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作者：景贵飞

出版社：电子工业出版社

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地理信息微观经济分析试读：

前言

地理信息最基本的经济行为及其需求和供给特点是怎样的？为此我在本书中结合地理信息的特点分别用获取函数和人地交互函数来说明其供给和需求状况，并利用这两个函数分析地理信息的生产和消费过程。另外，参考地理学的一般研究方法，对地理信息的空间差异形式、相互作用模式进行阐述。通过对地理信息派生性需求的分析，将支持公众在社会经济生活中的博弈，作为地理信息的主要应用目标进行论述，从而导出发展地理信息工业的主要工作建议：地理信息要推动自身成为商品、形成大的新兴工业，必须发挥反映市场价格的作用。

这本书依然还存在比较大的问题，主要是对目前刚刚开始阐述的“创新型国家”的概念没有来得及反映。“创新型国家”是一个务实的、高屋建瓴的概念，突出反映了国家对技术创新的要求和期待。我国经济的进一步发展必须依托自主创新技术来提高产业竞争力、企业利润水平，落实到地理信息工业更是应当抓住这个时机，顺应“创新型国家”的发展要求，彻底实现发展战略和方向的转变。这一点相比于“抓应用、促发展、见效益”的原则，分析起来所涉及的政策、专业更加复杂，层次更高，我在此只能够强调它的重要性，还无法讲出更多的东西来。本书的观点还是局限于“抓应用、促发展、见效益”的原则和实施的分析。

以徐冠华院士提出的“市场导向”的原则来分析，地理信息这个行业所面对的未来是那么辉煌，以至于让人禁不住激动、颤抖；这种辉煌需要大家共同努力创造，同时共同享受地理信息成为新兴工业的乐趣。但并不是这个行业里的每一个人，都意识到了这种辉煌会来得如此迅速；新进入的市场力量正在行业的发展中占据越来越重要的作用，而一些曾经为整个行业的诞生和发展作出过巨大贡献的人们，在市场发展的洪流中却还没有从“技术导向”完全转变过来而被边缘化，这让我感到不安。但我必须尽我的力量为这个行业成为一个新兴工业而努力，尽管力量弱小得微不足道。

地理信息在中国的科研发展了二十多年了，其间诞生了一大批世界著名的科学家，为国家作出了重要的贡献。我为自己是这个行业中的一员而感到骄傲。

地理信息作为一个工业领域现在还没有出现，本来是应该出现的。在这个行业里经历了十几年的实践和努力工作之后，我这样认为：目前的地理信息工作还处在地理信息工业化的边缘，没有深入到工业发展中去，尽管她有了这么好的基础。想到这里，我又感到一种凄哀。

这不仅仅是地理信息科学家们的事情，而是需要地理信息科学家与企业家、投资银行家们共同努力的事情。怎么来实现这一步呢？这是本书努力探索的一个问题，本书所描述的章节试图构造一个理论探索的体系，使地理信息工业前景和发展步骤的分析能够自圆“我”说。

本书的写作动因还在于：我刚刚到科学技术部时，接手这个领域“九五”计划有关科技重点项目的具体管理工作，其中一个题目是国产地理信息系统软件的商品化，当时的主管副部长、后来的科技部部长徐冠华院士明确提出，课题的目标要推动国产地理信息系统产业的形成，并亲自领导、指导了有关工作。在后来几年的工作接触中，我更进一步了解到他心中对地理信息(包括遥感、地理信息系统、卫星定位系统)产业发展壮大的热切希望和期待，并为此付出了巨大心血。在工作的这几年中，通过努力，我也发现这个领域实现产业化最大的问题在于，似乎没有人对地理信息进行过经济分析，实现地理信息产业化缺乏理论指导和相应的实践探索。

今天的中国正在经历市场经济的洗礼，并已经接受了市场、货币化、全球化等一个又一个现代工业社会的理论。市场经济的改革已经使人们意识到了政府和市场的位置、国家和个人的位置。国家是一个政策、市场环境的建设者，是一个市场的仲裁和推动者。国家是宏观、公平的环境，致力于保证人民生活的最低水平，不使任何人被抛弃；但每个社会个体必须依靠个人的奋斗才能够过上好日子。国家不会让一个人饿死，但也没有义务来保证一个不劳动和拒绝参与市场活动的人过上富裕的日子。这些想法是我在分析地理信息产业经济理论时的总体指导思想，尤其是在分析地理信息市场前景时。

在地理信息的产业推动和发展中，国家和市场应当相互尊重、相互依托，国家要充分相信市场、依赖市场；市场也应当充分自信、自励，发展自己。这是我在本书中强调的基本思想。对在地理信息领域内实施和完成该框架结构所面临的差距的分析，构成了本书的主要内容。

地理信息将如同全球卫星导航定位系统、互联网一样，由军事应用为主的技术转入市场，形成新的产业力量。随着通信、计算机技术的发展和全球普及，地理信息将成为指导社会公众面向全球进行生活的重要工具。作为社会公众、作为生活在这一个星球上的地球公民，我们从来没有像今天这样需要而且有条件得到地球上每一个地方自己感兴趣的信息，去娱乐自己、享受现代科技带来的美好生活。

作为一个新兴的工业，地理信息向公众提供服务，将在中国与世界上的先进国家同步实现；中国将在100年后首次与世界同步共同推动和发起一项工业，这是一个激动人心的时刻，这是一个激动人心的体验。中国的科学家在努力促使地理信息能够成为新兴的工业，成为人们日常生产、消费中的一个重要内容。中国经济的发展前景和现实为这一点提供了特殊的土壤。

本书中大量采用了相关专家的研究成果，例如：对于地理信息经济研究现状的概述方面，主要是采用一些经济学家的研究成果；对于地理信息技术研究现状的描述，主要是“十一五”863计划地球观测与导航技术领域专家组、本领域其他专家的研究成果；等等。大多数采用的成果在本书中注明了出处和付出心血的专家的名字，但是难免有所疏漏，在此向没有注明的专家表示感谢和歉意。另外，由于本人的学术水平所限，其中的观点难免有失偏颇，甚至可能是错误的，恳请各位专家斧正。

预祝地理信息工业取得成功。第一章　地理信息微观经济分析的研究内容

地理信息并不是新潮的东西，几乎与人类社会的文明一样古老。地图就是地理信息的一种表现形式。只不过今天我们有了现代信息技术的支持，能够利用信息技术来存储、分析和应用地理信息了，因此它的应用广度、深度和便利性与历史上的地图有了根本性的区别。长期以来，图舆是史学赖以生存的平台之一，地理信息是与史书记载的内容共同存在、流芳百世的关键内容之一。

地理信息派生性是与经济、军事、政治等方面的竞争程度相适应的。军事的竞争使翔实、最新的地图成为战争成功的保证，古代与现代战争的将军们都对地图十分痴迷，像林彪、粟裕等著名将领都是地图的痴迷者。我们回顾一下地图的历史，就可以看出地理信息在国家疆土管理上的重要意义。山海经是中国历史上比较古老的历史书籍，虽然没有地图的形式，但其中大量的地理信息表明了中国对于世界的了解，对于生存的探索。

经济学中的微观经济分析主要分析研究家庭、企业等个体经济行为，及其在以市场价格为中心进行资源配置时的决策思路。

地理信息正在成为信息社会进行服务的一项主要内容。随着卫星导航技术的应用、基于位置的服务、数字城市等地理信息服务范围和服务领域的变化，社会化的应用客户日益增加，以地理空间位置为基础平台的社会经济数据加工和产品服务已成为现代信息服务产业的主要内容，地理内容作为一种经济要素进入社会经济活动中。这种应用的深度和广度的变化，与历史上的地理信息服务对象有本质的区别。这对地理信息的类型、地理信息描述现实社会的详细程度(分辨率)有了更高的要求，同时地理信息的生产、服务厂家也开始成长，由此造成地理信息的市场和经济行为的研究成为新时代的一个新课题。地理信息的微观经济分析就是瞄准这个目标的。

在地理相关的学科中，经济与地理一直是密切联系的，它们之间的关系始终是研究的热点。但研究的内容相对于地理信息这一以数字形式存在的新事物有很大不足。地理与经济关系密切的经济地理主要研究经济活动的地理分布问题，缺乏将地理作为经济要素来加以深入的研究。经济的地理分布和地理的经济行为是两个不同的内容，地理信息在经济领域的行为还缺少理论指导，尤其是缺乏涉及个人、单个企业、单个市场面对地理信息的生产、消费、需求过程和规律的研究。第一节　地理信息的概念和内容

信息(Information)是用文字、数字、符号、语言、图像等来表示的事件、事物、现象等的内容、数量或特征，它向人们(或系统)提供关于现实世界新的事实和知识，作为生产、建设、经营、管理、分析和决策的依据。信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征，它来源于数据(Data)。数据是一种未经加工的原始资料，如数字、文字、符号、图像等。数据是客观对象的表示；而信息则是数据内涵的意义，是数据的内容和解释。例如，从实地或社会调查数据中可获取到各种专门信息，从测量数据中可以抽取出地面目标或物体的形状、大小和位置等信息，从遥感图像数据中可以提取出各种地物的图形大小和专题信息。

地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对表达地理特征与地理现象之间关系的地理数据的解释。而地理数据则是各种地理特征和现象间关系的符号化表示，包括空间位置、属性特征(简称属性)及时域特征三部分。空间位置数据描述地物所在的位置，这种位置既可以根据大地参照系定义(如大地经纬度坐标)，也可以定义为地物间的相对位置关系(如空间上的相邻、包含等)；属性数据有时又称非空间数据，是属于一定地物、描述其特征的定性或定量指标；时域特征(时间)是指地理数据采集或地理现象发生的时刻/时段。时间数据对环境模拟分析非常重要，正受到地理信息系统学界越来越多的重视。空间位置、属性及时间是地理空间分析的三大基本要素。

就空间位置而言，主要有两个方面的内容：(1)某个已知坐标系中的位置(即几何坐标)，标识地理实体在某个已知坐标系(如大地坐标系、直角坐标系、极坐标系、自定义坐标系)中的空间位置，可以是经纬度、平面直角坐标、极坐标，也可以是矩阵的行、列数等；(2)实体间的空间相关性(即拓扑关系)，表示点、线、面实体之间的空间联系，如网络节点与网络线之间的枢纽关系，边界线与面实体间的构成关系，面实体与岛或内部点的包含关系等。空间拓扑关系对于地理空间数据的编码、录入、格式转换、存储管理、查询检索和模型分析都有重要意义，是地理信息系统的特色之一。

地理信息的属性是指与几何位置无关的名称定义，即常说的非几何属性或简称属性(Attribute)，是与地理实体相联系的地理变量或地理意义，涉及自然、社会和人文景观等各领域的数据。属性分为定性和定量两种，前者包括名称、类型、特性等，后者包括数量和等级。定性描述的属性有岩石类型、土壤种类、土地利用类型、行政区划等，定量的属性有面积、长度、土地等级、人口数量、降雨量、河流长度、水土流失量等。非几何属性一般是经过抽象的概念，通过分类、命名、量算、统计得到。任何地理实体至少有一个属性，而地理信息系统的分析、检索和表示主要是通过属性的操作运算实现的。因此，属性的分类系统、量算指标对系统的功能有较大的影响。

时间指地理信息的采集、获取或描述一般均具有时效性，自然、社会、人文等方面的变化使地理信息也具有某一阶段性，不同时间节点上的地理信息具有不同的内容。

地理信息除了具有信息的一般性质，还具有以下特性：

(1)空间分布性。地理信息具有空间定位的特点，先定位后定性，并在区域上表现出分布式特点，其属性表现为多层次，因此地理数据库的分布或更新也应是分布式。

(2)数据量大。地理信息既有空间特征，又有属性特征，它还随着时间的变化而变化，具有时间特征，因此其数据量很大。尤其是随着全球对地观测计划不断发展，我们每天都可以获得上万亿兆字节的关于地球资源、环境特征的数据。这必然对数据处理与分析带来很大压力。

(3)信息载体的多样性。地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身，除此之外，还有描述地理实体的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。就地图来说，它不仅是信息的载体，也是信息的传播媒介。

目前，地理信息的获取和应用在世界上主要包括遥感对地观测、地理信息系统、全球卫星导航系统等，本书所涉及的地理信息主要是这三种技术所带来的信息及应用。

一、地理信息涉及的内容

1.遥感对地观测技术

遥感技术集中了空间、电子、光学、计算机通信和地学等学科的最新成就，是当代高新技术的一个重要组成部分。国际上遥感技术的发展，将在未来15年将人类带入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。各种高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星相互协同，高、中、低分辨率互补，地面观测网络协调的全球对地观测系统，将能快速、及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的对地观测海量数据。

从1960年美国发射气象卫星开始发展起来的卫星对地观测技术，经过多年的实践和发展，卫星对地观测技术正在成为人类解决资源、环境和灾害等问题不可缺少的重要手段。目前，光谱分辨率高达纳米(nm)级，商品化遥感影像地面分辨率高达米(m)级，雷达图像实现了多波段、多极化，遥感采集的数据极为丰富，仅地球行星计划一天的数据量就达1 012字节。实用化对地观测技术具有标志性的技术水平包括以下几项指标。

● 大气观测：空间分辨率为1 km，光谱分辨率接近0.1 km，重访率为数小时。

● 陆地观测：分辨率，全色为米级，多光谱(0.1 μm光谱宽度)为十米级，重访周期最短为数天，一般需数周。

● 单频段高分辨率雷达成像能力：分辨率接近10 m，重访周期为数周。

自1957年第一颗人造卫星进入太空以来，到1993年底，世界各国已成功发射了4 504个各类航天器。其中，对地观测卫星(含侦察卫星)有1 911颗，占总数的42.4%，居各类航天器之首。自1976年《联合国注册发射外层空间物体的协议》生效至今，已经有3 977个空间物体被签约国发射，包括阿根廷、澳大利亚、加拿大、中国、捷克、法国、德国、印度、意大利、日本、墨西哥、俄罗斯、西班牙、瑞典、乌克兰、英国、美国和欧洲航天局。正在运行的人造卫星成为对地球现象进行全球观测的关键所在，这些地球现象包括：大气结构和动态，海表温度，水面参数，降雨量，包括生物多样性和被选择的气体的化学种类等地表特征。这些空间飞行器或者是地球定位平台，如GMS、GOES、GOMS、INSAT和气象卫星；或者是极地轨道平台，如美国的NOAA－AVHRR，中国的“风云一号”，中国和巴西共同研制的CBERS，印度的IRS，美国的土地资源卫星，法国的SPOT，俄罗斯的Resurs－01，乌克兰的Sich，俄罗斯和乌克兰共同研制的Okean、International Priroda，法国和美国共同研制的TOPEX/Poseidon，日本与美国共同研制的TRMM，欧洲航天局的ERS，美国、德国和意大利共同研制的SIR－C/X－SAR－SRTM，日本的JERS和加拿大的Radarsat等。在21世纪的最初10年中，人类还计划发射30多个新的地球观测卫星。

从20世纪90年代开始，在世界范围内开展监视地球环境变化的空间对地观测活动，将采用一大批遥感仪器，从空间、长时间(10～20年)监测地球环境，对大气、陆地和海洋等地球目标的多种参数进行长期测量，试图找到它们的相互作用关系和变化规律，从而产生对气候变化和自然灾害的预报方法。同时，获得地球体系运行规律的基本数据，为国际组织和各国政府在制订国家长期发展的环境政策提供基本依据。这表明了人类在保护地球和保护地球环境上的决心。这项计划的核心技术内容有两个方面：一是要研究与发展一大批先进的对地观测遥感仪器，要在电磁媒介的波段覆盖、分辨率、重访能力和星上数据处理等所有观测性能上，都有大幅度提高，把人类的信息获取能力提高一大步；二是建立一套合理的数据和信息系统(EOSDS)，它把整个卫星体系发送下来的各种数据，还包括世界各国的相应数据，以非常方便的形式向全世界的用户或科学家分发，为尽快取得成果和效益提供基本数据。

新一代对地观测信息获取技术，达到了标志性的技术性能指标。从空间获取地面全色图像的分辨率达到1 m水平，其图像数据已进入商业运作阶段。

● 光学的高光谱成像能力：在保持中等空间分辨率(几十米至几百米)情况下，光谱分辨率达到纳米(nm)量级；在可见光至红外范围，有能力获取几百个到1 000个光谱波段的图像数据；波段覆盖向长波红外延伸；引入小卫星星座技术，对地球观测的重访能力可大幅提高，高分辨率摄像可以达到几小时的再访能力。

● 高分辨率雷达(SAR)成像能力：向多波段、多极化和多模态等多参数操作能力发展；实现干涉SAR，提供地面立体信息；聚束SAR把地面分辨能力提高到小于1 m，通过微波遥感器广泛采集大气和海洋物理参数，海洋拓扑高度的测量分辨率达到2 cm，对大气结构进行三维成像探测。

2.卫星定位系统

卫星定位系统有美国的全球卫星定位系统、俄罗斯的全球卫星导航系统，以及正在发展中的欧洲导航定位卫星系统、日本的多功能卫星增强系统等。

全球定位系统(Global Position System， GPS)是20世纪70年代由美国国防部批准，陆、海、空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是：为陆、海、空三大领域，提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事目的，是美国独霸全球战略重要组成部分。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已经布设完成。

全球定位系统由三部分构成：

(1)地面控制部分，由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的工作)、地面天线(在主控站的控制下，向卫星注入导航电文)、监测站(数据自动收集中心)和通信辅助系统(数据传输)组成；

(2)空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上；

(3)用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。

GPS的主要特点：

● 全天候，不受天气影响；

● 全球覆盖；

● 三维定速、定时、高精度；

● 快速，省时，高效率；

● 多功能，广泛的应用。

GPS的主要用途：陆地应用，主要包括车辆导航、景点导游、应急反应、高精度时频对比、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；海洋应用，包括远洋船只最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋油井平台定位、海平面升降监测等；航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

实践证明，GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。但是，无论在系统的总体设计(系统组成，图形和信号结构，GPS政策，等等)上，或者在实际应用中，GPS系统都存在不足之处。与俄罗斯的GLONASS和欧洲的GNSS系统相比，GPS在某些方面也显得落后。

GPS系统的主要问题有：

(1)GPS的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要。例如，目前的卫星在高纬度地区，严重影响导航和定位；在中低纬度地区，每天总有两次盲区、每次盲区历时20～30 min，盲区时，PDOP值远大于20，给导航和定位带来很大的误差。

(2)现行的GPS“双用途政策”，既遭到包括美国在内全世界民间用户的强烈反对，也得不到美国军方的支持(美国军方声称：此政策影响美国国家安全利益)。因此，亟待制定新的GPS政策。

(3)实时导航定位的精度低于GLONASS和GNSS系统。

为了克服GPS系统的上述缺点，美国国防部制定了“GPS现代化规划”，并于1997年5月向全世界有关部门发出征求意见书，美国国防部和交通部(DOT)(民用GPS协调单位)达成协议：要求各部门在1998年3月底以前，提出对GPS系统的改进意见。

目前正在运行的美国GPS和俄罗斯GLONASS系统均为军用系统，各由24颗卫星组成，但是GLONASS只发射了12颗。它们分别于1993年和1995年对民用开放。但是，美国政府从未承诺免费提供服务，俄罗斯政府承诺15年之内可以免费使用。因此，上述系统存在下列缺陷：两系统互不兼容，无法相互补充；因为都是军用系统，无法保证民用服务的连续性和延续性；没有国际协议的控制、协调与保护。

1995年欧洲空间局正式提出了自己的定位系统ENSS计划，并建议将其纳入第一代由欧洲国家控制的GNSS－1计划，这一计划将用一颗地球同步轨道卫星，向西半球区域的用户提供与GPS和GLONASS同时兼容的定位信号，提高定位精度。1998年欧洲国家又提出了全球定位卫星系统GNSS－2计划，即伽利略计划。1999年至2000年，在欧洲委员会与欧洲空间局领导下，从战略、经济、资金筹集、法规、用户需求及技术性能要求等方面，对伽利略计划开展了一系列的研究。目前，伽利略计划主要包括中高度地球轨道卫星星座及其地面基础设施的研制，以及用户设备、系统应用与服务的开发研究。伽利略计划的最终目标是建立一个独立的、性能优于GPS、与现有全球卫星导航系统具有互用性的民用全球卫星导航系统。

3.地理信息系统

地理信息系统(GIS)萌芽于20世纪60年代初，加拿大的Roger F.To1nlinson和美国的Duane F.Marble在不同地方，从不同的角度提出了地理信息系统。1962年，Tom1inson提出利用数字计算机处理和分析大量的土地利用地图数据，并建议加拿大土地调查局建立加拿大地理信息系统(CGIS)，以实现专题地图的叠加、面积量算等。这对当今GIS的发展有重要的影响。

与此同时，Duane F.Marb1e在美国西北大学研究利用数字计算机研制软件数据系统，以支持大规模城市交通研究，并提出建立GIS软件系统的思想。同时，计算机辅助制图系统的研究开始发展起来，并对GIS发展有着深刻的影响。来自美国西北技术研究所的Howard Fisher教授在福特基金会的资助下，建立了哈佛计算机图形与空间分析实验室，开发了SYMAP、ODYSSEY软件包。SYMAP对当今栅格GIS系统有着一定影响，ODYSSEY被认为是当代矢量GIS的原型。另外，在其他国家也开展了GIS或相关技术的研究，如英国的David P.Bickmore在国家自然环境研究会(NERC)资助下，成立了实验制图部，从事计算机制图与GIS研究。

20世纪60年代为GIS开拓期，注重于空间数据的地学处理。其间出现了一些城市数据(如美国人口调查局建立的DIME)、普查数据(如加拿大统计局的GRDSR)等，许多大学还研制了一些基于栅格系统的软件包，如哈佛的SYMAP、马里兰大学的MANS等。综合起来看，初期GIS发展的动力来自于诸多方面，如学术探索、新技术的应用、大量空间数据处理的生产需求等。这个时期个人的兴趣以及政府的推动起着引导作用，并且大多数GIS仅限于政府及大学的范畴，国际交往甚少。

70年代是GIS巩固发展期，注重于空间地理信息的管理。地理信息系统的真正发展应是这个时期的事件，这种发展应归结于以下几方面原因。一是资源开发、利用乃至环境保护问题成为政府首要解决之疑难，而这需要一种能有效地分析、处理空间信息的技术、方法与系统。二是计算机技术迅速发展。数据处理速度加快，内存容量增大，超小型、多用户系统出现，尤其是硬件价格下降，使得政府部门、学校以及科研机构、私营公司能够将计算机系统的添置列入预算计划中。在软件方面，第一套利用关系数据库管理系统的软件问世，新型的GIS软件不断出现。据IGU调查，70年代就有80多个GIS软件。三是专业化人才不断增加。许多大学开始提供GIS培训；一些商业性的咨询服务公司开始从事GIS工作，如成立于1969年的美国环境系统研究所(ESRI)。

80年代为GIS技术大发展时期，注重于空间决策支持分析。GIS的应用领域迅速扩大，从资源管理、环境规划到应急反应，从商业服务区划分到政治选举等，包括了许多的学科与领域，如古人类学、景观生态规划、森林管理、土木工程以及计算机科学等，并在进一步发展。许多国家制定了本国的GIS发展规划，启动了若干科研项目，建立了一些政府性、学术性机构。例如，中国于1985年成立了资源与环境信息系统国家重点实验室，美国于1987年成立了国家地理信息与分析中心(NCGIA)，英国于1987年成立了地理信息系统协会。商业性的咨询公司、软件制造商出现，并提供系列专业化服务。这个时期最显著的特点是：商业化实用系统进入市场，除北美外，其他国家和地区的GIS也相继发展起来，发展中国家开始介绍和应用GIS技术。

90年代为GIS的用户时代。一方面，GIS已成为许多机构必备的工作系统，尤其是政府决策部门在一定程度上受GIS影响而改变现有机构的运行方式、设置与撤销等。另一方面，社会对GIS认识普遍提高，需求大幅度增加，从而导致GIS应用的扩大与应用的深化，国家级乃至全球性的GIS系统成为公众关注的问题。目前，以地球信息技术为主要内容的Internet WWW服务器大约有1 000个，其中GIS方面的服务器约有150个。GIS已列入美国政府制定的“信息高速公路”计划，中国的“三金工程”中也包含GIS。毫无疑问，GIS将发展成为当今社会最基本的服务系统。

