMAGINE Essentials、IMAGINE Advan tage、IMAGINE Professional的形式为用户提供了低、中、高三档产品架构,并有丰富的功能扩展模块供用户选择,使产品模块的组合具有极大的灵活性。

2. ENVI软件概述

ENVI(The Environment for Visualizing Images)是美国Exe lis Visual Information Solutions公司的旗舰产品。ENVI是由遥感领域的科学家采用IDL语言开发的一套功能强大的遥感图像处理软件。它是快速、便捷、准确地从地理空间影像中提取信息的首屈一指的软件解决方案,它提供了先进的、人性化的使用工具来方便用户读取、准备、探测、分析和共享影像中的信息。今天,众多的影像分析师和科学家选择ENVI来从地理空间影像中提取信息,ENVI已经广泛地应用于科研、环境保护、气象、石油矿产勘探、农业、林业、医学、国防安全、地球科学、公用设施管理、遥感工程、水利、海洋、测绘勘察和城市与区域规划等诸多行业。ENVI软件在以下几方面具有强大的功能:

(1)强大的影像显示、处理和分析系统

ENVI包含齐全的遥感影像处理功能,它们是常规处理、几何校正、定标、多光谱分析、高光谱分析、雷达分析、地形地貌分析、矢量应用、神经网络分析、区域分析、GPS连接、正射影像图生成、三维图像生成、丰富的可供二次开发调用的函数库、制图、数据输入/输出等功能组成了图像处理软件中非常全面的系统。

(2)强大的多光谱影像处理功能

ENVI能够充分提取图像信息,具备全套完整的遥感影像处理工具,能够进行文件处理、图像增强、掩膜、预处理、图像计算和统计。具有完整的分类及后处理、图像变换和滤波处理、图像镶嵌、融合等功能。ENVI遥感影像处理软件具有丰富完备的投影软件包,可以支持各种投影类型。同时,ENVI还创造性地将一些高光谱数据处理方法用于多光谱影像处理,可以更有效地进行知识分类、土地利用动态监测。

(3)更便捷地集成栅格和矢量数据

ENVI包含所有基本的遥感影像处理功能,如:校正、定标、波段运算、分类、对比增强、滤波、变换、边缘检测、制图输出、加注汉字等。ENVI具有对遥感影像进行配准和正射校正的功能,可以给影像添加地图投影,并与各种GIS数据套合。EN VI的矢量工具可以进行屏幕数字化,栅格和矢量叠合,建立新的矢量层,编辑点、线、面数据,缓冲区分析,创建并编辑属性并进行相关矢量层的属性查询等操作。

(4)ENVI集成雷达分析工具助您快速处理雷达数据

用ENVI完整的集成式雷达分析工具可以快速处理雷达SAR数据,提取CEOS信息并浏览RADARSAT和ERS-1数据。用天线阵列校正、斜距校正、自适应滤波等功能提高数据的利用率。纹理分析功能还可以分段分析SAR数据。ENVI还可以处理极化雷达数据,用户可以从SIR-C和AIRSAR压缩数据中选择极化和工作频率,用户还可以浏览比较感兴趣的极化信号,并创建幅度图像和相位图像。

(5)地形分析工具

ENVI具有三维地形可视化分析及动画飞行功能,能按用户指定路径飞行,并能将动画序列输出为MPEG文件格式,方便用户演示成果。

(6)预处理

ENVI提供了自动预处理工具,可以对影像进行以下处理:正射校正,影像配准,影像定标,大气校正,创建矢量叠加,确定感兴趣区域(ROI),创建数字高程模型(DEMs),影像融合、掩膜和镶嵌,调整大小、旋转或数据类型转换。

(7)探测影像

ENVI提供了一个直观的用户界面和易用的工具,让您轻松、快速地浏览和探测影像。使用ENVI完成的工作主要包括:浏览大型数据集和元数据,对影像进行视觉对比,创建强大的3D场景,创建散点图、探测像素特征等。

(8)分析影像

ENVI提供了业界领先的图像处理功能,方便从事各种用途的信息提取。ENVI提供了一套完整的经科学实践证明成熟的工具来分析影像。

(9)数据分析工具

ENVI包括一套综合数据分析工具,通过实践证明的成熟算法,快速、便捷、准确地分析图像。

(10)光谱分析工具

光谱分析通过像素在不同波长范围上的反应,来获取有关物质的信息。ENVI拥有目前最先进的,易于使用的光谱分析工具,能够很容易地进行科学的影像分析。

(11)自定义您的地理空间影像应用

ENVI建立于一个强大的开发语言——IDL之上。IDL允许对其特性和功能进行扩展或自定义,以符合用户的具体要求。这个强大而灵活的平台,可以让您创建批处理、自定义菜单、添加自己的算法和工具,甚至将C++和Java代码集成到您的工具中等。1.1.3 地理信息系统1.1.3.1 地理信息系统及其功能

1.地理信息系统简介

地理信息系统(Geographie Information System,GIS)是在计算机软硬件平台支撑下,以采集、存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间地理分布有关的数据的一种特定的空间信息系统。它是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、信息科学和管理科学等为一体的新兴边缘学科。地理信息系统具有以下三个方面的特征:

(1)具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力,具有空间性和动态性。

(2)由计算机系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法,作用于空间数据,产生有用信息,完成人类难以完成的任务。

(3)计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征,因而使得地理信息系统能以快速、精确、综合地对复杂的地理系统进行空间定位和过程动态分析。

2. GIS构成

完整的GIS主要由四个部分构成,即硬件系统、软件系统、地理空间数据和系统管理操作人员,其核心部分是软硬件系统。

(1)硬件系统

计算机硬件是计算机系统中实际物理装置的总称,可以是电子的、电磁的、机械的、光学的元件或装置,是GIS的物理外壳。系统的规模、精度、速度、功能、形式、使用方法甚至软件都与硬件有极大的关系,受硬件指标的支持或制约。GIS由于其任务的复杂性和特殊性,必须由计算机设备支持。

(2)软件系统

软件系统是指GIS运行所必需的各种程序,通常包括三个部分:

①计算机系统软件

由计算机厂家提供的、为用户开发和使用计算机提供方便的程序系统,通常包括操作系统、汇编程序、编译程序、诊断程序、库程序,以及各种维护使用手册、程序说明等,是GIS日常工作所必需的。

②地理信息系统软件和其他支撑软件

可以是通用的GIS软件,也可包括数据库管理软件、计算机图形软件包、CAD、图像处理软件等。

GIS软件按功能包括:数据输入、数据存储与管理、数据分析与处理、数据输出与表示模块和用户接口模块。

③应用分析程序

应用分析程序是系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定应用任务的程序,是系统功能的扩充与延伸。应用程序作用于地理专题数据或区域数据,构成GIS的具体内容,这是用户最为关心的真正用于地理分析的部分,而应用程序的水平在很大程度上决定系统的实用性、优劣和成败。

(3)地理空间数据

地理空间数据是指以地球表面空间位置为参照的自然、社会和人文景观数据,可以是图形、图像、文字、表格和数字等,由系统的建立者通过数字化仪、扫描仪、键盘、磁带机或其他通信系统输入GIS,是系统程序作用的对象,是GIS所表达的现实世界经过模型抽象的实质性内容。不同用途的GIS基本上都包括三种互相联系的数据类型:

①某个已知坐标系中的位置及几何坐标,标识地理实体在某个已知坐标(如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系)中的位置,可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标,也可以是矩阵的行、列数等。

②实体间的空间相关性即拓扑关系,表示点、线、面实体之间的空间联系,如网络结点与网络线之间的枢纽关系,边界线与面实体间的构成关系,面实体与岛或内部点的包含关系等。

③与几何位置无关的属性即常说的非几何属性或简称“属性”,是与地理实体相联系的地理变量或地理意义,属性分为定性和定量的两种,前者包括名称、类型、特性等,后者包括数量和等级。

(4)系统开发、管理与使用人员

人是GIS中的重要构成要素。地理信息系统从其设计、建立、运行到维护的整个生命周期,处处都离不开人的作用。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统,还需要人进行系统组织、管理、维护和数据更新、系统扩充完善、应用程序开发,并灵活采用地理分析模型提取多种信息,为研究和决策服务。

