2015--2016测绘学科发展综合报告(上)

2017-09-20 08:50:12    来源:中国勘测联合网

摘要:文章分上、下两部分,上半部分主要讲述我国测绘学科近年的最新研究进展,下半部分主要内容对测绘学科的国内外研究进展进行比较。

2015--2016测绘学科发展综合报告(上)  

        来源:中国测绘地理信息学会《2015--2016中国测绘学科发展蓝皮书》

        作者:宁津生院士。


        本文由尊敬的中国工程院宁津生院士所写,为使文章阅读效果最佳化,勘测联合网编辑经过整理后与大家分享。由于文章篇幅较长,信息量大,故将全文分上、下两部分,上半部分主要讲述我国测绘学科近年的最新研究进展,下半部分主要内容对测绘学科的国内外研究进展进行比较。转载请在文章头部注明【勘测联合网】


  宁津生院士简介:中国工程院院士,武汉大学教授,原武汉测绘科技大学校长,兼任中国测绘学会测绘教育工作委员会主任。研究方向为大地测量学与测量工程、地球物理等。

  一、引 言

  经过改革开放以来近40年的建设和发展,我国国家整体实力显著增强,正在实施政治,经济,外交等多方位全球战略,作为世界大国和强国,世界正赋予我国更多的期待和使命。测绘地理时空信息已成为支撑国家重大战略,重大决策全面实施的基础信息,也是保障国土安全和国家利益拓展的重要基石。当前,已逐渐形成以“全球统一时空基准--全球对地观测--多元(源)时空信息融合处理--多维时空环境认知与仿真--时空信息网格(云)服务”为主线的多学科交叉与融合发展态势,测绘学科从单一学科走向多学科的交叉,其应用已扩展到与空间分布信息有关的众多领域,传统的测绘学演变为包括全球导航卫星系统、航天航空遥感、地理信息系统、网络与通信等多种科技手段的测绘与地理信息学科。我国提出了“加强基础测绘,监测地理国情,强化公共服务,壮大地信产业,维护国家安全,建设测绘强国”的总体战略目标,中国测绘已由生产型测绘向服务型测绘转变、由事业型测绘向管理型测绘转变、由主要依靠政府推动发展向依靠政府和市场两种力量推动发展转变、由单一地图及地理信息数据生产服务向网络化综合性的地理信息服务转变。测绘与地理信息工作与政府管理决策、企业生产运营、人民群众生活的联系更加紧密,各方面对测绘与地理信息服务保障的需求更加旺盛,测绘与地理信息的内涵开始转型升级,从传统的测绘技术条件下的数据生产型测绘转型升级为信息服务型测绘与地理信息,从计划经济时代沿袭的传统测绘体制转型升级为适应社会主义市场经济的测绘与地理信息体制机制。鉴于测绘与地理信息的战略地位,世界各国纷纷加强测绘与地理信息资源建设,加快卫星导航定位、高分辨率遥感卫星等技术的进步升级,推动云计算、物联网、移动互联、大数据等高新技术与测绘和地理信息的深度融合,提升地理国情信息处理、分析、提供的速度、效率和能力,重点强调以数据获取实时化、处理自动化、服务网络化、产品知识化、应用社会化为主要特征的信息化测绘体系建设,着力构建以现代化装备设施为核心的信息化测绘体系,加快推动测绘与地理信息技术体系尽快由数字化向信息化转型升级。因此2015--2016年我国测绘与地理信息相关学科发展迅猛。

  本综合报告对2015--2016年我国测绘与地理信息学科的发展进行评述和归纳,回顾、总结和科学评价我国近几年测绘与地理信息学科的新观点、新理论、新方法、新技术及新成果等发展现状,结合2015--2016年测绘重大专项,对若干关键技术进展进行凝练,简要介绍本学科在学术建制、人才培养、研究平台、重要研究团队等方面取得的进展,并结合本专业有关国际重大研究计划和研究项目,分析比较国际上本学科最新研究热点、前沿和趋势,评析上述专业国内外的发展动态。根据2015--2016年测绘与地理信息学科发展现状,对比国内与国际测绘学科技术发展差距,分析我国测绘与地理信息学科未来5年发展战略和重点发展方向,提出相关发展趋势和发展策略。

  二、本学科近年的最新研究进展

  (一)测绘学科最新理论与技术研究进展

  1.大地测量与卫星导航定位

  现代大地测量学与地球科学、空间科学和信息科学等多学科交叉,不断拓展了大地测量学科的内涵与外延。随着卫星导航定位技术的迅猛发展,尤其我国北斗导航系统的广泛应用,大地推动了大地测量与导航领域的快速发展。

