數字測繪學研究分析論文

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1993年和1994年美國先后以總統令的形式提出建立"國家信息基礎設施"(NII)，即通稱的信息高速公路，以及"國家空間數據基礎設施"(NSDI)，這是進一步推進社會信息化，搶占信息產業發展新的制高點和主動權的重大戰略步驟，時隔五年，這一計劃的實施初見成效，刺激了美國的經濟增長，于是去年又以美國副總統演講形式推出數字地球的概念和構想，并計劃到2020年試圖達到地球信息化的最終目標，亮出了美國這一近期全球信息戰略的底牌。由美國政府高層出面提出的這一"數字地球"構想引起全球各方關注，并成為學術界熱點話題。中國學者尤其在地學界也作出了積極的反應，不論從科學技術的角度還是從國家利益的角度，中國要準備迎接這一嚴峻挑戰，已成共識。作為測繪學科，測繪行業反應更顯強烈，數字地球概念為測繪事業發展提供了新的機遇和更高層次的發展前景。這里我們想就現代測繪學的發展從學科的觀點稍為具體地探討一下它與數字地球的關系和在構建數字地球中的作用。

一、測繪學的現展

空間技術，各類對地觀測衛星使人類有了對地球整體進行觀察和測繪的工具，好象可以把地球擺在實驗室進行觀察研究一樣方便。由空間技術和其它相關技術，如由計算機、信息、通訊等技術發展起來的3S技術（GPS、RS、GIS）在測繪學中的不斷出現和應用，使測繪學從理論到手段都發生了根本的變化。測繪生產任務也由傳統的紙上或類似介質的地圖編制、生產和更新發展到地理空間數據的采集、處理和管理。GPS的出現革新了傳統的定位方式；傳統的攝影測量數據采集技術已由遙感衛星或數字攝影獲得的影像所代替，測繪人員在室內借助高速高容量計算機和專用配套設備對遙感影象或信號記錄數據進行地表(甚至地殼淺層)幾何和物理信息的提取和變換，得出數字化地理信息產品，由此制作各類可供社會使用的專用地圖等測繪產品。我國960萬平方公里國土的國家基本地圖的成圖或更新周期可望從十幾年，幾十年縮短到幾年或更短，測繪業的體力勞動得到解放，生產力得到大的提高。今天，光纜通訊、衛星通訊、數字化多媒體網絡技術可使測繪產品從單一紙質信息轉變為磁盤和光盤等電子信息，產品分發可從單一郵路轉到"電路"(數字通訊和計算機網絡傳真)，測繪產品的形式和服務社會的方式由于信息技術的支持發生了很大變化，進入了信息化的發展。當前，隨著我國經濟的高速發展和經濟所有制成份和運行體制的改革，需要開放民用國家測繪產品；從技術方面看，西方國家衛星測地技術可制作全球幾乎任一地區1米分辨率(相當1∶1萬比例尺)的地圖，衛星上的GPS又可將這種地圖納入全球參考框架和轉換為他們的國家坐標系，中、小比例尺國家地圖的保密價值已大大降低；對于軍事敏感的重力數據，衛星重力技術所發展的低階全球重力場模型已足夠用于他們的遠程戰略導彈發射。目前全球高階重力場模型(如EGM96)分辨率已達50公里，已接近我國現有重力數據的分辨率，其保密價值也需要重新評估。這一形勢使絕大部份測繪產品可以作為普通商品服務于全社會，測繪業從單一國家事業逐漸轉變為社會主義市場經濟的產業，這無疑為測繪學的發展注入了新的活力和擴大了發展空間，這也是一個有重要意義的歷史性轉變。

綜上所述，由于以空間技術、計算機技術、通訊技術和信息技術為支柱的測繪高新技術日新月異的迅猛發展，測繪學的理論基礎、測繪工程的技術體系、其研究領域和學科目標，正在適應新形勢的需要發生著深刻的變化，表現為正在以高新技術為支撐和動力，進入市場競爭求發展，測繪業已成為一項重要的信息產業。它的服務范圍和對象也在不斷擴大，不僅是原來的單純從控制到測圖，為國家制作基本地形圖的任務，而是擴大到國民經濟和國防建設中與空間數據有關的各個領域。它必將隨著21世紀更加成熟的信息化社會的到來向更高層次發展，在未來數字地球的概念和技術框架中占據重要的基礎性地位。

