新型空间信息集成型技术

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摘要 本文从分析对地观测技术的现状及全球环境变化研究、资源环境动态监测需求之间的适应性人手，阐述 空间信息集成型发展的技术背景、可行性及紧迫性。以GPS，RS，GIS一体化信息技术为例阐述了空间集成型技术的概念、理论、技术构成、特点，展望了空间信息集成技术的发展前景。 关键词 集成型技术，3“S”一体化信息技术，多元、多维复合数值分析 一、前言 人类认识自身赖以生存的地球环境、探索地球起源和生命起源，经历了漫长的历史时期。在航空高度观测地球只有百年的历史；在宇宙高度观测地球以至邀游太空只有30多年的历程。随着观测高度的增高和观测技术的进步，人类对自然界的认识也经历着从局部、片断逐渐向整体、全面认识的过程发展。 空间技术中，遥感（RS）技术应用广度的发展速度是始料不及的。短短30多年的发展，遥感技术已广泛应用于对地观测、大气探测、军事应用、行星探测等广阔的领域。显然对地观测只是遥感的应用领域之一。 遥感对地观测技术，如上所述，随着人们对遥感技术的逐渐理解，社会需求的增加和观测技术的进步，正经历着技术不断完善、能力不断增强、应用领域不断扩大的发展过程。技术应用、应用技术与科学探索不同，其发展的最终目标是要解决实际的应用问题，以最终解决问题的能力和效果来权衡这项技术的优劣及存在的必要性。当其 功能不能满足应用目标的需要时，必须不断地改造和完善这项技术。应用问题随社会发展的不同时期而异，相应 的技术应用、应用技术必须适应这种变化，也正是技术发展的动力和目标。 全球环境的日益恶化已引起世界各国的普遍重视，环境、资源、人口成为世界关注的焦点问题。在几十个与此有关的国际合作计划执行中，用地球系统科学理论将地球作为一个整体“系统”从事上述研究之际，遥感是重要的、无可替代的技术途径，已为世人所公认。 环境、资源、人口诸多问题存在于包括气圈、水圈、冰雪圈、生物圈、岩石圈在内的地球系统”之中。建立全球尺度和区域性尺度的确单因子模型和风细雨综合影响模型时，要求遥感数据分布在全球统一的地理坐标空间谍，要求遥感的作业时间满足不同因子变化周期的时效需求。这种时效性既反映在能否在要求周期内获取遥感数不清据，也反映在能否在要求周期内将遥感数据分析处理出成果。这些要求可归结为6点：①全球范围的数据；②长时间段的连续数据；③周期性的数据，同步观测数据；④物理的，化学的、生物学的等多种学科的数据；⑤校正过的定量化的数据；③具有准确的全球地理分布的数据。 在遥感对地观测技术及技术应用领域中（大气探测除外），“定性”、“定位”是两大技术支柱。围绕这两大问题的解决，发展了多种平台、多种遥感器、多种处理技术和应用技术，“定性”、“定位”的有机结合构成了遥感综合技术领域。多波段、高空间分辨率、高光谱分辨率、紫外到微波的波谱扩展应用、多台自校互校组合平台、相应的处理及应用模型等均是以解决“定性”问题而发展的技术体系；轨道参数、内几何模型、仿射变换模型、投影变换及共线条件模型、各种观测方式等均为与“定位”有关的技术体系。总之， 90年代全球变化研究、资源与环境动态监测、高科技对抗的军事技术的需求等等，均具有高动态重复频率、高效信息获取与应用能力、全球范围化等特点，即具有高频动态性能（时效性、全球性。也就是说遥感对地观测技术必须实现“定位”的高速自动化，和“定性”的高速定量化，才能达到这种高标准的应用需求，成为遥感对地观测技术的重要发展方向。 本文从现有技术的分析出发，阐述空间信息集成型技术发展的背景、条件、技术结构及发展趋势。 二、遥感对地观测技术中获取信息的特征与种类 遥感对地观测技术，顾名思义，是从空中（或宇宙空间）对地球进行观测的技术，包括大气空间及地球体。现以地球体作为观测目标为例（大气作为传输路径空间）试述信息的特征及种类。 1．观测对象的特征 地球体上具有反射、辐射波谱能量的目标均为遥感对地观测技术的观测对象。这些观测对象具有以下诸特征：①观测对象具有四维空间分布特征；②相邻的观测对象之间互相影响、互为依存的特征；③观测对象的反射、辐射波谱能量分别与所处地理位置、时相、表面粗糙度、地形、温度和湿度等因素有关；④位于观测对象与空中信息获取传感器之间的大气传输介质的影响是时间、空间的函数。 2．遥感器的探测特征 空中平台上的遥感器收集地球体上观测目标的反射、辐射能量时，具有以下诸特征：①遥感器探测器件的波谱响应灵敏度；②增益范围及量化级；③波谱分辨率、波段波形；④空间分辨率及内几何模型；⑤相对与绝对定标；③器件的稳定性；⑤轨道参数及姿态参数的精度；③回归周期及观测时间等。 3．数据的传输与处理特征 数据传输与接收、预处理时具有以下特征：①数据压缩技术的失真度；②数据预处理中的粗处理造成的数据失真等。由上述可知，信息获取技术采集的信息是一种包含了观测目标信息和多种影响因素形成的综合信息。