從測繪學到地球空間信息智能服務科學
李德仁1,2
1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室, 湖北 武漢 ;
2. 地球空間信息技術協同創新中心, 湖北武漢
收稿日期：2017-05-17；修回日期：2017-07-11
第一作者簡介：李德仁(1939-), 男, 博士, 教授, 博士生導師, 中國科學院院士、中國工程院院士, 研究方向為地球空間信息學理論與方法。
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摘要：回顧了從傳統測繪學到當今地球空間信息智能服務科學的60年發展歷程；總結了測繪學從模擬到解析再到數字化發展的3個重要階段；介紹了GNSS、RS與GIS（3S）集成，從而形成了地球空間信息學的興起；分析了數字地球時代地球空間信息學的發展，進而論述了當今智慧地球時代地球空間信息科學走向實時智能服務的最新進展，并對“互聯網+”空間信息智能服務的3個發展水平進行了重點論述。可以肯定，在大數據時代傳統的測繪學必將集通信、導航、遙感、人工智能、虛擬現實和腦認知科學之大成，發展成為地球空間信息智能服務科學，為富國強軍與利民作出應有的貢獻。
關鍵詞：測繪學地球空間信息學“互聯網+” 對地觀測腦 地球空間信息智能服務科學
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: The paper the 60 years from and to today's t 。The three of , , and stage are 。 the of GNSS, RS and GIS(3S), which forms the ()。The of geo- in earth era is , and the ofgeo- real-time in era is 。
This paper on the three of" plus" 。In the era ofbig data, the will take of of , , , ce, and brain , and , to , and 's 。
Key words: and plus earth brain
1 測繪學自身發展的三部曲
測繪學起源于人類生產實踐，從遠古尼羅河水泛濫，就產生了土地測量的需求。17世紀以前，人類使用簡單的工具，如繩尺、木桿尺進行測量、制圖。隨著人類進入工業化時代，測繪學也進入初級發展階段：模擬法測繪。模擬法測繪主要依賴光、機、電的儀器，如經緯儀、水準儀，進行角度、距離的量測。通過以地面測量為主的方法來測繪地表的形狀、位置、大小，制作各種比例的地形圖。隨著光、電技術的發展，模擬法測繪也發展到了一個頂峰階段。各種模擬立體測圖儀，可以在室內對航空相片立體交會測圖，從而取代野外測量與制圖的過程。隨后，1957年電子計算機問世，人類使用電子計算機來完成測繪學的各種任務包括復雜的計算任務，如航空攝影測量中的解析攝影測量，測繪學得到了很大的發展，解析測繪技術大大提升了測繪工作效率，將人類認知地球的水平提升到了一個新的高度。20世紀七八十年代以后，隨著計算機、IT技術的飛速發展，特別是數碼相機、衛星導航系統、衛星遙感技術的出現后，對測繪生產技術、測繪產品均帶來深刻變革，測繪生產開始擺脫模擬測繪儀器google地球無法連接到數據庫，大量采用計算機設備，測繪產品也從模擬測繪階段的紙質地圖變成了數字化測繪產品，如典型4D測繪產品(DEM數字高程模型、DOM數字正射影像、DLG數字線劃圖、DRG數字柵格圖)，并利用數據庫來管理這些測繪產品。上述3個階段我們稱之為測繪學發展的三部曲。
圖 1 測繪學發展三部曲 Fig. of and
