李德仁院士：我国测绘遥感技术发展的回顾与展望

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编者按：2018年12月30日，大雪纷飞，武汉大学迎来了遥感学科发展高端论坛，李德仁院士在论坛上回顾了测绘遥感学科的发展历史，并对未来发展作出了展望。

图/张华 (武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室）

文字整理：《中国测绘》记者郝哲

各位领导、专家，各位老师和同学：

下午好！

我们每年都会看武大的樱花，今年难得一起来看武大的雪花。从1957年在这里当学生到现在，我走过了漫长的一段历史。2018年是中国改革开放40周年，在此之际，我也想回顾测绘遥感学科发展历程供大家参考。

测绘学科有着悠久的历史，古代的测绘学起源于水利和农业。四千年前，尼罗河每年洪水泛滥之后，都要重新做土地测量；公元前2世纪，司马迁就在《史记》中记述了大禹治水时“开九州、通九道、陂九泽、度九山”的测绘手段。现代测绘起源于19世纪之前，1839年发明摄影术，1860年摄影测量技术被发明；20世纪初形成了地面立体摄影测量法；1905到1907年间，随着飞机的发明，航空测量技术出现；1957年，人造卫星诞生，随后迈入卫星遥感时代。

现在随着计算机网络、物联网传感器发展，全球、全数字化时空数据采集和处理的方法随之出现，实现了从二维到三维、室外到室内、地上到地下，直至时空数据从空天地传感网上源源不断，测绘与遥感走向了时空大数据下的信息科学。经过了工业化和数字化时代，测绘遥感正向智慧化时代迈进。

测绘学科也从单学科走向了多学科交叉。首先测绘学科内部产生交叉，大地测量、工程测量向GNSS全球导航定位技术和卫星重力测量发展，摄影测量向空天地海遥感发展，地图学与地理信息工程学相互交融，进而形成了3S集成（GNSS、RS与GIS）。另一方面，测绘遥感与多学科——计算机网络、电子信息、航空航天、资源环境、农林水利、城市科学、大气海洋、地球科学与信息技术等多种学科交叉组成了当今地球空间信息学。

1986年以来，整个世界正在经历新的技术革命，许多学科从它的中心轴走向了边缘，形成了不同学科之间相交界的边缘学科，这些边缘学科有时具有强大生命力量，因为人们不断去开拓占领。人造卫星以后，遥感就形成了比较完整的体系，它从可见光摄影测量走向了电磁波更广泛的紫外线、可见光，红外到微波遥感，从几何遥感扩展到物理遥感，从遥感的解译走向了地球的反演。遥感来自于摄影测量，算是测绘学的组成部分，后来国际上把它叫做摄影测量与遥感，但是遥感发展越来越快、越来越大，包括资源遥感、环境遥感、气象遥感、海洋遥感、农业林业遥感、城市遥感和测绘遥感。所以遥感人都说，遥感包含测绘。

测绘与遥感都是基础性的技术，它代表了国家核心竞争力。对我们国家来说，我们要掌握制空权、制天权、制海权、制信息权，要形成全球感知、认知和反馈能力，这是我们测绘遥感人义不容辞的责任。武汉大学决心把测绘科学技术和遥感科学技术作为两个兄弟一级学科来建设，将具有重大意义。

下面我从三个方面来讨论测绘遥感学科的发展：

第一，测绘遥感走向了数字化与网络化；

第二，测绘遥感走向了智能化与自动化；

第三，测绘遥感要走向实时化与大众化。

数字化与网络化

1993年的全球信息化带来了各行各业的数字化和网络化，测绘遥感业首当先锋。1994年提出了国家空间数据基础设施。以数字化测绘为基础，数字中国与数字城市建设如火如荼！点、线和时间测量的数字化包括地面全站仪和天上的GNSS。卫星导航定位授时包含了美国的GPS、中国的北斗、欧洲的格洛纳斯、欧洲的伽利略。GPS和中国的北斗都有地基增强系统，可以用事后和实时方法获取点位、导航和时间信息，点位定位可以从米级到厘米级甚至于毫米级，精度很高。在这个基础之上，我们推进了全球和中国的时空基准研究，已从简单的线性走向了非线性。摄影测量从原来的模拟法、人工观测、立体像对、手工绘图走向大区域网络化自动测量。能实现计算机代替人工，代替立体观测进行大面积立体制图，获取自动化的正射影像和数字表面模型。再经过人机交互，生成DEM和二维或三维的DLG。