  随着国家“十三五”规划启动,大地测量与导航结合国家发展规划,不仅是在推动学科自身发展的基础研究与应用基础研究方面,还是与相关学科的交叉发展及新应用领域的拓展方面,都取得了长足的进步和显著的成就,对社会和经济发展产生了重要影响。随着航空航天技术、计算机技术、网络技术和通信技术的发展,我国在基准与参考框架、导航与定位、重力与大地水准面、数据处理与地球动力学等方面研究,保持与国际同步,甚至在某些领域领先国际水平。

  1)基准与参考框架维护

  国家现代测绘基准建设顺利推进,国家GNSS连续运行基准站网、国家GNSS大地控制网、国家高程控制网、国家重力基准点和国家测绘基准数据系统五个单项建设工程通过新建,改建和利用的方式,建立了地基稳定、分布合理、利于长期保存的测绘基础设施。我国现代大地测量基准体系已逐渐具备高精度,涵盖全部陆海国土、三维、动态的能力,最终将建成几何基准和垂直基准一体的高精度、三维、动态的现代大地基准体系。

  全国基准站网是建立和维持国家和省市级区域高精度、动态、地心、三维坐标参考框架的现代化基础设施,国家基准站和全国范围内31个省市自建基准站,基准工程站、927基准站和陆态网络基准站,完成了基准系列服务产品和全国联合网解算、整体平差。为维持CGCS2000稳定性,动态性和精确性,在CPM--CGCS2000 20个Ⅱ级块体模型及已获得的中国地壳运动观测网1025个站点速度的基础上,综合采用反距离加权法、欧拉矢量法、块体欧拉矢量法、有限元插值法、最小二乘配置法建立了全面、精确,稳定可靠的中国大陆1°x1°格网速度场模型;在CGCS2000框架非线性研究方面,利用全球IGS站多年的观测数据,基于具有良好的自适应算法的奇异谱分析方法进行建模和分析,提出了SSA-IQR粗差探测方法和SSA-P时间序列预报方法,结合改进的SSA-M 数据插值方法和MEM功率谱方法完成了全球框架及CGCS2000非线性速度场的建模。

  2)导航与定位

  我国的北斗系统除不断完善改进自身卫星性能外,还着力发展北斗系统的地面基准站布网、地面数据处理中心等相关发展,推广北斗系统创新应用,并与多个国家开展卫星导航领域的国际合作。同时,正在建设北斗全球系统,2015年开始实施北斗全球系统的组网任务,2016年3月底,北斗卫星导航系统已成功发射22颗在轨卫星.北斗导航卫星系统(BDS)已具备在亚太地区区域导航定位能力,2020年服务范围将覆盖全球,北斗导航系统是目前唯一全星座所有卫星都具有三频相位和三频伪距,3种原始观测数据的卫星导航系统RNSS+RDSS两种定位方式,即兼容被动式和主动式两种定位;在亚太区域内基本导航系统和天基增强系统的一体化设计,既简洁又可靠,并具有120个汉字的短消息通信功能,能与互联网互通。北斗地基增强系统通过播发信号的误差改正数对北斗卫星导航系统的精度和可靠性进行增强,并与其他GNSS系统的地基增强系统兼容,向用户提供米级,亚米级、分米级、厘米级精度的定位和导航增强服务。北斗卫星导航系统建设,正在加紧通过数据中心和分析中心等各类中心建设,对外免费提供基准系列产品(GNSS卫星精密轨道、钟差、坐标、对流层、电离层),促进BDS地面及用户部分发展与应用。与北斗卫星导航系统的发展相适应,为加快推进北斗系统的产业化,北斗CORS网的研究与建设成为当前北斗发展的重要领域之一。BDS与其他GNSS系统和技术组合维护CGCS--2000坐标系的相关研究已具有一定的研究基础,但仍需进一步完善CGCS--2000维持技术,精化相关模型。

  随着卫星导航与位置服务产业的发展,用户对室内外高精度无缝导航定位需求迫切。我国在广域实时精密定位技术与示范系统、大型建筑物复杂环境室内定位关键技术等方面取得了重大突破,分别实现了全国范围室外优于1m、室内优于3m的定位精度,并成功开展了应用示范。国内的协同精密定位平台正在积极构建,基于协同实时精密定位技术构建的广域室内外高精度定位导航系统,即“羲和计划”正在开展,开辟了覆盖我国的国家室内外协同实时精密定位系统的先河2014年,开展了基于协同精密定位监测技术研究,成功搭建一套实时以北斗/GNSS、移动通信、互联网和卫星通信系统为基础的移动、建筑物等监测系统。2015年,利用当下手机网络技术,结合实时GNSS数据,建立了一套基于智能手机的协同定位平台及服务软件,该技术实现了大众用户室外定位精度1m。