尤其是波谱分辨力低（波段宽度大）、空间分辨力低（产生混合像元）的遥感器所采集的信息，只能宏观地识别一些面积大、目标单一的观测对象。反映观测对象的细部及多种观测目标混杂在一起时，区分出每一种目标的能力显著低下。 4. 信息分类 遥感对地观测技术获取的信息通常分为3类。 （1）围绕“定性”的信息即识别目标是什么物质的有关信息，主要包括地面传输到遥感器的波谱反射、辐射能量信息、同时获取的大气状态的信息、遥感器定标信息等。这些信息实际上已是隐含着多种影响因素的综合信息。 （2）围绕“定位”的信息即目标在地理坐标空间里的位置与分布，主要包括轨道茎数、姿态参数、遥感器数据获取方式及其它几何参数等。其中轨道参数、姿态参数等仅反映遥感器采集数据的粗略位置和状态。 （3）围绕“定量”的信息如某些粒子的空间分布密度等定量信息，主要用于对大气层的对地观测技术中。 当今的遥感对地观测技术所能够提供的观测信息正如上述，达不到如查对数表一样一组数字就对应一种物质的程度；将观测信息中的目标在地理坐标空间里准确定位也需要一个复杂的技术处理过程。即观测信息获取后直到得到应用目标成果还需要一个较长的后处理过程，而且目标识别的精度只能反映宏观分布规律。 三、遥感对地观测技术中信息获取技术的分析 遥感对地观测技术是人类认识自然的无可替代的重要技术手段。但仅用遥感技术也过不到真正认识自然的目的。自然界的物质之间是相互依存、相互影响的。确定一种物质的判据很多，尤其是相近的物质，某些微小差异都可成为区别不同物质的决定条件。遥感获取观测目标的信息主要是波谱反射、辐射能量信息及分布信息，而不是识别目标的全部判据信息。 遥感对地观测的信息获取技术中近几年刚出现组合技术系统。大体上说，以往是以单个传感器为主。尽管有高度、位置及姿态等设备，这些设备主要是对卫星轨道问题而设计的，数量及精度仅可用于粗处理中。内几何模型、辐射定标、大气传输影响的订正、平台的位置与姿态参数等等对信息处理、信息应用很重要的技术环节却往往是很软弱的部分。这既与技术系统的研制水平有关，也与应用水平有关。正如不可能设想在18世纪就制造出原子弹、也不能要求哥白尼的学说在那个时代就被教派承认一样，都要有个过程。 遥感信息获取技术主要分主动与被动两大类。详细的分类见图1。围绕上述的“定性”、“定位”、“定量”问题对这些信息获取技术中的工作方式及遥感器性能作一些分析。 1．“定性”的定量化 遥感对地观测技术能够获取目标的信息主要是波谱能量信息。诸多遥感器都是围绕捕捉反映目标波谱反射、辐射能量作为识别目标的重要依据之一。结合科技发展环境的可能，从多个方面发展了信息获取技术： 1）波谱域从初期的可见光向近红外、短波红外、热红外、微波以及紫外发展，扩展到了电磁波谱的相当宽的波谱域（图2）。 2）波段数从初期的单波段（黑白摄影）、3波段、4波段（别MSS）、7波段（TM）、直到200一300波段（成像光谱仪），成像雷达的多极化、多角度实际上也构成多波段等。 3）波段宽度从初期的0.4°m（黑白摄影）、0.1m（MSS），到10nm（成像光谱）。 4）空间分辨率从5m、 10m、 20m、 30m、 80m、……直到lkm以上，形成系列。 5）多遥感器搭载于同一平台，构成自校互校系统，以提高“定性”识别能力。如TOPEX卫星上微波辐射计测量的大气参数用于微波测高仪的大气校正；美国EOS计划中的大型极轨平台同时搭载约20种遥感器等。 波谱域的扩展适应了各种物质反射、辐射波谱的特征峰值波长的宽域分布；波段数的增加利用了不同物质在不同波段的光谱响应特性的区别；波段宽度愈小不致于漏掉峰值波长的微小差异；空间分辨率愈高混合像元愈少，有利于分类精度的提高；自校互校组合；台可明显地剔除干扰，提高识别能力。尽管采取了多种技术，由于应用目的和应用价值的不同，权衡数据量、可行技术及处理能力之后必须有所折衷。单纯地按理论上的可能性去发展信息获取技术往往是行不通的。 2．“定位”的自动化 在遥感对地观测技术领域中，为解决目标信息在地理坐标空间中的定位问题发展了以下相应技术：①非匀速运动的机械摆动式扫描、波束式扫描、全景相机、 诚相待CCD线阵、面阵推扫式扫描等。后者的几何性能远高于前者，不仅具有框幅式模拟图像的几何稳定性，而且可实现多波段获取数据。②轨道参数、姿态参数量测技术、微波测距技术（TOPEX卫星）、激光测距技术，全球定位系统（GPS）已作了试验应用。③立体观测技术、同轨立体观测技术（JERS一1 OPS）、异轨侧视立体观测技术（SPOT）、多角度观测技术等。 这几类技术根据不同应用目标分别用于各类信息获取技术中。 ccD线阵保证了一条扫描线所包含的诸多像元之间的固定位置关系，克服了摆动反射镜扫描困非匀速摆动造成像元的非线性分布；立体观测技术为提高目标信息的定位精度，同时生成DEM，为信息处理技术中消除地形影响，提高定性分析精度提供了方便；全球定位系统的应用较之按轨道参数将图像定位的方法，其精度得到很大提高。总体而言，信息获取技术中围绕定位问题的解决尚需作出更大的努力。 3．