引進和開發高技術項目是我國21 世紀林業行動計劃中的重要內容, 是實現科技興林、促進林業現代化、確保21 世紀林業戰略目標實現的重要保證。“3S”技術作為我國“863”計劃的高技術項目, 由于其具有快速、實時的空間信息獲取與分析能力, 在全球變化研究、資源與環境動態監測、災害監測與防治等國際關注的熱點問題研究中越來越受到重視。森林作為生態系統的主體及林業產業的基礎, 在改善環境、促進會可持續發展中起到越來越重要的作用。因此, 加強森林資源及環境的監測是社會發展對林業提出的迫切要求, 而傳統的森林資源監測存在許多不足: 如數據更新困難,監測數據缺乏空間分布信息, 實時性差。“3S”技術的引進必將大大增強對森林資源及環境的監測能力。
1　“3S”技術的提出
　　遙感(RS)、地理信息系統(G IS) 和全球定位系統(GPS) 已走過了各自的獨立發展階段,在各技術取得成就的同時, 科學家和應用部門逐漸地認識到單獨地運用其中的一種技術往往不能滿足一些應用工程的需要。隨著全球變化研究、資源與環境動態監測、災害防治等國際關注的點問題的提出, 人們迫切希望能具有提供全方位的準實時或實時的地面觀測信息的能力。然而, 傳統的遙感技術體系已不能滿足這一要求, 主要表現在以下幾個方面:
　　1) 實時性差。傳統的遙感數據(如TMSPO T 等) 由于其繁重的幾何和光譜校正、計算機處理容量的局限及圖象識別技術的不完善, 導致感數據從獲取之時到實際應用有一個較長的滯后時間(一般數月到一年以上)。
　　2) 人工勞務介入量大, 實現大面積信息處理困難。目前遙感信息的技術處理流程為: 數據采集——圖像幾何光譜校正——目視或計算機輔助判讀——成圖——數據統計。在幾何校正中, 以地——空定位方式為主, 即以地面控制點作為控制, 將圖像校正到一定的坐標系統下。這一過程需要在地形圖上人工選取大量的控制點, 以TM 為例, 一景TM 圖像包含350 張1: 2. 5 萬地形圖, 可見選點的工作量之大。而且對無地形圖的地區, 尚不能定位。其
二, 以目視判讀為主的圖像解譯, 由于工作量大, 且準確性易受個人業務水平、工作態度、精神狀態的影響, 數據標準難以統一, 難以進行大規模的信息處理。
　　3) 數據傳輸困難。由于缺乏良好的遙感數70 林業資源管理　1999 年　第3 期
① 西南林學院遙感與信息系統研究所　650224　昆明市據傳輸處理論和技術體系, 使得遙感數據從接收到應用部門受到空間的極大約束, 遠離接收站的地區和部門無法及時快速得到它們需要的遙感數據。另外, 位于不同地區的信息處理中心由于時空的限制難以進行協同處理, 妨礙了對遙感信息的深入分析。隨著國家信息高速公路的發展, 對這一問題的解決已顯得十分迫切。
　　從以上簡單分析可知, 遙感對地觀測技術整體的“時效性”距全球變化研究及環境、資源、災害動態監測的需求尚有一段距離。“3S”技術就是為了適應這一要求而產生的。
2　“3S”技術的基本原理
　　對以上存在的問題由于G IS 技術、GPS技術和現代通信技術的加入, 可望得到較好的解決。方法就是綜合它們各自的優勢, 在現代通訊技術的支持下, 將RS、G IS、GPS 三種獨立技術領域中的有關部分有機地構成一個整體并形成新的綜合技術, 以期達到實時空間定位、一體化數據管理, 語義或非語義信息的自動提取、數據實時通訊、多維信息快速復合分析處理的能力。這一新的技術體系就是現代熱門的研究課題——“3S”技術。
2. 1　“3S”技術組成
2. 1. 1　遙感(RS) 技術
　　遙感是一種以物理手段(傳感器、平臺及信息獲取與傳輸)、數學方法(包括計算機圖像處理、地學計量分析、數理統計等) 和地學分析(指以地學規律為基礎的地學處理過程) 為基礎的綜合探測技術。由于遙感信息具有綜合、豐富、宏觀、動態、快速、多源的特點, 為地球資源調查與開發、環境監測及全球研究提供了一種強有力的探測手段, 在林業中特別是森林資源監測與管理中獲得了重要應用。
2. 1. 2　地理信息系統(G IS)
