從傳統(tǒng)測繪學(xué)到當(dāng)今地球空間信息智能服務(wù)科學(xué)的發(fā)展反映了歷史進(jìn)步和時(shí)代特征。本文首先回顧測繪學(xué)發(fā)展的3個(gè)重要階段：即模擬法、解析法到數(shù)字法;第二，介紹從測繪學(xué)到地球空間信息學(xué)的發(fā)展，即GNSS(包括GPS、北斗、伽利略、GLONASS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))、RS(包括光學(xué)遙感和雷達(dá)遙感)、GIS(地理信息系統(tǒng)技術(shù))的發(fā)展，以及3S集成的變革;第三，介紹當(dāng)前地球空間信息服務(wù)科學(xué)的形成與最新進(jìn)展。在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)推動(dòng)下，當(dāng)今地球空間信息服務(wù)呈現(xiàn)出智能化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化與實(shí)時(shí)化的特點(diǎn)，形成了“互聯(lián)網(wǎng)+”空間信息智能服務(wù)的新業(yè)態(tài);最后，對未來測繪學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

　　測繪學(xué)起源于人類生產(chǎn)實(shí)踐，從遠(yuǎn)古尼羅河水泛濫，就產(chǎn)生了土地測量的需求。17世紀(jì)以前，人類使用簡單的工具，如繩尺、木桿尺進(jìn)行測量、制圖。隨著人類進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代，測繪學(xué)也進(jìn)入初級發(fā)展階段：模擬法測繪。模擬法測繪主要依賴光、機(jī)、電的儀器，如經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀，進(jìn)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(shù)的發(fā)展，模擬法測繪也發(fā)展到了一個(gè)頂峰階段。各種模擬立體測圖儀，可以在室內(nèi)對航空相片立體交會(huì)測圖，從而取代野外測量與制圖的過程。隨后，1957年電子計(jì)算機(jī)問世，人類使用電子計(jì)算機(jī)來完成測繪學(xué)的各種任務(wù)包括復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，如航空攝影測量中的解析攝影測量，測繪學(xué)得到了很大的發(fā)展，解析測繪技術(shù)大大提升了測繪工作效率，將人類認(rèn)知地球的水平提升到了一個(gè)新的高度。20世紀(jì)七八十年代以后，隨著計(jì)算機(jī)、IT技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是數(shù)碼相機(jī)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感技術(shù)的出現(xiàn)后，對測繪生產(chǎn)技術(shù)、測繪產(chǎn)品均帶來深刻變革，測繪生產(chǎn)開始擺脫模擬測繪儀器，大量采用計(jì)算機(jī)設(shè)備，測繪產(chǎn)品也從模擬測繪階段的紙質(zhì)地圖變成了數(shù)字化測繪產(chǎn)品，如典型4D測繪產(chǎn)品(DEM數(shù)字高程模型、DOM數(shù)字正射影像、DLG數(shù)字線劃圖、DRG數(shù)字柵格圖)，并利用數(shù)據(jù)庫來管理這些測繪產(chǎn)品。上述3個(gè)階段我們稱之為測繪學(xué)發(fā)展的三部曲。

　

