浅论世纪遥感与的发展

浅论21世纪遥感与GIS的发展

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当踏步跨入21世纪的时候，回首过去的100年，我们可以自豪地说，随着计算机技术、空间技术和信息技术的发展，人类实现了从空中和太空来观测和感知人类赖以生存的地球的理想，并能将所感知到的结果存储在计算机网络中，让它们在全球流通，为人类的生存、繁荣和可持续发展服务。在20世纪后半叶，遥感和地理信息系统作为一门新兴的科学和技术，迅速成长起来。

进入21世纪，遥感和GIS技术会有什么样的发展呢?下面谈谈个人的一些看法。

1　遥感技术的主要发展趋势

1.1　多平台多传感器航空航天遥感数据获取技术趋向三高(高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率)

从空中和太空观测地球获取影像是过去一个世纪的重大成果之一。2001年，卫星遥感的空间分辨率从IkonosII的1m进一步提高到QuickBird(快鸟)的0.62m，高光谱分辨率已达到5～6nm，时间分辨率的提高主要依赖于小卫星技术的发展，通过合理分布的小卫星星座和传感器的大角度倾斜可以以1～3d的周期获得感兴趣地区的遥感影像。由于具有全天候、全天时的特点，以及用INSAR和D-INSAR进行高精度3维地形及其变化测定的可能性，SAR雷达卫星被全世界各国普遍关心。我国在机载和星载SAR传感器及其应用研究方面正在形成体系。“十五”期间，我国将全方位推进遥感数据获取的手段，形成自主的高分辨率资源卫星、雷达卫星、测图卫星和对环境与灾害进行实时监测的小卫星群。

1.2　航空航天遥感对地定位趋向于不依赖地面控制

确定影像目标的实地位置(3维坐标)，解决影像目标在哪儿是摄影测量与遥感的主要任务之一。在已成功用于生产的全自动化GPS空中三角测量的基础上，利用DGPS和INS惯性导航系统的组合，可形成航空/航天影像传感器的位置与姿态自动测量和稳定装置(POS)，从而可实现定点摄影成像和无地面控制的高精度对地直接定位。在航空摄影条件下，精度可达到dm级;在卫星遥感条件下，精度可达到5～10m。该技术的推广应用将改变目前摄影测量和遥感的作业流程，从而实现实时测图和实时数据库更新。若与高精度激光扫描仪集成，可实现实时3维测量(LIDAR)。

法国利用设在全球的54个站点，向卫星发射信号，通过测定多普勒频移以精确解求卫星的空间坐标，具有极高的精度。测定距地球1300km的Topex/ Poseidon卫星的高度，精度达到±3cm。用来测定SPOT4卫星的轨道，3个坐标方向达到±5m的精度，对于SPOT5和Envisat，未来可达到±1m的精度。若忽略SPOT5传感器的角元素，直接进行无地面控制的正射像片制作，精度可达到±15m，完全可以满足国家安全的需求。

1.3　摄影测量与遥感数据的计算机处理更趋向自动化和智能化

从影像数据中自动提取地物目标，解决它的属性和语义(what)，是摄影测量与遥感的另一大任务。2001年，在已取得影像匹配成果的基础上，影像目标的自动识别技术主要集中在影像融合技术上，基于统计和基于结构的目标识别与分类，处理的对象既包括高分辨率影像，也更加注意高光谱影像。随着遥感数据量的增大，数据融合和信息融合技术愈渐成熟。压缩倍率高、速度快的影像数据压缩方法也已商业化。我国学者在这些方面的研究都取得了可喜的成果。

1.4　利用多时相影像数据自动发现地表覆盖的变化趋向实时化

利用遥感影像自动进行变化监测关系到我国的经济建设和国防建设。过去人工方法投入大、周期长，随着各类空间数据库的建立和大量新的影像数据源的出现，实时自动变化检测已成为研究的一个热点。