综合分析 已有的信息获取技术中，为提高识别自然目标的能力，在波谱信息这一判据方面已付出很大的努力，成像光谱仪的发展堪称为向新一阶段发展的标志。但由于云的干扰等，要在一定时间段内取得全球覆盖的成像光谱仪数据，又是非常困难的。成像雷达在获取全球范围的数据方面是最佳遥感器，又将获取信息的波谱域扩展到微波。同样地成像雷达堪称为向新一阶段发展的又一重要标志。但微波遥感的基础工作薄弱，信息处理复杂，立即见效尚需时日。但成像光谱仪和成像雷达的特殊优点，已成为遥感信息获取技术中遥感器的发展方向。 如前所述，以自然界为观测对象的遥感对地观测技术所获取的信息，是目标识别的甭要判据之一。立体观测技术使遥感信息内包含了可从中提取三维地形信息的潜力，继而义多维分析创造了潜在条件；但最终识别目标尚需多元信息的复合分析才能实现。仅就遥感对地观测信息而言，实现多维遥感信息分析，已有技术可以做到，但每一步骤都需要繁琐的条件准备和足够的时间。这是因为已有的信息获取技术中给出的波谱信息需要校正；给出的轨道及姿态参数精度尚不能满足遥感信息准确定位的需要，包括立体观测方式的遥感信息，必须借助于其它资料（如地形图等）才能实现从中提取出对多维分析有用的三维地形信息等等。上述这些过程繁琐及需时长，形成实用技术困难，不仅使遥感应用工作者望而却步，且对于全球变化研究、资源与环境动态变化监测等等对时效性（即在希望的时间段内获取信息并处理出结果，否则是无效信息）要求高的重要应用领域而言，遥感对地观测技术的实际价值已受到挑战。 　四、遥感对地观测技术中信息处理技术的分析 遥感对地观测技术中，围绕“定性”问题必需的信息处理技术也经历了一个发展过程。“遥感”一词的概念往往是以多波段数字图像的出现作为起点，有别于已有近百年历史的黑白摄影模拟图像。相应的信息处理技术及其理论也随信息获取技术的发展及应用技术的进步经历了几个阶段。 1．光学处理技术与目视解译的结合 这是从事信息应用的遥感学者的研究范畴。多光谱数据的出现，起初是多光谱摄影技术，这是一种颇具影响力的应用技术，一次可获取几张不同波段的图像。这类图像的处理采用了光学处理技术，且光谱合成仪发展迅速。这种以色度学力理论基础的假彩色合成得到了五彩缤纷图像的色彩效果。这些色斑的应用解释主要是靠应用专家的地学知识，建立标准样区，选择标准样片，结合地学规律采用由点推面的逻辑推理方法完成面积专题图件。应该说仍未脱离看图识字的技术范畴。初期的LANDSAT MSS数字图像，也往往将其D／A转换成模拟图像，以便利用光学合成的技术。与光谱合成仪具有相似原理的光学掩膜技术也是一种价廉的光学处理方法。 光学处理技术中以密度大小的等级（目标物质光学反射、辐射能量大小的一种标志）识别目标的方法是光学处理技术中的另一种方法。相应地出现了密度分割仪等处理设备。这种技术往往与上述光学合成的方法配套应用，以取得色度和密度两种判据。在遥感发展初期，这种处理技术是主流技术，用这种技术也做出了很大成绩。 2．计算机处理技术与目视解译的结合 遥感对地观测技术获取信息的处理随着计算机技术的高性能化、小型化、廉价化的发展，计算机图像处理技术在信息处理中所占的比重愈来愈大。拥有遥感图像计算机处理系统似乎成了从事遥感研究的标志。相应的数字处理中的线性判别、统计、特征提取、监督和非监督分类、主成分分析、纹理分析等也成为遥感应用学者的日常用语。这阶段的计算机图像处理具有以下特征：①处理的对象是光谱信息数据。如：从地面站购人的CCT数据等。这些ccT数据是经过怎么样的技术过程得到的，这中间有多大程度的数据畸变等问题，极少有人去考虑它。②处理理论是二维空间的数学模式，且这种数学模式是以文字类型图像为处理对象。③最小处理单位是“像元”。因此，对于各种分辨率不同的遥感图像数据其处理效果会有明显的差异。 经过计算机图像处理后的结果，往往需要用目视解译方法为其建立训练区。由于计算机的价格及操作者的训练需要时间，因而普及程度受到限制，在大面积作业时依然以目视解译为主。对计算机图像处理而言，鉴于上述的特征，其图像分类精度不可能高，甚至难以达到应用所需精度。 3.多元、多维复合分析处理技术的研究得到发展 上述以像元为处理单元、以光谱信息为处理对象、以二维处理数学模式为图像处理技术基础的计算机处理技术，在处理具有多元、多维性质的遥感图像数据时出现的精度问题正是反映了以往图像处理理论的不完善。于是，地形影响校正、太阳高度角的影响校正、生物地学规律的模型化、亚像元的图像处理技术、辐射校正方法研究、人文经济信息的导人、周围漫反射的影响、小气候环境影响、局部生态环境影响等均有不少学者从事研究，以图完善计算机图像处理技术。尤其是地理信息系统（GIS）技术的发展，这类背景数据库如果能够建立并能实时更新的话，遥感图像处理将有可能进行多元、多维复合分析处理，使计算机图像处理逐步成为实用技术。 在进行上述研究之际，考虑到多维分析时，时相是很重要的一个方面，空间坐标的高程问题更为突出。也就是说多维分析处理中首先需有DEM。