　　圖 1 測繪學(xué)發(fā)展三部曲Fig. 1 Three developing stages of surveying and mapping

　　20世紀(jì)90年代，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以及衛(wèi)星導(dǎo)航定位(GNSS)、衛(wèi)星遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)的集成，測繪技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新階段。以3S集成為標(biāo)志，傳統(tǒng)測繪學(xué)逐步完成了到地球空間信息學(xué)的過渡和提升。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)、遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)是目前對地觀測系統(tǒng)中空間信息獲取、存儲(chǔ)管理、更新、分析和應(yīng)用的3大支撐技術(shù)(3S)。隨著3S研究和應(yīng)用的不斷深入，科學(xué)家和應(yīng)用部門逐漸地認(rèn)識到單獨(dú)地運(yùn)用其中的一種技術(shù)往往不能滿足一些應(yīng)用工程的需要。許多應(yīng)用工程或應(yīng)用項(xiàng)目需要綜合地利用這3大技術(shù)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(jì)90年代以來，3S的研究和應(yīng)用開始向集成化方向發(fā)展。在這種集成應(yīng)用中：GPS主要被用于實(shí)時(shí)、快速地提供目標(biāo)，包括各類傳感器和運(yùn)載平臺(車、船、飛機(jī)、衛(wèi)星等)的空間位置;RS用于實(shí)時(shí)地或準(zhǔn)實(shí)時(shí)地提供目標(biāo)及其環(huán)境的語義或非語義信息，發(fā)現(xiàn)地球表面上的各種變化，及時(shí)地對GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)更新;GIS則是對多種來源的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理、集成管理、動(dòng)態(tài)存取，作為新的集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，并為智能化數(shù)據(jù)采集提供地學(xué)知識。

　　一個(gè)較好的3S技術(shù)集成系統(tǒng)的例子是2015年初，由立得空間自主研制出的集全景相機(jī)(CCD)、GPS、GIS、激光慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和920 m超遠(yuǎn)距離激光掃描儀(LiDAR)為一體的移動(dòng)式測繪系統(tǒng)(mobile mapping system)。該系統(tǒng)將GPS/INS，CCD LiDAR實(shí)時(shí)立體攝像系統(tǒng)和GIS同時(shí)安裝在汽車、火車、飛機(jī)、輪船等任何移動(dòng)載體上。隨著載體的行駛，所有系統(tǒng)均在同一個(gè)時(shí)間脈沖控制下進(jìn)行實(shí)時(shí)工作，可以實(shí)現(xiàn)在快速行駛過程中采集地理信息、公共信息和城市實(shí)景影像，并同步拼接成360°全景影像，可將整個(gè)城市的實(shí)景影像以實(shí)景三維地圖的真實(shí)形態(tài)在互聯(lián)網(wǎng)上呈現(xiàn)出來。

　　利用3S集成技術(shù)可以免除野外控制點(diǎn)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(wèi)星全國數(shù)據(jù)和相應(yīng)的衛(wèi)星軌道與姿態(tài)高精度參數(shù)進(jìn)行整體無控制區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算(8810×3景，原始數(shù)據(jù)量40 TB)，采用選權(quán)迭代驗(yàn)后方差估計(jì)的粗差探測方法，從20億個(gè)匹配點(diǎn)中自動(dòng)選擇300萬個(gè)堅(jiān)強(qiáng)連接點(diǎn)，遙感影像自主定位精度可提高到優(yōu)于5 m(經(jīng)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(wèi)星全國數(shù)據(jù)進(jìn)行全國數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像自動(dòng)化生產(chǎn)，處理數(shù)據(jù)量40 TB，60個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，耗時(shí)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(xiàn)在只需要十幾天，而且是全自動(dòng)的。

　　地球空間信息學(xué)是測繪遙感科學(xué)與信息科學(xué)技術(shù)的交叉、滲透與融合，它作為地球信息科學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科，可為地球科學(xué)問題的研究提供空間信息框架、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和信息處理的技術(shù)方法;同時(shí)，它又通過多平臺、多尺度、多分辨率、多時(shí)相的空、天、地對地觀測、感知和認(rèn)知手段改善和提高人們觀察地球的能力，為人們準(zhǔn)確而全面的判斷與決策提供大量可靠的時(shí)空信息。1996年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)曾經(jīng)對地球空間信息學(xué)(Geomatics)給出了它的簡明定義：“Geomatics is the modern scientific term referring to the integrated approach of measurement，analysis，management and display of spatial data”。