GIS的发展与政府部门的数据采集与分析紧密相关。近20年来，GIS技术的发展令人瞩目，据国际高科技企业分析公司1994年的年报分析：全球GIS软件及相关服务的产值从1994年的12亿美元上升到1999年38亿美元；而据Daratech公司统计：1996全球GIS的销售额已达到74亿美元，估计年增长率高达35%。总之，GIS一直被信息部门看做热门的信息技术。

4.属性分辨率

人们应用地理信息系统是为了进行经济活动而不是进行空间分析，得到以空间为主要内容的结果，这时大多数的信息将是以空间信息为基础的属性信息，而属性信息的种类和多寡将直接影响这类地理信息系统的应用广度和应用深度。

在今天地理信息系统发展的过程中，人们提出了这样的问题：属性是否具有分辨率？按照历史上研究的进展和文献来看，没有这方面的研究，但今天必须解决这个问题才能够使我们的应用向前迈进一步。

属性分辨率在今天数字城市应用中显示出这类问题的重要性。在今天数字城市的应用中，人们应用信息系统主要来支持日常的决策和生活，判断经济活动成本和收益；在空间地图的应用上主要采用了高比例尺地图(如1︰5 000、1︰2 000、1︰1 000，甚至1︰500)的图来分析用户的使用情况，这时地图的分辨率已经不再具有非常突出的约束和关注作用了。相比之下，在图上的属性种类和每种类型的属性点的多少成为竞争和服务的焦点。在同样一份地图上，属性种类越多，具有的价值就越大，支持应用的种类也就越多；属性种类越少，支持的用户种类和数量也就越少。同样一种属性类型的数据，在一定的比例尺上，数量越多，它将具有的价值越大，供分析的准确性和细分性越好。因此，属性分辨率将是种类和单个种类数量的函数：

F(AR) = f((AT， TQ)　　　　　　　　　　 (1－1)

式中，AR(Attribute Resolution)是属性分辨率；AT(Attribute Type)是属性种类；TQ(Thematic Quantity)是专题数量。

属性分辨率及其价值是一个复杂的问题。属性分辨率高，不一定价值也高。

不同的用户关注的内容不同，赋予各种信息的价值大小也有差异。因此在属性分辨率中，属性种类具有不同的权重，尤其是在经济生活中和社会生活的各个方面，人们往往对于自己关心的属性给与最高的价格，社会普遍重视的属性将具有最高的权重；属性分辨率将具有两个积分，一个是属性种类，一个是专题属性的数量，最后的积分结果将是属性分辨率的最后结果。也就是说，对于特定用户来讲有可能出现的情况是：属性种类少但专题数量多的属性分辨率价值，大于属性种类多但专题数量相近的属性分辨率价值。

因此，加工生产信息将需要根据价值来确定属性分辨率，这在实际中的应用主要表现在专题地图的生产。例如，银行业主要根据人们的收入、消费习惯来确定服务网点的分布，因此这几样属性信息在地图上的集成将是重点，作为信息获取和加工服务上应当注重这几个方面来进行属性分辨率的提高，以便为客户提供更高的价值和更优质的服务，从而得到更多的回报。

属性分辨率的提出也有利于计算地球空间信息的可用性问题。可用性问题主要在于计算一类技术满足用户需求的效率、为用户服务的满意度等。作为地球空间信息技术的用户将主要是社会用户，而不是地球空间信息的专家，中国的13亿可能用户中没有几个人了解空间地理，但他们每天都在用位置的概念，出门坐车、旅游、商务旅行等都会用到地理信息的概念，但他们关心的始终是自己所要办理的事情是否能够得到明确的指示，尽快、高效地办理完成，因此在用户那里永远是关心属性的问题，虽然分析属性信息必须用到空间信息，但用户关心的不是空间信息，这就需要地球空间信息专家来提供这种基础。

说明白了这一点，我们利用属性分辨率来分析数据种类和数据量。今天我们几乎是每天都可以从遥感数据上得到250 m分辨率的图像，但这对于百姓来讲没有多少生活、商务分析的意义。1︰10 000以上的数据才有应用的价值，而在这种图像上面我们还没有生成一幅最基本的原始图像，也就是我们还没有发展产业、为用户提供服务的基础。当前要开展地球空间信息产业的发展，最基本的事情就是在百姓关心的比例尺基础上生成一幅分类比较粗、专题数量比较少的信息图库，作为基础设施使资本界在上面进行增值再开发。

所以今天我们在提出要求和呼吁发展空间图像获取的时候，必要牢记这只是解决了我们满足空间分辨率和少部分属性分辨率的问题，作为服务的基础，更高分辨率的属性数据必须得到解决才能够最后发展地球空间信息产业。

属性分辨率的提高在我们以往研究中涉及的不多，当前INTEL公布的为基于位置服务而设计的网络计算系统可以算是一个例子，其他的在中国习惯上称为“扫大街的”，就是在城市内派出一系列的人员对城市的属性信息进行获取、更新和加工，形成一个个专题数据库，供各种用户使用。由于属性数据种类的多样性和复杂性，必然要求有各种专题的数据加工和更新企业来提供这样的不同种类数据库，这样才能够在全社会形成一个巨大的、满足各种要求的数据仓库，满足各种用户要求，属性分辨率达到一定的高度。

5.地理编码

关于地理编码，这是我们面临的最主要问题之一。因为我们在这上面还没有达成一致，形成全国统一的高分辨率地理编码。

所谓地理编码，就是将信息以地理坐标的形式进行分类，根据地理坐标进行管理和描述，这样所有的信息都具有一个坐标数据，在进行分析时就可以通过这个坐标数据进行叠加分析了。例如，一个村子的两个人可能不认识，但当他们都能够知道自己的邮政编码时，就马上可以得知他们居住的地点是很近的。当这种编码达到很高分辨率(如高于1 m)时，微观信息之间就具有了亲缘分析纽带。

研究表明，在人类社会信息中，80%都与地理空间位置密切相关，但是很多都没有空间坐标，因此无法与其他信息整合，无法实现可视化的空间分析。为了实现空间信息与非空间信息、非空间信息与非空间信息的集成与融合，真正为公众提供直观、生动的基于空间位置的服务，就需要建立空间与非空间信息之间的联系，地理编码正是建立这二者联系的最重要、最实用的手段。

地理编码体系是一个基于地理标识的空间参照系统，它并不基于精确的坐标，而是建立在地理要素的位置关联基础上的。研究地理编码体系的目的，就是要将目前分散在各个部门相对孤立的信息统一于一个信息可充分共享的环境中，使这些数据发挥更大的效益。

美国是地理编码应用最早、最广泛的国家，早在20世纪70年代就建立了全国的地理编码标准，并开发了通用的地理编码软件工具，成功地应用于TIGER软件系统，在历次全国人口普查统计中发挥了巨大作用。现在地理编码库以及地理编码软件工具已经商品化，一些著名的地理信息系统软件都有地理编码模块，如MAPINFO的MAPMARKER， ARCINFO的GEOCODING等，在商业竞争分析、公用设施选址、城市规划方面都有广泛的应用。

我国不少单位已经开始研究适合我国使用的地理编码的模型和标准以及地址匹配和定位技术，也开发了一些相应的软件和应用，如北京长地计算机公司的“寻址神”、北大方正的“小红帽物流管理系统”、北京超图公司的“客户关系管理系统”等，但是由于没有标准的地理编码库，难以推广应用。

北京是我国的政治、经济与文化中心，也是我国国际化程度比较高的特大城市之一，经济规模庞大，国际交往频繁，在科技、文化、信息交流和高新技术产业发展等方面在全国都处于独特地位。作为古都，北京的历史源远流长，文化遗产丰厚，地名、地址信息丰富。而今，北京又以前所未有的速度向国际大都市迈进，旧城改造、新城扩建方兴未艾，城市格局日新月异。历史和现实原因造成了北京市的地名、地址体系异常复杂，地名混乱、无序，缺乏规律性，街道门牌编号混乱，地名命名方法复杂，缺乏统一的标准。

另外，北京市规划委员会和首都信息发展股份有限公司还共同开发了北京市规划委员会地名管理信息系统。作为北京市的地名主管部门，该项目的目的是建立全市范围的地名管理信息系统，实现地名审批、管理、应用过程的计算机化，并且通过各区县局与市地名办联网，实现全市地名数据的实时更新。但是系统中只涉及地名的名称管理和维护，没有涉及地名的空间坐标信息，使得地名这个重要的信息资源不能直接与空间信息资源进行整合。

目前，各行各业都在自己的应用系统基础上建立了一套编码系统，有自己独特的地理单元划分标准，如房屋规范检查区、公共健康护理区、垃圾场等，但这些编码体系在空间单元上并没有统一的、标准的地理参考系统，它们在数字城市的管理中，最小单元的边界都不相同，使得相互之间很难共享信息资源。同时，城市地理信息资源的分类没有标准，也没有统一的地理代码，限制了现代化手段的使用。而地理编码在数字城市建设中是最基础性的工作之一，目前在地理编码上面临的问题严重阻碍了城市信息化建设的进程。

6.本书对于地理信息的分类

地理信息的种类十分繁多，但总的可以分成如下两类：

(1)同一图：作为一个单独的学科，遥感图像已经具有了世界范围内的认可度和影响力，将其归为一类是合适的。这一类包括所有航天、航空手段等获得的图像类型。

(2)专题图：是以属性为主的地理信息，是在应用服务中涉及最广、产值最大的内容，导航电子地图、土地利用图等都属于这一类。

而对于每一类图像，又可以划分为实时图和背景图。实时图主要指在时间上能够及时提供更新的图像，其时间延迟往往为几分钟，如城市交通信息、微观救援信息等；背景图是指在历史上获得的数据，主要进行背景分析或指时间上要求并不是特别及时的图像。

地理信息分类如图1－1所示。

二、地理信息库建设

1.遥感数据

遥感数据主要指由遥感方法获得的空间数据。随着空间技术的进步，空间观测数据量急剧膨胀。例如，截至1999年11月31日，SPOT图像中心已有总量约为250 TB的7 483 285景SPOT图像。ESA/ESRIN(位于意大利Frascati的欧洲航天局中心)有大量的地球观测数据，约300～400 TB的数据量等待处理。目前，NOAA从其主要系统GOES、NEXRAD和DMSP中获取了大约1 000 TB的数据文档，这类数据到2010年将增长至约9 000 TB，到2014年将达到约14 000 TB。NOAA估计复制一遍现有的环境数据将花费80年的时间，而且这一估算还是基于使用广泛、快速的计算设备进行假设的。每天能接收到160 GB地球观测数据的ESA/ESRIN已拥有86 000盘高密度磁带，其中有42 000盘不止一次地被转录和重复使用，如果不进行转录，则磁带的实际数目将达到约160 000盘。

空间数据的价值在很大程度上依赖于数据的新旧性以及空间分辨率和光谱分辨率。例如，62%的SPOT数据用户需要1年新的空间数据，82%的用户需要3年新的空间数据，85%的用户需要5年新的空间数据。同样，高空间分辨率数据的价格可以是低空间分辨率数据的10倍。

2.地理数据

地理数据主要指将已有地图数字化而获得的空间数据。美国政府部门使用的空间数据库(1︰24 400到1︰100万)均指定由美国地质测量局USGS(民用)和国防制图局DMA(军用)生产。在英国，由女皇签署下达任务给英国标准测量局(OS)，负责英国系列数字地图的制作和更新，包括大比例尺(1︰1 250， 1︰2 500， 1︰10 000)和小比例尺(1︰50万和1︰62.5万)两个系列。法国由国家地理院IGN负责(该院相当于国家测绘局)，从1985年起建立全国地形数据库(BDTopo)，要求X、Y精度为±2.5 m， Z精度为±1.0 m。他们采用摄影测量和遥感方法，全面提供数字的地形信息并实时更新，目前已投入了24台解析测图仪和24台数字摄影测量工作站，估计要花200万立体测图小时，约需15年，即到2010年才能完成。这相当于建立全法国1︰25 000国土基础信息系统。

德国内务部测量局于1989年决定建立全国官方的地形和制图信息系统，称为ATKIS，可以分为数字景观模型(DLM)和数字制图模型(DKM)。DLM是具有拓扑关系的三维空间信息系统，包括数字地物模型和数字高程模型，只有采样分辨率，并无地图比例尺概念，这便于各种专业信息系统的需要；而DKM是二维、多层片结构，有矢量和栅格两种形式。DKM是由DLM导出，并考虑了符号化和图面上的容量和目视化需要，有地图综合取舍的过程，它具有比例尺概念，实际上相当于符号化的数字地图，主要用于制作地形图和专题图，或作为背景在屏幕上显示。各州测量局要完成DLM25和DKM25(即全国1︰25 000比例尺国土基础信息系统)，主要地物要求精度为±3 m，次要地物精度可放宽到±10 m(相当于图上0.12～0.40 mm)。IFAG的主要任务是完成全国的DLM200和DLMI000，即1︰20万和1︰100万两种比例尺的全国地形数据库。

加拿大地理信息署(Geomatics Canada)负责全加拿大的国家地形数据库(NTDB)， 1︰250 000的地形数据库已完成，南部人口密集地区1︰50 000地形数据库已经完成。各省自己着手建大、中比例尺数字地形数据库。例如安大略省，已有300多个城市建立了1︰2 000数据库，全省南部地区建立1︰10 000地形数据库。北部地区建立1︰20 000地形数据库。这些数据均统一转到国家地形数据库中。即使像以色列这样的小国，政府也要求其测绘局建立国家DMDB(数字地图数据库)和国家GIS，用做制图、国家空间分析和处理的法定空间数据源，以色列目前用1︰40 000航片来建立和更新1︰5 000到1︰25 000的系列地形数据库。

3.互联网分布式空间信息库

目前，互联网上已经出现了若干个分布式空间数据库的雏形，其中包括Microsoft公司的Terra Server地图及卫星影像数据仓库(http：//www.terraserver.com)。该数据仓库提供美国及前苏联的高分辨率的卫星影像及USGS生产的正射影像图。MapQuest网站(http：//www.mapquest.com)提供地图产品及一些原始地理信息。美国环境保护局(EPA)也提供了基于地理位置进行地理信息查找的地图服务及ZIP编码查找服务，其网址是http：//www.epa.gov/enviro/zipcode_js.html。美国人口调查局的Tiger Map Server也提供基于地理位置的人口数据查找服务，网址是http：//tiger.census.gov。美国地质调查局(USGS)提供国家地图集的查询及相关服务，网址是http：//www.usgs.gov/atlas。亚历山大数字图书馆(Alexandria Digital Library， ADL)是加里福尼亚大学圣巴巴拉分校(UCSB)从NSF/NASA/DARPA获得400万美元的资助，在4年时间里研制出来的一个数字图书馆，使读者通过地理位置获取数字化地图、卫星影像及其他卫星图像信息。Terra Server是目前Internet上最大的地图服务器，由微软公司创建于1996年6月，在网上开张时就有大约700 GB数据量的图像，到目前为止，数据量已达到1 TB。Terra Server向用户展示了一个有趣的地理空间数据库设计难题，它包含了坐标系不同的3种不同的数据源，并将它们一体化，以一个简单的用户直观界面表示。

4.国家地球空间数据交换中心

1)美国空间数据交换中心

美国联邦政府每年大约要花费40亿美元来生产、管理和分发各种地球空间数据。其中，相当多的经费花费在收集现存的但无法确定其可利用程度的数据上。国家地球空间数据交换中心(National Geospatial Data Clearinghouse)就是为了寻找地球空间数据、确定其应用适宜程度以及获得或订购它们而建立的一种经济、有效的技术手段。它实际上是连接地球空间数据生产者、管理者和用户的一种分布式电子网络。

美国空间数据交换中心目前汇集了超过100多个空间数据服务器和数百个数据库，全国共有6个数据网关(Gateway)提供数据查询入口，地理数据主要用于GIS、图像处理系统和其他建模软件。数据集合可以通过一个描述性的用户界面或元数据查询获得。截至1999年10月8日，已经有139个空间数据交换中心节点注册。

2)亚太地区的空间数据交换中心

空间数据的目录服务和原型已经在亚太地区的一些国家发展起来。其中以澳大利亚的空间数据目录(ASDD)计划发展最为迅速，该计划将一套国家和政府信息目录统一为一个公共的、虚拟的目录。ASDD利用了由澳大利亚 －新西兰土地信息委员会(AZLIC)开发的一套正式的元数据来描述基础元数据的特性。为便于查找，这些特征(在Z39.50协议中)与在南非及美国使用的Z39.50 GEO用户文档中注册的元数据元素相匹配。这样，用户通过单一的路径就可以搜寻澳大利亚、非洲和美国的空间数据集合。

在马来西亚和日本，空间数据目录原型已经建立起来，通过本地的Web就可以查询。在马来西亚，1997年建立的国家土地信息系统(NaLIS)充当主机就可以进行国家地籍及相关地理空间信息的查询。现在，这种查询已经移植到一个Oracle数据库中，通过地址http：//www.nalis.gov.my/Laluan/laluo3.htm可以获得相关的信息。NaLIS的主页地址是http：//www.nalis.gov.my/nalishm.htm。在日本，国家空间数据基础设施促进协会(NSDIPA)已经确定和认可元数据的建立和查找作为它的数据基础设施的一部分。1997年一个试验性的空间数据交换中心建成，通过基于Web地图的查询界面可以获取详细的信息，该中心位于日本的冲绳地区，该系统为查询全国的数据提供了一个示范模型。在1998年6月由NSDIPA发起的地球空间技术研讨会上，NSDIPA的成员组织对Open GIS联盟的活动表示了极大的兴趣。 随着OGC相应的数据目录服务规范在1999年获得通过，预计日本的NSDI数据的获取就会成为可能。

3)欧洲和非洲的空间数据交换中心

欧洲空间数据目录行动包括单个国家的空间数据交换中心计划或大部分国家的Web仓库计划。1998年，一个致力于建立泛欧洲公共数据发现基础设施的行动正式启动，被称为欧洲空间元数据基础设施(ESMI)计划。该计划包括大多数欧洲国家的测绘组织，并提供一个公共的研究和发展框架，在欧洲共同体国家范围内进行地理空间数据的获取。 ESMI计划包括对通过Z39.50规范支持的数据查询和通过一个中央的高水平的元数据仓库对数据获取的协议，并希望该计划建立的元数据收集和发现方法与ISO/TC 211组织和Open GIS联盟所制定的方法相一致，该规范于1999年正式颁布，ESMI的网址为：http：//www.geodan.nl/esmi。

在非洲，至少有两个空间数据目录计划在实施，在联合国环境计划(UNEP，总部设于肯尼亚首都内罗必)中，通过国际合作，UNEP的软件将转换为可以支持FGDC元数据的一个子集。未来，通过Internet提供的查询服务即可获取UNEP的元数据。UNEP的网址为http：//www.unep.org。在南非，国家空间信息框架计划用于协调元数据的开发和在线数据获取系统。 该计划用FGDC的元数据和软件通过两个查询节点来支持空间数据的获取，范围包括南非和南部非洲的广大地区。南非的元数据计划是由GIMS咨讯公司发起的，网址是：http：//www.gims.com/metadata，国家空间信息网络的网址是：http：//168.172.43.22。由国际地球观测卫星委员会建立的CEOS信息处理系统(CILS)是为了给第三世界发展中国家的广大用户提供参与、获取、处理、共享、管理空间卫星遥感数据的机会。在中国、挪威、肯尼亚、日本、意大利、德国和澳大利亚都有该系统元数据的镜像主机，并提供公共的和同步的元数据的集合。CILS计划的网址是：http：//cils.jrc.it。

5.国家空间数据基础设施

国家空间数据基础设施(NSDI)的概念是在20世纪90年代初在美国、加拿大、英国等发达国家首先提出的，一般包括空间数据协调、管理与分发系统和机构、空间数据交换标准、空间数据交换中心以及空间数据框架等部分。自从美国1994年倡议建设NSDI以来，已有60多个国家有NSDI计划或类似NSDI的计划，还有一些国家正在考虑、规划和着手本国的NSDI的建设。目前，有十多个多边国际组织在进行RSDI和GSDI的发展工作。NSDI的初衷是为了加速地理信息交换标准化，加快地球空间信息整合，建立全国范围的空间信息网络。其实质就是通过一种“基础设施”使得全社会能对“地球空间数据(空间信息)”实行“充分的利用和共享”。各国对NSDI定义的表述各有千秋，不尽统一，通常包含有政策、机构、数据、技术、标准、机制、财力和人力资源等要素。

近5年来SDI的活动领域已经扩展到了区域(Regional)和全球(Global)范畴，即RSDI和GSDI，在区域范围内联合开展RSDI活动的机构有：亚太地区地理信息系统基础设施常设委员会(PCGIAP)、欧洲地理信息总协调机构(EUROGI)；在全球范围联合开展GSDI活动的机构有：国际标准化组织地球空间信息技术委员会(ISO/TC 211)、全球空间数据基础设施国际指导委员会(GSDI Steering Committee)、全球测图国际指导委员会(ISCGM)等。我国在努力推动自身NSDI建设的同时，还积极参与了区域和全球的有关活动。我们国家测绘局是PCGIAP的副主席、GSDI国际指导委的执委、ISCGM的成员、ISO/TC 211的国内技术归口单位。各国由专业测绘部门来建立法定的国土基础信息系统，不仅能保证空间数据的统一和法律效力，而且有利于数据的及时更新。数据库更新是一项长期的工作，目前更新的概念已从原来的定期更新改为连续更新，即在建库之后，测绘局维护国土信息系统的任务之一就是利用航片或卫片加上地面测量和调查数据来连续不断地更新数据库。这样做不仅保持了数据的现势性，而且提供了对空间数据进行多时相动态分析的可能性。英国在全国构建了完善的修测网络，对大比例尺数字地图每月提供一个版本，对小比例尺数字地图每年提供一个版本。

在建设数字地球所涉及的政策、机构、技术、标准、机制、财力和人力资源要素等方面，各国已经做了大量工作。GIS行业正在通过Open GIS联盟来寻求互操作的解决办法。技术标准规定了基础数据的技术特征，使它们能够与其他环境、社会、经济数据相一致，空间数据基础设施在大地测量参考系、数据模型、数据词典、数据质量、数据传输和元数据这些领域内都需要有标准。国际标准化组织(ISO)已经把地理信息标准化作为一个活动领域建立了一个技术委员会，称做ISO/TC 211。ISO/TC211的工作将为全球、地区、国家的空间数据标准化提供一个框架。第二节　地理信息微观经济分析的定义和研究内容

经济学上的微观经济分析，其框架和内容包括：市场供求原理、家庭经济行为、企业经济行为、完全竞争市场、不完全竞争市场。地理信息的微观经济分析由于具有地理信息的专业特性，因此具有地理信息行业性的行为和规则，与经济学意义上的微观经济分析有很大区别。

一、地理信息微观经济分析的定义

只有在信息技术和地理信息处理技术达到一定的应用以及市场发展水平时，才能够谈到这项研究的内容，经济地理学曾有部分涉及。根据李小建先生的研究，经济地理用来研究人类经济活动的地域体系，其核心是生产的地域布局体系(吴传钧，1985)。经济地理学的中心研究内容是经济活动和地理环境相互联系的地域系统的形成过程、结构特征、发展趋向和优化调控(吴传钧等，1997)。经济地理学研究人类的经济活动(主要是物质资料的生产活动)在地球表面的分布状况、特点以及发展变化和地域分异的规律性。也可以说，经济地理学主要是研究生产分布的地域系统的一门学科(曹廷藩等，1991)。经济地理学是研究各国、各地区生产力布局及其发展的条件和特点的科学(胡兆量等，1987)。经济地理学是研究生产力布局和生产地域综合体的科学(李振泉，1992)。因此有如下定义：经济地理学是研究经济活动区位、空间组织及其与地理环境的相互关系的学科。从这个定义可以看出，经济地理一般研究地理上如何反映经济的发展特点，也就是经济的地理特征；而对于地理的经济学特征涉及较少，不管是其宏观上的经济学特征还是微观上的经济学特征。地理的经济学特征是什么？这是经济地理学涉及较少的内容，不管是区位理论、空间组织和空间系统演化，都没有涉及地理的经济学特点，也就是地理如何作为经济活动研究主题出现地理经济学，研究地理的价格、地理的消费者效用、地理的市场、地理的成本，等等。因此，地理信息微观经济分析与经济地理学是有差别的，它直接将地理信息作为一种经济要素进行研究，探讨它在要素和商品市场的表现与行为。

