学科报告▏测绘科学与技术学科发展研究（八）

主编：中国科学技术协会编著：中国测绘地理信息学会

三、本学科国内外研究进展比较近几年，测绘学科无论是推动学科自身发展的基础与应用基础研究，还是与相关学科的交叉发展及新应用领域的拓展，均获得了显著的成就，对社会和经济发展产生了重要影响。我国在大地测量、时空基准与导航、大地参考系与数据融合、地球重力场等相关领域的基础与应用基础研究中取得了显著进步，保持与国际同步，甚至某些领域领先国际水平。截至2014年年底，美国全球定位系统（GPS）星座有32颗卫星在轨，其中工作星31颗，分别是GPS-2A卫星4颗、GPS-2R卫星12颗、GPS-2RM卫星7颗、GPS-2F卫星8颗。2014年，美国成功发射4颗GPS-2F卫星，加快了GPS星座的更新步伐。同时，美国也在研究增强GPS抗干扰能力的办法。此外，美国在嵌入式全球定位/惯性导航系统（EGI）、天文导航及增强型罗兰系统研究方面也有一定进展。自2011年俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）系统恢复满星座运行以来，俄罗斯每年都持续发射新的GLONASS卫星，以保证系统服务和全球覆盖。到2014年底，GLONASS系统共有29颗卫星，其中24颗卫星在轨工作，2颗GLONASS-K1卫星仍处于飞行测试阶段。到2014年年底，“伽利略”系统仍只有4颗试验卫星在轨运行。印度区域导航卫星系统逐渐成形，分布于2014年4月4日和10月13日，成功发射2颗IRNSS卫星，这是该系统的第2和第3颗卫星。日本加紧建造“准天顶卫星系统”，目前该系统已有1颗卫星发射升空。中国在2012年底完成区域组网后，着力“北斗”系统应用推广，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7月25日，第18颗和第19颗北斗导航卫星发射成功，并首次实现星间链路，标志着我国成功验证了全球导航卫星星座自主运行核心技术，为建立全球卫星导航系统迈进一大步。GPS系统已成功应用于全球大地参考框架建立和维护中，北斗导航卫星系统（BDS）已具备区域导航定位能力，2020年服务范围将覆盖全球。北斗办正在加紧iGMAS建设，促进BDS地面及用户部分发展。BDS与其他GNSS系统和技术组合维护CGCS2000坐标系的相关研究具有一定的研究基础，但仍需进一步完善CGCS2000维持技术，精化相关模型。IERS中心局建立的国际地球参考框架（ITRF）通过方差分量估计方法综合处理 VLBI/SLR/GPS/DORIS等数据，SLR解和GPS解加权平均后获得给出ITRF原点，通过定义站点的历元坐标矢量和速度矢量来具体实现地球参考框架。虽然IERS不断积累各技术分析中心数据处理及分析策略改进，但是其国际地球参考框架IRTF给出的速度矢量都是线性，框架精度，尤其是高程方向，仍无法满足好密集高精度地球动态变化监测需求。我国利用全国基准站网、测绘基准工程和GNSS大地控制网数据，通过全国联合网解算、整体平差，获取中国大地坐标参考框架（CGCS2000）下点坐标和速度场，为实现高精度国家动态地心坐标参考框架的建立和维护奠定基础。由于目前国际上仍在使用的地球基本几何物理参数和椭球参数是用1980测量参考系统 GRS80来定义的，加之30年来地球动力学环境的改变，因此GRS80有必要进行更新精化，国际上针对这一问题进行了广泛研究，包括确定精化W0，GM，J2值以及由IERS定期发布的ω值，还有最佳参考椭球参数的确定研究，目前已取得重要进展。随着卫星重力场模型的分辨率和精度有了突破性进展，平均海面高模型MSS和GNSS定位精度提高到厘米级或更优，构建高阶和超高阶地球重力场模型的理论、方法和技术日益成熟，全球高程基准的高精度统一也有望解决。在全国大地水准面数值模型构建方面，我国目前精度最高的CNGG2013大地水准面模型精度在10cm～20cm，13个局部省市在厘米级精度上实现无缝衔接。国际上，USGG2012是NGS为美国研制的最新一代大地水准面模型。美国大地水准面的构建在近20年内发展迅速，平均每3年更新一次，精度从亚米级提高到3cm，分辨率从5′×5′提高到1′×1′，实现了高分辨率厘米级大地水准面的构建。2012年美国政府为美国国家测绘局主持实施的为期10年的GRAV-D 计划斥资39亿美元，计划重建全美统一的高程基准，预计高程精度优于2cm。