3.地理信息系统的功能

地理信息系统有六大基本功能,它们分别是数据的采集、存储、查询、分析、显示和输出。同时,依托这些基本功能,通过利用空间分析技术、模型分析技术、网络技术、数据库和数据集成技术、二次开发环境等,地理信息系统演绎出丰富多彩的系统应用功能,被广泛地应用于资源管理、区域规划等领域,满足用户的广泛需求。

(1)采集功能

空间数据采集是构建GIS首要且重要的工作,是数据的管理、分析与输出的基础。地理信息系统的数据采集,是指将非数字化形式的各种地学数据(地图数据、遥感数据、统计数据和文字报告等)通过某种方法数字化,变为地理信息系统可以存储管理和分析的形式。

地理信息系统的数据采集功能包括空间数据的采集和属性数据的采集。空间数据的采集是指将地图数据、遥感数据、统计数据和文字报告等各种信息通过某种方法数字化并转化为系统可以存储、管理和分析的形式。属性数据的采集是指将与空间数据相匹配的非几何属性(包括名称、类型、特性、面积、长度、人口数量、降水量等)录入计算机的过程。与空间数据的采集相比,属性数据的采集形式比较单一。

针对空间数据,目前常用的几种采集方式有:

①点坐标导入:是利用空间信息的坐标,通过某种途径将其生成可视的空间数据的采集方法,这种方法操作简便、精确度较高,基本上能够满足各个领域地理信息系统建设对数据的要求。

②栅格图像配准矢量化:是在没有坐标数据,只有地图或栅格图像时采用的方法,它是利用GIS软件打开栅格图像文件(一般指.jpg、.bmp、.tif等格式文件),然后选择配准工具,通过误差校正,定义用户坐标系,最后利用矢量化工具将栅格图像中的图元素分层矢量化成空间数据的点、线、面三个基本元素文件。由于扫描和配准的过程中难免会出现误差,因此,这种方法较点坐标导入法的精确度略低一些。

③数字化仪输入:是将普通地图固定到电磁感应板上,给数字化仪加电,利用某种软件,输入原图的比例尺,定义用户坐标系,确定投影方式,再确定坐标,输入控制器坐标的最大值和最小值,通过手工分文件、分层有顺序地转成空间数据的点、线、面三个基本要素数字化方法。这种方法所形成的空间数据有一定的精确度,但是工作量较大。

④手工绘制:是将现有可以参照的空间数据(点、线、面文件)打开,然后新建点、线、面文件,参照现有的点、线、面文件直接手工绘制,然后修整,最后保存文件的方法。这种方法相对来说非常简单,但是精确度不够,属于示意性质。

针对属性数据,通常先打开空间数据文件,在编辑条件下,打开其属性表,在属性表中可以对字段进行添加、删除、修改,然后保存,完成属性数据的采集。

(2)存储功能

一幅地图包含的最基本的信息有两种:空间信息和属性信息。前者反映了地理特征的位置和形状及特征间的空间关系,后者则反映了这些地理特征的一些非空间属性。例如,地图上的一个城市,其经纬坐标属于空间信息,而城市名称、级别、人口等都属于属性信息。

地理信息系统的数据存储功能,主要用于存储各种数据的空间信息和属性信息,将这些信息以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上,是建立地理信息系统数据库的关键步骤。地理信息系统存储的地图(即数字地图),不是传统概念上的存储着一幅地图的计算机图形文件(尽管它也能处理一些格式的图形文件,如BMP、PCX、JPG等)。数字地图是以数据库的形式存储的,因此,数据库的概念是GIS的中心概念,也是GIS与那些绘图系统或仅能产生好的图形输出的地图制作系统的主要区别。

地理信息系统的存储内容包括空间信息和属性信息两部分。

①空间信息存储

地图实际上是将地球表面的特征以点、线、面的形式映射到一个二维平面上,通过采用平面坐标系确定地图位置与地面位置的对应关系。一个点可由一个独立的(x,y)坐标对代表,一条线段可由一系列的(x,y)坐标对表示。在GIS中,将线与线间的交点称为节点(node),两节点间的线段称为弧(arc),将面称为多边形(polygon),一个多边形是由一个或多个弧围成。为了让计算机能区分地理特征间的空间关系,空间信息在数据文件中存储时采用了拓扑学的方法。具体的记录结构是这样的:a.对于点,每条记录可有点代号和坐标对共两个字段组成。b.对于弧,每条记录可以有弧代号、起始结点、终了结点、左侧多边形代号、右侧多边形代号以及坐标对系列,共6个字段构成。c.对于多边形,每条记录可以有多边形代号和弧代号系列,共两个字段构成。

②属性信息存储

对于一个地理特征的属性信息,记录的字段数因该特征具有的信息项数而不同。例如,对于引水干渠,可以有渠道代号、名称、设计长度、设计流量、底宽、坡比、衬砌类型和衬砌长度8个字段。一个地理特征的属性信息数据文件,就如同一个表格一样,记录着对应特征的非空间属性的信息,每一条记录就相当于一个表行,所以,属性信息数据文件又叫做特征属性表。

此外,空间信息数据文件和属性信息数据文件中,有一个共同的字段,即特征代号。这个代号必须是唯一的,也就是说,同一数据文件中,不同的记录必须有不同的代号,绝对不能重复,因为GIS正是通过这个代号存取和交换信息,在空间信息数据和属性信息数据之间建立连接。通过用代号作桥梁,还可以将同一空间对象的两个或多个特征属性表合并为一个文件,这使为空间对象增加新的属性信息变得很方便。

(3)查询功能

查询、检索是地理信息系统以及许多其他自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能。GIS的查询功能可以概括为4种类型:属性查询、图形查询、关系查询和逻辑查询。

①属性查询:GIS允许用户在图形环境下,借助光标点击屏幕上的图形要素,以查询检索相关的属性要素;也可以在屏幕上指定一个矩形或多边形范围,检索该区域内所有图形的相关属性。GIS还允许用户在属性环境下,按照一定的逻辑条件查询属性数据。对查询检索得到的数据,可以在屏幕上显示,也可以生成报表输出。

②图形查询:在GIS图形环境下,用户可以根据分层编码检索图形数据,也可以根据属性特征值查询相应的图形数据,或者按照一定的区域范围查询图形数据,或者按照一定的逻辑条件查询相应的图形数据。

③关系查询:空间目标的拓扑关系有两种,一种是几何元素的结构关系,如点、线、面之间的组成关系,可用于描述和表达几何元素的形态;另一种是空间目标之间的位置关系,可以描述和表达几何元素之间的分布特征,如邻接关系、包含关系等。GIS的空间关系查询就是查询检索与指定目标位置相关的空间目标,通常包括:面—面关系查询、线—线关系查询、点—点关系查询、线—面关系查询、点—线关系查询、点—面关系查询6种。

④逻辑查询:逻辑查询是指用数据项与运算符组成的逻辑表达式,查询检索相应的图形或属性,其中数据项可以是数据库中的任意项,运算符可以是所有逻辑运算符和算术运算符。

(4)分析功能

空间分析是基于地理对象的位置和形态特征的一种空间数据分析技术,其目的在于提取和传输空间信息。通过空间分析可以揭示数据库中数据所包含的更深刻、更内在的规律和特征。因此,空间分析是地理信息系统的核心功能,也是地理信息系统与其他计算机系统的根本区别。GIS的空间分析分为三个不同的层次,一是简单的空间搜索、空间叠加,如缓冲区分析、网络通路、资源分配、多边形叠加等,这只是传统手工操作的计算机化。二是空间格局的描述及空间格局的关系,主要指对空间格局的数量上的描述及定性的趋势分析,如空间物体的聚散度分析。三是空间模拟,对机理清晰的空间过程,建立空间动态模型,预测空间格局的未来变化。