地理信息微观经济分析是在微观经济学理论支持下，研究家庭、企业采用地理学的基本原理和信息方法描述现实世界以及通过消费地理信息来支持经济博弈的微观经济模式的一种理论探讨。

当前大量的地理世界的描述和经济分析的工作基本以宏观为主，对个人、单个企业的描述方法则较为简单，现代信息技术的进步有可能使一个社会个体的信息得到满足，也使在地理平台上的信息描述和规律分析开始遇到极微小尺度上信息内容分析的挑战，同时以信息、数据方式表现的地理内容也开始需要分析供给和需求问题，微观经济领域内容开始以从未有过的挑战方式进入地理信息领域。它在现代信息技术支持下的社会环境中面对巨大的挑战，其中之一就是需要解释和调和地球信息科学与经济研究领域中宏观和微观的概念，将思维方式和应用模型有机地结合起来。地理学的宏观和微观是指区域范围的大小，是一个相对的概念。例如，对研究全球气候变化和研究一个城市的热岛效应来讲，全球是宏观尺度，城市是微观尺度；对研究企业分布来讲，城市是宏观，而社区是微观。这两个词汇定义在经济学与地理学是不同的。经济学上的微观指分析经济组成中的单个部分，如一个厂商的行为，探讨它在组织生产、运输、销售商品过程中的行为规律；宏观指研究经济作为一个总体的功能，通常是指一个国家尺度上的行为，如国家应当注重的税收、就业、国内生产总值等，一个企业是不太注意这些内容的，因此微观经济学又被称为厂商或价格理论，宏观经济学又被称为收入或就业理论。由于定义的不同，空间地理应用和经济学研究在思维方式和观念上也有较大差异。

地球信息科学研究的信息宏观面包括全球尺度，如全球岩石生物圈计划、综合全球观测计划、对地观测计划、全球制图计划、全球海洋监测计划、全球气候变化研究等，地理信息的获取以宏观信息为主，因此对于解决地理宏观问题具有优势，这也是学科一直主要瞄准国家需求或公益性问题解决为主的重要原因；但随着高分辨率卫星的上天和各种平台下高分辨率信息获取的实现，研究地理微观问题已经具备了技术基础，研究解决一个厂商的资源调配问题成为可能，这也是推动地球空间信息成为微观经济研究的一个重要因素。

在此论证的经济分析，是将地理信息看做一种商品。在微观经济学理论的支持下，通过地理信息行业市场、厂商数据的应用、分析，提出地理信息的微观经济模式。

二、地理信息微观经济分析的研究内容

微观地理信息是对于地理世界更加精细化的描述和研究，使人们更加充分地获取信息支持经济活动。地理信息微观经济分析不仅仅是描述信息技术支持下微观尺度世界的特征，更重要的是研究信息技术反映地理世界的方法，从事地理信息领域工作的企业如何能够在经济活动中生存、成长等问题。地理信息微观经济分析研究地理信息生产和加工销售的厂商的行为和经济学特点，以及应用地理信息在经济活动中的企业行为、地理信息消费者效用。

微观地理信息撷取的是目前现代信息技术支持下微观环境中的地理信息，它具有面向社会大众应用的特性。

地理信息的微观经济学分析主要利用经济学的基本理论，按照地理信息的实际情况，研究如何利用和配置社会资源进行地理信息的生产、将产品分配到社会各需要的阶层并实现社会福利的最大化，研究地理信息市场的组织、结构等，促进地理信息市场的良性运作。其研究内容主要包括：微观地理信息的表达方式和能力，分析和应用模型，获取成本和能力；企业加工微观地理信息的成本和收益；微观地理信息的消费者效用、市场结构、政府政策等，地理信息产业的构成和特性；地理信息企业与地理信息产品、供给；地理信息的需求与效用，市场构成与运行规律，投资与资源配置；等等。尤其需要指出的是，在地理信息微观经济分析中研究的重要内容之一是企业的行为。这是长期以来地理信息行业研究十分薄弱的部分。企业加工微观地理信息的成本和收益将直接描述地理信息的市场和价格；而消费者效用是微观地理信息对其他商品价格和经济决策支持程度的反映，它反映微观地理信息能否在微观信息经济中获得一定的作用能力。

中国目前处于农业化、工业化、信息化交织的时代，处于国家发展和全球为之重建的变革时期，地理信息还要根据中国的经济发展现实和中国特色社会主义市场经济的特点与要求，研究和揭示地理信息的客观经济规律，指导地理信息企业的生产力发展和效益的提高，在更高程度上满足不断增长的社会需求，获得尽量大的经济效益和社会效益。

三、地理信息微观经济分析的研究方法

1.经济学研究的一般方法

地理信息的经济学特点符合经济学的基本规律和理论，主要研究方法也采用经济学的基本方法：

1)局部均衡和一般均衡方法

局部均衡分析是假设其他条件不变，分析单一或个别的经济现象，发现其变化规律和均衡关系，并进一步说明在假设条件发生变化时均衡变化的方法。一般均衡分析是把经济中不同的部分作为一个有机的整体，从相互关系中研究某个部分怎样形成均衡和均衡中的经济关系。

2)静态的、比较静态的和动态的分析

静态分析主要研究什么是均衡状态和达到均衡状态所需的条件，而不管形成均衡状态的变化过程和达到均衡状态所需的时间。比较静态分析主要通过对不同的均衡状态进行比较，来发现导致均衡状态变化的因素。动态分析是在一定条件下对某个经济变量的随时间因素发生变化的过程以及变化的结果所进行的分析，强调的是变化过程和发现变化的规律。

3)实证分析和规范分析

实证分析是以已经发生和存在的事实为依据，通过一定的分析工具，寻找规律和原因结果关系，得出“是什么”的结论。实证分析的正确与否，可以通过现实情况的变化得以判断。规范分析是在一定的哲学、文化、宗教、道德的前提下，对经济现象进行好的、坏的判断，并进行肯定和否定。

2.地理信息微观经济分析的研究方法

地理信息所研究的对象具有自身的体系结构和特点，在生产、应用、消费中有特殊的规律，因此结合微观经济学的一般方法，我们还需要采用符合地理信息特点的方法来进行研究和分析，从而得出更加符合地理信息运行实际的结论。

1)中国特色社会主义市场经济

本书的分析以在中国发生的案例和应用市场为主，因此无论生产企业、消费用户、服务网络，还是经济政策、行业法规，都必须从中国市场的关注法律和现状出发，采用的是符合中国特色社会主义市场经济的原理来进行分析，难以摆脱中国特色。对于社会主义市场经济的基本原理和经济思想的采用是在本质上的，例如经济发展的目标是有利于发展生产力、增强国家综合国力、提高人民生活水平等观点，就是很有特色的。

2)系统性

地理信息业发展到今天已经成为一个独特的体系，从数据获取技术(如对地观测网络、全球卫星导航定位系统)，到数据生产、数据消费网络、接入系统等；但同时地理信息的应用由于国民经济的其他部门不可分割、联系密切，甚至在部分工作中与其他部门的部分工作具有相互替代作用。因此，在研究地理信息的微观经济行为时不仅要关注地理信息本身的各个组成部分，还要将视野扩展到整个国民经济，将地理信息这个系统看做国民经济的子系统来进行分析，才能比较全面地分析出它的市场规律、经济政策和运行机制。

3)定性和定量经济分析相结合

定性分析是根据一系列原则所进行的性质判断的分析方法，揭示事物之间的联系和影响的关系，如供给量增加、价格下降等。定量分析是通过一个因素的变化量，进行梳理模型分析，从而得出其他因素的变化程度。定性研究能够通过确定相互之间的变化关系，为研究指明方向，建立基础标准。而定量分析则可以确定各个因素变化的程度，提高分析的精确度，以便更加准确地把握经济规律，为应对措施提出更加准确的目标。

3.地理信息微观经济分析所采用的经济学一般原理

经济学研究的是有限资源的社会配置，实现社会效益或经济利益最大化的问题，自身已经得出了一系列基本的原理，这也是地理信息在经济分析过程中所遵循的原理。

(1)资源使用的交替关系原理：稀缺的社会资源在经济生产活动中的总量是有限的、固定的，当一种资源在某一方面被增加使用时，其他方面就会减少该资源的使用量。

(2)看不见的手原理：在市场中形成的价格、交易的数量，社会资源向某一方面流动的现象，虽然说都是市场主体分散决策而形成社会共同的决策的结果，但这些决策犹如存在一只手在控制。这只看不见的手就是每一个主体都在追求自身的利益，最后汇聚成社会的共同利益。

(3)生产率差异原理：生产率是指生产要素生产物品和劳务的能力，生产力的发展有众多影响因素并经过复杂的过程，各地方之间总是存在着生产力水平的差别。

(4)边际决策原理：边际决策是指人们对计划的增加和减少所进行的分析，不从总量上进行决策的一种方法，这是经济研究的最基本思路和方法。例如，厂商重视边际产量和边际成本、资源利用的边际效率，通过边际效率来确定价格；而消费者注意边际效用，等等。

四、地理信息微观经济分析产生的基础

1.微观地理信息的需求

从理论上讲，为了得到尽量多的信息来支持决策，人们对于信息的需求是多多益善，尽量能够达到最高空间分辨率、随时随地都能够得到想要的数据，但这种情况由于现实中的成本约束，只能向这种理想状态逼近。但从现实发展来看，地理信息的获取和消费确实已经达到了微观信息的阶段，已经可以对1 m以下的目标进行定位、信息提供了，这对于人们在大多数生活中的信息提供已经能够满足了。

例如，国际上对地观测技术的发展，预计在未来的15年内将人类带入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候对地观测的新时代。各种高、中、低轨道相结合，大、中、小卫星相互协同，高、中、低分辨率互补的全球对地观测系统，将能快速、及时地提供多种空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的对地观测海量数据。在空间分辨率上，目前商业上已可得到高于1 m分辨率的全球对地观测遥感图像，并已经商业化。在时间分辨率上，气象卫星已奠定了低分辨率数据源每天2次以上覆盖的基础，预计未来5年内可获得每天覆盖一次的中分辨光谱对地观测数据和雷达遥感数据，以满足自然灾害和农作物长势监测、全球环境变化监测与研究的需要。同时，多角度测量、测高和成像技术亦正逐步走向实用，目标探测将由二维向三维拓展。这些发展成就与趋势，为空间技术的综合应用和产业化发展提供了充足的空间信息源。

导航定位方面随着民用市场的进一步开发，广域增强系统已经能够提供面向全国3～5 m导航信息的服务。局域增强系统的建设和室内定位系统的实现，将能够提供优于1 m的高质量服务，使自导航系统、基于位置服务等技术最终突破技术限制，成为与无线通信网络及其接入系统移向运营网络，为社会用户提供全覆盖、高可用度的服务。这种服务平台的建设使高于1 m分辨率下专题信息的需求迅猛增长，最终带动地理信息的服务市场。单就目前产业热点的地理位置信息服务(LBS)对地理空间信息就有庞大的需求。位置信息服务涉及大量的静态和动态的、与位置有关的数据。在实际需求上，地理实体的位置信息及其属性信息是密切关联的，包括地理实体及过程的动态信息更是人们关心的内容，考虑到位置信息的发展，其涉及的数据应该包括：

● 空间数据，即人们关心的地理实体的空间位置信息，如长沙在中国的位置、

中关村在北京的位置、海龙大厦在中关村的位置等；

● 属性信息，指人们关心的地理实体的属性特征，如旅游景点的特色、学校的

类型等；

● 动态信息，是相对于人们的活动节奏和活动空间，在较短时间内会变化的信

息，如城市交通的拥堵状况等；

● 元数据，是已有各种数据的说明信息，它可以记录数据的名称、完整性、有

效性、变化、更新、空间范围等信息，依赖这些信息及在其基础上构造的元

数据库管理系统，位置服务信息平台可以在分中心与全国中心、其他分中心

之间进行数据负载平衡调控，以实现数据的有效更新；

● 业务信息，指位置服务过程中需要记录下来的数据信息，如用户某个服务的

类型、时间、收费等信息。

2˙微观地理信息的理论挑战

历史上对地理信息的研究从来没有料到如此多的信息都与地理相关。我们的理论体系最完整的测绘和地图学科，所拥有的数据管理理论也是以几十个不同属性的主要图层为主，没有考虑到也从来没有提出过这样的需求：这个社会的信息都需要以地理坐标为框架进行整合、叠加。如何规范这些信息的记录？如何执行这些信息的操作？如何选择有用的信息？如何保管和调用这些信息？如何更新这些信息？如何使这些信息的拥有者、使用者通过某种机制联系起来？

这些信息有多少种类呢？地理信息从空间上覆盖地球表面的任何位置，并且不同的地理空间信息在空间上交织重叠；地理空间信息的属性之间存在或弱或强的关联性，这些关联性即是自然科学及社会科学中各种规律的表面；从时间上，不同地理空间信息表达时间相互交织或重叠。因此很难用统一的标准及基础分析地理空间信息的构成，从不同的角度分析，发现地理空间信息的构成有不同的描述方式。

1)从信息获取的角度从地理空间信息的获取途径分析，其构成如下：

● 地图数字化——由于以往地理空间信息的主要表达形式或载体是地图，所以数字化地图就成为地理信息的主要来源之一，由地图到地理空间信息有两种主要途径，即直接数字化地图和地图扫描后提取。虽然在该过程中不确定性、误差、质量控制是个争论不休的问题，它仍是地理空间信息最快捷、最有效的来源。

● 实测数据——通过野外实地测量获取的数据，如由水文测量站测得的河流含沙量。用这种方法得到某些典型或主要空间实体和地理过程的数据可以补充

其他方法获取的数据，如实测影像数据中的控制地物、模糊部分等。

● 试验数据——模拟地理真实世界中地物与过程特征产生的数据，它们表示在特定条件下的实际状况。例如，农业试验站获取的各种数据，可以近似表达某区域中大气 －土壤 －植被系统运作状况；又如地貌发育试验获取的数据，可以近似表达某种环境条件下地貌发育过程及各种特征。试验数据与实测数据的结合使用效果较好。

● 遥感与GPS数据——由航空、航天各种设施获取的数据，特别是卫星影像数据获取、处理发展很快。今后，遥感数据将成为地球空间数据的主要来源之一。这些数据面对的主要问题是包括影像解译、分类、提取等一系列操作的自动化程度和信息质量。智能系统的应用和地学知识规则数据库的建立，基于知识的遥感影像的自动化处理是可以实现的。GPS可以准确获取地物的空间位置，它已逐渐成为其他地球空间数据源的订正、校准手段。GPS、RS、GIS的一体化使用是实现地球空间数据获取和成功的一个方向。

● 理论推测与估算数据——在不能通过其他方法直接获取数据的情况下，常用有科学依据的理论推测获取数据。例如，对地球演化、地质过程、地貌演化、生物物种的分布和变迁、沙漠化进程等数据，依据现代地理特征和过程规律，去推测过去的各种数据，地质上常用这种方法获取数据。另外，对于一些短期内需要但又不能直接测量获取的数据，如洪水淹没损失、地震影响区、风

灾损失面积及财产损失等，常采用有依据的估算方法。

● 历史数据——指历史文献中记录下来的关于地理区域及地理事件的各种信息，这类信息在中国是十分丰富的，它对于建立序列地球空间数据是很宝贵的。经过基于地学知识关联的整理和完善，这些信息将成为可用的地球空间数据。由于种种原因，这些数据中存在不确定描述性信息、错漏、重复、不系统、不规范等问题，应予以订正。如在地震历史数据中，可能有两个地点记录的是同一次地震。由于距震中的距离不同，则记录为两次震级不同的地震。这应根据各种专业和非专业背景知识修订。

● 统计普查数据——有空间位置概念的统计数据通过与空间位置关联或其他处理，可以转化为地球空间数据。普查方法获取的数据比统计数据更准确，普查涉及经济、社会、自然环境各方面，如人口普查、工业普查、农业普查、自然资源调查等。这方面过去已有大量的积累，但往往以非空间信息格式存在，因而如何转化这些数据成为符合一定标准的地理空间信息是一项艰巨的工作。首先，地学领域的人员应向人们展示把普查数据按地理空间信息利用的优越性和效益，然后用适当的方法诱导普查数据地理空间信息化。例如，美国人口调查局已开始与ESRI合作，以实现人口调查数据在空间数据概念上的应用。

● 集成数据——主要是指由已有的地球空间数据经过合并、提取、布尔运算、过滤等操作得到的新数据。其实，用这种方法获取数据在地图界已有很好的传统，但只有GIS和计算机制图系统出现和应用以来，这一工作才变得快速、准确、有效。集成数据有多种方法和类型，但有一点应强调的是，这些操作应基于可靠的地学相关知识。

2)从信息学科内容和应用领域的角度

地理空间信息与其他信息的差异表现在空间特征上，但其地理空间信息表达的内涵确有明确的意义，这表现在地理空间信息内容所属的学科及应用领域方面。地理空间信息的学科分类可根据目前通用的学科分类体系进行，地理空间信息的应用领域可以按照现行的行业分类方法进行分解。

从信息覆盖空间区域尺度，地理空间信息的空间特征确定了任何地理空间信息均明确表达一定空间范围内的地理实体及现象过程。不但如此，地理空间信息的属性、时间方面也存在着尺度的问题。地理空间信息的时间尺度即是信息表达的地理实体所跨时间的长短，属性尺度则表示属性的详细程度。综合起来，地理空间信息可以分解为：

● 宏观地理空间信息：空间、时间跨度较大，或者时间或空间有一个特征尺度较大，信息的属性较为概括；

● 中观地理空间信息：信息的空间、时间、属性较为适中；

● 微观地理空间信息：信息所表达的空间范围很小，时间尺度可大可小，属性较为详细。

从应用共享需求的角度，地理空间信息具有生产成本高，共享使用成本低的特点。地理空间信息的共享应用正成为普遍现象。从应用角度分析，地理空间信息包括：

● 基础性地理空间信息，即各行业均需要的控制性、框架性数据；

● 专业(行业)地理空间信息，指以某一个或某行业应用为主的信息，如矿产信息、林业信息、农业信息等，这些信息主要为对应的专业部门服务；

● 综合地理空间信息，指在基础性及专业信息基础上形成的包含多种要素集成的信息，如重大基础设施信息、重点生态工程信息等；

● 专题地理信息，指针对自然、社会经济中某些专题应用的地理空间信息，如国家粮食安全信息、能源安全信息等。

从地理空间信息管理技术角度，国际组织OGC将地理空间信息分为覆盖数据、地理数据、地理参考数据和其他数据，分别用于表达空间连续数据、矢量数据、控制性信息和非直接的空间信息。

由以上描述可看出，关于地理信息的分类多种多样，其实最主要的困难还不在于分类，而在于一旦进入微观信息的描述，就会产生地理科学中涉及很少的一个问题：地理信息描述的不确定性和地理编码。关于地理信息的不确定性，近期有许多专家进行了研究，出版了一系列的研究成果，可以作为参考。(承继成；史文中)

3.微观信息生产与消费主体的变化

宏观信息的主要消费用户是以宏观范围作为活动区域的用户，微观信息则是以微观区域内的用户作为消费客户的。如同经济信息的应用一样，越是微观信息(如一个市场的某种商品的信息)，对一个厂商越有用。微观地理信息使用户规模大大增加，使整个社会成为应用的潜在市场，市场的扩大使生产成为企业可以介入的领域，使企业拥有了赢利的可能性。

随着交通工具、金融结算方式在全球的发展，经济活动已经成为全球范围内统一考虑和关注的议题，一个厂商包括对于1元钱的打火机的生产都将在全球供应链中产生影响，一项产品的供给在人类历史上只有今天才真正具有了地球村的概念，厂商的边际生产和价格的确定必须在全球范围内进行定价分析，一个局域的城市市场已经没有任何概念了，今天价钱的抬高可能会带来灾难性的货物蜂拥而至的局面，带来长期的货物贱卖。这就是货物、人、金钱、信息全球流动的结果。因此，在全球范围内供给和消费信息成了社会的需求，按照地理位置组合和贩卖信息是地理信息成为一种工业的最基本需求和动力。

虽然就成本而言，信息的供给有一定的局限，但对于比较优势而言，信息的空间差异仍然起作用。同样两个厂商对于一个市场的分析，该处市场信息的完全性和完美性将对于厂商的分析决策水平起到关键的支撑作用，因此在竞争中，不同厂商之间还是希望能够通过获得更多的信息来达到更完美信息支持下的信息优势，任何一种对某一个市场的分析将必然以地理信息为主，因为一个市场的概念已经决定了地域性，决定了与该市场相关的信息将都具有地理的成分，因此具有地理的编码而成为地理信息。

对于消费者而言同样具有类似的结论，在消费者购买商品过程中，消费者对于两种不同亚市场内商品的比较，也是以尽量多的信息支持下作出的，信息差异具有重要意义，这些信息的表达都具有地点的不同和明显的标志，因而具有地理信息的特征。第二章　地理信息技术和产业发展现状

地理信息技术集电子与信息科学、地球科学、天文学等多项科学技术于一体，广泛应用于国土资源、农业、生态与环境、防灾减灾、国家安全等领域，是当今世界高速发展和激烈竞争的战略高技术，也是国家科技实力的综合体现。地理信息技术和产业主要包括遥感(对地观测)系统、地理信息系统、卫星导航系统等内容，关于它们的发展现状和发展趋势，国家863计划地球观测与导航技术领域专家组进行了深入详细的研究。本书对于地理信息技术和产业发展现状描述主要的目的是，为了使新进入这个领域的读者有一个概括的认识，以便为后面的经济学分析打下基础，本章的大多数内容都采用来自专家组的研究报告，恕未一一标明。第一节　遥感的发展现状

一、引言

以遥感卫星为核心的对地观测技术，包括资源卫星、气象卫星、海洋卫星、环境监视卫星和军事侦察卫星等，正受到越来越多国家的重视，成为人类解决资源、环境和灾害问题，以及军事和外交争端等不可缺少的重要手段，遥感类卫星也因此成为继通信广播卫星之后能进入商业市场的第二大卫星领域。因此，对地观测技术被认为是21世纪最具发展潜力的战略高技术领域之一，是国家竞争力的重要体现。

经过最近20多年的快速发展，对地观测技术研究已发展成为空间多层次、多学科和多种参数的综合研究体系，一个立体、多角度、全方位、全天候的全球对地观测网正在形成。

许多发达国家和不少发展中国家都纷纷致力于掌握独立运行的对地观测体系，各空间大国加速研究开发具有新一代高性能、全天候多传感器和实时定性、定量处理能力的大型综合性遥感卫星平台，以增强自己的综合国力。目前，在全球范围内正在形成一个天、空、地一体化，大、中、小卫星平台相辅相成的多维立体综合观测体系。美国联邦政府2004年宣布的四项重点研发计划，其中第一项就是太空计划，第三项是以建立全球综合地球观测系统为核心的全球研究计划。欧盟第六框架计划的九个领域中，第二领域即为航空航天领域，其中航天部分就是遥感、导航和卫星通信。法国政府支持的四大主要优先科技领域，第三个就是空间科技，在政府科研总经费投入中占15.7%，位居第二位。印度“十五”计划(2002—2007年)将空间科技列为第一优先领域，其新政府2004年重申延续上届政府的新科技政策，并将空间科技列为印度科技发展的三大优先领域之首。联合国把空间遥感作为实现千年发展目标的必不可少的重要手段。我国航天蓝皮书也已颁布，国家正在全面统筹，拟建设综合国家对地观测系统。