在细化计算理论与方法的基础上，美国20年间进行了大范围GPS/水准加密测量、重力加密测量，这些数据的获得大大提高了重力水准面的精度与分辨率。加拿大采用与美国相同的高程基准系统NAVD88，先后研发的几代重力大地水准面模型如GSD91，GSD95，CGG2000，CGG2005，CGG2010等，均采用第二类Stokes-Helmert凝聚理论计算，其精度由最初的78cm提高至现在的13cm。欧洲大地水准面计算开始于上世纪80年代初期，与中国相同，欧洲也采用正常高系统。第一代似大地水准面EGG1精度几分米。欧洲不断补充和扩展重力数据库，建立了高分辨率地形和重力异常格网模型，先后推出EGG94，EGG95，EGG96，EGG97等似大地水准面模型。重力测量的范围由局部近地空间，扩展到全球和深空。对于重力场的观测也由静态发展到了动态。重力梯度仪研制方面，Bell Aerospace Textron公司2010年采用BT67飞机验证航空重力梯度仪精度2～3E/200m，澳大利亚 BHP Billion公司与Bell Aerospace Textron公司合作基于GGI技术开发了地质勘探的部分张量航空重力梯度测量系统FALCON AGG，另外三维重力梯度测量是Bell Aerospace公司为美国海军Trident潜艇计划研究的一项秘密技术，梯度测量精度估计为每1km范围内0.5E。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0.2μg的水平，在高精度多级温控条件下加速度计的精度达到了2.3μg。超导重力仪方面，目前全球范围内唯一商业化的超导重力仪由美国GWR仪器公司研制，GWR型重力仪也被国际同行公认为是精度最高、连续性和稳定性最好的仪器。目前，GWR的台站式超导重力仪提供了前所未有的宽频段分辨率和低于几个μGal/年的稳定性。目前国内在超导重力仪研究领域还是基本空白。我国于1998年开始研究自己的航空重力测量系统CHAGS，并与 2003年在山西大同进行了测量实验，测量精度优于5mGal，与国际水平相当。近年来才制造出我国第一套航空矢量重力测量系统样机，并在2007年～2010年期间在江苏和山东等地进行飞行试验。随着CHAMP，GRACE和GOCE卫星重力技术的发展，可以获取高精度的重力场和重力场时变信息，促进了重力的研究和应用发展。由于目前在运行的仅剩GRACE双星，但这并不意味着卫星重力研究的热度将会降低。目前美国国家航空航天局NASA已经开始着手下一代重力卫星任务 GRACE Follow-On，在测量地球中、短静态地球重力场的同时能够更加精确的测量地球重力场的时变信息。同时欧空局ESA也展开了下一代卫星重力计划E.MOTION（Earth System Mass Transport Mission）的需求论证，我们国家下一代Post-GRACE卫星重力测量任务也在论证研究中，计划2020年～2030年间发射。在数据处理与地球动力学方面，国外研究机构（如德国地学研究中心、德国斯图加特大学、德国波恩大学、美国俄亥俄州立大学、美国斯坦福大学、美国加州大学伯克利分校、美国加州理工大学、美国阿拉斯加大学、美国科罗拉多大学、英国牛津大学、英国伦敦大学学院、英国纽卡斯尔大学、英国利兹大学等）近些年来取得的领先研究成果主要涉及大地测量数据处理理论、大地测量新技术开发、大地测量数据新应用等。在地球动力学方面，我国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。在大地测量与反演方向，数据获取、模型构建、反演算法设计及地球物理解释等4个领域保持国际同步，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处于领先地位；大地测量在地震方面的应用领域，在垂直向和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个方面进展明显，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。目前，数据处理与地球动力学领域在国内外的研究十分充分，且在全球环境变化、经济发展、人类进步等领域发挥的作用越来越大。