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论天地一体化对地观测网与新地理信息时代
2015年11月11日    评论:    分享:
    来源:第三维度
    作者:李德仁,邵振峰
    单位:武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室 

    摘要:本文回顾我国测绘学科50年的发展历程,阐述了天地一体化大测绘的组成及其特性,剖析了天地一体化对地观测网环境下测绘面临的挑战,阐述了天地一体化对地观测网需要解决的关键问题,并对新地理信息时代进行了展望。

    1.  引言

    测绘科学 50 年的发展经历了模拟法、解析法和数字化测绘的三个阶段,已经进入信息化测绘时代,测绘科学也从几何科学发展成为地球空间信息科学。

    进入 21 世纪以来,伴随着航天技术、通信技术、传感器技术和信息技术的飞速发展,人们将可以从各种航天、近空间、航空和地面平台上,用紫外、可见光、红外、微波、合成孔径雷达、激光雷达、太赫兹等多种传感器获取目标的多种分辨率影像和非影像数据,其空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率得到了极大的提高。

    基于天地一体化观测网的测绘是大测绘,即从最初的几何、角度量测的科学发展成采用各种电磁波探测与传感技术、摄影测量与遥感对地观测技术、卫星导航定位技术、卫星通信技术和地理信息系统等为主要手段,研究地球空间目标与环境参数信息的获取、分析、管理、存贮、传输、显示和应用的一门综合和集成的信息科学和技术。随之而来的是信息处理的手段从人工的、分布式的多工序的发展成自动/半自动的、分布式的网络化实时处理系统。

    天地一体化对地观测网是执行地球观测任务的(地理)空间观测网,利用观测网这种新型数据采集、查询、处理方法和系统来进行基于科学目的与应用的环境事件的地球感知,从而促进空间数据获取、处理、分发和应用。人类不仅可以基于天地一体化对地观测网生产 4D 产品,而且可以提供定制化、实时的灵性服务。例如,NASA 使用观测网耦合 MODIS、EO-1、UAV 进行了森林野火突变监测与快速反应实验,并成功应用于 2008 年南加州森林火灾的监测,使观测规划、处理、评估从以前的 30 天提高到目前的 7 天;欧盟的 SANY(Sensor Anywhere)使用观测网耦合地面传感器,进行了地质灾害、水资源安全的监测与预警;国际对地观测组织 GEOSS 把基于观测网的卫星星座观测作为未来 10 年的核心计划,并已成功应用于 2007 年的非洲洪水监测及 2008 年的缅甸洪灾监测。

    2.  基于天地一体化对地观测网的大测绘的组成及其特性

    如图 1 所示,对地观测网可以认为是沟通异构传感器系统、信息模型和决策支持之间的桥梁,基于天地一体化对地观测网的大测绘体现出以下特性:


图 1  天地一体化对地观测网

    (1)时空信息获取的天地一体化和全球化

    人类生活在地球的四大圈层(岩石圈、水圈、大气圈和生物圈)的相互作用之中,其活动范围可涉及上天、入地和下海。在上一世纪航空航天信息获取和地对观测技术的成就基础上,21 世纪人们已纷纷在构建天地一体化的对地观测系统,以便实时全球、全天时、全天候地获取粗中高分辨率的点方式和面方式的时空数据。

    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,具有准实时、全天候获取各种空间数据的能力,并逐步形成集高空间、高光谱、高时间分辨率和宽地面覆盖于一体的对地观测系统。从而为地球空间信息的数据源提供坚实的保证[1,2]。

    (2)时空信息加工与处理的自动化、智能化与实时化[3] 

    面对以 TB 和 PB 级的海量对地观测数据和各行各业的迫切需求,我们正面临着“数据又多又少”的矛盾局面,一方面数据多到无法处理,另一方面用户需要的数据和信息又找不到,致使无法快速及时地回答用户问题。于是对时空信息加工与处理提出了要自动化、智能化和实时化的问题。

    目前卫星导航定位数据的处理已经比较成熟地实现了自动化、智能化和实时化,借助于数据通讯技术、RTK 技术、实时广域差分和 PPP 技术等已使空间定位达到米级、分米级乃至厘米级精度。美国的 GPS 正在升级,改进其性能,欧盟正在紧锣密鼓地推进由 30 颗卫星组成的伽里略计划,我国的北斗二代也将由12 颗卫星组成,对更广大的地域实时卫星导航定位服务,希望到 2018 年也能建成我国独立自主的全球卫星导航定位系统。

