3S集成背景下全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)與地圖學(xué)教學(xué)探索*

常占強(qiáng) ，劉曉萌

（1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048；2.首都師范大學(xué)三維信息獲取與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

0 引 言

多學(xué)科交叉、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互滲透、相互融合和有機(jī)集成是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì).全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS），遙感（remote sensing，RS）和地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）在空間和屬性信息的采集、動(dòng)態(tài)分析與管理等方面各具特色，有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，使得這3種技術(shù)在應(yīng)用中緊密結(jié)合，并逐步朝著一體化方向發(fā)展.3S集成（integration of GNSS，RS and GIS）是將 GNSS、RS和 GIS技術(shù)依據(jù)實(shí)際需要融為一個(gè)統(tǒng)一的整體，進(jìn)而形成一種功能更強(qiáng)大的空間信息技術(shù)與方法的過(guò)程［1-7］，是GNSS、RS和GIS技術(shù)發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物.隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，3S集成及應(yīng)用已成為空間信息技術(shù)的一種趨勢(shì).當(dāng)前，3S集成系統(tǒng)正在經(jīng)歷一個(gè)從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展和完善過(guò)程［7-8］.對(duì)于相關(guān)學(xué)科教學(xué)工作而言，3S集成技術(shù)發(fā)展與集成同時(shí)也是深化教學(xué)內(nèi)涵的重要機(jī)遇.尤其是對(duì)于教學(xué)內(nèi)容圍繞3S集成技術(shù)開(kāi)展或以其作為基礎(chǔ)平臺(tái)的地學(xué)、測(cè)繪學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科而言更是如此.本文在系統(tǒng)論述3S集成技術(shù)中，各學(xué)科所扮演的角色及3S集成根基的基礎(chǔ)上，對(duì)當(dāng)前GNSS和地圖學(xué)教學(xué)中凸顯的一些問(wèn)題開(kāi)展探討.

1 3S集成系統(tǒng)構(gòu)成及集成的根基

1.1 3S集成系統(tǒng)構(gòu)成

作為3S的關(guān)鍵技術(shù)之一，GNSS泛指中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou）、美國(guó)的 GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的 Galileo以及區(qū)域增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是一種全球性、全天候、連續(xù)和實(shí)時(shí)提供精密的三維坐標(biāo)的空間信息獲取技術(shù)［9-12］.利用GNSS可精確獲取任意點(diǎn)的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定各種地表覆蓋邊界，是GIS獲取地理與專(zhuān)題信息的主要方法與手段［13-20］.

RS即“遙遠(yuǎn)的感知”，是一種使用空間運(yùn)載工具和現(xiàn)代化電子、光學(xué)探測(cè)儀器，探測(cè)和識(shí)別遠(yuǎn)距離研究對(duì)象的技術(shù)［21］，主要用于快速獲取地面目標(biāo)及其環(huán)境的屬性信息、發(fā)現(xiàn)地表的各種變化.隨著現(xiàn)代RS技術(shù)的迅猛發(fā)展，新型傳感器平臺(tái)不斷涌現(xiàn)，微波RS、高光譜RS不斷成熟，空間、時(shí)間及光譜分辨率大幅度提高［22-25］，現(xiàn)正以空前的速度為人類(lèi)提供極為豐富的最新地物屬性信息，是GIS的空間數(shù)據(jù)源.RS技術(shù)極大地拓展了GIS的應(yīng)用領(lǐng)域和方式.

GIS是在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)［2-3］，是3S集成的核心部分.GIS通過(guò)空間信息平臺(tái)，對(duì)GNSS和RS來(lái)源的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、集成管理及動(dòng)態(tài)存取等操作，并借助數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和空間分析功能提取有用信息，使之成為決策的科學(xué)依據(jù)［2，5，7］.在3S集成體中，三者所扮演角色或發(fā)揮的作用而言，GIS相當(dāng)于人腦.GNSS和RS相則當(dāng)于人的2只眼睛，負(fù)責(zé)獲取海量信息及其空間定位，是GIS數(shù)據(jù)采集和及時(shí)更新的主要技術(shù)手段和有力支撐.GNSS、RS和GIS技術(shù)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，實(shí)時(shí)對(duì)地觀測(cè)、分析和應(yīng)用的運(yùn)行系統(tǒng)，為科學(xué)研究、政府管理、社會(huì)生產(chǎn)提供了新一代的觀測(cè)手段、描述語(yǔ)言和思維工具［2-4］.可見(jiàn)，三者之間相互作用融合成“一個(gè)大腦，兩只眼睛”的形式［1，5-7］，如圖1所示.

圖1 3S集成示意

1.2 3S集成技術(shù)的根基

當(dāng)前，3S集成已在不同的技術(shù)層次上得到逐步實(shí)現(xiàn).初級(jí)階段表現(xiàn)為三者互相調(diào)用一些功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的聯(lián)系；高級(jí)階段表現(xiàn)為三者之間不只是相互調(diào)用功能，而是直接共同作用，形成有機(jī)的一體化系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，快速準(zhǔn)確地獲取定位信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)查詢(xún)和分析判斷［2，4-5］.然而，不管3S集成的層次與方式如何，三者必須具有共同的根基與基礎(chǔ).只有如此，才使得GNSS和RS技術(shù)所獲取的各色豐富信息經(jīng)過(guò)GIS技術(shù)得以積累與深化.