在地球观测领域国际竞争日趋激烈的同时，各国也清醒地认识到对全球变化的分析要依靠广泛的综合资料，包括空间观测和地面观测，仅依靠一个或几个国家的努力不可能实现真正意义上的全球观测，迫切需要尽可能多的国家联合起来，调动各种观测手段综合地进行，协同建立有组织、有规范的观测体系。在这种背景下，国际对地观测卫星委员会(CEOS)于1995年提出了全球综合观测的策略(IGOS)。这一策略以大气、海洋、陆地观测为骨干，涵盖全球环境空间和地面观测的各主要组成系统。在CEOS－IGOS框架下，建立了三个相互关联的子系统，即全球陆地观测系统(GTOS)、全球气候观测系统(GCOS)和全球海洋观测系统(GOOS)，总称G3OS。推行这种策略的目的是使全球观测在最终使用中获得最大效益。

2005年，近60个国家的政府和欧盟签署了全球综合地球观测系统(GEOSS)10年执行计划，国际地球观测组织(GEO)正式成立，成为联合国组织框架下的一个新成员，秘书处挂靠国际气象组织。该计划强调在观测战略上实现整体优化，在整体设置上实现系统互操作和资料共享，在能力建设上进行充分的合作，并共同致力于填充观测空白和统一观测方法与标准等。这无疑是对地观测走向综合性与系统性的又一个重要标志。中国原科技部部长徐冠华院士在2003年底至2004年11月担任国际地球观测委员会(CEOS)主席期间，积极支持并参与全球综合地球观测系统方案及其组织的建设，其本人出席了第二次在日本东京举行的高峰会，科技部原副部长马颂德博士参加了在布鲁塞尔举行的第三次高峰会议。中国的支持极大地促进了国际地球观测组织(GEO)的建立，并得到国际同行的认可，中国目前为GEO执行委员会成员，中国气象局局长郑国光博士是联合主席之一。

二、卫星遥感系统发展现状与态势

卫星遥感是对地观测系统的重要和核心组成部分，成为世界各国竞相发展的高技术系统。

1.美国卫星遥感系统

美国不仅是卫星遥感的大国，也是强国，建立了一系列的民用/军用和科学试验系统化的卫星系统。

1)地球资源卫星LANDSAT系列

陆地卫星(LANDSAT)系列是世界上最早发展的地球资源卫星，其主要任务是调查地形、地貌，辅助制图和地图修测，调查地下矿藏、海洋资源和地下水资源，监视农、林、牧业和水利资源，监测农作物和植物的生长，协助各类资源的管理和合理使用，预报和监测自然灾害和环境污染，并提供军方需要的目标图像。

第一代试验型地球资源卫星LANDSAT－1、2、3于20世纪70年代发射，星上装有返束光导摄像机和多光谱扫描仪(MSS)，分别有3个和4个谱段，分辨率为80 m。各国从卫星上接收了约45万幅遥感图像。

20世纪80年代，第二代试验型地球资源卫星LANDSAT－4、5发射。卫星在技术上有了较大改进，平台采用新设计的多任务模块，增加了新型的专题绘图仪(TM)，可通过中继卫星传送数据。TM的波谱范围比MSS大，波谱分辨率比MSS高，其地面分辨率为30m(TM6的为120m)。

20世纪90年代，第三代资源卫星LANDSAT－6、7发射。LANDSAT－6卫星于1993年发射，因未能进入预定轨道而失败。LANDSAT－7卫星于1999年发射，该卫星装备了一台增强型专题绘图仪(ETM＋)，其上增加了一个15 m分辨率的全色波段，热红外信道的空间分辨率也提高了一倍，达到了60 m。陆地卫星系列具有持续时间长，综合性能好，波段设置合理等特点，对全球的遥感技术与应用产生了重要而广泛的影响。

2)气象卫星系统

自从1960年以来，美国诺阿(NOAA)环境卫星一直进行着对地球连续观测，并与其国防气象卫星计划(DMSP)成功地并行运行了30多年，为全球气象事业的发展作出了巨大的贡献。在NOAA－K卫星上的新的微波有效载荷，又极大地提高了NOAA极轨卫星辐射计的观测水平，并能有效地探测大气温度和湿度。在静止气象卫星方面，于1994年和1995年成功地启用了GOSE－8和GOSE－9。

3)高光谱卫星

高光谱技术方面，美国居领先地位。NASA(国家航空航天局)1999年12月18日发射EOS－AM1(Terra)卫星，Terra卫星携带的MODIS传感器具有36个谱段；EO－1卫星携带的高光谱成像仪(HYPERION)共有220个波段(0.4～2.5 μm范围)，地面分辨率30 m，用于地物波谱测量和成像、海洋水色要素测量以及大气水汽/气溶胶/云参数测量等，其性能比EOS Terra卫星上的MODIS(36个波段)要好得多。2000年11月21日发射EO 1(ALI)， 2002年5月4日发射EOS－PM1(Aqua)， 2004年7月15日发射EOS－Chem 1(Aura)卫星。

美国海军2001年发射的NEMO高光谱测绘卫星，具有个210谱段，光谱分辨率10nm。

4)商业化高空间分辨率卫星

1999年9月24日，美国太空成像公司发射了世界上第一颗高分辨率商业成像卫星——IKONOS卫星。其轨道为高约680 km的太阳同步圆形轨道。该卫星由洛马公司研制，重为726 kg，长×宽×高为1.83 m×1.83 m×1.57 m。由柯达公司提供的星载CCD数字相机系统总重为171 kg，焦距为10 m，主镜直径为0.7 m，能同时拍摄优于1 m分辨率的全色图像和4 m分辨率的多谱段(彩色)图像。相机光轴可左右向或前后向偏转±45。，从而保证在很大地面范围内获取所需地点的单视图像或在同一圈轨道上获取立体像对。图像数据可实时下传给有关地面站，或暂存在星载固态存储器上待机下传。地面成像带宽为11～13 km，重访周期为3天。卫星的设计工作寿命为5～7年。

美国数字地球公司的Quickbird高分辨率商业成像卫星于2001年10月18日发射成功，运行在高约450 km的太阳同步轨道上。该卫星由鲍尔公司研制，重953 kg，长约3 m，设计寿命为5年，可拍摄0.61 m分辨率全色图像和2.44 m分辨率多谱段(彩色)图像，是迄今为止世界上分辨率最高的商业成像卫星。该卫星在轨道上整个星体可前后或左右倾斜以指向欲成像目标，目标指向灵活、快速，前后或左右最大倾斜角45°，标准成像带宽为16.5 km，对任意目标的重访周期为1～3.5天。星载固态数据记录仪的存储容量为128 Gb。Quickbird卫星图像目标定位精确，有地面控制点时精度可达2m。

2003年6月26日，由美国轨道科学公司为轨道成像公司设计和制造的OrbitView3卫星发射成功。OrbitView 3卫星重304 kg，运行在高约470 km的太阳同步近圆形轨道上。星载相机可对全球各地拍摄1 m分辨率全色图像和4 m分辨率多谱段图像，成像带宽为8 km，最大侧摆角为±45°，重复周期短于3天。

5)美国“锁眼(KH)”系列光学成像侦察卫星

该系列卫星自1959年至今共发展了六代。第一代至第三代为回收型照相侦察卫星，地面分辨率从5 m左右很快提高到1 m左右，再逐步提高到0.3 m和0.1 m。卫星工作寿命，前两代为1～19天；第三代一般为30天左右，最长达128天；第四代(俗称“大鸟”)是一种兼有胶卷回收和图像传输两种方式获得图像信息的光学侦察卫星，其侦察图像地面分辨率为0.15 m和1 m，工作寿命为52～275天。

第五代即KH－11，采用光电数字成像，图像数据可实时传输。星上装载CCD可见光相机、红外相机、多谱段扫描仪以及电子信号侦察设备等多种遥感器，其中CCD相机可获得地面分辨率最高为0.15 m的目标图像。

第六代为高级KH－11，是美国目前使用的主要光学成像侦察卫星。一般两颗卫星在轨协同工作，一颗为上午星，另一颗为下午星。星上载有高分辨率CCD可见光相机、红外相机、多谱段扫描仪以及电子信号侦察设备。CCD相机主镜直径达3.8 m，采用自适应光学成像技术，所获图像地面分辨率可达0.1 m。卫星设计寿命为8年。

6)美国的“长曲棍球”(LACROSSE)合成孔径雷达(SAR)卫星

首颗“长曲棍球”卫星与1988年由航天飞机部署到轨道上，其后分别于1991、1997、2000、2005年用运载火箭各发射一颗，卫星运行在670 km×680 km左右，倾角57°～58°的轨道上，前两颗星的地面分辨率优于1 m，后三颗星的地面分辨率有所提高，聚束模式为0.3 m，标准波束模式为1 m，宽扫描束模式为3 m。后3颗星目前仍在轨工作。

长曲棍球卫星呈4 m×8 m八棱体，一对太阳电池帆板展开后跨度为45.7 m，可提供10 kW以上的电力。合成孔径雷达天线呈矩形，长14.4 m，宽3.6 m。卫星重14.5t，设计工作寿命为8年。

7)美国的8X“增强型成像系统”“高级晶体”卫星虽然分辨率高达0.1 m，但其成像带宽仅为6 km。为了适应实际作战对大范围战场侦察的需求，美国国家侦察局主持研制了8X亦称“增强型成像系统”(EIS)的卫星。

首颗8X卫星于1999年5月22日发射，卫星轨道2690 km×3130 km，倾角63.4°，每天绕地球运行9.7圈。这种巨型卫星重达20 t，长约19 m，直径4.4 m，载有高性能的CCD光学相机和合成孔径雷达两种遥感器，既能进行光学成像亦能进行微波成像，故而兼有“高级KH－11”和“长曲棍球”两者的功能，据估计分辨率为0.3　m左右。其最大的改进是将成像带宽增加到约50　km，为“高级KH－11”的8倍(8X)，从而大大提高了侦察能力。

8)美国电子侦察卫星

美国的电子侦察卫星已经发展到第六代，目前主要使用普查型、同步型、大椭圆轨道型和新型极轨型卫星。普查型电子侦察卫星的地面轨迹不集中于特定地带，只适用于广泛的普查。它能对各种无线电信号和雷达脉冲信号进行大面积侦察，对辐射源进行大体定位并测量其参数。

同步型电子侦察卫星包括“流纹岩”(Rhyolite)、“百眼巨人”(Argus)、“漩涡”(Vortex)、“大酒瓶”(Magnum)四种卫星。“流纹岩”可窃听欧、亚、非洲大部分地区的军事、外交通信和雷达信号。“百眼巨人”主要用于监听微波通信。“漩涡”主要用于截收俄罗斯和中国的外交与军事通信、雷达和导弹遥测信号。“大酒瓶”又称“水技会演”(Aquacade)，共有4颗，第一颗用于截获前苏联的导弹遥测信号，监听前苏联的雷达信号和其他微波通信和无线电话等信号；第二颗可覆盖俄、中国、中东、非洲和整个欧洲；第三颗被部署在海湾上空，监听该地区战况，它是一颗能向全球范围的美军指挥官提供多种情况信息的多功能军用卫星；第四颗是在1994年8月发射入轨的。

大椭圆轨道型电子侦察卫星“折叠椅”(Jump Seat)主要任务是截获前苏联最北部基地军事活动的信号并探测反导雷达和空间跟踪雷达。

新型极轨型电子侦察卫星被部署在高度为800 km、倾角为85°的极轨道上，这是一种多面体卫星。

9)海洋监视卫星

美国从1968年开始研制卫星海洋目标监视系统，经过多年试验和调整，建立了电子型和雷达型两类海洋监视卫星。电子型主要是“白云”(White Cloud)电子型海洋目标监视卫星。该系列卫星分为两代。第一代“白云”卫星一组4颗，其中1颗主星、3颗子星，一般采用高度1100 km、倾角63.4°的近圆轨道。自1990年起，第二代“白云”卫星(亦称高级“白云”卫星)投入使用。“白云”卫星一箭三星发射，形成三星异轨星座，利用长基线时差定位原理对海洋目标进行定位。

从美国海洋监视卫星的发展过程可以看出，美国从早期的“电子型”逐步发展成为电子和成像相结合的系统，尤其是和全天候、全天时的雷达成像相结合。目前美国正发展天基广域监视系统(SBWASS)， SBWASS有两大系统，即基于红外探测的海军系统和基于雷达探测的空军系统。

2.俄罗斯卫星遥感系统

1)前苏联/俄罗斯的“琥珀”胶卷回收型照相侦察卫星

按照西方的划分，前苏联俄罗斯光学成像侦察卫星共发展了8代，第四代琥珀卫星于1974年首发，至1981年共发展了“琥珀2K”，“琥珀4K1”，“琥珀4K2”三种类型。该类卫星运行在170 km×350 km左右的轨道上，工作寿命30～45天，最长120天。卫星能够获得的分辨率优于0.5 m，最高达0.2 m的目标图像。其中“琥珀4K2”自1981年至今，一直是前苏联俄罗斯成像侦察卫星阵容的支柱。

2)俄罗斯的“阿萨克斯”(Araks)光学成像侦察卫星

1997年首发属第八代。卫星的望远镜采用折叠光路，使得成像焦距长达27 m。卫星运行在高约1 500 km×2 750 km、倾角63.4°的轨道上，视场角约0.5°，最大侧摆角45°，以至少优于2 m的地面分辨率执行高度灵活的广域普查监视任务。在如此之高的轨道上，它的视野更加开阔，其高倍率望远镜能够瞄准地面轨迹任一侧宽达1800 km范围内的任何目标。卫星重达20 t外形酷似美国“哈勃”太空望远镜，设计寿命为2～3年。

俄罗斯目前的测绘卫星主要有胶片型测绘卫星和传输型测绘卫星。其中胶片型测绘卫星有：1999年9月28日发射的Resurs－F 22(Resurs－F1M #2)， 2000年9月29日发射的Kosmos 2373(Yantar－1KFT #20， Kometa #20)， 2000年9月25日发射的Kosmos 2372(Orlets－2 #2)，2001年5月29日发射的Kosmos 2377(Yantar－4K2 #81，Kobalt #81)，2002年2月25日发射的Kosmos 2387(Yantar－4K2 #82，Kobalt #82)，2003年8月12日发射的Kosmos 2399(Orlets #7，Don #7)，2005年发射的Resurs－O13(Resurs－O1 #5)。传输型测绘卫星主要有2000年5月3日发射的Kosmos 2370(Yantar－4KS1M #9，Neman #9)，2002年7月25日发射的Kosmos 2392(Araks #2)。

俄罗斯电子侦察卫星的主力是第三、第四和第五代卫星。第三代电子侦察卫星由6星组网，主要执行雷达信号侦察和军事气象任务，同时兼顾海洋学任务。第四代电子侦察卫星由4星组网，主要任务是截获通信和电子信号，跟踪舰船活动。第五代电子侦察卫星是从1988年8月开始发射的，它是俄第一颗能大面积覆盖的连续普查型卫星，其性能与美“流纹岩”相当。

3)海洋监视卫星

前苏联/俄罗斯的海洋监视卫星有两种不同类型：一种是装有雷达系统的“主动式”卫星，称为US－A，西方称其为“雷达型海洋侦察卫星”(RORSAT)，该型卫星因由90%浓缩铀235的多室热离子反应堆供电，易发生危及人类安全的事故，于1988年4月停止发射；另一种是装有电子情报系统的“被动式”卫星，称为US－P，西方称其为“电子情报型海洋侦察卫星”(EORSAT)。

3.欧盟卫星遥感系统

1)ERS－1/2和EnviSAT

欧洲宇航局分别于1991年和1995年发射了欧洲遥感卫星ERS－1和ERS－2，卫星携带了侧视合成孔径雷达(SAR)和风向散射计、雷达测高计等多种有效载荷。由于ERS－1/2采用了先进的微波遥感技术来获取全天候与全天时的图像，比起传统的光学遥感图像有着独特的优点。

ENVISAT卫星是欧空局的对地观测卫星系列之一，于2002年3月1日发射升空。星上载有10种探测设备，其中4种是ERS－1/2所载设备的改进型，所载最大设备是先进的合成孔径雷达(ASAR)，可生成海洋、海岸、极地冰冠和陆地的高质量图像，为科学家提供更高分辨率的图像来研究海洋的变化。其他设备将提供更高精度的数据，用于研究地球大气层及大气密度。作为ERS－1/2合成孔径雷达卫星的延续，Envisat－1数据主要用于监视环境，即对地球表面和大气层进行连续的观测，供制图、资源勘查、气象及灾害判断之用。

2)法国SPOT和Helios卫星

法国SPOT系列卫星以稳定性、较高的分辨率、成功的商业运作模式而著称。也是全球最具影响力的遥感卫星之一。1986、1990、1993、1998年法国分别发射了SPOT1、2、3、4卫星，2002年，最新的SPOT5发射升空。SPOT5卫星的性能较前几颗有重大提高，其传感器HRG既保持了与SPOT系列以前卫星相同的观测范围，又具有更高分辨率，其中常规全色(PAN)影像分辨率为5 m，“超级模式”影像分辨率为2.5 m，多光谱影像分辨率分别为10 m(B1、B2、B3)和20 m(SWIR)。同时，该卫星具备了前后摆获取立体像对的能力，提高了立体像对的获取效率。分辨率在2.5～5 m范围的卫星遥感数据非常有利于在城市规划、测绘和军事方面的遥感应用。表2－1所示为SPOT卫星性能对比一览表。

法国于1995年首次成功发射Helios(太阳神)卫星。该星重2.5 t，运行在高约680 km、倾角98°的太阳同步圆形轨道上，设计寿命5年。星载主遥感器是一台四通道CCD相机，用推扫方式成像，可获取1 m分辨率全色图像和4 m分辨率多谱段(0.50～0.59 μm；0.61～0.68 μm；0.79～0.89 μm)图像。图像数据可实时下传，也可先存储后回放。“太阳神2”2004年首发。卫星装载高分辨率变焦距相机，相机的主体是一台卡塞格伦望远镜，它有两个可见光焦面和一个红外焦面，可见光部分有一个高分辨率通道和一个甚高分辨率通道。据法国国家航天研究中心的一份出版物披露：光学和辐射测量性能水平使得高分辨率通道的分辨率比“太阳神1”卫星高1倍，即达到0.5 m，甚高分辨率通道的分辨率高2倍多，也就是优于0.25 m。

3)法国和意大利的Pleiades－Cosmo光学/雷达成像卫星星座

2001年1月底，法国和意大利决定联合建造一个军民两用的光学/雷达成像卫星星座。该星座的2颗光学成像卫星称为“昴星团”，将运行在高度为694 km的太阳同步近午轨道上。另外由意大利负责建造Cosmo－Skymed合成孔径雷达星座。该星座的4颗合成孔径雷达卫星将运行在另一个高度为619 km的太阳同步晨昏轨道上。“昴星团”光学卫星星载高分辨率成像仪能够提供高分辨率全色图像和多谱段图像，其地面分辨率分别为0.7 m和2.8 m，成像带宽均为21 km，卫星能够自主进行轨道测定，精度高达1 m。卫星姿态测定精度高达2＂，在没有控制点时，目标定位精度可达10 m。“昴星团”卫星重980 kg，具有很强的指向调节能力，在25 s内可左右滚动或前后俯仰60°。(卫星能够在同一条轨道上准同时地获取可视带几个相邻成像条节图像，或以不同视角获取同一场景的立体图像，或获取轨道面两侧多个目标图像。)“昴星团”两颗卫星预定分别在2008年和2009年发射，卫星设计寿命5年。

Cosmo－Skymed雷达成像卫星星载SAR成像仪的工作模式及其成像空间分辨率和带宽见表2－2。

该卫星具有很高的定轨、定姿精度，在无控制点时，目标精度为25 m。

Cosmo－Skymed卫星具有很强的波束指向调节能力，通过偏航控制实现左右侧视切换，可视带宽达1300 km。另外，该卫星还具有很强的轨道控制能力，星下点轨迹重复精度优于1 km，可以实现标称轨道配置或干涉测量轨道配置。

Cosmo－Skymed卫星重约1 700 kg，设计寿命5年，首颗卫星预定2005年发射。整个星座预计2007年建成。

4.加拿大卫星遥感系统

1995年11月加拿大雷达卫星RADARSAT－1的发射，标志着卫星微波遥感的重大进展，为建立一个能生存的国际遥感数据市场作出了重要贡献。RADARSAT－1除了有一个地面SAR数据接收站网之外，卫星上还载有磁带记录器，可以覆盖全球。同以前的卫星雷达成像器比较，RADARSAT－1为地面分辨率、成像行宽和波束入射角提供了更宽的选择范围。它的SAR扫描波束的成像行宽为500 km，分辨率为100 m，适于全球或区域尺度的综合观测；50 km的成像行宽和不足10 m分辨率的精波束，对于局部详细研究是理想的。

除了使RADARSAT－1的SAR数据应用商业化和使这些数据适应于各类陆地和海洋应用之外，RADARSAT－1还要从事另外两项重要任务：第一项任务的目标是对南极大陆提供第一个完全的高分辨率卫星覆盖，由此所得的数据将在监测全球气候变化中起重要作用；第二项任务称为RADARSAT－1的背景任务，对全球产生多次SAR覆盖，每一次都是全球动力过程的一个快镜头。

5.日本卫星遥感系统

日本一直在努力发展本国的遥感卫星系统，虽然屡经失败，仍在不断地努力。日本于1991年发射了一颗地球资源卫星JERS－1。1996年8月17日，日本成功地发射了用于监测温室效应、热带雨林变化、气候异常等的ADEOS卫星。卫星上搭载了高级可见光于近红外辐射计(ANVIR)、海洋水色水温扫描仪(OCTS)、微波散射计(NSCAT)、温室效应气候干湿监测仪(IMG)等七种先进的遥感器。

日本在2006年初发射了ALOS卫星。该卫星性能先进，是日本对地观测能力的重大突破。卫星载有3台遥感器，其中，全色立体测绘仪PRISM的最高分辨率为2.5 m，具备同轨立体成像能力，主要用于高程测绘。它有3个独立的光学成像系统，用于星下点、前向和后向观测，沿轨方向获取立体像对。另外两个遥感器一个是先进可见光与近红外线辐射计，星下点分辨率10 m，幅宽70 km；一个是L波段合成孔径雷达，有三种工作模式，分辨率为7～100 m。

日本目前用于测绘的卫星有NASDA(日本宇宙开发事业团)研制的卫星：2003年3月28日发射的IGS－Optical 1(IGS 1a)，2003年11月29日发射的IGS－Optical2(IGS 2a)。

日本的“行星地球计划”中对地观测系统由4颗卫星组成，首颗为ADEOS，于1996年发射。卫星运行于高度为979 km的太阳同步轨道，降交点地方时为10：30。八台遥感仪包括：海洋彩色和温度扫描仪(OCTS)；高级可见光和近红外辐射计(AVNIR)；温室气体干涉监视仪(IMG)；改进型临边大气光谱仪(ILAS)；空间反射体(RIS)；散射计(NSCAT)；臭氧总量测绘光谱仪(TOMS)；地球反射偏振和方向性测量仪(POLDER)。

6.以色列和印度卫星遥感系统

以色列目前使用的用于测绘的卫星有：1998年1月23日发射的EROS A(Ofeq 4)，2000年12月6日发射的EROS A1， 2002年5月28日发射的Ofeq 5， 2004年9月6日发射的Ofeq 6。