    遥感数据,包括高分辨率光学图像、高光谱数据和 SAR 数据的处理,就几何定位和影像匹配而言,可以说已经解决,要进一步研究的是无地面控制的几何定位,这主要取决于卫星位置和姿态的测定精度。目标识别和分类的问题一直是图像处理和计算机视觉界关心的问题,智能化的人机交互式的方法已普遍得到应用,人们追求的是全自动方法,因为只有全自动化才可能实时化和在轨处理(Smart Sensor),进而构成传感器网(Sensor Web),实现直接从卫星上传回经在轨加工后的有用的数据和信息。基于影像内容的自动搜索和特定目标的自动变化检测[4],可望尽快地实现全自动化,将几何与物理方程一起实现遥感的全定量化反演是最高理想,本世纪内可望解决。

    (3)时空信息管理和分发的网格化[5,6] 

    时空信息在计算机中的表示走的是地图数字化的道路,在计算机中存贮带地物编码和拓朴关系的坐标串。在三 W(WWW)互联网环境下,实时查询和检索 GIS 数据是成功的。随着全球信息网格(GIG)概念的提出,人们将要面临在下一代三 G(Great Global Grid)互联网上进行网格计算。即不仅可查询和检索到 GIS 时空数据,而且要能利用网络上的计算资源进行网格计算。在网格计算或云计算环境下,目前的 GIS 数据面临着空间数据的基准不一致、时态不一致、语义描述的不一致以及数据存贮格式的不一致的四大障碍。因此建立全球统一的空间信息网格对实现网格计算应当是势在必行。

    (4)时空信息服务的大众化[7] 

    人类的社会活动和自然界的发展变化都是在时空框架下进行的,地球空间信息是它们的载体和数学基础。在信息时代由于互联网和移动通讯网络的发展加上计算机终端的便携化,使时空信息服务的大众化代表了当前和未来的时代特征。

    也是空间信息行业能否产业化运转的关键。时空信息服务要以需求为牵引,不同的用户,不同的需求就要提供不同的服务。在国防建设中,除了整个数字化战争的准备,策划,实时指挥,战场姿态,作战效果估评的大系统外,时空信息服务的本质就是将三 S 集成技术做成面向各作战任务的时空信息实时获取、处理、融合和服务的快速响应系统。时空信息对政府高效廉政建设的服务就是为电子政务(OA)提供必要的具有空间、时间分布的自然、社会和经济数据与信息。目前的各种比例尺地形数据库距离电子政务和国家宏观决策分析使用尚有较大的距离,希望能通过分布式空间信息网格技术和 Web Service 等将各行业各部门的各种数据和信息资源互联、互通和互操作。

    时空信息的社会经济服务包括对国家资源、环境、灾害调查和各种经济活动的时空分布及其变化的实时服务,包括数字城市,数字港口,数字仓库,数字化物流配送诸方面的时空信息服务。。时空信息为我国小康社会的服务是具有很好机遇的挑战性任务,需要我们创造高效优质的服务模式,这包括汽车导航,盲人导航,手机图形服务,智能小区服务,移动位置服务等等,可以统称为电子民务(CA:Citizen Automation)。

    3.  天地一体化对地观测网环境下需要解决的关键问题

    天-空-地一体化对地观测网能提供综合性、系统性、瞬时或同步性的连续区域性同步信息,信息的获取从静态发展为动态,从单一传感器发展为传感器观测网,从被动式观测发展为智能观测(即事件驱动观测),形成了分布式天-空-地异构观测单元。数据服务模式也从简单目录导航式发展为基于标准开放式服务,数据处理模式也从单机独立运行程序发展为网络化服务模式,形成了分布式异构数据及处理服务单元。随着观测系统的资源规模不断扩展、计算机处理能力快速增强、空间数据资源种类日益丰富、决策支持应用需求灵活多样,寻求新型的一体化智能对地观测体系与决策支持服务模式已成为现在测绘领域面临的重大挑战,其中需要解决的关键问题是:

    3.1  地球时空基准理论与方法

    为了建立和维持我国天空地一体化时空基准提供理论、方法与技术支撑,需要研究解决的问题包括三维动态大地坐标参考框架;全球及中国陆海统一高程基准;全球与区域物理基准的统一理论及其相互转换;卫星测高及海洋环境监测;卫星重力探测;卫星高精度时间同步与传递;精密四维地球空间时空参考框架的建立理论;全球天空地一体化、静动态一体化参考框架的实现方案以及长期维持的方法;基于我国北斗及 GPS、Galileo 等多种卫星导航系统的遥感卫星组合定轨方法,以及星载 GPS、INS 和恒星相机组合定位定姿的方法等。