将国内外进行比较，我们与国际一流水平仍有一定差距，但在不断缩小。近年来，随着国家对该领域的基础研究及其长远的学科应用价值越来越重视，相信在近些年内我国有望在该学科领域整体达到国际水平。在高分辨率遥感卫星研制方面，2014年8月19日，高分二号卫星在太原卫星发射中心成功发射升空，该星是迄今为止中国空间分辨率最高的遥感卫星，它成功实现了全色0.8m、多光谱3.2m的空间分辨率以及优于45km的观测幅宽。该星的发射，一举将民用遥感卫星的分辨率提升至1m。同时，近几年通过“天绘一号”与“资源三号”的研制，国内工业部门对测绘卫星的要求和研制也有了更深的认识，在传感器设计、制造与标定方面的技术水平大幅提高。目前，国产更高分辨率以及更高精度的遥感测绘卫星，正处在设计研制过程中。而国外高分卫星的发展呈现以下特征：一是光学遥感测绘卫星的分辨率和精度不断提高，代表者当属2014年8月14日发射的WorldView-3卫星，该卫星的分辨率代表全球商业遥感卫星的最高水平0.31m。二是通过提高卫星机动性能以及构建卫星星座，显著缩短遥感卫星的重访周期，如法国的SPOT 6、SPOT7卫星，两颗卫星均具有1.5/6m（全色/多光谱）的高分辨率，60km的幅宽。而且，SPOT 6、SPOT7卫星和两颗Pleiades卫星一起构成卫星星座，可以实现一天之内同一目标的重复观测。三是微纳卫星在遥感领域发展引人关注，美国Skybox Imaging公司于2013年11月从俄罗斯发射首颗微小成像卫星SkySat-1，卫星重约100kg，不但可以采集1m分辨率的影像，而且可以提供运动视频。该公司计划于5年内实现24星组网，具备全球3～5次重访/天的能力，且整个卫星星座成本不高于目前数字地球公司商业运行的最新大型成像卫星。在高光谱遥感传感器研制方面，机载成像光谱仪商业化水平不断推进，应用领域继续拓展。近年来无人机高光谱遥感受到了业界人员的高度重视，体现了良好的技术优势和发展潜力。而EO-1 Hyperion仍然是目前空间和光谱分辨率最高的星载成像光谱仪。以德国EnMAP（Environmental Mapping and Analysis Program）、加拿大HERO（HyperspectralEnvironment and Resource Observer）、美国HyspIRI（Hyperspectral Infrared Imager）、日本HISUI（Hyperspectral Imager Suite）等为代表的星载成像光谱仪研发工作持续推进，预计近几年内将会开始发射。我国在 HJ-1A、嫦娥一号和天宫一号等探测系统中都安装了成像光谱仪，目前正在研制中的高光谱遥感卫星高分五号将在近两年发射。在SAR成像系统方面，德国宇航中心（DLR）发射的TanDEM-X双星编队系统，具有无时间干损及实现获取InSAR测高的最优基线长度的双重技术优势，其DEM质量达到相对高程精度优于2m，绝对测高精度为10m的DTED-3标准，其产品成为至今为止精度最高的全球DEM数据。同时，欧空局（ESA）和日本宇航局（JAXA）分别于2014年4月和5月发射的Sentinel-1a和 ALOS-2 SAR卫星，具有最高分辨率1m，最大宽幅400km的观测能力，这将进一步拓展卫星SAR对地观测的研究和应用。此外，机载SAR系统因具有良好的机动性，可以在很大程度上弥补星载SAR系统的不足，又可以作为星载SAR的试验平台，其研制和应用也备受青睐。目前，国际上较为著名的机载SAR系统有德国宇航中心开发的E-SAR，美国JPL的UAVSAR系统，这些SAR系统在地形获取、地震应急测绘等领域得到了成功的应用。美国、加拿大和欧洲的多个国家已将多种型号的空基干涉合成孔径雷达应用于实际的地形测量，显示其具有精度高、效率高和成本低等优势。目前美国、德国、法国的实验室均已实现了0.1m分辨率的InSAR试验系统。我国首套机载多波段多极化干涉SAR测图系统（CASMSAR），实现了1:5000～1:50000比例尺测绘。另外，地基SAR成像系统也逐渐成为一种弥补星载和机载SAR缺陷的观测手段。当前，国际上较为先进的地基SAR系统有意大利IDS公司研发的IBIS-L雷达干涉仪、瑞士GAMMA遥感公司研发的 GPRI便携式雷达干涉仪等，国内外众多单位和学者已经利用这些系统对滑坡、露天矿边坡、冰川运动等展开监测和研究。