(5)显示功能

数据显示是中间处理过程和最终结果的屏幕显示,通常以人机交互的方式来选择显示的对象与形式,对于图形数据可根据信息量和密集程度,选择放大或缩小显示。地理信息系统为用户提供了许多用于显示地理数据的工具,其表达形式既可以是计算机屏幕显示,也可以是报告、表格、地图等硬拷贝图件,尤其要强调的是地理信息系统的地图输出功能。一个好的地理信息系统应能够提供一种良好的、交互式的制图环境,以供地理信息系统的使用者设计和制作出具有高品质的地图产品。

(6)输出功能

输出是在屏幕外的其他介质上显示,一般是打印输出,可以打印普通地图、各种专题地图、各类统计图、表与数据等。在输出方面,GIS提供了多种地图版式(layout)让用户选择。用户在选择了某个版式以后,还可以按自己的爱好对版面重新安排,如标题字体、字号、颜色,图例大小、位置、比例尺的样式、位置等,甚至还可以添加或删除某些成分,直到满意后再将结果输送到打印机或绘图仪。也可以把结果按一定的比例放大或缩小并转换为一个BMP或其他格式的图形文件,供图形图像软件处理。1.1.3.2 地理信息系统开发

随着地理信息系统应用领域的扩展,应用型GIS的开发工作日显重要。如何针对不同的应用目标,高效地开发出既符合需要,又具有方便美观丰富的界面形式的地理信息系统,是GIS开发者非常关心的问题。

1.开发过程

应用型地理信息系统开发过程是一个系统工程其开发周期较长,涉及多个学科领域,包含内容十分广泛。为了使应用型GIS达到预期目标,就必须针对其特点,根据软件工程思想,采用科学的开发步骤和技术,对系统建立的全过程进行控制与协调。

应用型GIS工程开发步骤可分为:系统分析、系统设计、系统实施和系统维护与评价。

(1)系统分析

系统分析的基本思想是从系统观点出发,通过对事物进行分析与综合,找出各种可行的方案,为系统设计提出依据。系统分析阶段也称为系统逻辑设计阶段。所谓逻辑设计就是建立系统的逻辑模型,在逻辑上规定新系统的功能而不涉及具体的物理实现,也就是解决“系统干些什么而不是系统如何去干”的问题。

系统分析的任务是对系统用户进行需求调查,对选定的对象进行初步调查研究和可行性分析,在明确系统目标的基础上,开展对系统的深入调查研究和分析,提出新系统的结构方案,并形成新系统的模型。系统分析是使设计达到合理、优化的重要步骤,包括用户需求分析和可行性分析两个方面的内容。

(2)系统设计

系统设计也称物理设计,其根本任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型。系统设计是地理信息系统整个研制工作的核心,不但要完成逻辑模型所规定的任务,而且要使所设计的系统达到优化。始终要考虑系统的高效性、安全性、强壮性和方便性。系统设计包含总体设计与系统详细设计两部分内容。

(3)系统实施

系统实施是应用型GIS建设付诸实现的实践阶段,在这一阶段中,需要投入大量的人力、物力,并占用较长的时间,使用部门将发生组织机构、人员、设备、工作方法和工作流程的重大变革。系统实施是系统开发的重要阶段。

系统实施的主要任务是把系统设计的成果付诸实施,实现能够使用的实际系统。系统实施工作内容和流程主要包括:软、硬件配置及准备,人员培训,数据采集和数据库建立模块程序的编制、调试和运行,系统测试,系统文档材料的建立和系统验收等。

(4)系统维护与评价

应用型GIS是一个复杂的大系统,系统内、外环境的变化,各种人为的、机器的因素的影响,都要求系统能够适应这种变化并不断地完善,这就要进行系统的维护。系统维护是指在运行过程中,为适应环境和其他因素的各种变化,保证系统正常工作而采取的一切活动。

系统评价是指对系统达到功能、特性和效果等指标,从技术和经济两个方面,对所设计的应用型GIS的优劣进行评定。具体来说,主要是对系统的效率、可靠性、可维护性、扩展性、移植性和效益等内容进行考查。

2.开发模式

应用型GIS开发有多种方式可供选择,目前主要有独立开发、单纯二次开发和集成二次开发三种实现方式。

(1)独立开发

独立开发指不依赖于任何GIS工具软件,从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出,所有的算法都由开发者独立设计,然后选用某种程序设计语言,如Visual C++,Delphi等,在一定的操作系统平台上编程实现。

独立开发模式从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出,所有的算法都由开发者独立设计。其好处在于无须依赖任何商业地理信息系统工具软件,减少开发成本。同时,由于程序员可以对程序的各个方面进行总体控制,因此系统各组成部分之间的联系最为紧密,综合程度和操作效率最高。但由于应用型地理信息系统的复杂性,工作量十分庞大,对开发者要求很高,开发周期长。对于多数开发者来说,能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化地理信息系统工具软件相比,而且在购买地理信息系统工具软件上省下的费用可能抵不上开发者在开发过程中绞尽脑汁所花的代价。地理信息系统发展初期一般采用独立开发模式,目前,地理信息系统的应用开发已很少采用这种开发模式。

(2)单纯二次开发

单纯二次开发指完全借助于GIS工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。GIS工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言,如ESRI的ArcView提供了Avenue语言,MapInfo公司研制的MapInfo Professional提供了MapBasic语言等。用户可以利用这些宏语言,以原GIS工具软件为开发平台,开发出适合自己的针对不同应用对象的应用程序。

单纯二次开发模式可以完全借助GIS工具软件提供的开发语言进行系统开发,以原GIS工具软件为开发平台,开发出适合自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心,但进行二次开发的宏语言,作为编程语言只能算是二流的,通用性不强,进行开发往往受到限制,难以处理复杂问题,开发出的应用系统仍然不尽如人意。同时,二次开发宏语言对用户和应用开发者而言也存在学习上的负担。并且所开发的系统不能脱离原GIS平台软件,系统执行时是解释执行,效率不高。

(3)集成二次开发

集成二次开发是指利用专业的GIS工具软件,如ArcView,MapInfo等,实现GIS的基本功能,以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具,如Delphi, VisualC++, Visual Basic, Power Builder等为开发平台,进行二者的集成开发。集成二次开发目前主要有①OOLLEE//DDDDEE和GIS控件两种方式。

采用OLE Automation技术或利用DDE技术,用软件开发工具开发前台可执行应用程序,以OLE自动化方式或DDE方式启动GIS工具软件在后台执行,利用回调技术动态获取其返回信息,实现应用程序中的地理信息处理功能。

②GIS控件

利用GIS工具软件生产厂家提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能控件,如ESRI的MapObjects,MapInfo公司的MapX等,在Delphi等编程工具编制的应用程序中,直接将GIS功能嵌入其中,实现地理信息系统的各种功能。

采用DDE/OLE技术的开发模式和组件式GIS进行应用型GIS开发都属于集成二次开发。它的优点是既可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理、分析功能,又可以利用其他可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点,集二者之所长,不仅能大大提高应用系统开发效率,而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果,更强大的数据库功能。目前许多软件公司都开发了很多ActiveX控件,合理选择和运用现成的控件,直接调用,减少了开发者的编程工作量,使开发者避开某些应用的具体编程,不仅可以缩短程序开发周期,使编程过程更简洁,用户界面更友好,可以使程序更加灵活、简便。因此,集成二次开发正成为应用GIS开发的主流方向,但这种方法的缺点是前期投入比较大。当然,在进行应用型GIS开发时,具体选用哪种开发模式,则需要考虑系统本身的性质和特点,以及设计者自身的具体情况来确定。一般来说,对于一些大型的地理信息系统开发项目,如一个地区的综合信息管理系统等,因为其图形平台、容量、可靠性等各方面的要求,一般宜于选择已经成熟的地理信息系统开发工具来组织开发。而对于一些小型的地理信息系统,特别是一些以数据管理、决策研究、辅助设计等具体应用为主的系统,或者在某个行业中需要推广使用的实用系统,因为这些系统对矢量图形平台要求不是太高,开发的重点在于地理信息系统技术的实际功能。因此,可考虑采用VisualBasic、Visual C++等开发语言来组织系统的开发,进而开发出具有自主版权的软件产品。1.1.3.3 网络地理信息系统(WebGIS)

