隨著計算機技術、空間技術和信息技術的發展，人類實現了從空中和太空來觀測和感知人類賴以生存的地球的理想，并能將所感知到的結果通過計算機網絡在全球流通，為人類的生存、繁榮和可持續發展服務。在20世紀后半葉，遙感和地理信息系統作為一門新興的科學和技術，迅速地成長起來。 

1 遙感技術的主要發展趨勢 

1.1 航空航天遙感傳感器數據獲取技術趨向三多（多平臺、多傳感器、多角度）和三高（高空間分辨率、高光譜分辨率和高時相分辨率） 
  從空中和太空觀測地球獲取影像是20世紀的重大成果之一，短短幾十年，遙感數據獲取手段迅猛發展。遙感平臺有地球同步軌道衛星（35000km）、太陽同步衛星（600—1000km）、太空飛船（200—300km）、航天飛機（240—350km）、探空火箭（200—1000km），并且還有高、中、低空飛機、升空氣球、無人飛機等；傳感器有框幅式光學相機、縫隙、全景相機、光機掃描儀、光電掃描儀、CCD線陣、面陣掃描儀、微波散射計雷達測高儀、激光掃描儀和合成孔徑雷達等，它們幾乎覆蓋了可透過大氣窗口的所有電磁波段。三行CCD陣列可以同時得到3個角度的掃描成像，EOS Terra衛星上的MISR可同時從9個角度對地成像。 

    衛星遙感的空間分辨率從Ikonos Ⅱ的1m，進一步提高到Quckbird（快鳥）的0.62m，高光譜分辨率已達到5—6nm，500—600個波段。在軌的美國EO-1高光譜遙感衛星，具有220個波段，EOS AM-1（Terra）和EOS PM-1（Aqua）衛星上的MODIS具有36個波段的中等分辨率成像光譜儀。時間分辨率的提高主要依賴于小衛星技術的發展，通過發射地球同步軌道衛星和合理分布的小衛星星座，以及傳感器的大角度傾斜，可以以1—3d的周期獲得感興趣地區的遙感影像。由于具有全天候、全天時的特點，以及用INSAR和D-INSAR，特別是雙天線INSAR進行高精度三位地形及其變化測定的可能性，SAR雷達衛星為全世界各國所普遍關注。例如，美國宇航局的長遠計劃是要發射一系列太陽同步和地球同步的長波SAR,美國國防部則要發射一系列短波SAR，實現干涉重訪問間隔為8d、3d和1d，空間分辨率分別為20m、5m和2m。我國在機載和星載SAR傳感器及其應用研究方面正在形成體系。“十五”期間，我國將全方位地推進遙感數據獲取的手段，形成自主的高分辨率資源衛星、雷達衛星、測圖衛星和對環境與災害進行實時監測的小衛星群。 

1.2 航空航天遙感對地定位趨向于不依賴地面控制 

    確定影像目標的實地位置（三維坐標），解決影像目標在哪兒（Where）是攝影測量與遙感的主要任務之一。在已成功用于生產的全自動化GPS空中三角測量的基礎上，利用DGPS和INS慣性導航系統的組合，可形成航空/航天影像傳感器的位置與姿態的自動測量和穩定裝置（POS），從而可實現定點攝影成像和無地面控制的高精度對地直接定位。在航空攝影條件下的精度可達到dm級，在衛星遙感的條件下，其精度可達到m級。該技術的推廣應用，將改變目前攝影測量和遙感的作業流程，從而實現實時測圖和實時數據庫更新。若與高精度激光掃描儀集成，可實現實時三維測量（LIDAR），自動生成數字表面模型（DSM），并可推算出數字高程模型（DEM）。 
    美國NASA在1994年和1997年兩次將航天激光測高儀（SLA）安裝在航天飛機上，企圖建立基于SLA的全球控制點數據庫，激光點大小為100m，間隔為750m，每秒10個脈沖；隨后又提出了地學激光測高系統（GLAS）計劃，已于2002年12月19日將該衛星IICESat（cloud and land elevation satellite）發射上天。該衛星裝有激光測距系統、GPS接收機和恒星跟蹤姿態測定系統。GLAS發射近紅外光（1064nm）和可見綠光（532nm）的短脈沖（4ns）。激光脈沖頻率為40次/s，激光點大小實地為70m，間隔為170m，其高程精度要明顯高于SRTM，可望達到m級。他們的下一步計劃是要在2015年之前使星載LIDAR的激光測高精度達到dm和cm級。 
    法國利用設在全球的54個站點向衛星發射信號，通過測定多普勒頻移，以精確解求衛星的空間坐標，具有極高的精度。測定距地球1300km的Topex/Poseidon衛星的高度，精度達到±3cm。用來測定SPOT 4衛星的軌道，3個坐標方向達到±5cm精度，對于SPOT 5和Envisat，可望達到±1m精度。若忽略SPOT 5傳感器的角元素，直接進行無地面控制的正射像片制作，精度可達到±15m，完全可以滿足國家安全和西部開發的需求。 