激光雷达（LiDAR）技术作为一种主动的遥感探测技术，按照应用目的不同，LiDAR系统有不同的区分，用于水深探测和浅海测绘的机载双色激光测深系统（双色激光雷达），国际上主要有加拿大的CZMIL系统、SHOALS系统、瑞典的HAWK EYE系统等，我国暂时还没有自主研发的设备可替代。而用于地表三维信息采集的LiDAR系统相对丰富，如加拿大Optech产品，瑞士Leica产品、德国TopoSys产品以及奥地利Riegl产品等，目前，国内已经有二十余套机载LiDAR 备。此外，用于其他目的的新型激光遥感仪器也发展迅速，如MABEL（Multiple Altimeter Beam Experimental LiDAR）可用来探测海冰厚度；Fluorescence（LIF）LiDAR用来探测大范围空气中粒子；SPML（Scanning Polarization MieLiDAR）在532nm波长处有探测平行和垂直极化的频道，可以指出气溶胶和云颗粒的非球形；具有创新性的双视场的Raman LiDAR技术可用于反演云微光物理特性参数，同时通过后向散射系数还可以反演云底部高度。在碳卫星发射方面，美国“轨道碳观测者2号”（OCO-2）卫星于2014年7月发射升空，该星主要任务是帮助确定CO2 在地球表面的哪些关键地点被排放和吸收，以帮助了解人类活动对气候的影响。我国在”十二五”期间也启动了”全球CO₂监测科学试验卫星与应用示范”国家863重大项目，该项目以全球气候变化最重要因子CO₂遥感监测为切入点，研制并发射以高光谱CO₂探测仪/多通道云与气溶胶探测仪为主要载荷的全球CO₂监测科学实验卫星，该星计划于2016年发射，可以实现全球覆盖和高精度热点探测的互补。此外，其他国家也逐渐加强碳卫星的研制和发射，如日本计划发射的GOSAT2卫星以及德国计划发射的CarbonSat卫星等。随着CCD，CMOS相机、激光扫描仪、360°全景相机的发展，移动测量系统近来发展迅猛。现在各主流移动测量系统都已经将这些新型传感器集成到各自的平台上，包括美国Trimble、加拿大Optech都推出类似的系统。新型的Google街景也加入到移动测量技术行列，将传感器装载到人力车上，形成了一种新型的移动测量系统。国内陆基移动道路测量系统与国外几乎同时起步，多家单位均推出了集成相机、激光雷达以及POS系统的车载移动测量装备。目前国内在移动测量技术领域的研发实力和技术水平与发达国家相比还存在一定差距，主要硬件需要进口，软件的商用化亟待突破。近年来，国内外学者都加强了对地图学与地理信息理论的研究，国内开展了地图哲学和地图文化的研究，注重地图学科的理论总结和对实践的指导，国外学者对个性化地图特点和地图学发展新的驱动力则予以了更多的研究和关注。有关中西方古地图的研究，2015年6月在北京召开了“一带一路中西方古地图文化交流研讨会”，会议就利玛窦古地图及对中国明代制图技术的影响、一带一路国家地图文化交流等进行了深入探讨。在数字地图制图方面，各国地图制图界都在采用先进的数据库驱动制图技术和方法，进行地理信息的更新和地图符号化出版工作，多比例尺地图数据库动态更新、增量更新、级联更新、要素更新以及实体化数据模型建立正在实现，地理信息更新和地图符号化出版一体化已经实现。我国研究构建了一整套基于空间数据库驱动的快速制图技术，研制了一套基于1:5万、1:25万、1:100万数据库的地形图制图数据生产系统。近年来实施的1:5万基础地理信息数据库更新工程大幅度提高了地理信息的现势性，在此基础上联动更新1:25万和1:100万数据库，初步形成了国家基础地理信息数据库动态更新技术框架，创建了基于数据库的增量更新生产技术方法与流程，使我国基础地理信息的质量和现势性居世界先进水平。世界其他国家也在制定计划定期更新各自国家的基础地理信息，不断开展地理信息的深化应用，更加关注地理信息与相关领域专题信息的联合应用。近年来随着传感网、互联网、移动通信技术的发展，“互联网+”产品已成为现代信息技术服务社会的主流形式。由于新媒体地图越来越多地依赖于移动网络和智能手机、平板电脑、穿戴式设备提供服务并为大众所喜爱，全球都在大力推进互联网和移动互联网环境下的地理信息应用，国外谷歌等大型公司不断进行地理信息更新、不断提高地理信息服务水平。国内阿里巴巴、百度、腾讯等公司纷纷采用收购、入股地图生产与服务企业的方式发展自己的在线地图服务，移动地图、网络地图因此成为现代地图学领域表现最为活跃、发展最为迅速、应用最为广泛的地图产品形式。