※1.1 3S技术及其概念 ﹟1. 3S技术概念：
指以遥感RS（Remote Sensing）、地理信息系统GIS（Geographical Information System）和全球定位系统GPS（Global Positioning System）为主的，与地理空间信息有关的技术领域的三大空间信息科学总称，是目前对地观测系统中空间信息获取、存储、管理、更新、分析和应用的三大支撑。 3S 的理解：
（1）数字化地球的核心技术体系；
数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活质量。
（2）以人与地球的关系为主题，以全球变化和区域可持续发展为目的，集成“3S”及互联网等为主的数字化技术，形成对人流、物流、能流进行时空分析与科学调控的战略技术； 用于对全球气候变化、海平面变化、荒漠化、生态与环境变化、土地利用变化的监测。 ﹟2.Geomatics：
Geomatices is the modern scientific term referring to the integrated approach of measurement, analysis, management and display of the spatial data. Geomatics的内容：
（1）处理的是空间数据（spatial data）和空间信息（spatial information）；
（2）是采集、测量、分析、存储、管理、显示和应用空间数据的集成方法，是属于现代空间信息科学技术；
（3）涵盖地图学、控制测量学、数字测图学、大地测量学、GIS、土地信息管理、摄影测量、RS等计算机有关的空间信息科学。 ﹟3.3S技术的关系
一个大脑和两只眼睛
RS：用于实时或准时、快速提供目标及其环境的语义或非语义信息，发现地球表面各种变化，及时对GIS进行数据跟新。
GIS是对多种来源数据进行综合处理、集成管理、动态存储，为智能化数据采集提供地学知识。
GPS主要用于实时、快速提供目标的空间信息。 ﹟4. 3S技术的集成及综合应用
真正的集成是在数据库结构层次上实现的，以GIS为信息管理平台，GPS数据作为点数据进行，RS数据提供实时动态监测 综合应用：
RS/GIS，RS/GPS，GIS/GPS，RS/GIS/GPS. ◆RS/GIS:
RS空间数据的集成和分类的有效数据，提供更新数据；GIS管理和分析空间数据的有效手段，处理空间数据。
RS/GIS：图像、图形存储、编辑、处理、分析、预测和决策系统。 ◆RS/GPS:
数据获取系统，GPS为RS提供精确的位置坐标，保证RS数据与地面监测数据的动态匹配。 RS/GPS:完备一致的对地观测、数据采集系统。
◆GIS/GPS:
电子地图，GIS提供数据的管理和显示，GPS提供准确的位置。 ◆RS/GIS/GPS:
有机的结合，而不是真正意义的集成。
RS/GIS/GPS:技术的功能为一体，可构成高度自动化、实时化和智能化的地理信息系统，为各种应用提供科学的决策咨询，以解决用户可能提出的各种复杂问题。３Ｓ技术的整体结合方式
3S技术综合应用:
图像、图形、文字报告、决策手段和预测结果的输出。 ﹟5.3S技术的应用特点：
改变了以往的调查作业方式（土地调查省时省力，工作效率提高，成本降低） 监测手段大大增强（对林木病虫害、水涝灾害等） 。 快速制定、编制各种专题图件。 ﹟6.3S技术的应用领域：
土地资源监测评价体系、海洋导航调查测图系统、车辆定位指挥系统、精细农业、水利信息化、环境监测和评价、数字林业、城市规划 3S集成用于精准农业 ﹟ 7 3S技术的应用前景
随着空间技术及其相关高技术的迅速发展和相互融合，建立 “数字城市” 、“数字国家”、“数字地球”、 “数字林业”、“数字水利”等形成完备的公众服务体系，将是3S技术发展的重要方向是3S空间信息技术全面步入集成化、网络化和产业化应用的新时期，目前在主要应用于军事、交通、公共安全、城市规划、能源调查、灾害监测与预报等一系列领域，且具有更为广阔的应用前景。其表现如下： 数字地球的技术支持： 以遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）为代表的地球空间信息技术，以数字的方式获取、处理、分析和应用关于地球自然和人文要素的地理空间数据，并以此为基础提出解决资源环境问题的科学方案和有力措施，增强对地球的认识能力。 3S技术：RS（Remote Sensing）、GIS（Geographical Information System）、GPS（Global Positioning System）空间信息技术。 数字地球的理解：
信息高速公路是建设数字地球的基础；
数字地球的主要资源是全球各方面的综合资料，包括各种立体数字化地理图、资源、人文、地物等专题图和城市地图。 数字地球的内容是动态的；
数字地球不是一个单纯的科技项目或技术目标，而是一个战略性的系统工程。 ★军队现代化离不开3S技术——“沙漠风暴”战役的成功： ★3S技术的商业化和民用化
GPS技术应用在交通、石油、地质、测绘、环境等。
RS技术应用在资源环境、气象、防灾减灾、道路工程勘测等。 GIS技术应用在市政工程、移动通讯、规划管理、交通调度等。 90年代初美国对GIS数据需求量年增长率达到35%
★21世纪3S技术是信息化社会数字化生存的重要组成部分 数字流域是以空间地理单元-----流域为对象，应用遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、数据收集系统（DCS）、网络和多媒体技术、现代通信等高科技手段，对
流域内的资源、环境、社会、经济等各个复杂系统的数字化、数字整合、虚拟仿真的信息集成应用系统，并提供流域问题决策支持的可视化表现。 流域从技术上应该包括以下四个部分：数据采集系统、数据传输系统、数据存储与管理系统、数据应用系统。 A
1、空间数据的表示
1）空间特征：表示现象的空间位置或现在所处的地理位置。空间特征又称为几何特征或定位特征，一般以坐标数据表示。空间数据的基本特征
2）属性特征：表示现象的特征，例如变量、分类、数量特征和名称等。 3）时间特征：指现象或物体随时间的变化。 GIS数据的两种表示方法 矢量数据的结构
三种基本的矢量数据模型 Points
Spatial objects with no area but can have attached attributes. A single set of coordinates (X, Y) in a coordinate space. Lines
Spatial object made up of connected points (nodes). Have no width. Polygons
Closed areas that can be made up of a circuit of line segments. Line segments that make up a portion of a polygon. 栅格数据存储模型 栅格数据的表达
GIS组成：计算机硬件系统 GIS组成：计算机软件系统 GIS组成：地理空间数据
GIS组成：系统使用、管理和维护人员 3.GIS的类型
A、专题性地理信息系统(Thematic GIS):特定的专门服务的，森林资源管理，水资源管理，森林扑火指挥系统等。
B、区域性地理信息系统（Regional GIS）区域综合研究，具有一定的自然区域特征，如哈尔滨水资源管理系统等。
C、运用工具性地理信息系统（GIS tools）普遍用于教学和科研的，如ArcGIS， Mapinfo等。
4、GIS的功能
1、数据的采集、检验与编辑； 2、数据处理；
3、空间数据库管理； 4、空间分析(核心功能)； 5、应用模型（二次开发）；
6、结果显示和输出（文字，三维模型）。 GIS基本功能的实现过程 网络分析
灾害监测
What can a GIS do? Generically
Find features with known properties but unknown location (“Where is a particular feature on the landscape?”) (“Where are features with specific properties?”) Identify properties of features with known location (“What type of features are at a specific location?”)
