3S技术应用现状与发展趋势

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　　摘  要：3S技术出现至今，已在诸多领域成功运用并产生了巨大的价值。文章简单介绍了3S三大组成部分：GIS、RS、GNSS的基本概念，分析了3S技术目前在农业、生态环境监测、土地资源管理以及智慧城市方面的应用现状以及对其在该方面未来的发展趋势进行展望。最后对目前3S在应用中遇到的一些问题进行了探讨，给未来3S技术的发展提供一些参考。
　　关键词：3S;GIS;RS;GNSS;发展
　　中图分类号：P208         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）14-0174-02
　　Abstract： Since the emergence of 3S technology， it has been successfully applied in many fields and has produced great value. This paper briefly introduces the basic concepts of 3S （GIS， RS， GNSS）. We analyze the current application status of 3S technology in agriculture， ecological environment monitoring， land resource management and smart city， and its future development. Finally， some problems encountered in the application of 3S are discussed， which will provide some reference for the development of 3S technology in the future.
　　Keywords： 3S; GIS; RS; GNSS; development
　　3S技术即地理信息系统（Geography Information Systems，GIS），遥感技术（Remote Sensing，RS）以及全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）的统称。3S技术在上世纪90年代初被提出，至今发展已接近30年，在工业、农业、灾害监测、生态环境保护、智慧城市等众多领域得到广泛应用并产生出巨大的经济效益与社会效益。随着信息技术的不断普及和大众需求的增加，3S技术发展方兴未艾。
　　1 基本概念
　　（1）地理信息系统。地理信息系统是在计算机软硬件的支持下，对地理空间数据进行采集、存储、管理与分析的一种空间信息系统，由人员、数据、硬件、软件和过程五部分组成。GIS作为一门交叉学科，综合了计算机科学、地理学、测绘科学等多个领域的成果。随着地理信息产业的发展，其在政府、企业、产业及科学研究等方面取得广泛应用。（2）遥感。遥感即在远距离或高空利用传感器采集地物辐射的电磁波谱信息，根据地物产生的波谱信息进行地物识别、分析与应用。卫星遥感可根据采集的电磁波段分为可见光遥感、红外遥感、多谱段遥感、紫外遥感和微波遥感;根据传感器平台，其可分为地面遥感、航空遥感和航天遥感。遥感技术被广泛应用于气象观测、灾害监测、生态资源、地图测绘及军事侦察等领域。（3）全球导航卫星系统。全球导航卫星系统是利用一组卫星的伪距、星历等数据对地面进行点位观测的一种技术。GNSS在政治、经济及国防等领域有着重大意义，是国家安全和社会经济的重要基础设施，也是一个国家综合国力的重要体现。中国自主研发的北斗卫星导航系统（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）和欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo Satellite Navigation System）之后的第四个成熟的卫星导航系统。