我国学者正进行的研究包括利用新旧影像(DOM)的对比、新影像与旧数字地图DLG)的对比来自动发现变化和更新数据库，最理想的方法是将影像目标3维重建与变化检测一起进行，实现3维变化检测和自动更新。进一步的发展则是利用智能传感器，将数据处理在轨完成，而发送回来的直接为信息，而不一定为影像数据。

1.5　摄影测量与遥感在构建“数字地球”、“数字中国”和“数字省市”中正在发挥愈来愈大的作用

“数字地球”概念是在全球信息化浪潮推进下形成的，1999年12月，在北京成功地召开了第一届国际数字地球大会后，我国正积极推进“数字中国”和“数字省市”的建设，2001年，国家测绘局完成了构建“数字中国”和“数字省市”的建设，以及构建“数字中国”地理空间基础框架的总体战略研究。在已完成的1∶1000000和1∶250000全国空间数据库的基础上，2001年全国各省市测绘局开始1∶50000空间数据库的建设，在这个数据量达11TB的巨型数据库中，摄影测量与遥感将用来建设DOM(数字正射影像)、DEM(数字高程模型)、DLG(数字线划图)和CP(控制点影像数据库)。

1.6　全定量化遥感方法将走向实用

从遥感科学的本质讲，通过对地球表层(包括岩石圈、水圈、大气圈和生物圈四大圈层)的遥感，其目的是获得有关地物目标的几何与物理特性，所以需要有全定量化遥感方法进行反演。几何方程是有显式表示的数学方程，而物理方程一直是隐式的。但随着对成像机理、地物波谱反射特征、大气模型、气溶胶研究的深入和数据的积累，以及多角度、多传感器、高光谱及雷达卫星遥感技术的成熟，相信在21世纪，全定量化遥感方法将逐步走向实用，遥感基础理论研究将迈上新的台阶。

2　GIS技术的主要发展趋势

2.1　空间数据库趋向图形、影像和DEM三库一体化和面向对象

GIS发展曾经历过栅格、矢量两个不同数据结构的发展阶段，目前，随着高分辨率卫星遥感数据的快速增加和数字地球、数码城市的需求，面向对象的数据模型和三库(图形矢量库、影像栅格库和DEM格网库)一体化的数据结构。将更加自然化、逼真化、更加贴近用户。以面向应用的GIS软件为前台，以大型关系数据库(Oracle8i、9i等)为后台数据库管理，成为当前的主流趋势。为了建立国家和省级的大型空间影像数据库(TB级)，无缝跨带连接的问题也已经解决。

2.2　空间数据表达趋向多比例尺、多尺度、动态多维和实时3维可视化

在传统的GIS中，空间数据是以2维形式存储并挂接相应的属性数据。目前，空间数据的表达趋势是基于金字塔LOD(Level of Detail)技术的多比例尺空间数据库，在不同尺度表示时可自动显示相应比例尺或相应分辨率的数据，多比例尺数据集的跨度要比传统地图比例尺大，在显示不同比例尺数据时，采用LOD或地图综合技术。真3维GIS的空间数据要存储3维坐标，动态GIS在土地变更调查、土地覆盖变化检测中已有较好的应用，但真4维的时空GIS目前仍停留在理论研究阶段。基于三库一体化的实时3D可视化技术发展势头迅猛，已能在PC机上实现在GIS环境下的3维建筑物室外室内漫游、信息查询、空间分析、剖面分析和阴影分析等。

2.3　空间分析和辅助决策智能化需要利用数据挖掘方法从空间数据库和属性数据库中发现更多的有用知识

GIS是应用导向的空间信息技术，空间分析与辅助决策支持是GIS的高水平应用，它需要基于知识的智能系统，知识的获取是专家系统中最为困难的任务。随着各种类型数据库的建立，从数据库中挖掘知识成为当今计算机界一个十分引人注目的课题，从GIS空间数据库中发现的知识可以有效地支持遥感图像解译，以解决“同物异谱和同谱异物”的问题。反过来，从属性数据库中挖掘的知识又可以优化资源配置等一系列空间分析的功能。尽管数据挖掘和知识发现这一例题仍处于理论研究阶段，但其应用前景是不可估量的。

