3S技术及应用：全面解析

所谓3S技术是指遥感RS、地理信息系统GIS和全球定位系统GPS技术的统称。3S技术及其集成是构成地球空间信息科学的技术体系中最核心的技术。

1.遥感技术RS(Remote Sensing)

遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线对目标进行探测和识别的技术。例如航空摄影就是一种遥感技术。人造地球卫星发射成功，大大推动了遥感技术的发展。

现代遥感技术主要包括信息的获取、传输、存储和处理等环节。完成上述功能的全套系统称为遥感系统，其核心组成部分是获取信息的遥感器。遥感器的种类很多，主要有照相机、电视摄像机、多光谱扫描仪、成像光谱仪、微波辐射计、合成孔径雷达等。传输设备用于将遥感信息从远距离平台(如卫星)传回地面站。信息处理设备包括彩色合成仪、图像判读仪和数字图像处理机等。

遥感技术广泛用于军事侦察、导弹预警、军事测绘、海洋监视、气象观测等。在民用方面，遥感技术广泛用于地球资源普查、植被分类、土地利用规划、农作物病虫害和作物产量调查、环境污染监测、地震监测等方面。

遥感技术总的发展趋势是:提高遥感器的分辨率和综合利用信息的能力，研制先进遥感器、信息传输和处理设备以实现遥感系统全天候工作和实时获取信息，以及增强遥感系统的抗干扰能力。

随着计算机技术、通信技术、数字化技术和光学技术的进步，遥感技术正在朝着高精度、多光谱、高分辨率的方向发展，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过渡。目前，高分辨率的遥感影像已逐渐从军用转向民用，这将进一步拓宽RS的应用领域。

美国洛克希德-马丁公司为空间成像公司制造的IKONOS卫星于1999年9月24日在范登堡空军基地由一枚雅典娜(Athena)Ⅱ型火箭发射升空。这是第一颗能提供1m分辨率图像的商用卫星，人称“空中间谍(Spy in the Sky)”。IKONOS卫星图像给出的世界城市的细节超过了以往任何商业卫星图像。

2016年5月30日，中国自行研制的“中国资源三号”02星在太原卫星发射中心由“长征”四号乙运载火箭送入太空，卫星准确进入太阳同步预定轨道，发射获得成功。这是我国首次实现自主民用立体测绘双星组网运行，形成业务观测星座，缩短重访周期和覆盖周期，充分发挥双星效能，长期、连续、稳定、快速地获取覆盖全国乃至全球高分辨率立体影像和多光谱影像。双星组网运行后，将进一步加强国产卫星影像在国土测绘、资源调查与监测、防灾减灾、农林水利、生态环境、城市规划与建设、交通等领域的服务保障能力。

“中国资源三号”卫星具有较高的分辨率，其成功发射与应用系统的全面建成标志着我国卫星测绘应用技术研究取得新的突破，填补了我国自主民用卫星测绘技术的空白。

2.地理信息系统GIS(Geographical Information System)技术

GIS是一种在计算机软、硬件支持下，对空间数据进行录入编辑、存储、查询、显示和综合分析应用的技术系统。

与RS的结合是GIS发展的一个必然趋势，这体现在GIS是遥感图像处理和应用的技术支撑，如遥感影像的几何配准、专题要素的分析与提取等，而遥感图像则是GIS的重要数据源。

GIS的分析功能主要有网络分析、影像分析和三维分析等，网络分析用来帮助解决各类地理网络问题，如寻找最佳路径;影像分析提供了对地学影像进行处理的功能，如影像的可视化、影像增强和影像分类等;三维分析功能是用来建立、显示以及分析三维数据，如等高线的计算、坡度坡向的计算、曲表面面积及体积计算等。

3.全球定位系统GPS(Global Positioning System)技术

GPS是一种以卫星为基础的现代定位方法。GPS的用户设备简称GPS接收机，由天线、接收机、信号处理器和显示器组成，能同时接收四颗卫星发射的导航信号，经过对信号到达时间的测量、数据解调处理和计算，得出用户本身位置的三维坐标和运动速度。

GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

经过30余年的实践证明，GPS是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的高新技术国际性产业。

2000年3月30日美国副总统戈尔宣布开放GPS卫星的L2频道民用服务，进一步改善GPS卫星服务的精度和可靠性，拓宽了GPS技术在各行各业的应用范围。GPS与RS结合应用，可以提高对地观测的精度，而且在时间和费用上具有无可比拟的优势。目前二者的结合主要应用于地形复杂的地区制图、地质勘探和生态环境的动态监测等方面。GPS与GIS数据库的结合应用，可将现实调查的空间信息直接反映到GIS空间数据库中，可准确地新增调查地的数据，也可修正已有的GIS空间数据。可使GIS空间数据的更新、修改做到实时、准确。

中国自行研制的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。目前，北斗卫星导航系统已对全球提供无源定位、导航、授时服务。