工程测量理论、技术与方法的发展与创新，同大型工程的新需求和硬件设备的进步有着密不可分的关系。随着信息技术的发展和国际交流的频繁，加上近30年我国社会经济的高速发展，为我国工程测量的发展提供了极好的发展机遇，促进了工程测量的快速发展。因此，我国的工程测量理论、方法的研究与应用与国外相比，整体上并不落后，在有些方面甚至处于国际领先水平。但在智能测量装备与商业化系统软件研制方面，与国外仍存在明显差距。在我国高铁、大型桥梁、超长隧道、超高建筑、异形结构等（超）大型工程的陆续建设与建成，在控制网建立理论、放样技术、设备安装方面，积累了丰富的经验，整体上处于国际先进水平。例如在高铁测量中，通过对德国控制网技术的引进，结合的我国实际，研究了一些新的方法，如CPⅢ中间法三角高程测量、CPⅢ三维网平差。在国外，变形监测与数据处理主要采用智能全站仪、GPS进行各种工程的表面几何变形的自动化监测，对地面三维激光扫描技术进行变形研究也逐步升温，如德国每年一次的地面三维激光扫描专题研讨会，就有较多的变形监测方面的研究。在SAR，特别是地基SAR方面，在国际性的学术会议中都会有大量论文涉猎。但由于硬件和底层数据由国外控制，总体而言，我们与国外研究还有较大差距。国内目前利用智能全站仪和数据通信技术，在北京、上海、广州等多个大城市的地铁施工和运营过程中出现的结构形变实现了全天候的自动监测与预警，并在利用GPS和智能全站仪进行很多大坝和滑坡的自动化监测预警上取得了很多成果。基于SAR技术的变形监测等方面，由于该技术引进时间不长，没有核心硬件支撑，目前国内的研究主要集中在大坝、滑坡、建筑物、桥梁等工程的变形监测试验，通过试验中出现的问题并加以解决。由于硬件制造的落后，地面三维激光扫描仪几乎来自于国外厂家，如Leica，Optech，Riegl等，相应的，对激光点云数据和处理关键技术的研究、随机软件研制以及第三方的商业化处理软件，我们都存在较大差距，在本领域主要是跟踪国际研究前沿。国内主要利用已有国外商业化软件进行实际产品制作，包括建模和成图。利用激光雷达的实际工程中，在点云配准、去噪、分割、特征提取、建模和与影像融合等一些关键问题上，我国学者提出了有价值的理论、方法与策略，如基于剖面特征和表面特征的建模策略、基于图像法的边界特征的提取方法等。另外，一些具有自主知识产权的专用点云处理软件建设也初具规模，有待于完善。我国在高端数据采集传感器的研发与制造方面，与国外还有很大的差距，如高精度、高性能的测量机器人、工业全站仪、数字水准仪、GNSS接收机、IMU、数码相机、激光雷达、陀螺仪、激光跟踪仪等等都出自国外公司。我国所研发的新产品，大部分都是以集成为主，而其核心传感器，绝大部分都还是依赖于进口。针对我国实际工程中的特殊问题，如变形自动化监测、设备几何检测等方面，国内研发了不少产品，如GJ-5型准高速动态轨检车和新型轨道几何状态测量仪——轨检小车，基本达到国外同类产品的技术要求，而且价格低廉；利用CCD相机和数字影像处理技术实现大坝引张线和垂线变化自动监测的引张线坐标测量仪和垂线坐标测量仪，精度在0.1mm，应用于丹江口大坝变形监测中。目前的一些高精度的工业测量硬件和软件系统，如V-STAR工业摄影测量系统、激光跟踪系统、iGPS测量系统以及亚毫米级的高精度工业全站仪，主要来自于国外，其性能和精度较国内产品有明显的优势。近年来，国内相关单位研制了一些工业测量系统、软件和一些理论与方法，解决了我国工业测量中（如大型天线的质量控制、大型机组的安装调试、粒子加速器、武器装备的定位、工业零件的质量检测与安装等）的技术难题，最新的研究主要是利用已有的工业测量技术针对具体工程，对理论和算法加以改进和创新。（待续，下一专题为本学科发展趋势及展望）

■文章来源：《2014～2015测绘科学与技术学科发展报告》，中国科学技术出版社出版，科学普及出版社发行部发行，出版时间为2016年4月。共有本行业101位专家学者分专题完成本书编纂（成员名单略），本书首席科学家为宁津生院士。考虑到整个报告很长，我们分篇进行不定期编发，提供给本行业相关专业人士阅读了解。如其他平台转发本文，务请备注出处，版权归中国测绘地理信息学会所有。

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