1. WebGIS的概念

WebGIS是一种利用Internet/Intranet技术,采用HTTP协议,在Internet/Intranet环境下实现对分布式地理信息的分布式获取、分布式存储、分布式处理、分布式分析、分布式查询、显示和输出的地理信息系统。在Internet/Intranet环境下,WebGIS可以使全社会范围内各领域、各部门之间的空间数据信息实现共享,极大地提高了空间信息的维护,发布和查询效率。从技术上看,GIS系统要成为网络化的信息系统,必须符合三个条件:

(1)支持Internet/Intranet技术标准,或与Internet/Intranet技术标准相兼容。这对于WebGIS来说就是实现客户端与服务器端数据传输通信。

(2)分布式应用体系结构。分布式应用体系结构能实现在客户机与服务器端都具备提供功能强大的、可执行进程的体系结构,达到真正有效地平衡客户机与服务器之间的处理负荷,实现计算分布和数据分布的目标,使系统具有可互操作性。

(3)系统的开放性。系统的开放性要求具有软硬件资源共享、数据多重应用、跨平台运行,且系统易于集成等方面的特性。

2. WebGIS的特点

与传统的地理信息系统比较,WebGIS具有以下特点:

(1)方便管理

全球范围内任意一个客户可同时访问多个位于世界各地不同的WebGIS服务器上的最新数据,Internet所特有的优势大大方便了WcbGIS的数据管理,使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。

(2)跨平台特性

无论客户机和服务器是哪种机器,哪种操作系统,也不管服务器端使用的是哪种WebGIS软件,由于使用了通用的Web浏览器,用户都可以透明地访问WebGIS数据库,在本机或某个服务器上进行分布式部件的动态组合和空间数据的协同处理与分析,实现远程数据的共享。

(3)强大的扩展空间

Internet技术基于的标准是开放的、非专用的,这就为Web GIS的进一步扩展提供了极大的发挥空间,使得WebGIS很容易与Web中的其他信息服务进行无缝集成,建立功能丰富的具体的GIS应用。

(4)平衡高效的计算负载

以往的GIS大多使用文件服务器结构的处理方式,其处理能力完全依赖于客户端,效率较低。而WebGIS能充分利用网络资源,将基础性、全局性的处理交由服务器执行,而把数据量较小的简单操作交给客户端去完成。这种计算模式能灵活高效地寻求计算负荷和网络流量负载在服务器端和客户端的合理分配,是一种较为理想的优化模式。

(5)具有较低的开发和应用成本

WebGIS通常是利用通用的Web浏览器作为客户端来访问服务器上的数据。Web页面取代窗,使系统简单易用,降低了专业操作的难度。WebGIS进行地理信息发布,通常使用的是免费的插件ActiveX或Java Applet,降低了终端客户的培训成本和技术负担。

3. WebGIS的主要实现模式

目前实现WebGIS的模式主要有三种:B/S模式、C/S模式以及混合模式。

(1)B/S(Browser/Server)模式图1-3 基于服务器模式的WebGIS体系结构

B/S模式即浏览器/服务器模式,是一种典型的瘦客户机/胖服务器模型,在这种模式中,客户端通过Web浏览器向服务器端发出服务请求,之后Web服务器通过CGI、ISAPI或ASP等接口把这些服务请求传递给后端的GIS服务器,GIS服务器按照客户端的要求进行数据处理,并将结果以GIF或JPEG格式图像的形式反馈给客户端浏览器(图1-3)。在这种体系结构中,所有空间数据和属性数据的处理工作都由服务器端来完成,这样就增加了服务器端处理的数据量和网络传输的负担,当有多个用户同时发出请求时,服务器的负担就会很重。因此,B/S模式对服务器的要求很高。而客户机仅用于发出服务请求和显示服务器的最终处理结果。

(2)C/S(Client/Server)模式

C/S模式即客户机/服务器模式,是一种典型的胖客户机/瘦服务器模型,在这种结构模式中,一般采用配套的服务器端和客户端软件,把所需要的地理空间数据从服务器端下载到客户端,由客户端软件进行处理(图1-4)。这种处理模型增强了客户端处理能力,减少了服务器端处理的数据量和网络传输负担。它的缺点是客户端软件功能有限,对于地理空间数据标准有局限性,对于处理空间数据的能力也受客户机性能的限制。同时,由于空间数据的复杂性,使得空间数据可以有多种格式进行存储,这样在对于客户端直接处理空间数据的情况下,客户端对于不同的数据源就需要有不同的数据访问接口,从而大大增加了系统的开发难度。这里所说的客户端软件可采用三种技术进行构建,Plug-in、ActiveX控件以及Java Applet。图1-4 基于客户机的WebGIS体系结构

(3)混合模式

单纯的B/S结构和C/S结构,都存在着明显的不足。在B/S中,由于频繁地与服务器之间进行数据传输,因此效率要受到网络宽带和网络负荷的严重影响。而在C/S中,当处理请求与处理能力不一致时,受计算能力的影响,某些任务可能运行较慢,有些可能根本无法完成。B/S结构和C/S结构的有效组合则可以有效地解决此类问题,这就是所谓的混合模式。这种模型采用前端插件技术(Plug-in、ActiveX、Java Applet等)将WebGIS服务器上的部分处理功能移植到客户端。当涉及大量的数据操作和复杂分析任务时,可以让技术能力很强的服务器来处理;当涉及用户交互较多的任务时,可以用客户机来进行处理。服务器和客户机可以共享它们的性能和数据处理能力,从而合理地分配服务器和客户机的负载,优化系统整体性能,是一种较好的WebGIS实现模型。

4. WebGIS的开发方法

目前已经有多种不同的技术方法被应用于研制实现Web GIS,包括CGI(Common Gateway Interface,通用网关接口)方法、服务器应用程序接El(Server API)方法、插件(Plug-in)方法、Java Applet方法以及ActiveX方法等。每种技术方法都有各自的优点和不足之处,每种技术方法针对的系统的运行环境也各不相同。

(1)CGI方法

CGI是一个用于Web服务器和客户端浏览器之间的接口标准,它允许网页用户通过网页的命令来启动一个存在于网页服务器主机的程序(称为CGI程序),并且接收到这个程序的输出结果。

开发CGI程序的主要用途是:实现Web服务器与GIS应用程序之间的通信。基于CGI技术的WebGIS工作原理为:当用户发送一个请求到Web服务器上时,如果请求的是GIS数据,则服务器通过运行在其中的CGI程序把该请求转发给后端运行的GIS应用程序,GIS应用程序提取用户的请求参数后进行相应的处理,并将结果传递回客户端显示。

CGI主要优点是处理比较简单,CGI程序可以用任何一种能运行在服务器上的语言如Visual C++,Visual Basic编写,同时由于只涉及服务器端程序的开发,因此这种方式实现起来简便迅速,开发效率高。但它有以下一些不足:

①性能不佳

Web服务器必须为每一个请求创建一个新的进程,而创建进程的负荷和大量并发执行的CGI程序所耗费的资源可使Web服务器运行速度迅速下降。

②网络传输负担重

由于客户端不具有数据管理功能,不能实现有状态的GIS空间数据传输协议,如果再次请求已经请求过的数据,需要经过同样的数据传输过程;同时由于服务器向客户端发送的基本上都是图像,因此空间数据分析和可视化非常不易完成,网络传输负担较重。

(2)Server API方法

Server API是一种经过扩充的CGI工具。利用Server API开发的应用程序以一种库的形式工作,这些程序一经启动便作为一个进程长期运行于服务器中,服务器通过进程间通信协议与这些程序进行信息交换,因此避免了CGI程序频繁启动造成的服务器中进程数量急剧增加的问题。基于Server API的WebGIS的工作方式与采用CGI技术基本相同。

CGI相比Server API具有如下缺点:

①CGI程序是单独可以运行的程序,而Server API往往依附于特定的Web服务器。

②Server API没有统一的标准,采用它在通用性方面有缺陷,并且依附于特定的服务器和计算机平台,其可移植性较差。

③使用API存在着危险,如果Web服务器的API调用或者服务器扩展程序的API函数不够健壮的话,会导致Web服务器瘫痪。

总之,利用CGI或者Server API,虽然增强了客户端的交互性,但是用户得到的信息依然是静态的。用户不能操作单个地理实体以及快速缩放地图,因为在客户端,整个地图是一个实体,任何GIS操作,如放大、缩小、漫游等操作都需要服务器完成并将结果返回。当网络流量较高时,系统反应变慢。

