李德仁院士

        作為三大高新技術(shù)，地球空間信息產(chǎn)業(yè)欣欣向榮

        上世紀(jì)90年代，我們把全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）的集成簡稱為3S集成。最近在美國的《自然》雜志上讀到美國科技自由撰稿人維吉尼亞·格文（Virginia Gewin）的文章。該文的標(biāo)題為《地圖制圖的機(jī)遇》，它給我們從事3S集成的人帶來了許多有說服力的信息，表明地球空間信息產(chǎn)業(yè)欣欣向榮。文章的主要內(nèi)容為：
        第一，今年年初，美國勞動(dòng)部將地球空間技術(shù)、納米技術(shù)與生物技術(shù)一起確定為新出現(xiàn)的和正在發(fā)展中的三大最重要技術(shù)。
        第二，地球空間信息產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值以超出預(yù)計(jì)的速度飛快增長。美國勞動(dòng)部預(yù)計(jì)，原預(yù)測的全球地球空間信息在2005年的產(chǎn)值為50億美元，現(xiàn)在有望達(dá)到300億美元。以出售商用1米高分辨率衛(wèi)星為業(yè)務(wù)的SpaceImaging公司的業(yè)務(wù)量增長了70％。美國軍方在過去兩年中已在商業(yè)GIS與遙感技術(shù)方面花費(fèi)了10億美元，軍費(fèi)中對(duì)地球空間信息技術(shù)的更多花費(fèi)便可想而知了。
        第三，地球空間信息高技術(shù)人才的需求量極大。以美國為例，美國航天局（NASA）有26％的高技術(shù)地球空間技術(shù)人員將在下一個(gè)10年中退休，僅美國影像制圖局（NIMA）在今后3年中，就將招收7000名掌握遙感技術(shù)的GIS技術(shù)人員。全球則有14萬個(gè)單位需要地球空間技術(shù)人員，其中大多數(shù)為地方、國家和國際的政府與政務(wù)機(jī)構(gòu)。此外，未來10年人才需求的主要領(lǐng)域是資源環(huán)境、國防與安全、城市與交通以及土地管理等方面。
        第四，隨著移動(dòng)定位服務(wù)和空間決策支持系統(tǒng)的推廣，地球空間信息技術(shù)將創(chuàng)造更多的非政府部門的就業(yè)機(jī)會(huì)和民營企業(yè)。除了高學(xué)歷人才的需求外，對(duì)GIS一般技術(shù)人員的需求量也將會(huì)顯著增加。例如，美國環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）就雇用了2500名雇員，這個(gè)研究所的定期培訓(xùn)班1年能培訓(xùn)20萬人，這些人由于會(huì)使用其軟件（ARCINFO），給公司的市場拓展帶來了極好的機(jī)遇。歐州航空局（ESA）和美國國家科學(xué)基金聯(lián)合主辦了一個(gè)為期3個(gè)月的夏季培訓(xùn)班，為全世界培訓(xùn)從事空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、空間分析和地圖可視化的人才。
        在我國高校中，設(shè)置測繪、RS和GIS這些有關(guān)地球空間信息學(xué)專業(yè)的學(xué)校在最近5年內(nèi)已發(fā)展到150個(gè)，每年招生達(dá)到5000人以上。

        作為時(shí)空信息高科技，地球空間信息技術(shù)發(fā)展前途無量

        地球空間信息科學(xué)是在上世紀(jì)八九十年代形成的。隨著信息技術(shù)、通信技術(shù)、航天遙感、導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，在本世紀(jì)，地球空間信息的數(shù)據(jù)采集將形成海陸空天一體化的傳感器網(wǎng)絡(luò)并與全球信息網(wǎng)格相集成，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化地回答何時(shí)（When）、何地（Where）、何目標(biāo)（What Object）發(fā)生了何種變化（What Change）的問題，并且把這些時(shí)空信息（即4W）隨時(shí)隨地提供給每個(gè)人，服務(wù)到每件事（4A服務(wù)：Anyone，Anything，Anytime and Anywhere）。下面從時(shí)空信息獲取、加工、管理和服務(wù)四個(gè)方面對(duì)未來的技術(shù)發(fā)展做一簡要敘述。