　　21世紀(jì)以來，人類進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，測繪科學(xué)走向了一個(gè)地球空間信息服務(wù)新時(shí)代。特別是近年來“互聯(lián)網(wǎng)+”的興起，為各行各業(yè)，包括衛(wèi)星對地觀測與導(dǎo)航提供了無所不在的大眾化、普及化、實(shí)時(shí)化和智能化服務(wù)的有利條件。地球空間信息學(xué)的數(shù)據(jù)獲取手段已經(jīng)從傳統(tǒng)的專用傳感器，如遙感、通信、導(dǎo)航衛(wèi)星、航空飛行器、地面測量設(shè)備等擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)中上億個(gè)無所不在的非專用傳感器，如智能手機(jī)、城市視頻監(jiān)控?cái)z像頭，將大大提高地球空間信息學(xué)的數(shù)據(jù)獲取能力。這將對地球空間信息學(xué)提出新的要求，使之具有新的時(shí)代特征：無所不在、多維動(dòng)態(tài)、互聯(lián)網(wǎng)+網(wǎng)絡(luò)化、全自動(dòng)與實(shí)時(shí)化、從感知到認(rèn)知、眾包與自發(fā)地理信息、面向服務(wù)[7]。

　　在大數(shù)據(jù)時(shí)代，地球空間信息學(xué)正在形成和具有新的時(shí)代特征，因此應(yīng)及時(shí)地賦予它符合時(shí)代特征的新定義：地球空間信息學(xué)是用各種手段和集成各種方法對地球及地球上的實(shí)體目標(biāo)(physical objects)和人類活動(dòng)(human activities)進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)采集、信息提取、網(wǎng)絡(luò)管理、知識發(fā)現(xiàn)、空間感知認(rèn)知和智能位置服務(wù)的一門多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。

　　要實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、全地域服務(wù)于每個(gè)人的目標(biāo)，滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對地球空間信息“4R”(sending right data/information/knowledge to the right person at right place and right time)服務(wù)的要求，未來地球空間信息學(xué)亟待突破“互聯(lián)網(wǎng)+”空天信息服務(wù)體系構(gòu)建和關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展情況，“互聯(lián)網(wǎng)+”空天信息服務(wù)可以分為3個(gè)不同水平的級別。[8]

　　初級階段的主要特點(diǎn)為，將空天地?cái)?shù)據(jù)獲取手段獲得的原始數(shù)據(jù)和影像，加工成各類地球空間信息后送互聯(lián)網(wǎng)，為其他應(yīng)用業(yè)務(wù)提供地理基準(zhǔn)和位置服務(wù)。其基本出發(fā)點(diǎn)就是利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布地理信息，讓客戶通過瀏覽器瀏覽和獲取地理信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和功能服務(wù)，以美國Google map、Google Earth、我國天地圖和各大門戶網(wǎng)站提供的導(dǎo)航地圖為代表。WebGIS提供的電子地圖LBS服務(wù)通過與電子商務(wù)、汽車導(dǎo)航、物流、消費(fèi)等行業(yè)融合，已成為人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸钪胁豢苫蛉钡目臻g信息支撐。

　　在這種初級階段，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在地面接收站接收后，通過各種硬軟件系統(tǒng)進(jìn)行加工處理，提取有用信息，再傳送到互聯(lián)網(wǎng)去服務(wù)廣大用戶。但是，這種服務(wù)方式具有明顯的缺點(diǎn)：天基信息處理是離線、非實(shí)時(shí)的;送到網(wǎng)絡(luò)上去的信息與地表現(xiàn)勢性可能是不一致的。因此，該階段的Web GIS, 如各類導(dǎo)航電子地圖是無法保證100%的現(xiàn)勢性的。

　　中級階段是目前空天信息服務(wù)研究和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要形式。其特點(diǎn)是通過傳感網(wǎng)在線調(diào)用衛(wèi)星和其他傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算支持下的空間信息服務(wù)。系統(tǒng)將各類空天傳感器資源、數(shù)據(jù)處理資源、空間信息資源、地學(xué)知識資源、計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)資源一體化納入服務(wù)模型，通過在分布式注冊中心進(jìn)行注冊，在云計(jì)算支持下，實(shí)現(xiàn)傳感器調(diào)度、數(shù)據(jù)加工、信息提取和知識發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)化，為不同需求的用戶提供精準(zhǔn)服務(wù)。

