空间信息技术——3S概述

空间信息技术(Spatial Information technology) 是20世纪60年代兴起的一门新兴技术，70年代中期以后在我国得到迅速发展。主要包括卫星定位系统、地理信息系统和遥感等的理论与技术，同时结合计算机技术和通讯技术，进行空间数据的采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用等。空间信息技术在广义上也被称为”地球空间信息科学”，在国外被称为GeoInformatics。

其涉及的主要理论如下：

• 空间信息的基准问题：包括几何基准、物理基准和时间基准，是确定空间信息几何形态和时空分布的基础，是空间信息技术与地球动力学交叉研究的基本问题；
• 空间信息的标准问题：主要包括：空间数据采集、存储与交换格式标准、空间数据精度和质量标准、空间信息的分类与代码、空间信息的安全、保密及技术服务标准等，标准问题是推动空间信息产业发展的根本问题；
• 空间信息的时空变化问题：主要揭示和掌握空间信息的时空变化特征和规律，并加以形式化描述，形成规范化的理论基础；同时进行时间优化与空间尺度的组合，以解决诸如不同尺度下信息的衔接、共享、融合和变化检测等问题；
• 空间信息的认知问题：空间信息以地球空间中各个相互联系、相互制约的元素为载体，在结构上具有圈层性，各元素之间的空间位置、空间形态、空间组织、空间层次、空间排列、空间格局、空间联系以及制约关系等均具可识别性。通过静态上的形态分析、发生上的成因分析、动态上的过程分析、演化上的力学分析以及时序上的模拟分析来阐释与推演地球形态，以达到对地球空间的客观认知；
• 空间信息的不确定性问题：主要包括：类型的不确定性、空间位置的不确定性、空间关系的不确定性、时域的不确定性、逻辑上的不一致性和数据的不完整性；
• 空间信息解译与反演问题：指在通过对空间信息的定性解译和定量反演，揭示和展现地球系统现今状态和时空变化规律，从现象到本质回答地球科学面临的资源、环境和灾害等诸多重大科学问题；
• 空间信息的表达与可视化问题：主要研究空间信息的表达与可视化技术方法，涉及到空间数据库的多尺度（多比例尺）表示、数字地图自动综合、图形可视化、动态仿真和虚拟现实等。

地理信息系统技术——GIS

地理信息系统(Geographic Information Systems，简称GIS)是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理现实世界(资源与环境)的海量地理数据的通用技术。——陈述彭等,2003

GIS的发展历程

特点与优势

三个方面的特征：

• 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；
• 由计算机系统支持进行空间地理数据管理，模拟常规的或专门的地理分析方法，作用于空间数据，完成人类难以完成的任务；
• 计算机系统的支持是GIS的重要特征，使得GIS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。

GIS的技术优势在于它的地理空间数据管理、综合、模拟与分析评价及可视化展示能力，可以得到常规方法或普通信息系统难以得到的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。

空间分析是地理信息系统区别于其它信息系统的重要标志 ：

1）拓扑叠合；2）缓冲区分析；3）网络分析；4）数字地形分析；5）空间集合分析；6）空间统计分析；7）地理建模

应用领域

灾害控制和分析、水土保护、农业决策和精细农业、海洋渔业、环境保护、智慧城市、数字地球、军事国防等

遥感—RS

Remote Sensing，以电磁波与地球表面物质相互作用为基础，利用遥感器和数据处理、分析系统，探测、分析和研究地球资源与环境，揭示地球表面各要素的空间分布特征和时空变化规律的一门科学技术。——赵英时《遥感应用分析原理与方法》

中国遥感发展历程

• 1979年引进TM、SPOT等国际卫星数据，开展广泛应用(陈述彭，2001)。

• 20世纪70年代末到80年代，多家单位联合开展了腾冲航空遥感试验、天津-渤海湾环境遥感试验和二滩水能开发遥感试验，培养出一大批遥感科学技术人才和专家，取得了丰硕的科技成果和显著的社会经济效益。这3项试验被称为中国遥感的“三大战役”。

• 此后40年间，中国遥感先后经历了：

  (1)了解RS，掌握外国卫星应用技术；(2)借鉴外国先进技术，发展本国遥感技术与应用；(3)全方位开展国产应用卫星与卫星应用对接工作；(4)从实验应用型向自主遥感卫星产业化应用发展，成为国家重点支持战略性新兴产业。

