论地球空间信息技术与通信技术的集成

李德仁
　　技术集成的基本模式

　　1.GPS与通信技术集成

　　80年代以来，尤其90是年代以来，GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在 空间定位技术方面引起了革命性的变革。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从 陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间，从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域 差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位与导航，绝对和相对精度从m级到cm级乃至亚m m级，从而大大拓宽了它的应用范围和在各行各业中的应用。通过GPS与通信集成系统在工程 领域可以实现大型水电站大坝、建筑物、大型滑坡的实时监测，在导航领域可以实现海洋和 内河运输，航空飞行与机场的导航，以及公安、交通、银行等部门的车辆管理与安全防范。 具体应用如下：

　　＊ GPS与调频副载波技术集成局部广域差分服务系统；

　　＊ GPS与卫星通信技术集成广域差分服务系统；

　　＊ GPS与数字微波和光纤通信技术集成大坝安全监测系统；

　　＊ GPS与移动通信技术集成车辆监控与调度系统；

　　＊ 具有全球定位功能的新一代手机。

　　2.GIS与通信技术集成

　　目前，GIS的发展一方面基于Client/Server结构，即客户机可在其终端调用在服务器上的数据和程序；另一方面，通过互联网络发展Internet GIS或Web－GIS,可以实现远程寻找 所需要的各种地理空间数据，包括图形和图像，并且可以进行各种地理空间分析，这种发展 是通过现代通信技术使GIS进一步与信息高速公路接轨。具体应用如下：

　　＊ 基于WAP技术的无线终端（PDA、手机）空间信息服务系统；

　　＊ 基于Internet和IP技术的网络GIS。

　　3.RS与通信技术集成

　　遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的复合分析过渡，从静态分 析向动态监测手段过渡，从对资源与环境的定性调查和系列制图向计算机辅助的定量自动制 图过渡，从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。在我国，遥感技术的发展已 从单纯的应用国外卫星资料到发射自主设计的遥感卫星，如已发射的用于气象研究的风云卫 星、中巴资源卫星、尖兵卫星等。多源遥感影像融合的遥感应用领域也得到很大扩展，如天 气预报、土地利用动态监测、洪水监测、农作物估产、城市规划、土地管理以及海洋、环境 、资源等领域。通信技术是遥感应用的基础，贯穿数据的获取、传输和应用的全过程。具体 应用如下：

　　＊ 基于卫星影像的土地资源实时动态监测系统；

　　＊ 机星地一体化灾害应急系统；

　　＊ 基于GPS/INS的无人机遥感侦察和三维成像系统；

　　＊ 侦察卫星数据传输与应用系统。

　　4.“3S”与通信技术集成

　　“3S”集成是指将GPS、RS、GIS有机地集成在一起，通过与通信技术的集成，构成整体 的、实时的和动态的对地观测、分析和应用的运行系统，提高“3S”应用的自动化、实时化 和智能化功效。如美国俄亥俄州立大学、加拿大卡尔加里大学和我国武汉大学进行的集CCD 摄像机、GPS、GIS和其他传感器为一体的移动式测绘系统（mobile mapping system）。其 他具体应用如下：

　　＊ 数字城市；

　　＊ 智能交通；

　　＊ 精准农业。

技术集成的关键问题 　

　1.空间数据的压缩与解压缩

　　空间信息的集成面临多传感器的多源数据的处理问题，其中海量的空间数据必然带来数 据传输和存储问题。庞大的数据量即使是宽带高速网，也不能使影像在万维网上以多种比例 尺任意漫游，因此，空间数据的压缩显得尤为重要。此外，空间数据的管理和使用，如影像 数据库的建立（影像无缝漫游）、网上数据分发、数据通信传播、ISDN，都要求对空间数据 进行压缩和解压缩处理。

