测绘与地理信息科技转型升级发展

2016-12-26宁津生王正涛

地理空间信息 2016年2期

关键词：测绘卫星测量

宁津生，王正涛

（1.武汉大学测绘学院，湖北武汉 430079；2.武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，湖北武汉 430079）

测绘与地理信息科技转型升级发展

宁津生1,2，王正涛1,2

（1.武汉大学测绘学院，湖北武汉 430079；2.武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，湖北武汉 430079）

介绍了新形势下测绘与地理信息科技转型升级的背景与挑战，阐述了测绘与地理信息科技转型升级的主要趋势，重点分析了测绘与地理信息科技关键技术的发展现状、面临形势和转型升级方向，最后讨论了测绘与地理信息的社会应用与服务领域。

测绘；地理信息；转型升级；发展现状

党的十八大报告提出实施创新驱动发展战略。科技是驱动测绘与地理信息事业发展的不竭动力。在“科技兴测”战略的指引下，测绘地理信息科技取得了长足进步。测绘地理信息科技创新体系不断加快完善，自主创新能力逐渐增强，我国测绘与地理信息学科发展正进入全面构建智慧中国的关键期、测绘产品服务需求的旺盛期、地理信息产业发展的机遇期、加快建设测绘强国的攻坚期。

在现代科学技术急速进步的今天，国家经济建设和社会可持续发展中有许多重大课题，需要我们测绘地理信息科技转型升级，特别是我国正处在一个“大众创业、万众创新”的大浪潮的新阶段，若要投身其中，则要求我们有创新的意识。创新是科技进步的核心，民族进步的灵魂。没有创新，也就谈不上立足世界科技之林。

1 测绘与地理信息行业战略地位与转型升级

当前，国家明确测绘与地理信息行业为国家战略性生产型服务业和高新技术产业，在国家“加强基础测绘，监测地理国情，强化公共服务，壮大地信产业，维护国家安全，建设测绘强国”总体战略目标的引领下，中国测绘已由生产型测绘向服务型测绘转变；由事业型测绘向管理型测绘转变；由主要依靠政府推动发展向依靠政府和市场2种力量推动发展转变；由单一地图及地理信息数据服务向网络化综合性的地理信息服务转变。测绘及地理信息工作与政府管理决策、企业生产运营、人民群众生活的联系更加紧密，各方面对测绘与地理信息服务保障的需求更加旺盛，测绘与地理信息的内涵开始转型升级，从传统的测绘技术条件下的数据生产型测绘，转型升级到信息服务型测绘与地理信息；从计划经济时代沿袭的传统测绘体制转型升级到适应社会主义市场经济的测绘与地理信息体制机制。当前测绘与地理信息的科技手段与应用已从传统的测量制图转变为包含3S技术、信息与网络、通信等多种手段的地理空间信息科学。近年来，更与移动互联网、云计算、大数据、物联网、人工智能等高新技术紧密融合。由于将空间数据与其他专业数据进行综合分析，致使测绘学科从单一学科走向多学科的交叉，其应用已扩展到与时空信息有关的众多领域，传统的测绘学演变为包括全球导航卫星系统、航天航空遥感、地理信息系统、网络与通信等多种科技手段的一门新兴学科——地球空间信息科学。

2 测绘与地理信息科技关键技术的转型

1）大地测量与卫星导航定位。现代大地测量学与地球科学、空间科学和信息科学等多学科交叉，不断拓展了大地测量的学科内涵与外延。随着卫星导航定位技术的迅猛发展，尤其是我国北斗导航系统的广泛应用，极大地推动了大地测量与导航领域的快速发展。2015-07-25，第18、19颗北斗导航卫星发射成功，并首次实现星间链路，标志着我国成功验证了全球导航卫星星座自主运行核心技术，向建立全球卫星导航系统迈进一大步。目前该系统能够为亚太地区的绝大多数用户提供10 m左右的单点定位精度，测速精度优于0．2 m/s，精密相对定位精度达cm级，单向授时精度为50 ns，双向授时精度为20 ns，同时提供120个汉字 / 次的短报文通信服务。