 我们把这些数据送到网上去，这就是在上个世纪90年初推广的中国国产化地理信息平台。为了摆脱人工测绘的束缚，我们把GNSS、遥感、GIS这三个技术集成起来，率先在全世界提出了三S集成理论。我们利用机载GPS这套系统最早完成了中国及越南边界1:5万的无地面控制测图，三S集成放在移动车辆上，形成了多传感器的地面测量系统（MMS），MMS不仅仅是一个测量工具，现在又变成了高度集成的感知、认知、定位、导航的智能系统，将来会用于每一个无人驾驶汽车上。

测绘遥感技术还要从数字化开始走向网络化。2016年，习近平主席提出要把修复长江生态环境摆在压倒性位置，其实我们在2011年就看到了这样的需求。6000多里的长江到底要靠什么管理呢？要靠“空天地”智能传感网来管理，我们要解决一个数字化、网络化支持下的抗洪、抗旱、通航、发电决策支持系统。为此我们利用32种传感器，在长江上布设了上万个不同位置的传感器无线网，将亿条观测记录实时传到云计算网络。我们可以利用这个系统分析水文泥沙，解决抗洪、抗旱问题，解决下游通航问题：这个系统会自动提供每小时观测水域的报告，提供每条船的航路，以保证船只安全通航，从而合理地管控长江的水资源。

   智能化与自动化

测绘遥感的智能化与自动化是随着人工智能技术发展的步伐而前进的。早在上世纪80年代就开始了全数字化自动测图、地图识别、图像自动分类和自动编图系统的研究。现在天上的卫星超过1000多颗，中国有250多颗卫星，全世界排行第二。空中的有人、无人机超过一万架，都能从空中采集多分辨率遥感数据。城市里面主要是视频采集系统，中国超过了2千万个。当然我们的手机也能作为空间数据的采集系统，当前中国有超10亿部智能手机。

在这个数字化物联网时代，我们形成了时空大数据。它具有“5V”特点，即体量大、速度快、模态多样、真伪难辨，但是价值巨大。所以我们需要智能化、自动化的处理和数据挖掘方法。 

 我们可以自豪地说，中国人可以用中国的资源三号测绘卫星和自主软件，无地面控制地做全球制图。多节点GPU+CPU，影像自动配准、粗差自动检测、目标信息的自动提取、移动目标的智能检测、无人机目标的自动跟踪和变化的自动检测。我们用深度学习、云计算、图像语义理解能从影像大数据库中自动检测出40多种目标，这是我们讲的影像目标智能检索。在解决无地面控制的全球制图中，我们用了刘经南团队的PANDA轨道测定软件，遥感卫星定位精度达到3到5厘米。中国960万平方公里1:5万制图，我们只用了七天时间，利用GPU+CPU和自动影像相关，无人操作完成了全国的数字表面模型和数字正射影像，经实地检测，精度达到3.5到4米，完全满足1：50000的测图要求，从而使我国国产卫星遥感影像自给率从15%提升到85%，甚至还能出口。这项工作有力地推动了“一带一路”和全球测图的进程。

现在每个城市一下暴雨就内涝，就是由于不透水面积太大，若不透水面的比例超过了地表面积的75%，60%的水只能在地表流向低洼处，而无法渗透到地下去。我们对中国地表不透水面用遥感的高空间分辨率和高光谱分辨率再加上地面的移动激光雷达技术做出了全世界第一张2米分辨率不透水面积图，推进全国的海绵城市建设。地表形变和城市下沉涉及人民生命财产安全，是大家十分关心的问题。我们的学生曾经研究过北京市最近8年的地表形变，地表在2003年没有大的变化，到了2010年，最大下沉达到每年100毫米，我们及时把这个结果告诉政府有关领导，并计划研发能够观测地表形变的全国一张图，当前这项研究已经在北京、天津、上海、苏州、广州、深圳、武汉等城市和长江三峡得到应用，还会推广应用到全国高铁三维形变监测。

室内自动制图用的SLAM算法，可以做到无人建模。利用声、光、电、场等12种定位源的不同组合，室内导航定位能实现米级精度。电力集团最辛苦的是电力线巡检员，需要爬山穿林检查线路，现在可以利用无人机作为机器人做各种巡检监测工作，比如现在用无人机自动检测线路上所有安全风险和问题。当前自动化还存在的问题，是天然目标的自动分类和依赖专家行为的自动编图等。要实现智能化和自动化，还需要从多个方面来努力，一方面改进算法，一方面改进分类原则，也需要建立语义网格和本体数据库，才能得到有效解决。

