《測繪學報》

構建與學術的橋樑 拉近與權威的距離

從測繪學向地理空間信息學演變歷程

寧津生, 王正濤

武漢大學測繪學院, 湖北 武漢 430079

收稿日期：2017-07-02；修回日期：2017-08-29

第一作者簡介：寧津生(1932-), 男, 教授, 中國工程院院士, 研究方向為物理大地測量的理論與方法研究。E-mail:[email protected]

摘要：本文是對測繪學科從傳統測繪到數字化測繪，再到測繪信息化即地理空間信息學3階段發展歷程的回顧。主要闡述了測繪學科伴隨著國家需求和世界科技發展的進程在理念、理論、技術、方法和應用服務等方面的變化和發展，較詳細地記述瞭如何由測繪學向地理空間信息學的演變；演變過程中測繪學的理念、學科分類和內涵有哪些變化；並且對數字化測繪、測繪信息化（地理空間信息學）等給出了基本概念和定義。

關鍵詞：傳統測繪 地理空間信息學 數字化測繪 數字地球 地理空間框架

Progresses from Surveying and Mapping to Geomatics

NING Jinsheng, WANG Zhengtao

School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China

First author: NING Jinsheng(1932—), male, professor, academician of the Chinese Academy of Engineering, majors in the research of the physical geodesy theory and methods.E-mail:[email protected]

Abstract: This paper aims to look back the three-step progresses of the Surveying and Mapping science and technology from traditional surveying and mapping to digital surveying and mapping, and then to informatization surveying and mapping which is also called Geomatics. It mainly discusses the changes and developments of the surveying and mapping science and technology in terms of the concept, theory, technology, method, application service and so on, with the evolution of the national needs and world science and technology developments. Besides, the way from Surveying and Mapping to Geomatics is also presented in detail, together with the changes of the concepts, disciplines and connotations in the Surveying and Mapping. Finally, the basic conceptions and definitions of digital surveying and mapping and Geomatics are given.

Key words: traditional surveying and mapping geomatics digital surveying and mapping digital earth geospatial framework

1994年美國以總統令提出建立“國家空間基礎設施(NSDI)”，1998年美國前副總統戈爾提出“數字地球”的概念^[1-2]，這一系列舉動大大推進了社會信息化進程，成為搶佔信息產業發展新的制高點和主動權的重大戰略步驟，在世界上引起了極大的反響。各國都將其列入國家發展的重中之重，特別是“數字地球”的構想在測繪行業中反應更顯強烈，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。短短几年時間裡，測繪理論、方法、手段，測繪成果的表現形式和應用等方面都發生了質的變化，大大促進了測繪科技的發展。

GPS的出現革新了傳統的經緯儀、全站儀定位方式；遙感衛星或數字攝影獲得的影像代替了舊的攝影測量數據採集技術，測繪人員在室內藉助高速高容量計算機和專用配套設備對遙感影像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，由此製作各類可供社會使用的專用地圖和地理信息等測繪產品

綜上所述，藉助以計算機技術、空間技術、通信技術和信息技術為支柱的測繪高新技術日新月異，發展迅猛，測繪學的理論基礎、測繪工程的技術體系、研究領域和學科目標都發生了深刻變化。當前，與國家發展需求相適應，測繪業已成為一項重要的信息產業，它的服務範圍和對象也在不斷擴大，已經從原來的控制、測圖、基本地形圖製作，發展到國民經濟和國防建設的各個領域。隨著21世紀更加成熟的信息化社會的到來，測繪學必將迎來更高層次的發展，在未來數字地球的概念和技術框架中佔據重要的基礎性地位。

1 測繪學科向地理空間信息學演變歷程

測繪學是一門古老學科，1880年德國科學家赫爾默特曾對Geodesy這個詞下了一個定義：測量和描述地球的學科。現在都將Geodesy這個詞定義成大地測量學，而且國內外都已約定俗成，毫無疑義。但是我們從赫爾默特對此詞的定義和內涵看，它是測量和描述地球的學科，所以曾經有人將Geodesy這個詞譯成為“測地學”。

傳統測繪學若按赫爾默特的定義，就是利用測量儀器測定地球表面自然形態的地理要素和地表人工設施的形狀、大小、空間位置及其屬性等，然後根據觀測到的數據通過地圖製圖的方法將地面的自然形態和人工設施等繪製成地圖。