地圖學(xué)是GIS的基礎(chǔ)，而GIS是地圖學(xué)的延伸與發(fā)展.GIS中的諸多基礎(chǔ)概念與內(nèi)容來(lái)自地圖學(xué)［26-30］，如地理坐標(biāo)、地圖投影、地圖符號(hào)系統(tǒng)和地圖概括等.利用RS技術(shù)獲取的各種影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理（輻射校正、幾何糾正、色彩增強(qiáng)、解譯和分類(lèi)等），得到的最終成果需要變換為地理坐標(biāo)（大地坐標(biāo)）或地圖平面投影坐標(biāo)系上.利用GNSS技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)成果也需要將地球空間三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)），且很多情況下還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到地圖投影坐標(biāo)系中.由此可見(jiàn)，無(wú)論3S集成技術(shù)，還是單獨(dú)利用GNSS、RS和GIS技術(shù)，其最終的工作成果都要表示在地圖上，即3S集成最終的工作成果需在共同的地理框架下——地理坐標(biāo)或地圖投影坐標(biāo)系統(tǒng)，故地圖是3S集成的根基與基礎(chǔ).

2 GNSS與地圖學(xué)教學(xué)中凸顯的問(wèn)題

2.1 GNSS內(nèi)容涵蓋面廣而課時(shí)量較少

GNSS橫跨多學(xué)科，是由多學(xué)科相互滲透而形成的一門(mén)技術(shù)科學(xué).其涉及內(nèi)容極廣，是數(shù)學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)、測(cè)繪學(xué)等科學(xué)相互融合的結(jié)晶［9-13］.當(dāng)前GNSS教學(xué)中面臨的主要問(wèn)題是：一方面課程內(nèi)容涵蓋內(nèi)容眾多，需要較多先修課程與基礎(chǔ)知識(shí)，且實(shí)踐性很強(qiáng)［31-32］；另一方面GNSS課時(shí)非常有限.高等院校中將GNSS課程一般設(shè)為48甚至36學(xué)時(shí).這對(duì)于地學(xué)（地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等）與環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)方向的學(xué)生而言，欲在先修課程嚴(yán)重不足而又學(xué)時(shí)如此緊張情況下，從課程中汲取完整的知識(shí)體系難度非常大；而對(duì)教師而言，在此情況下欲取得較好的教學(xué)效果也極富挑戰(zhàn)性.

2.2 地圖學(xué)與GNSS教學(xué)內(nèi)容的銜接問(wèn)題

地圖是地學(xué)、測(cè)繪科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等研究成果最直接、最佳的表達(dá)方式［22-26］.地圖學(xué)是地理信息技術(shù)的基礎(chǔ)，是地學(xué)與測(cè)繪專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程.如上所述，地圖為3S集成的根基與基礎(chǔ).這就要求在地圖學(xué)課程教學(xué)中，需要將GIS、GNSS與RS各課程內(nèi)容無(wú)縫銜接或?qū)悠饋?lái).然而，現(xiàn)有地圖學(xué)與GNSS課程教學(xué)中并沒(méi)有真正做到.如國(guó)內(nèi)課程教材的GNSS定位原理部分（絕對(duì)、相對(duì)定位），介紹用GNSS衛(wèi)星地球坐標(biāo)與測(cè)碼（測(cè)相）偽距建立觀測(cè)方程，計(jì)算出GNSS接收機(jī)在地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)即告結(jié)束.顯然，此內(nèi)容還沒(méi)有與地圖學(xué)中的地理坐標(biāo)對(duì)接起來(lái)，是不完整、不完善、不充分的.尤其是在3S集成背景下，更需將GNSS與地圖學(xué)的內(nèi)容無(wú)縫銜接起來(lái).因?yàn)镚NSS中的地球坐標(biāo)系為空間三維直角坐標(biāo)系，與3S中所使用的地圖建立不了對(duì)應(yīng)關(guān)系，無(wú)法實(shí)際應(yīng)用.即這種空間三維直角坐標(biāo)系對(duì)地學(xué)、環(huán)境科學(xué)技術(shù)而言基本無(wú)實(shí)用價(jià)值，必須將其轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系或地圖投影坐標(biāo)系.