　　空间数据的压缩技术涉及到3个互相制约的技术指标，即压缩和解压缩速度、压缩比和压缩质量。从这3个相互制约方面着手，研究三者最优条件下的压缩技术是空间数据的压缩 和解压缩的关键。被誉为“数学显微镜”的小波技术由于具有优良的时频分析能力、变焦性 能，能有效地应用于空间数据的压缩和解压缩。结合分形理论，从空间数据的组织特点、信 息特征出发，利用小波理论进行空间数据的压缩和解压缩将成为空间数据压缩领域的研究热 点。此外，还需建立网上空间数据（特别是影像数据）的压缩和解压缩模型，实现空间数据 的无约束通信。

　　2.基于WAP技术的空间数据浏览

　　WAP（无线通信协议）是在数字移动电话、因特网或其他个人数字助理机、计算机应用之间进行通信的开放式全球标准。从技术角度看，无线互联属于窄带网，网络环境非常不稳 定，本身技术含量要求特别高，基于WAP的空间数据浏览更为困难。

　　根据 WAP的特点，技术研究的重点应放在服务器端，以尽量减少客户端的负荷。从这一点看，服务器端空间数据的组织模型是WAP浏览的关键技术。另外，WAP应用的本质在于个 人化和本地化，这种复杂的应用又反过来要求其具有稳定的、可扩展性的交易环境，因此， 在考虑服务器端空间数据的组织时，要研究具有可兼容、扩展和交互的、满足客户端要求的 空间数据浏览技术。

　　3.分布式空间数据库管理

　　数据管理是建立一个基于Internet、用于数据更新的存储的集矢量和影像数据为一体的 网络数据库，并对数据进行更新，从而保证空间信息的现势性。以分布式基础空间数据库和 元数据为主要数据源，根据对外服务的内容，通过对空间数据的密级认定，对源数据进行分析、加工、变换和提取空间数据的基础性、公益性数据作为公开发布内容。以计算机网络为 信息发布载体，通过分布式数据库管理系统、WebGIS、虚拟现实技术等的应用以及专用信息 发布平台和空间数据搜索引擎的开发作用，向社会提供高质量的信息服务。用户使用搜索引 擎根据元数据在网上查询所需要的空间数据，然后按电子商务的交易方式购买或免费获取空间数据。

　　目前，Web数据库访问技术有CGI、Web服务器专用API、JDBC、ObjectWeb四种方法。Obj ectWeb是最新一代的动态网页技术,主要是Java/CORBA和ActiveX/DCOM两种互相竞争的技术 。ObjectWeb通过分布式对象技术允许客户机直接调用服务器，开销小，避免了CGI形成的“ 瓶颈”。两种方式都是独立于语言的且可代码重用。但ActiveX/DCOM目前只能在Win95/NT上 运行，而Java/CORBA具有跨平台的特性，具有十分突出的优点。

　　4.实时空间数据双向无线移动通信技术

　　目前，在移动通信技术中，可以通过如GSM短消息、无线数传电台等公用和专用系统实 现空间数据的双向实时移动通信，所需解决的问题是大数据量和多通道的问题。在WAP技术中，采用“蓝牙（Bluetooth）”技术可以实现WAP服务器端和用户端间简单的查询、分析功 能。但是，在大多数应用，如数字化战场、灾害应急系统、智能交通等中，要求通信交换的 空间数据是大数据量、实时的、双向的，即现场数据（图像、地理信息等空间数据）与指挥 中心（服务器端）的决策、控制保持双向实时无线通信。因此，研究实时空间数据双向无线 移动通信是WAP中的关键技术之一。即使到了第二代、第三代无线移动通信条件下，仍需要 针对实时空间数据双向传输和远程控制与互操作进行技术攻关。

技术集成的典型应用

　　1.实时测量和空间数据库实时更新与分发

　　将各种测量手段如地面全站仪、GPS、航空与卫星遥感数据采集系统等与实时双向数据 通信系统结合。任何野外测绘和地图更新工作可通过可视通信方式与GIS基础地理信息中心 、网络GIS空间数据服务中心等直接在线实时相连接，所有数据采集成果均可进行实时入库 、实时质量控制，这将使现有的空间数据采集方法产生革命性变化。同时，利用网络技术也 可以实现空间数据的在线处理和制图，如测量平差、专业制图等，这使得空间信息技术的发 展朝着专业化分工又迈进了一步。此外，还可以实现空间数据的分发和服务。一方面通过电 子商务平台向各种用户发送所需的各种数据；另一方面，又可以按照用户的要求完成各种空 间分析，为用户提供多种专业的分析结果，从而方便空间信息应用。