Analyze the relationship between/among features and location (“Is there a reason these features are found at this location?”)_ What can a GIS do? Specifically
Estimate economic effects of land-use regulation (Spotted owl, salmon)
Determine the optimal locations of new businesses (demographics, transportation)
Generate optimal routing and scheduling delivery and repair services (network & routing)
Determine the ground area covered by a new cellular phone network (visibility and line-of-sight analysis)_ What can a GIS do? Specifically
Delineate watershed boundaries for estimates of sedimentation effects on fish-bearing streams Predict vegetation types based on elevation, slope, and aspect Predict landslide hazard for forest harvest units
Calculate the correlation between demographics and HIV infection rates Locate natural areas that need protection
Make communicative, colorful, and interesting maps_ GIS技术的简要程序（地理信息系统的工作流程） 数据处理（即建立空间模型和数据模型） 6、GIS发展前景和通用软件
1、网络GIS（WebGIS）与互联网相结合，GIS的信息化。 2、组件GIS（COMGIS）研发人员，根据需要开展研究。
3、三维时态GIS（DEM和遥感数据的叠加；平面坐标的二维半表示方法）。 国外的主流软件：ArcGIS，Mapfino,Geomedia,Genamap等。 国产软件：MapGIS，Geosatr，citygis，viewgis，supermap等。 7、Wherever Spatial Data Analysis Needed Emergency Services – Fire & Police
Environmental – Monitoring & Modeling Business – Site Location, Delivery Systems
Industry – Transportation, Communication, Mining, Pipelines, Healthcare Government – Local, State, Federal, Military Education – Research, Teaching Tool, Administration
二、GIS学科树
城市土地利用信息系统 电信资源管理 铁路地理信息系统 公安警用地理信息系统 医疗机构信息查询 B
1.2遥感技术的基本过程 一、遥感技术概念：
遥感(Remote Sensing)，字面意思是遥远的感知。从广义上说是泛指从远处探测、感知物体或事物的技术。即不直接接触物体本身，从远处通过仪器(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、加工处理及分析解译，识别物体和现象的属性及其空间分布等特征与变化规律的理论和技术。
航天器、传感器。为什么能进行遥远的感知呢？ 因为地球上所有物体都在不停地发射、反射、吸收电磁波，而且不同物体对电磁波的发射、反射、吸收的特性不同。例如，植物的叶子看起来是绿色的，是因为叶子中的叶绿素对太阳光中蓝色和红色波长的光强烈反射的缘故。物体的这种对电磁波固有的特性叫做光谱特性 地物波谱特征
不同的地物对不同波长的电磁波具有不同的吸收和反射特性 遥感影像的解译实际上是一个逆过程 二、遥感技术的特点
（1） 观测范围大，具有宏观综合的特点。
一张比例尺1∶35000的23cm×23cm的航空像片，可展示出地面60余平方千米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图像可反映出34225平方千米(即185km×l85km)的景观实况。
（2）技术手段多且先进，可获取海量数据。
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。 Landsat TM影像数据量达到270MB，覆盖全国范围的TM数据量将达到135GB的海量数据，远远超过了用传统方法获得的信息量。 高光谱图像的分类－土地利用类型分类
（3）获取信息快，更新周期短，具有动态监测特点。
Landsat TM 星4／5每1 6天即可对全球陆地表面成像一遍，NOAA气象卫星甚至可每天收到两次覆盖地球的图像。因此，可及时地发现病虫害、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。这种特点有利于及时发现病虫害、洪水及森林火灾等自然灾害，为抗灾、减灾工作提供可靠的科学依据。 遥感技术的发展历程
（4）应用领域广泛，经济效益高。
遥感已广泛应用于农业、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 。
甘肃舟曲泥石流 范晓认为，这次泥石流的爆发与当地几十年来严重的水土流失不无关系。２０世纪５０年代到本世纪初，当地森林砍伐严重，白龙江上游森林面积减少了大约７０万亩，坡度在４０度以下的土地基本已被开垦，水土流失日益加剧，出现大量松散泥沙物质。
范晓说，目前并没有足够的证据说明水坝建设是造成这次灾难的直接原因。但他认为水电等大规模人类工程活动对当地地质条件的影响是不可忽视的，将加剧水土流失，加剧灾难的规模和频率。
范晓介绍，白龙江干流水电开发相当密集。仅舟曲境内的白龙江干流江段，就有已经建成或正在建设的水坝７座。公开资料显示，２００３—２００７年，舟曲４１ 个在建或已建的水电站工程合计扰动地表面积达３２２．８３公顷，弃渣达３８３４．８万立方米，水土流失预测量达７４．９万吨。 三、遥感过程：
(一)遥感试验；(二)遥感信息获取； (三)遥感信息处理；(四)遥感信息应用 四、遥感技术系统：
是一个从地面到空中直到外层空间，从信息收集、存储、传输、处理分析、判读应用，由遥感器、数据处理系统、数据和用户构成的完整技术体系。 对地观测
传感器和遥感平台；遥感数据接收和传输系统；遥感数据处理系统；遥感资料分析解译系统 五、遥感技术的分类：
1）按照遥感平台的分类：①地面遥感 ，②航空遥感 和③航天遥感 ；
2）根据电磁波波普的分类：①可见光遥感 ，②红外遥感 ，③微波遥感 ，④多光谱遥感 ，⑤紫外遥感 ；
3）根据电磁波辐射能源的分类：①被动遥感 ，②主动遥感 ；
4）根据应用目的的分类：地质遥感、农业遥感、林业遥感、水利遥感、环境遥感和军事遥感等。
5）根据遥感资料的成像方式：①成像方式(或称图像方式) ；②非成像方式 。 六、遥感技术的发展历程：
1962年，遥感名词被正式通过，标志着遥感这门新学科的形成。 1、常规航空摄影阶段（20世纪30年代以前）
1826年摄影技术的发明，标志着遥感技术的诞生。 1839年以前主要是进行地面摄影。
1858年法国图纳乔（Tournachon）用气球拍摄巴黎。
1913年意大利人用威尔伯·赖特用飞机拍摄了第一张航片。 1913年开普敦·塔迪沃发表论文描述飞机摄影绘制地形图。 1915年开始生产航摄相机。
1924年产生了彩色胶片，航空摄影正式问世。 2、航空遥感阶段（20世纪30～60年代）
1930年美国开始进行航测，编制中小地图和农业生产的专题图。 1931年出现了感红外的航摄胶。
1937年首次进行彩色航摄，产生假彩色红外胶片。
20世纪50年代，非摄影成像的扫描技术和侧视雷达技术的开始应用，使遥感技术发展到了航空阶段。
1949年美国开设航摄和航片判读的课程。 1945年美国创刊《摄影测量工程学》，1975年改名为《摄影测量和遥感》。 3、航天遥感阶段（20世纪60年代以来）
1957年苏联的第一颗人造卫星的发射，开创遥感技术的新纪元。
1960年美国发射TIROS-1(Television Infrared Observation Satellite) 和NOAA-1(National Oceanic and Atmospheric Administration )太阳同步气象卫星。
1972年ERTS-1发射（后改名为Landsat-1），装有MSS传感器，分辨率79米，标志着遥感进入新阶段。
1982年Landsat-4发射，装有TM传感器，分辨率提高到30米；
1986年法国发射SPOT-1，装有PAN和XS遥感器，分辨率提高到10米。 1999年美国发射IKNOS，空间分辨率提高到1米。 2001年美国发射Quickbird，空间分辨率达到0.61米 。 2007年左右，韩国军方发射卫星，空间分辨率为0.1米。
1988年9月7日中国发射的第一颗“风云1号”气象卫星，其主要任务是获取全球的昼夜云图资料及进行空间海洋水色遥感试验。 1999年10月14日中国发射资源卫星1号。
资源三号卫星已于2012年1月9日11时17分在太原卫星发射中心由长征四号乙运载火箭成功发射 .