  3)重力测量与地球重力场

  近年来,我国航空重力测量在测量设备引入、自主研制、试验以及工程应用等方面得到了较快发展。2007年我国有关部门首先引进2套加拿大微重力公司GT-1A 航空重力仪,随后2012年引进了加拿大微重力公司的GT-2A型航空重力测量系统,该系统为我国目前引进的测量精度最高的一款航空重力测量系统,测量精度可达到0.6mGal。2016年3月份,国内组织了“高精度重力测量仪器研制与比对校准技术研讨会”,与其举办的第一届亚太区域绝对重力仪比对活动同期举行。我国研制设计的NIM-3A型绝对重力仪与T-2参加了2013年瑞士计量院主办的第九届全球绝对重力仪比对,获得较好比对结果,国内还没有用于测量重力梯度空间张量的仪器设备,但是高精度加速度计样机已达到0.2ug的水平,在高精度多级温控条件下加速度计的精度达到了2.3ug,迄今为止,国内发展起来的航空重力测量系统均属于标量重力测量技术,硬件技术主要依靠进口,航空矢量重力测量系统仍处于样机实验阶段。

  对航空重力测量相关技术的研究主要集中在载体运动参数确定、噪声过滤和向下延拓等方面。前者研究是利用GPS确定载体运动加速度、依据载波相位变率直接计算加速度/后者研究目前还处于探索之中,例如在台湾地区利用连续小波函数对模拟数据进行了分析。我国的CHAGS系统使用了级联式FIR和巴特沃斯滤波器,有效降低了航空重力中的低频噪声。

  国内外多个机构在重力卫星CHAMP、GRACE和GOCE发射后发布了上百个全球重力场模型,针对不断增加的重力数据,重力场模型构建技术也不断完善。我国在理论模型的改进、更高精度和更完善的卫星重力模型、地面重力数据全球覆盖生成方法、卫星测高观测数据的精密处理新技术,以及超规模计算技术的开发等方面,都开展了大量的研究。同时,也开展了大量的重力卫星研究工作,并在计划发射重力卫星。

  精密的大地水准面数字模型成为高程测量现代化的关键基础设施,可从根本上改变高程基准的维持模式和高程测定的作业模式。我国最新的陆地重力似大地水准面CNGG2011模型,是利用全国重力数据7.5′x7.5′SRTM数值地面模型资料和卫星测高资料反演的格网海洋重力数据,依据Stokes-Helemert理论和方法解算得到。目前,2′x2′陆地重力似大地水准面CNGG2013已初步成型。与GNSS水准比较,全国的平均精度由原来的±12.6cm提高到±10.9,特别是青藏地区的精度显著提高,从±21.9提高到±15.6.在重力似大地水准面构建上,采用“局部地形影响+模型重力场”组合移去恢复法计算%得到的重力似大地水准面经GNSS水准外部检核,实现了13个省市在厘米级精度上无缝衔接。

  4)大地测量数据处理

  大地测量数据处理方面,研究了复数域中数据处理的最小二乘方法,将测量平差从实数域推广到复数域。针对系数矩阵和观测值同时含有误差的问题,开展了广泛的整体最小二乘算法研究,提出了附有相对权比的整体最小二乘法、稳健整体最小二乘法、病态整体最小二乘法、基于PEIV模型的整体最小二乘法、附不等式约束的整体最小二乘法。此外,在先验信息利用、粗差探测、不适定问题及动态测量数据处理等领域均取得了新的进展。例如,在先验信息利用方面,研究了不等式约束平差方法/在粗差探测方面,提出了基于后验概率和分类变量的Bayes粗差探测方法、基于等效残差积探测粗差的方差;协方差分量估计法等;在不适定问题研究方面,提出了基于信噪比的正则化方法、双参数正则化方法等新方法;在动态测量数据处理方面,提出了两步自适应卡尔曼滤波方法、自适应抗差滤波算法和附有条件约束的抗差Kalaman滤波法。

  在基于云计算的大规模GNSS数据处理方面,利用分布式技术解决了地球参考框架和大地网高效处理、CORS领域、重力场模型计算、大规模GNSS网平差以及大规模GNSS基准站网数据处理等相关复杂问题的求解;在云计算云存储方面,出现了卫星导航“位置云”概念。国内学者将算法应用于大型GNSS数据的处理,研制的多线程、并行高精度实时定位软件,在地震监测、交通运输等领域实现一定规模的应用,将两者结合理论上可解决大规模GNSS数据处理中任务分解型多处理器分布式并行计算的关键问题。