(3)插件(Plug-in)方法

Plug-in即插件技术。是由美国Net Scape公司首先提出用于扩充Web浏览器功能的一项技术,该技术能使Web浏览器支持处理特定格式的GIS数据,并为Web浏览器和GIS服务器程序之间的通信提供条件。

基于Plug-in的WebGIS的工作原理即是开发出能够处理GIS数据的应用程序并安装在用户的浏览器中,这样用户每次浏览GIS数据时,浏览器便调用相应的应用程序实现GIS数据的显示和操作。

插件技术的优点是:①它可以很好地解决其与浏览器程序间的相互调用问题。Plug-in作为网络能力的一种扩展,将大部分负荷加在浏览器程序上,这样就能正确地浏览很多数据类型,在浏览器端完成矢量信息的重视。利用浏览器插件,可以将一部分服务器的功能转移到客户端。②当需要时接入,用后脱开以释放系统资源;同时它把一部分服务器上的功能转移到客户机上,这样一来,不仅大大加快了客户操作的反应速度,而且也减少了网上流量和服务器的负载。

插件法的缺点是:需要先安装再使用,对WWW的客户来讲极不方便,同时也带来了安全隐患。

(4)Java技术

Java语言是SUN公司于1995年5月推出的Java程序设计语言和Java平台的总称。Java语言是一种跨平台、适于分布式计算环境的面向对象的程序设计语言,具有可移植性、安全性、动态性、稳定性等特点,可以在完全不同的系统下运行,因此基于Ja va的WebGIS可以做到“一次编程,到处运行”。

基于Java的WebGIS具有其他方法无可比拟的优点:①服务器传送给用户的是空间矢量数据,而不是由服务器处理好的静态图像,所以不仅可以查询地图数据,还可以分析和更新数据。②由于在网上传输的是各类矢量图形数据和属性数据,较之图像数据流量大大降低,加快了对用户请求的响应速度。③随Web页传入客户端的Java程序可以直接在用户机器上执行,无须安装,也不会产生复杂的软硬件兼容性问题,简便可靠。④在服务器端采用Java构件技术,平台移植性好。⑤由于客端成为强大的智能型客户端,常规的操作无须通过网络传输交服务器处理,因此降低了服务器的处理负载,使之可以响应更多的请求,这符合当今的负载均衡的网络发展要求。

(5)ActiveX方法

ActiveX方法是在微软公司OLE技术基础上发展起来的因特网技术,其基础是DCOM(Distributed Component Object Model)技术标准,基于该种标准开发出来的构件称为ActiveX控件。Ac tiveX控件与插件技术Plug-in非常相似,都是扩展Web浏览器的功能的动态模块。所不同的是ActiveX能被支持OLE标准的任何程序语言或应用系统所使用。而Plug-in只能在某一具体的浏览器中使用。

DCOM描述了ActiveX的核心技术:对象之间以及与远程对象之间的低级对象通信机制,使得不同平台和使用不同语言编制的ActiveX控件可以相互通信。目前ActiveX控件可以使用MSVisual C++、MSVisualBasic等工具建立。

ActiveX技术最大的特点是Web网页中的ActiveX控件可以使用本地计算机的所有资源,即拥有本地计算机应用程序所具有的全部处理能力。这对计算处理能力的应用具有强大的优势,当然为此付出的代价是该类控件将锁在单一平台上(只是控件本身不能移植,不同平台之间、使用不同语言编制的ActiveX控件仍然可以相互通信,协作完成计算任务)。

以上各种开发方法各有优缺点,并且在实际开发WebGIS的过程中还要考虑到各种开发方法与WebGIS开发软件的匹配,因此并无绝对优秀的开发方法。在实际的系统建设中,可以根据待发布数据的数据量、数据类型、Web服务器软件、客户端的要求等确定采用不同的方案,选择相应的软件。

WebGIS的发展和GIS技术、计算机技术、信息技术和通信技术的发展密不可分。许多Internet组网技术可直接移植于WebGIS系统。但WebGIS自身还有一些关键技术必须解决,如高质量数据压缩技术、宽带和高码率WAP技术、组件式GIS设计等。

①空间数据的压缩与解压缩

GIS中海量的空间数据会产生数据传输和存储问题,即使是宽带高速网,也不能使影像在Internet上以各种比例尺任意漫游,因此空间数据的压缩就显得尤为重要。此外,空间数据的管理和使用,如影像数据库的建立(影像无缝漫游)、网上数据分发、数据通信传播等都要求对空间数据进行压缩和解压缩。目前,由于小波理论能有效地应用于空间数据的压缩和解压缩而成为地理信息数据压缩领域的研究热点。

②基于WAP技术的Web浏览

由于无线互联网属于窄带网,网络环境并不十分稳定,但本身技术含量又非常高,因此如何解决客户端的负荷是一个关键问题。最好的解决办法就是强化服务器端,同时研究具有可兼容、扩展和交互的、满足客户端要求的Web浏览技术。

③分布式WebGIS数据库管理

由于地理信息本质上是分布的,而用户又需要对分布的地理信息完成浏览、查询、分析等操作,这就要求WebGIS需要解决如何实现地理信息客观上分布与实际操作、应用中的集中问题。因此,分布式WebGIS的产生和发展是地理信息获取和处理的必然结果。

分布式计算目前的实现是Client/Server(客户机/服务器)计算,它是实现完全的分布式计算的一个中间步骤。完全的分布式计算必须是一个非集中的点对点对的协同计算。1.1.3.4 地理信息系统中常用的软件介绍

各种实用的地理信息系统软件可以简单、便捷实现数据的融合以及实现各种数据的管理功能。目前,常用的地理信息系统软件主要有:环境系统研究所(ESRI)的Arcinfo、ArcView、Arc GIS,Autodesk公司的AutoCAD Map,得克萨斯Baylor大学的GRASS,克拉克实验室的IDRISI,荷兰国际航空航天测量与地球科学学会的ILWIS,MapInfo公司的MapInfo,ThinkSpace公司的MFworks,Intergragh公司的MGE,GeoMedia,Bentley System公司的Microstation, PCI Geomatics的PAMAP, TYDAC公司的SPANS,Caliper公司的TransCAD,Maptitude、Northwood技术有限公司的Vertical Mapper。本节将详细介绍在应用比较广泛的有ArcGIS软件。

ArcGIS是美国环境系统研究所(Environmental Systems Re search Institute,Inc.简称ESRI公司)的产品。ESRI公司成立于1969年,总部设在美国加州RedLands市,是世界最大的地理信息系统技术提供商。在全面融合了GIS与数据库、软件工程、人工智能、网络技术及其他多方面的计算机主流技术之后,成功地推出了代表GIS最高技术水平的全系列GIS平台——ArcGIS系统。

ArcGIS作为一个可伸缩的平台,无论是在桌面,在服务器,在野外,还是通过Web,为个人用户也为群体用户提供GIS的功能。ArcGIS是一个统一的地理信息系统平台,由四个重要部分组成:桌面GIS(ArcGIS Desktop)、嵌入式GIS(Embedded GIS)、服务器GIS(Server GIS)和移动GIS(Mobile GIS)

1.桌面GIS(ArcGIS Desktop)

ArcGIS桌面产品(ArcGIS Desktop)是一系列整合的应用程序的总称,包括ArcMap,ArcCatalog,ArcGlobe,ArcToolbox和ModelBuilder。通过协调一致地调用应用界面,可以实现任何从简单到复杂的GIS任务,包括制图、地理分析、数据编辑、数据管理、可视化和空间处理,如图1-5所示。图1-5 ArcGIS产品的基本框架