该卫星为农林水土资源提供决策信息，在农业领域，资源三号卫星可以为各种规模的农作物监测、农业工程规划等提供高分辨率卫星影像，满足农业资源调查、结构调整等方面的需求。而在林业领域，可利用高分辨率影像对森林病虫害、森林火灾等进行调查和监测，及时提供危害范围和等级等信息。资源三号卫星提供的立体影像还可获得植被、阴影、沙壤、轻壤等遥感分量图，融合影像色彩丰富、纹理清晰。 此外，利用高空间分辨率卫星影像，可提取江河流域的土地利用类型和植被信息，为一定水深的悬浮物和泥沙分布研究、河口近海水域盐度与温度测量、水体叶绿素浓度估算等提供重要的辅助决策信息。 七、遥感技术的发展前景：
进行地面、航空、航天的多层次综合遥感，建立地球卫星观测网络，系统地获取地球表面不同分辨率的遥感图像数据。
传感器向电磁波全波段覆盖，立体遥感，器件固体化、小型化，高分辨率，高灵敏度与高光谱方向发展。
图像处理与地学数据库结合，建立遥感信息系统，引进人工神经网络、小波变换、分行技术、模糊分类与专家系统等技术和理论，进行自动分类和模式识别。
建立地物波谱与影像特征地关系模型，以实现遥感分析解译地定量化和精确化。 RS、GIS和GPS相互依存，共同发展，构成一体化地技术体系。
各国军用间谍卫星(也称侦察卫星)影像一直属最高机密。为此，我们特来解开其中之谜。 地面分辨率是衡量光学影像卫星技术水平的重要指标。分辨率是指在影像中，将两个物体分开的最小间距，而不是能看到的物体的最小尺寸。 如果分辨率大约为1米，也就是说当两个人相距1米以上时，在影像中就可以看到分开的两个人，当两个人距离小于1米时，两个人的影像将合为一体，在影像中只能看到1个点。 军事上对地面侦察共分为四级。分别是发现、识别、确认、描述。在这四级中， “发现”(看见)所要求的地面分辨率最低，
“描述”(看清)所要求的地面分辨率最高。分辨率30米的侦察卫星就可以发现港口、基地、桥梁、公路或水面航行的舰船等较大目标。
1米分辨率可以清晰地“识别”航空母舰、飞机、坦克。
至于美国最先进的军用间谍卫星最高0.01～0.05米分辨率的影像，则足以“描述”地面上的士兵手中枪的型号，“看见”报纸的标题。 八、遥感技术所面临的问题： 1、有效存储、管理和使用应用。
2、遥感数据的融合压缩处理，遥感信息的自动识别应用是最重要的问题。 3、定量遥感，新型数据处理相关技术与生产应用具有一定的差距。
4、遥感与国际之间的合作有待进一步的探索。 九、遥感技术的应用：
遥感信息是人们了解自然、认识自然、改造自然、保护环境和资源的重要信息源。由于遥感信息的独特优势，使遥感技术广泛应用于测绘、国土资源调查（森林、土壤、土地、地矿、水利、海洋等）、农业生产和环境监测、城乡规划、军事侦查等许多方面。值得指出的是，遥感应用技术的发展已经逐步地从利用单一波段的遥感资料进行分析、应用，向利用多平台、多波段、多光谱、多时相的遥感资料进行综合分析、应用发展； 油田、采矿用地、遥感在林业和农业方面的应用、军事用地 C
1.3GPS 定位技术及其发展 20世纪70年代，由美国国防部批准，海陆空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其目的是为陆海军三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆炸监测和应急通讯等一些军事目的，是美国全球战略的重要组成部分。Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Position System GPS提供两种服务：
SPS（standard positioning service）民用； PPS（precise positioning service）军用。 §1卫星大地测量及其发展 （一）、大地测量发展概况
现代大地测量的主要任务是研究和解决地面点的几何定位、地球重力场的测定、点位和重力场的变化等问题，具体包括：
(1)建立与维护国家、地区及全球的大地网，并研究其变化； (2)测量并研究地极移动、地壳运动、潮汐等地球动力现象； (3)测定地球重力场及其变化。 （二）、卫星大地测量的兴起
(1)精确测定地面点在地心(质心)坐标系内的坐标，从而能够将全球大地网连成整体，建成统一的大地测量坐标系统。正因为如此，卫星大地测量极大地优于常规大地测量，能在对常规大地测量来讲极困难的地区布设控制网，进行海岛联测、海上定位等，并能加强国家天文大地网，以提高其精度。
(2)精确测定地球的大小和形状、地球外部引力场、地极运动、大陆板块间的相对运动以及大地水准面的形状，为大地测量和其他科学技术服务。 (3)广泛地用于空中和海上导航，矿产勘探及军事等方面。 （三）、GPS定位的基本概念
现在欲确定待定点P的位置，可以在该处安置GPS接收机。如果在某一时刻t同时测得了4颗GPS卫星(A，B，C，D)的距离SAp、SBp、SCP、SDp，则可列出4个观测方程为： 式中(xA，yA，zA)；(xB，yB，zB)，(xC，yC，zC)，(xD，yD，zD)分别为卫星(A，B，C，D)在ti时刻的空间直角坐标；vtA，vtB，vtC，vtD分别为该时刻4颗卫星的钟差，它们均可以由卫星所广播的卫星星历来提供。
求解上列方程，即得待定点的空间直角坐标xP，yP，zP。 GPS定位实质：
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；确定待定点的空间位置。 §2导航卫星及其星座 （1）美国的GPS
（2）俄罗斯的GLONASS
（3）欧空局的NAVSAT, 2002 galileo （4）中国的北斗系列
俄罗斯“格洛纳斯”系统（GLONASS）是Global Navigation Satellite System的字头缩写，是前苏联国防部从20世纪80年代初开始建设的与美国GPS相抗衡的全球卫星导航系统，与GPS系统原理、功能十分类似，耗资30多亿美元，1995年投入使用，现在由俄罗斯联邦航天局管理。
罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。与美国的GPS相较，GLONASS导航精度相对较低（单点定位精度水平方向为16米，垂直方向为25米）。应用普及情况远不及GPS，其最大价值在于抗干扰能力强。 GPS+GLONASS系统对纯GPS系统的改进
可见卫星数增加一倍：GLONASS卫星星座组网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时，一般为7-11颗；GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。在山区或城市中，有时因障碍物遮挡，纯GPS可能无法工作， GPS+GLONASS则可以工作。
3) 提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。因此GPS+GLONASS将大大提高观测结果的可靠性。 4) 提高观测结果的精度：观测卫星相对于测站的几何分布(DOP值)直接影响观测结果的精度。可观测到的卫星越多，则可以 大大改善观测卫星相对于测站的几何分布，从而提高观测结果的精度。
为了打破美国全球卫星定位系统（GPS）的垄断地位，帮助欧洲摆脱对GPS的依赖，欧盟于1999年提出了建立欧洲自主、独立的民用全球卫星定位导航系统的“伽利略”(Galileo)计划。“伽利略”计划是全球多模式卫星定位导航系统，原理和GPS相似，将实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能，为用户提供误差不超过1米的高精度、高可靠性的定位服务。“伽利略”计划的投资总额估计高达38亿欧元，预计将在2010年投入使用。
“北斗卫星导航系统”(Compass Navigation Satellite System，CNSS，为英文名称，Beidou为中文音译名称)
北斗卫星定位系统覆盖范围是北纬5°～55°，东经70°～140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100m(1 σ)，设立标校站之后为20 m(类似差分状态)。工作频率：2 491.75 MHz。系统能容纳的用户数为每小时540 000户。 由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。 北斗应用五大优势
同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；
覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；
特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用； 独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”； 自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。 §3卫星的构成
全球定位系统(GPS)主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。 a、空间星座部分
全球定位系统的空间卫星星座，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55°，
各轨道平面升交点的赤经相差60°。在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30°。轨道平均高度约为20200km,卫星运行周期为11小时58分。
GPS卫星已设计了三代，分别为BlockI、BlockⅡ和BlockⅢ。第一代(Blockl)卫星，用于全球定位系统的实验，通常称为GPS实验卫星。这一代卫星共研制发射了11颗，卫星的设计寿命5年，卫星分布在两个轨道面内，轨道倾角约为63°，现已停止工作。
第二代(BlockⅡ，ⅡA)卫星用于组成如图1.1.3所示的GPS工作卫星星座，通常称为GPS工作卫星。第二代卫星共研制了28颗，卫星的设计寿命为7.5年，从1989 年初开始，至1994年上半年已发射完毕。
第三代(BlockⅢ，1R)卫星尚在设计中，预计于90年代末期发射，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。
GPS卫星的基本功能是
●接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令； ●卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作； ●通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准； ●向用户发送定位信息；
●在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 对于我们GPS观测而言，最多可以观测11颗星，最少要观测4颗星。 b、地面监控部分
目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。 监测站：是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。 主控站：
●根据本站和其它监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、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。
●提供全球定位系统的时间基准。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。 ●调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。 ●启用备用卫星以代替失效的工作卫星。
注入站：其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、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。 C、用户设备部分
主要由GPS接收机硬件和数据处理软件 。
而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。 §4美国的SA政策
一、1990年3月17日实施：SA
(1)在广播星历中有意地加入误差，在起算数据xi,yi,zi加入误差，人为地降低星历的精度，使定位中的已知点(卫星)的位置精度大为降低；称为 技术。
(2)有意地在卫星钟的钟频信号中加入误差，使钟频产生快慢变化，导致测距精度大为降低。称为 技术。
实施SA技术后，C／A码实时定位精度，平面位置降低至100m，高程位置降低至150m，严重影响了实时导航定位。 二、摆脱GPS限制政策的途径
1．建立独立的卫星导航与定位系统；
2．建立自己的GPS卫星跟踪网，独立确定GPS卫星精确轨道； 3．改进GPS精密定位方法及软件，削弱SA和AS技术的影响。
三、GPS的优点
1.全球连续覆盖，全天候连续实时、动态导航和定位；
2.功能多，精度高，用途广，为各用户提供动态目标的三维位置、三维航速和时间信息； 3.选点灵活，两点之间观测时无须通视； 4.操作简单，效益增加； 5.抗干扰性好，保密性强；
6.提供全球坐标系---三维地心坐标系；
7.全天候作业（不受时间、地点和天气的影响）； 8.观测时间短，1S可以完成。 四、GPS系统的应用前景： （1）GPS系统用途广泛；
（2）多元化管理空间环境资源的出现； （3）发展GPS产业；
（4）GPS的应用将进入人们的日常生活。 D
1.4GIS的概念及发展状况 一、数据和信息
1、数据： 是未加工的原始资料，是信息的表达， 是客观对象的表示,而信息是数据的内容。 GIS主要是对数据进行收集、输入和处理，建立空间数据库，进而进行空间分析。
2、 信息：信息是用文字、数字、符号、语言、图形、图像、声音等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征，向人们提供关于现实世界新的事实知识。
信息的特点：客观性-正确和精确性、实用性 -经处理分析有价值、可传输性-以一定的形式或格式在用户间传输、共享性-信息能提供并发应用 3、信息与数据的关系：
数据是客观对象的表示；信息是数据内涵的意义，是数据的内容和解释，是从数据中抽取概括而得到的。
在空间信息科学领域 ,数据和信息是不可分离的。信息源于数据，又通过数据进行表达，即数据是信息的表达，而信息则是数据的内容。
数据处理：是指对数据进行收集、筛选、排序、归并、转换、存储、检索、计算、分析、模拟和预测等等操作。
二、地理信息和地理信息系统 2、地理信息的特点：
①属于空间信息，具有空间分布的特点。空间信息具有空间特征、属性特征和时态特征三个要素。
②地理信息具有多维性。 ③时序特征十分明显。
地图是按照一定的数学法则，运用符号系统和地图制图综合原则，表示地面上各种自然现象和社会经济现象的图。地图是图像的方式提供地理实体的空间信息、时间信息、空间关系和属性信息等地理信息。 3、地理信息系统（GIS）
（1）信息系统是具有采集、处理、管理和分析数据能力的系统。它能为单一或有组织的决策过程提供有用信息。一个基于计算机的信息系统包括计算机硬件、软件、数据和用户四大要素：计算机硬件包括各类计算机处理及终端设备，它帮助人们在非常短的时间内组织、存储和处理大量的数据；软件是计算机程序，没有软件支持的计算机硬件是发挥不了作用的；
数据是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础；用户是信息系统服务的对象。
（2）地理信息系统：是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统，是研究与地理分布有关的空间信息系统。
GIS重视对拓扑结构的管理，重视拓扑关系的自动生成 ，强调与空间相关的查询统计，强调空间分析，强调三维模型分析。
地理信息系统中“地理”的概念并非指地理学，而是广义地指地理坐标参照系统中的坐标数据、属性数据以及以此为基础而演义出来的知识。 （3）地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性成为信息检索的重要部分。在地理信息系统中，现实世界被表达成一系列的地理要素、实体或地理现象，这些地理特征由空间位置信息和非位置的属性信息两个部分组成。 A Definition of GIS
GIS is a System of computer software, hardware and data, and personnel to help manipulate, analyze and present information that is tied to a spatial location.