傳統測繪的學科可劃分為：大地測量學、攝影測量學、地圖製圖學、工程測量學和海洋測繪學。

(1) 大地測量學。大地測量學是研究地球表面及其外層空間點位的，精密測定地球的形狀、大小和重力場，地球的整體與局部運動，以及他們的變化的理論和技術的學科^[4-5]

(2) 攝影測量學。攝影測量學是研究利用攝影的手段獲取目標物的影像數據，從中提取幾何或物理信息，並用圖形、圖像表達的學科^[6]。

(3) 地圖製圖學。地圖製圖學是研究地圖製作的基礎理論、地圖設計、地圖投影、地圖編繪和製作的技術方法及應用的學科^[7]。

(4) 工程測量學。工程測量學是研究工程建設和自然資源開發中進行測量工作的理論和技術的學科。它是測繪學在國民經濟、社會發展和國防建設中的直接應用^[8]。

(5) 海洋測繪學。海洋測繪學是研究以海洋水體和海底為對象所進行的測量和海圖編制的理論和方法的學科^[9-10]。

傳統測繪由於受到觀測儀器和方法的限制，只能在地球的某一局部區域進行測量工作，具有如下特徵：

(1) 勞動強度大；

(2) 時間延續長；

(3) 測量精度低；

(4) 限於局部範圍；

(5) 靜態測量；

(6) 應用範圍和服務對象窄。

隨著空間技術、計算機技術、信息技術和通信技術的發展及其在各行各業中的不斷滲透和融合，測繪學這一古老的學科在這些新技術的支撐和推動下，出現了以3S技術為代表的現代測繪科學技術，使測繪學科從理論到技術發生了根本性的變化。

1.2 數字化測繪

20世紀90年代，測繪領域充分利用計算機技術、衛星導航定位技術、遙感技術、地理信息系統技術等現代高新測繪技術，實現了地理信息獲取、處理、服務和應用全過程的數字化，測繪技術形態和產品形式都發生了深刻變化。隨著全球定位系統全面應用於大地測量定位，以及全數字化自動測圖系統、影像掃描系統、全數字空中三角測量系統、數字攝影測量工作站、地圖編輯工作站、地圖數字化系統等數字化測繪技術裝備及地理信息系統基礎軟件和應用軟件相繼問世，一套適應新技術的系列數字化測繪標準和地理信息數據生產的工藝流程逐漸形成；進一步，隨著衛星導航定位、遙感、數字化測圖和地理信息系統等有機結合，測繪和地理信息的獲取、處理、管理和服務的運行模式也得到相應發展。與此同時，電子(數字)測繪儀器取得重要進展，生產出了自主知識產權的電子(數字)經緯儀、測距儀、全站儀、GPS接收機等系列國產化儀器，開發了大量測圖軟件，基本實現了測繪儀器裝備的數字化，徹底改變了傳統的地圖測制手段，基本解決了基於網絡的數字化測繪生產、海量空間數據存儲管理、空間數據庫構建等關鍵技術難題，建成了一批基礎地理信息中心和基礎地理信息數據生產基地，測繪技術體系實現了從傳統向現代的歷史性跨越。這一階段是數字化測繪生產時代，或稱為地圖數字化時代，出現的新技術包括：全球導航衛星系統、衛星重力探測技術、航天遙感技術、數字地圖製圖技術、地理信息系統技術和虛擬現實模型技術

數字化測繪是將星載、空載和船載的傳感器，以及地面各種測量儀器所獲取的地理空間數據，通過信息技術和數字化方法，利用計算機硬件和軟件對這些地理空間數據進行測量、處理、分析、管理、顯示和利用。其顯著特徵包括：

(1) 測繪儀器電子化與自動化；

(2) 數據處理計算機化；

(3) 測繪生產與產品形式數字化；

(4) 測繪成果分發網絡化。

1.3 測繪信息化與地理空間信息學(又稱地球空間信息學)

隨著信息社會的發展進步，信息技術與信息資源作為信息社會的兩大支柱正在成為人類經濟和社會活動的迫切需要，成為掌握未來競爭與發展主動權和制高點的重要條件。走以信息技術發展和信息資源建設為核心的信息化道路，已經成為經濟社會發展的戰略選擇。隨著國民經濟和社會信息化進程的加快，測繪技術進步日新月異，地理信息需求迅速增長，數字化測繪技術和產品已經在眾多領域得到廣泛應用，測繪開始進入信息化時代。走測繪信息化發展道路，推進測繪信息化發展，是信息社會對測繪發展的基本要求