二、數字地球和現代測繪學

地球上一切事件都發生在一定的空間位置，人類社會經濟活動所需要的信息絕大部分(約80%)都與地理位置相關。中國21世紀議程62個優先發展項目中，約有40個需要建立或應用地理信息系統。數字地球是利用海量地理信息（即地球空間數據）對地球所做的多分辨率、三維的數字化描述的整體信息模型，便于人類最大限度地實現信息資源的共享和合理使用，為人類認識、改造和保護地球提供一種新的手段，這里在數字地球的概念中突出顯示了地理坐標的框架作用，因此NSDI是數字地球的基礎設施，要求提供(地球)空間數據框架，包括大地測量控制框架(國家定位網和重力控制網)、數字正射影像、數字高程模型、道路、水系、行政境界、公共地藉等基礎地理數據集。在此框架上加載各類地球自然信息和人類社會經濟活動等一切所需要和感興趣的人文信息。為數字地球提供上述地球空間數據框架是測繪業本身的"專職"，但又對測繪學提出了更高層的技術要求。

NSDI要建立在NII上，要在因特網上運行，要求開發功能強、效率高的因特網GIS軟件。這表明還要大力發展測繪產品的計算機網絡技術，它的技術基礎是寬帶、高速圖形圖象網絡，當然其中寬帶高速問題需要國家投資在NII中解決。數字地球構想的另一個高技術特點是虛擬現實模型。目前發展起來的全數字化攝影測量就能夠利用功能強大的計算機系統或工作站，對數字化影象進行處理，建立立體地形或地物虛擬模型。但如何將這一技術用在因特網上對多種測繪產品和普通用戶提供虛擬模型甚或虛擬現實模型，則是要進一步研究和發展的。數字地球是對真實地球及其相關現象的多分辨率、統一性的三維數字化整體表達，這里強調了統一性和整體性，要求全球多源數據無縫無邊的連結和整合。從空間數據框架來說，其統一性和整體性是由大地測量來實現和給予保證的。大地測量是傳統測繪的基礎，對當前信息化測繪和構建未來數字地球更是基礎的基礎，即空間數據框架的框架。它要求全球采用統一的參考橢球模型和相應的地心坐標參考框架(如ITRF)；全球統一的高程基準，即統一定義和使用的大地水準面；全球統一的重力測量基準(重力基本網)；全球統一的地圖投影系統。一切原有的測繪成果，特別是國家基本地圖都要轉換到上述全球統一的參考系中。數字地球對全球大地測量提出了更高更緊迫的要求。GPS配以少量SLR和VLBI站是各國保持和維護各自的地心參考框架的基本技術，但局部坐標到全球坐標的轉換目前還難于達到優于米級的精度；全球高程系統的統一問題，大地測量學家經過幾十年的研究，目前還是一個未能解決的難題，最終要通過全球重力數據，特別是新一代衛星重力計劃和衛星海洋測高計劃在國際大地測量協會的統籌和協調下實現。

海洋占全球面積的70%，海洋將是21世紀資源開發的主要競爭空間，海洋動力環境的變化（如厄爾尼諾現象）又是決定全球氣候變化的主要控制"閥門"。數字地球向海洋測繪提出了挑戰。從全球來說，目前海洋的精細測繪基本上還是空白，多波束測深技術的發展加速了各國領海海底地形的測繪，但要將陸地坐標參考框架以相近的精度擴展到海洋仍存在困難，海上GPS定位精度還低于5米；由于陸地高程基準不能用水準測量傳遞到海洋，在衛星測高技術的支持下用某種去掉潮汐影響的平均海面作深度基準，精度可達米級，和多波束測深精度相當。但廣大的開闊深海的海底地形測繪不可能用船載測深儀完成，用衛星測高結合重力數據(低階或中階重力場模型)反演海底地形，目前試驗精度可達10-100米。數字地球將要求海洋測繪技術有新的突破。

測繪學由于其技術的突破已日益向相關地學領域滲透。大地測量更成為研究地球動力學(包括海洋動力甚至大氣動力)的重要技術手段，GPS監測已能提供全球板塊運動和地殼形變精密數據，可用于研究地學災害(地震、滑坡和火山爆發等)的預測；GPS已可以和VLBI相近的精度和頻譜分辨率監測地球自轉的變化，由此研究地球深部結構和動力過程及全球變化；專題GIS也成為環境災害問題分析預測工具。數字地球最重要的功能之一是為解決21世紀人類面臨的環境和災害問題提供一個可供觀察、分析、模擬和預測的全球信息系統，以期協調人與自然的關系。