        時(shí)空信息獲取的天地一體化和全球化

        人類生活在地球的四大圈層（巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈）的相互作用之中，其活動(dòng)范圍可涉及上天、入地和下海。這種自然和社會(huì)活動(dòng)有80％與其所處的時(shí)空位置密切相關(guān)。為了獲得這些不間斷變化的地理空間信息（下面簡稱時(shí)空信息），在上個(gè)世紀(jì)航空航天信息獲取和對(duì)地觀測技術(shù)的成就的基礎(chǔ)上，21世紀(jì)人們已紛紛在構(gòu)建天地一體化的對(duì)地觀測系統(tǒng)，以便實(shí)現(xiàn)全球、全天時(shí)、全天候地獲取低中高分辨率的點(diǎn)方式和面方式的時(shí)空數(shù)據(jù)。
        由美國政府發(fā)起，于2003年7月31日在美國國務(wù)院內(nèi)召開了第一次對(duì)地觀測部長級(jí)高峰會(huì)議，有34個(gè)國家的科技部長或其代表以及聯(lián)合國相應(yīng)機(jī)構(gòu)參加了會(huì)議。會(huì)議發(fā)布了對(duì)地觀測華盛頓宣言，成立了政府間對(duì)地觀測協(xié)調(diào)組織（GEO）。華盛頓宣言正式提出，要建立一個(gè)功能強(qiáng)大的、協(xié)調(diào)的、持續(xù)化的分布式全球?qū)Φ赜^測系統(tǒng)（GEOSS）。該系統(tǒng)的框架文件已在2008年4月完成，并于4月25日在日本東京召開的第二次部長級(jí)對(duì)地觀測高峰會(huì)議上通過?，F(xiàn)在正著手制定10年實(shí)施計(jì)劃。這種合作主要涉及全球環(huán)境、資源、生態(tài)及災(zāi)害等方面，研究的問題包括海洋、全球碳循環(huán)、全球水循環(huán)、大氣化學(xué)與空氣質(zhì)量、陸地科學(xué)、海岸帶、地質(zhì)災(zāi)害、流行病傳播與人類健康等。用于國防安全的軍事衛(wèi)星技術(shù)不在合作之列，但各國都給予了很大的關(guān)注。在未來爭奪制天權(quán)的過程中，又聯(lián)合又競爭的局面值得我們給予充分的注意和關(guān)心。
        就是在華盛頓第一次高峰會(huì)上，歐洲航空局（ESA）正式提出其GMES計(jì)劃，即全球環(huán)境與安全監(jiān)測計(jì)劃。該計(jì)劃將建立和健全一個(gè)由高中低分辨率的對(duì)地觀測衛(wèi)星組成的觀測系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)將與伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)一起，為歐盟18個(gè)國家的環(huán)境（包括生態(tài)環(huán)境、人居環(huán)境、交通環(huán)境等等）和安全（包括國家安全、生態(tài)安全、交通安全、健康安全等）提供實(shí)時(shí)服務(wù)。
        我國目前正在制定從現(xiàn)在到2020年的國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃。在這個(gè)規(guī)劃中，將正式提出建立我國天基綜合信息系統(tǒng)的建議，即通過發(fā)射一系列持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星群，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信、數(shù)據(jù)中繼、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位和各類衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的集成，來獲取國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展所需要的時(shí)空信息。我國天基綜合信息系統(tǒng)將與國外的對(duì)地觀測系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)與合作，成為信息時(shí)代我國的天地一體化時(shí)空信息獲取系統(tǒng)，從而為地球空間信息的數(shù)據(jù)源提供堅(jiān)實(shí)的保證。