信息化測繪是在完全網絡運行環境下，利用數字化測繪技術為經濟社會實時有效地提供地理空間信息綜合服務的一種新的測繪方式和功能形態。測繪信息化的特點主要體現在以下幾個方面^[15-22]：

(1) 信息獲取實時化：地理信息數據獲取主要依賴於空間對地觀測技術手段，如衛星導航快速定位技術、航空航天遙感技術等，可以動態、快速乃至實時地獲取測繪需要的各類數據。

(2) 信息處理自動化：在地理信息數據的處理、管理、更新等過程中廣泛採用自動化、智能化技術，可以實現地理信息數據的快速或實時處理。

(3) 信息服務網絡化：地理信息的傳輸、交換和服務主要在網絡上進行，可以對分佈在各地的地理信息進行“一站式”查詢、檢索、瀏覽和下載，任何人在任何時候、任何地方都可以得到權限範圍內的地理信息服務。

(4) 信息應用社會化：地理信息應用無處不在，企業成為服務的主體，地理信息資源得到高效利用，並在經濟社會發展和人民生活中發揮更大的作用。

面向全社會提供地理信息服務是新時期測繪發展的主要任務，同時也標誌著測繪現代化建設或測繪信息化發展進入一個新的階段，即以地圖生產為主向以地理信息服務為主轉變的階段。信息化測繪體系是以多源化、空間化、實時化數據獲取為支撐，以規模化、自動化、智能化數據處理與信息融合為主要技術手段，以多層次、網格化為信息存儲和管理形式，產品服務從單一的測繪數字產品形式轉變為社會各部門、各領域的多元信息和技術服務方式，能夠形成豐富的地理信息產品，通過快速、便捷、安全的網絡設施，為社會各部門、各領域提供多元化、人性化地理信息服務，是測繪業務手段現代化的綜合體現和重要標誌。測繪信息化體系建設是實現測繪信息化的重要途徑，主要強調地理信息獲取實時化、處理自動化、服務網絡化和應用社會化^[23-24]。測繪信息化體系構建包括：

(1) 較為完善的全國統一、高精度、動態的現代化測繪基準體系；

(2) 現勢性好、品種豐富的基礎地理信息資源體系；

(3) 基於航天、航空、地面、海上的多平臺、多傳感器實時化地理信息獲取體系；

(4) 基於空間信息網格和集群處理技術的一體化、智能化、自動化地理信息處理體系；

(5) 基於豐富地理信息產品和共享服務平臺的網絡化地理信息服務體系；

這一階段出現了3個新的學科：衛星導航定位、航空航天測繪和地理信息工程。

2 測繪學的現代概念與內涵

從前述測繪學的發展歷程可以看出，現代測繪學是指地理空間數據的獲取、處理、分析、管理、存儲和顯示的綜合研究。原來各個測繪分支學科之間的界限已隨著計算機和通信技術的發展逐漸變得模糊了。某一個或幾個測繪分支學科已不能滿足現代社會對地理空間信息的需求，相互之間更加緊密地聯繫在一起，並與地理和管理學科等其他學科知識相結合，形成測繪學的現代概念與內涵，即研究地球和其他實體的與時空分佈有關信息的採集、量測、處理、顯示、管理和利用的科學與技術。它的研究內容則是確定地球和其他實體的形狀和重力場及空間定位，利用各種測量儀器、傳感器及其組合系統獲取地球及其他實體與地理空間分佈有關的信息，製成各種地形圖、專題圖和建立地理、土地等空間信息系統，為研究地球的自然和社會現象，解決人口、資源、環境和災害等社會可持續發展中的重大問題，以及為國民經濟和國防建設提供技術支撐和數據保障。測繪學科的應用範圍和服務對象——從控制到測圖(製作國家基本地形圖)的任務擴大到與地理空間信息有關的各個領域，特別是在建設“數字中國”和“智慧中國”中，測繪學將構建用於集成各類自然、社會、經濟、人文、環境等方面信息的統一的地理空間載體，即構建與數字中國相關聯的國家地理空間框架，或構建與智慧中國概念相關聯的時空信息基礎設施。測繪學已完成由傳統測繪向數字化測繪的過渡，現在正在向測繪信息化發展。由於將空間數據與其他專業數據進行綜合分析，致使測繪學科從單一學科走向多學科的交叉，其應用已擴展到與空間分佈信息有關的眾多領域，顯示出現代測繪學正向著近年來興起的一門新興學科——地理空間信息科學(Geo-Spatial Information Science，簡稱Geomatics)跨越和融合。地理空間信息學包含了現代測繪學的所有內容，但其研究範圍較之現代測繪學更加廣泛。