4.3S技术的集成应用

RS、GIS和GPS的集成应用，可以充分发挥各自的技术优势，是实时、准确、经济地为人们提供所需要的各种空间信息和决策辅助信息的有力手段。

3S技术集成应用的基本思路是:以遥感RS技术周期性、多光谱、大范围、高分辨率地获取地面物体面状信息，以全球卫星定位系统GPS高精度、实时、动态地获取全球范围内任意实体的点、线信息，利用地理信息系统GIS在存储管理和分析处理空间点、线、面信息方面的特有功能，将客观世界真实地反映出来，按照人类的需求，提供高分辨率、高精度、及时准确的空间信息，具有可视化、自动化、实时化、动态化、数字化的特点。它以数字化方式获取、处理、分析和应用关于自然和人文要素的地理空间信息，以多种媒体的方式表现客观现实的空间关系，可提供数字地图、三维模型、跨时空预测模型、多光谱遥感影像等电子产品。

3S技术给空间信息技术带来的革命，类似于计算机操作系统中WINDOWS之于DOS，它通过二维、三维和四维空间，将自然、社会和经济要素的地理空间关系转化为所见即所得形式，即一个虚拟现实。它把属性数据与空间实体对应起来，将具有复杂属性的空间数据处理简化为图形与图像的加减乘除。

5.3S技术的主要应用举例

(1)土地利用动态监测。近年来，3S技术在国土资源管理中的应用逐步走向成熟，在土地执法监察、土地利用动态监测、土地变更调查数据复核等方面发挥了巨大作用，已成为国土资源管理的重要手段。

所谓“土地利用动态监测”，就是对土地进行了全面性的调查，掌握了其数量、质量、权属、利用现状等各种信息后，对土地进行的经常性的调查和监测，使土地在总体规划的宏观控制下，更好地发挥其资源效用。

当前，我国的国民经济发展迅速，各种各样的开发区和经营性的房地产开发等一度被炒得火热，土地变更情况相当迅速普遍，这就使原有的各种信息不再具有现实性。如果为此经常进行全国性的普查，不仅代价大、历时长，而且不实际，甚至不可能。而通过土地动态监测，我们就可以及时掌握有关土地变更的各种信息，为国家制订计划和政策提供可靠的依据。因此，有必要研究一种既能节省人财物，又能及时提供可靠信息的土地利用动态监测方法。3S技术在其中发挥着越来越重要的地位。

国土资源部在1999年、2000年连续两年大规模利用多种高分辨率多时相的空间数据，综合应用图像处理技术，计算机和网络等高新技术，对全国50万人口以上城市土地利用情况进行了监测。实践证明，3S技术为国土资源管理提供了有效的高科技手段。

在1999年、2000年土地利用监测的基础上，国土资源部选择了2000年度建设用地量较大或建设占补不平衡的50万人口以上城市共43个作为2001年土地利用遥感监测对象，列入“天眼”严密监测圈内，监测范围总面积为36.2万km2。

2015年国土资源部组织有关单位修订了推荐性行业标准《土地利用动态遥感监测规程》(TD/T 1010—2015)，为土地利用动态遥感监测提供了依据。

(2)发展精细农业。“精细农业”，即国际上已趋于共识的“Precision Agriculture”或“Precision Farming”学术名词的中译。国内科技界及媒体报道中目前尚有各种不同的译法和对其内涵的理解。如译为“精准农业”　“精确农业”　“精细农业”等。

实际上，目前国外关于Precision Agriculture的研究，主要是集中于利用3S空间信息技术和作物生产管理决策支持技术(DSS)为基础的面向大田作物生产的精细农作技术，即基于信息和先进技术为基础的现代农田“精耕细作”技术。目前，“精细农作”技术思想，已逐步扩展到设施园艺、集约养殖、节水灌溉、产品加工及农业系统的精细经营管理方面，而形成完整的“精细农业”技术体系。

“精细农业”技术是直接面向农业生产者服务的技术，这一技术体系的早期研究与实践，在发达国家始于20世纪80年代初期从事作物栽培、土壤肥力、作物病虫草害管理的农学家在进行作物生长模拟模型、栽培管理、测土配方施肥与植保专家系统应用研究与实践中进一步揭示的农田内小区作物产量和生长环境条件的明显时空差异性，从而提出对作物栽培管理实施定位、按需变量投入，或称“处方农作”而发展起来的;在农业工程领域，自70年代中期微电子技术迅速实用化而推动的农业机械装备的机电一体化、智能化监控技术，农田信息智能化采集与处理技术研究的发展，加上80年代各发达国家对农业经营中必需兼顾农业生产力、资源、环境问题的广泛关切和有效利用农业投入、节约成本、提高农业利润、提高农产品市场竞争力和减少环境后果的迫切需求，为“精细农业”技术体系的形成准备了条件。

“精细农业”亦可称为“3S农业”。具体而言，就是利用卫星定位系统对采集的农田信息进行空间定位;利用遥感技术获取农田小区内作物生长环境、生长状况和空间变异的大量时空变化信息;利用地理信息系统建立农田土地管理、自然条件(土壤、地形、地貌、水分条件等)、作物产量的空间分布等空间数据库，并对作物苗情、病虫害、土壤墒情的发生趋势进行分析模拟，为分析农田内自然条件、资源有效利用状况、作物产量的时空差异性和实施调控提供处方信息;在获取上述信息的基础上，利用作物生产管理辅助决策支持系统对生产过程进行调控，合理地进行施肥、灌溉、施药、除草等耕作措施，以达到对田区内资源潜力的均衡利用和获取尽可能高的产量。