随着GPS 现代化的逐步完成，GPS Ⅲ的信号发射功率将提高100 倍，抗干扰能力提高1 000 倍以上，授时精度将达到1 ns，定位精度提高到0．2～0．5 m。美国全球定位系统（GPS）星座有32颗卫星在轨，其中工作星31颗，分别是GPS 2A卫星4颗、GPS 2R卫星12颗、GPS 2RM卫星7颗、GPS 2F卫星8颗。2014年，美国成功发射4颗GPS 2F卫星，加快了GPS星座的更新步伐。同时，美国也在研究增强GPS抗干扰能力的办法。此外，美国在嵌入式全球定位/惯性导航系统（EGI）、天文导航及增强型罗兰系统研究方面也有一定进展。俄罗斯计划在2012～2020年，发射13颗GLONASS-M卫星和22颗新一代GLONASS-K 卫星，用以替代过期服役的卫星，确保GLONASS系统拥有30颗在轨卫星，其中包括6 颗备用卫星。“伽利略计划”的首批2颗卫星2011-10- 21从位于法属圭亚那的库鲁航天中心成功发射升空；2012-10-12，随着欧洲伽利略全球卫星导航系统第二批2颗卫星成功发射升空，太空中已有4颗正式的伽利略系统卫星，该系统建设已取得阶段性重要成果，但欧盟报告指出“伽利略计划”全部服务可能在2020年前还无法提供。

2）重力测量与地球重力场。GNSS测定的大地高结合高精度大地水准面模型可以快速获得精密海拔高程。新的中国陆地重力似大地水准面CNGG2011模型是利用全国重力数据、7．5'×7．5' SRTM数值地面模型资料和卫星测高资料反演的格网海洋重力数据依据Stokes-Helmert理论和方法解算得到的，目前，2'×2'陆地重力似大地水准面CNGG2013已初步成型。与GNSS水准比较，全国的平均精度由原来的±12．6 cm提高到±10．9 cm，特别是青藏地区的精度显著提高，从±21．9 cm提高到±15．6 cm。采用“局部地形影响＋模型重力场”组合移去恢复法计算得到的重力似大地水准面经GNSS水准外部检核，实现了13个省市在cm级精度上的无缝衔接。

21世纪初，随着低轨卫星重力探测任务的成功实施，地球重力场模型的研究取得重大进展，模型精度和分辨率有了新的跨越。新一代卫星重力探测技术包括2000-07-15发射的CHAMP卫星，2002-03-17发射的GRACE卫星，2009-03-17发射的GOCE卫星，2002～2010年是重力卫星的黄金时期。卫卫跟踪SST，包括低低跟踪（ll-SST，satellite-to-satellite tracking in the low-low model）、高低跟踪（hl-SST，satelliteto-satellite tracking in the high-low model）和卫星重力梯度测量SGG，可用于确定全球重力场模型及其时变效应，尤其是低低跟踪GRACE卫星可利用2颗卫星之间的距离变化与距离变化率，监测地球系统的质量迁移及变化，开辟了地球重力场时变研究的新时代，其应用成果也扩展到海洋学、冰川学、水文学、地震学等领域。

3）摄影测量与航天测绘。我国目前正在实施国家中长期科技发展规划。到2020年，我国发射的在轨运行卫星将达上百颗，并逐步呈现出“三全”（全天候、全天时、全球观测）、“三高”（高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率）、“三多”（多平台、多传感器、多角度）的发展趋势。遥感对地观测具有快速、覆盖范围广、周期性等特点，将为地球空间信息数据的获取提供坚实的基础。近年来，摄影测量与遥感专业技术进展主要体现在高分辨率遥感技术、高光谱遥感技术、合成孔径雷达技术以及激光雷达技术等方面。集激光、GPS和IMU于一体的对地观测系统，能部分穿透植被的遮挡，直接获取真实地表的高精度三维信息，可实现大范围、沿岸岛礁、不可进入地区、植被下层等地面与非地面数据的快速获取。LiDAR与航空数码相机集成，产生了“3D”数字航空相机。

4）地图制图与地理信息工程。随着信息时代的到来，地图学出现了数字地图和网络地图的新概念，地图与地图学的内涵得到拓展，衍生了全息位置地图、智慧地图和新媒体地图等新地图概念。导航地图也从单一的导航平台向综合信息服务平台和社交平台转变，使地图应用范围更加广泛。数字地图制图技术目前正朝着以地理空间数据库驱动的制图模式发展，采用先进的数据库驱动制图技术和方法，实现了地理信息数据与制图数据的统一存储、集成管理和同步更新。制图综合的新方法层出不穷，如多尺度可视化策略、线要素化简单算法、谷地弯曲识别及结构化方法等。地理信息系统的进展主要表现在空间数据感知、获取与集成、时空数据组织与管理领域，而且集中在时空模型构建，空间关系查询、索引和处理、空间拓扑构建和拓扑检查等方面。有关地理表达与可视化方面的研究，集中于自动制图与矢量数据可视化、三维建模可视化、经济社会事件可视化等方面。地理信息基础框架建设与服务关键技术获得突破。基础地理信息数据库实现了规模化动态更新，制定和形成了一系列的技术方案与标准规范，研发了相应的生产和管理软件系统，建立了一套适用于规模化动态更新的技术体系，构建了基础地理信息的要素级多时态数据库模型，实现了3个尺度、4种类型、多个现势性版本的国家基础地理信息集成建库和在线服务。