  顾行发等，40年的跨越—中国航天遥感蓬勃发展中的“三大战役”，遥感学报，2016

遥感的特点

• 面状信息获取;
• 时效性：快速准确/
• 连续性：动态观测
• 多维信息：平面、高程（立体）
• 生动、形象、直观：
• 经济：节约人力、物力、财力、时间

综合地说：

• 空间全球性和区域性相结合。

• 时间连续性和机动性相结合。

• 应用上专业性和综合性相结合

  徐冠华等，遥感与中国可持续发展：机遇和挑战，遥感学报，2016

遥感的应用

• 资源：资源调查与监测
• 环境：大气环境、水环境
• 农业：农作物长势、估产
• 林业：种类、面积、长势
• 地质：地质构造、地质填图
• 城市：城市规划与管理
• 灾害：洪水、冰雪、干旱、火灾、污染、地震
• 气象：气象预报
• 水文：水下地形、土壤水分
• 海洋：水质、赤潮、海洋资源
• 军事：目标识别、目标监测
• 其他：血吸虫、毒品监测……

全球导航卫星系统——GNSS

GNSS（ Global Navigation Satellite System ）是一种以卫星为基础的无线电导航系统。可发送高精度、全天时、全天候、连续实时的导航、定位和授时信息，是一种可供海陆空领域的军民用户共享的信息资源。GNSS通常表示空间所有在轨运行的卫星导航系统的总称，是一个综合的星座系统。

包括美国GSP、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)、欧盟伽利略(Galileo)和中国北斗卫星导航系统(BeiDou/COMPASS)，及一些区域导航系统和天基／地基增强系统，如日本QZSS准天顶卫星系统、印度IRNSS区域导航卫星系统等。

赵爽. 全球导航卫星系统发展特点与面临挑战[J]. 国际太空, 2014(7):16-22.

GNSS的发展历程

1958年，美国研制第一代卫星导航系统“子午仪”(TRANSIT)，在1967年向民用开放定位、导航和测量服务。前苏联于1965也建立起一个卫星导航系统“圣卡达”（CICADA），并于1967年发射了第一颗工作卫星。

以GPS为代表的第二代全球卫星导航系统即是目前广泛应用的GNSS系统。

美国GPS系统于1995年开始投入正式运行，并在1996年启动了“GPS现代化”工程，对GPS系统进行全面升级，更换工作失效的卫星。至2012年5月，共有31颗GPS卫星在轨运行。

1982年第一颗GLONASS卫星发射成功。1996年俄罗斯宣布GLONASS全球卫星导航系统正式建成。从2003年开始， GLONASS系统进入全面升级阶段。
伽利略（Galileo）卫星导航系统是欧盟建设的全球导航定位系统，是世界上第一个完全向民用开放的具有商业性质的卫星定位系统。2003年起Galileo系统工程建设开始实施， 预计2018年前后建成具有完全工作能力的全球导航定位系统。

纪龙蛰等，GNSS全球卫星导航系统发展概况及最新进展，全球定位系统，2012

北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（BeiDou / COMPASS）是我国独立自主建设和发展的全球卫星导航系统，目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆盖全球的导航系统，为全球用户提供连续、稳定、可靠的定位、导航、授时服务；满足国家安全和经济社会发展对定位、导航、授时的需求，促进国家信息化建设和经济发展方式转变，提升经济效益和社会效益。

北斗系统建设的基本原则是开放、自主、兼容、渐进。

按照“三步走”的发展路线，“先区域、后全球，先有源、后无源”的发展思路分步实施，形成面向全球、突出区域、富有特色的北斗系统发展道路。

——第一步，建设北斗一号系统（也称北斗卫星导航试验系统）。1994年，启动北斗一号系统工程建设；2000年，发射2颗地球静止轨道卫星，建成系统并投入使用，采用有源定位体制，为中国用户提供定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第三颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能。

——第二步，建设北斗二号系统。2004年，启动北斗二号系统工程建设；2012年年底，完成14颗卫星（5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星）发射组网。北斗二号系统在兼容北斗一号技术体制基础上，增加无源定位体制，为亚太地区用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务。

——第三步，建设北斗全球系统。2009年，启动北斗全球系统建设，继承北斗有源服务和无源服务两种技术体制；计划2018年，面向“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务；2020年前后，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。

至2016年6月12日，已发射北斗导航卫星23颗

吴海玲等. 北斗卫星导航系统发展与应用[J]. 导航定位学报, 2015, 3(2):1-6.

GNSS的特点

• 测站之间无需通视。不再需要建造占标，可大大减少经费和时间，同时使点位的选择变得更加灵活。
• 提供三维坐标。精确测定平面位置及大地高程。
• 观测时间短。短基线快速相对定位法仅需数分钟。
• 操作简便。

• 全天候作业。
• 定位精度高。

GNSS的应用

• 军事国防
• 交通运输业（监控、调度）
• 大地测量与地球动力学
• 精细农业
• 遥感
• 卫星定轨
• 资源勘探
• 个人旅游及野外探险
• 电力、广电、通讯等网络的时间同步、时间传递
• 仪器制造、物流管理、船舶导航