(3)数字城市。城市是人们现实生活中一个重要的活动场所。随着现代城市的飞速发展，人们对城市的了解不再停留在原有的平面图上，而是要求有一个直观的、现实的感受和了解，因此“数字城市”是“数字地球”的一个不可缺少的重要组成部分，可以看作是一个系统工程或发展战略，而不能看作是一个项目或一个系统。

数字城市的战略目标是实现城市各种数据的整合，使之便于共享和容易使用，使我们的政府管理部门、企业、社区和个人都能方便有效地进行网上办公、网上查找信息、网上学习、网上工作、网上休闲等。

所谓“数字城市”是与“园林城市”“生态城市”一样，是对城市发展方向的一种描述，是指数字技术、信息技术、网络技术要渗透到城市生活的各个方面。建设数字城市能够制止猖獗的违法建筑，并避免制约工程招标和房地产建设中的大量弊端。“数字城市”符合目前工业化和信息化并行的经济生活现状，在中国城市现代化建设中具有重要意义。

在“数字城市”的基础上，逐渐出现了“智慧城市”的概念。智慧城市是城市全面数字化基础之上建立的可视化和可量测的智能化城市管理和运营。智慧城市其实质是利用先进的信息技术，实现城市智慧式管理和运行，进而为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长，也是“数字城市”的进一步延伸。

(4)洪灾监测与灾情评估。我国是自然灾害频繁、灾害损失严重的国家。近年来，自然灾害造成的年平均损失达1300亿元。防灾、减灾、救灾是我国迫在眉睫的头等大事。30年来，江河洪涝灾害造成的经济损失，已占各种自然灾害经济损失总额的70%，相当于国民经济总产值的3%～6%。

从80年代末期开始，我国即开始了3S技术在洪涝灾害监测中的应用研究。经过“八五”至“十二五”计划的科技攻关和应用试验，进一步完善了遥感监测的技术手段，形成了从卫星到飞机、从初级数据处理到综合性信息提取的灵活、高效的3S监测技术体系。这些高新技术，通过我国科技部门、产业部门及解放军空军、海军航空兵的通力合作，在1998年和2016年的防汛抗洪中，发挥了巨大作用。

(5)荒漠化监测。荒漠化在世界上造成了严重的环境恶化和经济贫困，被列入威胁人类生存的十大环境与发展问题之首。它不仅威胁到整个人类的生存环境，而且是制约全球经济发展和影响社会稳定的重要因素。其危害已涉及全球1/6人口和2/3的国家和地区。与单纯以土地、森林、草原为对象的资源监测相比，荒漠化监测具有资源与生态环境综合监测的特点。而且荒漠化监测的内容复杂，监测的地域广阔，并应具有时间上的连续性和评价指标的可比性。这样一项起点高、难度大的工作，用传统的技术方法是无法完成的，必须有现代高新技术的支持。

3S技术则是完成这一使命不可缺少的重要手段。遥感技术是一种宏观的观测与信息处理技术，它所具备的大范围、短周期、大信息量等特点，正是荒漠化监测的必要条件。而荒漠化监测具有广域性和周期性且地面调查困难，这也是遥感最能发挥作用的领域。遥感图像数据不仅以数字的形式记录了地表的各种与土地荒漠化有关的自然资源与环境信息，以便于计算机处理分析，这些数据还可以确定空间位置且连续分布，能以地图的形式客观地反映土地荒漠化的类型、程度和空间分布。

有了GIS，对土地荒漠化情况的了解就不仅限于数字上的，我们可以把各种荒漠化属性信息与空间要素相匹配而看到表示于地图上的结果，从而更直观、准确地掌握土地荒漠化现状;利用GIS来集合各种与荒漠化有关的信息，建立荒漠化空间属性数据库，建立地图上各要素间的空间联系，并进行不同图层间空间要素的比较分析;结合各种数学模型进行土地荒漠化动态评价及荒漠化发展趋势预测。

通过遥感图像反映的土地荒漠化现状及变化，需要通过实地调查来核实、对比和分析。一般而言，荒漠化地区人口密度较小，交通不便，特别是明显地物点较少，图像与实地的配准定位十分困难。在这种情况下，GPS是十分有效的定位工具。它不仅可以实时确定调查所在地点(典型地块和样地)的地理坐标，而且可以应用其导航功能引导调查人员到达欲进行考察评价的地点。因而GPS已成为荒漠化监测中的主要定位手段。

3S技术的综合应用，使得空间数据的获取和分析更加得心应手。有了3S技术的支撑，荒漠化监测工作才能达到更及时、更可靠地获取荒漠化信息的能力，实现监测信息的共享和高效利用，为干旱区水资源与环境的评价、开发和荒漠化防治提供更有效的辅助决策服务。