为写一篇文章制作一块“豆腐干”大的DEM不会有什么问题。但当大面积作业时，为了遥感图像处理首先要建立同样面积的DEM非同小可，在当前的技术条件下后者的工作量甚至要超过前者。多元分析也有不少人从事这方面的研究，与多维分析的情况一样尚未成为实用技术。可见多元、多维复合分析方法真正成为可大面积作业的实用方法还有相当远的路程要走。 4．围绕“定性”的信息处理技术现状分析 由上述几个信息处理技术的发展阶段可知，以往的信息处理技术具有如下几点特征。 1）信息处理技术是一项单独的技术，与信息获取技术几乎无关。尽管这是不科学的，却是遥感发展30多年来形成的基本事实。很多从事信息处理的专家对传感器在太空如何获取数据、传感器的性能、数据传输、如何成为CCT几乎不清楚。换言之，数据是从地面站买来的，处理出的结果是好是坏究其原因时均不能动性自圆其说。至于有些仅将遥感图像作为参考，完全依靠地面调查和已有资料分析作出专题应用图件者不在此列。 2）遥感信息处理理论有待建立或者进一步完善。遥感信息是一种具备多元、多维性质的数据信息。与文字信息（具备二值性）处理不同，与工业上的特定环境也不同。现在流行的二维处理数学模式理论上具有极大的局限性，发展适合多元、多维复合分析处理的数学方法已是势在必行的大课题。 3）遥感信息处理技术尚处研究阶段，亟待发展与此有关的辅助信息获取技术：生物地学规律的信息获取与模型化；大气传输对获取信息的影响参数与模型化；全球或区域太阳高度影响的模型化；DEM的快速生成技术及数据库；人文经济及环境因子的获取技术、模型化；数据库建立及快速更新技术等等。诚然还有属于对目标波谱反射、辐射能量有影响的其它因素及其影响规律。 五、遥感对地观测技术中对地定位技术的分析 遥感信息对地定位技术的发展有一个曲折的过程。“遥感”一词出现之前，立体摄影测量已广泛应用在航空和地面的测绘地形图及其它三维量测中。初期的航空像片判败涂地读也广泛地应用于地学的多种应用领域作为专题判读的手段，只不过其时的信息源是比较单调的黑白或彩色的模拟框幅式图像。立体摄影测量已有近百年的发展史，已是实用技术，有完整的理论、技术方法、作业流程，尽管后来在航天遥感领域中又有了很大发展（RBV，SPOT，JERS-1，早期的APOLLO等），数字立体摄影测量体系也已建立，并已有专业书籍介绍，这里不再赘述。遥感领域里，也就是以LANDSAT MSS作为普遍应用的开端的话，那么遥感信息对地定位技术也经历了几个发展阶段： 1．投影转绘 不言而喻，这是与遥感“定性”分析中的光学处理技术相匹配的。利用纠正仪纠正；利用投影转绘仪将模拟图像上判读出的图斑转绘到地形图上；利用立体转绘仪以减少中心投影中地形起伏引起的投影差影响；甚至出现了单张像片的消除地形高差引起的投影差的数字处理方法等。显然这是由航空模拟框幅式图像的专业判读技术中借鉴而来的方法。这种方法寿命很长，至今仍有因其简便而对地定位精度要求不高的单项目视判读作业的实例。实际上是利用了在地形图的简单控制下用人的眼睛完成投影变换这种原理。 2．系统纠正后的多项式变换班 这是用计算机作遥感信息对地定位时至今仍在使用的方法。尤其是LANDSATMSS和TM图像，在处理这类多中心投影扫描成像的图像时，不可能利用已有的立体摄影测量理论，却又有卫星的粗略位置与姿态参数可利用。因此地面站作系统纠正后（利用卫星的位置与姿态参数），用户则通过在地形图上和卫星影像上选公用点并读取其地理坐标和影像坐标，用最小百货乘法建立两者的多项式变换关系，将遥感图像依此变换关系转换到地图坐标系中实现遥感信息的对地定位。又称黑盒子方法。 3 带有辅助参数次的共线方程方法 多中心投影图像毕竟还是中心投影图像，只不过投影中心比较多（框幅式图像一景只有一个）而已。它利用了卫星在太空中运行中位置与姿态的变化是一种缓慢地变化这一特点，将卫星扫描图像的每一条扫描琏作为一张框幅式图像对待，每条扫描线的中央像元作为这一条带的投影中心，将这种投影中心的位置与姿态用为卫星运行时间的函数（或扫描带数）对待，那么就可利用中心投影的共线方程式来描述卫星影像的几何状态。同样地在地形图上和卫星图像上选取公共点并读取其地理坐标和影像坐标，运用最小儿二乘原理，采用迭代算法得到卫星影像坐标系与地图坐标系间的变换关系。从而将卫星影像投影变换到地图坐标系中，实现遥感信息的对地定位。这种方法是较之多项式变换严密的方法，并易于在地形起伏大时引人中心投影的投影差改正来提高对地定位精度。 4.数字式立体摄影测量方法 SPOT， JERS一1OPS均构成了立体观测。一种是侧面视异轨立体（SPOT），一种是同轨前后视立体（JERS-1）。这种图像最终要从立体图像中提取三维信息，既提出DEM也要产生正时影像。关键是寻求立体像对中的同名像点。为此数字影像相关技术显得非常重要。与框幅式立体图像应用数字影像相关技术的不同之处在于SPOT等图像是推扫式CD图像，也是一种多投影中心的图像，没有框幅式图像所具有的核线这一特征，尤其SPOT图像的立体像对是异轨不同时相获取的，地面目标随时相不同，光谱反射、辐射特性发生了变化，单纯靠度值相关往往得不到好的效果。