3S技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

丁銳 謝駿鍇

摘? 要：3S技術(shù)出現(xiàn)至今，已在諸多領(lǐng)域成功運(yùn)用并產(chǎn)生了巨大的價(jià)值。文章簡單介紹了3S三大組成部分：GIS、RS、GNSS的基本概念，分析了3S技術(shù)目前在農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、土地資源管理以及智慧城市方面的應(yīng)用現(xiàn)狀以及對(duì)其在該方面未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。最后對(duì)目前3S在應(yīng)用中遇到的一些問題進(jìn)行了探討，給未來3S技術(shù)的發(fā)展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：3S;GIS;RS;GNSS;發(fā)展

中圖分類號(hào)：P208? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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技術(shù)即地理信息系統(tǒng)（Geography Information Systems，GIS），遙感技術(shù)（Remote Sensing，RS）以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）的統(tǒng)稱。3S技術(shù)在上世紀(jì)90年代初被提出，至今發(fā)展已接近30年，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、智慧城市等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。隨著信息技術(shù)的不斷普及和大眾需求的增加，3S技術(shù)發(fā)展方興未艾。

1 基本概念

（1）地理信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理與分析的一種空間信息系統(tǒng)，由人員、數(shù)據(jù)、硬件、軟件和過程五部分組成。GIS作為一門交叉學(xué)科，綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、地理學(xué)、測(cè)繪科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的成果。隨著地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其在政府、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)及科學(xué)研究等方面取得廣泛應(yīng)用。（2）遙感。遙感即在遠(yuǎn)距離或高空利用傳感器采集地物輻射的電磁波譜信息，根據(jù)地物產(chǎn)生的波譜信息進(jìn)行地物識(shí)別、分析與應(yīng)用。衛(wèi)星遙感可根據(jù)采集的電磁波段分為可見光遙感、紅外遙感、多譜段遙感、紫外遙感和微波遙感;根據(jù)傳感器平臺(tái)，其可分為地面遙感、航空遙感和航天遙感。遙感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于氣象觀測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、生態(tài)資源、地圖測(cè)繪及軍事偵察等領(lǐng)域。（3）全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷等數(shù)據(jù)對(duì)地面進(jìn)行點(diǎn)位觀測(cè)的一種技術(shù)。GNSS在政治、經(jīng)濟(jì)及國防等領(lǐng)域有著重大意義，是國家安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是一個(gè)國家綜合國力的重要體現(xiàn)。中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）和歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo Satellite Navigation System）之后的第四個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。除軍事應(yīng)用以外，GNSS技術(shù)也在交通運(yùn)輸、氣象、個(gè)人位置服務(wù)、應(yīng)急救援等民用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并產(chǎn)生出巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。（4）3S技術(shù)集成。GIS、RS和GNSS結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)彼此的不足，3S的集成應(yīng)用分為GPS與RS的結(jié)合、RS與GIS的集合和GPS與RS的兩兩結(jié)合和三者的集成應(yīng)用，其中三者的集成應(yīng)用成為人們追求的目標(biāo)。早前的3S集成應(yīng)用基本處于系統(tǒng)間相互調(diào)用功能的基礎(chǔ)階段，目前3S集成向一體化系統(tǒng)發(fā)展，利用GNSS快速獲取地面實(shí)時(shí)位置信息，RS為應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢與分析。“3S”集成具有重大意義， 也具有相當(dāng)難度， 集成方式多種多樣， 宜從簡單到復(fù)雜， 從低成本到高成本， 關(guān)鍵在于要找到它的應(yīng)用市場[1]。

2 3S技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 農(nóng)業(yè)

目前3S技術(shù)在農(nóng)林業(yè)的應(yīng)用較為廣泛，能夠有效管理農(nóng)業(yè)資源信息，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估，大大提高了農(nóng)業(yè)管理的效率，也為政府有關(guān)部門政策規(guī)劃提供決策支持。3S技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：（1）農(nóng)業(yè)資源管理：通過RS提供的影像數(shù)據(jù)以及GPS采集的空間位置信息，利用GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)管理并根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，分析區(qū)域農(nóng)業(yè)差異性，為土地的合理應(yīng)用提供決策信息。（2）作物估產(chǎn)：利用3S技術(shù)分析作物長勢(shì)以及作物產(chǎn)量評(píng)估的方法已經(jīng)較為成熟。RS具有多時(shí)相的特點(diǎn)，其能夠宏觀反應(yīng)作物生長規(guī)律，利用GIS進(jìn)行作物識(shí)別，計(jì)算播種面積并構(gòu)建作物生長模型，對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行評(píng)估。（3）農(nóng)業(yè)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)：自然災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)有著巨大的影響，因此對(duì)災(zāi)害的響應(yīng)以及評(píng)估顯得尤為重要。如利用RS影像波段信息，利用GIS系統(tǒng)對(duì)不同波段組合進(jìn)行分析，便可區(qū)分出受病蟲害影響的作物與正常作物的差異，生成病蟲害分布圖、分級(jí)圖并進(jìn)行蔓延預(yù)測(cè)分析，能夠?qū)τ嘘P(guān)災(zāi)情及時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)并提前做好規(guī)劃處理。除此以外，3S技術(shù)還能用于洪澇災(zāi)害、土壤侵蝕、氣候?yàn)?zāi)害等方面的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及災(zāi)情分析，提高農(nóng)業(yè)災(zāi)情的響應(yīng)速度，為政府部門決策提供及時(shí)、可靠、直觀的決策支持。