    3.2  空间信息网络技术和方法

    解决天空地一体化空间信息网络中信息传输、压缩、加密、安全、共享等关键技术问题。主要研究内容包括:天基互联网的建立及天空地一体化信息网络的资源共享;海量空间数据压缩与传输控制;卫星传感器组网与全球信息网络的集成;以及空间信息加密与网络安全技术等。

    3.3  地球空间环境探测技术

    研究空间目标、大气、电磁环境的探测与分析新方法,为建立我国的空间环境监测技术体系奠定基础。主要研究内容包括:大气与电离层环境探测与数值建模;高频雷达海洋环境监测;空间目标探测、定位与识别技术;无线电探测系统与信息获取;近地空间环境监测数据融合、模式与预报;以及全球动力环境变化监测技术与演变趋势分析等。   

    3.4 航空航天遥感对地观测技术

    突破我国遥感数据地面接收处理、遥感信息自动提取等关键技术,完善我国遥感卫星对地观测技术体系。主要研究内容包括:遥感数据的快速接收与处理;多源传感器数据与信息融合;遥感影像几何精密定位;基于多传感器数据的三维重建与三维空间信息提取;影像解译和目标自动识别;多时态多源传感器数据的变化检测以及遥感成像机理与定量反演等。

    3.5 卫星导航定位技术

    为了建立我国的导航卫星星座和综合卫星导航服务系统提供理论、方法与技术基础,需要研究解决的问题包括:多源卫星导航系统兼容集成及信号组合理论与方法;高、中、低轨遥感和探测卫星精密综合定轨、定姿理论、方法和平台;抗射频干扰、抗多径影响的卫星定位接收机技术及其与其它信息技术的集成;以及区域和全球多源综合卫星定位实时动态服务系统建立的相关理论和关键技术等。

    3.6 地球空间信息服务

    解决地球空间信息公共服务技术体系中的空间信息语义表达、集成、融合与共享的理论与方法问题,实现地球空间信息的智能服务。主要研究:地理信息的认知与概念模型;地球空间信息大规模并行计算与智能处理;地球多源空间信息集成、融合与可视化;地球空间环境模拟与虚拟仿真;地球空间信息网络共享;以及室内与地下空间信息探测及解译等。

    3.7 建立广义空间信息网格的基础理论[3] 

    广义空间信息网格指的是在网格技术支持下,在信息网格上运行的天、空、地一体化地球空间数据获取,信息处理,知识发现和智能服务的新一代整体集成的实时/准实时空间信息系统,需要研究:天地一体化对地观测网组网及其耦合机理,以实现全球、全天候、全天时、全方位的空间数据获取;建立天基互联网以实现从传感器直到应用服务端的无缝交链;天-空-地观测数据融合与同化,实现从数据到信息和知识的自动升华;基于观测网的定量表达与决策支持模型,对各类不同用户(包栝实时用户)提供空间信息灵性服务等。图 2 为一个智能的天地一体化对地观测网结构示意图。


图 2   一个智能的天地一体化对地观测网结构 (from Zhou[13])

    4  新地理信息时代展望

    测绘科学与技术发展到今天,随着国家安全、国防建设、经济建设、灾害管理、全球变化研究和大众化服务的需要,我们已经走到一个天地一体化的对地观测网时代。我们可以将所有的航天/航空传感器和地面的传感器网通过天地互联网集成在一起,构成智能传感器网络。最近几年,OGC 已开始发布关于传感器网络的相关标准,如 Sensor Model Language (SensorML)、 Sensor Alert Service、Sensor Observation Service 、 Sensor Planning Service 、 Observations and Measurement、Transdure Markup Language 等。

    图3 所示为一个基于天地一体化的传感器网络示例,用户可通过三种方式获取空间信息服务[3]: 


图3 一个支持互操作的传感器网络参考框架

    (1)基于传感器网络模型的数据挖掘和知识发现,用户在网络客户端发出请求,决策支持系统把请求转换成服务链,并通过工作流队列在目录服务中寻找相应的已注册服务,已注册服务通过传感器网络模型获得用户感兴趣的信息,传给用户,完成对访问的反馈。 