印度是世界上少数几个成功开发、发射并运行自己遥感卫星的国家之一。1975年4月19日，印度空间研究组织研制的第一颗印度卫星阿里亚巴塔由俄罗斯国际宇宙号运载火箭发射升空。从20世纪80年代开始，印度发展了印度遥感卫星系统(IRS)，1988年发射了IRS－1A， 1991年发射了性能相同的IRS－1B，它们都装备了分辨率为72.5 m和36.25 m的多光谱传感器，分别与LANDSAT的MSS和TM相当。卫星携带的线性图像自扫描传感器(LISS)共有4个光谱波段，这些波段相当于TM的BAND1至BAND4，十分适于植被识别和土地覆盖制图。1995年和1997年发射的IRS－1C和IRS－1D，装备有3种传感器：分辨率为23 m的多光谱传感器LISS－3，分辨率为5.8 m并具备立体成像能力的全色波段传感器Pan和分辨率为188 m的宽视场传感器WiFS。LISS－3和前两颗星的LISS－1、LISS－2相比，不仅分辨率提高，波段也作了调整，去掉了相当于TM1的蓝波段，增加了相当于TM5的短波红外波段，调整后的波段能产生更实用的一些波段组合。Pan用于高分辨率和立体成像，而WiFS则可进行大范围的遥感观测，WiFS所选波段和美国NOAA卫星AVHRR的两个通道接近。

2003年10月，印度发射ResourceSat－1(P6)。该卫星包括三个传感器：多光谱传感器LISS－4， LISS－3和高级广角传感器AwiFS，其特性如表2－3所示。LISS－4传感器的工作模式有两种：全色(MN)模式和多光谱(MX)模式。在MN模式下，传感器可传送波段2、3、4中任意一个波段数据。传感器可侧视±26。，相当于地面±398 km的范围。2005年5月，印度发射CartoSat－1(P5)卫星。该卫星具备2.5 m的地面分辨率，可前后左右侧摆，进行地球表面立体测绘。印度还发射了分辨率1 m的军事卫星。

印度发展的上述不同系列卫星主要适合于旱涝灾情监测、农作物估产、土地利用制图、林业资源调查、环境污染监视、测绘、城市规划、军事侦察等。

印度目前使用的用于测绘的卫星有：空间研究组织ISRO研制的卫星：2003年10月17日发射的IRS P6(ResourceSat－1)， 2005年5月5日发射的IRS P5(CartoSat－1)。

2003年10月IRSO(印度航天研究组织)发射“资源卫星1”(ResourceSat－1)，又名“印度遥感卫星P6”(IRS－P6)，星载全色相机以2.5 m分辨率对地成像。

7.中国遥感卫星系统

我国政府非常重视对地观测工作，经过30多年的发展，可以说我国已成为具较强对地观测能力的国家，已先后建成了气象、海洋、资源、军用等卫星系列，也具备一定的航空遥感对地观测能力，为国民经济和国防建设提供了重要的空间数据保障。

在资源卫星系列方面，1999年10月发射了我国和巴西合作研制的中巴资源卫星01星，2003年10月又发射了中巴资源卫星02星，目前在轨正常运行。正在规划发射资源卫星03/04星。资源系列卫星与传感器和分辨率有关的参数见表2－4。我国数字传输型遥感卫星发展较晚，但发展势头良好。

气象卫星是我国最早发展的遥感卫星系统。1988年开始发射气象风云系列卫星，目前在轨运行的是风云2－C星、风云3和4卫星也在规划中，首颗卫星将于2007年发射。风云2－C星发射于2004年10月，设计工作寿命3年，可见光波段地面分辨率1.25 km，红外5 km，可每小时获取一次可见光、红外与水汽云图数据。

我国于2002年5月发射了第一颗海洋卫星HY－1A卫星，结束了我国没有自己海洋卫星的历史，运行以来获取了大量的海洋水色数据，卫星资料已经在海洋各个领域发挥了重要的作用。HY－1B卫星目前正在加紧研制过程中。星上搭载由10个波段组成的海洋水色扫描仪(COCTS)，星下点地面分辨率1.1 km；还搭载有四波段的CCD成像仪，星下点地面分辨率250 m，重访周期水色扫描仪3天，CCD成像仪7天。目前HY－2卫星也正在规划中，目前正在开展关键技术攻关。

目前，我国正在研制灾害与环境监测预报卫星星座系统(初期为2＋1颗小卫星)，首颗卫星将于2007年发射。两颗卫星搭载光学载荷，每颗光学星上各有两台4谱段宽视场CCD相机，30 m分辨率，720 km幅宽；一颗星上有128谱段高光谱成像仪，像元分辨率100 m，幅宽50 km，光谱分辨率5 nm；另一颗星上有多谱段红外扫描仪，中近红外和远红外分辨率分别为150 m和300 m，幅宽720 km。还有一颗SAR星，单波段，分辨率20 m，幅宽100 km。

在商业化高性能微小卫星方面，2005年10月我国发射成功“北京1号”微小卫星。星上搭载分辨率为4 m、幅宽24 km的全色相机和分辨率32 m、幅宽为600 km的多光谱CCD相机。

另外，我国还发射了以军事应用为主的较高分辨率的军事遥感卫星。

8.遥感卫星系统发展总体态势

(1)主要大国纷纷致力于建设独立运行的对地观测体系。美国、加拿大、法国、俄罗斯、德国、印度等已全面掌握卫星研制技术，具备较强的自主获取数据的能力，增强了国家的竞争能力。无论是国家的重大决策还是一场现代化的战争，遥感信息已成为不可或缺的重要信息源。

(2)重视数据源的持续性和稳定性。持续稳定地获得遥感数据是开展遥感应用的重要基础。国际上成功的几种遥感卫星都十分注重数据的连续性，卫星成系列发展。美国自1972年发射第一颗陆地卫星以来，到1999年已发射了7颗同类型的卫星。法国1986年以来先后发射了5颗SPOT卫星入轨运行。印度也已成功发射8颗资源卫星。这些卫星分辨率适中，波段设置兼顾多个主要应用领域，坚持多年持续发射，走系列化发展道路，遥感探测器在指标上保持稳定，支持应用的连续性，因而吸引了众多用户长期使用。这些数据是全球最主要的资源卫星数据源，所获取的数据占世界范围所使用对地观测数据的70%～80%。

(3)高分辨率传感器得到日益重视。卫星的空间分辨率正在以每10年一个数量级的速度提高，1～5 m已经成为本世纪前10年新一代卫星空间分辨率的基本指标。光谱分辨率也已经从20世纪70年代的50～100 μm减少到目前的5～10 μm。具有中空间分辨率遥感卫星的重复观测周期已经小于1天。70年代美国第一颗资源卫星的地面分辨率为80 m， 80年代法国SPOT卫星达到10 m， 90年代的印度卫星、俄罗斯卫星分别达到5.8 m和2 m， 1999年9月发射的美国空间影像公司IKONOS卫星的几何分辨率达到1 m，而2001年发射的美国数字地球公司QUICKBIRD卫星的几何分辨率高达0.6 m。随着对高精度遥感数据资料需求的增加，高分辨率资源卫星成为各国卫星研发的核心内容，高分辨率卫星进入高速发展阶段。光谱分辨率的提高是近年来空间遥感发展的又一个趋势。美国在1999年发射了具有36个波段的中分辨率成像光谱仪，随后又发射了超过200个谱段的更精细光谱分辨率的高光谱卫星。

(4)微波遥感实用化。微波遥感可以全天候、全天时工作，独具特点，20年来发展迅速。从1978年美国发射“海洋卫星”开始，各国相继开展了微波遥感的技术与应用研究。日本发射了JERS－1，欧空局发射了ERS－1和ERS－2，并又发射功能更强的环境卫星(Envisat)。加拿大发射了第一颗真正意义上的运行性、产业化雷达卫星(Radarsat)。美国则利用航天飞机开展了一系列工作，包括早期的SIR计划和最近完成的航天飞机雷达测图计划(SRTM)。

(5)重视综合观测能力建设。各种成像手段、各种谱段、各种分辨率、各种物理化学探测仪器全面发展，大小卫星平台、高中低轨道相辅相成，形成了一个天地一体化的全球性、立体和多维的观测体系。

(6)技术创新与信息应用产业化互相促进，不断发展。采用新技术的卫星不断出现，全球信息获取能力以及对信息的处理、分析和挖掘能力不断提高。有效地推动了卫星数据的应用与信息的产业化。高分辨率卫星数据市场的快速增长促进了商业遥感卫星的发展，部分卫星已实现商业化运行。

(7)重视地面系统的建设，地面接收与处理能力明显提高。随着技术的不断进步，地面接收与处理系统的能力有了显著提高。下行数据接收速率由过去的每秒几十兆位提高到了几百兆位；数据传输方式向光纤和微波发展；计算机平台升级，遥感图像预处理能力提高10倍以上。处理平台由昂贵的工作站/UNIX向廉价的PC工作站/Linux或Windows平台转移。高性能的PC工作站可以满足大容量和高速度遥感图像处理的要求。

三、平流层遥感系统发展现状与态势

1.美国平流层遥感系统

NASA与美国加州的太阳能飞行器和传感器公司(the aeroVironment INC)，通过NASA的环境研究和传感器研发技术项目合作，2000年成立平流层电讯实验公司(SkyTower INC)，开展平流层太阳能平台－太阳神原型研发(HELIOS Prototype)。太阳神飞机研发的科学目标是：在火山上空飞行开展火山熔流的研究；在南极和北极上空飞行，开展南北极的研究；根据太阳位置和季候情况，平台可以实现几个星期和几个月的滞空时间，收集地面和平流层的科学数据；用来探测火星环境条件。

太阳神关键技术：太阳能板是由美国的SunPower公司制造的，最大电能为30 kW，保证14个螺旋桨发动机一起在空气稀薄的平流层工作，用于太阳能电池的总费用达900万美元，整体为一个机翼，展度为70多米。5个吊舱内设置有计算机、电能设备和着陆杆。最大的技术难点是开发燃料电池(fuel cells)，为太阳神提供夜间驱动能量，燃料电池是保证滞空时间的关键。太阳神在2003年6月26日最后一次试飞，太阳神原型实验打破了两项记录：(1)具备了有效载荷270 kg，一天飞行达到21 336 m高度的能力(2001年8月创造了飞机的最高飞行记录：近30 000 m)；(2)取得一次飞行最长滞空时间96小时，超过原始设计。2006年实现一次飞行最长滞空时间40小时，最短为14小时的设计指标。NASA将在以下几个方面改进：利用氢燃料，无排放电螺旋桨，多功能机架结构和自动飞行管理能力，新的计划将于2010—2015年完成。

美国SSI(Sky Station International)公司实施了平流层通信业务计划(Stratospheric Communication Services SCS)，该计划拟建立一种驻空时间达5年的准稳定高空平台，采用太阳能电池与储能电池供电，用电动推进器平衡平流层的风力，以保持平台的位置稳定，通信系统采用国际电信联盟批准的47～49 GHz频段。SSI公司认为，这将是通信领域的“杀手锏”(Killer Application)，在发展中国家与发达国家都有广阔的市场。“911”之后美国国防部和国土安全部出于反恐工作的需要，开始全面介入高空平台的研究工作，并制定了详尽的实施计划，使其升级成了一个国家行为。主要应用为对地实时观测和移动通信。在这方面，最引人注目的是美国空间及导弹防御司令部(USASMDC)于2001年招标的军民两用的高空飞艇计划(High Altitude Airship，HAA)。美国Aeros、波音和洛克希德－马丁(LM)三家公司于2002年11月，即“911”事件后的两个月参与了第一阶段的HAA发展计划。这一计划随后即延伸为一个6年计划，分四个阶段完成。其概略情况见表2－5。

2.欧盟平流层遥感系统

自从20世纪50年代人类就开始高空平台研究，由于材料科学的发展和新材料的出现，现在已经可以制造结构更为简单、重量更为轻便、滞空时间更为长久的平流层飞行器。ESA 2000—2005年间投资4 500万欧元来进行太阳能飞艇的空中飞行试验。试验分三个阶段，首航的试验型飞艇在距离地面15 km的高度飞行，第二阶段飞艇将在距离地面20 km的高度，最后将批量生产这些飞艇，以测试地面的控制应对系统和设施。

ESA的目标是通过服务领域需求分析，实现最佳应用的有效载荷平台设计、通信、应用评估、未来技术和未来通信市场的需求，最终选择和发展适合欧洲需求的平流层平台和运行系统。平流层平台将成为卫星—平流层平台—地面系统构成的下一代移动通信基础设施。国际电信联盟(ITU)规定的平流层平台通道IMT－2000/UMTS。

3.日本平流层遥感系统

日本YOKOSUKA研究中心和宇宙发展署联合研发平流层平台，其目标是提供多用途的平流层平台，包括研发太阳能飞艇平台、通信广播和对地观测。从1998年日本开展了为期5年的飞艇平流层研发，将250 m长的飞艇漂浮到20 km的高空，进行高精度的图像摄影和低功率通信，与卫星相比，平台可以重复利用、对地观测和通信成本低。研发内容包括：①汽艇系统整体设计技术，构件技术，测控技术等；②通信和广播：通信和广播整体设计技术，有效载荷，地面装备，无线测控技术和应用等；③地球观测：地球观测整体技术系统设计，系统构件和传感器技术，利用技术等；④技术示范：通过平流层飞行实验展示平台系统功能。

2003年8月4日开展平流层飞艇实验：充氦气飞艇全长47 m，直径12 m，重500 kg，耗资6亿日元，飞艇外壳超轻量强化纤维制成。在茨城县日立市飞艇成功飞行到平流层16.4 km的高度。

4.中国平流层遥感系统

目前国内具有研制对流层飞艇能力的单位有两个，航空工业总公司中国特种飞行器研究所(湖北)和国防科工委神舟飞行器有限公司(成都)。平流层飞艇处于模拟实验中，使用航空发动机。

中国特种飞行器研究所于1985年研制成功我国第一艘遥控飞艇(FK1)。1990年研制成功我国第一艘实用充氦载人飞艇(FK4)，飞艇FK4总长39 m，总宽12 m，总高14 m，气囊总容积2 011 m3，最大商务载重300 kg，最大飞行高度1800 m，乘员4人。FK4充氦载人飞艇从湖北长途飞行到北京，1991年获部级科技成果二等奖；于2003年12月完成了平流层充氦定点FK20型飞艇实验，艇长21 m，直径6.7 m，全电方案，留空时间1小时。

四、航空遥感系统发展现状与态势

1.美国航空遥感系统

美国航空遥感系统丰富多样，并以NASA的机载科学计划的多遥感设备飞机系统和美国海军实验室的RASTER－J最为显著。美国宇航局(NASA)所属Dryden和Ames两飞行研究中心，为发展机载和星载遥感设备，为先进遥感设备设计及卫星模拟实验提供测试平台，开展机载科学实验项目，对地球表面和大气进行科学研究。同时，为美国在特殊情况下开展遥感飞行，获取遥感数据。NASA拥有两架ER－2和一架DC－8型飞机。此外，美国能源部的航空遥感系统所属飞机也可以为NASA和其他遥感设备的研究发展单位提供多层次的飞行平台。这些平台既可以为NASA的地球科学计划，也可以为大学或国家其他部门，收集大气、陆地和海洋的遥感数据。这些系统还用于与卫星同步飞行，提供“地面”实况数据，验证NASA地球观测系统的算法和应用效果。在NASA的支持下，许多遥感设备安装在这些飞机上进行飞行实验(详见表2－6)。所有这些仪器都按照基本程序进行过光谱、空间及辐射标定。飞机平台上安装了导航系统，可以连续记录GPS数据和平台姿态。

RASTER－J是美国海军实验室联合七个政府部门(能源部、环境署、地质调查局、宇航局、农业部、USACE、国家海洋大气局)建立的遥感设备实验平台计划。RASTER－J计划是针对特殊的地区和时机，提供高空间分辨率的数据，它更适合对高复杂结构地表进行短期、不规则现象进行研究。RASTER－J所提供的工程环境可以不断改进并能采用最先进的遥感设备。RASTER－J的飞行平台是C－141大型飞机。C－141飞机上装备的主要遥感设备包括：高性能的超光谱成像仪(HYDICE)、毫米波无源成像系统、先进的合成孔径雷达系统和激光雷达系统等。

现有的机载干涉SAR系统主要有美国的TopSAR系统、STAR－3I系统、GeoSAR系统、Twin－Other SAR系统。GeoSAR是NASA/JPL与加利福尼亚州资源保护局和Calgis公司联合研制的机载雷达系统。该系统由P波段和X波段构成，具有干涉能力，能获得高分辨率的三维图像。在此研究中，JPL负责建造雷达系统和开发，原始数据生成数字高程模型的软件。Calgis公司负责把JPL雷达图像转换成用户需要的地理信息系统，而加利福尼亚州资源保护局则负责设计和组织开展各种验证试验工作。TopSAR干涉测量仪可以工作在标准模式和乒乓模式。顺轨干涉(XTI)模式是试验性的，该模式可用来探测洋流运动的方向性。沿飞机机身上的两对天线(一对C波段及一对L波段)用于获取ATI数据。放置在加利福尼亚的爱德华空军基地Rosamond干枯湖床的永久性角反射器，为每次飞行提供定标数据。同时也在一些科学研究试验场安放了一些角反射器，为飞行期间提供定标数据。从1991年开始，TopSAR就进行在不同环境下干涉SAR技术提取DEM的研究工作，如1993年Madsen等人利用C波段TopSAR数据提取美国亚利桑那州Walnut峡谷地区的DEM，较平坦地区的均方误差为2.2 m，山区的均方误差为5.0 m。在一个6.5 km×2 km的区域内，由雷达图像提取的地形高程和参考DEM间的均方差差异为3.6 m。从1996年开始，TopSAR在台湾、菲律宾、越南、柬埔寨、文莱、马来群岛、印度尼西亚以及巴布新几内亚进行了一系列热带地区的地形测绘。此外，许多TopSAR任务还致力于研究大的地质体的地形和活动性，如火山、地震断裂带等。

美国无人机载荷微波、热红外和可见光遥感设备，在大气辐射测量(ARM)计划，森林火灾监测、精准农业、海洋地磁场测量以及飓风、龙卷风测量等研究中承担了重要任务。美国使用的“全球鹰”，“捕食者”监视侦察无人机携带有合成孔径雷达、电视摄像机和前视红外装置，可连续29小时获取侦察影像，通过宽带卫星通信系统实时地将信息传送回终端用户。

2.欧盟航空遥感系统

欧盟的许多国家均具备了制造和使用航空SAR系统的能力，如德国的E－SAR系统、Do－SAR系统、AeS－1系统、AER－II系统、丹麦的EMISAR系统。德国Dornier公司研制的Do－SAR ATLAS－X 干涉SAR系统采用X波段、机载双天线模式，用于高精度地形图的绘制。1995年，Madsen等人评估了由TopSAR干涉系统得到的地形数据，并用他们较完整的处理系统进行了处理，整个系统的均方误差为2 m。

德国AeS－1干涉SAR系统装载在Cessna、Air－Commander、Do－228等小型飞机上，由Areo－Sensing Radarsysteme Gmbh研制。可收集单通过X波段HH极化干涉数据。Aes－1可工作在X波段(955 MHz)和P波段(415 MHz)， X波段的最大可选择系统带宽为400 MHz， P波段系统带宽为70 MHz。X波段分辨率为0.5 m×0.5 m(距离×方位)， P波段的分辨率为2.5 m×(2～1 m)。该干涉系统在设计中特别考虑了以下特征：最大可选择系统带宽使得地面分辨率好于0.5 m；载机平台上装配有积分实时DGPS(Differential Global Positioning System)和IMU(Inertial Motion Unit)，从而能够对载机平台在分米级进行精确定位；在1～15 km间存在5种可供选择的测绘带宽，从而能够提供不同的几何分辨率。德国Christian Wimmer等人于2000年利用AeS－1机载双天线系统对德国Wadden海岸附近区域进行地形测量，干涉测量精度达到了5 cm，实现了超高精度的DEM测量。

在德国Aes－1干涉SAR系统研制中，巴西科学家J.Moreira参与了其中的研制工作。J.Moreira回到巴西后，巴西于2002年成立了Orbit遥感中心(Orbit Remote Sensing)，在政府基金的资助下，开展了干涉SAR系统的研制工作。在Orbit遥感中心，研制出了目前世界上最先进的机载干涉SAR系统—OrbiSAR－1，该系统是巴西和德国合作研制的结晶。OrbiSAR－1同时工作在X波段和P波段，X波段的分辨率为2 m×2 m， P波段的分辨率为3 m×3 m。OrbiSAR－1系统能够生成DSM(Digital Surface Model)和DTM(Digital Terrain Model)， DSM给出地面覆盖物表面(如树冠)的高度，而DTM给出的则是地面高度。

3.俄罗斯航空遥感系统

IMARC是安装在TU－134A大型飞机上的多频段(VHF、P、L、X)、多极化(VV，HH， HV， VH)合成孔径雷达系统空中飞行实验室，它可以对地球表面进行全天候的高分辨率遥感。其雷达成像系统由莫斯科仪器工程科学研究所设计开发，TU－134飞行实验室由俄罗斯飞行实验与产品公司设计。IMARC可提供大量民用遥感信息。

4.中国航空遥感系统

目前，我国部门服役的航空遥感飞机以运12飞机和美国“奖状”为代表，其平台上载荷的遥感设备主要为引进的RC30系列、RMK TOP30系列。德国30 cm分辨率7线阵的ADS40和高精度三维成像仪是最先进的航空遥感设备，2005年已经在我国选择地区演示性飞行，国内已经有几家公司和高校采购预定，待德方出口批准。我国自主开发的Virtuozo和Jx系列、Gz2000系列等航空遥感数据专用处理系统已经在我国基础测绘、农林灾害防治、重大自然灾害监测任务中发挥主要作用。但是由于平台性能和导航系统落后，不能满足对获取高精度地表信息的需要；系统还不能完成我国偏远地区覆盖数据的获取任务和南海岛礁的测量任务，不能承担国际灾害监测和救援。

我国在20世纪90年代初期开始了无人机的研制，虽然起步较晚，但在短短的10年间取得了跨越式的发展。目前有代表性的无人机有WZ－2000，有效载荷180 kg，留空时间可达到12小时。有效载荷包括CCD相机和SAR。无人机遥感平台主要用于重大突发事件应急响应和灾害监测，对定位和定标精度要求不高的成像。无人机遥感平台也可以在境外执行遥感侦察飞行任务。

传感器技术是我国战略高技术，在国家863和部门经费的支持下自主研发的遥感设备如下：机载多光谱航空相机系统；大面阵彩色CCD数字航测相机系统；高分辨率合成孔径雷达系统；实用型模块化成像光谱仪系统；推帚式超光谱成像仪系统；机载三维成像仪系统；热红外成像仪系统；航空地磁测量系统、地球重力测量系统等多种遥感设备，以及探查放射性资源的核能资源，在一定程度上缓解了我国遥感设备对国外技术的依赖程度。

我国机载干涉SAR技术发展的现状是，由中国科学院电子学研究所承担的国家“十五”863计划信息技术领域课题“机载干涉SAR系统”于2004年研制完成。2004年5月成功地进行了飞行实验，获得了三维雷达影像图。“机载干涉SAR系统”是我国第一部干涉合成孔径雷达系统。它的研制成功标志着我国合成孔径雷达技术从二维迈向三维，进而开拓了合成孔径雷达技术的又一重要应用领域——地形测绘。

引进消化先进技术再创新已经成为跨越式发展的重要途径。随着国际环境的改善与进口限制的开放，引进先进的遥感设备、先进的IMU/GPS系统和先进的数字航空遥感系统，将成为加强我国航空遥感数据获取能力的重要方式。

五、先进遥感器技术发展现状与态势

1.合成孔径雷达

合成孔径雷达对地观测技术将向多波段、极化干涉、差分干涉、断面成像、数字波束形成、双站/多站成像等多模态方向发展，动态目标检测能力将向民用方向发展。雷达系统同时具有多频、多极化、多种工作模式。

多模态合成孔径雷达的典型范例是极化干涉合成孔径雷达测量技术。该技术结合了干涉测量和极化测量的特点，不但能提高干涉测量的精度，而且能更好地解释目标的极化散射机理，解决普通干涉合成孔径雷达中一些无法解决的问题，具有很大的应用价值。单极化、单波段干涉系统所能提供的独立参数少，且由于难以确定有效散射中心，对干涉条纹图的正确理解存在困难。而全极化干涉能够提供更为丰富的信息量，可以提高定量雷达遥感解决应用问题的能力。