3 GNSS與地圖學(xué)的教學(xué)探索

3.1 GNSS與地圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整與整合

鑒于GNSS內(nèi)容綜合性強(qiáng)而課時(shí)量少的問(wèn)題，采取把握課程主線(xiàn)、突出重點(diǎn)的原則.將重點(diǎn)聚焦在天球與地球坐標(biāo)系、GNSS衛(wèi)星載波信號(hào)分量、GNSS的偽距測(cè)量與相位測(cè)量、GNSS絕對(duì)與相對(duì)定位和GNSS的地學(xué)應(yīng)用等主要知識(shí)點(diǎn)上.而對(duì)一些非主流的內(nèi)容，授課時(shí)僅做簡(jiǎn)要介紹，或?qū)⑵渥鳛檎n后作業(yè)引導(dǎo)學(xué)生完成，最大限度地節(jié)約了課堂教學(xué)時(shí)間，在短時(shí)間內(nèi)使學(xué)生掌握GNSS定位技術(shù)必備的知識(shí)與理論體系，對(duì)GNSS有一個(gè)總體的概念，同時(shí)對(duì)學(xué)生的自學(xué)能力也有積極的促進(jìn)作用，達(dá)到具有利用GNSS開(kāi)展地學(xué)（地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)）、環(huán)境科學(xué)研究與工程應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)水平與工作能力［31］.此外，針對(duì)GNSS具有跨多學(xué)科、內(nèi)容涵蓋廣的特點(diǎn)，在強(qiáng)化該課程先修課程的同時(shí)，將嘗試請(qǐng)物理學(xué)、信號(hào)處理等方面專(zhuān)家對(duì)GNSS中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行必要的深化與補(bǔ)充，以獲得更好的效果.另一方面，由于地圖與GIS中的空間位置信息越來(lái)越多來(lái)自GNSS的觀測(cè)成果，而屬性信息來(lái)自RS處理成果.為此在地圖學(xué)中適當(dāng)增加地圖數(shù)據(jù)來(lái)源部分的介紹，實(shí)現(xiàn)地圖學(xué)與GNSS的教學(xué)內(nèi)容的自然無(wú)縫銜接.

3.2 GNSS教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充與完善

依據(jù)GNSS衛(wèi)星坐標(biāo)、觀測(cè)偽距，建立偽距觀測(cè)方程，用最小二乘法求解出任意點(diǎn)的空間三維地球坐標(biāo)系，最后轉(zhuǎn)換為地圖坐標(biāo)系，其總體流程如圖2所示.

圖2 求取任意一點(diǎn)地圖投影坐標(biāo)的過(guò)程

GNSS課程中的定位原理部分，首先介紹利用GNSS衛(wèi)星坐標(biāo)與測(cè)碼（測(cè)相）偽距建立觀測(cè)方程，計(jì)算出GNSS接收機(jī)在地球坐標(biāo)系中的坐標(biāo).其次補(bǔ)充如何將地球空間三維坐標(biāo)系任意點(diǎn)的坐標(biāo)到大地坐標(biāo)系（地理坐標(biāo)）的轉(zhuǎn)換，即（X，Y，Z）→（B，L，H），過(guò)程如圖3所示，將GNSS求解的結(jié)果與地球表面上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái).不僅如此，絕大多數(shù)情況下還要將地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地圖投影坐標(biāo).最后將大地坐標(biāo)系（B，L，H）經(jīng)過(guò)高斯-克呂格投影或UTM投影轉(zhuǎn)換為地圖投影坐標(biāo)系，即（B，L）→（x，y），以實(shí)現(xiàn)大地坐標(biāo)（地理坐標(biāo)）到地圖投影坐標(biāo)之間的科學(xué)轉(zhuǎn)換，如圖4所示.至此徹底完成了GNSS與GIS數(shù)據(jù)坐標(biāo)框架的銜接.這就意味著對(duì)地圖學(xué)與GNSS課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了無(wú)縫銜接，為3S技術(shù)集成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

圖3 從空間直角坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

圖4 大地坐標(biāo)到地圖投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

4 結(jié)束語(yǔ)

高等院校專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容需在夯實(shí)自身基礎(chǔ)前提下，緊跟時(shí)代脈搏與步伐、追蹤學(xué)術(shù)前沿.特別是對(duì)于快速發(fā)展的3S相應(yīng)學(xué)科教學(xué)而言，更需夯實(shí)基礎(chǔ)，才能將各學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)整合，形成合力，以獲取最大的系統(tǒng)效應(yīng).地圖是3S集成技術(shù)的根基所在，因此，將3S與地圖學(xué)教學(xué)內(nèi)容無(wú)縫銜接非常關(guān)鍵.本文針對(duì)當(dāng)前GNSS與地圖學(xué)教學(xué)中凸顯的問(wèn)題，提出了對(duì)GNSS和地圖學(xué)的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充完善、銜接的舉措.教學(xué)實(shí)踐證明，這些舉措不僅可引導(dǎo)學(xué)生理解與掌握3S技術(shù)知識(shí)鏈，而且有助于其對(duì)3S集成建立起一個(gè)整體的概念，從而收到了良好的效果.近年來(lái)，大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)、深度學(xué)習(xí)和人工智能等新興信息技術(shù)得到迅猛發(fā)展，3S集成理論研究與應(yīng)用勢(shì)必將掀起新一輪浪潮.據(jù)此，高校教師應(yīng)勇于探索、開(kāi)拓創(chuàng)新，努力汲取新知識(shí)，優(yōu)化更新知識(shí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步豐富與深化教學(xué)內(nèi)容，確保其先進(jìn)性與實(shí)用性，以不斷提升教學(xué)質(zhì)量與知識(shí)水平，助力教學(xué)科研工作邁向新臺(tái)階.