除军事应用以外，GNSS技术也在交通运输、气象、个人位置服务、应急救援等民用领域应用广泛，并产生出巨大的经济社会价值。（4）3S技术集成。GIS、RS和GNSS结合自身优势，弥补彼此的不足，3S的集成应用分为GPS与RS的结合、RS与GIS的集合和GPS与RS的两两结合和三者的集成应用，其中三者的集成应用成为人们追求的目标。早前的3S集成应用基本处于系统间相互调用功能的基础阶段，目前3S集成向一体化系统发展，利用GNSS快速获取地面实时位置信息，RS为应用研究提供基础数据，结合GIS进行数据实时查询与分析。“3S”集成具有重大意义， 也具有相当难度， 集成方式多种多样， 宜从简单到复杂， 从低成本到高成本， 关键在于要找到它的应用市场[1]。
　　2 3S技术应用领域及发展趋势
　　2.1 农业
　　目前3S技術在农林业的应用较为广泛，能够有效管理农业资源信息，对农业生产活动进行监测与评估，大大提高了农业管理的效率，也为政府有关部门政策规划提供决策支持。3S技术在农业中的应用主要有以下几个方面：（1）农业资源管理：通过RS提供的影像数据以及GPS采集的空间位置信息，利用GIS进行数据管理并根据已有数据进行空间分析，分析区域农业差异性，为土地的合理应用提供决策信息。（2）作物估产：利用3S技术分析作物长势以及作物产量评估的方法已经较为成熟。RS具有多时相的特点，其能够宏观反应作物生长规律，利用GIS进行作物识别，计算播种面积并构建作物生长模型，对作物产量进行评估。（3）农业灾害应急响应：自然灾害对农业生产活动有着巨大的影响，因此对灾害的响应以及评估显得尤为重要。如利用RS影像波段信息，利用GIS系统对不同波段组合进行分析，便可区分出受病虫害影响的作物与正常作物的差异，生成病虫害分布图、分级图并进行蔓延预测分析，能够对有关灾情及时预警预报并提前做好规划处理。除此以外，3S技术还能用于洪涝灾害、土壤侵蚀、气候灾害等方面的预测预报及灾情分析，提高农业灾情的响应速度，为政府部门决策提供及时、可靠、直观的决策支持。 　　3S上述农业领域的应用中已取得广泛应用，目前精细农业是3S技术在农业领域的又一个发力点。精细农业需要更高精度的RS影像信息以及准确的坐标定位，结合更多其他传感器进行环境监测，在GIS建立高精度分析与决策模型。例如农业机械跟踪管理、农药精准喷洒、作物生产溯源等等，实现农业管理的自动化和智能化，助力实现我国建设资源节约型社会及农业可持续发展的目标。
　　2.2 生态环境监测
　　“绿水青山就是金山银山”，目前我国对生态环境保护尤为重视，3S技术在生态环境监测领域也扮演着重要的作用。利用3S技术，结合RS遥感影像数据以及地形、气象等其他观测数据，构建评估模型，对生态环境质量进行动态监测。我国学者利用3S技术在生态方面进行了诸多研究：肖荣波等人利用3S技术对城市绿地进行覆盖清查、三维量估测、生态质量监测等研究[2]，将3S技术用于城市绿化生态监测;胡广录等人利用3S技术构建模型模拟方法，分析干旱荒漠区斑块状植被空间格局及其防沙效应研究[3]，将其应用于土壤风蚀研究领域;朱卫红等人利用3S技术构建湿地生态安全预测模型，对图们江流域湿地生态安全进行预测研究[4]。
　　2.3 土地资源管理
　　结合3S技术进行土地资源管理，有助于推进国土治理现代化发展，对国土资源有效保护、社会发展规划及政府宏观调控有着重要意义。3S技术在土地资源管理领域主要被应用于土地利用现状调查和土地利用规划。传统土地调查方法主要基于人力调查方式，此过程费时费力，而3S技术可以利用遥感手段快速收集地表信息直观反应地表变化，配合GNSS获取地物坐标信息，将解译数据导入GIS数据库，高效精确地管理土地资源信息，节省大量人力与时间成本，3S技术在近期我国“第三次全国国土调查”中也发挥了巨大的作用。根据基础土地利用数据，可以利用GIS的空间分析功能，可以反映土地利用类型变化，进行例如城市扩张、农田撂荒、植被面积变化等方面的监测分析，查处违法土地利用，提升土地执法效率，对土地利用进行合理规划，满足经济社会发展以及国土资源管理的需要。随着高性能对地观测卫星、导航卫星和遥感手段的多样化，它们所提供信息的精确度将会大大提高，时效性也会大大增强[5]，3S技术在土地资源调查及管理方面的优势将更加明显。3S结合快速发展的大数据、云计算、人工智能地物识别等高新技术，构建一个全国覆盖的高精度土地利用规划系统，实现实时、动态、全方位监测国土资源，是未来3S技术在土地资源管理领域的一个发展方向。
