感知技术综述

GIS作为空间信息科学（3S）的一部分，与遥感（RS）和全球定位系统（GPS）密切相关。学习3D GIS，也需要对RS的感知技术和GPS的定位功能有一定的了解。

常见的感知技术有遥感/声纳、激光扫描和摄影测量，通常根据准确度（空间位置、时效、属性）和分辨率来衡量数据质量。

宇宙中带电粒子的振动形成电磁波，其具有不同的波长和频率，如无线电波、微波和红外线波长较长，如紫外线、X射线和伽马射线波长较短，而可见光位于这个波长范围的中间。穿过大气层后，电磁波会和空气中的粒子发生碰撞产生散射现象，部分能量也会被（臭氧、水蒸气和二氧化碳）吸收，并与地表不同的物体（如植物，水）发生反射。

遥感技术是一种利用传感设备检测地球表面发出的电磁辐射，并对其进行量化的方法生成对应的影像和地形数据。。其中，多波段（multispectral）遥感技术能够同时获取多个光谱带的图像，从而实现对土地覆盖分类、植被健康评估以及矿物勘探等多种应用的表面特征和特性进行详细分析。与Passive传感设备不同，Active传感设备具有自主发射电磁波并进行检测的能力，因此能够穿透云层等障碍物，直接获取地表信息。

SAR (Synthetic Aperture Radar) 是一种主动遥感技术，通过发射微波信号并记录其反射来获取地表的影像数据。SAR系统通常搭载在卫星、飞机或无人机上，可在不受天气或光照限制的情况下进行全天候、全天时的地表观测。SAR工作原理是利用雷达发射一系列微波脉冲，并测量这些脉冲在地表上反射回来的信号。通过分析这些反射信号的幅度、相位和时序等信息，可以重建出地表的影像，显示出地表的特征、结构和变化情况。

Interferometric SAR (InSAR) 则是一种基于SAR数据的遥感技术，它利用SAR系统连续获取的两幅或多幅影像，通过对这些影像之间的相干性进行干涉处理，从而提取出地表的高程信息和地表变形信息。Interferometric SAR的工作原理是比较两次SAR观测期间的相位差异，这种差异可以表示出地表在垂直方向上的移动或变形情况。通过InSAR技术，可以获取地表的数字高程模型（DEM）和监测地表的形变、沉降、地震、火山活动等地质现象。

声纳（SONAR）和雷达在原理上有些相似，都是利用发出信号并接收回波的方式来探测目标。但声纳使用的是声波而非电磁波。多波束声纳（Multibeam SONAR）是一种声纳系统，用于海洋测绘、海底地形成像和海洋资源勘探。与传统的单波束声纳相比，多波束声纳能够同时发射多个声波束，从而在一次测量中获取更广泛的覆盖范围和更详细的地形信息。

Airborne Laser Scanning（ALS）是一种激光雷达技术，通过将激光雷达系统安装在飞机或直升机上，从空中对地面进行扫描和测量，生成高分辨率的地形模型（Digital Elevation Model，DEM）或数字地形模型（Digital Terrain Model，DTM），显示出地表的高度、形状和特征。

在ALS中，第一个返回的激光脉冲通常与地表中最显著的特征相关，如树梢或建筑物的顶部，因此具有重要意义。而中间返回的脉冲则能提供更丰富的细节信息，尤其是有关植被结构等方面的数据。在Discrete Return LiDAR中，系统记录并处理激光回波信号的首次返回，适用于一般地形测量和简单地物特征提取。而在Full waveform LiDAR中，系统记录并处理完整的激光回波信号波形，提供更详细的数据，适用于更复杂的地形和地物分析。

类似于ALS，Terrestrial Laser Scanning（TLS）也是一种激光雷达技术，但它将激光扫描仪安装在地面上，通过地面对目标进行扫描和测量。TLS具有更高的分辨率和地理定位精度，但也受到地形局限性和采集速度的限制。

Mobile mapping（车载采集）则是通过移动平台实时采集数据。相比TLS，其精度可能较低，但数据密度更高，能够快速覆盖大范围的地理区域，节省时间和成本。这种技术适用于各种地理和工程应用，例如道路测绘、城市规划和环境监测等。

Indoor mobile mapping技术，例如SLAM，是一种专门用于室内环境的移动地图采集技术。由于室内无法使用定位系统，因此通过在建筑内部使用移动平台和各种传感器来获取室内空间的地理信息和结构数据。

摄影测量（Photogrammetry）是一种通过摄影和影像处理技术来获取地表和地物的三维空间位置、形状和特征的技术。它利用摄影测量原理，分析影像中的视觉特征和几何关系，推导出地表或地物的几何信息。在这个过程中，正射影像（Orthophoto）起着关键的作用，它经过校正处理，消除了地形变形和投影畸变，具有地图的几何特征。随着正射影像的生成，Dense Matching技术进一步应用，通过对影像进行匹配和配准，获取每个像素的三维坐标信息，生成具有高密度的三维点云模型。

倾斜摄影测量是在摄影测量的基础上发展而来的一种技术，它使用具有倾斜摄影能力的航空相机，可以在航空器飞行时以一定的倾斜角度拍摄地面。这种技术可以获取地表的立体影像，具有更强的立体感和视角，能够提供更多的地物信息，并且可以用于三维建模和地形重建等应用。

最后，我们来看定位系统。在过去，我们通常提到的定位系统是GPS，即全球定位系统（Global Positioning System）。然而，随着技术的发展，现在我们更多地使用的是全球导航卫星系统（GNSS），其中包括了多个国家和地区的卫星导航系统。除了美国的GPS外，还有俄罗斯的GLONASS、中国的北斗、欧盟的Galileo，以及日本的QZSS和印度的IRNSS/NavIC。这些系统一起构成了一个全球性的导航卫星网络，为我们提供了更加精确和可靠的定位服务。

在GNSS系统中，卫星广播时间安排和轨道信息，以及接收设备中获取距离卫星的距离，是利用Range-based positioning计算目标位置所必需的要素。理论上，仅需三颗卫星即可确定位置，但由于时间同步问题和误差影响新增加的时间因子，至少需要四颗卫星来提供冗余数据，确保定位准确性和可靠性。因此，通过测量接收设备与多颗卫星之间的距离，并结合时间和空间信息，可以实现精准的位置定位服务。

GNSS提供准确的绝对位置信息，但在某些环境下可能受到干扰。惯性导航系统（INS）利用IMU计算方向、位置和速度，独立于外界干扰。Kalman Filter通过融合GNSS和INS的信息，一方面，基于来自INS的参数提供精确跟踪和预测，同时使用来自全球导航卫星系统计算出的位置和速度数据进行更新，提高导航解决方案的精度和可靠性。这种集成方法充分发挥了GNSS和INS的优势，为导航系统提供了高精度和可靠的定位能力。

本文简要总结了遥感（RS）和全球导航卫星系统（GNSS）相关的技术，涵盖了感知技术中的遥感/声纳、激光扫描和摄影测量，以及与定位相关的技术。