实时化与大众化

21世纪人类进入智慧地球时代，无所不在的亿万个传感器网，将测绘遥感推到实时化与大众化的时代。为此我们的吉奥之星没有停留在原来的面向对象阶段，而是通过GeoGlobe的网络GIS走向一个智能化的实时系统GeoSmart，它能管理各种传感器的实时数据，并能进行动态管理、实时分析、感知和认知，产生控制和反馈，智能地推动各个部门做各个工作。这样它就具备像我们人类大脑的功能，能够感知、分析、推理和行动。我们利用这个系统做了武汉市时空云平台，叫做智慧城市运营脑，24小时管理武汉市交通出行大数据，叫做智慧交通脑。我们与公安部一起做的武汉智慧交管大脑，管理365万车辆、460多万驾驶员、5万多条道路，管理相关企业超过9万多个。2017年上线以后，武汉市的交通拥堵名次从原来排名23位降至53位，李克强总理在武汉市视察了该系统。

长期以来测绘遥感是对地观测，随着社会化、大众化应用需求，现在完全可以用来对人类活动观测。例如武汉大学发射的珞珈一号01星，用130米分辨率获取全球夜光遥感数据，可用来反演GDP、计算碳排放、研究城市扩张、住房空置率和贫困指数诸多方面。我们这几年用夜光遥感分析了叙利亚、伊拉克、乌克兰、也门等国的内战态势，黎巴嫩难民营分布，直接为联合国提供了服务。武汉大学与美国芝加哥等大学联合成立了用于社会科学的地学计算联合研究中心。

测绘遥感对各类用户，特别是国防和灾害应急的实时服务，还有很大差距。十年前汶川地震，花了36小时才知道重灾区在北川和映秀，2017年九寨沟地震靠无人机摸清灾情也花了4小时，尚未达到分钟级的实时响应要求。

对于测绘人来说，我们抓实时化和大众化目标很清楚。我们希望测绘专业能让任何人在任何时间任何地点获取他需要的时空信息，我们把服务质量称之为4个“Right”，即要在规定的时间（ Right Time ）将所需要位置 (Right Place)上的正确数据/信息/知识( Right Information) 送到需要的人(Right Person)手上。

要实现这个目标，必须有更大的原始和集成创新，要把孤立的通导遥（通信、导航、遥感）做成系统联通的天空地互联网，来满足军民、大众用户的需要，这个系统当前还没有建成。所以我们要利用多学科交叉思想，聚集优势学科，把通导遥融合在一起。我们向国家建议一星多用、多星组网、多网融合、智能服务，在天地云计算和人工智能技术支持下，要把位置、导航、遥感信息，通过天地一体化互联网服务到军民老百姓的手机上，做到快、准、灵。

2014年，我们在基金委设立了两个亿的重大专项，来解决空天组网的理论和技术问题。在2016年，我们已经把3个海洋时敏卫星改造成能在轨实时成像、智能提取目标，把目标定位到米级精度，把目标监测出的数据经压缩后传到中国静止轨道通信卫星，传到地面上来，最终再传到用户手中，响应速度达到了分钟级。

我承担一个中国工程院咨询项目来聚集院士们的智慧，回答如何发展中国天基信息实时智能服务系统。通过计算机半实物仿真，如果发射300颗低轨通信卫星和200颗光学和雷达高分辨率视频卫星，加上现有的北斗、高分和天基通信卫星，就能实现实时导航定位精度达到米级和分米级，遥感图像全天候、全天时，空间分辨率达到0.5米，时间分辨率为5分钟，找到目标后处理速度小于1分钟，从智能卫星传输到用户的智能终端上，这就是我们认为空天信息实时服务应达到的目标。

我们测绘遥感学科在建国后经过七十年的发展，目前已经形成了门类齐全、军民融合发展、经济社会影响较大的学科，近年来在数字化、网络化、智能化、实时化、社会化、大众化发展的大方向上均取得了飞速的发展，也抓住了历史发展的机遇。

在智慧地球时代，在党的十九大方针指引下，在教育部抓双一流建设的要求下，我们要进一步加强学科的交叉融合和集成创新，加速推进测绘遥感学科在科研、教育、应用各个方面取得更大的成就，加快天基信息实时智能服务关键技术研究和系统建设。我们希望通过这样的努力来为我们国家强军、富国、利民，为实现两个一百年的宏伟目标做出应有的更大的贡献，谢谢！

注：本篇文章首发于《中国测绘》2019年第2期，版权归原作者及刊载媒体所有，更多内容请关注微信公众账号“中国测绘学会”。

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编辑 / 张帅  审核 / 呼慧珊 游志龙

指导：万剑华教授