  5)地球物理反演与地球动力学

  大地测量地球物理反演方面在数据获取、模型构建、反演算法设计及地球物理解释等4个领域,尤其是在高频GNSS数据在自然灾害预警中的应用及InSAR技术在活动断层识别和监测等领域取得了长足进展。大地测量应用于地震方面,在垂直向及水平向地壳形变监测、构造运动学和地球动力学、地震孕育机制和破裂过程、强地面运动监测和地震预警、地震孕育和发生等5个领域,尤其是在GNSS和InSAR技术结合提取垂向运动和重力监测地震异常等领域均取得了新的进展。在地球动力学方面,以大地测量与导航技术为手段,以数据处理为核心,以地球科学服务为宗旨,开展了固体潮、地球转动、地壳形变、冰川与海平面变化、地球构造和地震等相关领域的数据处理研究。天文地球动力学方向,在观测设备和技术、软件系统设计、资料分析技术及应用、天球参考系等4个领域均取得了长足进展,尤其是在北斗导航系统中的应用及大天区统一平差等领域。

  2.摄影测量与遥感

  近年来,摄影测量与遥感多种传感器和遥感平台出现并逐渐成熟,遥感数据获取能力不断增强,形成了以多源、高分辨率为特点的高效、多样、快速的空天地一体化数据获取手段;航空航天遥感正在朝“三多”(多传感器、多平台、多角度)和“四高”(高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率、高辐射分辨率)方向发展;遥感的应用分析正在由定性转向定量,观测对象也由境外向全球拓展、由陆地向海洋拓展、由地球向深空拓展,实施全球测图和深空测绘。近两年摄影测量与遥感专业技术进展体现在以下几方面。

  1)对地观测技术

  对地观测数据获取的空天地一体化和全球化,是世界各国一直追求的目标。我国除北斗导航系统正在实现由扩展的区域导航系统向北斗全球导航系统过渡外,还启动了高分辨率对地观测系统工程,发射了天绘一号测绘卫星和资源三号测绘卫星,并陆续发射“高分”系列对地观测卫星,已成为我国测绘数据获取的主要手段。高分四号卫星作为我国第一颗地球同步轨道遥感卫星,通过指向控制,实现对中国及周边地区的观测,与此前发射的运行于低轨的高分一号、高分二号卫星组成星座,具有高时间分辨率和较高空间分辨率,已成功实现了全色0.8m、多光谱3.2m的空间分辨率和45km的观测幅宽,表明我国在卫星遥感领域达到了国际先进水平,具备获取全球高空间分辨率地理空间信息的能力。

  在航空摄影测量方面,无人机遥感以其全天时、实时化、高分辨率、灵活机动、高性价比等优势,在农业、生态环境、新农村建设规划、自然灾害监测、公共安全、水利、矿产资源勘探、测绘等国民经济及社会发展各个领域发挥了重要作用,成为继卫星遥感和有人通用航空遥感技术之后的新兴发展方向。无人机遥感测绘系统发展趋势,主要体现在高性能、高可靠性、长航时、搭载多传感器等方面;其次是向微小型化发展,主要体现在轻便易携、易学易用、单人操作等;最后通过与其他技术集成应用,体现在空地一体化测绘遥感系统装备、测绘地理信息应急监测车、土地执法巡查车等方面。

  关于高光谱遥感传感器研制与信息获取技术,机载成像光谱仪商业化水平不断推进,应用领域持续拓展。近年来无人机高光谱遥感受到了业界的高度重视,表现出良好的技术优势和发展潜力。目前,我国在HJ-1A、嫦娥一号和天宫一号等探测系统中都搭载了成像光谱仪。此外,预计在发射的高分五号装有甚高光谱分辨率探测仪和多部大气环境和成分探测设备,可以间接测定PM2.5的气溶胶探测仪,实现纳米级光谱差异探测。大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪是高分五号卫星的主载荷之一,也是我国首个星载超高光谱卫星探测载荷,通过对温室气体、臭氧等成分和浓度的探测,为气候变化研究和大气环境监测提供科学依据。