-- A method to visualize, manipulate, analyze, and display spatial data -- “Smart Maps” linking a database to the map GIS的内涵：
（1）具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力；
（2）以地理研究和规划决策为目的，以模型为方法，具有空间分析、多要素综合分析和动态预测的能力；
（3）由计算机系统支持进行空间数据管理、并由计算机模拟常规或专门分析的方法。
CAD（Computer Aided Design）图形处理功能强大，制图、编辑、输出等，但属性功能很弱。 GIS对图形属性综合管理，具有较强的空间分析能力。 二者不能互相替代，CAD可作为GIS数据采集的工具。 5、GIS研究对象的特点： ①空间性：反映空间位置的关系。用坐标表示空间位置，用空间拓扑关系表示空间位置关系。 ②属性：描述现象的特征，非空间数据和空间数据相结合描述空间实体的全貌。 ③时间性：空间数据的空间特征和属性特征随时间尺度的变化。 6、GIS与其它相关的学科 地理信息系统：（地理学、数学、地图学）遥感技术GPS技术、测量学、地面调查技术。 问题解决方案、地学空间分析方法、模型。计算机图形学，数据库技术、虚拟现实技术、人工智能
7、GIS所能解决的问题是什么?
①位置：即在某个地方有什么的问题？
②条件：符合某些条件的实体在哪里的问题？
③趋势：某个地方发生的某个事件随时间的变化过程。 ④模拟：在某个地方如果具备某种条件会发生什么问题。 8、GIS的应用特点： ①地理空间数据管理；
②GIS在综合分析评价与模拟预测的应用； ③GIS的空间查询和空间分析； ④地图制图；
⑤建立专题信息系统和区域信息系统。
水文分析使用DEM数据 派生 其它水文特征：提取河流网络、自动划分流域。 这些是描述某一地区水文特征的重要因素。
最近服务设施分析：创建分析图层、添加网络位置 E
2 地球空间基础 §2.1地球椭球
一、大地水准面和大地体
1、大地水准面：设想当海洋处于静止平衡状态时(即没有波浪、潮汐、水流和大气庄变化等引起的扰动)，把71%海平面（假设静止不动）延伸到大陆内部的水准面。 2、大地体：由大地水准面所包围的整个形体称为大地体。（在大地测量中，研究地球的形状就是研究大地水准面的形状，即大地体） 地球模型
大地水准面是个理想状态，作为一个高程起算的基准面，通常由平均海平面来代替 二、地球椭球
定义：是一个长半轴为a，短半轴为b的椭圆绕轴旋转而成的旋转体。 定位：定中心.即质心与中心是否重合 定向：地球自转轴与短轴平行或重合
参考椭球面————几何大地测量的基准面（北京54等），建立参心坐标所使用。 基准面是利用特定椭球体对特定地区地球表面的逼近，因此每个国家或地区均有各自的基准面
三、总地球椭球
研究范围扩展到全球时，拟合出一个与大地体最为密合的椭球，中心和质心重合，短轴和自转轴重合椭球面和大地体最为密合。
1、研究局部地球形状-----采用参考椭球建立参心坐标； 2、研究全球形状-------采用总地球椭球，建立地心坐标。 四、椭球元素及其关系
1. 长半轴 a=OA=OE。2. 短半轴 b=OP=OP'。3. 扁率f=(a-b)/a。4. 子午椭圆的第一偏心率:
a2b2a2b2ee2ab26. 其它元素通过椭球中心并包含.5. 子午椭圆的第二偏心率：
短轴PP'的平面叫子午面；子午面与椭球面的截线叫子午圈或经圈；通过椭球中心O点而与
短轴PP'垂直的平面叫赤道面；赤道面与椭球面的截线叫赤道圈；与赤道面平行的平面和椭球面的截线叫平行圈或纬线圈。 三个主要椭球的参数：
（1）克拉索夫斯基椭球，对应北京54坐标系，参数为：
（2）IAG-1975椭球或IUGG-1975椭球，对应1980国家大地坐标系，参数为： （3）WGS—84椭球，对应WGS-84坐标系，参数为：
针对于北京54而言：
DA=aWGS84-abj54=-108
DF=fWGS84-fbj54 =0.00000048 针对于西安80而言： DA=aWGS84-aXian80=-3 DF=fWGS84-fxian80 =0
在ArcGIS中基于这三个椭球，建立了我国常用的三个基准面和地理坐标系： GCS_WGS1984(基于WGS84 基准面)
GCS_BEIJING1954(基于北京1954基准面) GCS_XIAN1980(基于西安1980基准面) 2.2大地坐标系和空间直角坐标系
我国采用的正高体系，与国外的差别。 三、空间直角坐标 1、参心空间直角坐标系
参心空间直角坐标系是在参考椭球上建立的三维直角坐标系O－XYZ：原点：椭球的中心 Z轴：与椭球的短轴重合
X轴：位于起始大地子午面与赤道面的交线上 Y轴：与XZ平面正交 参考椭球一旦确定，其上的参心空间直角坐标系随之确定，即地球椭球的定位定向的过程实
xyz0XYZ0N2dmin质上就是建立参心空间直角坐标系的过程。
2.地心空间直角坐标系:地心坐标系是唯一的，如WGS—84坐标系。
四、大地坐标与空间直角坐标的转换 X=(N+h)cosBcosLN：卯酉圈曲率半径 Y=(N+h)cosBsinLh：大地高
卯酉圈：大地方位角为90度的法截面 法截面：包含椭球面上一点法线的平面 大地方位角：大地子午面与法截面交角 五、空间直角坐标系的转换
主要指参心坐标系与地心坐标系间的转换 1、三参数法
X1dXX2YdYY12ZdZZ假设只有原点不重合12
2、七参数法： 原点不重合 各坐标轴不平行
两坐标系的尺度不一样。 步骤:
（1）平移将原点重合 （2）绕Z轴转εZ
ˆcosXsinY0ZXZ2z22ˆsinXcosY0ZYZ2z2Z20X20Y21Z2cosZTZ2sinZ0 22sinZcosZ0001
2.3地图投影 L(x1x2)(y1y2)将地球椭球面上的点映射到平面上的方法，称为地图投影L(x1x2)2(y1y2)2(z1z2)2
地理坐标为球面坐标，不方便进行距离、方位、面积等参数的量算 地球椭球体为不可展曲面
地图为平面，符合视觉心理，并易于进行距离、方位、面积等量算和各种空间分析 投影距离： 球面距离：
一、坐标参考系统—平面系统 地图投影：投影实质 二.地图投影的种类
（一）地图投影变形性质的分类
投影变形：在地图投影时，把球面上的经纬线网转换到投影平面上，转换后的地图上的经纬线网格必然产生变形，称为地图投影变形。 包括三种：长度变形
面积变形 角度变形 （二）地图投影变形性质的分类 等角投影：前后角度不变 等积投影：前后面积不变
等距投影：角度、面积同时在变，长度不变
三、高斯--克吕格投影地图投影
高斯——克吕格投影（等角横切椭圆柱投影）等角。特点：轴子午线投影为一条直线、轴子午线的投影无长度变形、不是透视投影
（二）投影
投影——建立两个点集间一一对应的映射关系。
地图投影——建立地球表面上的点与投影面上点之间的一一对应关系。 x=f1（λ,φ） y=f2（λ,φ）
（λ,φ）为地球表面的地理坐标（曲面）； （x，y）为相应的投影坐标（平面） 投影变形
由地球椭球面（或球面）投影到平面引起的变形。表现在形状、大小两个方面。 （三）基本条件
1.中央经线（椭圆柱和椭球体的切线）的投影为直线，而且是投影的对称轴； 2.投影后没有角度变形； 3.中央经线上没有长度变形。
通常采用分带投影可减少变形。6度带从西向东每6度为一带，全球分60带。 我国居13-23带（72。-136。E）
（四）、高斯投影正算公式
已知某一点在椭球面上的大地坐标（B,L），求其在高斯平面上的坐标（x,y），称为高斯投影正算。数学关系一般表示为： x=F1(B，L) y=F2(B，L) 投影特点：
当l不变时，x值随B值增减而增减， y随B值得增减而减增。 当B不变时，随着l的增减，x，y增减。 距中央子午线越远，长度变形越大。 （五）优点