        時(shí)空信息加工與處理的自動(dòng)化、智能化與實(shí)時(shí)化

        面對(duì)海量對(duì)地觀測數(shù)據(jù)和各行各業(yè)的迫切需求，我們面臨著數(shù)據(jù)又多又少的矛盾局面，一方面數(shù)據(jù)多到無法處理，另一方面用戶需要的數(shù)據(jù)又找不到，致使無法快速及時(shí)地回答用戶提出的問題。于是，對(duì)時(shí)空信息加工與處理提出了自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化的問題。
        目前，衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)的處理已經(jīng)比較成熟地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化和實(shí)時(shí)化，借助于數(shù)據(jù)通信技術(shù)、厘米級(jí)精度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分測量技術(shù)、實(shí)時(shí)廣域差分技術(shù)等已使空間定位達(dá)到米級(jí)、分米級(jí)乃至厘米級(jí)精度。美國的GPS正在升級(jí)并改進(jìn)其性能；歐盟正在緊鑼密鼓地推進(jìn)由30顆衛(wèi)星組成的伽利略計(jì)劃；我國的二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)也將由12顆衛(wèi)星組成，對(duì)更廣大的地域?qū)嵤?shí)時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)，希望到2020年建成類似伽利略系統(tǒng)的我國獨(dú)立自主的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。
        遙感數(shù)據(jù)，包括高分辨率光學(xué)圖像、高光譜數(shù)據(jù)和合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理，就幾何定位和影像匹配而言，可以說已經(jīng)解決。要進(jìn)一步研究的是無地面控制的幾何定位，這主要取決于衛(wèi)星位置和姿態(tài)的測定精度。目標(biāo)識(shí)別和分類的問題一直是圖像處理界關(guān)心的問題，智能化的人機(jī)交互式的方法已普遍得到應(yīng)用，人們追求的是全自動(dòng)方法。因?yàn)橹挥腥詣?dòng)化才有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化和在軌處理（SmartSensor），進(jìn)而構(gòu)成傳感器網(wǎng)格（SensorGrid），實(shí)現(xiàn)直接從衛(wèi)星上傳回經(jīng)在軌加工后的有用數(shù)據(jù)和信息?；谟跋駜?nèi)容的自動(dòng)搜索和特定目標(biāo)的自動(dòng)變化檢測，可望盡快地實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，將幾何與物理方程一起實(shí)現(xiàn)遙感的全定量化反演是最高理想，本世紀(jì)內(nèi)可望解決。

        時(shí)空信息管理和分發(fā)的網(wǎng)格化

        在計(jì)算機(jī)中，時(shí)空信息是通過數(shù)字地圖來表示的，是在計(jì)算機(jī)中存貯的拓樸關(guān)系的坐標(biāo)串。在萬維網(wǎng)環(huán)境下，實(shí)時(shí)查詢和檢索GIS數(shù)據(jù)是成功的。隨著全球信息網(wǎng)格（GIG）概念的提出，人們將要面臨在下一代GGG（Great Global Grid）互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算。即不僅可查詢和檢索到GIS時(shí)空數(shù)據(jù)，而且要能利用網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算資源進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算。在網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境下，目前的GIS數(shù)據(jù)面臨著空間數(shù)據(jù)基準(zhǔn)不一致、空間數(shù)據(jù)時(shí)態(tài)不一致、語義描述不一致以及數(shù)據(jù)存貯格式不一致這四大障礙。
        因此，建立全球統(tǒng)一的空間信息網(wǎng)格勢在必行。為此，我們提出了從用戶需求出發(fā)的空間信息多級(jí)網(wǎng)格（SIMG）的概念，用粗細(xì)網(wǎng)格來統(tǒng)一存貯時(shí)空數(shù)據(jù)?；镜乃枷胧窃诘乩碜鴺?biāo)框架下，根據(jù)自然社會(huì)發(fā)展的不平衡特征將全球分成粗細(xì)不等的網(wǎng)格，以網(wǎng)格中心點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)和全球地心坐標(biāo)系坐標(biāo)作為參照標(biāo)準(zhǔn)，存貯各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的數(shù)據(jù)及其屬性特征。這種存貯方法特別適合于國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)空間統(tǒng)計(jì)與分析，如果能解決空間信息多級(jí)網(wǎng)格與現(xiàn)有不同比例尺空間數(shù)據(jù)庫的相互轉(zhuǎn)換，GIS的應(yīng)用將會(huì)上一個(gè)新的臺(tái)階，空間數(shù)據(jù)挖掘也可望得到更好應(yīng)用，使空間分析和輔助決策支持上一個(gè)新臺(tái)階。
        解決空間數(shù)據(jù)語義的不一致，需要借助本體數(shù)據(jù)庫思想建立一個(gè)統(tǒng)一的語義網(wǎng)格，來描述同一客體在不同專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫中的語義及其轉(zhuǎn)換。解決時(shí)態(tài)不一致是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，可以借助覆蓋全球的同時(shí)態(tài)衛(wèi)星數(shù)據(jù)快速更新已有的不同時(shí)態(tài)的空間數(shù)據(jù)庫，建立按年或按月的數(shù)據(jù)文本。解決數(shù)據(jù)格式不一致和軟件資源共享的問題，國際攝影測量與遙感學(xué)會(huì)（ISPRS）的聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫與互操作工作組已取得有效成果。