3S上述農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中已取得廣泛應(yīng)用，目前精細(xì)農(nóng)業(yè)是3S技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的又一個(gè)發(fā)力點(diǎn)。精細(xì)農(nóng)業(yè)需要更高精度的RS影像信息以及準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位，結(jié)合更多其他傳感器進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，在GIS建立高精度分析與決策模型。例如農(nóng)業(yè)機(jī)械跟蹤管理、農(nóng)藥精準(zhǔn)噴灑、作物生產(chǎn)溯源等等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)管理的自動(dòng)化和智能化，助力實(shí)現(xiàn)我國建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

2.2 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)

“綠水青山就是金山銀山”，目前我國對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)尤為重視，3S技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也扮演著重要的作用。利用3S技術(shù)，結(jié)合RS遙感影像數(shù)據(jù)以及地形、氣象等其他觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建評(píng)估模型，對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。我國學(xué)者利用3S技術(shù)在生態(tài)方面進(jìn)行了諸多研究：肖榮波等人利用3S技術(shù)對(duì)城市綠地進(jìn)行覆蓋清查、三維量估測(cè)、生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)等研究[2]，將3S技術(shù)用于城市綠化生態(tài)監(jiān)測(cè);胡廣錄等人利用3S技術(shù)構(gòu)建模型模擬方法，分析干旱荒漠區(qū)斑塊狀植被空間格局及其防沙效應(yīng)研究[3]，將其應(yīng)用于土壤風(fēng)蝕研究領(lǐng)域;朱衛(wèi)紅等人利用3S技術(shù)構(gòu)建濕地生態(tài)安全預(yù)測(cè)模型，對(duì)圖們江流域濕地生態(tài)安全進(jìn)行預(yù)測(cè)研究[4]。

2.3 土地資源管理

結(jié)合3S技術(shù)進(jìn)行土地資源管理，有助于推進(jìn)國土治理現(xiàn)代化發(fā)展，對(duì)國土資源有效保護(hù)、社會(huì)發(fā)展規(guī)劃及政府宏觀調(diào)控有著重要意義。3S技術(shù)在土地資源管理領(lǐng)域主要被應(yīng)用于土地利用現(xiàn)狀調(diào)查和土地利用規(guī)劃。傳統(tǒng)土地調(diào)查方法主要基于人力調(diào)查方式，此過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而3S技術(shù)可以利用遙感手段快速收集地表信息直觀反應(yīng)地表變化，配合GNSS獲取地物坐標(biāo)信息，將解譯數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)庫，高效精確地管理土地資源信息，節(jié)省大量人力與時(shí)間成本，3S技術(shù)在近期我國“第三次全國國土調(diào)查”中也發(fā)揮了巨大的作用。根據(jù)基礎(chǔ)土地利用數(shù)據(jù)，可以利用GIS的空間分析功能，可以反映土地利用類型變化，進(jìn)行例如城市擴(kuò)張、農(nóng)田撂荒、植被面積變化等方面的監(jiān)測(cè)分析，查處違法土地利用，提升土地執(zhí)法效率，對(duì)土地利用進(jìn)行合理規(guī)劃，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及國土資源管理的需要。隨著高性能對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感手段的多樣化，它們所提供信息的精確度將會(huì)大大提高，時(shí)效性也會(huì)大大增強(qiáng)[5]，3S技術(shù)在土地資源調(diào)查及管理方面的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。3S結(jié)合快速發(fā)展的大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能地物識(shí)別等高新技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)全國覆蓋的高精度土地利用規(guī)劃系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、全方位監(jiān)測(cè)國土資源，是未來3S技術(shù)在土地資源管理領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。