(1)ArcMap

ArcMap是ArcGIS Desktop中一个复杂的制作地图的应用程序,具有基于地图的所有功能,包括制图、地图分析和编辑。

ArcMap提供两种类型的地图视图:地理数据视图和地图布局视图。在地理数据视图中,用户可以对地理图层进行符号化显示、分析和编辑GIS数据集。

在地图布局窗口中,用户可以处理地图的页面,包括地理数据视图和其他地图元素,比如比例尺、图例、指北针和参照地图等。通常,ArcMap可以将地图组成页面,以便打印和印刷。

(2)ArcCatalog

ArcCatalog帮助用户组织和管理GIS信息(地图、三维、数据集、模型、元数据、服务等)。它的功能包括:

①浏览和查找地理信息数据;

②记录、查看和管理元数据;

③定义、输入和输出Geodatabase结构和设计;

④在局域网和广域网上搜索和查找的GIS数据;

⑤管理ArcGIS Server。

一般地,GIS使用者使用ArcCatalog来组织、发现和使用GIS数据,同时也使用标准化的元数据来说明他们的数据;GIS数据库的管理员使用ArcCatalog来定义和建立Geodatabase;GIS服务器管理员则使用ArcCatalog来管理GIS服务器框架。

(3)ArcGlobe

ArcGlobe是ArcGIS桌面系统中3D分析扩展模块中的一个部分,提供了全球地理信息的连续、多分辨率的交互式浏览功能。在显示区域内,它可以显示全球的影像和地形数据,而且可以进行交互操作。ArcGlobe支持所有ArcGIS支持的数据格式,包括Shapefiles、Coverages、Geodatabases、Rasters、CAD等。它的主要特点有:

①采用依比例的智能调度机制处理数据,ArcGlobe根据用户需要将数据调入或清出内存;

②连续、平滑地处理地表细节的变化,ArcGlobe根据分辨率逐渐变换地表,使得多分辨率高程模型的合并变得非常容易,并且不用牺牲显示质量和效率。ArcGlobe在用户与数GB数据交互的同时,通过动态数据存取和分块来处理不同分辨率的数据。

(4)ArcToolbox

ArcToolbox具有许多复杂的空间处理功能,包括的工具有:

①数据管理;

②数据转换;

③Coverage的处理;

④矢量分析;

⑤地理编码;

⑥统计分析。

ArcToolbox内嵌在ArcCatalog和ArcMap中,在ArcView、Ar cEditor和ArcInfo中都可以使用。

(5)ModelBuilder

ModelBuilder为设计和实现空间处理模型(包括工具、脚本和数据)提供了一个图形化的建模框架。它将一系列的工具和数据串起来以创建高级的功能和流程。用户可以将工具和数据集拖动到一个模型中,然后按照有序的步骤把它们连接起来以实现复杂的GIS任务。

2.嵌入式GIS(Embedded GIS)

嵌入式GIS(Embedded GIS)是把GIS与嵌入式技术融合在一起,形成一个嵌入式的地理空间集成平台,与传统GIS技术相比较,嵌入式GIS具有跨平台、开发好、易集成、易渗透和融合好等特点,而且价格低,为地理信息技术融入其他信息技术提供了良好的技术基础。典型的嵌入式GIS应用由嵌入式硬件系统、嵌入式操作系统和嵌入式GIS软件组成。

通常嵌入式GIS是以掌上电脑为硬件开发平台的,CPU可以为ARM、MIPS、SH3、SH4、86等;ROM最好为XIP,其占资源少,运行时间短;RAM采用对象存储器(object store),一般支持常用的Microsoft Win32 API操作系统,可用于开发应用程序,接口包括:MFC、ActiveX、COM、ATL等。常用开发工具有Mi carlosCo+ft+W3.i0nd/ow4s.0、CEMicPrloastfoofrtmViBsuuailldeSrt、udiMo.icNroesto等ft。embedded Visu?

图1-6 为一般嵌入式GIS应用软件所应具备的几个基本功能模块。通常该类系统最底层为嵌入式操作系统Windows CE,然后上面依次应为空间数据管理层、数据分析层,最上面为GIS用户操作界面。图1-6 嵌入式GIS系统结构

嵌入式GIS的主要功能有:

(1)基本地图操作功能:主要用于地图的显示、缩放、漫游、查询等。

(2)图层管理功能:根据用户需求可以打开/关闭,显示/隐藏图层。

(3)查询、检索、分析、导航功能:主要用于目标的查询(包括分类查询、图文互查)、定位以及结合GPS定位数据的导航功能等。

嵌入式GIS开发在测绘、智能交通(ITS)、海事、国防、公安等领域都有无限广阔的应用前景,可广泛应用于军事、野外测绘、医疗、汽车导航等领域。个人汽车导航和PDA(或手机)定位服务(LBS)的出现与发展更是将嵌入式地理信息技术深入到每个人的日常生活。

目前最主要的应用领域有:智能交通(交通信息管理系统、车辆导航系统等大量嵌入式GIS软件在交通部门的应用将大大提高交通系统的智能化程度);野外数据采集和各种普查(公路普查、环保普查等);军事国防领域(步兵装备、装甲、坦克、情报收集等);智能汽车(集通信、信息、导航、地图、娱乐和各类安全电子系统于一体的智能汽车将是未来汽车的发展方向);个人用户(结合手机和个人PDA的应用,将提供实时的地图信息和出行参考,大大提高人们的生活质量)。

3.服务器GIS(Server GIS)

服务器GIS用于创建和管理基于服务的GIS应用程序,在大型机构和互联网上众多用户之间共享地理信息,进行多种类型的集中式GIS计算。GIS服务器与主流IT标准相互兼容,并可以与其他的企业软件(如,网络服务器、DBMS和企业应用程序框架,包括Java J2EE和微软.NET)很好地集成,使GIS系统能够与大量的信息系统技术和计算标准开放、协同地工作。目前基于服务器的GIS技术正快速发展、日趋成熟。GIS(S1e)rveAr。rcGIS提供了三种服务器软件:ArcSDE、ArcIMS和Arc

①ArcSDE——在各种关系型数据库管理系统中管理地理信息的高级空间数据服务器,它为任意的客户端应用(例如ArcIMS或ArcGIS Desktop)提供了一个在DBMS中存储、管理和使用空间数据的通道。

②ArcIMS——通过开放的Internet协议发布地图、数据和元数据,是可伸缩的网络地图服务器,广泛地用于向大量的网络用户发布网络GIS地图、数据和元数据。

③ArcGIS Server——是一个中心应用服务器,它包含一个可共享的GIS软件对象库,用来构建分布式的、多层的企业信息系统配置。

(2)服务器GIS的主要功能有:

①管理大型GIS数据库;

②通过Internet提供地理信息;

③维护中心GIS网络门户以提供数据挖掘和使用;

④集中提供各种高级GIS功能给一个机构内部的多用户访问;

⑤企业GIS数据库的后台处理;

⑥分布式GIS计算(如,分布式GIS数据管理和分析);

⑦通过Internet提供丰富的GIS功能。

4.移动GIS(Mobile GIS)

移动GIS(Mobile GIS)是建立在移动计算环境、有限处理能力的移动终端条件下,提供移动中的、分布式的、随机的移动地理信息服务的GIS,是一个集GIS、GPS、移动通信(GSM/GPRS/CD2MA)三大技术于一体的系统。ArcGIS为用户提供了三种移动GIS解决方案。

(1)ArcGIS Desktop和使用ArcGIS Engine建立的定制桌面应用:这种方案常常部署在用于野外的笔记本电脑或者平板电脑上。采用这种方案的用户需要和地理数据库打交道并且需要细致的地图。

(2)ArcPad:ArcPad为使用Windows CE兼容设备的野外工作人员提供了一个以GIS为中心的解决方案。

(3)ArcGIS Mobile:ArcGIS Server 9.2包括一个软件开发包,称为ArcGIS Mobile,可以被用于智能手机,PocketPC。

移动GIS通过GIS完成空间数据管理和分析,GPS进行定位和跟踪,利用PDA完成数据获取功能,借助移动通信技术完成图形、文字、声音等数据的传输。与传统GIS相比,移动GIS的体系结构略微复杂些,因为它要求实时地将空间信息传输给服务器。移动GIS的体系结构主要由三部分组成:客户端部分、服务器部分和数据源部分,分别承载在表现层、中间层和数据层。表现层是客户端的承载层,直接与用户打交道,是向用户提供GIS服务的窗口。该层支持各种终端,包括手机、PDA、车载终端,还包括PC机,为移动GIS提供更新支持;数据层是移动GIS各类数据的集散地,确保GIS功能实现的基础和支撑。中间层是移动GIS的核心部分,系统的服务器都集中在该层,主要负责传输和处理空间数据信息,执行移动GIS的功能等。包括Internet、Web Server、Map Server等组成部分。