2 3S集成使測繪學上升為地球空間信息學[1-6]
20世紀90年代，隨著信息技術的發展，以及衛星導航定位(GNSS)、衛星遙感(RS)和地理信息系統技術(GIS)的集成，測繪技術發展到一個新階段。以3S集成為標志，傳統測繪學逐步完成了到地球空間信息學的過渡和提升。
衛星導航定位系統(GNSS)、遙感(RS)和地理信息系統(GIS)是目前對地觀測系統中空間信息獲取、存儲管理、更新、分析和應用的3大支撐技術(3S)。隨著3S研究和應用的不斷深入，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。許多應用工程或應用項目需要綜合地利用這3大技術的特長，方可形成和提供所需的對地觀測、信息處理、分析模擬的能力。20世紀90年代以來，3S的研究和應用開始向集成化方向發展。在這種集成應用中：GPS主要被用于實時、快速地提供目標，包括各類傳感器和運載平臺(車、船、飛機、衛星等)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或非語義信息，發現地球表面上的各種變化，及時地對GIS進行數據更新；GIS則是對多種來源的時空數據進行綜合處理、集成管理、動態存取，作為新的集成系統的基礎平臺，并為智能化數據采集提供地學知識。
一個較好的3S技術集成系統的例子是2015年初，由立得空間自主研制出的集全景相機(CCD)、GPS、GIS、激光慣性導航系統(INS)和920 m超遠距離激光掃描儀(LiDAR)為一體的移動式測繪系統( )。該系統將GPS/INS，CCD LiDAR實時立體攝像系統和GIS同時安裝在汽車、火車、飛機、輪船等任何移動載體上。隨著載體的行駛，所有系統均在同一個時間脈沖控制下進行實時工作，可以實現在快速行駛過程中采集地理信息、公共信息和城市實景影像，并同步拼接成360°全景影像，可將整個城市的實景影像以實景三維地圖的真實形態在互聯網上呈現出來。
圖 2 移動測量車 Fig.
圖 3 街景地圖Fig. view map
利用3S集成技術可以免除野外控制點的測量，使制圖的速度提高到前所未有的水平。例如利用資源三號衛星全國數據和相應的衛星軌道與姿態高精度參數進行整體無控制區域網平差計算(8810×3景，原始數據量40 TB)，采用選權迭代驗后方差估計的粗差探測方法，從20億個匹配點中自動選擇300萬個堅強連接點，遙感影像自主定位精度可提高到優于5 m(經第三方檢測：平面精度3.5 m，高程精度4.2 m)，從而滿足全球1:50 000測圖要求。利用資源三號衛星全國數據進行全國數字表面模型和數字正射影像自動化生產，處理數據量40 TB，60個計算節點，耗時15天完成。這樣的速度是60年以前的測繪完全不敢想象的。過去做1:5萬的地圖要花幾十年，現在只需要十幾天，而且是全自動的。
地球空間信息學是測繪遙感科學與信息科學技術的交叉、滲透與融合，它作為地球信息科學的一個重要分支學科，可為地球科學問題的研究提供空間信息框架、數學基礎和信息處理的技術方法；同時，它又通過多平臺、多尺度、多分辨率、多時相的空、天、地對地觀測、感知和認知手段改善和提高人們觀察地球的能力，為人們準確而全面的判斷與決策提供大量可靠的時空信息。1996年，國際標準化組織(ISO)曾經對地球空間信息學()給出了它的簡明定義：“ is term to the of ，， and of ”。
3 無所不在的地球空間信息服務