与现在的卫星雷达(如ENVISAT/ASAR、RADARSAT1/2)不同，未来空间合成孔径雷达将向小型、简单、低成本及组网方向发展。雷达组网是将卫星编队和星载雷达技术相结合形成的新体制雷达系统。合成孔径雷达组网在一起，协同工作，可以实现系统性能的提升，如高分辨率、大测绘带成像、高精度干涉测高、高重访率，以及MTI(地面慢速目标检测)等；或者完成一些单个雷达系统不能完成的特殊功能。这类系统具有多功能、生存力和抗干扰能力强、周期短、成本低等优点，代表了合成孔径雷达技术的一个发展方向。

也许世界上最早将要诞生的简单的合成孔径雷达组网项目是德国的Tandem－X任务。该项目是利用卫星进行编队飞行的一个高精度雷达干涉测量系统。TerraSAR－X卫星是德国下一代高分辨率雷达侦察卫星。Tandem－X卫星计划于2008年发射。Tandem－X卫星将不仅可独立于TerraSAR－X卫星工作，还可以与TerraSAR－X卫星同步工作。两颗卫星将构成串行星对，来获取全球高精度数字高程模型数据。

未来雷达必然是易于操控，具有星上数据分析、特征提取等处理能力，能够经济、方便、实时地将可使用的各类数据传递给各种用户。

2.光学遥感器

为了提高目标判定的准确性，一方面需要提高光谱和空间的分辨率，另一方面要拓宽光谱范围。光谱仪的设计就显得格外重要，传统的分光计是采用滤光装置或衍射装置作为分光器的，具有通道数少和分辨率有限的缺点，而傅里叶变换光谱仪则具有以下优点：具有高通量的优点(光谱学上称为亚基诺优点)。在相同光谱分辨率的要求下，光学输出比之光栅光谱仪有数量级的提高。具有多重传输光谱的优点(光谱学上称为费尔格优点)。以干涉调频方式工作，不同光谱元有不同的调制频率，大量光谱元信息同时传到探测器上，然后加以分离处理，可以避免使用一般色散元件在效率上造成的损失。杂散光影响小，信号光被调制，而杂散光未被调制，可以通过电子学方法减弱到0.03%以下，几乎对光谱没有影响，这在光谱分辨率甚高时尤为重要。另外静态傅里叶光谱仪不需要内部扫描镜的运动，稳定性强，也就不存在经典傅里叶光谱仪中运动器件的扫描所带来的精度及机械磨损问题。因此静止型傅里叶变换成像光谱仪有着广阔的发展前景，特别是在军事侦察系统中。例如，Mightsat II.1 卫星就搭载了傅里叶变换光谱仪。

3.传感器网

多传感器技术可以全面覆盖“大气窗口”。光学遥感包含可见光、近红外和短波红外区，主要探测目标的反射率。热红外遥感器的响应波长可以从8 μm到14 μm，主要探测目标物的热辐射(包括温度和辐射率)，特别适合于生化战争中有毒气体的监测和夜间探测。激光主动遥感技术利用激光光源直接与大气作用，测量探测大气气溶胶消光系数和散射比随高度的分布、Angstrom指数随高度的分布、气溶胶光学厚度；探测薄卷云高度、云厚及其垂直结构、卷云消光系数；探测边界层顶高度及其日变化特征，并可测距和水深探测。对于特性不同的目标和不同的任务，需要的传感器设备的种类与技术指标是不同的。为了适应复杂多变的环境和需求，将这些不同的传感器集成，使对地观测具有更大的能动性。

通过多传感器技术，还可以实现高分辨率的“整合”。高空间分辨率的影像能提供地面目标精细的几何特性，而高光谱分辨率的图像提供丰富的光谱信息，能通过对地物特征光谱的判别进行自动、快速目标识别和分类。通过高空间分辨率图像和高光谱分辨率图像的综合处理得到的新的数据集，不仅包含了源图像的高空间分辨率和高光谱分辨率特征，同时由于分辨率的提高使得融合图像上的目标细部特征更加清晰，光谱信息更为丰富，在改进目视判读效果的同时可以提高城市分类制图的精度。例如WAR HORSE(Wide Area Reconnaissance－Hyperspectral Overhead Real－time Surveillance Experiment)是美国海军研究实验室(NRL)研制的的高光谱成像仪，是为了取代“捕食者”无人机(Predator UAV)上的合成孔径雷达(SAR)，具有实时定标、实时检测目标、实时软件纠正、实时显示高光谱图像和高分辨率图像，还可以和地面站进行实时无线交互数据。其基本工作原理是实时处理器对高光谱数据进行实时分析，当检测到潜在目标时，高分辨率CCD就会对准这些目标聚焦拍摄，同时这些数据能实时传到地面站的计算机上以图像方式显示出来，并在超光谱图上标出潜在目标的位置，另外这些数据也会被保存下来以进行飞行后分析(Post－Flight Analysis)。

从国家角度来看，有必要建立一个对地球整体的观测系统。采用一大批敏感仪器，利用所有能够传递信息的媒质，获取有关地球体系及其各个组成部分的详细数据或信息。具体地说，在更加宽广的电磁辐射波谱范围，建立一批新型的信息获取手段，满足各学科和各部门的信息需求。第二节　地理信息系统发展现状

经过近40年的发展，地理信息系统软件及其应用系统已经从单机系统、单一用户发展到今天面向网络、跨部门、跨区域的大型系统，并与主流IT技术紧密集成，向网格化方向发展。

一、地理信息系统软件体系结构

GIS软件体系结构的发展，应综合考虑多种信息技术对GIS发展的促进，在吸取组件式GIS、Web GIS等优点的同时，解决多种异构性问题，发展可以适用于任何硬件设备、任何操作系统、任何数据格式、任何数据库、任何开发语言、任何分布式平台、任何网络模式的通用GIS软件平台，并具有完善的空间数据共享与互操作、灵活高效的二次开发、无缝集成和无限扩展、系统完整性等特点。新一代GIS系统软件的基本特征是以空间信息分布式协同计算为基础，以空间信息服务为中心，以面向问题的解决方案为目标，使GIS系统软件成为提供基础性社会公众服务和行业应用服务的平台，驱动空间信息服务的社会化进程，促进地理空间相关的数据资源和计算资源在全社会范围内的共享，成为空间信息产业的根本推动力。

GIS系统软件的体系结构历经了单机单用户全封闭结构的时代、多机多用户引入商用数据库管理属性数据的时代和引入Internet技术、向以数据为中心过渡、完成组件化技术改造的时代，目前正在进入向新一代发展的交替阶段。

1.集中式地理信息系统软件

集中式地理信息系统是在一个计算机系统中，计算以一台主机为主，连接着若干个终端设备，所有的地理信息数据存储和计算都在主机上进行，终端设备只负责为用户发出计算请求和显示计算结果。在GIS发展的早期阶段，由于受到技术的限制，GIS软件只是满足于某些功能要求的一些模块，没有形成完整的系统，各个模块之间不具备协同工作的能力。这一阶段可以称为GIS模块(GIS Modules)阶段。

随着理论和技术的发展，各种GIS模块走向集成，逐步形成大型的GIS软件包(GIS Package)，可称之为集成式GIS(Integrated GIS)，如ESRI的Arc/Info、Genasys的GenaMap等均为集成式GIS的典型代表。集成式GIS是GIS发展的一个重要里程碑，其优点在于其集成了GIS的各项功能，形成独立完整的系统；而其缺点是系统过于复杂、庞大，从而导致成本高，也难于与其他应用系统集成。

GIS的另一类发展为模块化GIS(Modular GIS)，代表软件为Intergraph的MGE。模块化GIS的基本思想是把GIS按照功能划分为一系列模块，运行于统一的基础环境之上(如MicroStation)。尽管许多集成式GIS软件也可以划分为几个模块，但模块化GIS软件的模块被有目的地划分得更细。模块化GIS具有较大的工程针对性，便于开发和应用，用户可以根据需求选择所需模块。但无论是集成式GIS或者模块化GIS，都很难与管理信息系统(Management Information System， MIS)以及专业应用模型一起集成高效、无缝的GIS应用。

为解决集成式GIS与模块化GIS的缺点，业界提出了核心式GIS(Core GIS)的概念。核心式GIS被设计为操作系统的基本扩展。Windows操作系统上的核心式GIS提供了一系列动态链接库(DLL)，开发GIS应用系统时可以采用现有的高级编程语言，通过应用程序接口(API)访问内核所提供的GIS功能。核心式GIS为GIS与MIS的无缝集成提供了全新的解决思路。但是，由于核心式GIS提供的组件过于底层，给应用开发者带来一定难度，一般用户难以掌握，也没有形成成熟的核心式GIS商业软件。

2.分布式与组件化地理信息系统软件

组件技术的出现和发展给GIS软件带来了全新的思路，基于标准组件技术实现的GIS组件具有标准的接口，允许跨语言应用，因而使GIS“软件的可配置性、可扩展性和开放性更强，使用更灵活，二次开发更方便”。组件式和分布式GIS的出现使GIS开始融入IT的主流。

从当前的国际GIS系统软件研究开发进展来看，国外主流GIS平台已经完成了向组件化结构的转变，并结合Internet技术，实现了包括桌面－服务器、Web GIS、空间信息Web Services和多空间数据库在内的多种分布式应用体系结构。面向网络环境的大型分布式地理数据仓库的构建技术，以及面向空间数据库的知识挖掘，已经成为建设新型网络GIS系统的研发热点。其中，桌面－服务器体系结构作为传统的GIS分布式应用体系结构，已经进入了大规模的普及阶段，拥有最高的行业占有率；以网络空间信息发布为目标的WebGIS系统软件产品也已经全面进入实用阶段，OpenGIS已经公布了有关WebGIS开发的技术规范，而有关WebGIS产品的规范化工作正在进行；空间信息Web Services体系结构正在处于推广阶段，空间信息Web Services对于GIS向以服务为中心过渡以及融入IT主流具有重大意义；多空间数据库产品的出现和大型分布式地理数据仓库及其知识挖掘技术的研发，引领着GIS技术向空间信息分布式计算和面向问题的解决方案的目标迈进。

以MapGIS、GeoStar和SuperMap为代表的国产GIS基础平台也已经完成了全组件化的体系结构转变，推出全系列适应各种GIS应用体系结构的产品，包括了桌面－服务器、WebGIS和一些空间信息Web Services体系结构，在应用开发和基础平台结构方面基本保持了跟踪国际主流技术，并积极融合IT技术的最新进展，呈现出良好的发展态势。

与组件式GIS几乎同时出现的WebGIS是Internet技术与GIS相结合的产物。GIS通过WWW功能得以扩展，真正成为一种大众使用的工具。从WWW的任意一个节点，Internet用户可以浏览万维网GIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析，从而使GIS进入千家万户。

分布式地理信息系统的应用类型从简单到复杂可以分为七种类型：原始数据下载，静态地图显示，元数据搜索，动态地图浏览器，数据预处理器，基于Web的GIS查询和分析，能响应网络的GIS软件。建立分布式GIS的主要目的是：提供分布式事务处理，不同系统、数据之间透明操作，能进行跨平台应用和异构网互联，具有良好的人机交互及数据采集与互操作，以达到地理信息最大限度的共享。分布式地理信息系统具有数据操作、地学测量与分析、地理分析、地理决策支持、可视化等基本功能。

3.“网格式”地理信息系统软件“网格式”地理信息系统是利用Grid技术将多台地理信息服务器构建成一个网格环境，利用网格中间件提供的基础设施，实现地理信息服务器的网格调度、负载均衡和快速的地理信息服务。地理信息服务的网格化技术，能解决安全性、信息基础架构、资源管理、通信、错误检测和移植性等问题。

网格计算是分布式计算的一种，它利用网络将分布在各地的大型计算机和PC设备集中在一起，并且将各地的计算机资源通过高速的互联网组成充分共享的资源集成。通过合理调度，不同机构的计算环境被综合利用和共享，实现了使用一个超级网络连接来处理某一计算问题的功能，从而使计算能力高度提升，减少和避免了对自身设备升级和购买的投入，同时提高了系统的容错能力和可靠性。

在国外，最著名的网格计算研究是美国的Globus项目。该项目的主要研究目标有两个：其一是网格技术的研究；其二是相应软件的开发和标准的制定。同时，Globus项目还涉及网格应用的开发及试验床的建立。中国国家网格(China National Grid，简称CNGrid)是国家“十五”863计划“高性能计算机及其核心软件”重大专项支持建设的网格示范平台，它研究开发了网格操作系统，聚合了高性能计算和事务处理能力的新一代信息基础设施试验床，通过资源共享、协同工作和服务机制，有效支持科学研究、资源环境、先进制造和信息服务等领域的应用，以技术创新推动国家信息化建设及相关产业的发展，研究水平与国际同步。中国国家网格现有8个计算节点遍布全国六大城市，总计算能力达到16万亿次，存储能力达到200 TB。

空间信息网格就是在网格技术中加入对空间维的支持和处理，可以构建基于分布式计算的空间信息服务。目前，网格技术已经在地学领域得到应用，如地球系统网格(Earth System Grid II， ESG)项目是由包括阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)在内的五个国家实验室的科学家联合承担的。主要目标是解决从全球地球系统模型分析和发现知识所面临的巨大挑战，为下一代全球变化研究提供一个无缝的强大的虚拟协同环境。此外，还有用于地震研究的美国国家地震仿真网格(NEES Grid)。中国国家网格已经开始支持科学研究、资源环境、制造业和服务业的11个行业应用，具体包括资源环境网格、航空制造网格、气象网格、科学数据网格、新药研发网格、森林资源与林业生态工程网格、生物信息网格、教育网格、城市交通信息服务网格、仿真应用网格、油气地震勘探应用网格等。

中国地质调查局依托“十五”863课题研究开发的国家地质空间信息网格NGSIG目前已经建成了原型，在北京发展中心和南京等各省市级建立了13个节点，实现了矿产资源评价和地下水资源评价的网格应用，具有相当规模的示范应用。

目前，在国际上尚未出现面向空间信息的网格计算支撑平台，而且我国地理信息系统体系结构在技术研究方面符合网格分布式计算的趋势，基本能够达到国际同步水平，而在大型地理信息系统平台开发与应用上尚处于应用示范阶段，还有相当的发展空间，我们应当抓住机遇迎接挑战，推动我国地理信息科学技术与产业的跨越式发展。“网格式”地理信息系统已经成为发展地理信息系统的方向。目前国内已做了类似“网格式”地理信息系统的研究、软件产品和应用工作。在“网格式”地理信息系统框架下，可以开发隐形地图搜索器、Tb级地理信息服务器等世界上原创性软件产品，以及开发“完全国产的计算机地理信息系统软件平台”。

二、空间数据库管理系统

由于空间数据具有空间位置、非结构化、空间关系、分类编码、海量数据等特征，一般的商用数据库管理系统难以满足要求。为了提高数据库管理系统(DBMS)对空间数据的管理能力，国内外先后出现过：文件与关系数据库混合管理系统、全关系型空间数据库管理系统、关系型数据库＋空间数据引擎、扩展对象关系型数据库管理系统、面向对象空间数据库管理系统等多种解决方案。目前，国内外较为流行的主要集中在“关系型数据库＋空间数据引擎”和“扩展对象关系型数据库”。

1.国际发展现状“关系型数据库＋空间数据引擎”通常是近年来由GIS厂商研发的一种中间件解决方案。用户将自己的空间数据交给独立于数据库之外的空间数据引擎，有空间数据引擎来组织空间数据在关系型数据库中的存储；当用户需要访问数据的时候，再通知空间数据引擎，由引擎从关系型数据库中取出数据，并转化为客户可以使用的方式。因此，关系型数据库仅仅是存放空间数据的容器，而空间数据引擎则是空间数据进出该容器的转换通道。这类系统的典型代表有ESRI的ArcSDE， MapInfo的SpatialWare。其优点是，访问速度快，支持通用的关系数据库管理系统，空间数据按BLOB存取，可跨数据库平台，与特定GIS平台结合紧密，应用灵活。其缺点主要表现为，空间操作和处理无法在数据库内核中实现，数据模型较为复杂，扩展SQL比较困难，不易实现数据共享与互操作。

扩展对象关系型数据库管理系统是由数据库厂商研发的管理空间数据一种解决方案。由于关系型数据库难以管理非结构化数据(也包括空间数据)，数据库厂商借鉴面向对象技术，发展了对象关系型数据库管理系统。此系统支持抽象的数据类型(ADT)及其相关操作的定义；用户利用这种能力可以增加空间数据类型及相关函数，从而将空间数据类型与函数从中间件(空间数据引擎)转移到数据库管理系统中，客户也不必采用空间数据引擎的专用接口进行编程，而是使用增加了的空间数据类型和函数的标准扩展型SQL语言来操作空间数据。这类支持空间扩展的产品有Oracle的Oracle Spatial， IBM的DB2 Spatial Extender， Informix 的Spatial DataBlade。其优点是，空间数据的管理与通用数据库系统融为一体，空间数据按对象存取，可在数据库内核中实现空间操作和处理，扩展SQL比较方便，较易实现数据共享与互操作。其缺点主要表现为，实现难度大，压缩数据比较困难，目前的功能和性能与第一类系统尚存在差距。

2.国内发展现状

在“九五”和“十五”期间，随着GIS领域国家重大科技攻关和863项目的实施和国家遥感中心领导的国产GIS软件年度测评的开展，海量空间数据库管理的研究工作才开展起来。

由于国内数据库系统的研究起步较晚，因此国内空间数据库管理系统基本走“关系型数据库＋空间数据引擎”的技术路线。如MapGIS的SDE， SuperMap的SDX均属此类产品。他们在空间数据的存储、进程管理、空间索引、数据缓存技术等方面各有其特点和创新之处，并在海量数据管理能力、图形和属性数据一体化存储、多用户并发访问(包括读取和写入)、完善的访问权限控制和数据安全机制等方面开展了一系列卓有成效的工作。

虽然目前国内的GIS软件产品已经在海量空间数据库管理系统方面取得了一定进展，但是由于其功能、效率、稳定性等方面还存在诸多问题，并没有在国家大型空间基础设施建设中发挥主要作用。据统计，目前国内省级以上基础地理数据管理机构业务化运行系统全部使用国外软件，省级以上大型应用工程80%以上使用国外软件。国内软件产品由于大多只能在PC服务器上稳定运行，在线管理和操纵空间数据的能力有限，安全级别很低，不能适应大型应用的需要，只是在中小型的空间数据库应用上占有一定的地位。从示范应用的角度看，目前我国与空间技术相关的行业领域对国外GIS软件产品的依赖性较大，对国外DBMS产品的依赖性更大，并形成了相当大的应用惯性，这种局面导致我国尚不能完全掌握产品发展的主动权和应用的制高点，如不及时扭转，必将影响我国GIS软件产业的健康发展。从国家安全考虑，地理空间数据是国家的敏感数据，大量使用国外的GIS和DBMS软件对国家信息安全无疑是一个严重的威胁。从国家经济角度来看，国家花费大量的外汇购买国外大型GIS和海量空间数据库管理软件系统(每年上千万美元)，系统的升级、维护没有主动权。

3.技术发展趋势

目前，由于“关系型数据库＋空间数据引擎”的技术方案访问速度快、与GIS联系紧密的优点，在应用中占有一定的优势，但空间数据引擎独立于数据库内核，难以充分利用关系型数据库中各种成熟的数据管理、访问技术，成为进一步发展的致命弱点。另外，它难以支持扩展SQL，不易实现数据共享与互操作等问题也逐渐暴露出来。

面向对象空间数据库管理系统最适应于空间数据的表达和管理，它不仅支持变长记录，而且支持对象的嵌套、信息的继承与聚集，有关面向对象数据库管理系统的研究已有十多年了，由于缺乏良好的数据基础，在访问速度尚未有重大突破，难以发展成熟。据估计在较长一段时间内面向对象数据库管理系统都不会替代关系型数据库管理系统。

扩展对象关系型数据库管理系统无疑将成为以后的发展方向。尽管目前Spatial Oracle的性能与ArcSDE仍有一定的差距，但是随着数据库厂商对空间数据管理市场的不断重视、结构化数据管理方式与空间数据管理方式的进一步融合、数据压缩传输技术的不断提高，基于数据库管理系统的空间扩展方式将会不断的完善，成为今后管理空间数据的主流技术。而多数GIS厂商则应将精力集中到空间分析、空间模型等方面，从而形成较好的社会分工结构。

4.国内外差距分析“九五”期间，国家大力扶持国内自主知识产权地理信息系统软件的研究和产业发展，成功地发展了GeoStar、MapGIS、SuperMap等一系列国产GIS桌面产品，基本能与国外ArcView相抗衡。“十五”期间，在国家有关部门的大力支持下，面向我国大型GIS应用系统的需求，研发了以超图的SDX＋为代表的国产空间数据引擎，基本能与国外ArcSDE相抗衡。但是，目前国内对于直接扩展对象关系型数据库管理系统的研究较少，尚未形成能与Oracle Spatial等系统抗衡的产品。尽管OSCAR、DM、KingbaseES、OpenBASE等国产数据库管理系统取得了巨大的进步，但其基本处于非结构化数据的管理阶段，尚不能担当空间数据管理的重任。

综上所述，目前急需发展具有我国自主知识产权的海量空间数据库管理系统，在海量数据处理、网络化、安全性、专业化应用等方面有所突破，走出一条属于中国自己的路。这不仅具有极高的市场经济意义，而且具有深远的政治和军事意义。

使用数据库管理包括地图及其属性的空间数据，成为GIS应用发展的潮流。与传统文件方式相比，空间数据库技术有明显的技术优势，包括海量数据管理能力、图形和属性数据一体化存储、多用户并发访问(包括读取和写入)、完善的访问权限控制和数据安全机制等。空间数据库技术正在逐步取代传统文件，成为越来越多的大中型GIS应用系统的空间数据存储解决方案。

空间数据库的研究方向包括海量影像建库技术、高效空间索引、时序管理、事务、数据更新等技术。空间数据库的建设作为国家空间信息基础设施的重要实施步骤，关键是要确定统一的数据库访问标准，促进行业间、部门间的数据集成。

三、高安全等级数据库系统

数据库管理系统是信息系统中负责数据存储与访问的核心部件，其安全性直接影响它所维护的信息安全。与针对网络服务器的攻击相比，直接针对数据库管理系统的攻击对系统信息安全构成的威胁更大，造成的损失也更为严重。设计高安全等级的数据库管理系统对于保证我国信息基础设施以及国防现代化的顺利发展有着重要意义。

1.国际发展现状

国际上，由于在信息技术方面拥有强大优势，美国在安全数据库管理系统方面始终处于领先地位。20世纪60年代末到70年代中期逐步确立的计算机安全思想、理论、技术和方法为安全数据库管理系统的研究和开发工作提供了基础。80年代军方的一系列研究项目取得的成果，奠定了安全数据库管理系统的技术基础。在此基础之上数据库软件开发商于90年代中期开发出一些安全数据库产品，比较有代表性的包括Trusted Oracle、Sybase Secure SQL Server和Informix－online/Secure。

安全数据库管理系统在不同时期有着不同的需求。安全数据库管理系统早期研发是为了满足军队要求，所以不可避免地具有军方色彩，其应用也主要局限在军方的信息系统。而随着数据库应用的普及，数据库安全成了一个普遍的问题，早期军方安全数据库管理系统中的安全技术成了通用的技术，并且随着需求的增加，安全数据库管理系统不断扩展新的功能。随着DOS(拒绝服务攻击)攻击技术的出现，入侵容忍技术、可信恢复等一些增强数据库系统抗攻击能力的新技术研究引起了国内外学者的关注。安全数据库系统的研究热点将体现在安全策略的多样性、安全管理的灵活性和易用性、系统在信息战中的存活性等方面。

在产业界，自2001年IBM公司斥资10亿美元并购著名数据库提供商Informix之后，全世界通用数据库厂商四分天下的格局便已形成。它们分别是：IBM，Microsoft， Oracle和Sybase。面对日益严重的信息安全威胁，四大厂商分别对其产品进行了安全增强。