1.3 攝影測量與遙感數據的計算機處理更趨向自動化和智能化 

    從影像數據中自動提取地物目標，解決它的屬性和語義（What）是攝影測量與遙感的另一大任務。在已取得影像匹配成果的基礎上，影像目標的自動識別技術主要集中在影像融合技術，基于統計和基于結構的目標識別與分類，處理的對象既包括高分辨率影像，也更加注重高光譜影像。隨著遙感數據量的增大，數據融合和信息融合技術逐漸成熟。壓縮倍率高、速度快的影像數據壓縮方法也已商業化。我國學者在這些方面取得了不少可喜的成果。 

1.4 利用多時像影像數據自動發現地表覆蓋的變化趨向實時化 

    利用遙感影像自動進行變化監測（What change）關系到我國的經濟建設和國防建設。過去人工方法投入大，周期長。隨著各類空間數據庫的建立和大量新的影像數據源的出現，實時自動化監測已成為研究的一個熱點。 
    自動變化監測研究包括利用新舊影像（DOM）的對比、新影像與舊數字地圖（DLS）的對比來自動發現變化和更新數據庫。目前的變化監測是先將新影像與舊影像（或數字地圖）進行配準，然后再提取變化目標，這在精度、速度與自動化處理方面都有不足之處。筆者提出了把配準與變化監測同步的整體處理[1]。最理想的方法是將影像目標三維重建與變化監測一起進行，實現三維變化監測和自動更新。進一步的發展則是利用智能傳感器，將數據處理在軌完成，發送回來的直接為信息，而不一定為影像數據。 

1.5 攝影測量與遙感在構建“數字地球”、“數字中國”、“數字省市”和“數字文化遺 
產”中正在發揮愈來愈大的作用 

    “數字地球”概念是在全球信息化浪潮推進下形成的。1999年12月在北京成功地召開了第一屆國際“數字地球”大會后，我國正積極推進“數字中國”和“數字省市”的建設，2001年國家測繪局完成了構建“數字中國”地理空間基礎框架的總體戰略研究。在已完成1∶100萬和1∶25萬全國空間數據庫的基礎上，2001年全國各省市測繪局開始1∶5萬空間數據庫的建庫工作。在這個數據量達11TB的巨型數據庫中，攝影測量與遙感將用來建設DOM（數字正射影像）、DEM（數字高程模型）、DLG（數字線劃圖）和CP（控制點數據庫）。如果要建立全國1m分辨率影像數據庫，其數據量將達到60TB。如果整個“數字地球”均達到1m分辨率，其數據量之大可想而知。本世紀內可望建成這一分辨率的數字地球。 
    “數字文化遺產”是目前聯合國和許多國家關心的一個問題，涉及到近景成像、計算機視覺和虛擬現實技術。在近景成像和近景三位量測方面，有室內各種三維激光掃描與成像儀器，還可以直接由視頻攝像機的系列圖像獲取目標場三維重建信息。它們所獲取的數據經過計算機自動處理后，可以在虛擬現實技術支持下形成文化遺跡的三維仿真，而且可以按照時間序列，將歷史文化在時間隧道中再現，對文化遺產保護、復原與研究具有重要意義。 