　　2. 数字城市

　　城市是人们现实生活中一个重要的活动空间，随着现代城市的飞速发展，人们对城市的了解不再停留在原有数字图或平面图上，而是要求有一个直观的、现实的感受和了解。因此 ，笔者认为，数字城市是数字地球中一个不可缺少的重要组成部分。目前，数字城市大致分 为3种：1以文本形式提供的信息源，如平面图；2二维站点，它包括城市地图和风景画（电 子地图）；3三维数字城市空间，以三维虚拟城市模型作为界面，加载各种专题信息系统， 提供各种信息服务。笔者认为，第三种形式是未来数字城市的基本表现形式，对于未来的城 市信息服务具有十分重要的意义。城市信息是指为满足城市居民日常生活、工作需要的时间 和空间信息，如城市道路、交通、旅游、电信、服务机构（包括医疗、商业、政府机关等） 。城市信息服务是为城市居民提供各种信息、日常业务等以信息数据处理为主要内容的各类 服务项目，如提供城市交通路况、旅游景点分布及其详情、商业网点的布局及各自特色、城 市道路与建筑物的空间分布等。在数字城市中，人们只需在计算机前告诉系统自己感兴趣的 城市或想了解的信息，即可以对该空间信息进行定位、浏览，甚至可以通过数字地球开展业 务运作、购物、旅游、休闲、娱乐、与朋友聚会聊天等。城市信息服务具有用户数量大、需 求信息多样化、实时信息、服务方式的多样化等特点，宽带和分布式的三维数据浏览、管理 、交互工操作将是数字城市建立的基础。

　　3.智能交通

　　智能交通系统（intelligent transportation system,ITS）就是充分利用现代化的通 信、定位、传感器以及其他与信息有关的技术来减少交通拥挤，提高交通量，改善交通安全 状况，充分利用路网资源并减少对环境的影响，快速实现交通信息的采集和传递，在人、车 、路之间构造了最优时空模型，从而合理分配交通资源，改善地面交通条件的一项有战略意 义的系统工程，其涉及到先进的空间定位技术、基础地理信息采集和更新技术与通信技术。 基础地理信息是ITS的数据支持平台，由于道路等基础建设的日新月异，城市交通网和高等 级公路网的建设周期减短，使得基础地理信息必须快速更新，方可具备实时、全面、准确等 实用特征，从而保持ITS的现势性。高分辨率的卫星遥感（1m分辨率）与航空摄影测量成图 方式相结合，再辅以成图方式较为灵活、快捷的“3S”自动道路测量系统，可以快速、高效 地采集和更新地理信息（空间三维坐标信息和地物属性信息），进行大比例尺的数字地图成 图及地图修测生产，解决ITS中基础地理信息数据的现势问题。基于“3S”集成的空间信息 的采集中，通过DGPS可以提高空间数据的测量精度。DGPS要求差分站和基准站建立良好的广 播通信，可以采取的通信方式有广域无线方式（固定到移动）、专用短程通信（固定到移动 ）和车辆到车辆（移动到移动）。

　　另外，通信也是整个ITS的重要组成部分，车辆的实时定位、导航和车辆调度、管理必 须建立在成功稳定的通信链技术基础上。因此，ITS必须将交通运输与远程通信世界联系起 来，选择的通信技术要求满足局部、区域和全国的要求。目前可供选择的通信手段包括无线电、卫星、蜂窝电话、广播呼叫、无线电数据系统（RDS）和中断电台技术。选择的原则是 为特定的问题选择适当的通信手段，同时考虑最佳报告率、容量、地域覆盖和性价比等因素 。

　　经济的加速发展和市场的繁荣带来交通运输的空间繁忙和各种车辆的迅速增加，由此带 来的交通问题也日益严重。空间信息技术和通信技术的结合，在道路交通领域实施智能交通 系统不仅能大大改善交通问题，而且能改善全球环境，促进经济可持续发展。