　　這種互聯(lián)網(wǎng)+Sensor WebGIS的服務(wù)模式比互聯(lián)網(wǎng)+天基信息服務(wù)初級階段有重大進(jìn)步，它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)GIS與空天傳感器的實(shí)時(shí)集成、融合和分析決策。但是，數(shù)據(jù)仍需要在地面站接收，由于衛(wèi)星數(shù)量和傳輸能力限制，尚達(dá)不到全球?qū)崟r(shí)獲取和處理衛(wèi)星資源的水平，一定程度上限制了天基信息服務(wù)的實(shí)時(shí)化和自動(dòng)化程度。

　　高級階段的特點(diǎn)為，通過空天地各類傳感器組網(wǎng)、星地實(shí)時(shí)處理、信息快速傳輸和聚焦服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)全球全覆蓋的在線實(shí)時(shí)PNTRC(定位、導(dǎo)航、授時(shí)、遙感、通信)服務(wù)，將這些信息實(shí)時(shí)地送到軍民用戶的智能終端(如手機(jī))上，實(shí)現(xiàn)對各類任務(wù)和用戶的靈性服務(wù)。

　　我國現(xiàn)有的通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星系統(tǒng)各成體系。通信衛(wèi)星尚無自主的業(yè)務(wù)化衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，對遙感、導(dǎo)航等天基信息的傳輸保障能力受限;北斗衛(wèi)星具有短報(bào)文通信能力，不具備寬帶數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)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(wèi)星方面，需要過境或通過中繼衛(wèi)星向地面站下傳數(shù)據(jù)，無星間鏈路和組網(wǎng)，無在軌數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和信息智能提取功能，數(shù)據(jù)下傳瓶頸嚴(yán)重制約信息獲取效率;服務(wù)模式方面，主要面向?qū)I(yè)用戶，尚未服務(wù)大眾用戶。我國現(xiàn)有的通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星系統(tǒng)面臨系統(tǒng)孤立、信息分離、服務(wù)滯后的問題(見圖 4)。

　　圖 4 通導(dǎo)遙一體化的必要性Fig. 4 Necessity of unifying communication, navigation and remote sensing

　　PNTRC(定位、導(dǎo)航、授時(shí)、遙感、通信)系統(tǒng)的基本設(shè)想是“一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)融合、智能服務(wù)”。通過發(fā)射上百顆具有遙感導(dǎo)航通信多功能的衛(wèi)星，建設(shè)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，再將地面網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)和天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)對全球表面分米級空間分辨率的遙感成像、半小時(shí)時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)采樣頻率、米級精度的室內(nèi)外導(dǎo)航定位服務(wù)和全球無縫的移動(dòng)通信。在時(shí)空大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和天基信息服務(wù)智能終端支持下，通過天地通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對廣大用戶智能手機(jī)的全球無縫的PNTRC服務(wù)。

　　PNTRC一體化全球地球空間信息實(shí)時(shí)智能服務(wù)有極大的難度，它需要解決至少以下7個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)、天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)、天基信息智能終端服務(wù)技術(shù)、天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全、全球空天地一體化的非線性地球參考框架構(gòu)建技術(shù)以及基于載荷的衛(wèi)星平臺設(shè)計(jì)與研制等。

　　該系統(tǒng)的主要特色有：一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)融合。通過通信、遙感、導(dǎo)航等載荷與平臺高效集成，實(shí)現(xiàn)面向任務(wù)的空天資源按需配置和靈性服務(wù);軍民深度融合。系統(tǒng)平時(shí)服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和民生服務(wù)，戰(zhàn)時(shí)服務(wù)于軍方“打贏”需求;網(wǎng)絡(luò)多源異構(gòu)，節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化。由于時(shí)空跨度大，信息維度高，信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，對網(wǎng)絡(luò)可拓展性更高，且具有高動(dòng)態(tài)性;覆蓋范圍大，應(yīng)用前景廣闊。拓展到全球和空間，應(yīng)用涵蓋空間觀測、信息傳輸、處理及應(yīng)用，是孕育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要載體。