DB2是IBM公司推出的关系数据库产品，DB2系列提供了针对各种操作平台的产品支持。为了保护数据库服务器的数据安全，截至目前发布的DB2系列的各类产品提供了不同的安全功能，但其主要的安全功能体现在以下方面：身份认证、访问控制、数据加密、审计和对其他安全组件(如防火墙等)的支持。DB2在安全上将外部安全服务与内部访问控制机制结合起来，实现对数据库服务器相关资源的保护，充分发挥了各个层次提供的安全功能，增加了用户选择的灵活性。

SQL Server是Microsoft公司推出的基于客户/服务器(C/S)模式的数据库系统，建立在Microsoft Windows NT平台上，提供了身份认证、访问控制、用户管理、审计、存储/传输加密等安全机制，其最主要特点是与Web紧密结合，提供一种灵活的安全管理机制，因此SQL Server作为基于Web的数据库应用系统正在得到越来越广泛的应用。

Oracle公司目前是最大的数据库管理系统提供商，尤其在大型数据库市场占有很高的市场份额，其产品提供标识和鉴别、用户管理、访问控制、审计、数据存储传输加密等安全功能，并在新版本的产品中引入了标签安全和虚拟私有数据库等新特性。另一方面，Oracle公司还始终紧盯安全数据库研究的前沿，其安全产品的代表“Trusted Oracle”达到了TCSEC标准的B2级，在美国是用于军方的产品。此外，通用数据产品Oracle 8i通过CC(通用准则，替代TESEC的国际安全评估标准)的EAL4评估。

Sybase公司也是最早投身安全数据库产品研发的公司之一，其通用数据库产品具备认证、访问控制、用户管理、审计、存储/传输加密等常规安全机制。其产品Secure SQL Server有两个版本分别通过TCSEC标准B1级和B2级的评估，主要供美国军方使用。在海湾战争中美军就是使用Secure SQL Server对机密数据进行存储和管理的。

2.国内发展现状

我国高等级安全数据库管理系统的研究相对比较落后，其原因是多方面的：其一是数据库管理系统技术上的差距。我国独立自主研发的数据库管理系统产品起步较晚，历史并不长。其二是安全基础设施上的差距，高安全等级的数据库管理系统需要至少达到相同安全级别的安全操作系统提供支持。而我国高安全等级安全操作系统的研究同样处于起步阶段。可喜的是，随着国家对基础软件及基础安全软件的重视，近年来我国这两方面的科研条件都在逐步改善。

在安全数据库管理系统方面，我国投入了一些项目和资金的支持，由我国自主研发、国家重点支持的安全数据库管理系统逐步开始实现产品化，比较有代表性的包括：信息安全国家重点实验室的LOIS系列(LOIS SDBMS)、人大金仓系列(KingbaseES)、武汉华工达梦系列(DM)，以及东大阿尔派的OPENBASE等。

中科院软件所信息安全国家重点实验室以PostgreSQL为基础，对其进行安全增强，开发出达到国标GB 17859—1999第三级(相当于TCSEC标准的B1级)的LOIS安全数据库系统产品：LOIS－SDBMS V1.0。LOIS－SDBMS V1.0提供认证、访问控制、审计、数据库加密存储等安全功能，于2004年通过公安部的测评，走向了市场。随后，信息安全国家重点实验室又在LOIS－SDBMS V1.0的基础上推出了达到GB17859—1999第四级(相当于TCSEC标准的B2级)的原型系统。

武汉华中达梦数据库有限公司的产品“安全数据库管理系统DM3”，采用数据库管理员、数据库安全管理员和数据库审计员三权分立的安全管理体制，具有身份验证、自主存取控制、强制存取控制和审计等安全特性，安全等级达到TCSEC标准的B1级。

东软集团以国标GB 17859—1999第三级为指导开发的产品“安全数据库管理系统Open Secure 1.0”提供元组级安全标记，实现多种标记的操作，并提供完整性控制、审计分析工具、标识与鉴别功能、数据库加密、自主访问控制和强制访问控制等多种安全功能。

人大金仓数据库管理系统的“KingbaseES V6安全版”也于2006年1月通过了公安部的测评，达到了国标GB 17859—1999第三级(相当于TCSEC标准的B1级)的要求，在数据库管理系统中实现了审计、访问控制和用户鉴别等安全功能。

虽然国内已经出现了一些自主产权的安全数据库管理系统的产品，但这些产品与国外的主流产品竞争中处于劣势。同时，受美国对华政策的影响，美国企业不能将高安全等级数据库管理系统销售给中国。因此，高安全等级数据库管理系统只能也必须由我国自主研发并进行市场化推广。

3.国内外差距分析

总的来说，美国在安全数据库管理系统的研究和产业化方面都占有绝对的优势，四大数据库厂商全部源自美国的企业。我国安全数据库管理系统的发展与国际先进水平还有相当大的差距，主要体现在两个方面：一是高安全级别数据库管理系统研发方面，二是安全数据库管理系统产品推广方面。

目前，我们已经掌握了高等级安全数据库管理系统的核心技术，以中科院软件所、华工、人大和东软为代表的研究机构也纷纷推出了相对成熟的安全数据库管理系统产品，我们已经有了产品推广的基础。但是，产品的推广是一项系统工程，还需要进行一系列的工作，这包括：开发集成管理工具、应用开发工具等支持软件的开发工作、市场推广工作，等等。

另一个方面，我们在更高安全级别数据库管理系统的研究上也还比较落后。美国军方早在20世纪90年代初就提出了以Seaview为代表的、达到TCSEC标准A1级的数据库管理系统原型，而我国到2004年才由中科院软件所推出达到B2级的安全数据库管理系统原型。我们在推理控制、可信恢复、隐通道分析、形式化验证等诸多高等级安全数据库管理系统的核心技术研究方面还有很大差距。

四、空间数据分析技术

针对空间数据的几何操作和基于空间位置的分析过程是GIS有别于其他信息系统的本质特征，也是评价GIS软件产品功能强弱的主要指标之一。空间数据的几何操作是指通过设计严密、精确、高效的图形学算法，构造一维、二维操作算子，完成大规模空间数据(即几何数据(的图形学操作过程，如拓扑构造、空间裁剪、空间叠加、度量关系计算等。基于空间位置的分析是基于空间数据几何操作和定量数学模型来分析地理现象的技术体系。分析结果依赖于现象的空间分布，包括三维模型构造与三维分析、网络分析、空间数据探索分析、空间回归模型、空间机理模型、空间统计－机理模型、空间复杂系统模型、空间运筹模型、空间数据挖掘等。空间分析具有广泛的实用价值，如土地利用和交通规划、环境分析和规划、资源分配等。越来越多的国际大公司、大型零售商与连锁超市、环境咨询公司、汽车制造公司与石油公司等开始使用空间分析技术来辅助商业政策制定。

1.国际发展现状与趋势

1)空间数据几何操作

空间数据几何操作分析效率的高低直接影响到GIS整体功能的发挥。广义的空间数据几何操作既包括对空间关系的判定过程，也包括在原数据集上经过数学运算产生新的数据集。空间分析的过程一般都需要空间数据几何操作的支持。

在国际上，空间数据几何操作算法的研究已经历了很多年的发展。经典的研发成果往往在国际著名GIS软件品牌中很快得以实现。例如，Arc/Info、MGE等著名的GIS基础软件平台，都有着完善高效的几何操作算子库，以支撑这些软件平台对各种类型的大规模空间数据的几何操作需求。在技术上，基于完备的拓扑复合数据模型而设计的各种空间操作算子，可以完成包含上千万个多边形的数据集之间的空间叠加过程。在近期，ArcGIS软件平台更是率先打破了大规模空间操作对显式拓扑的需求，在所提出的新一代面向对象的空间数据模型Geodatabase中实现了快捷的大规模数据集空间操作过程。其效率甚至高于传统的基于显式拓扑数据模型的空间操作算子，反映了国际著名GIS软件平台在空间操作算子研发方面的雄厚实力。值得注意的是，它的空间操作实现过程完全基于以完整性拓扑规则表现出来的动态拓扑。可以预见，随着ArcGIS版本的升级，将包括越来越多的拓扑规则。拓扑规则非常灵活，不仅可以用于图形编辑、数据的一致性检查等方面，而且能够帮助快速建立拓扑，从而缩短在对象关系数据集的空间叠加中建立拓扑结构的时间。

此外，国际著名的GIS软件平台，在空间操作算子的数量、功能、质量上，随着多年的研发过程和用户的反馈不断完善，已经基本能够满足用户的各种空间分析过程对空间操作算子的要求。

随着对象关系型GIS逐渐深入和广泛应用，目前空间数据操作的研究主要集中于在对象关系数据模型下如何快速准确实现空间操作过程。对象关系数据模型以对象关系数据库为载体，通过对象关系数据库来发挥该模型在数据管理和处理上的优势。因此，基于对象关系数据模型的空间操作问题往往表现为如何对ORDB中的空间数据进行快速准确的几何操作。目前已有大量的数据库厂商支持对象关系型的数据组织方式，发展了各具特色的对象关系数据库扩展产品，包括Oracle Spatial、Informix Spatial DataBlade、DB2 Spatial Extender、PostgreSQL/PostGIS和MySQL Spatial Extensions等，它们在提高空间操作效率的问题时采用了各式各样的改进方法。以空间数据几何操作中应用最普遍的空间叠加为例，Oracle Spatial通过两级过滤扩展了SQL搜索功能：一级空间搜索在SQL查询语句中调用过滤函数，而几何实体之间的二级空间关系则借助于空间谓词来完成。虽然这些函数和谓词对于加快空间搜索有一定帮助，缩小了参与空间叠加的对象范围，但是由于其空间叠加操作仍然采用传统的基于对象的双重循环遍历求交算法，效率依旧非常低下。而PostgreSQL通过计算9交矩阵判定两个几何实体的空间位置关系，效率较高，而对于几何体的并、交、差等空间叠加操作，PostgreSQL仍然使用传统的基于对象的双重循环遍历求交算法，尽管采取了最小包罗矩形过滤和平面扫描算法等改进措施，但是对象关系模型的性质限制了空间叠加运算效率的提高。

尽管拓扑关系数据模型易于完成空间叠加操作，但是目前绝大多数基于对象关系数据模型的空间叠加方法均未引入拓扑关系数据结构。Oracle Spatial 10g虽然在此方面做了一些尝试和改进，实现了在数据库中存储拓扑数据结构，但是这种拓扑信息目前只应用于拓扑编辑、网络分析和空间数据的一致性检验，而没有对空间叠加操作提供帮助。

2)基于空间位置的分析技术

三维模型构造与三维分析、网络分析和空间分析构成了基于空间位置的分析体系。目前在国际著名品牌的GIS软件产品中，三维模型构造与三维分析、网络分析发展比较成熟，已经可以支持超过20 000×20 000个DEM格网的构造、实时可视化和大规模三维分析过程；在网络分析方面，基本可以满足各种标准的多用户大规模地理网络分析需求。在空间分析方面，GIS基础软件平台和空间分析专业软件产品或各自不断丰富，或通过战略合作、整体兼并等方法完成产品的一体化。

空间分析包括图形分析(空间对象，用统计学方法)、空间数据分析(属性度量，用统计学方法)和空间模型(过程和机理)。不同类型的空间数据需要使用不同的分析理论。空间对象包括点、线、面和表面，属性数据包括命名、次序、间隔和比例数据；空间过程被分为区域(格)过程(例如区域发展过程)、地统计过程(如石油储量过程)、点过程(如物种分布)、斑块过程(如被污染的土壤)和线过程(如洪水流动)；空间表达。空间分析的对象来源于真实的地理世界；经过人脑认知形成人脑中的图像，表现为场和对象；具体可以抽象为点线面图；最后需要测量表达为计算机所识别的空间数据矩阵的形式。

国外在地球信息科学方面的推动者主要来源于20世纪60、70年代期间计量地理革命的活跃学者，如老一辈的Tobler、Marble、Cliff、Haggett和中年辈的Goodchild、Rhind、Haining、Fischer、Openshaw、Batty、Fothringham等，从20世纪90年代至今GIS技术和海量观测数据大发展的背景下，具有实际运用价值的地球信息科学理论和方法的雏形正在形成。

国际著名的GIS学者Robert Haining认为“地理信息科学 = GIS系统软件 ＋ 空间分析”，具体包括：

● 空间描述：制图、数据平滑、聚集探测等；

● 空间解释：位置、空间关系、距离、梯度、格局等；

● 空间预报：插值等；

● 空间调控和决策：优化运筹、策略等。

空间分析模型应当建立在具体运用对象的机理上，包括地球科学、经济学、社会科学等，其建模工具是统计学和数学；实现手段是信息科学和技术。空间分析学者追求的境界是“空间思维(Spatial Thinking)”。

目前空间分析软件主要来自地理学和地质学。由于地理学和地质学研究对象不同，所涉及的数据特点和分析方法不同，造成两大流派在软件功能、结构、风格上的不同。

在欧美，20世纪60年代经历了地理学计量革命，其主流是试图将社会经济时空格局和过程数学公式化。在GIS趋于成熟和空间数据迅速膨胀的技术条件下，当时的学者成为现今地理信息科学的主要推动者，造成地理学者所研发的空间信息分析软件包多带有处理多边形数据(社会经济统计单元，遥感像元数据亦属此类)的特点。相反，源于地质学的空间分析软件包一般适用于分析离散和连续的数据。

美国CSISS(Center for Spatially Integrated Social Science)分析了空间数据分析的强大需求，在美国国家基金支持下，自1999年开始设立了5年的项目计划，其核心是空间计量模型、开发空间地统计等内容的软件包的开发。并同强大的GIS软件公司—ESRI公司合作，开发成熟的面向普通用户且界面友好的商业化空间统计与分析软件包。

空间信息分析理论和技术较为复杂，对于一般科研人员而言掌握难度大、耗费精力多。为此，美英两国都已建立了相应的国家级研发计划，更有甚者，全球销量最大的GIS基础软件的研发者美国环境系统研究所在ARCGIS8.11及以上版本已集成了地统计学模块，目前正在积极争取集成美国国家基金会资助完成的Lattice数据分析模块，该功能可以被几乎所有从事地理信息管理的用户所使用，进行空间信息的分析和深加工。

在空间数据仓库和空间数据挖掘方面，当前系统如ArcSDE、Oracle Spatial、Informix Spatial DataBlade等提供了空间数据的管理能力，但目前的实验表明，对大数据量的数据上载、下载等方面速度还比较慢，无法满足系统应用需求。同时这些空间数据库对空间关系的处理还比较肤浅，没有实现空间数据仓库技术和有效的空间数据挖掘。

2.国内发展现状与趋势

空间数据操作与空间分析是国产GIS软件平台或GIS应用的重要组成部分。目前国产的GIS软件平台，已经基本具备了较为完善的空间数据几何操作和简单空间分析功能，包括空间叠加、缓冲分析、空间内插、DEM生成、填挖方计算、通视分析、路径分析、资源分配、空间自相关等已经在国产商用GIS平台中予以实现。空间数据的几何操作过程和路径分析，基本上构架在矢量拓扑模型基础上。空间分析过程多在栅格网数据模型上实现。在方法研究方面，长期以来，在GIS和图形学领域，国内学者发展了很多经过改造可用于空间数据操作的几何算法，如多边形裁剪算法、曲线求交算法、拓扑构造算法等。在三维分析和网络分析方面，也涌现出很多具有较高效率的算法与解决方案。有些算法与解决方案已经在国产商用GIS平台中得以实现。

在空间分析方面，中国并没有广泛地经历上世纪中叶的计量地理革命，但是中国学者在理论方面正在作不懈的努力和推动，如陈述彭先生提出的地球信息科学和地球信息机理、地球信息图谱、格网计算等重要概念；中国学者学习引进了计量地理、空间信息分析技术、元胞自动机、智能计算等方法；当今空间信息分析技术包括以下6个主要方面：(1)空间数据获取和预处理；(2)属性数据空间化和空间尺度转换；(3)空间信息探索分析；(4)地统计；(5)格数据分析；(6)复杂信息反演和预报模块。应用需求、计算技术进步、空间数据激增、学科交叉是空间信息分析技术和理论发展的主要动力。空间信息分析技术的目的是建立研究对象的(统计)数学模型、因子识别、预测和调控，并通过973项目、863项目和国家自然科学基金项目的支持，对空间分析的理论体系和方法进行系统研究。

目前，国产GIS软件平台在空间数据操作与空间分析方面的发展趋势包括：(1)进一步提高空间数据几何操作算法的效率、适用性和稳定性；(2)丰富三维分析和网络分析的功能和灵活性，使之更符合专业应用或社会服务需求；(3)专业化空间分析的研究会取得一定进展，但与商用GIS平台的有效集成还未引起足够重视。

3.国内外差距分析

从商业化GIS软件平台的空间操作能力，目前在空间操作、空间分析模型和算子的数量、功能、效率和适用性方面，国内外的GIS商用软件平台存在明显差距。

空间数据操作与分析技术是国产GIS软件平台的软肋所在。长期以来，国内厂商在GIS软件的研发过程中将主要精力放在跟踪IT新技术，丰富功能体系和产品线，强调体系结构、数据管理、数据交换等方面，而一直对需要长期投入、最能反映GIS软件产品内功底蕴的空间数据几何操作和空间分析较少关注。这使得国产化的GIS软件产品，在产品线和系统功能方面与国际上的大品牌软件差距不大，而在产品稳定性、海量数据几何操作能力和空间分析能力方面与国际大品牌软件存在较大差距，只是在个别空间操作与空间分析算法方面与国际GIS软件平台相当或占有微弱优势。这一点在国家科技部每年组织的有计划、针对性的GIS软件测评中表现尤为突出。这一差距直接导致了国产化GIS基础软件在涉及海量空间数据图形操作的大中型工程应用中捉襟见肘，不敌国际大品牌GIS软件。此外，忽视空间数据操作与分析技术也使得业界在GIS海量空间数据几何操作算法和空间分析方面的研究投入严重不足，所取得的研究成果也缺乏行之有效的产业化转化渠道，直接影响了国产化GIS软件的竞争能力。

虽然随着GIS门槛的不断降低，表面上GIS高端用户的比例在减少，但是也需要清楚地认识到，低端用户对GIS软件的需求，不会一直停留在低端需求层面。高端用户和低端用户之间的界限会随着GIS应用的不断普及越来越模糊，而且高端用户群所涉及的专业领域也会不断扩大，对于GIS空间数据操作与空间分析的需求只会不断增加。而目前国产GIS软件平台在这一方面还缺乏足够的认识，研发队伍中的数学、图形学专业人才比例不够，现有的空间数据操作模型、算法及其空间分析理论与方法研究投入本就不足，所取得的成果也处于孤芳自赏阶段，没有在GIS商用平台中得以实现。与此相比，国际大品牌GIS软件平台非常注意吸收国际上最新的数学、图形学和空间分析相关学科的理论与方法研究成果。如ArcGIS平台，在8.0版本时，虽然推出了极为轰动的面向对象智能化数据模型Geodatabase和划时代的组件式平台版本，但在涉及大规模空间数据几何操作时，依然需要借助传统拓扑复合数据模型来实现，以保证操作效率。而两年后推出的9.0版本，完全解决了这一技术难题，针对Geodatabase数据模型的大规模空间数据操作算子效率甚至比经典的拓扑复合数据模型算子还高。在三维分析、网络分析方面，ArcGIS也不断对算法进行优化改进，提高数据处理能力和稳定性，并收购兼并其他专业公司软件成果，提高其分析能力。在空间分析方面，ArcGIS已经在其产品中吸纳了著名的空间统计学方法Kriging，并仍然在不断吸纳最新的空间分析研究成果，进一步提高其产品的空间分析能力，以应对用户不断增长的需求。

五、地理信息系统软件产品

现代意义上的商业地理信息系统软件产品是从20世纪80年代初开始的，迄今已有20多年的发展历史。目前，主要的GIS软件产品可分为应用组件开发平台，空间信息网络发布平台，嵌入式GIS，桌面应用程序，空间数据库、行业应用系统这几种主要门类。

1.国际发展现状与趋势

目前国际上的GIS软件厂商除了有ESRI， MapInfo等老牌的GIS基础平台提供商之外，一些大型IT企业如微软、Oracle、Google等也根据自己对行业的理解，或成立空间信息技术解决方案的部门，或通过融资、并购等形式进入到空间数据生产、空间信息服务、GIS软件开发等领域。目前国际GIS厂商的软件产品的发展主要集中在数据采集工具，系统集成技术，移动计算，空间数据库，WebService，网格计算等若干领域。

从国际GIS产品的历史和现状看，其发展趋势主要体现在三个方面：

第一，面向服务的架构(Service－Oriented Architecture， SOA)是软件设计制造的重要发展方向。在SOA架构下，以服务或组件形式出现的业务逻辑可以被共享、重用和配置，如此以来企业应用集成变得轻而易举。过去，企业应用开发一直采用先开发、后集成的模式，而在SOA架构下，任何一种应用都由若干种服务组成，这些服务在开发之初就已经考虑到重用问题，提供了标准的接口，可以被各种应用和其他服务所调用及组装。面向服务的体系结构提供了一种方法，通过这种方法，可以构建分布式系统来将应用程序功能作为服务提供给终端用户应用程序或其他服务。其组成元素可以分成功能元素和服务质量元素。

SOA适应了由提供软件产品向提供软件服务转变的需求方向。所谓软件服务是以客户为中心，以需求为主线，围绕客户在软件购买、安装、使用、二次开发过程中所遇到的一系列问题，帮助客户挖掘软件的价值，实现软件产品与客户业务的有机交融，从而为客户带来业务增值的过程。软件服务将企业运营的重心由产品转向服务，由人机对话的技术平台转向人人对话的服务平台，由一次开发重复使用的传统软件模式转向多次开发个性使用的现代软件模式。这对于传统软件企业来说，无疑是一次质的飞跃。从单纯提供软件产品向提供软件＋服务的模式转变，是软件企业的一个重要机会和发展方向。互联网的出现和发展，为方兴未艾的软件服务业提供了强大的工具支持，因为网络时代的来临从根本上改变着软件开发模式、软件使用模式和软件维护模式。随着分布式开发、模块式选用安装和远程界面维护技术的成熟，软件的个性化定制将更加灵活，二次开发将更加高效，远程管理将更加直接，这些都为软件服务提供了极大的方便。

具体到GIS软件厂商，根据具体的软件形式，可以采取相应的服务模式，着眼于软件产品与行业特色的结合部，了解行业用户的实际需求，完成软件产品的定制开发、应用程序的接口设计和内部开发人员的深层培训，为客户保证业务的持续性发展，并获得更大的增值空间。

发展面向服务的GIS软件，一方面是GIS软件企业经营发展的要求，另一方面也是GIS应用集成的需要。

第二，网格地球空间信息系统软件的研发是产品发展的重要趋势之一。国内外学者对网格计算在地学中的应用已经进行了比较充分的研究，大量研究成果集中在栅格数据分析和遥感图像处理这些传统计算项目中。但是，我们应当认识到网格软件平台的建设是实现分布式管理与共享应用服务，将分散建立的空间信息系统有机地互联起来，实现共享与互操作，以充分发挥地球空间信息的应用效率的关键。网格地球空间信息系统软件产品的研发包括适用于地学高性能计算的中间件，数据访问和分析计算的标准接口协议，提高系统的可用性、可扩展性等方面。新的软件技术的出现使我们有可能从更高的角度和更广的范围来考虑这些问题，从而比较彻底地解决地学高性能计算中数据共享、互操作等问题。地理空间信息的社会效益和经济效益在于它的广泛应用。伴随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，地球空间信息的应用也日趋深化，目前已在资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查与估产、交通、能源、通信、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、公共安全应急系统、公共汽车调度等方面得到了广泛应用。网格地球空间信息系统软件产品能够汇集和共享空间信息资源，将其进行一体化组织与处理，集成行业间的异构系统，有利于进一步推动国家信息化的建设。

第三，国际GIS软件企业之间的强强联合，提高了GIS软件的互连互访能力和软件的标准化程度，增强了GIS软件的集成能力。近年来，国际GIS软件的重要发展趋势之一是不同企业软件之间的联合与协作，几个世界顶级的美国GIS企业从原来的简单竞争在走向合作，原本就实力强大GIS企业在合作之后互相得到更多的增强。这些合作包括两个层面：

