3S技術應用現狀與發展趨勢

丁銳 謝駿鍇

摘? 要：3S技術出現至今，已在諸多領域成功運用并產生了巨大的價值。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技術目前在農業、生態環境監測、土地資源管理以及智慧城市方面的應用現狀以及對其在該方面未來的發展趨勢進行展望。最后對目前3S在應用中遇到的一些問題進行了探討，給未來3S技術的發展提供一些參考。

關鍵詞：3S;GIS;RS;GNSS;發展

中圖分類號：P208? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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技術即地理信息系統（Geography Information Systems，GIS），遙感技術（Remote Sensing，RS）以及全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System， GNSS）的統稱。3S技術在上世紀90年代初被提出，至今發展已接近30年，在工業、農業、災害監測、生態環境保護、智慧城市等眾多領域得到廣泛應用并產生出巨大的經濟效益與社會效益。隨著信息技術的不斷普及和大眾需求的增加，3S技術發展方興未艾。

1 基本概念

（1）地理信息系統。地理信息系統是在計算機軟硬件的支持下，對地理空間數據進行采集、存儲、管理與分析的一種空間信息系統，由人員、數據、硬件、軟件和過程五部分組成。GIS作為一門交叉學科，綜合了計算機科學、地理學、測繪科學等多個領域的成果。隨著地理信息產業的發展，其在政府、企業、產業及科學研究等方面取得廣泛應用。（2）遙感。遙感即在遠距離或高空利用傳感器采集地物輻射的電磁波譜信息，根據地物產生的波譜信息進行地物識別、分析與應用。衛星遙感可根據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;根據傳感器平臺，其可分為地面遙感、航空遙感和航天遙感。遙感技術被廣泛應用于氣象觀測、災害監測、生態資源、地圖測繪及軍事偵察等領域。（3）全球導航衛星系統。全球導航衛星系統是利用一組衛星的偽距、星歷等數據對地面進行點位觀測的一種技術。GNSS在政治、經濟及國防等領域有著重大意義，是國家安全和社會經濟的重要基礎設施，也是一個國家綜合國力的重要體現。中國自主研發的北斗衛星導航系統（BDS）是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）和歐盟伽利略衛星導航系統（Galileo Satellite Navigation System）之后的第四個成熟的衛星導航系統。除軍事應用以外，GNSS技術也在交通運輸、氣象、個人位置服務、應急救援等民用領域應用廣泛，并產生出巨大的經濟社會價值。（4）3S技術集成。GIS、RS和GNSS結合自身優勢，彌補彼此的不足，3S的集成應用分為GPS與RS的結合、RS與GIS的集合和GPS與RS的兩兩結合和三者的集成應用，其中三者的集成應用成為人們追求的目標。早前的3S集成應用基本處于系統間相互調用功能的基礎階段，目前3S集成向一體化系統發展，利用GNSS快速獲取地面實時位置信息，RS為應用研究提供基礎數據，結合GIS進行數據實時查詢與分析。“3S”集成具有重大意義， 也具有相當難度， 集成方式多種多樣， 宜從簡單到復雜， 從低成本到高成本， 關鍵在于要找到它的應用市場[1]。

2 3S技術應用領域及發展趨勢

2.1 農業

目前3S技術在農林業的應用較為廣泛，能夠有效管理農業資源信息，對農業生產活動進行監測與評估，大大提高了農業管理的效率，也為政府有關部門政策規劃提供決策支持。3S技術在農業中的應用主要有以下幾個方面：（1）農業資源管理：通過RS提供的影像數據以及GPS采集的空間位置信息，利用GIS進行數據管理并根據已有數據進行空間分析，分析區域農業差異性，為土地的合理應用提供決策信息。（2）作物估產：利用3S技術分析作物長勢以及作物產量評估的方法已經較為成熟。RS具有多時相的特點，其能夠宏觀反應作物生長規律，利用GIS進行作物識別，計算播種面積并構建作物生長模型，對作物產量進行評估。（3）農業災害應急響應：自然災害對農業生產活動有著巨大的影響，因此對災害的響應以及評估顯得尤為重要。如利用RS影像波段信息，利用GIS系統對不同波段組合進行分析，便可區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、分級圖并進行蔓延預測分析，能夠對有關災情及時預警預報并提前做好規劃處理。除此以外，3S技術還能用于洪澇災害、土壤侵蝕、氣候災害等方面的預測預報及災情分析，提高農業災情的響應速度，為政府部門決策提供及時、可靠、直觀的決策支持。

3S上述農業領域的應用中已取得廣泛應用，目前精細農業是3S技術在農業領域的又一個發力點。精細農業需要更高精度的RS影像信息以及準確的坐標定位，結合更多其他傳感器進行環境監測，在GIS建立高精度分析與決策模型。例如農業機械跟蹤管理、農藥精準噴灑、作物生產溯源等等，實現農業管理的自動化和智能化，助力實現我國建設資源節約型社會及農業可持續發展的目標。

2.2 生態環境監測

“綠水青山就是金山銀山”，目前我國對生態環境保護尤為重視，3S技術在生態環境監測領域也扮演著重要的作用。利用3S技術，結合RS遙感影像數據以及地形、氣象等其他觀測數據，構建評估模型，對生態環境質量進行動態監測。我國學者利用3S技術在生態方面進行了諸多研究：肖榮波等人利用3S技術對城市綠地進行覆蓋清查、三維量估測、生態質量監測等研究[2]，將3S技術用于城市綠化生態監測;胡廣錄等人利用3S技術構建模型模擬方法，分析干旱荒漠區斑塊狀植被空間格局及其防沙效應研究[3]，將其應用于土壤風蝕研究領域;朱衛紅等人利用3S技術構建濕地生態安全預測模型，對圖們江流域濕地生態安全進行預測研究[4]。