　　地理信息系統(G IS) 是在計算機軟硬件支持下, 使描述客觀世界的各種數據, 按其地理坐標或空間輸入計算機, 并在其中存貯更新、查詢檢索、量測運算、分析處理、綜合應用、顯示制圖和輸出的一種技術系統。目前G IS已廣泛應用于環境與資源的清查與管理、農業、林業、交通與通訊、城市規劃、軍事、災害與災情評估及全球變化研究等諸多領域, 并已形成龐大的技術產業。
2. 1. 3　全球定位系統(GPS)
　　GPS 全球定位系統是美國軍方研制的第二代衛星導航系統, 它由高度為20200km , 分布在與赤道面夾角為55°的6 個軌道上, 約12小時繞地球一周共24 顆衛星組成。GPS 接收機通過接收空中幾顆衛星發射的信號, 采用三角測量的原理確定出地球空間任意位置的精確空間坐標。
2. 1. 4　其它支持技術
　　“3S”技術是一項涉及多專業、多用戶、多數據的難度極高的高技術, 它需要其他支持技術相配合。現代通信技術為“3S”技術實現實時信息獲取與處理提供了技術保證; 專家系統和人工神經網絡技術是“3S”技術實現信息處理高速、智能化的重要手段; 計算機網絡技術可以快速有效地將數據傳送到各用戶, 為“3S”集成的深入研究提供條件。可以說沒有現代通信技術和計算機技術的支持,“3S”集成是不可能實現的。
2. 2　“3S”一體化技術
2. 2. 1　“3S”技術的含義
　　“3S”技術是以RS、G IS、GPS 為基礎, 將RS、G IS、GPS 三種獨立技術領域中的有關部分與其它高技術領域(如網絡技術、通訊技術等) 有機地構成一個整體而形成的一項新的綜合技術[ 1 ]。它集信息獲取、信息處理、信息應用于一身, 突出表現在信息獲取與信息處理的高速實時與信息應用的高精度、可定量化方面。它的技術目標是: 實現快速、準時實以及實時遙感圖像定位; 對多維的非均質數據進行快速復合處理, 并在以生物地學規律模型、社會經林業資源管理　1999 年　第3 期71濟發展模型、決策模型、特殊專業模型等專家知識及推理功能的支持下作出綜合分析, 提供決策支持, 快速輸出應用結果。
　　在“3S”技術中, GPS 主要被應用于實時、快速地提供目標, 包括各種傳感器和運載平臺的空間位置; RS 用于實時地或準實時地提供目標及其環境的語義和非語義信息, 及時地對G IS 進行數據更新; G IS 則是對多種來源的時空數據進行綜合處理, 在專家系統及各種專業模型支持下, 進行動態仿真, 模擬, 進行最優化決策, 作為“3S”技術集成的基礎平臺。為了實現“3S”技術的集成, 現代通訊技術和網絡技術是“3S”技術集成的重要保證, 在其中起到粘合劑的作用, 沒有它的支持,“3S”技術集成將成為簡單的技術相加, 必然達不到“集成”的真正含義和目標。
2. 2. 2　實現“3S”技術要解決的技術環節為了實現“3S”技術的目標, 必須解決以下技術:
　　1) 實現遙感圖像直接空—地定位。遙感圖像定位是圖像處理及應用的前提, 傳統的遙感圖像定位是依賴于地面控制點的選取和用一定的學方法(如多項式改正法) 實現圖像定位, 由于人力介入量大, 地面控制選取困難, 使得遙感圖像的定位花費時間長, 使遙感技術速度快、周期短的優點難以實現。由于有了GPS, 實現遙感圖像直接空—地定位已成為現實, 其技術原理是, 由GPS 的動態定位功能對傳感器的位置實時定位可達到1 次ö秒定位數據) , 并在IN S (慣性導航系統) 的配合下測出傳感器的姿態參數, 有了全部外方位元素后, 即可通過相應的處理軟件快速得到遙感圖像各像素的位置坐標, 得到直接地學編碼圖像, 這一過程的實現可以是在線進行, 也可以采取后處理方式進行。
　　2) 多維信息復合分析。遙感對地觀測已形成多層次(地面、航空、航天) 多星種、多傳感器立體觀測體系, 其數據的處理與應用能力已遠遠跟不上數據獲取的速度。如何有效、充分地應用這些海量的數據, 使這些具有不同時相,不同分辨率, 不同比例尺, 不同投影方式的異質數據得到充分融合, 使其信息得到互為補充, 共同提高, 已成為實現“3S”技術的核心問題。為此, 必須研究“3S”數據的集成管理模式, 數據模型, 設計和發展相應的數據管理系統, 以實現圖像、圖形、屬性及GPS 定位等的一體化管理, 為“3S”的集成處理和綜合運用提供基礎平臺。