5）工程测量与变形监测。空间定位技术、激光技术、无线通信技术和计算机技术等新技术的发展与应用，极大地促进了工程测量技术的进步，使工程测量面貌发生深刻变化，涌现了三维激光扫描仪、智能全站仪、全站扫描仪、磁悬浮陀螺仪、地质雷达、无人机、InSAR等先进技术和装备。同时针对体量大、结构复杂、空间变化不规则和精度要求高等工程技术难题，在理论、方法和应用上取得了重大进展。GNSS已成为布设工程控制网的主要技术方法，将GNSS和全站仪相结合，快速建立工程控制网，形成了根据工程特点灵活建网的技术体系。在高程控制方面，提出了精密三角高程测量系统、GNSS和大地水准面精化模型代替高精度水准测量的理论与方法，解决大范围、长距离和跨海精密高程传递问题。在三维测量特征提取的研究中，针对点云数据散乱的特点，提出了不同的特征线提取方法；在表面重建方面，快速成型技术得到广泛应用；在建模软件方面，将激光雷达和摄影测量有机结合，形成了数据融合技术、精细三维重建算法和海量数据管理方法等关键技术；在海量精细空间数据管理方面，设计并实现了点云、数字影像、深度图像等数据存储，提出了多级混合二、三维一体化空间索引技术。已成功研发出多个移动道路测量系统，解决了多传感器集成与同步控制、基于惯性补偿的平整度测量计算、时间同步、空间同步等难题，形成了多传感器一体化、数据一体化、功能一体化的新兴测绘装备，并向多波段成像方向发展，全景影像制作技术、图像模糊化处理技术已经取得阶段性成果。以计算机技术、网络技术、电子测量技术、传感器技术、通信技术相互集成的变形监测系统发展迅速，基本取代了传统的变形监测方法，并使变形监测进入自动化、智能化和信息化时代。在几何学、物理学、计算机仿真学等多学科、多领域的融合、渗透下，正向一体化、自动化、数字化、智能化方向发展。矿山测量以空间信息学和系统工程理论为基础，综合运用测绘遥感、地球物理、物联网等手段，观测并感知矿山全生命周期、矿区全方位对象的几何、物性及其空间关系变化，处理并解决矿产资源保护、矿山开发优化、生产环境安全、开采沉陷控制、矿区生态修复等科学与技术难题。当前矿山测量正冲破传统认识，朝着由简单到复杂、由单一向多元化、由手工半手工作业向数字化、自动化、智慧化方向迅速迈进。

6）海洋与江河湖泊测绘。海底地形地貌测量研制了浅水高分辨率多波束硬件和软件系统，对机载激光水深测量技术进行深入研究，突破了船载高精度一体化测深技术的瓶颈，发展了以AUV/ROV 为平台的海底地形地貌测量技术，初步形成了从星载、机载、船载到潜载的“立体”海底地形地貌信息观测系统。在垂直基准面确定及转换方面，开展了陆海大地水准面拼接、海洋无缝垂直基准面构建、高程基准面与深度基准面转换、基于卫星测高数据提取潮汐参数和构建潮汐模型、基于重力位差实现跨海高程基准传递的理论与方法研究。在机载重力测量方面，通过引进集成，形成了航空重力测量生产作业能力，完成了我国部分海区的航空重力测量；在空三测量方面，提出了一种海岸带水边线等高约束条件控制下的光束法区域网空三测量方法；在机载LiDAR测量方面，开展了DEM数据获取和4D产品快速制作等应用研究。在船载重力测量方面，形成了引进、吸收和应用多型号国外设备，研发验证国产设备的态势。数据处理方面实现了数据采集与处理的自动化与智能化、重力仪性能评价标准化和指标化、数据处理规范化。提出了电子海图云服务概念和海图集合云存储策略，建立了空间索引模型，提出了全球电子海图的云可视化服务方案。开展了中国海区e-航海原型系统技术架构研究，完成了技术架构和工程建设可行性研究。在数字海洋地理信息数据建设中，进行了体系结构设计及系统电子海图空间数据库设计，建立了电子海图空间数据库的数据模型；在数字海洋地理信息应用方面，研发了集成数据管理与查询、处理与分析和可视化于一体的南海海洋信息集成服务系统。

