GPS
(全球衛星定位系統)
與
GIS
(地理資訊系統)
1.GPS (Global Positioning System)
全球定位系統為一種中距離圓形軌道衛星導航系統。地球上98%的區域都可以利用GPS提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。
GPS歷史
GPS系統的前身為美軍研製的一種子午儀衛星定位系統,1958年研製,1964年正式投入使用。此系統用5到6顆衛星組成的星網工作,每天最多繞過地球13次,但無法給出高度資訊,在定位精準度方面也差強人意。
然而,子午儀系統使得研發部門對衛星定位系統有了初步經驗,並且驗證了衛星系統進行定位的可行性,為GPS系統的發展鋪路。同時美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。
左圖為[正在操作GPS的女性軍官]
美國海軍研究實驗室和空軍研究室同時提出了新的衛星計畫,但是同時執行兩個計畫的話開發金額會過多,於是1973年美國國防部將兩計畫合二為一,由衛星導航定位聯合計劃局領導計畫。該機構成員眾多,包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防製圖局。
GPS計畫
第一階段為方案論證和初步設計階段:從1978年到1979年,由位於加利福尼亞的范登堡空軍基地採用雙子座火箭發射4顆試驗衛星,衛星運行軌道長半軸為26560km,傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研製了地面接收機及建立地面跟蹤網,結果令人滿意。
第二階段為全面研製和試驗階段:從1979年到1984年,又陸續發射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛星,研製了各種用途的接收機。實驗表明,GPS定位精度遠遠超過設計標準,利用粗碼定位,其精度就可達14米。
第三階段為實用組網階段: 1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功,這一階段的衛星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統進入工程建設狀態。1993年底使用的GPS網即(21+3)GPS星座已經建成,今後將根據計劃更換失效的衛星。
GPS系統的組成
主要由三個部分所組成: A.空間星座部分 B.地面監控部分 C.用戶設備部分
A.空間星座部分
GPS的衛星共有24顆,21顆為工作衛星,3顆為備用衛星。衛星的運行位置要保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆以上的衛星。
B.地面監控部分
地面監控部分主要由1個主控站(Master Control Station ,簡稱MCS)、4個地面天線站和6個監測站組成。
C.用戶設備部分
用戶設備主要是GPS接收機,主要作用是從GPS衛星收到信號並利用傳來的資訊計算用戶的三維位置及時間。
GPS的功能
1. 精確定時:廣泛應用在天文台、通信系統站、電視台。
2. 工程施工:道路、隧道的施工採用GPS進行工程測量。
3. 勘探測繪:野外勘探及城區規劃。
4. 授時:給電信站、電視發射站等提供精確同步時鐘源。
5. 導航: 武器導航,車輛導航,船舶導航,飛機導航,星際導航,個人導航。
6. 定位: 車輛防盜系統,手機,PDA,電子地圖,自動駕駛,土地高精度平整。
其他的定位系統
1.GLONASS :蘇聯系統,共24顆衛星
2.北斗:中國的系統,共10顆衛星
3.Galileo(伽利略) :歐盟系統,共27顆衛星(未完工)
GPS與GIS的應用
現今由於GPS系統的普及性和方便性,對於GIS系統來說是一項非常重要的工具。
2.GIS (Geographic Information System)