1.等角性质，适用于系列比例尺地图的适用与编制； 2.经纬网与直角坐标的偏差不大；
3.计算量小，只需计算一个带，全球通用。
通用横轴墨卡托投影 (universal transverse Mercator coordinate system: UTM)：设定椭圆柱与子午线相接（割），根据中心投影把地表面投影到椭圆柱面上的方法(高斯—克吕格投影方法)。
中央子午线与标准经线的比例是0.9996
（六）如何解决远离轴子午线的经线变形问题？
分带投影：除中央经线外，其余经线均为向两极收敛的弧线，距中央经线越远，变形越大，为使边缘变形不致过大，采用分带投影的方法。（二）投影分带的概念：所谓分带就是按一定的经差（6度或3度）将椭球体划分为若干个狭窄区域，使各区域按高斯投影规律进行投影，每个区域称为一个投影带。投影带编号从经度0度开始自西向东开始编号。1、3o投影带。3o投影带是从东经 算起，每3o投影一次，全球共分为120个投影带，向东依次编号。我国位于三度带的第24带至第45带之间。设n为三度带的代号，则中央子午线的经度：L0=3n 2、6o投影带
从东经0o算起，每6o投影一次，全球共分60个投影带，编号从0o开始，自西向东，从1至60。赤道长度变形不大于0.14%，面积最大变形不大于0.27%。中央经线经度：我国居13-23带。L0=6n-3
根据0.138％的长度变形所产生的误差小于1：2.5万比例尺地形图的绘图误差，决定我国1：2.5万－1：50万地形图采用6。分带。
1：1万及更大比例尺的地形图采用3。分带。
3。分带从东经1。30‘起， 3。为一带，使6 。带的 中央经线全部为3 。带的中央经线 (七)、坐标系的建立
纵坐标:表示离赤道公里数 横坐标:前二位表示投影带号
后几位表示离移轴纵线的公里数
如:18210 表示第18带,离移轴纵线210公里,即中央经 线以西290公里 （八）地图投影与GIS的关系
地图投影对GIS的影响渗透在GIS建设的各个方面:
1）各国家的地理信息系统所采用的投影系统与该国的基本地图系列所用的投影系统一致； 2）各比例尺的地理信息系统中的投影系统与其相应比例尺的主要信息源地图所用的投影一致；
3）各地区的地理信息系统中的投影系统与其所在区域适用的投影系统一致；
4）各种地理信息系统一般以一种或两种投影系统为其投影坐标系统，以保证地理定位框架的统一。
我国地理信息系统中常用的地图投影配置与计算
1）我国基本比例尺地形图（1：100万、1：50万、1：25万、1：10万、1：5万、1：2.5万、1：1万、1：5000万）除1：100万外均采用高斯-克吕格投影为地理基础；
2）我国1：100万地形图采用了Lambert投影，其分幅原则与国际地理学会规定的全球统一使用的国际百万分之一地图投影保持一致；
3）我国大部分省区图以及大多数这一比例尺的地图也多采用Lambert投影和属于同一投影系统的Albers投影；
4）Lambert投影中，地球表面上两点间的最短距离表现为近于直线，这有利于地理信息系统中的空间分析和信息量度的正确实施。
（十）我国GIS中常用的地图投影配置
大比例尺（>=50万） 高斯——克吕格投影 小比例尺（<50万） Lambert投影 我国基本比例尺地形图：
1：100万 Lambert投影 1：50万、1：25万、1：10万
1：5万、1：2.5万、1：1万 高斯-克吕格 1：5000
我国大部分省区图以及1：100万的地图多采用Lambert 和Albers投影（正轴等面积割圆锥投影）
根据不同的投影，相应的得到平面直角坐标
我国大于1:10万地形图上绘有高斯-克吕格投影平面直角坐标网，以公里为单位（公里网）
大比例尺地形图公里网间隔 （十一）、高斯投影反变换
根据一点在高斯平面上的坐标x、y计算该点在椭球面上的大地坐标B、L，称为高斯投影反算。
函数关系如下：
l2x,y
B1x,y
（四）换带计算 1、一般应用
分带投影带来了连续的问题。
为解决此问题，在制作地形图时在两带之间设重叠部分，每个带向东加宽30‘‘向西加宽7’30‘‘因此一个投影带的实际宽度是轴子午线以东3度30‘、以西3度7分30’。在两相邻带公共边缘子午线附近有37分30‘‘宽的重叠部分。在该重叠范围内，同一大地点，要计算两组坐标，一组属于东带，另一组属于西带。在重叠范围的同一幅地形图，也绘制两套坐标以供选择使用。 2、换带计算
利用高斯投影公式进行换带计算，分两步进行：第一步，先把某点的一带平面坐标（x1、
y1）利用投影反算公式计算为大地坐标（B、L）；第二步，在由大地坐标（B、L）利用投影正算公式计算为另一带的平面坐标（x2、y2）。即：x1,y1B,Lx2,y2 F
2.4地形图分幅与编号 一.地图特点
1、储存在纸 、薄膜等介质上 2、有定性的也有定量的 3、按一定地理区域框架分幅 4、按一定的比例尺和投影绘制
5、都是按点、线、面和一定的符号 颜色 文字 图例来表达空间信息 6、地图表达限制了一定的空间信息容量，真实信息量大大压缩了 7、空间信息一旦进入地图，就很难对它进行处理和分析
8、地图只能是随一定的空间信息在某一特定时间“静止地表达” 9、地图是地理信息系统的主要数据源，使输出形式 三.地图坐标
1.地理坐标（大地坐标）
全球统一坐标，用经度纬度表示 2.平面直角坐标系
我国地形图采用高斯-克吕格投影坐标系 四.地形图分幅与编号 五.编号应用的公式
1、已知图幅某点的经、纬度或图幅西南图廓点的经纬度，计算其编号 ⑴1:100万地形图图幅编号计算公式
例1：某点经度为114º33′45″，纬度为39º22′30″，计算其所在的图幅的编号。
a = [39º22′30″/4º]+1=10（字母J） b = [114º33′45″/6º]+31＝50 该点在1:100万地形图图号为J-50。
⑵其它比例尺地形图在1:100万地形图图号后的行列号 c = 4º/Δφ-[（φ/4º）/Δφ ] d = [（λ/6º）/Δλ]+1 其中：
（ ）----表示商取余； [ ]----表示商取整；
c ----所求比例尺地形图在1:100万地形图图号后的行号； d ----所求比例尺地形图在1:100万地形图图号后的列号； λ ---- 图幅内某点的经度或图幅西南图廓点的经度； φ ---- 图幅内某点的纬度或图幅西南图廓点的纬度； Δλ----所求比例尺地形图分幅的经差； Δφ----所求比例尺地形图分幅的纬差。 2、已知图号计算该图幅西南图廓点
的经、纬度
λ=（b -31）×6º+（d - 1 ）×Δλ
φ=（a-1）×4º+（4º/Δφ- c ）×Δφ 式中：
λ— 图幅西南图廓点的经度； φ— 图幅西南图廓点的纬度。
a— 1:100万地形图图幅所在纬度带字符码所对应的数字码； b— 1:100万地形图图幅所在经度带的数字码；
c— 该比例尺地形图在1:100万地形图图号后的行号； d— 该比例尺地形图在1:100万地形图图号后的列号； Δλ— 所求比例尺地形图分幅的经差； Δφ— 所求比例尺地形图分幅的纬差。
（2） 较大比例尺地形图的行、列号计算较小比例尺地形图的行、列号 c小=[c大 /（Δφ小/Δφ大 ）]+ 1） 有余+1 d小=[d大 /（Δφ小/Δφ大 ）]+ 1） 无余+0
磁偏角：过某点的真子午线与磁子午线方向间的夹角。用 表示。磁子午线在真子午线以东为东偏，且为正，否则为负。我国东部西偏，西北东偏。
子午线收敛角：坐标纵线（中央子午线）与真子午线方向的夹角称为子午线收敛角。坐标纵线偏于真子午线以东称为东偏，且为正。
磁坐偏角：以坐标纵线为准，与磁子午线的夹角。 G
第四章 GPS卫星信号及卫星坐标计算 §4.1GPS测距码信号 一、基本概念：
BT:字节，码的度量单位。
数码率：在二进制数字化信息传输中，每秒钟传输的比特数。
编码：把信息表示为二进制的组合形式，是信息数字化的重要方法之一。