1.6 全定量化遙感方法將走向實用 
     
    從遙感科學的本質講，通過對地球表層（包括巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈4大圈層）的遙感，其目的是為了獲得有關地物目標的幾何與物理特性，所以需要通過全定量化遙感方法進行反演。幾何方程式是有顯式表示的數學方程，而物理方程一直是隱式。目前的遙感解譯與目標識別并沒有通過物理方程反演，而是采用了基于灰度或加上一定知識的統計、結構和紋理的影像分析方法。但隨著對成像機理、地物波譜反射特征、大氣模型、氣溶膠的研究深入和數據積累，多角度、多傳感器、高光譜及雷達衛星遙感技術的成熟，相信在21世紀，估計幾何與物理方程式的全定量化遙感方法將逐步由理論研究走向實用化，遙感基礎理論研究將邁上新的臺階。只有實現了遙感定量化，才可能真正實現自動化和實時化。 

2 GIS技術的主要發展趨勢 

2.1 空間數據庫趨向圖形、影像和DEM三庫一體化和面向對象[2] 

    GIS發展曾經歷過柵格、矢量兩個不同數據結構發展階段，目前隨著高分辨率衛星遙感數據的飛快增長和數字地球、數碼城市的需求，形成了面向對象的數據模型和三庫（圖形矢量庫、影像柵格庫和DEM格網庫）一體化的數據結構。這樣的數據庫結構使GIS的發展更加趨向自然化、逼真化，更加貼近用戶。以面向應用的GIS軟件為前臺，以大型關系數據庫（Oracle 8i,9i等)為后臺數據庫管理，成為當前GIS技術的主流趨勢。 

2.2 空間數據表達趨向多比例尺、多尺度、動態多位和實時三維可視化 

    在傳統的GIS中，空間數據是以二維形式存儲并掛接相應的屬性數據。目前，空間數據表達的趨勢是基于金字塔和LOD（level of detail）技術的多比例尺空間數據庫，在不同尺度表示時可自動顯示出相應比例尺或相應分辨率的數據，多比例尺數據集的跨度要比傳統地圖的比例尺大，在顯示不同比例尺數據時，可采用LOD或地圖綜合技術。真三維GIS的空間數據要存儲三維坐標。動態GIS在土地變更調查、土地覆蓋變化監測中已有較好的應用，真四維的時空GIS將有望從理論研究轉入實用階段。基于三庫一體化的時空3D可視化技術發展勢頭迅猛，已能再PC機上實現GIS環境下的三維建筑物室外室內漫游、信息查詢、空間分析、剖面分析和陰影分析等，基于虛擬現實技術的真三維GIS將使人們在現實空間外，可以同時擁有一個Cyber空間。 

2.3 空間分析和輔助決策智能化需要利用數據挖掘方法從空間數據庫和屬性數據庫中發現更多的有用知識 

    GIS是以應用導向的空間信息技術，空間分析與輔助決策支持是GIS的高水平應用，它需要基于知識的智能系統。知識的獲取是專家系統中最困難的任務。隨著各種類型數據庫的建立，從數據庫中挖掘知識成為當今計算機界一個非常引人注目的課題。從GIS空間數據庫中發現的知識可以有效的支持遙感圖像解譯，以解決“同物異譜”和“同譜異物”的問題。反過來，從屬性數據庫中挖掘的知識又具有優化資源配置等一些列空間分析的功能[3]。盡管數據挖掘和知識發現這一命題仍處于理論研究階段，但隨著數據庫的快速增大和對數據挖掘工具的深入研究，其應用前景是不可估量的。 