21世紀以來，人類進入大數據時代，測繪科學走向了一個地球空間信息服務新時代。特別是近年來“互聯網+”的興起，為各行各業，包括衛星對地觀測與導航提供了無所不在的大眾化、普及化、實時化和智能化服務的有利條件。地球空間信息學的數據獲取手段已經從傳統的專用傳感器，如遙感、通信、導航衛星、航空飛行器、地面測量設備等擴展到物聯網中上億個無所不在的非專用傳感器，如智能手機、城市視頻監控攝像頭，將大大提高地球空間信息學的數據獲取能力。這將對地球空間信息學提出新的要求，使之具有新的時代特征：無所不在、多維動態、互聯網+網絡化、全自動與實時化、從感知到認知、眾包與自發地理信息、面向服務[7]。
在大數據時代，地球空間信息學正在形成和具有新的時代特征，因此應及時地賦予它符合時代特征的新定義：地球空間信息學是用各種手段和集成各種方法對地球及地球上的實體目標( )和人類活動(human )進行時空數據采集、信息提取、網絡管理、知識發現、空間感知認知和智能位置服務的一門多學科交叉的科學和技術。
要實現全天時、全天候、全地域服務于每個人的目標，滿足大數據時代對地球空間信息“4R”( data// to the right at right place and )服務的要求，未來地球空間信息學亟待突破“互聯網+”空天信息服務體系構建和關鍵技術。根據國內外技術發展情況，“互聯網+”空天信息服務可以分為3個不同水平的級別。[8]
3.1 初級階段()
初級階段的主要特點為，將空天地數據獲取手段獲得的原始數據和影像，加工成各類地球空間信息后送互聯網，為其他應用業務提供地理基準和位置服務。其基本出發點就是利用互聯網發布地理信息，讓客戶通過瀏覽器瀏覽和獲取地理信息系統中的數據和功能服務，以美國 map、 Earth、我國天地圖和各大門戶網站提供的導航地圖為代表。提供的電子地圖LBS服務通過與電子商務、汽車導航、物流、消費等行業融合，已成為人們日常工作、生活中不可或缺的空間信息支撐。
在這種初級階段，衛星遙感數據在地面接收站接收后，通過各種硬軟件系統進行加工處理，提取有用信息，再傳送到互聯網去服務廣大用戶。但是，這種服務方式具有明顯的缺點：天基信息處理是離線、非實時的；送到網絡上去的信息與地表現勢性可能是不一致的。因此，該階段的Web GIS, 如各類導航電子地圖是無法保證100%的現勢性的。
3.2 中級階段(基于傳感網的)
中級階段是目前空天信息服務研究和系統實現的主要形式。其特點是通過傳感網在線調用衛星和其他傳感器數據，實現云計算支持下的空間信息服務。系統將各類空天傳感器資源、數據處理資源、空間信息資源、地學知識資源、計算資源、網絡資源和存儲資源一體化納入服務模型，通過在分布式注冊中心進行注冊，在云計算支持下，實現傳感器調度、數據加工、信息提取和知識發現的網絡化，為不同需求的用戶提供精準服務。
這種互聯網+ 的服務模式比互聯網+天基信息服務初級階段有重大進步，它實現了網絡GIS與空天傳感器的實時集成、融合和分析決策。但是，數據仍需要在地面站接收，由于衛星數量和傳輸能力限制，尚達不到全球實時獲取和處理衛星資源的水平，一定程度上限制了天基信息服務的實時化和自動化程度。
3.3 高級階段(通信、導航與遙感的實時集成)[9]
高級階段的特點為，通過空天地各類傳感器組網、星地實時處理、信息快速傳輸和聚焦服務，最終實現全球全覆蓋的在線實時PNTRC(定位、導航、授時、遙感、通信)服務，將這些信息實時地送到軍民用戶的智能終端(如手機)上，實現對各類任務和用戶的靈性服務。
我國現有的通信、導航、遙感衛星系統各成體系。通信衛星尚無自主的業務化衛星移動通信系統，對遙感、導航等天基信息的傳輸保障能力受限；北斗衛星具有短報文通信能力，不具備寬帶數據傳輸和實時高精度定位能力，而且北斗難以在我國境外建立地面CORS站：遙感衛星方面，需要過境或通過中繼衛星向地面站下傳數據，無星間鏈路和組網，無在軌數據實時處理和信息智能提取功能，數據下傳瓶頸嚴重制約信息獲取效率；服務模式方面，主要面向專業用戶，尚未服務大眾用戶。我國現有的通信、導航、遙感衛星系統面臨系統孤立、信息分離、服務滯后的問題(見圖 4)。