码：广泛用二进制（0，1）及其组合来表示各种信息，0，1是幅度变化的时间函数。 码元：其中每个二进制的的数为一个码元，是码度量单位，也是信息度量单位。 随机噪声吗：如果有一组码序列U（t），对于某一时刻的码值是0或1完全是随机的，且出现的概率为50%，码元的取值完全是无规律的码序列。 非周期；无法复制；自相关性。 伪随机噪声吗：是一个具有一定周期的取值0或1的离散符号串，具有类似随机码的良好自相关性和某种特定的编码原则，是人工复制的码序列。 基础是位移存储器，2r-1种状态。 二、GPS测距码信号
GPS卫星发射两个测距码信号:C/A码和P码。 C/A（coarse code） ：粗码 P（precise code）：精码
C/A码和P码都属于伪随机噪声码信号
Nu:一个周期的码元最大值为2r-1，称为码长。 Tu：序列周期，Tu=Nu﹡tu
tu：码元宽度，时间宽度脉冲的时间间隔 CA
r=10
Nu=2r-1=1023bit tu=0.97752us Tu=Nu﹡tu=1ms
d（码元宽度）=C﹡tu=293.1m
误差为码元宽度的0.01-0.1，[2.931,29.31] 特点：
（1）码长很短，容易捕获。C/A只有1023个码元，而跟踪搜索卫星信号的速度是每秒50个码元，即使在最困难情况下，也仅需要20 .5秒便可搜索到C/A码。所以，接收机接收GPS卫星信号时，C/A码很易于被捕获，而且通过捕获的C/A码所获得的信息，又可以非常方便地捕获到P码。所以，通常又称C/A码为捕获码。
(2)码元宽度较大。利用C/A码进行测距时，精度较低，所以C/A码也被称为粗码。 P r=12
Nu=2.35﹡1014bit tu=0.097752us Tu=Nu﹡tu=267D
d（码元宽度）=C﹡tu=29.31m
误差为码元宽度的0.01-0.1，[0.2931,2.931]
P码可用于进行较精密的导航和测量定位，故通常又称P码为精码。
根据美国国防部规定，P码是专为军事服务的军用码，目前也只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。也就是说只有美国及美国特许用户才能使用P码。即使如此，美国国防部又从1994年1月31日起实施了AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成一个新码Y码，绝对禁止非特许用户使用。 §4.2GPS卫星的导航电文 （D码）
GPS卫星的导航电文（也称卫星电文）是用户用来进行导航和测量定位的数据基础。其主要包括：卫星星历、卫星时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及由C/A码转换到捕获P码的信息。这些信息是以二进制码的形式按规定的格式组成的，并按帧播发给用户使用，因此又称之为数据码（或D码）。
GPS卫星导航电文的基本单位是帧，每帧导航电文包含5个子帧；而每个子帧又分别包含10个字，每个字又含有30个bit 。所以每帧导航电文共包含1500个bit。为了记载多达二十多颗GPS卫星的星历，第4、5子帧又各含有25个页面。子帧1、2、3与子帧4、5的每个页面，构成一个主帧。子帧1、2、3的内容，每小时更新一次，而子帧4、5的全部内容，只有在有新的导航数据注入给卫星时才得以更新。 D码的内容：
1、遥测码（Telemetry Word - TLM）：
遥测码位于各子帧的开头第一个字，它用来表明卫星注入数据的状态。 2、转换码（Hand Over Word - HOW）：
转换码位于各子帧的第2个字。其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。用户获得了转换码，即可以实时地了解观测瞬间在P码周期中所处的准确位置，便于迅速地捕获P码。 3、第一数据块：
第一数据块位于第一子帧的第3～10个字。其主要内容包括电离层时延差改正、数据龄期、星期序号和卫星时钟改正参数等信息。
卫星时钟改正参数
虽然卫星时钟采用铯原子钟和铷原子钟，精度很高。但随着时间的推移，其频率也会有漂移。而且，由于相对论效应的影响，卫星钟会比地面钟走得快。即使经过一些改正，但是相对论效应引起的时间偏移并非常数。所以，卫星时钟钟面时应加以改正。 式中， 分别为卫星时钟的时间偏差、频率偏差系数和频率漂移系数。 4、 四、第二数据块：
导航电文的第2和第3子帧组成第二数据块，其内容即为GPS卫星的广播星历参数。它是用户利用GPS系统进行实时导航和测量定位的基础数据，用户利用广播星历参数可以计算卫星的运行位置坐标和速度。 5、第三数据块：
航电文的第4和第5子帧组成第三数据块，其内容为所有GPS卫星历书数据，是广播星历的概略形式。它为用户提供所有GPS卫星的低精度空间位置、钟改正参数、卫星工作状态及卫星识别标志等
§ 4.3 GPS卫星的载波信号
GPS卫星的载波信号包括L1和L2两种载波。它们是将GPS卫星原子钟的基准频率ƒ0 分别倍频154倍和120倍而获得的。其的频率和波长分别为：
L1载波 ：ƒ1 = 154×10.23 MHz = 1575.42 MHz , 波长 λ1 = 19 . 03 Cm。 L2载波 ：ƒ2 = 120×10.23 MHz = 1227.60 MHz , 波长 λ2 = 24 . 42 Cm。
GPS卫星发射的两种载波信号，即L1载波和L2载波，其上分别调制着测距码（C/A码和P码）和导航电文。具体情况如图2-3所示。在L1载波上调制有C/A码、P码和导航电文，在L2载波上调制有P码和导航电文。 第五章 GPS定位基本原理
用GPS进行定位，就是把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标（可根据卫星轨道参数计算）的条件下，以三颗以上GPS卫星与地面未知点（用户接收机天线）之间的距离（距离差）作为观测量，进行空间距离后方交会，即已知卫星空间位置交会出地面未知点（用户接收机天线）所处的位置，这便是GPS卫星定位的基本原理。
PS定位根据测距的原理和方式不同，分为伪距法定位、载波相位测量定位以及差分GPS定位等。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量精度最高。 H
第四章 GPS卫星信号及卫星坐标计算 §4.1GPS测距码信号 一、基本概念：
BT:字节，码的度量单位。
数码率：在二进制数字化信息传输中，每秒钟传输的比特数。
编码：把信息表示为二进制的组合形式，是信息数字化的重要方法之一。
码：广泛用二进制（0，1）及其组合来表示各种信息，0，1是幅度变化的时间函数。 码元：其中每个二进制的的数为一个码元，是码度量单位，也是信息度量单位。 随机噪声吗：如果有一组码序列U（t），对于某一时刻的码值是0或1完全是随机的，且出现的概率为50%，码元的取值完全是无规律的码序列。 非周期；无法复制；自相关性。 伪随机噪声吗：是一个具有一定周期的取值0或1的离散符号串，具有类似随机码的良好自相关性和某种特定的编码原则，是人工复制的码序列。 基础是位移存储器，2r-1种状态。 二、GPS测距码信号
GPS卫星发射两个测距码信号:C/A码和P码。 C/A（coarse code） ：粗码 P（precise code）：精码
C/A码和P码都属于伪随机噪声码信号
Nu:一个周期的码元最大值为2r-1，称为码长。 Tu：序列周期，Tu=Nu﹡tu
tu：码元宽度，时间宽度脉冲的时间间隔 CA r=10
Nu=2r-1=1023bit tu=0.97752us Tu=Nu﹡tu=1ms
d（码元宽度）=C﹡tu=293.1m
误差为码元宽度的0.01-0.1，[2.931,29.31] 特点：
（1）码长很短，容易捕获。C/A只有1023个码元，而跟踪搜索卫星信号的速度是每秒50个码元，即使在最困难情况下，也仅需要20 .5秒便可搜索到C/A码。所以，接收机接收GPS卫星信号时，C/A码很易于被捕获，而且通过捕获的C/A码所获得的信息，又可以非常方便地捕获到P码。所以，通常又称C/A码为捕获码。
