3S技术与地球信息科学及应用

□孙淑丽（河南省遥感测绘院）

一、引言

在地球表层上的地理信息是地球信息的基础信息，正是地理信息的空间定位和空间关联性起到了连接地质信息、海洋信息和大气信息的作用，使得地质信息、海洋信息和大气信息得以通过地理信息组合成为地球信息。要想研究得到关于地球的知识，首先必须有获取地球信息的技术，得到表征地球上的物质、能量或者是人的各种属性数据数据或信息；第二，需要对所获取的数据进行综合分析;第三,数据或信息需要从一个地方传到另一个地方,因此信息传播技术也是地球信息技术的重要组成部分；第四，但光有传播还不行，我们还需要对数据进一步分析，上升到信息，而之后还要变成知识，变成知识以后人就可以根据这个进行决策，包括决策地球的能量或者是人类怎么发展。具体来说，地球信息系统、全球定位系统、计算机网络系统，计算机计算和模拟，还有现在的虚拟技术，都是地球信息技术的组成部分。本文就空间信息获取3S技术、地球信息科学及其相互关系、趋势及应用等进行了讨论。

二、3S技术及其集成

（一）3S技术的介绍

GIS，即地理信息系统，它是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统，该系统具有支持空间数据的获取、管理、分析、建摸和显示的功能，并可解决复杂的规划和管理问题。GIS的操作对象主要是赋有地理坐标的空间数据及相关的属性数据和拓扑数据，这是GIS区别于其他信息的根本标志，也是它的技术难点。GIS的优势核心在于它的数据综合、地理建模和空间分析的能力，在于它集空间数据的获取、管理、分析、建模和显示于一体的数据流程。它在3S的集成应用中充当大管家的作用，来管理通过RS（遥感技术）和GPS（全球定位技术）获取的空间数据和通过各种途径得来的属性数据。

RS也就是遥感技术，它是在不接触目标或自然现象而进行遥远感知的一种探测技术，狭义上是指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器（如摄影仪、扫描仪和雷达等）获取地表信息，通过数据的传输和处理，来研究地面物体形状、大小、位置、性质及环境相互关系的现代化技术科学。遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的融合与分析，从静态分析向动态监测过渡，从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡，从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。近年来，由于航空遥感具有的快速机动性和高分辨率的显著特点使之成为遥感发展的重要方面。

GPS即全球定位系统，其是以卫星为基础的无线电测时定位、导航系统，有分布在与赤道夹角为55度的6个轨道上的24颗工作卫星和3颗备用卫星组成，可为航天、航空、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。GPS定位系统通常由空间导航卫星、地面监控站组和用户设备三部分组成。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，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 (准实时)定位与导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。

（二）3S集成

在实际应用中GIS、RS和GPS并不是孤立发生作用，在空间信息管理上它们相互之间相互关联且又各具特色，均可独立完成自身的功能，所以在现代社会持续发展、资源合理规划利用、城乡规划与管理、自然灾害动态检测与防治中发挥着重要的作用。

GIS与RS的集成主要表现为RS是GIS的重要的信息源，GIS是处理和分析空间数据的强有力的保证。此集成的关键技术是栅格数据和矢量数据的格式转化问题，大多数GIS采用图形矢量的形式，如以点、线、面来存储。而空间分析采用栅格数据模型比较容易实现。集成中就牵涉到数据格式的转化的问题。在栅格数据转化矢量数据为比较简便，算法相对比较简单。而由矢量数据转化为栅格数据，相当麻烦，算法非常复杂。所以探索矢栅一体化的存储的地理信息系统模式也是地理信息系统工程中不断探讨的问题。为实现GIS与RS的一体化策略，要采用软件接口方式实现GIS和RS的数据交换，还要制定空间数据交换标准。更重要的是要使GIS能实时处理RS获取目标的信息，使其真正结合成一个完整的系统。研究诸如气候、植被、水资源、土壤类型等因素的空间分布，会同DEM数据和处理后的遥感影像进行计算。比如水利上利用RS动态监测。加上时间维的3S技术应用。三维尤其是实时的三维3S系统即数字水利为各种水利信息提供了更为直观的表现方式。

GIS与GPS的集成是利用GIS中的电子地图结合GPS的实时定位技术为用户提供一种组合空间信息服务方式，通常采用实时集成的方式。在二者的集成系统中动态GPS的作用是提供所研究物体的动态绝对位置，GIS的作用是把GPS获取的动态位置实时地在GIS的电子地图上反映出来。通过二者在统一坐标系下的集成，可以实时获取所研究目标的运动特征，对于地形的实时动态变形监测提供了更加有利条件。

RS与GPS的集成是利用GPS的精确定位来解决RS定位困难的问题，从空中的遥感平台上获取的遥感影像只是图像坐标系统中的坐标系，要想让遥感影像上的地物和地貌特征经过解译之后获得与GIS中坐标系基准下的坐标，必须利用GPS对遥感平台进行实时定位求出遥感平台上传感器的坐标（Xs，Ys，Zs）和姿态参数（φ，ω，κ）同时记录下来。也就是全球定位系统GPS为空中飞行器提供定位服务。

（三）GIS技术的发展趋势

GIS将不断的发展和变化。它的发展不仅基于一系列基本的GIS的特性，而且还依赖于计算机和Internet技术的不断发展。GIS已经从数据库和数据共享的方式发展成为一种知识方法。GIS不仅仅是数据库。基于GIS数据集，GIS用户的工作还要涉及到地图和全球视图，空间处理和工作流模型以及多领域的GIS数据库模型（数据模型）。所有这些都可以通过元数据管理发布和共享地理知识。