我們贊成活數字地球或動態數字地球的提法，因為人類是生活在不斷運動變化的地球上。現在在全球性的觀測中，各種對地觀測新技術已可能連續快速獲取地球表面（或淺層）隨時間變化的幾何和物理信息，了解地球上各種現象及其變化。因此測繪學或者說測繪業則應當利用3S技術結合合成孔經雷達干涉技術（INSAR）以及其他新技術（如衛星重力探測技術等）對地進行觀測，為構建活數字地球提供描述地球動態變化的地理信息產品。

數字地球構想是推動人類大踏步跨進信息社會的重大戰略步驟，有挑戰也有風險。測繪是數字地球的基礎，測繪工作者也將是構造數字地球的"尖兵"，也要求測繪學有新的發展和突破。

三、測繪學和地球空間信息學

在本文第一部分已談及測繪學在新的技術進步推動下的現展趨勢。從現代信息論的觀點看，測繪學本質上就是一門關于地球空間信息的學科，傳統的測繪受地面測量技術、時空尺度和精度水平以及投入的局限，其產品主要是單一的地形圖和在地形圖基礎上編繪的專用地圖。它不能反映、至少不能及時反映地球表面形態的變化，特別是大范圍和全球變化。其產品制作周期長，已不能滿足地區經濟和全球經濟高速發展的多種需要。信息技術加快了人類社會的運行速度。測繪學應該是提供人類生存空間自然環境及其變化信息的學科，它的學科內涵發生了巨大的變化，因此如何界定測繪學的含義，已是世界各國測繪工作者所關注的問題。于是從90年代開始，國際上將測繪學（SurveyingandMapping）更改為一個新詞，以準確反映學科實質，Geomatics一詞由此應運而生。隨后，有關Geomatics的提法在我國學術界，主要是地學界成為熱門話題，由于對其含義理解不同，其中文譯名也是五花八門，現在將它譯成"地球空間信息學"，已基本得到認同。不管人們對Geomatics的含義如何理解，但根據ISO的標準定義和國際測繪聯合會（IUSM）對"測繪學"的定義，兩者的含義是基本類同的，只不過Geomatics所涉及的地球空間信息的范圍更寬一些。Geomatics更準確地描述了測繪學在現代信息〖CD2〗通訊社會中的地位和作用，適應了現代社會對地球空間信息的極大需求的特點，因而發展和提高了測繪學的研究和工作領域，符合現代測繪學發展的實際。現代測繪工程的核心技術是空間技術，包括GPS、衛星遙感和航測，測繪的范圍擴展到整個近地空間，例如近地空間航天器的導航定位，近地空間重力場的測定，大氣層甚至電離層的信息；其支撐技術是信息技術，主要處理電磁波信息和影像信息，加之通訊、計算機網絡等信息技術，使地球空間信息學科的理論和技術體系比傳統的測繪學有了很大的發展和更新，由此，Geomatics適合于納入數字地球的理論和技術框架。

隨著數字地球構想的實施，測繪學面臨一個歷史性的發展新機遇，傳統的或現代測繪學將以地球空間信息學的新面目立于地球科學分支學科之林，以更強的活力向前發展，前景良好。

四、建議

本文漫談了測繪學的發展及其與數字地球構想的關系。為在21世紀加速建設我國空間數據基礎設施，發展我國的測繪學科和測繪事業，以迎接"數字地球"的挑戰，根據我國目前測繪事業發展的現狀，從一個側面（主要是大地測量方面）提出以下建議：

1.盡快統一我國大地定位參考框架的建設，對近年來由各個部門獨立建立的各等級GPS定位網進行必要的聯測和統一整體平差，此舉可望進一步加強國家級的大地定位框架；

2.將沿海各部門100多個驗潮站統一組織GPS聯測，精密確定各驗潮站水位標尺零點的大地高，填補陸海相接地帶重力測量空白。此舉為統一陸海大地水準面，建立海洋高程基準，研究海平面變化至關重要；

3.研究將陸地GPS定位框架向我國領海擴展的方案，著手建立我國包括海域的廣域差分GPS定位系統；

4.盡快完成重建我國重力基本網，發展航空重力測量系統，加密西部地區重力測量和GPS水準，加大力度支持對衛星測高數據的利用，為下世紀確定我國亞分米級或厘米級大地水準面作好數據儲備，建立可在因特網上運行的新的重力數據庫；

5.利用新的衛星遙感測地資料重建我國30″×30″數字高程模型。

6.盡快研究我國大地測量數據向社會開放的政策、法規和管理機制，著手建立國家級能夠進入NSDI的大地測量數據庫。