    (2)直接通过传感器的反馈来获得信息,用户通过在网络客户端发出请求,决策支持系统把请求转换成服务,若能获得满足要求的服务,则返回请求,并把新的服务在注册中心注册。 

    (3)通过对数字产品的检索来进行数据挖掘和知识发现。用户通过传感器数据节点,对各类传感器数据节点的数据进行数据挖掘,发现满足要求的数据,并反馈回结果。 

    信息化测绘迎来了天地一体化对地观测网络,一个新的地理信息时代悄然而来。在新地理信息时代,将实现一次数据采集、多次数据应用,真正达到聚焦服务和按需测量;新地理信息时代的服务对象不仅包括地理信息的专业用户,而且包括普通大众用户;在新地理信息时代,地理信息的更新可以是数据提供者,也可以是终端用户,终端用户可以通过包括 3G 手机等传感器上传和标注新信息,数据使用者和用户间已没有明显界线,人人都是传感器;在新地理信息时代,可通过计算机通信网络,实现整个传感器网络、专业人员和大众用户实时互动,使空间数据“从死变活”;新地理信息时代,我们将在 Web2.0、网格计算和云计算环境下,更好地进行分布式地理空间信息生产、管理、存储、和分发服务。 

    但是,在新地理信息时代我们也将面临很多新的挑战,如上传数据和信息的无序问题;如何保证数据更新的质量问题;数据保密和安全问题;信息爆炸问题;地理信息共享中的隐私问题以及产权问题。对此,我们需要认真研究有针对性的对策。 

    此外,我们也应看到,在新地理信息时代,面向服务架构的应用代替数据驱动的应用后,必将拉动整个地理信息产业链的爆炸式增长,促使全球地理信息的共享,在宏观上将产生巨大的经济和社会效益,人类将会分享新地理信息时代所带来的各种灵性服务。 

    展望未来 50 年,测绘科学将走向更加灿烂辉煌!

    第一作者简介:

    李德仁,中国科学院院士,中国工程院院士,国际欧亚科学院院士,武汉大学教授、博士生导师,主要从事以遥感(RS)、全球卫星定位系统(GNSS)和地理信息系统(GIS)及其集成为代表的空间信息科学的科研和教学工作、近年提出空间信息多级网格和空间数据挖掘与知识发现理论,提出广义空间信息网格和狭义空间信息网格,并致力于地球空间信息的大众化服务工作。

    参考文献:

    [1] Michael F. Goodchild(2007), Citizens as Voluntary Sensors: Spatial Data Infrastructure in the World of Web 2.0, International Journal of Spatial Data Infrastructures Research, 2007, Vol. 2, 24-32. 

    [2]Goodchild, M.F., P. Fu, and P. Rich(2007). Sharing geographic information: an assessment of the Geospatial One-Stop. Annals of the Association of American Geographers 97(2): 249-265. 

    [3] D. Li(2008),On generalised and specialised spatial information grids: are geo-services ready? International Journal of Digital Earth, 2008(4): 315 – 325 

    [4]李德仁(2004).抓好地球空间信息的数据源,地理空间信息,2004,2(1):1-2.

    [5]李德仁,朱欣焰,龚健雅(2003). 从数字地图到空间信息网格---空间信息多极网格理论思考,武汉大学学报·信息科学版,2003,28(6):642-650.

    [6]李德仁(2004).论天地一体化的大测绘—地球空间信息学,测绘科学. 2004,29(3):1-2. 

    [7]吴立新,李德仁(2006),未来对地观测协作与防灾减灾[J],地理与地理信息 学,2006,22(3):1-8. 

    [8]李德仁,沈欣(2005).论智能化对地观测系统,测绘科学,2005,30(4):9-11. [9]李德仁(2005).21 世纪测绘发展趋势和我们的任务,中国测绘,2005,16(2):36-37. 

    [10]薛放(2005).美国成像侦察卫星发展趋势,情报指挥控制系统与仿真技术,2005,27 (1):93-96. 

    [11]李德仁等(2008).地理空间信息技术用于汶川地震救灾,遥感学报,2008,12(6):841-851. 

    [12]李德仁、邵振锋(2009),论新地理信息时代,中国科学(F 辑),2009,

    [13]Guoqing Zhou and Kafatos Menas.(2002):.Future Intelligent Earth Observing Satellites. Pecora 15/Land Satellite Information IV/ISPRS Commission I/FIEOS 2002 Conference Proceeding. 

  
标签:地理GIS测绘
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