251 GPS

1GPS概述

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱，而其中文簡稱為 “球位系”。GPS是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通信等一些軍事目的。經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，已發(fā)射24顆GPS衛(wèi)星，全球覆蓋率高達98％。

GPS系統(tǒng)與三部分組成，分別是：

1）空間部分

GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成 （21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6個軌道面上 （每個軌道面4顆），軌道傾角為55°。在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息。因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導(dǎo)航精度會逐漸降低。如圖215。

圖215 空間衛(wèi)星及GPS衛(wèi)星模型

2）地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測站 （Monitor Station）、主控制站 （Master Monitor Sta-tion）、地面天線 （Ground Antenna）組成，主控制站位于美國科羅拉多州春田市（Colorado Spring）。地面控制站負責(zé)收集由衛(wèi)星傳回信息，并計算衛(wèi)星星歷、相對距離、大氣校正等數(shù)據(jù)。

3）用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機。其主要功能是捕獲按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后機內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接收機體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。其次則為使用者接收器，現(xiàn)有單頻與雙頻兩種，但由于價格因素，一般使用者所購買的多為單頻接收器。

2全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的特點

（1）全球、全天候工作。能為用戶提供連續(xù)、實時的三維位置、三維速度和精密時間，不受天氣的影響。

（2）定位精度高。單機定位精度高，誤差小于10m，采用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。

（3）功能多，應(yīng)用廣。隨著人們對GPS認識的加深，GPS除了在測量、導(dǎo)航、測速、測時等方面得到更廣泛的應(yīng)用外，應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷擴大，例如汽車自定位、跟蹤調(diào)度、陸地救援、內(nèi)河及遠洋船對最佳航線和安全航線的實時調(diào)度等。

3GPS的應(yīng)用

軍事是GPS技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域，主要是為各種軍事活動提供定位導(dǎo)航。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，不僅陸、海、空三軍，而且許多高科技武器彈藥等，也都開始采用GPS技術(shù)進行定位導(dǎo)航。GPS技術(shù)已成為精確制導(dǎo)武器復(fù)合制導(dǎo)的一種重要技術(shù)手段。未配置GPS制導(dǎo)系統(tǒng)之前，美軍的BGM－109C“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的圓概論誤差約為9米；在其 “慣性和地形匹配”制導(dǎo)系統(tǒng)中加入GPS后，其誤差降至3米，制導(dǎo)精度大大提高。民用GPS，主要用于交通車輛導(dǎo)航管理、航空器的定位及導(dǎo)航，以及大地測量，如野外勘測、緊急求援、旅游探險、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、生態(tài)研究等方面。目前，許多休閑俱樂部圍繞GPS功能相繼推出 “穿越”“尋寶”“野外拓展”等都市游戲，豐富了人們的周末生活，提高了人們的生活品位，深得戶外運動愛好者的歡迎。

252 GIS

GIS即地理信息系統(tǒng) （Geographic Information System），是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機軟硬件的支持下，運用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，科學(xué)管理和綜合分析具有空間內(nèi)涵的地理數(shù)據(jù)，以提供管理、決策等所需信息的技術(shù)系統(tǒng)。簡單地說，GIS是綜合處理和分析地理空間數(shù)據(jù)的一種技術(shù)系統(tǒng)，是以測繪測量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)儲存和使用的數(shù)據(jù)源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術(shù)。地理信息系統(tǒng)作為獲取、存儲、分析和管理地理空間數(shù)據(jù)的重要工具、技術(shù)和學(xué)科，近年來得到了廣泛關(guān)注和迅猛發(fā)展。

從技術(shù)和應(yīng)用的角度，GIS是解決空間問題的工具、方法和技術(shù)；從學(xué)科的角度，GIS是在地理學(xué)、地圖學(xué)、測量學(xué)和計算機科學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門學(xué)科，具有獨立的學(xué)科體系；從功能的角度，GIS具有空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲、顯示、編輯、處理、分析、輸出和應(yīng)用等功能；從服務(wù)的角度，GIS是指為居民生產(chǎn)生活提供地理信息服務(wù)的系統(tǒng) （又稱geographicinformationsmile）；從系統(tǒng)學(xué)的角度，GIS具有一定結(jié)構(gòu)和功能，是一個完整的系統(tǒng)。簡而言之，GIS是一個基于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) （DBMS）的分析和管理空間對象的信息系統(tǒng)，以地理空間數(shù)據(jù)為操作對象是地理信息系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)的根本區(qū)別。

從應(yīng)用的角度，地理信息系統(tǒng)由硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法五部分組成。硬件和軟件為地理信息系統(tǒng)建設(shè)提供環(huán)境；數(shù)據(jù)是GIS的重要內(nèi)容；方法為GIS建設(shè)提供解決方案；人員是系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵和能動性因素，直接影響和協(xié)調(diào)其他幾個組成部分。硬件主要包括計算機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備、數(shù)據(jù)輸入、顯示和輸出的外圍設(shè)備等等。軟件主要包括以下幾類：操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫管理軟件、系統(tǒng)開發(fā)軟件、GIS軟件等。GIS軟件的選型，直接影響其他軟件的選擇，影響系統(tǒng)解決方案，也影響著系統(tǒng)建設(shè)周期和效益。