2.4 通過Web服務器和WAP服務器的互聯網和移動GIS將推進聯邦數據庫和互操作的研究及地學信息服務事業 

    隨著計算機通訊網絡（包括有線和無線網）的大容量和高速化，GIS已成為在網絡上的分布式異構系統。許多不同單位、不同組織維護管理的既獨立又互聯互用的聯邦數據庫，將可提供全社會各行各業的應用需要。因此，聯邦數據庫和互操作（federal databases & interoperability）問題成為當前國際GIS聯合研究的一個熱點。互操作意味著數據庫中數據的直接共享，GIS規律功能模塊的互操作與共享，以及多點之間的相同工作，這方面的研究已顯示出明顯的成效。未來的GIS用戶將可能在網絡上繳納為其需要所選用數據和軟件功能模塊的使用費，而不必購買這個數據庫和整套的GIS軟硬件，這些成果產生的直接效果是GIS應用將走向地學信息服務。 
    目前已興起的LBS和MLS，即基于位置的服務和移動定位服務，突出地反映了這種變化趨勢。它引起的革命性變化使GIS將走出研究院所和政府機關，成為全社會人人具備的信息服務工具。我國目前已有2億個手機用戶，若每人每月為MLS支付10元費用，全國一年的產值將達到240億。可以預測在不久的將來，地學信息將能隨時隨地為任何人和任何事情進行4A服務（geo-in-formation for anyone and anything at anywhere and anytime）。 

2.5 地理信息科學的研究有望在本世紀形成較完整的理論框架體系 

    筆者曾扼要地敘述了地球空間信息科學的7大理論問題[4]：（1）地球空間信息的基準，包括幾何基準、物理基準和時間基準；（2）地球空間信息標準，包括空間數據采集、存儲與交換標準、空間數據精度與質量標準、空間信息的分類與代碼標準、空間信息的安全、保密及技術服務標準以及元數據標準等；（3）地球空間信息的時空變化理論，包括時空變化發現的方法和對時空變化特征的和規律的研究；（4）地球空間信息的認知，主要通過各目標各要素的位置、結構形態、相互關聯等從靜態上的形態分析、發生上的成因分析、動態上的過程分析、演化上的力學分析以及時態上的演化分析達到對地球空間的客觀認知；（5）地球空間信息的不確定性，包括類型的不確定性、空間位置的不確定性、空間關系的不確定性、邏輯的不一致性和信息的不完備性；（6）地球空間信息的解譯與反演，包括定性解譯和定量反演，貫穿在信息獲取、信息處理和認知過程中；（7）地球空間信息的表達與可視化，涉及到空間數據庫多分辨率表示、數字地圖自動綜合、圖形可視化、動態仿真和虛擬現實等。目前，這些方面的研究對建立完備的理論尚嫌不足，需要在今后加強這方面的基礎研究。 
    關于遙感與GIS的集成，涉及到GPS和通信技術的集成，本文未作具體討論，其具體內容可參見文獻[4—6]。 

3 結語 

    遙感與GIS在20世紀出現，在21世紀不僅將形成自身的理論體系和技術體系，而且將形成天地一體化的空間信息服務產業，為國民經濟建設、國家安全、社會可持續發展和提高人民生活質量做出愈來愈大的貢獻。 

參考文獻： 

[1]  Li D R, Sui H G. Automatic Change Detection of Geospatial Data from Imagery. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2002,34(II):245—251 
[2]  龔健雅. 地理信息系統基礎. 北京：科學出版社，2001 
[3]  邸凱昌. 空間數據發掘與知識發現（第一版）. 武漢：武漢大學出版社，2000. 182 
[4]  李德仁，關澤群. 空間信息系統的集成與實現（第一版）. 武漢：武漢測繪科技大學出版社，2000. 244 
[5]  李德仁，李清泉. 論地球空間信息技術與通信技術的集成. 武漢大學學報（信息科學版），2001，26（1）：1—7 
[6]  李德仁，李清泉，謝智穎，等. 論空間信息與移動通信的集成應用. 武漢大學學報（信息科學版），2002，27（1）：1—6 
[7]  李德仁. 關于地理信息理論的若干思考. 武漢測繪科技大學學報，1997，22（2）：93—95