移动GIS有以下几个特点:

(1)移动性。移动GIS是运行在各种移动终端上,通过无线通信技术与服务器端交互,可以随时随地进行空间信息服务。

(2)客户端多样性。移动GIS的客户端指的是在户外使用的可移动终端设备,其选择范围较广,可以是拥有强大计算能力的主流微型电脑,也可以是屏幕较小、功能受限的各类移动计算终端,比如PDA、移动电话等,甚至可以是专用的GIS嵌入设备,这决定了移动GIS应该是一个开放的可伸缩的平台。

(3)服务实时性。移动GIS最大的特点就是在各种导航定位设备的支持下,在移动的过程中,不受限制地把采集到的相关信息及时处理并发布给用户。

(4)数据资源分散、多样性。由于移动用户的位置是不断变化的,移动用户需要的信息也是多种多样的,这就需要系统支持不同的传输方式,任何单一的数据源都无法满足所有的移动数据请求。

(5)信息载体的多样性。与传统GIS相比,移动终端用户与服务器及其他用户的交互手段更加丰富,包括定位服务、视频、语音、图像、图形、文本等。1.2 3S技术在水利行业中的应用1.2.1 全球定位系统在水利行业中的应用

GPS主要作用是数据采集,具体来说就是对关注目标的精确定位,它可以向用户提供经度、纬度、高程、速度、时间等信息,但是它与传统的测量方法并不相同,它具备连续、实时、高精度、全天候测量和自动化程度高等优点,因此,GPS技术自出现以来一直受到测量工作者的高度青睐,在水利行业中具有广泛的应用空间。目前,GPS技术在水利行业中的应用主要集中在防汛减灾,水文自动化测报与水资源实时监控,河道整治与滩区开发,水土保持监测与治理以及水利工程建设与安全监测等几个方面。1.2.1.1 防汛减灾

采用GPS定位技术,可以精确地定位险情发生的地点,在配置无线通话功能后,还可以同时具备双向通话功能,实现现场和指挥中心的自由对话,方便进一步沟通以便随时做出应急反应。而集成了GPS技术和GSM无线通信技术的实时报警系统在汛期能够快速地将出险地点和险情类别发送至指挥中心监控系统,以便及时做出反应。

1.在防汛巡堤查险报警中的应用

把GPS技术和移动通信技术集成结合在一起,生产出一种手持式防汛巡堤查险报警系统,能够快速地将发生险情的地点和险情类别发送到指挥中心的监控系统,及时做出反应。手持式设备采用GPS定位技术,可以精确地定位险情发生的地点(误差不超过10m),系统在预先设定了管涌、决口等险情类别操作后,巡逻人员只需针对不同的险情类别按下不同的按键,这时系统就会通过移动通信的短信息功能将报警信息和位置信息发送到指挥中心。与此同时系统还具备通话功能,可以实现现场和指挥中心的自由对话,以便于进一步沟通。另外,为了防止个别巡查队伍的渎职懈怠,指挥中心可以对手持式防汛巡堤查险报警系统的持有者进行跟踪,查询当前位置和巡查路线信息,有利于加强汛期巡逻队伍的管理。长江水利委员会水文局应用GPS水道测量系统采集数据,利用先进的Hypack软件实现了现场成图,并及时进行对比分析,提出险工险段监测报告,对河床局部冲淤变化、冲刷坑的部位、高程、深泓线变化、岸堤变化等进行定量分析,提供险工险段的险情,并向防汛指挥部门建议采取相应的对策,如抛石护岸、修筑子堤等。此外还利用GPS系统监测荆江大堤、武汉大堤、黄广大堤、无为大堤、汉江遥堤等,并对重点护岸险工段沙市、盐观、祁冲、灵黄、郝穴、监利、龙王庙、月亮湾、水口、下关、浦口、西坝、梅大等江段,每年进行2~5次1∶1000~1∶2000堤防险工测量和分析,为防汛抢险提供了重要依据。

2.防汛抢险车船指挥调度系统

防汛期间防汛抢险物资的快速安全运输至关重要,现代无线通信手段虽然可以实现车队与后方指挥中心的远距离通信,但是却无法准确地判断防汛物资和运输车队的实时状态,也就无法合理安排物资的调配方案,而防汛抢险车船指挥调度系统为防洪抢险指挥员提供了一个掌握全局、科学指挥的得力工具。

防汛抢险车船指挥调度系统由三个子系统组成,他们分别是车(船)载单元系统、无线通信系统和监控调度系统。车(船)载单元系统利用GPS设备接收定位卫星信号,在其编码后通过无线通信系统将定位信号传给监控调度中心,监控中心接到定位信号后,通过监控调度系统将移动的车辆和船只的目的位置在电子地图上实时显示出来。并且配合防汛物资仓库分布图、公路交通图、水系分布图、居民区分布图等电子地图信息,利用地理信息系统的网络分析功能,实现抢险物资的快速调拨分析以及避难人员的迁移路径分析。1.2.1.2 水资源信息实时监控

GPS在水资源实时监控系统中主要起定位和导航的作用,如各种测站、监测断面和取水口位置的测量。另外,最新采用的移动监测技术也应用GPS技术,实时确定监测点的地理坐标,并把监测信息传输到控制中心,而后控制中心可以确定监测点所在的水系、河段及断面位置,不但提高了贵重监测仪器的利用效率,也提高了系统灵活反应能力。1.2.1.3 在河道演变和滩区开发方面的应用

河道演变和河口区的演化规律的分析研究是流域治理规划的重要基础工作。利用传统测绘手段耗资费力,而GPS技术提供了快速、高效的手段,可以取得高时效、高精度的基础数据。GPS技术在河道演变和滩区开发中取得了一些成功的应用,如长江中下游干流(包括部分重要支流)冲积性河道一般5年施测一次1∶10000水下地形测量,在特大洪、枯水年适当增加测次,1998年长江洪水过后,长江水利委员会水文局及时安排了长江中下游1∶10000长程水道的地形测量,施测的范围从宜昌至吴淞口。长江宜昌至吴淞口长约1790km,应用常规方法进行一次长程水道地形测量,从外业测量到内业成图大致需要2~3年的时间,但是应用静态GPS实测两岸控制,实时差分水道测量系统实测水下部分,仅需要半年时间,这样大大缩短了成图的周期,提高了水道地形图的时效性。1.2.1.4 在水土保持和生态建设方面的应用

GPS在水土保持和生态建设方面的应用发展得很快,涉及的方面逐步拓展。全国水土保持监测方案中明确要求,在水土流失监测中,尤其是地面监测,要充分利用GPS定位技术,实现数据的实时采集和快速分析。目前,GPS在这方面的应用主要包括:水土生态工程规划设计、水土保持工程施工放样、水保生态建设竣工验收、水土流失动态监测、地理信息系统的建设和数据库更新。

1.在水土保持生态工程规划设计中的应用

生态建设规划需要调查评价土地利用现状、典型样点水土流失状况、规划面积、地面坡度等数据,以往取得这些数据主要依靠外业常规测量或借助地形图资料,存在的问题是外业常规测量费时费钱,且地形图资料不能反映最新的地形地貌状况。利用GPS定位技术则很容易完成图斑的跟踪、样点侵蚀量的调查及坡度量测工作,尤其是在设计阶段,对水保工程的设计具有重要的作用,如可以用GPS定位技术制作数字地面模型(DTM),用计算机设计软件完成拦泥坝工程设计等。

(1)土地利用现状和水土流失现状调查

把一台基站架设在某已知点或明显地物点上(该点尽量在作业区中心),用流动站跟踪图斑,并赋予图斑属性代码,经过室内处理,即可以得到三维土地利用现状图和水土流失现状图。