　　為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們提出了對地觀測腦的概念[10]，它是實(shí)現(xiàn)PNTRC服務(wù)的關(guān)鍵一步。所謂對地觀測腦是一種模擬腦感知、認(rèn)知過程的智能化對地觀測系統(tǒng)，通過結(jié)合地球空間信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)及腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)等領(lǐng)域知識，在天基空間信息網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下集成測量、定標(biāo)、目標(biāo)感知與認(rèn)知、服務(wù)用戶為一體的一種實(shí)時(shí)智能對地觀測系統(tǒng)。

　　圖 5所示的對地觀測腦實(shí)質(zhì)上是通過天上衛(wèi)星觀測星座與通信、導(dǎo)航星群，空中飛艇與飛機(jī)等獲取地球表面空間數(shù)據(jù)信息，利用在軌影像處理技術(shù)、星地協(xié)同數(shù)據(jù)計(jì)算分析技術(shù)等對獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，獲取其中的有用的信息和知識，實(shí)時(shí)傳送給不同用戶，服務(wù)于用戶決策，從而實(shí)現(xiàn)天空地一體化協(xié)同的實(shí)時(shí)對地觀測與服務(wù)。圖 6是武漢大學(xué)針對海洋時(shí)敏目標(biāo)提出對地觀測腦的一個(gè)初步應(yīng)用實(shí)例。

　　用戶向?qū)Φ赜^測腦發(fā)出對海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測定位請求，對地觀測腦通過視覺功能光學(xué)遙感衛(wèi)星進(jìn)行在軌成像，通過星上處理平臺對獲取的影像實(shí)現(xiàn)在軌輻射校正、目標(biāo)檢測、幾何定位處理，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(wèi)星，無延遲下傳至客戶端地面處理中心，地面處理中心根據(jù)用戶需求將有效信息快速推送給用戶，用戶根據(jù)推送信息做出決策判斷。整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了用戶對海洋目標(biāo)快速準(zhǔn)確的檢測定位，進(jìn)而輔助用戶作出決策判斷。

　　60年的回顧，測繪學(xué)突飛猛進(jìn)，成就輝煌。面向未來的展望，測繪學(xué)發(fā)展空間巨大，形勢喜人?？梢钥吹剑F(xiàn)在和未來的測繪學(xué)已經(jīng)融入了更多學(xué)科的交叉，這些學(xué)科包括信息科學(xué)、通信科學(xué)、地球科學(xué)、服務(wù)科學(xué)、人工智能科學(xué)和腦認(rèn)知科學(xué)。從當(dāng)前國家需求和國際高科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢看，發(fā)展我國新一代PNTRC系統(tǒng)，建立地球空間信息智能服務(wù)交叉科學(xué)已提到議事日程。抓住機(jī)遇，群力攻關(guān)，開拓國內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)+天基信息服務(wù)的新產(chǎn)業(yè)和新市場是我們努力的方向。如今，測繪學(xué)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(xué)已從當(dāng)初的幾何科學(xué)，發(fā)展成為多學(xué)科交叉的信息科學(xué)和服務(wù)科學(xué)。我們將充滿信心迎接地球空間信息智能化服務(wù)的新時(shí)代。

　　【引文格式】李德仁。從測繪學(xué)到地球空間信息智能服務(wù)科學(xué)[J]. 測繪學(xué)報(bào)，2017，46(10)：1207-1212. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170263

　　第一作者簡介：李德仁(1939-), 男, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 中國科學(xué)院院士、中國工程院院士, 研究方向?yàn)榈厍蚩臻g信息學(xué)理論與方法。