1996年，國際標準化組織(ISO)對地理空間信息學(Geomatics)給出了它的定義：“Geomatics is a field of activity which, using a systematic approach, integrates all the means used to acquire and manage spatial data required as part of scientific, administrative, legal and technical operations involved in the process of production and management of spatial information.These activities include, but are not limited to, cartography, control surveying, digital mapping, geodesy, geographic information systems, hydrography, land information management, land surveying, mining surveying, photogrammetry and remote sensing”。ISO還給出以下的簡明定義：“Geomatics is the modern scientific term referring to the integrated approach of measurement, analysis, management and display of spatial data”。地理空間信息學是地球科學的—個前沿領域，它利用系統化的方法，集成了用來獲取和管理空間數據的所有技術。這些數據是產生和管理諸如科學、行政、法律和技術等涉及空間信息過程所需的支撐數據。這些領域包括(但不僅限於)地圖學、控制測量、數字製圖、大地測量學、地理信息系統、海道測量學、土地信息管理、土地測量、礦山測量、攝影測量與遙感^[25-26]。

3 測繪與地理空間信息學

地理空間信息學不僅包含現代測繪科學的所有內容，而且體現了多學科的交叉與滲透，並特別強調計算機技術的應用。地理空間信息學不侷限於數據的採集，而是強調對地球空間數據和信息從採集、處理、量測、分析、管理、存儲到顯示和發佈的全過程。這些特點標誌著測繪學科從單一學科走向多學科的交叉；從利用地面測量儀器進行局部地面數據的採集到利用各種星載、機載和艦載傳感器實現對地球表面及其環境的幾何、物理等數據的採集；從單純提供靜態測量數據和資料到實時/準實地提供隨時空變化的地球空間信息。將空間數據和其他專業數據進行綜合分析，其應用已擴展到與空間分佈有關的諸多方面，如環境監測與分析、資源調查與開發、災害監測與評估、現代化農業、城市發展、智能交通等。胡錦濤同志在中國科學院和中國工程院院士大會上的講話中指出“要加快遙感、地理信息系統、全球定位系統、網絡通信技術的應用以及防災減災高技術成果轉化和綜合集成，建立國家綜合減災和風險管理信息共享平臺，完善國家和地方災情監測、預警、評估、應急救助指揮體系”。

“十二五”期間我國測繪工作的總體戰略是：構建數字中國，監測地理國情，發展壯大產業，建設測繪強國。數字中國是指以高速寬帶網絡通信技術為基礎，以國家空間信息基礎設施為依託，以虛擬現實技術為特徵，在統一的規範標準環境下，全面系統地揭示和反映中國的自然、社會和人文現象的信息系統體系。地理國情是關於國土疆域、地形地貌、地表覆蓋、江河湖泊、交通網絡、城鎮、人口與生產力、資源環境、災害等空間分佈和時空變化的基本國情。利用現代空間信息技術對地理國情的現狀與變化進行測繪、統計和分析，客觀準確地揭示其空間分佈規律和發展演化趨勢，可為資源與生態環境保護、經濟社會發展、戰略規劃制定、區域協調發展、重大國際問題應對等提供有力支撐。地理信息產業指對地理信息資源進行採集、加工、開發、服務和經營，是新興的高技術產業，涉及地圖、地理信息系統、遙感、衛星導航等產業分支。地理信息的生產應用覆蓋面廣、產業鏈長、關聯度大、增長迅速，具有智力要素密集度高、產出附加值高、資源消耗少、無環境汙染等特點，並與國家安全直接相關^[27]。

4 結語

當代測繪科學技術已從傳統測繪學向近代的地理空間信息學演變，在其學科發展中呈現出知識創新和技術帶動能力。它已形成為一門利用航天、航空、近地、地面和海洋平臺獲取地球及其外層空間目標物的形狀、大小、空間位置、屬性及其相互關聯的學科。現代空間定位技術、遙感技術、地理信息技術、計算機技術、通信技術和網絡技術的發展，使人們能夠快速、實時和連續不斷地獲取有關地球及其外層空間環境的大量幾何與物理信息，極大地促進了與地球空間信息獲取與應用相關學科的交叉和融合。現代測繪科學技術學科的社會作用和應用服務範圍正不斷擴大到與地理空間信息有關的各個領域，特別是在建設“數字中國”和“智慧中國”中發揮著重要基礎性作用。

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