(2)地面坡度量测

利用该技术可以测出坡面两点的三维坐标,进而计算出两点间的高差、距离,最终求得坡度。

(3)塘坝、蓄水池、拦沙坝等的设计

水土保持工程的设计中,利用该技术测出坝址处地形特征点的坐标数据,经过计算,求出各特征点的坐标,而后利用计算机辅助设计软件完成塘坝、蓄水池、拦沙坝工程的设计。此外,利用GPS定位技术进行梯田、林地的施工放样等,也非常简便快捷准确。

2.应用于水土保持工程施工放样

在水土保持工程施工放样中的应用,以往采用经纬仪、水准仪、皮尺、罗盘等,操作比较繁琐,在地形条件复杂的区域,施工放样相当困难,精度难以保证。利用GPS定位系统中的RTK(实时动态)技术,很容易找到待定位的目标点。如果定位的精度要求不是很高,像梯田、造林地等的放样,利用GPS手持机定位放样,更简单容易。

3.在水土保持项目工程测量中的应用

应用GPS静态相对定位技术,布设精密的工程施工控制网,用于骨干工程施工控制、水土保持地形图、水土保持工程施工图、水土流失分布图等精密工程。通过加密测图控制点,应用GPS实时动态定位技术和GPS三维测量工具可测绘出水保项目各种比例尺的地形图和用于水保项目工程的施工放样。

4.在水土保持生态建设工程竣工验收中的应用

由于水土保持生态工程的特殊性,以往的验收大部分采用现场抽样查看的形式,对实施工程的图斑、位置无法精确测量和定位。如果使用GPS定位技术,现场跟踪图斑,可很快确定出图斑在图上的位置和面积,观测出主要工程指标,确定工程设计的完成情况。

5.在水土流失动态监测中的应用

对自然水土流失的监测,宏观方面可建立GPS控制网,在控制网的基础上,进行控制点测量,为航空遥感影像的定位提供加密点,用于宏观区域和重点区域水土流失和土地利用信息的采集、提取;在微观方面,可以利用GPS技术监测沟头的前进速度、沟底的下切速度、沟缘线的后退速度,甚至可以监测出典型样点的水土流失量。对于人为水土流失的监测,一是可以定期观测开挖面、堆积面的变化情况;二是可以用GPS现场测量挖填方量、堆积量和弃土弃渣量;三是可用GPS在最短时间内比较准确地确定开荒、毁林及破坏水土保持设施的数量、面积等。

6.在水土保持项目生态资源勘测中的应用

在野外调查和勘测设计中,利用GPS技术可以准确定位水土资源的分布和物种区域等指标的经纬度和高度,结合GIS技术,可在三维地图上加以标注,并计算出区域的面积,并掌握当地生态环境变化规律。

7.水土保持信息方面的应用

目前,“3S”综合集成系统已在国家级重点生态建设项目和国家级重点水土保持监测项目上应用,其中的GPS技术在此系统中起着重要作用。

(1)为全数字摄影测量、水土保持信息采集提供控制网

通过选区选点,造标埋石,野上观测和内业计算得到GPS控制网。利用GPS技术进行控制点测量,建立立体模型。通过自动的DTM和半自动的DTM软件,建立数字地面模型,作为信息系统的地形数据。

(2)对信息系统图斑的补测、补绘和更新

水土保持信息需要及时地更新数据、补充新的图斑,对重点监测区和典型样区,可以用GPS的RTK技术对完成的治理措施和流失情况的图斑、属性变化情况进行观测,并将数据输入到信息系统中,实现对图斑的更新与补充,及时掌握水土保持信息。GPS定位技术用在水土保持生态环境建设、水土流失监测等方面的还有很多,以上只是一些简单可行、便于操作的应用技术而已。1.2.1.5 在水利水电工程中的应用

GPS技术在我国水利水电工程建设中的应用主要有以下几个方面。水利工程地质测绘:能提供质量好、精度高的矢量数据,实现数字化地图的测绘、补测、补绘和更新。还有GPS施工实时测控系统、大区域水电工程GPS监测网、GPS大坝安全监测系统、水下GPS测深等。

1.在水利工程中的应用

(1)在水利工程设计施工中的应用

水利工程从设计阶段到施工建设及竣工验收一直到安全运营和环境监测等均需要及时准确地高精度测量数据。水利工程的设计阶段首先需要利用现时性很好的地形图来确定坝址的具体位置及汇水面积,而水利工程大多处在地形复杂、高差变化比较大的困难地区,这样如果采用传统的三角测量或导线测量的方式进行控制测量,要想达到规定的精度需花费大量的人力、物力和财力,而目前经典的GPS静态测量模式的测量精度可达10-6精度,若增加观测时间或采用精密星历或精密结算软件观测精度还会继续提高,这样的精度完全可以满足水利工程控制测量的需要,但是试验表明,GPS的工作效率却远远高于传统的测量模式。碎部测量若采用目前最新的GPS RTK(载波相位实时动态差分定位)技术,工作效率还可进一步提高。

利用动态GPS定位技术测绘数字化水利工程现状图。利用现已成熟的动态定位技术(RTD、RTK)对已有水利工程、机井、水库、坝址、建筑物、耕地等进行定位,测绘出水利工程现状图,测绘原有水库或新建水库淹没区数字化地形图,建立数字高程模型(DTM),可以更加准确地计算出水库库容工程建设中断面测量、土方量计算、工程放线标定、格网标定等。利用动态GPS技术测绘公路交通图以及公路设施的起始点桩号,实现数字化地图测绘、补测、补绘和更新,可对当年建设的水利沟渠、建筑物、机井、旱改水面积的具体位置补测、补绘、更新到原有数字化地形图上。

(2)在大坝变形监测中的应用

水利工程因为其污染小、经济效益显著,所以在国家的经济建设中起着举足轻重的作用。从小丰满、小浪底、葛洲坝到现在举世瞩目的三峡工程无一不为国家的经济建设、人民的日常生活提供了坚强有力的保证。但是其设计要求高、施工难度大,同时因为规模巨大,因此对原有的自然环境也会造成一些影响。在这些因素的影响下,如何确保工程安全高效施工和运营,是水利工作者首先要考虑的重大问题之一。测量的技术和方法是为设计提供准确数据、高精度的放样以保证施工质量、竣工的验收以及运营后的变形监测和环境监测的重要手段之一,由此可见,GPS技术在水利工程方面有着广泛的应用空间。

GPS在水利工程中最大的贡献是将这项技术应用到坝体的变形监测当中。截至2003年年底,我国已建成的水库大坝有25800座。历史上灾难性的溃坝多次发生,每次都造成了巨大的人员伤亡和财产损失,因此,对大坝实施准确、实时的变形监测非常重要。对水电设施的管理机构和操作人员来说,监测大坝变形和地面沉降是他们的主要任务。以往的交会或极坐标的测量方式存在以下问题:①测量成本高,工作效率低;②测量精度低;③实时性和同步性较差,不能及时反映大坝运行工况,影响大坝安全性评判;④测量工作受到工作环境状况的影响,如恶劣气候、植被丰厚区等。随着GPS系统的完善、接收机性能的提高、高精度解算软件研究成功、GPS观测方法不断改进、GPS应用水平的提高,GPS已部分地代替了传统精密大地测量方法,为建立大坝的实时连续变形监测系统和获取长时间大量的变形监测数据以进行变形分析提供了有力的保证。GPS在大坝变形监测领域得到应用,并有一些成功的实例。美国California州的Pacoima大坝于1995年成功地建立了GPS自动监测系统,美国陆军工程师协会和Condor公司于2002年2月在蒙大拿州西北的发电能力为525MW的Libby水电站大坝上安装了一套3D trackter实时GPS监测系统。我国在青江隔河岩大坝建立的GPS自动化变形监测系统,该系统曾在1998年长江抗洪错峰中发挥了重要作用,确保了安全度汛,避免了荆江大堤灾难性的分洪。

2.在水下地形测量中的应用

所谓水下地形测量,就是利用测量仪器来确定水下地形点的三维

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

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