　　4.精准农业 　　自年代以来，精准农业（precision agriculture, precision farm 或 cyber farm） 作为基于信息高科技的集约化农业出现，并成为农业可持续发展的热门领域。所谓精准农业 ，是将GIS、GPS、RS、计算机技术、通信技术、网络技术、自动化技术等高科技集成并与地理学、农业、生态学、植物生理学、土壤学等基础学科有机地结合起来，实现在农业生产过 程中对农作物、土地、土壤从宏观到微观的实时监测，以实现对农作物生长、发育状况、病 虫害、水肥状况以及相应的环境状况进行定期的信息获取和动态分析，通过专家系统的诊断 和决策，制定实施计划，并在GPS、GIS集成系统支持下进行田间作业。精细农业首先必须建 立全球的航空遥感或卫星数据采集网，以获取实时的农作物征兆图（symptom maps）。通过 影像处理进行变化监测，结合已储存的土壤背景库和农田灌溉、施肥、种子等农作物专家系 统数据库进行分析，做出判断，形成诊断图。然后，将诊断结果与MIS结合分析，结合社会 经济信息作出投入产出估计，提出实施计划（action plan），由装有自动指挥和控制的农 业机械，在GPS的引导下，开到指定的农田，完成指定的作业任务。

　　为了保证作业的精确性，需要建立相应地区的专题电子地图和广域/局域GPS差分服务网 。此外，要保证整个系统的效率，影像变化检测数据、GIS、MIS要求建立高效的通信联系， 借助GPS的实时定位与农业机械、农业物资管理部门实现实时控制、反馈。实现可行手段是 在整个系统中建立起无线通信网络，实现各模块的交互，其中WAP和FM将是两个有效的通信 方式。

　　5． 数字化战场 　　未来的战争将是数字化战争，即数字化部队在数字化战场进行的信息战。它是以信息为 主要手段，以信息技术为基础的战争，是信息战的一种形式。其特点是信息装备数字化、指 挥控制体系网络化、战场管理一体化、武器装备智能化、作战人员知识化和专业化。而数字 化战场则是数字化部队实施作战的重要依托。所谓数字化战场就是以数字化信息为基础，以 战场通信系统为支撑，实现信息收集、传输、处理自动化、网络一体化的信息化战场。

　　从“数字地球”到“数字化战场”再到“数字化士兵”，战场地理信息服务成为争取现 代化局部战争胜利的重要因素。首先建立作战单位部分和上级指挥部分的双向数据通信，作 战部分通过GPS接收机获得位置信息，CCD摄像机获得战场图像信息，并通过数据通信设备将 这些信息传递到指挥部分，使得指挥部分对作战部分的位置和战场实况有全面的了解，并及 时更新指挥部分的三维电子地图和战场信息数据库。同时，指挥部分在服务器上根据GPS提 供的位置信息从三维电子地图中提取作战单位附近一定范围的地理信息和战场信息，及时发 送到作战单位，并且利用GIS的空间分析功能，对作战单位所处的环境进行分析，提供进一 步行动的指导。作战单位利用手提计算机显示接收到的局部三维电子地图和战场信息。数字 化战场信息通信要考虑到战时的各种干扰，主要采取的方式是卫星中继。另外，在数字战场 建立时要建立局部定位和通信系统，通过与多种定位数据的联合解算，实现战时战场范围内 的自主定位和安全通信。

结　语

　　 地球空间信息技术的发展随着“数字地球”概念的提出显得越来越重要，其应用领域了从传统的测绘行业扩展到更加广阔的领域。在这些不断增加的应用中对动态性和实时性 提出了具体要求，为了满足这些需求，地球空间信息技术必须与通信技术相结合，并且充分 利用当前通信技术飞速发展的大好机遇，开创地球空间信息科学新的时代。可见预见，在未来的10到20年内，地球空间信息技术将会与通信技术更加紧密结合，并且进入到人们日常生 活的方方面面，成为知识经济时代社会经济新的增长点。

摘自《通信市场》