2.4 智慧城市

隨著中國城市化速度的加快，人地矛盾問題逐漸突出，如何高效智能地管理城市成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。智慧城市的建設(shè)涉及基礎(chǔ)影像地圖數(shù)據(jù)和大量空間位置數(shù)據(jù)信息，因此智慧城市的建立離不開3S技術(shù)的支撐。3S技術(shù)在智慧城市中主要可應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：（1）智慧交通：根據(jù)GNSS提供的實(shí)時(shí)位置信息，在利用GIS已有的路徑分析功能上，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和處理能力，在短時(shí)間提供最優(yōu)路徑規(guī)劃，合理對(duì)車流量進(jìn)行導(dǎo)流，有助于緩解目前我國大城市交通擁堵的現(xiàn)狀。利用收集的交通數(shù)據(jù)，還可生成直觀的統(tǒng)計(jì)報(bào)表，方便政府了解道路狀況并合理規(guī)劃道路路線。（2）城市管線建設(shè)與維護(hù)：由于我國目前城市快速擴(kuò)張，導(dǎo)致很多城市基礎(chǔ)管線鋪設(shè)不合理，經(jīng)常出現(xiàn)燃?xì)夤艿辣?、水管泄露，電網(wǎng)損壞等現(xiàn)象。結(jié)合3S技術(shù)可有效解決這一問題，利用GIS系統(tǒng)可對(duì)城市管線實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化、動(dòng)態(tài)化、可視化管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)隱患，做到爆管分析預(yù)警，優(yōu)化城市管線鋪設(shè)。（3）城市突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)：受人類活動(dòng)及氣候變化影響，自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)城市安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。利用3S技術(shù)可以對(duì)例如氣溶膠數(shù)據(jù)、地質(zhì)條件、降水量等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)分析，為市民提供準(zhǔn)確的出行建議及災(zāi)害預(yù)警信息，減輕自然災(zāi)害對(duì)城市及市民安全的影響。

目前智慧城市的建設(shè)還受很多限制因素制約，解決好地理數(shù)據(jù)繁雜、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題，將3S與醫(yī)療、教育、服務(wù)行業(yè)等更多領(lǐng)域進(jìn)行深度整合，有助于3S技術(shù)在智慧城市的建設(shè)中迸發(fā)出更大的活力。

3 問題與探討

雖然3S技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中取得了巨大的成就，但是在實(shí)踐過程中也暴露出不少需要解決的問題，例如：（1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一：受遙感衛(wèi)星不同傳感器影響，導(dǎo)致影像數(shù)據(jù)空間、時(shí)間及輻射分辨率的不統(tǒng)一，而目前還沒有能夠較好兼容不同數(shù)據(jù)的方法。另外，柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)擁有不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，綜合柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、兼容不同數(shù)據(jù)的地理信息數(shù)據(jù)庫，是3S技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。（2）提升數(shù)據(jù)精度：現(xiàn)階段GNSS技術(shù)大多只能用于室外定位，室內(nèi)定位技術(shù)還未取得突破性進(jìn)展，難以滿足室內(nèi)高精度應(yīng)用需求;目前的定位信息大多為二維坐標(biāo)信息，在像重慶這樣的山地城市中往往不能提供精確的導(dǎo)航服務(wù)，因此加入準(zhǔn)確的高程信息有助于解決這一問題。另外，提升遙感數(shù)據(jù)和GIS模型的精度，有助于將3S技術(shù)應(yīng)用到更多精細(xì)化領(lǐng)域。（3）多學(xué)科整合：3S技術(shù)作為一門多學(xué)科交叉技術(shù)，不僅需要做到三者的內(nèi)部整合，還需要與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智能、大數(shù)據(jù)等眾多領(lǐng)域深度結(jié)合。目前國內(nèi)的3S主要集中于科研應(yīng)用方向，對(duì)3S集成系統(tǒng)的開發(fā)工作還有待加強(qiáng)，而構(gòu)建3S系統(tǒng)需要相關(guān)人員不僅具備3S技術(shù)知識(shí)，還應(yīng)有計(jì)算機(jī)軟硬件等各方面背景，因此應(yīng)該加強(qiáng)培養(yǎng)多學(xué)科高素質(zhì)復(fù)合型人才，為3S技術(shù)的發(fā)展提供充足的人才儲(chǔ)備。

4 結(jié)束語

3S技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的成功實(shí)踐，為我國生態(tài)保護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了可靠的技術(shù)支持。除了傳統(tǒng)的科學(xué)研究及政府應(yīng)用以外，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，3S技術(shù)也逐漸深入到人們生活的方方面面。隨著3S技術(shù)與多學(xué)科的交叉整合，必將釋放出更大的發(fā)展?jié)摿?。推?dòng)空間信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，深化3S技術(shù)應(yīng)用，使其為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供更加充足的動(dòng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德仁.論RS，GPS與GIS集成的定義、理論與關(guān)鍵技術(shù)[J].遙感學(xué)報(bào)，1997（01）：64-68.

[2]肖榮波，周志翔，王鵬程，等.3S技術(shù)在城市綠地生態(tài)研究中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)雜志，2004（06）：71-76.

[3]胡廣錄，趙文智，王崗.干旱荒漠區(qū)斑塊狀植被空間格局及其防沙效應(yīng)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31（24）：7609-7616.

[4]朱衛(wèi)紅，苗承玉，鄭小軍，等.基于3S技術(shù)的圖們江流域濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)警研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（06）：1379-1390.

[5]王振中.“3S”技術(shù)集成及其在土地管理中的應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)，2005（04）：62-64+6.