因此对这类图像的初处理及提数字影像相关的精度就成了很重要的问题。同样地，这些图像处理中与上述方法一样，选拔取相当数量的公共点并读取其地图坐标系坐标和影像坐标，才能最终实现其对地定位。 5．遥感信息对地定位技术的分析 上述已有的几种方法中均在实际应用中取得实效，后3种方法均可取得像元级对地定位精度。但也存在不少问题。归结起来有如下特征。 1）基本理论是地一空定位理论。以地形图上控制点（公共点）的地理坐标决定空间遥感图像在地理坐标空间中的位置（地理位置），即陈述彭先生所说的是以“静”（地面）确定“动”（太空移动图像）的理论。上述几种定位模式均采用这一理论，立体摄影测量测绘地形图也是基于这一理论。因此，地面实不过测控制点或从地形图上选取控制点是不可少的作业步骤。地面实测控制点已有专业队伍从事这一工作；从地形图上选读控制点，尤其是在卫星图像的情况下，每景卫星图像相当于几百幅中等比例尺地形图的面积。在几百幅地形图中寻找控制点是一件颇费时间和精力的事情。 2）水域或地面工作极度困难等无适用地形图的地区，用此理论是不能从事遥感信息对地定位作业的。在我国无适用地形图的面积约占国土面积的1/4，作为全球而言70%是水域，这些区域的遥感对地观测信息利用地一空定位理论将不能准确定位。 3）上述前3种定位技术仅适用于地表平坦地区。平坦地区在整个陆地范围仅占约1/3，大量的地形起伏地区的遥感信息对地定位时，地形起伏引起的投影差改正必须顾及方可达到像元级的定位精度。多项式方法几乎不能顾及这项改正；共线方程方法作这项改正时要首先有地面高程模型（DEM），且利用DEM改正投影差时所需计算时间比作对地定位还要多。况且生成DEM本身就是个需要时间和精力的大问题。表1和表2分别列出了对地定位方法及DEM生成技术的比较。 六、地理信息系统技术的分析 地理信息系统技术是信息技术中一种主要应用于地学信息的获取、分类、表达、定位、分析处理及地学信息的性质、结构等研究从而服务于社会的技术领域。在我国虽起步较晚，但发展速度很快。尤其“信息高速公路”日渐成为现实，实现地学信息成为流通和可交换信息之际，地理信息系统技术将首先起到桥梁作用。地理信息数据库中足够的数据种类及适时的更新能力和相应的分析决策功能等条件具备时，地理信息系统将逐渐成为“信息”的总加工厂和应用成果的基地。 1．信息获取技术 当今的地学信息库的信息中主要还是已有地形图、专题图及人文经济的统计数字等信息。遥感对地观测信息及其成果往往是先制成专题图而后再作为图件信息进入数据库。专家的经验和知识等信息进库的问题尚为研究试验的课题。相应的信息获取技术如下。 （1）地形图或专题图数值化这是当前信息获取的主流技术。随应用目的及技术条件等因素的限制，采用一个个单要素数值化技术尔后复合运用和多要素一起一次数值化技术。一个个单要素数值化，要将原图件“分版”成单要素二值图像后数值化；多要素一次数值化时，则需要数值化器具有彩色分色A／D转换功能及相应的处理软件。信息采集技术有： 1）手扶跟踪数值化。相应的有手扶跟踪数值化器及相应的软件工具。用于这种数值化方式时，一般采用上述的分专题要素“分版”制成的二值图。显然采用这种技术时数值化的精度取决于操作者的熟练程度和“分版”水平。这种方法一般错误率比较高，位置精度很难用一种稳定“量”来权衡。相应地人的劳务及作业时间必须高强度地投入。很难说这是一种可提供规范化操作的技术。但这种技术几乎是我国绝大多数地理信息系统信息源的主要获取技术。 2）单色光机扫描数值化。相应的有鼓形和平板式扫描数值化器。扫描头的光源有白炽光和激光等类型。数值化的对象一般也采用分专题要素“分版”制成的二值图。一般资金有高投人强度的机构拥有这类设备。效率比1）类显然高很多。要求二值图具有高的质量：线的连续；无人为断线及重线；线束的间隔要明显地大于或等于扫描头的分辨率，否则后处理麻烦等等。这种数值化方式对软件能力要求比1）高。人力劳务主要在制作二值图和数据后处理方面。但限于设备等原因，未普及使用。 3）多色光机扫描数值化。相应的有彩色光机扫描数值化器等设备，一般应用于研究工作中。这里有一个技术、应用价值之间的权衡问题。这种技术同样要求原图的质量：彩色线条的连续、色彩界限分明、色彩的种类等等。数据后处理比上述两种复杂。自动生成软件尚在研究之中。 （2）人文、经济等信息的获取技术人文、经济信息表达方式当前主要有3类：一是表格数据；二是已图化数据；三是已人数据库的信息。前两种数据进入地理信息系统数据库时，表格数据需要栅格化或矢量化；已图化表达的数据需提高坐标数据的定位精度及与原GIS数据尺度的一致。第三种数据需与GIS数据库归一化处理。 人文、经济信息在当前的情况下往往以逐层统计方式获得为主。这里面存在一个数据的可信度等级问题。而且统计数据的地理坐标化尚需有一套较严密的方法来实现。统一可比尺度同样是重要问题。 （3）生物地学规律及知识等信息获取技术这些信息的获取技术尚处于研究阶段。但首先要解决知识的模型化、计算机语言化、生物地学规律的模型化及可比尺度的建立。这类研究中“规律”及“知识”的数学模型化，即可运用数学这一工具时才可用于GIS的综合分析中。 2． GIS中的信息处理技术 至今这还是薄弱环节。当前的GIS大多数还仅是数据库及其管理系统。利用这些数据进行综合分析或多元、多维复合分析时，一是信息种类或质量尚欠佳，二是以自然界为应用对象的综合分析模型或多元、多维复合分析模型本身就是个复杂的理论和数学问题，而这些问题尚有待研究解决。GIS的信息处理技术从理论上讲尚在研究之中，实用的信息处理技术可以说还差距极大。一般而论，大多还只是个数据“直进直出”的系统。 3.遥感对地观测信息成为GIS数据源的问题 GIS最终解决的实际应用问题中最主要的还是宏观地学范畴的问题。诚然数据信息中也有非地学范畴的数据（如机器人视觉等），这涉及到数据库学科性质的定义，另作它论。作为宏观地学范畴最直观、最具现势性的遥感对地观测信息逐渐成为GIS数据库最活跃、最主要的信息源应是必然的发展趋势。 遥感信息及其初步分析成果数据如何进入GIS数据库在理论上已解决。作为写篇文章用“豆腐干”大小范围的数据作个试验也不成其问题。但要建成一套实用技术，却因需要解决大量劳务和时间投入及许多繁杂技术问题以至使专家们望而却步。其中，关键的问题是定位问题，尺度问题、数据形式问题等。 4．地理信息系统技术的分析 综上所述，地理信息系统技术具有下述问题和特征： 1）地理信息系统终将会逐渐地发展成为地学数据库应用成果的加工基地，为社会提供发展建设事业宏观决策依据的摇篮；将具有空间信息多元、多维复合数值分析的能力与高频动态分析决策的能力和高速数据更新的能力。 2）在地理信息系统技术中，数据获取技术、数据处理技术、数据快速更新技术尚存在很大问题。“手工作坊”式的作业不能适应社会发展的需求。以至地理信息系统应具备的分析决策特征难以体现在应用之中。 3）地理信息系统技术必须作为空间信息集成技术系统的一环，在以系统工程的观念作好每一技术环节的同时，逐渐地成为空间信息集成技术体系中的信息存贮、管理基地、分析决策基地。 4）在当前地理信息系统的信息处理技术中，由于数据获取等技术环节中主要还是采用大量人力和过长的作业周期，有些技术环节还未得到很好解决，因而在满足时效性、全球性、高动态决策性能方面还存在很大的差距。 七、遥感对地观测技术领域中集成型信息获取技术的发展 现有的遥感对地观测技术中所采用的信息获取技术已经是多维信息获取技术。从时空四维而言（x，y，z,t)，如二维阵形式的遥感信息，每个像元中均包含有x，y，z特征，整景图像包含了空间三维（x，y， z）及时间（t）维特征，加之图像数据本身也是多波段（多维）的，作为时空分布函数的大气传输模型的影响也包含在图像信息之中等等。尽管遥感信息已是多维信息，但从遥感信息中将这些信息提取出来是非常繁琐且费时的。本文所要谈到的集成型技术，实质上是将某些隐含在遥感信息中的多维信息直接量化，或将某些影响因素直接测量，以便方便地进行影响改正。这类信息获取技术在整个遥感对地观测技术领域中尚处初期发展阶段。下面介绍几类与常规方法不同的信息获取技术。 1）1993年发射升空的TOPEX卫星，是美法合作研制的用于海况观测的卫星。三维空间数据（X， Y， z）和高度数据使用GPS和微波测高仪直接获得，使用微波辐射计测量大气参数用于改正大气对测高数据的影响。测量海面高度的精度达到土2m，将量测点的坐标（X， Y， z）直接用GPS测量，实现了地理坐标系统的全球统一。可称得上是直接计量系统。 2）海洋勘测系统，这是美、加、澳、瑞典等国为浅海地形测量发展的低空机载系统。使用了机载激光测距设备、全球定位系统（GPS）、陀螺稳定平台等设备。飞行高度5oo-6oom，直接测距与定位，最终得到浅海地形（或DEM）。这类系统与TOPEX一样，没有成像设备，但的确是一种直接计量系统。就通常的概念而论，海底地形的测量精度低于陆地地形测量的精度，对其陀螺稳定平台的水平稳定精度尚不清楚。 3）美国HARC的激光雷达地形测量系统。初衷是为石油污染区域的测量而研制的，后发展为测量陆地地形的系统。1994年已做了飞行试验，飞行高度6oom，最终产品的飞行高度预计为16oo－17oom。采用扫描激光测距方式，利用全球定位系统（GPS）作定位，姿态测量装置据估计是惯性导航系统。这套系统利用了视距测量的原理，以求得地面作业区内大量的离散三维坐标点，经拟合内插得到陆地地形（DEM）。其图像的获取是利用与地形测量设备分离的摄像机。用摄像机图像识别所测地形范围内的地面的地物。这一系统虽有成像设备，但并非为获取目标识别信息为主要功能的遥感器。这是一种直接计量系统。据了解，这种系统标称为“隔夜”提供DEM的系统，显然生成DEM的速度比常规技术要快若赶倍。 4）多维信息获取与实时（准实时）处理技术系统。