(1)在OpenGIS一系列标准框架下，各大国际GIS厂商建立了符合标准软件产品，支持这些软件产品在功能应用层(特别是Web应用层)的互联互访，如通过支持OpenGIS WMS(Web Map Service)和WFS(Web Feature Services)，可以实现不同软件厂商之间的WebGIS产品之间互联互访，在客户端进行集成。尽管这种层次的共享在性能和耦合程度等诸多方面还不够理想，但越来越多的软件开始支持这些国际标准，以保持产品和技术的开放和共享。

(2)美国几个大型GIS企业之间开始更为底层的深层次的空间数据层的协作。如2004年ESRI(其GIS软件在全球市场所占的份额居第一位)宣布与Bentley合作，ESRI的ArcGIS支持直接读写Bentley的MicroStation数据文件格式，同时MicroStation也支持直接访问ArcGIS的数据格式。此前，ESRI和Autodesk的AutoCAD产品也实现了类似的空间数据层互联互访。类似的合作在Intergraph、MapInfo、Oracle等公司之间也存在。这将对其他国家和地区的GIS企业产生严重的不利影响，特别是资金实力不足和品牌优势尚未确立的中国GIS企业和产品。

2.国内发展现状与趋势

从“六五”到“九五”期间，我国的GIS技术得到了长足的发展。特别是“九五”期间，原国家科委将GIS作为独立课题列入“重中之重”科技攻关计划，给予了充分的重视和支持，技术发展速度明显加快，GIS基础软件技术支持得到了全面的加强，出现了一批有水平的技术成果和产品。如空间数据采集方面的扫描数字化技术、数字摄影测量技术等已达到与国外相当的水平；地图出版技术已经超过国外的GIS软件；AM/FM应用软件水平已经进入世界行列；小型GIS基础软件的整体设计水平已经接近国外水平，GIS软件产品化技术方面也有了很大的提高，新的GIS软件架构如COMGIS， WebGIS都得到了很好的产业化发展。所有这一切都为发展我国GIS产业奠定了技术基础。“十五”期间，国家继续大力支持和发展国产GIS软件产业，到2005年，国产软件的国内市场占有率上升到30%以上，并积极开拓国际市场。“十五”期间，我国致力于扶植和发展一批有国际竞争力的GIS软件，建立若干产业基地，开发和完善具有自主版权的全系列GIS产品，提高了这一产业的整体实力。国家在对经济建设和社会发展有重大意义、条件具备的多个领域，组织实施了一大批国产GIS应用示范工程，为国家经济建设作出了巨大的贡献。国家空间数据管理部门组织制定了一系列GIS开放性的数据标准规范，空间数据交换共享的实施办法和GIS考核评估体系，建立GIS应用工程的监理和企业资质认证制度。

与此同时，一大批中青年科学家和技术人员正在成为GIS技术研究和产品开发的主力军，尤其是一批计算机软件技术人员进入GIS领域，形成了多学科结合的局面。目前，国家已正式将GIS列入高校学科专业目录，现已有100多所高校开设了GIS课程，大量培养本科、硕士、博士毕业生。我国GIS技术人才培养基地已经形成，为GIS产业奠定了人力基础。

3.国内外差距分析

我国在“九五”攻关和“十五”863计划中支持了国产地理信息系统基础软件平台的研究开发和产业化，形成了若干有影响力和竞争力的GIS软件企业，成绩斐然。然而，和国际上的GIS软件产品相比，国内的厂商及其主要产品仍然存在以下一些差距和不足：

(1)国外的产品在国内地理信息市场中仍然占据主要份额，甚至在一些军事、政府等要害部门也严重依赖于国外的产品。尽管国产GIS软件的部分关键技术已经达到甚至超过国际竞争对手，但整体技术水平还存在一定的差距。

(2)目前的国产GIS基础软件平台已经初步解决了分布式跨平台运行和异构系统集成和互操作的问题，但是还不能满足大规模分布式计算环境下，高性能、高并发访问的空间信息服务的要求，也难以满足广域网和无线网络环境下跨行业跨部门协同工作和大众化应用服务的要求。

(3)无线通信技术的发展给GIS带来了新的机遇和挑战。毫无疑问，无线技术是未来通信的主要方式。无线通信、GPS定位、室内定位和GIS的集成，将为公众提供最具商业化价值的服务。大量的无线通信设备作为GIS服务的终端，现有的GIS服务器产品将面临并发访问能力严重不足的巨大挑战。研究与开发支持海量客户端高并发访问能力的GIS软件产品势在必行。

综上所述，GIS软件产品的发展趋势是面向服务，具备高性能分析处理、支持高并发访问能力的、网格计算环境下的软件产品。

六、地理信息系统标准和规范

地理信息系统标准和规范对于地理空间数据的生产、管理、分发与应用服务有着极为重要的意义，它是推动地理信息产业化应用的关键，相关的标准与规范可分为四个层次：

第一个层次是数据集的标准，包括空间数据的元数据标准、空间数据内容标准、空间数据语义标准、空间数据编码标准、空间数据质量标准、空间数据转换标准、空间数据可视化符号标准。它们形成了空间数据的特征描述与转换标准体系，也是空间数据分发服务和互操作标准的基础。

第二个层次是地理数据分发服务的标准。它是关于数据集，即针对文件级的空间数据共享与分发服务的标准，包括网络环境下元数据的发布模式、文件目录服务、数据的密级及用户权限管理、购买数据的申请与审批流程及电子支付、数据产品的制作传输与转换等内容。

第三个层次是空间数据互操作的规范。它是关于异构空间数据库中空间对象的实时共享与互操作的规范。空间数据互操作规范使异构系统之间使用函数实现对空间对象的实时操纵，获取不同系统之间的数据。空间数据互操作规范分为两个层次：抽象规范和实现规范。抽象规范是关于数据特征描述的规范，实现规范是抽象规范在不同计算语义下的执行规范。

第四个层次是地理空间信息服务(元服务)的标准。它是空间信息在描述、发现、链接、绑定和执行服务方面的互操作基础，允许空间信息服务系统对用户提供透明的在线访问、个性化的数据、信息和知识服务。它不仅提供数据的服务，而且提供功能和分析结果的服务，是当前OGC和ISO/TC211的重要发展方向。

1.国际发展现状与趋势

世界各国特别是发达国家对地理信息的技术标准的研究、制定工作极为重视。与地理信息国际标准研制有关的国际组织主要有：ISO下设的地理信息/地球信息标准化委员会(ISO/TC211)、国际制图学会(ICA)、国际水道测量组织(IHO)等，各国和区域也都有相应的协调组织或部门。

ISO于1994年3月成立地理信息标准化委员会(ISO/TC211)，其工作范围为数字地理信息领域标准化，即针对直接或间接与地球上位置相关的目标或现象信息制定一套标准，以便确定地理信息数据管理(包括定义和描述)、采集、处理、分析、查询、表示，以及在不同用户、不同系统、不同地方之间转换的方法、工艺和服务。该技术委员会目前正开展地理信息系列标准项目的研制工作，其内容主要涉及地理信息框架和参考模型、地理空间数据模型和算子、地理空间数据管理、地理空间数据服务和专用标准等，标准项目包括关系模型、地理信息术语、一致性与测试、空间模式、时间模式、数据分类方法、数据质量、空间参照系统、元数据、数据编码、影像和栅格数据、实用标准等。目前ISO/TC211已完成了近20个标准草案，并正在起草18个新的地理信息标准。这些标准由三方面组成，即数据标准化(如“空间数据交换标准”)、技术标准化(如“GIS软件互操作标准”)和应用标准化(如“GIS应用互操作标准”)。

美国历来十分重视地理信息标准的建设，在20世纪70年代到80年代，美国地质调查局就主持制定了空间数据转换格式DLG格式，从80年代初到90年代，由美国内务部牵头成立了联邦地理空间数据委员会(FGDC)，制定了一系列地理信息标准，其中最重要的就是地理空间数据交换标准(SDTS)和元数据标准，并于1994年由克林顿发布总统令，要求全国各部门将有关的地理空间数据转换为符合该标准的数据。对美国地理空间数据的共享起了巨大的推动作用，加快了美国国家空间数据基础设施的建设。

最近几年来，由GIS软件公司发起，成立了开放地理信息系统联盟(OpenGIS Consortium， OGC)，目的是进一步推动地理信息共享的技术进步，联合研究推出地理空间数据互操作规范，使不同的GIS和空间数据库管理系统之间达到在线实时共享与互操作空间对象的要求。

1)元数据标准

ISO/TC211委员会专门制定了用于描述地理数据和服务的元数据标准，编号ISO19115，它是ISO 19100系列标准的一部分。该标准力图规范元数据元素，建立一套通用的元数据专业术语、定义以及扩展步骤和表示方法。

1996年3月，ISO完成第一版工作草案(WD v.1.0)。迄今经过多次修改，先后完成近10个更新版本，于1997年5月完成最后一版工作草案(WD v.4.4)，并作为委员会草案(CD)提交给ISO/TC 211各成员团体征求意见，委员会草案稿迄今为止已出了第三版(2000年3月)。2001年8月完成了标准草案发布版。

在每次修订过程中，元数据结构和形式都有不同程度的变化，但是从标准的基本元素上分析，不同版本之间的相互区别不大。除了详细定义了元数据标准内容及其相关联的结构之外，还阐述了元数据扩展方法、元数据的检测、元数据的使用以及元数据实例等。元数据的UML模型表示、数据字典与UML模型的有效对应、元数据表标准的XML DTD定义以及元数据扩展方法的详细描述，是ISO地理信息元数据标准的最大特色。

除美国之外，欧洲各国、加拿大、澳大利亚也都十分重视地理数据标准的建设，几乎大多数发达国家都有了自己的空间数据转换标准和元数据标准以及地理信息编码标准。不少国家和国际性组织已经发布实施元数据内容标准，并开发了许多元数据操作软件和工具。元数据标准和相关软件已经成为国家空间数据基础设施的一个重要组成部分。美国联邦地理数据委员会(FGDC)、开放GIS协会(OGC)、欧洲地理信息标准化技术委员会(CEN/TC 287)，以及国际标准化组织地理信息/地球信息业技术委员会(ISO/TC 211)等组织已成立了各自的工作组，并从影响地理数据发展的不同方面，讨论地理信息共享标准的制定工作，元数据标准则作为他们主要的攻关课题，成为各个组织首要研究的内容，例如，美国副总统戈尔在1998年的“数字地球”项目中就已把元数据列为其首要发展的六大技术之一。

美国联邦地理数据委员会(Federal Geographical Data Committee， FGDC)成立于1990年。1992年6月举办了地理空间元数据讨论会，与会者认为需要研制地理空间数据的元数据内容标准(CSDGM)。该委员会下设的标准化工作组起草了CSDGM标准草案，从1992年10月至1993年4月公开征求意见。工作组根据意见修改后，于1993年7月再次征求意见并进行测试。1994年1月和3月对草案又征求意见和测试。1994年8月FGDC通过并发布第一版CSDGM。此后，联邦政府内外的许多单位根据12906号总统令的要求，从1995年开始执行这一标准，并利用自动索引和服务机制，为用户提供通过因特网访问其数据库的服务。FGDC于1998年6月完成了第二版CSDGM。随后，在美国国家生物信息创始会(National Biological Information Initiative， NBII)和FGDC合作的基础上，于1999年10月在新版的CSDGM基础上发布了生物数据专项标准。当前，FGDC正在研究遥感影像元数据标准。

美国FGDC元数据标准除在美国国内广泛使用外，加拿大、印度等国也已等同采用，作为各自的国家标准。ISO/TC 211利用该标准文本作为基础，正在制定相应的国际标准。同时，经过多年的发展和积累，美国在基于CSDGM上开发实用的工具软件方面，也有很丰富的产品和广泛的应用领域，例如元数据的输入、编辑、生成、预处理、检验和确认等。这使得他们的元数据标准在实现和应用上处于领先地位。

2)空间数据互操作规范

空间数据的互操作有数据交换、直接读取和基于公共接口的互操作方式。早期的地理信息系统都采用中间数据交换格式的方式，后来部分地理信息实现了不转换直接读取其他格式的功能，但目前大家比较认可的技术是基于公共接口的互操作方式。各个系统通过公共的接口相互联系，而且允许各自系统内部数据结构和数据处理互为不同。

1994年在美国成立了开放地理信息联盟(Open GIS Consortium， OGC)，现在有十几个国家的260多个成员，包括软件技术公司、硬件技术公司、政府机构、大学以及重点实验室、企业集成系统、销售商、图像信息产品制造商等，USGS、Intergraph、Smallworld、ESRI、Autodesk等都是其成员，我国的武汉大学也是其成员之一。

作为一个非营利组织，OGC通过标准化的工作流程和技术手段，发展开放式地理数据系统、研究地学空间信息标准化以及处理方法，对全球地理数据和地学空间信息处理的标准化产生了深远的影响。OGC为空间数据互操作制定了统一的空间对象规范，从而使得一个系统同时支持不同的空间数据格式成为可能。OGC的这些规范基于CORBA、OLE/COM以及SQL等，为实现不同平台间服务器和客户端之间数据请求和服务提供了统一的协议。OGC规范正得到OMG和ISO的承认，从而逐渐成为一种国际标准，将被越来越多的GIS软件以及研究者所接受和采纳。

3)网络地理信息系统

基于相同对象数据模型的互操作规范为多源数据集成带来了新的模式，但这一模式在应用中存在一定局限性：首先，为真正实现各种格式数据之间的互操作，需要每种格式的宿主软件都按照统一的规范实现数据访问接口，在一定时期内还不现实；其次，一个软件访问其他软件的数据格式是通过数据服务器实现的，这个数据服务器实际上就是被访问数据格式的宿主软件，也就是说，用户必须同时拥有这两个GIS软件，并且同时运行，才能完成数据互操作过程。最后，即使以后新建的GIS软件都支持OGIS，现有的GIS软件生产出来的空间数据也要转化到OGIS标准。

随着互联网和Web Service技术的日益成熟，网络地理信息系统和地理信息服务成为地理信息系统发展的主流方向。为此，OGC在2001年提出OWS－1(OGC Web Service Version 1)提案，规范地理信息互操作的框架和基本服务接口。2005年初开始，OWS－3的提案开始运作，在与数据连接的方式上，它将规范传感器网络接入(Sensor Web Enablement， SWE)的方式和能力，在信息的服务段，它将各种地理信息服务类型抽象为一种统一的方式。一些成熟的规范(如WMS、WFS、WCS、GML)将补充内容或更新，一些规范(如SensorML、Sensor Observation Service (SOS)、Feature Portrayal Service、Geospatial Fusion Sevice等)将进一步修改后发布，还有一些新的规范将开始讨论，如GeoVideo Service。

OWS－3直接将天上、地上、静态和动态的传感器连入地理信息服务的数据来源，包括对传感器的任务计划制订和交互操控，许多大公司和政府机构都参与了这项工作，如BAE Systems、Lockheed Martin、NASA、ORNL、NAVTEQ、USGS等。

4)智能地理信息服务和网格地理信息系统等前沿领域

一直以来，地理信息服务还处于能不能通过网络提供服务以及如何实现服务，但如何进行优化和实现动态自适应的智能化服务方面的研究才刚刚开始，是技术的前沿，相关的标准更无从谈起。

网格是一个急剧发展的分布式计算平台，依托高性能分布式计算与信息网格环境，构建空间信息互联网格间的互联互访技术体系，建设能够适用于大规模分布式高性能计算的空间信息互联网格服务软件平台，实现GIS企业的优质资源组合互访，是各国研究部门正在从实验室走向实际应用的技术，网格技术本身已经有了一些事实的工业标准，但地理空间信息相关的国际标准还没有形成。

2.国内发展现状与趋势

我国对地理信息标准化工作也非常重视。国家于1997年12月专门成立了全国地理信息标准化委员会，负责地理信息方面国家标准的立项、协调、组织、审查和宣传工作，开展国内外地理信息标准化学术交流，加速与国际地理信息标准的接轨。20世纪80年代，研究发布了地理信息编码标准和地形要素编码标准，但限于当时技术能力，这两个编码标准有些重叠，目前正在重新修订基础地理信息编码标准。“九五”期间，国家科技部和国家测绘局立项研究制定我国地球空间数据转换标准，由武汉测绘科技大学牵头，西安测绘标准化研究所和全国几家GIS软件开发单位参加，共同起草，经过两年的努力，于1998年通过草案，1999年成为国家正式标准。97－759项目中对地理信息网络共享标准进行了系列研究，在空间信息分类编码、空间元数据标准、空间数据转换标准、空间信息分发服务规范等进行了研究，目前已提交空间数据元数据标准、空间信息分类编码草案，进一步修改后即可提交地理信息标准化委员会讨论。另外，各行业部门也已经或正在制定一系列地理空间信息的标准，如国家测绘局已先后制定出1︰250 000、1︰50 000、1︰10 000空间数据生产与建库的行业标准，国土资源部与建设部等部门也正在抓紧制定适应本部门特点的地理信息标准。“十五”期间，国家863计划的信息技术领域在信息获取与处理技术专门列项“网络空间信息标准与数据环境”，研制了我国地理信息共享的若干技术标准和规范，但这些规范还基本处于文字和实验验证阶段，需要进一步完善、补充，形成完整的序列并推动成为国家标准实施。

1)元数据

在充分跟踪和研究国际相关领域发展动态的基础上，结合我国实际情况，特别是NREDIS重点数据库群的具体情况，科技部“九五”项目97－759于1997年底编写出NREDIS空间元数据标准。该标准在不断追踪国际上该领域发展情况的同时，面对国内众多行业和部门的迫切需求，将标准的本地化和实用化工作放在一个突出位置。

1999年下半年，为了辅助全国1︰500 000地质数据库工程的建设和管理工作，建立相应的元数据库，曾多次与原地矿部有关部门讨论元数据草案，充分听取地质矿产专家的意见，修订相应的元素和结构，使元数据标准的实用性和本地化得到了进一步的加强。

2000年夏季，在参与国家可持续发展信息共享项目的过程中，元数据标准草案征求了国内多家部门和单位的意见，依据各自地理空间信息数据的特点和对元数据功能和意义的理解，对该元数据标准提出了很好的建议。特别在元数据用于遥感数据或图像方面，标准的修订充分考虑了各单位应用的具体需求，使该标准在应用上更加符合我国国情和相关部门的实际应用需求。

为研究元数据标准在现实中的工作模式及可能遇到的具体问题，并考察如何有效发挥其应有的功能和效益，我国在元数据应用的系统分析和软件实现就成为一项重要工作。从1998年以来，国内在起草和修订元数据标准草案的同时，开始探索元数据的应用模式和由此所需的软件支持。例如，元数据的SGML实现、元数据的编辑、元数据网络查询客户软件、元数据数据库管理软件、元数据查询服务程序，等等。同时，对空间信息元数据的相关理论研究也不断有所进展。近年来，人们结合元数据标准草案和相应的应用模式及软件，探索性地做了一些实际工作，基本达到了国际先进水平。

2)地理空间信息编码规则

从1983年开始，国家就十分重视国土资源和经济信息的体系框架和分类编码方案研究。目前在我国有关地理信息的18项国家标准之中，有关信息代码的标准占了10项。在国家、部门和地方三个层次上开展了大量的研究，形成了一批标准、规范的建议、方案或指导性文件，其中少部分形成了国家标准和行业规范。影响广泛的例如：“六五”期间国家科委组织制定了《资源与环境信息系统国家规范和标准研究报告》，提出了资源与环境信息系统和国家规范的框架设想；“七五”以来，国家计委国土地区司针对部委和省两级“国土资源综合数据库软件”的开发，拟订了“国土资源信息分类指标体系”，并在“国土资源数据库微机通用软件”的开发中采用这一方案，在实际应用中迈出了重要的一步；国家“七五”科技攻关项目安排了专门的课题，研究国家和省、市、县的GIS规范标准，先后提出有关的信息标准和规范方案30多种，部分已成为国家标准，在地理信息的标准化及与国际接轨方面取得了重要进展；“地理网格”、“国土基础信息数据分类与代码”、“林业资源数据分类与代码”、“矿产资源数据分类与代码”等国家标准和“城市地理信息系统标准化指南”也相继发布实施；“全国河流名称代码”正在制定。上述成果为本课题的标准研究打下了基础。“九五”期间，通过科技攻关项目，在资源环境信息分类、编码方面提出了两个比较系统的方案，并且在97－759项目和96B02－07－01的115个国家资源环境与区域经济信息系统综合数据库中进行了试验。

3)空间数据互操作和网络地理信息系统

我国在开发国产地理信息系统软件的同时，重视空间数据共享与互操作标准的研究。“九五”期间在国家科技部和国家测绘局的支持下，研究并颁布了我国地球空间数据交换格式，其中的1.0版已经成为国家推荐标准，2.0版也已经在“十五”期间完成，即将成为我国地理空间数据格式标准。

在开放地理信息系统和地理信息服务方面，除了一些单位加入OGC联盟外，我国地理信息产业界也力图构建我国的地理信息技术和产业联盟，并且在地理信息基础软件的层面进行了有益的尝试。“十五”期间，国家863计划的信息技术领域在信息获取与处理技术专门立项“网络空间信息标准与数据环境”，研制了我国地理信息共享的若干技术标准和规范，部分已经申报国家标准局审查。该项目还积极推动我国国产GIS软件之间的互操作，Super map和GeoStar等国产基础地理信息系统平台实现了OGC的WMS、WFS、WCS和GML的访问接口，为异构地理信息系统的集成提供了有益的经验。

4)智能地理信息服务和网格地理信息系统

在智能地理信息服务方面，我国的部分学者率先开始了有关研究，如武汉大学的研究小组提出地理信息服务质量(QoGIS)的概念、技术体系、体系架构，无论是网络地理信息系统还是网格地理信息系统，QoGIS主张服务质量是未来智能化地理信息服务的核心，但如何度量QoGIS以及相关标准还有待进一步的探索。

经过“九五”攻关和“十五”863计划，我国自主知识产权的大型基础地理信息系统平台已经建设起来，立足于空间信息获取技术的空间信息栅格也在建设中。如何充分利用空间信息，使之服务于国民经济的发展、国防安全建设和人民生活的提高，是一个现实而迫切的问题。建设基于网格计算环境的高性能跨平台空间信息互联网格综合应用服务系统，把空间信息技术和无线、高性能计算等集成起来，为行业应用和教育科研提供一个良好的平台，将是空间信息技术研究成果深入应用的关键技术步骤，是“十一五”优先发展的目标，其中的相关标准和规范将成为该研究的基础部分。

3.国内外差距分析

总体而言，我国在地理空间信息的标准制定方面相对滞后，但只要及时努力并加强管理和投入，还是可以迎头赶上的。目前的现状可以概括如下。

(1)标准体系的规划与建设落后3～10年。当前已经出台的标准主要集中在专业的代码标准，支持空间数据网络共享的标准仅有空间数据格式转换、元数据等少部分标准，既没有形成标准体系，也没有长期的标准体系建设规划。各个部门及行业之间的标准互相独立甚至矛盾，人为地形成地理空间数据无法共享的局面。

(2)市场发育不成熟，产业链不完整，形成标准的产业基础落后5～10年。由于标准落后，市场发育不规范；反过来，市场不成熟又制约了标准的研制和实施，形成不良循环。加强标准的监管，有意加大标准研制、推广和执行的力度，有可能逆转这种趋势，让标准成为市场健康发展的基础，使产业的分工更细更明确，形成粒度均匀的产业链。

(3)技术和产业联盟还没有形成，产业门槛低。由于产业发展不健康，产业的门槛有待提高，技术和产业联盟的形成尚需要时日。技术和产业联盟的形成可以补充国家标准的能力，产生技术规范，形成行业的一般工业标准。

七、地理信息系统应用与服务

1.空间信息应用的发展

近几年来，在“数字中国”和“数字城市”的推波助澜下，我国各个领域都不同程度地在进行地理空间信息应用系统的集成与建设。不仅在科研、教学等领域广泛应用，还在测绘、国土、电信、城市建

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