(2)码元宽度较大。利用C/A码进行测距时，精度较低，所以C/A码也被称为粗码。 P r=12
Nu=2.35﹡1014bit tu=0.097752us Tu=Nu﹡tu=267D
d（码元宽度）=C﹡tu=29.31m
误差为码元宽度的0.01-0.1，[0.2931,2.931]
P码可用于进行较精密的导航和测量定位，故通常又称P码为精码。
根据美国国防部规定，P码是专为军事服务的军用码，目前也只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。也就是说只有美国及美国特许用户才能使用P码。即使如此，美国国防部又从1994年1月31日起实施了AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成一个新码Y码，绝对禁止非特许用户使用。 §4.2GPS卫星的导航电文 （D码）
GPS卫星的导航电文（也称卫星电文）是用户用来进行导航和测量定位的数据基础。其主要包括：卫星星历、卫星时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及由C/A码转换到捕获P码的信息。这些信息是以二进制码的形式按规定的格式组成的，并按帧播发给用户使用，因此又称之为数据码（或D码）。
GPS卫星导航电文的基本单位是帧，每帧导航电文包含5个子帧；而每个子帧又分别包含10个字，每个字又含有30个bit 。所以每帧导航电文共包含1500个bit。为了记载多达二十多颗GPS卫星的星历，第4、5子帧又各含有25个页面。子帧1、2、3与子帧4、5的每个页面，构成一个主帧。子帧1、2、3的内容，每小时更新一次，而子帧4、5的全部内容，只有在有新的导航数据注入给卫星时才得以更新。 D码的内容：
1、遥测码（Telemetry Word - TLM）：
遥测码位于各子帧的开头第一个字，它用来表明卫星注入数据的状态。 2、转换码（Hand Over Word - HOW）：
转换码位于各子帧的第2个字。其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。用户获得了转换码，即可以实时地了解观测瞬间在P码周期中所处的准确位置，便于迅速地捕获P码。 3、第一数据块：
第一数据块位于第一子帧的第3～10个字。其主要内容包括电离层时延差改正、数据龄期、星期序号和卫星时钟改正参数等信息。 卫星时钟改正参数
虽然卫星时钟采用铯原子钟和铷原子钟，精度很高。但随着时间的推移，其频率也会有漂移。而且，由于相对论效应的影响，卫星钟会比地面钟走得快。即使经过一些改正，但是相对论效应引起的时间偏移并非常数。所以，卫星时钟钟面时应加以改正。 式中， 分别为卫星时钟的时间偏差、频率偏差系数和频率漂移系数。 4、 四、第二数据块：
导航电文的第2和第3子帧组成第二数据块，其内容即为GPS卫星的广播星历参数。它是用户利用GPS系统进行实时导航和测量定位的基础数据，用户利用广播星历参数可以计算卫星的运行位置坐标和速度。 5、第三数据块：
航电文的第4和第5子帧组成第三数据块，其内容为所有GPS卫星历书数据，是广播星历的概略形式。它为用户提供所有GPS卫星的低精度空间位置、钟改正参数、卫星工作状态及卫星识别标志等
§ 4.3 GPS卫星的载波信号
GPS卫星的载波信号包括L1和L2两种载波。它们是将GPS卫星原子钟的基准频率ƒ0 分别倍频154倍和120倍而获得的。其的频率和波长分别为：
L1载波 ：ƒ1 = 154×10.23 MHz = 1575.42 MHz , 波长 λ1 = 19 . 03 Cm。 L2载波 ：ƒ2 = 120×10.23 MHz = 1227.60 MHz , 波长 λ2 = 24 . 42 Cm。
GPS卫星发射的两种载波信号，即L1载波和L2载波，其上分别调制着测距码（C/A码和P码）和导航电文。具体情况如图2-3所示。在L1载波上调制有C/A码、P码和导航电文，在L2载波上调制有P码和导航电文。 第五章 GPS定位基本原理
用GPS进行定位，就是把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标（可根据卫星轨道参数计算）的条件下，以三颗以上GPS卫星与地面未知点（用户接收机天线）之间的距离（距离差）作为观测量，进行空间距离后方交会，即已知卫星空间位置交会出地面未知点（用户接收机天线）所处的位置，这便是GPS卫星定位的基本原理。
PS定位根据测距的原理和方式不同，分为伪距法定位、载波相位测量定位以及差分GPS定位等。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量精度最高。 I
3S技术的综合应用 内容提要
3s技术在精细农业上的应用 3s技术在土地资源研究中的应用 3s技术在全球变化研究中的应用 3s技术在我国农业方面的发展状况 3s技术在水利上的应用
3s技术综合技术在水利上的应用 精细农业
精细农业：因地制宜农业（site specific farming） 它是在RS、GIS 、GPS技术支持下，进行 抽样调查，获取作物生长的各种影响因素 信息（如土壤结构、含水量、地形、病虫害）；通过进行农田小区作物产量对比，分析影响小区产量差异的原因，获取农业生产中存在的空间和时间差异性信息，可以根据每个地块的农业资源特点，按需要实施微观调控，以充分利用现代化和机械化，精耕细作，获取高的经济效益。 精细农业
精细农业的发展历史：
20世纪70年代，RS、GIS的发展，为精细农业的发展做了技术上的准备。
20世纪80年代，发达国家对农业的深入研究，减少成本，防止污染环境污染，特别是绿色产品的生产，RS、GIS和决策支持系统开始在农业大范围中应用。
20世纪90年代初期GPS的民用化，推动了3S技术在农业上的应用，促进了精细农业的发展。 精细农业
精细农业的特点： 技术性强：
图像处理、图像解译、计算机硬件与软机技术、空间分析技术、卫星导航技术、测量等。 定量化：计算机可以精确的控制种子、化肥、农药等用量，可以根据不同的地质、作物长势和其他的农业生态环境特点，定量投放种子、化肥、农药等。
定位化：农民根据带有GPS导航仪的收割机提供的材料，制定出每块天地的田间管理和耕作计划，把这些输入到农田机械师的计算机里，在GPS的协助下，根据不同块地差别，自动地调节种子、肥料和化学剂地投放。
精细农业、RS在精细农业中的应用、农作物播种面积监测与估算、遥感监测作物长势与作物产量估算、作物生态环境监测、灾害损失评估、精细农业 GPS在精细农业中地作用
一般GPS在农业中达到分米或米级，能够提供准确的定位、田间自动导航和测量地形起伏状况。 精细农业
GIS在精细农业中的应用 制作作物产量分布图 农业专题地图分析 精细农业
3s技术在精细农业中的综合运用
GPS 的优势是精确定位；GIS的优势是管理和分析；RS的优势是提供各种作物生长与农业生态环境在地表的分布信息，它们可以做到优势互补，促进精细农业的发展。 精细农业
3s技术在精细农业中面临的问题与解决途径 深入开展遥感机理和农业遥感图像解译机理研究 提高农田作业的定位精度
加强农田基础数据库的自动更新研究 重视新型农田机械与3s技术的集成
土壤养分碱解氮和产量空间差异信息分布图 RS在土地资源领域的应用
传统的调查方法：数据、图件管理和分析技术落后，无法提供全方位、及时、准确的信息。 现在手段：能够快速获得土地利用和土地覆盖的动态变化信息。 GIS在土地领域中的应用 土地管理信息系统
土地利用的动态监测系统 土籍管理信息系统
GPS技术在土地领域中的应用
GPS的高精度和应用的灵活性，是土地调查进行的空间定位手段。 在土地利用动态监测中，GPS是遥感技术的辅助定位手段。 全球变化：
气候和地表及地表以上各种因子间的相互作用造成环境变化。它涉及到岩石圈、大气圈、水圈和生物圈。
RS在全球的变化监测中的作用：