2.4　通过Web服务器和WAP服务器的互联网和移动GIS将推进联邦数据库和互操作的研究与地学信息服务事业

随着计算机通信网(包括有线与无线网)络的大容量和高速度化，GIS已成为在网络上的分布式异构系统。由不同单位、不同组织维护管理的既独立又互联互用的联邦数据库将提供全社会各行各业的应用需要。因此联邦数据库和互操作(Federal Dalabases＆Interoperability)问题成为当前国际GIS联合攻关研究的一个热点。互操作意味着数据库中数据的直接共享，GIS功能模块的互操作与共享，以及多点之间的协同工作，这方面的研究已显示出明显的成效。未来的GIS用户将可能在网络上为其需要交纳所选用数据和软件功能模块的使用费，不必购买这个数据库和整套的GIS硬软件，这些成果产生的直接效果是:GIS应用将走向地学信息服务。

目前，已兴起的LBS和MLS，即基于位置的服务和移动定位服务，突出地反映了这种变化趋势。它引起的革命性变化是GIS将走出研究所和政府机关，而成为全社会人人具备的信息服务工具，就像人人戴手表一样，我国目前已有1.8亿个手机用户，若每人每月为MLS支付10元费用，全国一年产值将达到216亿元。可以预测，在不久的将来，地学信息将能随时随地为任何人和任何事情进行4A服务(For Anyone＆Anything at Anywhere and Anytime)。

2.5　地理信息科学的研究有望在本世纪形成较完整的理论框架体系

我在《空间信息系统的集成与实现》^［1］一书(P₅～P₆)中曾扼要叙述了地球空间信息学的七大理论问题，即:①地球空间信息的基准:包括几何基准、物理基准和时间基准;②地球空间信息标准:包括空间数据采集、存储与交换标准;空间数据精度与质量标准;空间信息的分类与代码标准;空间信息的安全、保密及技术服务标准以及源数据标准等;③地球空间信息的时空变化理论:包括时空变化发现的方法和对时空变化特征和规律的研究;④地球空间信息的认知:主要通过各目标各要素的位置、结构形态、相互关联等从静态上的形态分析;发生上的成因分析、动态上的过程分析、演化上的力学分析以及时态上的演化分析达到对地球空间的客观认知;⑤地球空间信息的不确定性:包括类型的不确定性、空间位置的不确定性、空间关系的不确定性、逻辑的不一致性等信息的不完备性;⑥地球空间信息的解译与反演:包括定性解译和定量反演，贯穿在信息获取、信息处理和认知过程之中;⑦地球空间信息的表达与可视化:涉及空间数据库多分辨率表示、数字地图自动综合、图形可视化、动态仿真和虚拟现实等。目前，这些方面的研究对建立完备的现论尚显不足，需要在今后加强这方面的基础研究。

关于遥感与GIS的集成，涉及与GPS和通信技术的集成，本文不作讨论，可参见有关文献［1—3］。

总之，遥感与GIS在20世纪出现，在21世纪将形成自身的理论体系和技术体系，并将为信息化社会作出愈来愈大的贡献。

参考文献

［1］李德仁，关泽群.空间信息系统的集成与实现［M］.武汉:武汉测绘科技大学出版社，2000:244.

［2］李德仁，李清泉.论地球空间信息技术与通信技术的集成［J］.武汉大学学报(信息科学版)，2001，26(1):1-7.

［3］李德仁，李清泉，等.论空间信息技术与移动通信技术的集成［J］.武汉大学学报(信息科学版)，2002，27(1):1-6.

［4］李德仁.关于地理信息理论的若干思考［J］.武汉测绘科技大学学报，1997，22(2):93-95.

［5］龚健雅.地理信息系统基础［M］.北京:科学出版社，2001.

［6］邸凯昌.空间数据发掘与知识发现［M］.武汉:武汉大学出版社，2000:182.

(东北测绘，2002，25(4))