地理信息系統(tǒng)在最近的30多年取得了驚人的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于資源調(diào)查、環(huán)境評估、災(zāi)害預(yù)測、國土管理、城市規(guī)劃、郵電通信、交通運輸、軍事公安、水利電力、公共設(shè)施管理、農(nóng)林牧業(yè)、統(tǒng)計、商業(yè)金融等幾乎所有領(lǐng)域。

（1）資源管理 （Resource Management）。主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)領(lǐng)域，解決農(nóng)業(yè)和林業(yè)領(lǐng)域各種資源 （如土地、森林、草場）分布、分級、統(tǒng)計、制圖等問題。主要回答 “定位”和 “模式”兩類問題。

（2）資源配置 （Resource Configuration）。在城市中各種公用設(shè)施、救災(zāi)減災(zāi)中物資的分配、全國范圍內(nèi)能源保障、糧食供應(yīng)等都是資源配置問題。GIS在這類應(yīng)用中的目標是保證資源的最合理配置和發(fā)揮最大效益。

（3）城市規(guī)劃和管理 （Urban Planning and Management）?？臻g規(guī)劃是GIS的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，城市規(guī)劃和管理是其中的主要內(nèi)容。例如，在大規(guī)模城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，如何保證綠地的比例和合理分布，如何保證學(xué)校、公共設(shè)施、運動場所、服務(wù)設(shè)施等能夠有最大的服務(wù)面 （城市資源配置問題）等。

（4）土地信息系統(tǒng)和地籍管理 （Land Information System and Cadastral Applic-aiton）。土地和地籍管理涉及土地使用性質(zhì)變化、地塊輪廓變化、地籍權(quán)屬關(guān)系變化等許多內(nèi)容，借助GIS技術(shù)可以高效、高質(zhì)量地完成這些工作。

（5）生態(tài)、環(huán)境管理與模擬 （Environmental Management and Modeling）。區(qū)域生態(tài)規(guī)劃、環(huán)境現(xiàn)狀評價、環(huán)境影響評價、污染物削減分配的決策支持、環(huán)境與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的決策支持、環(huán)保設(shè)施的管理、環(huán)境規(guī)劃等。

（6）應(yīng)急響應(yīng) （Emergency Response）。解決在發(fā)生洪水、戰(zhàn)爭、核事故等重大自然或人為災(zāi)害時，如何安排最佳的人員撤離路線、配備相應(yīng)的運輸和保障設(shè)施的問題。

（7）地學(xué)研究與應(yīng)用 （Application in Geo Science）。地形分析、流域分析、土地利用研究、經(jīng)濟地理研究、空間決策支持、空間統(tǒng)計分析、制圖等都可以借助地理信息系統(tǒng)工具完成。

（8）商業(yè)與市場 （Business and Marketing）。商業(yè)設(shè)施的建立應(yīng)充分考慮其市場潛力。例如大型商場的建立如果不考慮其他商場的分布、待建區(qū)周圍居民區(qū)的分布和人數(shù)，建成之后就可能無法達到預(yù)期的市場和服務(wù)面。有時，甚至商場銷售產(chǎn)品的品種和市場定位都必須與待建區(qū)的人口結(jié)構(gòu) （年齡構(gòu)成、性別構(gòu)成、文化水平）及消費水平等結(jié)合起來考慮。地理信息系統(tǒng)的空間分析和數(shù)據(jù)庫功能可以解決這些問題。房地產(chǎn)開發(fā)和銷售過程中也可以利用GIS功能進行決策和分析。

（9）基礎(chǔ)設(shè)施管理 （Facilities Management）。城市的地上地下基礎(chǔ)設(shè)施 （電信、自來水、道路交通、天然氣管線、排污設(shè)施、電力設(shè)施等）廣泛分布于城市的各個角落、且這些設(shè)施明顯具有地理參照特征。它們的管理、統(tǒng)計、匯總都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。

（10）選址分析 （Site Selecting Analysis）。根據(jù)區(qū)域地理環(huán)境的特點，綜合考慮資源配置、市場潛力、交通條件、地形特征、環(huán)境影響等因素，在區(qū)域范圍內(nèi)選擇最佳位置，是GIS的一個典型應(yīng)用領(lǐng)域，充分體現(xiàn)了GIS的空間分析功能。

（11）網(wǎng)絡(luò)分析 （Network System Analysis）。建立交通網(wǎng)絡(luò)、地下管線網(wǎng)絡(luò)等的計算機模型，進行交通流量、進行交通規(guī)則、處理地下管線突發(fā)事件 （爆管、斷路）等應(yīng)急處理。警務(wù)和醫(yī)療救護的路徑優(yōu)選、車輛導(dǎo)航等也是GIS網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用的實例。

（12）可視化應(yīng)用 （Visualization Application）。以數(shù)字地形模型為基礎(chǔ)，建立城市、區(qū)域、大型建筑工程、著名風(fēng)景名勝區(qū)的三維可視化模型，實現(xiàn)多角度瀏覽，可廣泛應(yīng)用于宣傳、城市和區(qū)域規(guī)劃、大型工程管理和仿真、旅游等領(lǐng)域。

（13）分布式地理信息應(yīng)用 （Distributed Geographic Information Application）。隨著網(wǎng)絡(luò)和Internet技術(shù)的發(fā)展，運行于Intranet或Internet環(huán)境下的地理信息系統(tǒng)可以實現(xiàn)地理信息的分布式存儲和信息共享，以及遠程空間導(dǎo)航等。