遥感技术是全球动态变化监测的重要手段，提供了地球上环境与资源动态变化信息。
在季节和年际季风预测方面，3s技术对控制厄尔尼诺现象的形成过程进行观测方面取得了突破。
GIS在全球变化监测中的作用： 全球变化数据检索与查询 承担全球变化方面的各种分析 GPS在全球变化中的应用
利用GPS定位技术监测气候变暖导致的海平面上升。 利用高精度GPS测量地球表面的斑块运动。 坡耕地分布
山坡地的可持续发展研究关系当地的经济发展、环境保护，有着十分重要的意义。生态环境的好坏，直接影响着整个流域。流域的坡耕地分布状况与土地适宜性类型，区域内既有经济较发达的平原，也有经济欠发达的高原山区。目前在山坡地研究中，大多采用传统的实地丈量，手工圈绘等方法。在研究中针对这种情况，采用先进的地理信息系统（GIS）方法，通过空间分析、模型运算，对该地区的地理环境、土壤类型、土壤质地等进行了详细地分析研究，划分出该地区坡耕地分布范围，并对该地区进行土地适宜性评价，得到了较好的结果。
农作物的生长状况与产量是全社会都十分关注的问题，对每一种作物在生长过程中会发生什么问题，能取得什么样的收获，是国家管理部门和农民们在作物播种后到收获的一段时间内随时都想了解的。 更新地形图
GPS在水利工程建设中的应用
1.水利工程测量控制网的建立。
采用GPS定位技术不需要两点间的相互通视。只要求GPS卫星分布在天空15度以上的锥体范围内且无障碍物存在即可。外业观测和记录均由接收机自动完成，观测员只需记录测站点号及仪器高等即可。水利工程测量控制网建立速度快，控制点点位选择不受限，且控制网的精度满足相应等级的规范技术要求。 2.水工隧洞的贯通。
用GPS建立施工控制网将大大简化测量工作，因用常规方法所建立的控制网点并非都有用，
其中有许多点是过渡点，或者为增加图形强度而设置的，而采用GPS测量就可以直接测定洞口点的相对位置，无须测定其他过渡点，这样就节省了大量的外业工作，使隧洞贯通的测量变得十分简单有效，且精度得到较大提高。 3.大型电站的道路施工测量。
GPS技术定位精度高，不要求相邻点通视，不受气候条件限制，同时其布网灵活，对网形条件要求低，使得道路测量工作速度快、费用省，外业工作劳动强度低，极大地提高了工作效率。
4.水道和湖泊水下地形测量。
应用常规方法进行长距离水道地形测量，从外业测量到内业成图需要2～3年的时间，并且湖区水系复杂、洲滩密布，湖中围垦的废堤、断堤多，地形相当复杂。但是应用静态GPS施测两岸控制，借助实时GPS动态差分技术和测深仪，施测水道的水下部分，全部工作仅需要半年时间，大大缩短了成图周期，提高了水道地形图的时效性。 GIS信息系统应用
（一）水电工程勘测与设计
GIS是水利水电工程选址、规划中十分重要的工具。例如移民安置地环境容量调查、调水工程选线及环境影响评价、梯级开发的淹没调查、水库高水位运行的淹没调查、大中型水利工程的环境影响评价、防洪规划、大型水电工程抗震安全评估等，由于上述问题牵涉因素千头万绪，而相关数据在采集方法、目的、格式、时间、关系等都不尽相同，但是借助GIS强大的统计、分析、显示功能，我们可以圆满地得到一个最佳决策方案。 （二）水电工程施工管理
以数字地形模型为基础，建立水利工程三维可视化模型，实现多角度浏览，并对施工影响区(范围)的确定、开挖量及剖面分析、汛期应急方案等进行管理。 （三）水电工程运营管理
各项水利工程建成后，需要维护和管理，包括工程自身内外设施的监护，以及周围环境变化对工程的影响等。由于这些设施明显具有地理参照特征的，因此它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。 RS在水利工程的应用 （一）制作DOM影像图
不同分辨率的遥感影像借助专用精密设备或软件可以制成供水利工程前期勘察、设计乃至施工的不同比例尺的数字影像图，其中基于横轴墨卡托投影所获得的数字影像图称为DOM图（Digital Orthodox Mapping），它主要适于大、中比例尺成图，在水利工程建设中广泛应用。 （二）水汛灾害监控
减轻自然灾害必须考虑两个主要方面：①快速而准确地预报致灾事件，②快速评价已发生灾害的地点、范围和强度的。预报的改进主要来源于对灾害事件及其机制的更确切的了解，而灾害的了解评价则基于地球观测系统的完善。其中卫星遥感图片作为研究地球表面状况和动态变化的一种先进工具，在国民经济许多部门得到了广泛应用。对于以陆地上的水体为主要研究对象的水利工作来说，卫星遥感技术有着重要的作用。 数字水利与3S技术
数字水利是指对包括水资源、水环境、防汛抗旱、抗灾、水土保持、农田水利、河道整治、水利工程等一切工作管理与决策的信息化。数字水利建设从本质上讲，是利用与上述各项相关信息及数据资料而建立的管理和决策综合系统，而这一切无不与“3s”空间信息技术密切相关。
GIS具有海量数据存储、管理和网上分发、空间数据的可视化显示、空间数据的快速查询与分析等功能；
RS数据则是海量数据的源泉，其与GIS数据结合，充分发挥了RS数据具有信息丰富、高时效和重复性快的优势以及GIS具有高效空间数据管理、灵活的空间数据分析、空间数据定量化程度高的优势。 二者的结合，一方面提高了RS信息的定量定性分析水平，另一方面又使GIS数据不断更新，增强了动态分析功能；GPS则为黄河全流域提供高精度的GPS控制点，并为RS影像修正提供主要参数。另外在黄河流域大型工程测量如水库库容测量、大型水利工程施工测量及安全监测中，GPS也在起主导作用。 3S技术的综合应用 1.在防洪减灾中的应用
（1）数据采集与提取在雨情、水情、工情、险情与灾情等方面应用。
（2）数据与信息的储存、管理与分析方面，即防洪、减少、救灾的信息管理系统。
（3）防汛决策支持方面如灾情评估、避险迁安、抢险救灾路线、气象卫星降雨定量预测等。 2.在水资源生态环境管理中应用
“3S”技术在解决水资源与生态环境调查、动态监测水资源、生态环境变化、管理水资源与生态环境数据重要作用，RS可以提供动态更新数据源，GIS提供空间数据库管理、分析、应用的工具，GPS提供水利实施等空间定位基础。 3.在水土保持中应用
RS为壤侵蚀调查提供信息源，GIS分析土壤侵蚀因子，进行评价侵蚀类型、程度及侵蚀量估算
4.水环境监测、评价与管理
水质监测、水环境信息管理、水环境遥感监测。 水体的富营养化
当生物体所需的氮、磷、钾等营养物质在湖泊、河口、海湾等缓流水体中大量富集，从而引起浮游生物及藻类(主要是蓝绿藻)等的大量迅速繁殖，造成了水质恶化、水体的溶解氧含量下降，导致鱼类及其他生物大量死亡的现象称为水体的富营养化，属于水体污染的一种，会给水产养殖业带来很大的麻烦，利用遥感技术调查富营养水体的数量及分布位置及其被污染的程度，可及时地采取有效措施进行补救。
对水体富营养化进行遥感调查所使用的资料一般选用彩红外影像，这是因为对于纯净或较为纯净的水体而言，在彩红外波段，有着很强的吸收作用，反射及发射作用很小，因而在彩红外影像上表现为黑色；而当水体富营养化后，水体中的藻类及浮游植物中含有的叶绿素对近红外波段具有非常明显的“陡坡效应”，即在近红外波段具有很高的反射率。这时的水体，由于兼有了水体和绿色植物的光谱特征，在彩红外图像上会呈现红褐色或紫红色。
水体的热容量大，在热红外波段有明显特征。根据热 水体的热容量大，在热红外波段有明显特征。根据热
红外传感器的温度定标，可在热红外影像上反演出水体的 5.旱情监测、灌溉面积监测与规 旱情预报、动态监测几抗旱决策支持，有效灌溉面积与实际灌溉面积监测及灌区规划与动态管理。
6.水利水电工程建设和管理
3S是水利水电工程选址、规划、乃至设计、施工管理中十分重要的工具，例如移民安置地环境容量调查、调水工程选线及环境影响评价、梯级开发的淹没调查、水库高水位运行的淹没调查、大中型水利工程的环境影响评价、防洪规划、大型水利水电工程抗震安全、河道管理、大型水利水电工程物科贮运管理、蓄滞洪区规划与建设等等
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