参考系统是TOPEX卫星的直接计量方式。这套系统将遥感信息与地形信息的获取以硬件技术使其准确套合。测量地面离散三维信息点的技术估计与HARC的系统相仿。与HARC系统的最大区别处在于：既得到陆地地形信息，同时又得到遥感信息；地形测量点与遥感信息的相应像元准确套合；遥感器与通常机载遥感器一样将实现多波段；飞行高度为HARC系统的两倍以上；是一套遥感对地观测技术中的机载系统。 这一套系统中除通常获取观测对象的多波段信息外，基本原理采用空觉～地定位理论。可实现准实时遥感信息的定位并生成DEM。效率将比现有信息获取技术提高约百倍。前述动态变化监测的时效性、全球统一的地理坐标系统的要求，这个系统均可以达到。这是因为遥感对地观测技术中工作量最大的是信息处理和应用，其中定位处理和图像处理技术中必不可少的DEM的生成，其工作量及所需时间占整个后处理时间的90%以上，人工劳务的介人（影响自动化的主要因素）占后处理中人工劳务量的90%以上。将定位问题和DEM问题以准实时的速度解决，那么后处理的自动化及快速化的程度将得到飞跃提高。从这一套系统的名称可知，是将信息获取、信息处理及应用技术纳入同一系统之中，更有利于提高自动化及高速化程度。 由上述几种技术系统可知，在对地观测技术领域里，信息获取技术已具备将多维信息直接量化的条件。现有已运转的多种单项传感器，如扫描仪、线阵CCD、面阵CCD、波束扫描传感器、微波辐射计、微波散射计、微波高度计、激光测距仪、激光雷达等等；已有多项较成熟的高技术，如全球定位系统技术、惯性测量技术、激光技术、计算机技术、微波技术：空间技术、天体观测技术等等；已有高水平的加工技术及软技术等科技发展基础及良好的发展环境。根据应用目的有机地将相应技术集成，构成满足前述高重复性、时效性、全球性的应用要求是完全可能的，也是遥感对地观测技术向更高层次发展的必然过程。 八、空间信息集成型技术的发展 遥感对地观测技术是一项信息技术。这项信息技术一般而言，均包括信息获取、信息处理、信息应用。换言之，可将信息获取、信息处理、信息应用纳入同一个信息技术“系统”中，以“系统”整体作为解决实际问题的基本单位。这种概念应是理解信息技术的通常应具备的概念。即使如此，为提高遥感对地观测技术的时效性、全球性及高动态重复观测处理功能，必须发展集成型信息获取技术和相应的多维处理技术，以实现多维信息的直接量化和处理，发展空一地对地定位理论及相应技术促使遥感技术实现高速自动化。 正如上述，在全球环境、资源动态变化等应用领域中，研究对象是自然界。识别自然界的目标时，遥感对地观测信息是很重要的信息，而不是全部判据信息。因此围绕自然界物质的“定性”识别和“定位”必须有非遥感信息的介人。这样的信息技术包括了信息获取（遥感、非遥感）、信息处理（遥感信息的多维处理及包括非遥感信息的多元、多维复合信息分析处理）、信息应用（解决全球环境、资源动态变化中的实际应用问题）这种复合式“信息技术”的概念。其技术系统是一种多个技术领域的集成技术。正因为遥感与非遥感信息均为时空分布的空间信息，所以相应地称为空间信息集成型技术。 空间信息集成型技术，随着各单项技术的成熟程度及应用目的的不同，可以组成多种类型的集成技术系统。地学领域中熟悉的全球定位系统技术（GPS）、遥感技术（RS）、地理信息系统技术（GIS）为主体构成的空间信息集成技术系统，是近期广为传播的技术系统。现以此为例，从一个方面简要介绍下一集成型技术系统的梗概。 全球定位系统（GPS）、遥感（RS）、地理信息系统（GIS）一体化信息获取、信息处理、信息应用技术系统，称之为三“S”一体化信息技术系统，或简称为三“S”技术。从字面上可见是一个空间信息集成型技术系统。 三“S”技术是随着1993年美国将24颗GPS工作卫星全部发射上天、事实上的运营阶段的到来而日渐引起更大重视的新型技术领域。总体而言尚处概念研究阶段。也即三“s”技术的理论、方法、技术框架、实现步骤均处“概念”性研究阶段。三“S”技术的实现涉及到遥感对地观测技术的各个技术环节，与全球定位系统技术、地理信息系统技术、惯性测量技术、激光技术、微波技术、遥感器研制技术等多个独立的技术领域有关。可见是一个具有明显特点的新的综合技术领域。上述的“多维信息获取与实时（准实时）处理技术系统”就是一个三“S”技术系统。 1．三“S”技术的含义及其关系 三“S”技术的概念是综合技术系统的概念。“一体化”是关键词。三“S”技术是以RS,GIS， GPS为基础，将RS， GIS， GPS种独立技术领域中的有关部分与其它高技术领域的有关部分有机地构成一个整体而形成的一项新的综合技术领域。其畅通的信息流贯穿于信息获取。信息处理、信息应用的全过程，包含了应用技术和技术应用。 三“S”技术不等于GPS＋RS＋GIS，而应是： 三“S”技术=P[1]GPS＋P[2]RS＋P[3]GIS＋…＋PITS (P为“权”）。其中: （1）全球定位系统（GPS）是三“S”技术中采用空～地定位方式的前提，利用了GPS的动态导航定位功能。 