　　3) 遙感信息計算機自動提取技術。要實現“3S”技術目標, 系統必須具有大規模處理遙感信息的能力, 目前, 利用目視判讀, 手工制圖為主的技術手段, 已不可能發揮遙感快速、大面積覆蓋的特點。為此, 必須深入進行有關理論和方法的研究。
　　4) 實時數據通訊與交換。實時數據通訊是“3S”技術集成中的一個關鍵問題, 例如, 在環境監測、災害應急、自動導航中, 為實現GPS差分動態定位, 需要將地面固定站點的GPS測量數據實時傳輸到飛行平臺, 或者將傳感器數據和GPS 數據傳到地面進行信息處理, 這一切都要求有現代通訊技術作為保證。另外,由于信息處理中心可能分布于不同的地理位置, 這就要求遙感信息能通過有線或無線方式快速送到處理中心, 使得不同地方的處理中心能夠同時進行不同目的的處理, 為“3S”集成的深入研究提供條件。
　　以上就是“3S”整體集成系統涉及的技術環節, 具體應用時可視應用目的和集成方式不同而加以簡化。

3　“3S”技術在我國的發展概況及存在問題我國十分重視對“3S”技術的研究, 從“六1 五”攻關計劃以來, 一直都把遙感技術、G IS作為優先發展的技術, 863 國家高技術發展計劃也把遙感技術及“3S”技術的發展列為重點加以資助, 并取得了一些重大科技成果, 成功地實現了一些實用的集成模式。
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3. 1　GPS 與RS 集成實現無地面控制點(GCP) 的直接空—地定位, 是實現“3S”集成的前提, 用GPSö IN S方法將傳感器空間位置(Xs、Ys、Zs) 和姿態參數(5、X、K) 同步記錄下來, 通過相應軟件, 快速產生直接地學編碼圖象。成功的例子有武漢測繪科技大學完成的“星載GPS 接收機測定衛星傳感器位置與姿態可行性研究”[ 5 ] 和“GPS 用于空中三角測量的試驗研究”[ 5 ]; 中科院遙感所李樹楷主持完成的“遙感圖像對地定位研究”[ 6 ]等一系列重大成果, 從理論上和技術上實現了GPS 和RS 的高集成化結合,解決了“3S”技術的首要難題——遙感圖像GCP 定位; 實現了“3S”技術中圖像高速定位的目標, 為實現遙感信息的多維復合分析奠定了基礎。目前, GPS 用于航空、航天進行無地面控制點空中三角測量已投入生產中, 提高了作業效率, 縮短周期一年以上, 節省外業工作量90% 以上、成本70% 左右[ 3 ]。
3. 2　GPS 與G IS 集成利用G IS 中的電子地圖和GPS 接收機的實時差分定位技術, 可以組成GPS+ G IS 的各種電子導航系統, 通過固定站與移動目標(飛機、車船等) 之間兩臺GPS 偽距差分技術, 通過數據通訊, 可對移動目標進行監視或者構成自動導航, 無人駕駛等系統。這方面的集成在我國已成功應用于飛機自動導航, 如1996 年在云南建水實施的飛播造林已成功應用了這一系統, 在交通指揮上也有成功的應用[ 8 ]。
3. 3　G IS 與RS 集成
　　這是“3S”技術中難度最大, 也是反映“3S”技術集成程度高低的關鍵技術, 是目前“3S”技術集成中薄弱的一環。
    目前, GPS 與RS 集成技術已實現遙感圖像的高速定位。接下來的問題是將如何實現G IS 數據庫的快速更新和在分析決策模型支持下, 快速完成多維、多元復合分析, 要解決這一難題, 必須解決非均質多尺度多時態空間數據的組織與管理, 實現遙感圖像的語義和非語義信息自動提取, 這些工作就是G IS 或RS 集成的主要任務。在目前的技術水平下, 實現這些目標還有相當距離, 主要有兩方面的原因:一是受衛星分辨率和識別技術所限, 遙感圖像計算機識別的精度還不能滿足更新大比例尺專題圖的要求; 二是遙感圖像與常用的地理信息系統的不同數據結構妨礙了數據間的傳輸和融合。
　　目前這方面的工作在我國已作了許多卓有成效的研究, 在圖像識別方面, 已發展了基于紋理和結構的影像識別技術[ 9 ]; 專家系統、小波分析在圖像分類識別中也取得了良好效果[ 10 ]; 近幾年發展起來的人工神經網絡方法隨著硬件技術的突破, 遙感圖像識別在快速、實時、精確、智能性方面顯示出巨大的生命力。
3. 4　存在問題
　　目前“3S”技術在我國的發展雖取得了較大的成績, 但還面臨著許多技術和經費上的困難, 主要表現在:
　　——集成化水平低。許多所謂“3S”技術,實際是三種技術的簡單相加, 是一種松散式的組合。
　　——“3S”集成的一體化數據管理尚未實現, 妨礙了多維數據的融合分析, 數據結構的改造勢在必行, 方向是把矢量與柵格數據結構的優點結合起來。現在提出的線性四叉樹的一元化數據結構、R 樹結構等是一些良好嘗試,但還有待于進一步研究。
　　——計算機遙感圖像的識別分類技術還處于初級階段, 離實用化還有相當距離。
　　——組織多學科協同攻關。“3S”集成系統涉及的知識面寬, 涉及學科眾多, 不僅包括物理學、數學、無線電、計算機、光—機電一體化、測量、航空航天, 還包括大氣、地質、地理、海洋、生態、環境等應用領域。因此, 如何組織多學科專家協同攻關成為“3S”技術集成成功的重要保證。林業資源管理　1999 年　第3 期73
4　“3S”技術在林業中的應用及展望
　　“3S”技術中, 作為單項的GPS、RS、G IS在林業中已各自取得輝煌的成就, 例如, GPS用于飛播造林輔助導航, 樣地野外定位, 伐區測定邊界和面積, 林業工程測量等, 取得良好的經濟效益。RS 在我國林業中的應用更是令人矚目,“三北”防護林遙感綜合調查在兩年時間查清了占全國60% 面積的“三北”地區森林、土地、草場等再生資源的數量, 并對“三北”的生態環境進行了評價[ 11 ]。使國家有關部門在短時間里掌握了如此大面積的資源狀況及變化情況, 對人跡稀少、常規方法難以調查的地區, RS 更顯其威力, 西藏自治區森林資源調查就是用遙感技術完成的。
　　G IS 的應用也由當初的簡單查詢和制圖制表發展為森林經營管理的重要工具, 除了完成常規的數據管理功能外, 可方便地在空間屬性數據基礎上建立生長、預測、經營、決策等專業模式, 通過對各種經營過程進行模擬比較和評價, 選擇出最優經營方案, 并通過與RS 的結合作出了許多區域性的森林資源、土地資源的動態化監測。
　　以上成果, 尚無“3S”集成的應用實例, 隨著“3S”技術的日益成熟和實用化, 其具有實時或準實時獲取信息、處理信息的能力, 必將給林業生產開拓一塊嶄新的天地。從“3S”技術的特點和林業生產的內容分析, 可以預見,
“3S”技術將對林業產生以下影響:
　　1) 改變以往的林業調查作業方式。由于“3S”技術能快速、實時地獲取地面三維信息,省去了以往圖像繁重的校正工作及手工作圖的作業方式, 人工勞務介入量大大減少, 作業步驟變得簡單, 周期縮短, 成本成倍降低, 整個過程將以自動化作業為主。
　　2) 對林火、病蟲害等災害事件監測能力大大增強。我國進行了機—星—地航空遙感試驗, 已實現了側視雷達掃描圖像的實時數字傳輸, 保障了對災害事件的全天候監測, 并快速地通過通訊衛星向遠距離發送。
　　3) 快速編制各種林業專題圖件。以往林業制圖, 由于遙感數據定位困難, 人工勞務介入量大,地形圖成了編制其它圖件的基本圖, 使得林業專題圖的編制費時費力, 在一些無地形圖的地區更是無法進行。利用“3S”技術可以不受時間、地域的影響, 利用其獲取的直接地學編碼圖像, 直接輸出包括地形在內的各種專業圖件, 編制時間大大縮短, 精度也有了較高的保證。
　　4) 有利于建立現代的國家森林資源監測體系。隨著我國經濟發展及社會環境意識的增強, 傳統的森林資源監測體系已不能完全適應社會經濟可持續發展的需要。利用“3S”技術建立森林資源監測體系易于克服傳統監測體系的缺陷, 做到: 1) 動態監測森林資源的空間分布信息; 2) 不僅對國家及大區域的森林資源進行宏觀監測還能對局部微觀區域的森林資源變化進行監測; 3) 在監測內容上, 不僅對森林資源數量進行監測, 更能加強對生態環境信息的動態監測; 4) 在數據更新方面, 利用“3S”技術的實時或準實時功能, 能更好地完成監測體系的數據更新。目前, 美國已開發成功應用于森林資源調查的“3S”技術, 加拿大、日本、印度等國, 在大約25 分鐘內可以利用前一天接收的M SS 和TM 衛星遙感數據, 按統一的指標體系和圖例, 輸出整幅的1: 20 萬或1: 50萬土地利用ö土地覆蓋圖。可以預見, 利用“3S”技術建立的森林資源監測體系, 將能更有效地為國民經濟發展和生態環境建設服務。