第5章 GPS和GIS技术

第5章GPS和GIS技术•5.1GIS技术•5.1.1GIS概述•1.地理信息系统的发展过程•1）国外地理信息系统的发展•综观GIS发展，可将地理信息系统发展分为以下几个阶段：•①地理信息系统的开拓期（60年代）•1963年，加拿大测量学家R.F.Tomlinson首先提出了地理信息系统这一术语，并建立了世界上第一个实用的地理信息系统——加拿大地理信息系统（CGIS），用于自然资源的管理和规划。•这一时期，地理信息系统发展的另一显著标志，是许多有关的组织和机构纷纷建立，例如1966年美国成立城市和区域信息系统协会(URISA)，1969年又建立州信息系统全国协会(NASIS)，国际地理联合会(1GU)于1968年设立了地理数据收集和处理委员会(CGDSP)。这些组织和机构的建立，对于传播地理信息系统的知识和发展地理信息系统的技术，起了重要的指导作用。•②地理信息系统的巩固发展期（70年代）•由于计算机技术及其在自然资源和环境环境数据处理中的应用，促使地理信息系统迅速发展。•③地理信息系统技术大发展时期（80年代）：•由于大规模和超大规模集成电路的问世，推出了第四代计算机，特别是微型计算机和远程通讯传输设备的出现为计算机的普及应用创造了条件，加上计算机网络的建立，使地理信息的传输时效得到极大的提高。•地理信息系统的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区域划分到政治选举分区等，涉及到了许多的学科与领域。•④地理信息系统的应用普及时代（90年代）•国家级乃至全球性的地理信息系统已成为公众关注的问题，例如地理信息系统已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划，美国副总统戈尔提出的“数字地球”战略也包括地理信息系统。毫无疑问，地理信息系统将发展成为现代社会最基本的服务系统。2）国内地理信息系统的发展•中国的地理信息系统研究与应用始于20世纪70年代末80年代初，以1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志。•中国的地理信息系统研究与应用大体分3个阶段。•第一阶段，从1978～1980年为准备阶段，主要是舆论准备，队伍组建，开始GIS的启蒙研究。•第二阶段，从1981～1985年为起步阶段，主要对GIS进行理论探索和区域性实验研究，并制定国家GIS的规范，并进行信息采集、数据库模型设计。1985年国家资源与环境信息系统实验室成立。•第三阶段，是从1986年到现在，为GIS的全面发展阶段，地理信息系统的研究被列入我国“七五”攻关课题，并且作为一个全国性的研究领域，已逐步和国民经济建设相结合，并取得了重要进展和实际应用效益。••自20世纪90年代起，地理信息系统步入快速发展阶段。执行地理信息系统和遥感联合科技攻关计划，强调地理信息系统的实用化、集成化和工程化，力图使地理信息系统从初步发展时期的研究实验、局部应用走向实用化和生产化，为国民经济重大问题提供分析和决策依据。2.地理信息系统的基本概念•（1）地理信息的概念与特征•地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。•而地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征（简称属性）及时域特征三部分。•地理信息除了具有信息的一般特性，还具有以下独特特性：•（1）空间分布性。地理信息具有空间定位的特点，先定位后定性，并在区域上表现出分布式特点，其属性表现为多层次，因此地理数据库的分布或更新也应是分布式。•（2）数据量大。地理信息既有空间特征，又有属性特征，另外地理信息还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。•（3）信息载体的多样性。地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身，除此之外，还有描述地理实体的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。对于地图来说，它不仅是信息的载体，也是信息的传播媒介。（2）地理信息系统的概念与特征•地理信息系统（GeographicalInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS，GIS）是一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。它是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。•地理信息系统具有以下三个方面的特征：•第一，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；•第二，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；•第三，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。3.地理信息系统的类型•1）工具型地理信息系统•工具型地理信息系统也称地理信息系统开发平台或外壳，它是具有地理信息系统基本功能，供其他系统调用或用户进行二次开发的操作平台。常用工具型地理信息系统MAPGISARC/INFOMAPINFO2）应用型地理信息系统•应用型地理信息系统是根据用户的需求和应用目的而设计的一种解决一类或多类实际应用问题的地理信息系统，除了具有地理信息系统基本功能外，还具有解决地理空间实体及空间信息的分布规律、分布特性及相互依赖关系的应用模型和方法。5.1.2GIS组成与功能•1.GIS组成•与普通的信息系统类似，一个完整的GIS主要由四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统（软件和硬件），空间数据反映GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式和信息表示方式。1）计算机硬件系统•GIS由于其任务的复杂性和特殊性，必须由计算机设备支持。构成计算机硬件系统的基本组件包括输入/输出设备、中央处理单元、存储器（包括主存储器、辅助存储器硬件）等，这些硬件组件协同工作，向计算机系统提供必要的信息，使其完成任务；保存数据以备现在或将来使用；将处理得到的结果或信息提供给用户。GIS专用外设设备计算机屏幕键盘鼠标器标准的计算机外围设备网络数字化仪解析测图仪遥感图像处理系统测绘仪器扫描仪硬盘磁带机打印机绘图仪2）计算机软件系统•计算机软件系统是指必需的各种程序。对于GIS应用而言，通常包括：•（1）计算机系统软件：由计算机厂家提供的、为用户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持软件：包括通用的GIS软件包，也可以包括数据库管理系统、计算机图形软件包、计算机图像处理系统、CAD等，用于支持对空间数据输入、存储、转换、输出和与用户接口。•（3）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。3）系统开发、管理和使用人员•人是GIS中的重要构成因素，GIS不同于一幅地图，而是一个动态的地理模型。仅有系统软硬件和数据还不能构成完整的地理信息系统，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。4）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、磁带机或其他通讯系统输入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。2.GIS功能•1）数据采集、监测与编辑;•2）数据处理;•3）数据存储与组织;•4）空间查询与分析;•5）图形与交互显示。5.2GPS技术•5.2.1GPS概述•全球定位系统（GPS）是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。1.卫星导航技术的发展•1）GPS的发展•在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。•（1）无线电导航系统•（2）卫星定位系统•（3）GPS发展历程•2）俄罗斯全球导航卫星系统GLONASS•3）欧洲GALILEO计划•4）我国卫星导航系统的发展2.GPS的特点及用途•1）全球定位系统的主要特点•（1）定位精度高•（2）观测时间短•（3）测站间无须通视•（4）可提供三维坐标•（5）操作简便•（6）全天候作业•（7）功能多、多用途2）全球定位系统的主要用途•（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。5.2.2GPS系统组成及原理•1.GPS系统组成•1）空间部分•GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、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象。•2）地面控制部分•地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。•3）用户设备部分•用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。2.GPS原理•1）定位原理•24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。•由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X，Y，Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。2）定位方法•（1）观测值定位•（2）伪距定位•（3）载波相位定位•（4）根据模式的定位•①绝对定位•②相对定位•（5）根据获取定位结果的时间定位•①实时定位•②非实时定位•（6）根据定位时接收机的运动状态定位•①动态定位•②静态定位5.3GIS与GPS技术在物流中的应用•5.3.1GIS在物流中的应用•1.车辆路线模型•2.设施定位模型•3.网络物流模型•4.分配集合模型5.3.2GPS在物流中的应用•1.GPS在道路工程中的应用•GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。•2.GPS在汽车导航和交通管理中的应用•三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。