圖 4 通導遙一體化的必要性 Fig.4 of , and
PNTRC(定位、導航、授時、遙感、通信)系統的基本設想是“一星多用、多星組網、多網融合、智能服務”。通過發射上百顆具有遙感導航通信多功能的衛星，建設低軌衛星網絡，再將地面網、移動網和天基衛星網絡結合在一起，實現對全球表面分米級空間分辨率的遙感成像、半小時時間分辨率的數據采樣頻率、米級精度的室內外導航定位服務和全球無縫的移動通信。在時空大數據、云計算和天基信息服務智能終端支持下，通過天地通信網絡實現對廣大用戶智能手機的全球無縫的PNTRC服務。
PNTRC一體化全球地球空間信息實時智能服務有極大的難度，它需要解決至少以下7個關鍵技術：星基導航增強技術、天地一體化網絡通信技術、多源成像數據在軌處理技術、天基信息智能終端服務技術、天基資源調度與網絡安全、全球空天地一體化的非線性地球參考框架構建技術以及基于載荷的衛星平臺設計與研制等。
該系統的主要特色有：一星多用、多星組網、多網融合。通過通信、遙感、導航等載荷與平臺高效集成，實現面向任務的空天資源按需配置和靈性服務；軍民深度融合。系統平時服務經濟建設和民生服務，戰時服務于軍方“打贏”需求；網絡多源異構，節點動態變化。由于時空跨度大，信息維度高，信息網絡結構十分復雜，對網絡可拓展性更高，且具有高動態性；覆蓋范圍大，應用前景廣闊。拓展到全球和空間，應用涵蓋空間觀測、信息傳輸、處理及應用，是孕育戰略性新興產業的重要載體。
為了實現這個目標，我們提出了對地觀測腦的概念[10]，它是實現PNTRC服務的關鍵一步。所謂對地觀測腦是一種模擬腦感知、認知過程的智能化對地觀測系統，通過結合地球空間信息科學、計算機科學、數據科學及腦科學與認知科學等領域知識，在天基空間信息網絡環境下集成測量、定標、目標感知與認知、服務用戶為一體的一種實時智能對地觀測系統。
圖 5所示的對地觀測腦實質上是通過天上衛星觀測星座與通信、導航星群，空中飛艇與飛機等獲取地球表面空間數據信息，利用在軌影像處理技術、星地協同數據計算分析技術等對獲取的數據信息進行處理分析，獲取其中的有用的信息和知識，實時傳送給不同用戶，服務于用戶決策，從而實現天空地一體化協同的實時對地觀測與服務。圖 6是武漢大學針對海洋時敏目標提出對地觀測腦的一個初步應用實例。
圖 5 對地觀測腦概念圖Fig. brain
圖 6 海洋時敏目標智能檢測、定位與實時傳輸系統 Fig. 6 Real-time ocean , and
用戶向對地觀測腦發出對海上運動目標進行檢測定位請求，對地觀測腦通過視覺功能光學遙感衛星進行在軌成像，通過星上處理平臺對獲取的影像實現在軌輻射校正、目標檢測、幾何定位處理google地球無法連接到數據庫，提取影像中的有效信息。對提取的有效信息通過對地觀測腦的聽覺即中繼通信衛星，無延遲下傳至客戶端地面處理中心，地面處理中心根據用戶需求將有效信息快速推送給用戶，用戶根據推送信息做出決策判斷。整個過程實現了用戶對海洋目標快速準確的檢測定位，進而輔助用戶作出決策判斷。
4 結論與展望
60年的回顧，測繪學突飛猛進，成就輝煌。面向未來的展望，測繪學發展空間巨大，形勢喜人。可以看到，現在和未來的測繪學已經融入了更多學科的交叉，這些學科包括信息科學、通信科學、地球科學、服務科學、人工智能科學和腦認知科學。從當前國家需求和國際高科技與產業發展形勢看，發展我國新一代PNTRC系統，建立地球空間信息智能服務交叉科學已提到議事日程。抓住機遇，群力攻關，開拓國內外互聯網+天基信息服務的新產業和新市場是我們努力的方向。如今，測繪學面臨著從未有過的大好形勢，在回顧60年輝煌成就的今天，我們歡呼測繪科學已從當初的幾何科學，發展成為多學科交叉的信息科學和服務科學。我們將充滿信心迎接地球空間信息智能化服務的新時代。