7）空天地海一体化测绘。空天地海一体化测绘体系是由陆地测量车、海上测量船、中低空遥感测绘平台、航天测绘卫星以及地下测量机器人等共同构成的一体化、信息化测量技术。目前，这一体系已经有重要突破，航天测绘、航空测绘与地面测绘相结合，构成了中国的对地观测体系，实现了全球范围的地理空间信息获取，通过整合测量机器人等5个方面的技术，形成空间、空中、地面、海洋、地下五位一体的测绘技术。

3 测绘与地理信息的社会应用与服务

1）地理国情普查与监测。截至2015-06-30，我国陆地国土范围内的地表自然和人文地理要素数据采集工作已经全面完成，这些要素包括耕地、园地、林地草地、房屋建筑、道路、构筑物、荒漠与裸露地表、水域地理单元及地形等12个大类、58个二级类、135个三级类的数据。随后，全国地理国情普查将正式进入第二阶段，进行普查信息的整理、汇总、统计分析，并最终形成普查报告，发布普查结果。在开展第一次全国地理国情普查工作的同时，按照“边普查、边监测、边应用”的要求，同步开展了地理国情监测关键技术的研究和应用试点工作。

2）不动产测绘。随着国家《不动产统一登记暂行条例》的出台以及现代测绘技术、新型测绘仪器和测绘手段的不断发展，包含在不动产范畴内的地籍测量和房产测绘从理论到实践都发生了较大的变化。当前，3S技术在土地信息获取、处理、评价、可视化、建模及信息系统建设等方面的应用日趋广泛。房产测绘方面，房屋面积量测已由手持测距仪全面替代钢（皮）尺，并开发了集“几何面积计算、分摊模型建立、属性数据入库”于一体的专业软件，制定了“绘图、计算、生成报告”一站式解决方案。

3）智慧城市的时空信息基础设施建设。智慧城市建设中，也要首先建设与数字城市类似的地理空间框架，它须具有时空特点，是真正的时空信息框架。其核心内容包括时空信息数据库和时空信息云平台。基础地理信息数据库上升为时空信息数据库，地理信息公共平台上升为时空信息云平台。具体表现为“空间基准”提升为“时空基准”；“二维地理信息+三维可视化表达”提升为“统一时空基准的四维地理信息”；“静态数据+周期性更新”提升为“实时获取+动态更新”；“有限服务”提升为“泛在服务”；“事后分析+辅助决策”提升为“实时分析+实时决策”。因为它是智慧城市中的一种公共服务平台，其功能和互联网、物联网等信息基础设施一样，应该称之为时空信息基础设施。

4）地理空间信息数据资源建设与升级。我国实施了“国家西部1∶50 000地形图空白区测图工程”，5 a间在我国西部圆满完成了1∶50 000地形图空白区的测图任务。当前，我国已实现了全国1∶50 000基础地理信息的全面覆盖和动态更新，研究出成熟的更新理论方法和成套工程技术，建成了覆盖我国陆地国土的精度最高、规模最大、时效性强的国家基础地理信息数据体系，形成全国“一张基础图”；全国省级1∶10 000基础地理信息数据库建设与更新全面开展，到2014年底，全国已有近50%陆地国土面积实现省级1∶10 000基础地理信息（含地形图）覆盖，包括1∶ 10 000 DLG覆盖全国43．8%面积；1∶ 10 000 DEM覆盖全国40．1%面积；1∶ 10 000 DOM覆盖全国40．3%面积。

5）海岛礁测绘。我国测绘行业的重大工程项目——陆海基准的统一与海岛礁测绘，已完成海域大地水准面精化与陆海拼接，初步建成与我国陆地现行测绘基准一致的高精度海岛（礁）平面、高程/深度和重力基准。在全面摸清我国海岛（礁）数量、位置和分布的基础上，采用航空航天遥感技术对我国海域面积大于500 m2的约6 400个海岛（礁）进行了准确定位。

6）全球30 m地表覆盖信息产品。2014年4月，经过4 a跨学科协同创新，中国领先于世界，首次研制出2000年和2010年2个年份30 m分辨率的全球地表覆盖信息产品GlobeLand30，并构建了全球首个高分辨率地表覆盖信息服务平台，将2000年和2010年2个基准年的全球30 m地表覆盖数据产品空间分辨率提高了1个数量级，总体分类精度达到83%以上。