2.3 土地資源管理

結合3S技術進行土地資源管理，有助于推進國土治理現代化發展，對國土資源有效保護、社會發展規劃及政府宏觀調控有著重要意義。3S技術在土地資源管理領域主要被應用于土地利用現狀調查和土地利用規劃。傳統土地調查方法主要基于人力調查方式，此過程費時費力，而3S技術可以利用遙感手段快速收集地表信息直觀反應地表變化，配合GNSS獲取地物坐標信息，將解譯數據導入GIS數據庫，高效精確地管理土地資源信息，節省大量人力與時間成本，3S技術在近期我國“第三次全國國土調查”中也發揮了巨大的作用。根據基礎土地利用數據，可以利用GIS的空間分析功能，可以反映土地利用類型變化，進行例如城市擴張、農田撂荒、植被面積變化等方面的監測分析，查處違法土地利用，提升土地執法效率，對土地利用進行合理規劃，滿足經濟社會發展以及國土資源管理的需要。隨著高性能對地觀測衛星、導航衛星和遙感手段的多樣化，它們所提供信息的精確度將會大大提高，時效性也會大大增強[5]，3S技術在土地資源調查及管理方面的優勢將更加明顯。3S結合快速發展的大數據、云計算、人工智能地物識別等高新技術，構建一個全國覆蓋的高精度土地利用規劃系統，實現實時、動態、全方位監測國土資源，是未來3S技術在土地資源管理領域的一個發展方向。

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日益關注的問題。智慧城市的建設涉及基礎影像地圖數據和大量空間位置數據信息，因此智慧城市的建立離不開3S技術的支撐。3S技術在智慧城市中主要可應用于以下幾個方面：（1）智慧交通：根據GNSS提供的實時位置信息，在利用GIS已有的路徑分析功能上，進一步提高系統的數據傳輸和處理能力，在短時間提供最優路徑規劃，合理對車流量進行導流，有助于緩解目前我國大城市交通擁堵的現狀。利用收集的交通數據，還可生成直觀的統計報表，方便政府了解道路狀況并合理規劃道路路線。（2）城市管線建設與維護：由于我國目前城市快速擴張，導致很多城市基礎管線鋪設不合理，經常出現燃氣管道爆炸、水管泄露，電網損壞等現象。結合3S技術可有效解決這一問題，利用GIS系統可對城市管線實現精準化、動態化、可視化管理，及時發現危險隱患，做到爆管分析預警，優化城市管線鋪設。（3）城市突發災害應急響應：受人類活動及氣候變化影響，自然災害頻發，對城市安全構成嚴重威脅。利用3S技術可以對例如氣溶膠數據、地質條件、降水量等數據進行綜合監測分析，為市民提供準確的出行建議及災害預警信息，減輕自然災害對城市及市民安全的影響。

目前智慧城市的建設還受很多限制因素制約，解決好地理數據繁雜、結構標準不統一的問題，將3S與醫療、教育、服務行業等更多領域進行深度整合，有助于3S技術在智慧城市的建設中迸發出更大的活力。

3 問題與探討

雖然3S技術在各個領域的應用中取得了巨大的成就，但是在實踐過程中也暴露出不少需要解決的問題，例如：（1）數據標準不統一：受遙感衛星不同傳感器影響，導致影像數據空間、時間及輻射分辨率的不統一，而目前還沒有能夠較好兼容不同數據的方法。另外，柵格數據和矢量數據擁有不同的數據結構特征，綜合柵格數據和矢量數據的優點，構建一個統一標準、兼容不同數據的地理信息數據庫，是3S技術發展的目標。（2）提升數據精度：現階段GNSS技術大多只能用于室外定位，室內定位技術還未取得突破性進展，難以滿足室內高精度應用需求;目前的定位信息大多為二維坐標信息，在像重慶這樣的山地城市中往往不能提供精確的導航服務，因此加入準確的高程信息有助于解決這一問題。另外，提升遙感數據和GIS模型的精度，有助于將3S技術應用到更多精細化領域。（3）多學科整合：3S技術作為一門多學科交叉技術，不僅需要做到三者的內部整合，還需要與計算機網絡、人工智能、大數據等眾多領域深度結合。目前國內的3S主要集中于科研應用方向，對3S集成系統的開發工作還有待加強，而構建3S系統需要相關人員不僅具備3S技術知識，還應有計算機軟硬件等各方面背景，因此應該加強培養多學科高素質復合型人才，為3S技術的發展提供充足的人才儲備。

4 結束語

3S技術在各個領域的成功實踐，為我國生態保護、社會經濟建設、災害監測等領域提供了可靠的技術支持。除了傳統的科學研究及政府應用以外，隨著互聯網、大數據、人工智能等信息產業的不斷發展，3S技術也逐漸深入到人們生活的方方面面。隨著3S技術與多學科的交叉整合，必將釋放出更大的發展潛力。推動空間信息技術產業發展，深化3S技術應用，使其為國民經濟建設提供更加充足的動力。

參考文獻：

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

[2]肖榮波，周志翔，王鵬程，等.3S技術在城市綠地生態研究中的應用[J].生態學雜志，2004（06）：71-76.

[3]胡廣錄，趙文智，王崗.干旱荒漠區斑塊狀植被空間格局及其防沙效應研究進展[J].生態學報，2011，31（24）：7609-7616.

[4]朱衛紅，苗承玉，鄭小軍，等.基于3S技術的圖們江流域濕地生態安全評價與預警研究[J].生態學報，2014，34（06）：1379-1390.

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