GPS组合技术系统可获取己互相准确匹配的DEM和地学编码图像；总体定位速度提高几倍、几十倍甚至百倍，扩展了GPS的应用领域。 （2）遥感（RS）是三“S”技术中定性分析的主体信息。利用了适合于三“S”技术的遥感器（如：光机扫描仪、成像光谱仪等）和遥感信息处理及应用的基础技术。三“S”技术快速得到已准确匹配的DEM和地学编码图像，将使遥感的技术流程所需时间大大缩短，精度得到很大提高。多维分析技术可成为实用技术，高频率动态监测能力极大增强，可满足动态监测的时效性、全球性的要求。 （3）地理信息系统（GIS）是三“S”技术的支持技术、最终成果的加工输出技术。利用了GIS的背景信息和信息存贮、检索、输出等工具型技术，也利用了GIS可适应分析模型、决策模型的环境。三“S”技术又向GIS提供了多元、多维复合数值分析能力和决策能力发展的有利条件，促使了GIS高动态决策能力的形成。 2．三“S”技术的理论和方法 三“S”技术的理论是直接空一地定位理论（无地面控制，简单影像相关的立体观测理论和向量求端点坐标的理论）；多维复合分析理论；基于三“S”技术信息源和多维复合分析成果的综合数值分析与决策理论。 三“S”技术的技术方法是快速、准确以及实时对地定位与数据处理方法；多维互校的复合分析方法；基于高精度定位特征的信息复合及高动态分析决策技术方法等。 3．三“S”技术的技术系统 （1）三维信息获取与实时（准实时）处理技术系统 作者正从事这一系统的研制。初期作为一种“准实时系统”，也即飞行后几小时内提供第一级DEM和地学编码图像产品，发展趋势是一个秒级“实时系统”。利用了向量求端点坐标的原理。“定位”自动化和“定性”高精度、快速化为“系统”的目标。包括数据获取、数据处理、数据应用三个分系统。同样地除第一级产品外， GIS作为最终成果的决策与产出“基地”。 （2）无GCP成像光谱立体观测技术系统 这是一种“快速”型技术系统。采用空中直接前方交会原理和简单型数字影像相关的系统。“定位”自动化和“定性”高精度、快速化为系统目标。包括数据获取、数据处理、数据应用3个分系统。 GIS作为最终成果的决策与产出“基地”。 本系统目前以机载为主，具有成为星载系统的潜力和技术可行性。初期星载系统以航天飞机搭载为宜。这也是一种空间信息集成型技术系统。 （3）其它集成型信息技术系统如地面车载系统等。 4．三“S”技术的特点 （1）“系统”从数据获取到取得第一级产品的周期比常用技术缩短1-2个数量级。 （2）“系统”将信息获取、信息处理、信息应用有机地融为一体，将应用技术、技术应用融为一体，将GPS， RS， GIS等独立技术融为一体形成组合技术系统。这是最易实用化、产业化的技术发展途径。 （3）具备极强的多维分析能力及对多元综合分析的友好界面，提高了“定性”分析精度和自动化程度。 （4）高重复频率的监测能力和基于这类数据源的多种应用新技术。 （5）快速建立专业遥感信息系统（RIS），提高地理信息系统（GIS）现势遥感信息更新能力和高动态分析决策能力。 （6）可形成星、机、地及快速、准实时、实时“技术系统”产品系列。 九、展望及讨论 全球变化研究、区域经济持续发展、资源与环境动态监测与预警、重大灾害的监测评价与预警，都是与世界关注的焦点棗环境、资源、人口问题息息相关的重大问题。遥感对地观测技术作为重要的宏观观测技术，增强其全球能力，提高其时效性是至关重要的问题。新型多维信息获取技术、新型遥感器适应这种需要的发展是增强上述能力的关键，同时遥感对地观测作为一项整体技术，将信息获取、信息处理、信息应用纳人同一个系统中也是增强上述能力的至关重要的技术途径。以整个系统的最终成果作为显示其全球能力、时效性、自动化程度的检验标准，实用价值更大。以集成型多维信息获取技术作为其子系统的三“S”一体化信息技术，必将在“定位”的高速自动化、促使“定性”定量化方面具有独特的贡献。 信息时代的到来，尤其是“信息高速公路”的逐步建立，要求信息快速更新，以保证信息流的现势性。遥感信息及其成果信息实际上已成为地理信息系统数据库中最活跃的信息种类之一，也是将来“信息高速公路”中可流通的信息种类之一。显然以往遥感对地观测技术的信息处理与应用中，大量人工劳务的介人、长周期的作业流程、三大子系统（信息获取、信息处理、信息应用）的割裂、遥感技术系统内部信息流不能畅通甚至信息及成果表达形式的不标准化等等，均与“信息高速公路”的高速特性不相称。为避免在将来“信息高速公路”上流通的遥感信息是“牛车”，遥感对地观测技术系统的高速、自动化是必然的发展趋势。本文所述的空间信息集成型技术及作为技术系统一例的三“s”一体化信息技术是适应了信息时代应具有的“高速”这一特征的技术途径之一，具有根强的生命力、发展前景和实用价值，必将成为遥感对地观测技术的主题发展方向之一。为我国经济快速发展急需的宏观决策及时提供依据数据作出贡献的同时，也必将为遥感对地观测技术的发展、全球变化研究以及在国际科技领域再争得一席之地作出贡献。