7）全球环境变化与自然灾害预测预警。以GPS为代表的“GNSS空间大地测量技术”，可以对各种规模尺度的构造运动和地壳形变进行高精度、高密度、高效率和全天候的实时观测，为地震相关领域的地球动力学研究和构造运动学解析提供了革命性的技术手段。在应急测绘与防灾减灾方面，突破了测绘基准建立和空间信息快速获取的关键技术，通过集成似大地水准面精化、精密单点定位、新一代数字摄影测量等技术，建立了应急测绘集成技术体系和测绘信息应急服务系统，为抗震救灾和灾区快速重建提供了可靠的快速测绘技术服务与保障。

8）空间科学的应用。在天文地球动力学研究领域，发展和逐步完善了新一代VLBI技术规范，面向我国载人航天、月球探测、火星计划等国家重大深空探测工程，突破现有的VLBI、SVLBI、ΔDOR、SBI和X射线脉冲星技术的理论和方法，形成了从月球探测器到火星探测器、从地面测量到自主定位系统的一整套VLBI探测器定位技术和深空大地测量理论体系。

9）位置服务。目前，我国的位置服务主要是发展北斗应用二代系统。我国已经建成100多个CORS站点，均具备北斗信号接收和数据产生的能力，可以实时传输数据流，成为国家增强系统的主要基础设施。自北斗二代系统正式投入运行以来，国家设立了42个行业和区域重大专项应用示范工程，在城市应急、精确地理信息服务、智慧城市、精准农业、气象预报和防灾减灾等方面得到了广泛应用与推广。当前室内定位技术是研究新的定位技术以及多种技术结合的混合定位方法。

10）“天地图”地理信息公共服务平台。“天地图”地理信息公共服务平台网站经过近2 a的建设及省市级节点的不断接入，天地图数据资源更加丰富、服务能力明显提高，成为中国区域内数据资源最全的地理信息服务网站。天地图2014 版本正式上线，具有功能更全、技术更优、性能更稳、运行更快等亮点。在原有基础上，实现了国内地图矢量数据的全面更新，国外矢量数据由原来的2～10级提升到14级，首次发布全球海底地形晕渲地图，更新全球陆地地形晕渲效果，发布了维文、蒙文地名注记图层。

4 结语

国际社会高度重视测绘与地理信息的战略地位，世界各国纷纷加强地理信息资源建设，加快卫星导航定位、高分遥感卫星等技术的进步升级，推动云计算、物联网、移动互联、大数据等高新技术与测绘及地信技术深度融合，抢占未来发展制高点。测绘与地理信息的未来发展，需要在思想观念、管理理念、职责定位、组织结构、力量布局、技术构架、产品结构、服务模式等方面进行变革和创新，主要趋势体现在以下几个方面： ①测绘与地信结构调整。②从计划生产转型到按需测绘。③从静态测绘转型升级到动态测绘。④从单一数据生产转型升级到多功能信息分析。⑤全面升级测绘与地理信息科技，包括升级获取技术，以发射测绘卫星组网为核心，建立空天地海多层次智能地信传输网；升级快速处理分析技术，迅速挖掘，深入分析地理信息；升级关键技术攻关水平，对遥感综合监测技术、内外业一体化调查技术、多源数据融合与处理技术、遥感信息提取与解译技术、地理要素变化监测技术、地理分析与统计技术开展攻关；提升装备水平，包括建设由高分光谱立体测图卫星、干涉雷达卫星、激光测高卫星、重力卫星等组成的，具有长期稳定运行能力的对地观测系统，增强高分遥感卫星影像获取的自主性和时效性，重点实现数据获取实时化，处理自动化、服务网络化、产品知识化、应用社会化。加强云计算、物联网、移动互联网等高新技术在测绘地理信息中的应用，提升地理国情信息处理、分析的速度、动力和能力。

测绘与地理信息技术和应用已从传统的测量制图转变为包含3S技术、信息与网络、通信等多种手段的地理空间信息科学。近年来，与移动互联网、云计算、大数据物联网、人工智能等高新技术加速融合的趋势继续加强，新应用、新业务继续加速出现，“大众化”趋势更为明显。测绘与地理信息生产服务实现了高度网络化、信息化、智能化和社会化，按需、灵活、泛在的测绘与地理信息服务正在全面实现。

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