地理訊息系統簡單來說是利用電腦和軟體去分配規劃人們所處在的地理環境,使其達到最佳化作用。例如 GIS可以幫助零售商找到最佳地點使利益更好,幫助農民分析土地以增加農作物產量。
GIS歷史
15,000年前,在 拉斯考克附近的洞穴牆壁上,法國的Cro Magnon獵人 畫下了他們所捕獵動物的圖案。與這些動物圖畫相關的是一些描述遷移路線和軌跡線條和符木。這些早期記錄符合了現代地理資訊系統的二元素結構:一個圖形文件對應一個屬性資料庫。
1967年世界第一個投入實際操作的GIS系統是由Roger Tomlinson開發,被稱為「Canadian GIS」(CGIS),用來分析處理有關加拿大土地存貨清單數據。
在通過1:250000的比例尺下繪製關於土壤、農業、休閒、野生生物、水鳥、林業和土地利用等各種信息為加拿大農村測定土地能力。
CGIS是世界的第一個「系統」,並且在「繪圖」應用上進行了改進,它具有覆蓋、測量、資料數字化和掃描的功能,具有一個跨越大陸的國家坐標系統。
它的開發者,地理學家Roger Tomlinson,被稱為「GIS之父」。
A.從不同來源得到相關訊息:
如果能將你所在州的降雨和你所在縣上空的照片結合起來,就可能判斷出哪塊濕地在一年的某些時候會乾涸。一個GIS系統就能夠進行這樣的分析,它能夠將不同來源的訊息以不同的形式應用。
B.資料展現:
GIS數據以數字數據的形式表現了現實世界客觀對象(公路、土地利用、海拔)。
現實世界客觀對象可被劃分為二個抽象概念: 離散對象(如房屋) 和連續的對象領域(如降雨量或海拔)。
C.資料採集:
向GIS系統輸入數據,所需時間較長。測量數據可以直接用機器測量,也可以由GPS得到的測量來做數據輸入。
現在大部分數字數據來源於圖片判讀和航空照片。
D.GIS空間分析:
空間分析 為GIS的主要功能,是從空間物體的空間位置、聯繫等方面去研究空間事物,以及對空間事物做出定量的描述。
它只回答 what (是什麼?) where (在哪裡?) how (怎麼樣?) 並不回答 why (為什麼?)
E.數據建模:
將濕地地圖與在機場、百貨公司和學校等不同地方記錄的降雨量關聯起來是很困難的。但是GIS能夠描述地表、地下和大氣的二維三維特徵。例如,GIS能夠將反應降雨量的雨量線迅速製圖,這樣的圖稱為雨量線圖。
F.拓撲建模:
過去在濕地邊有沒有任何加油站或工廠經營過?GIS可以識別分析這種數字化的空間關係。這些拓撲關係允許進行複雜的空間建模和分析。地理實體間的拓撲關係包括連接(什麼和什麼相連)、包含(什麼在什麼之中)、還有鄰近(兩者之間的遠近)。
[拓樸學]
G.網路建模:
如果附近的工廠同時向河中排放化學物質,那麼排入濕地的污染物的數量要多久就能達到破壞環境的數量?GIS能模擬出污染物沿線性網路(河流)的擴散路徑。如坡度、速度、管道直徑之類的數值可以納入模型使得模擬得更精確。網路建模通常用於交通規劃、水文建模和地下管網建模。
G.網路建模:
如果附近的工廠同時向河中排放化學物質,那麼排入濕地的污染物的數量要多久就能達到破壞環境的數量?GIS能模擬出污染物沿線性網路(河流)的擴散路徑。如坡度、速度、管道直徑之類的數值可以納入模型使得模擬得更精確。網路建模通常用於交通規劃、水文建模和地下管網建模。
GIS軟體
地理訊息只是一堆數字紀錄,需要有合適的軟體去把它表達出來;這部分要看是依照何種範圍去呈現所需要的地理訊息。例如你可以看到偏遠小鎮的停車位,但卻看不清楚都市中心的商店。
汽車導航
汽車導航系統是GIS的一個特例,它除了一般GIS的內容以外,還包括了各條道路的行車及相關信息的數據庫。又利用網路拓撲的概念來決定最佳行走路線 。此為結合GPS和GIS的產物。
3.GPS與GIS的未來
曾有飛機駕駛員不當地使用GPS接收機,又忽略了氣壓高度計的指示,在低空操作時不幸墜海。無知造成了意外,更可能付出慘痛代價。在使用人類發展科技的同時,我們必須要正確使用,以確保不會造成科技災難(鐵達尼號)。