  2)无地面控制点测图

  近些年来我国紧随欧美等发达国家,在无地面控制条件下遥感数据直接定位技术、地物光谱辅助目标自动识别与图像判读技术、空间遥感“像素工厂”模式DSM/DOM智能获取技术、倾斜摄影相机多角度对地成像全自动快速三维建模技术的研究上,取得了卓有成效的研究成果。无地面控制测图这一技术难题正逐步被攻克。我国自主研制的三线阵测绘卫星“天绘一号”和“资源三号”,也实现了影像数据经过地面系统处理,在无地面控制点条件下,满足测绘全球1:5万地形图的精度要求。

  3)深空测绘

  深空测绘与深空探测相伴而生,是深空探测科学活动的基础保障。中国实施了两次月球探测,都获得了圆满成功,先后获取了120m分辨率全月图和大量科学数据、7m分辨率全月和1.5m局部影像图等深空测绘资料。2010年,中国利用嫦娥一号的CCD影像数据编制了目前同等分辨率(120m)覆盖最全的《嫦娥一号全月球影像图集》,2012年发布了目前覆盖最全的高分辨率影像图《嫦娥二号全月球7米分辨率影像图》和《嫦娥二号高分辨率月球影像图集》。中国的《嫦娥一号全月球地形图集》是继《嫦娥一号全月球影像图集》之后,采用嫦娥一号探测器CCD立体影像通过摄影测量方法获取的全月球数字高程模型(DEM)数据制作而成DEM数据的空间分辨率为500m,平面中误差为192m,高程中误差为120m。

  4)合成孔径雷达(SAR)

  目前,我国SAR系统正在向着高分辨率、多基线、多波段、多极化、多工作模式、小型化、轻型化方向发展。随着SAR硬件系统的不断升级和相关软件的不断更新SAR系统的实时处理能力不断提高。阵列天线SAR系统的研制,将构建新型的三维空间信息获取装备,有效增强SAR数据获取能力和三维信息重建能力。国内由多家研究单位联合研制的我国首套机载多波段多极化干涉SAR测图系统(CASMSAR)能够实现1:5000到1:5万比例尺测绘。地基SAR成像系统也得到了迅速发展,通过合成孔径技术和步进频率技术实现在方位向和距离向的高空间分辨率成像,地基SAR成像系统视线向位移测量精度可达到0.1mm

  5)激光雷达

  近年来,激光雷达(LiDAR)技术发展迅猛。根据所搭载平台的不同,该技术可以分为星载激光雷达、机载激光雷达、车载激光雷达和地面激光雷达。其中机载LiDAR系统及其数据处理技术发展较为成熟,目前已广泛用于大范围高精度数字地面模型和数字表面模型的建立等;车载LiDAR系统则侧重于获取高精度的数字城市道路及建筑物立面信息,主要用于道路环境与城市街景建筑物立面的快速重建;地面LiDAR系统较之机载,车载LiDAR系统,能获取到地面目标高精度、高细节层次的几何数据,大量用于文化遗产、古建筑重建等;星载LiDAR具有运行轨道高、观测视野广的特点,对大范围覆盖的地物的监测意义重大,在天体测绘、极地冰盖研究、林业资源调查、大气成分和结构测量、海面高度等研究中得到广泛应用。

  6)多元(源)时空信息融合处理

  广域时空信息是一种从时间和空间维度记录,表达现实世界的数据集。由于获取手段、获取能力、应用目的的差异,使得时空信息普遍具有来源多样、类型丰富、模型异构、质量不均、多尺度、多时相、多语义等特点,给时空信息的集成、共享及复用带来诸多困难和问题,时空信息融合是解决该问题的有效方法,通过融合处理弥补多源时空信息存在的不足,并有效提高数据质量和现势性,从而提高时空信息的使用效率、扩大时空信息的应用范围。目前关于时空信息融合处理的研究主要集中在多源遥感影像融合处理、矢量时空数据融合处理、影像与矢量空间数据的融合处理、互联网时空大数据融合处理等方面。

  3.地图制图与地理信息工程

  近年来这一学科领域的研究主要集中在现代地图学理论、数字地图制图、地理信息系统、地理信息基础框架、移动地图与网络地图、多维时空环境认知与仿真等六个方面。

  1)现代地图学与地理信息科学

  在以云计算、大数据和智慧地球等新概念、新架构和新方法的推动下,地图和地图学本身的概念内涵和外延在不断的演化中,出现了全息位置地图、智慧地图和新媒体地图等衍生新概念。在地图学与地理信息相关理论研究方面,空间认知理论、地图传输理论、地图语言学理论等研究取得了若干进展,初步建立一个具有解释和预测功能的完备理论和方法论体系,形成地理信息科学。

声明:中国勘测联合网登载此文出于传递更多信息之目的,并不意味着赞同其观点或证实其描述,文章内容仅供参考。