　　2.4 智慧城市
　　随着中国城市化速度的加快，人地矛盾问题逐渐突出，如何高效智能地管理城市成为人们日益关注的问题。智慧城市的建设涉及基础影像地图数据和大量空间位置数据信息，因此智慧城市的建立离不开3S技术的支撑。3S技术在智慧城市中主要可应用于以下几个方面：（1）智慧交通：根据GNSS提供的实时位置信息，在利用GIS已有的路径分析功能上，进一步提高系统的数据传输和处理能力，在短時间提供最优路径规划，合理对车流量进行导流，有助于缓解目前我国大城市交通拥堵的现状。利用收集的交通数据，还可生成直观的统计报表，方便政府了解道路状况并合理规划道路路线。（2）城市管线建设与维护：由于我国目前城市快速扩张，导致很多城市基础管线铺设不合理，经常出现燃气管道爆炸、水管泄露，电网损坏等现象。结合3S技术可有效解决这一问题，利用GIS系统可对城市管线实现精准化、动态化、可视化管理，及时发现危险隐患，做到爆管分析预警，优化城市管线铺设。（3）城市突发灾害应急响应：受人类活动及气候变化影响，自然灾害频发，对城市安全构成严重威胁。利用3S技术可以对例如气溶胶数据、地质条件、降水量等数据进行综合监测分析，为市民提供准确的出行建议及灾害预警信息，减轻自然灾害对城市及市民安全的影响。
　　目前智慧城市的建设还受很多限制因素制约，解决好地理数据繁杂、结构标准不统一的问题，将3S与医疗、教育、服务行业等更多领域进行深度整合，有助于3S技术在智慧城市的建设中迸发出更大的活力。
　　3 问题与探讨
　　虽然3S技术在各个领域的应用中取得了巨大的成就，但是在实践过程中也暴露出不少需要解决的问题，例如：（1）数据标准不统一：受遥感卫星不同传感器影响，导致影像数据空间、时间及辐射分辨率的不统一，而目前还没有能够较好兼容不同数据的方法。另外，栅格数据和矢量数据拥有不同的数据结构特征，综合栅格数据和矢量数据的优点，构建一个统一标准、兼容不同数据的地理信息数据库，是3S技术发展的目标。（2）提升数据精度：现阶段GNSS技术大多只能用于室外定位，室内定位技术还未取得突破性进展，难以满足室内高精度应用需求;目前的定位信息大多为二维坐标信息，在像重庆这样的山地城市中往往不能提供精确的导航服务，因此加入准确的高程信息有助于解决这一问题。另外，提升遥感数据和GIS模型的精度，有助于将3S技术应用到更多精细化领域。（3）多学科整合：3S技术作为一门多学科交叉技术，不仅需要做到三者的内部整合，还需要与计算机网络、人工智能、大数据等众多领域深度结合。目前国内的3S主要集中于科研应用方向，对3S集成系统的开发工作还有待加强，而构建3S系统需要相关人员不仅具备3S技术知识，还应有计算机软硬件等各方面背景，因此应该加强培养多学科高素质复合型人才，为3S技术的发展提供充足的人才储备。
　　4 结束语
　　3S技术在各个领域的成功实践，为我国生态保护、社会经济建设、灾害监测等领域提供了可靠的技术支持。除了传统的科学研究及政府应用以外，随着互联网、大数据、人工智能等信息产业的不断发展，3S技术也逐渐深入到人们生活的方方面面。随着3S技术与多学科的交叉整合，必将释放出更大的发展潜力。推动空间信息技术产业发展，深化3S技术应用，使其为国民经济建设提供更加充足的动力。
　　参考文献：
　　[1]李德仁.论RS，GPS与GIS集成的定义、理论与关键技术[J].遥感学报，1997（01）：64-68.
　　[2]肖荣波，周志翔，王鹏程，等.3S技术在城市绿地生态研究中的应用[J].生态学杂志，2004（06）：71-76.
　　[3]胡广录，赵文智，王岗.干旱荒漠区斑块状植被空间格局及其防沙效应研究进展[J].生态学报，2011，31（24）：7609-7616.
　　[4]朱卫红，苗承玉，郑小军，等.基于3S技术的图们江流域湿地生态安全评价与预警研究[J].生态学报，2014，34（06）：1379-1390.
　　[5]王振中.“3S”技术集成及其在土地管理中的应用[J].测绘科学，2005（04）：62-64+6.
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