GIS系统越来越相互关联，地理知识正在网络上共享。用户可以在系统间共享和复制更新，InternetGIS将会更加成熟并被广泛使用。日益增强的分布式GIS的功能将被看作是一个完整的GIS平台的重要组成部分。GIS门户将会有助于分布式GIS数据管理和使用。独立GIS系统将会基于网络以一种松散耦合的方式相互连接。Internet很快将成为统一访问地理知识的框架。这些地理知识依然由许多独立的GIS结点创建、维护和发布。除了GIS发布和数据共享之外，用户还可以通过Internet来编辑、应用和管理地理知识。

三、以3S技术及其集成为技术手段的地球信息科学

（一）地球信息科学的概念

地球信息科学是地球系统科学、信息科学、地球信息技术交叉融合在一起的产物，它是横断学科，以信息流为手段，来研究地球系统内部的物质流、能量流、人流和运动状态、方式。地球信息机理就是地球信息科学的理论基础，它是一个主导。比如说用信息来表征地球的很多事情，这是一个研究的主体，那么地球信息是一个研究手段，它的主要应用对象是全球变化跟区域发展，反映了人类对地球运动规律的认识，人类保育地球的基础。地球信息科学是一个新兴的学科，可以说是地球科学系统里面的一个重要分支。

（二）地球信息科学的产生

与地球信息科学相关的学科，比如说地理学或者地球科学早就有了，包括地质、地球物理、大气科学等早已经发展起来了；到了80年代后期，全球定位系统出来了，而现在网络技术发展非常快。从技术角度来看，遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、计算机通信网络，即国家信息基础设施（NII）等一系列现代信息技术在全世界范围的迅速发展，并日益成熟，迫切需要形成一门新的科学给予理论上的支持和技术上的概括，这就是地球信息科学；就社会-经济-科研综合而言，全球变化与区域可持续发展研究己经使得现代地球科学问题的研究发生了“质”和“量”的变化，既需要“多学科、多部门之间的攻关协作”，又需要“现代技术手段的支持”，没有GIS、RS、GPS的支持，就难以解决具有区域性、时空多维性、复杂多变性特征的一系列生态环境和人口-经济问题。

（三）地球信息科学的研究内容

1.地球信息机理。即地球信息科学的理论核心，对地球信息机理的研究包括：地球信息的结构、性质、分类与表达；地球圈层间信息传输机制、物理过程及其增益与衰减以及信息流的形成机理；地球信息的空间认知及其不确定性与可预见性；地球信息模拟物质流、能量流和人流相互作用关系的时空转换特征；地球信息获取与处理的应用基础理论等。

2.地球信息技术。其包括地球数据获取技术、地球信息模拟技术与地球信息传播技术三部分。地球数据获取技术是用以从外部世界获得记录地球性质和状态的地球数据。遥感、全球定位系统等地球数据获取技术的发展已经形成覆盖全球的检测运行系统，已经形成从航天观测到深度观测的多层次、立体对地观测系统；地球信息模拟技术是用于将地球数据转化为地球信息；地球信息传播技术是用以实施空间数据的传递和信息的传播信息交换的网络化与实时性，促进了广泛意义上的信息共享。

3.地球信息科学方法。信息论、控制论和系统论的结合导致了现代科学方法论的重大突破，促成了现代科学技术的巨大变化。

四、结论及应用

地球信息科学是利用各领域传统学科的优势，把卫星遥感、全球定位、地理信息系统和数字光揽及数字摄影测量逐渐介入地球信息科学中。遥感强大的信息采集和获取能力，与全球定位系统快速、精确、全天候提供信息的能力及地理信息系统强大的存储、分析、处理和输出地理空间数据的能力结合在一起，正越来越多地应用于国民经济的各个领域。

以RS、GIS和GPS为核心的地理信息科学为人类提供了连续的表面数据，保证数字水利具有准实时数据。数据库体系是数字水利的核心，可实时监测水蚀、风蚀等多种类型的土壤侵蚀区的侵蚀面积、数量和强度的动态变化，进行盐碱地、沼泽地、风沙地、山地侵蚀地等劣质土地的面积调查与动态监测，开展土地利用现状调查、耕地面积和滩涂面积调查，工程规划与管理系统，可以进行大型水库淹没区实物量估算，库区移民安置环境容量调查，灌溉区实际灌溉面积和有效灌溉面积调查，水库淤积测量等等。

建设“信息社会”，迎接“信息时代”的到来。事实上，以GIS和GPS为核心的地理信息产业己经形成，它将在国民经济建设中起到越来越重要的作用。有了这个信息平台，防洪减灾、水资源管理、水土保持、旱情监测、灌溉面积调查，河道与河口动态变化监测，水环境、水库与湖泊蓄量监测的工作都将会有一个质的飞跃。

[1]何少福，马剑，李春茂.“3S”技术发展综述.三明高等专科学校学报,2001,9(3):50-54.

[2]陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论.科学出版社, 2001.

[3]罗名海.3S技术发展趋势及在城市规划中的发展前景.地理空间信息,2004,8(4):4-7.

[4]张剑清,潘励,王树根.摄影测量,武汉大学出版社,2004.