引言:1993年和1994年美國先后以總統(tǒng)令的形式提出建立“國家信息基礎設施”(NII)，即通稱的信息高速公路，以及“國家空間數(shù)據(jù)基礎設施”(NSDI)，這是進一步推進社會信息化，搶占信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的制高點和主動權的重大戰(zhàn)略步驟，時隔5年，這一計劃的實施初見成效，刺激了美國的經(jīng)濟增長，于是去年又以美國副總統(tǒng)演講形式推出數(shù)字地球的概念和構想，并計劃到2020年試圖達到地球信息化的最終目標，亮出了美國這一近期全球信息戰(zhàn)略的底牌。由美國政府高層出面提出的這一“數(shù)字地球”構想引起全球各方關注，并成為學術界熱點話題。中國學者尤其在地學界也做出了積極的反應，不論從科學技術的角度還是從國家利益的角度，中國要準備迎接這一嚴峻挑戰(zhàn)，已成共識。作為測繪學科，測繪行業(yè)反應更顯強烈，數(shù)字地球概念為測繪事業(yè)發(fā)展提供了新的機遇和更高層次的發(fā)展前景。這里我們想就現(xiàn)代測繪學的發(fā)展從學科的觀點稍為具體地探討一下它與數(shù)字地球的關系和在構建數(shù)字地球中的作用。

一、測繪學的現(xiàn)代發(fā)展

空間技術，各類對地觀測衛(wèi)星使人類有了對地球整體進行觀察和測繪的工具，好像可以把地球擺在實驗室進行觀察研究一樣方便。由空間技術和其他相關技術，如由計算機、信息、通訊等技術發(fā)展起來的3S技術(GPS，RS，GIS)在測繪學中的不斷出現(xiàn)和應用，使測繪學從理論到手段都發(fā)生了根本的變化。測繪生產(chǎn)任務也由傳統(tǒng)的紙上或類似介質(zhì)的地圖編制、生產(chǎn)和更新發(fā)展到地理空間數(shù)據(jù)的采集、處理和管理。GPS的出現(xiàn)革新了傳統(tǒng)的定位方式；傳統(tǒng)的攝影測量數(shù)據(jù)采集技術已由遙感衛(wèi)星或數(shù)字攝影獲得的影像所代替，測繪人員在室內(nèi)借助高速高容量計算機和專用配套設備對遙感影像或信號記錄數(shù)據(jù)進行地表(甚至地殼淺層)幾何和物理信息的提取和變換，得出數(shù)字化地理信息產(chǎn)品，由此制作各類可供社會使用的專用地圖等測繪產(chǎn)品。我國960萬平方公里國土的國家基本地圖的成圖或更新周期可望從十幾年，幾十年縮短到幾年或更短，測繪業(yè)的體力勞動得到解放，生產(chǎn)力得到大的提高。

今天，光纜通訊、衛(wèi)星通訊、數(shù)字化多媒體網(wǎng)絡技術可使測繪產(chǎn)品從單一紙質(zhì)信息轉變?yōu)榇疟P和光盤等電子信息，產(chǎn)品分發(fā)可從單一郵路轉到“電路”(數(shù)字通訊和計算機網(wǎng)絡傳真)，測繪產(chǎn)品的形式和服務社會的方式由于信息技術的支持發(fā)生了很大變化，實現(xiàn)了信息化的發(fā)展。

當前，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和經(jīng)濟所有制成份和運行體制的改革，需要開放民用國家測繪產(chǎn)品；從技術方面看，西方國家衛(wèi)星測地技術可制作全球幾乎任一地區(qū)1m分辨率(相當1∶1萬比例尺)的地圖，衛(wèi)星上的GPS又可將這種地圖納入全球參考框架和轉換為他們的國家坐標系，中、小比例尺國家地圖的保密價值已大大降低；對于軍事敏感的重力數(shù)據(jù)，衛(wèi)星重力技術所發(fā)展的低階全球重力場模型已足夠用于他們的遠程戰(zhàn)略導彈發(fā)射。目前全球高階重力場模型(如EGM96)分辨率已達50km，已接近我國現(xiàn)有重力數(shù)據(jù)的分辨率，其保密價值也需要重新評估。這一形勢使絕大部份測繪產(chǎn)品可以作為普通商品服務于全社會，測繪業(yè)從單一國家事業(yè)逐漸轉變?yōu)樯鐣髁x市場經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)，這無疑為測繪學的發(fā)展注入了新的活力和擴大了發(fā)展空間，這也是一個有重要意義的歷史性轉變。

綜上所述，由于以空間技術、計算機技術、通訊技術和信息技術為支柱的測繪高新技術日新月異的迅猛發(fā)展，測繪學的理論基礎、測繪工程的技術體系、其研究領域和學科目標，正在適應新形勢的需要發(fā)生著深刻的變化，表現(xiàn)為正在以高新技術為支撐和動力，進入市場競爭求發(fā)展，測繪業(yè)已成為一項重要的信息產(chǎn)業(yè)。它的服務范圍和對象也在不斷擴大，不僅是原來的單純從控制到測圖，為國家制作基本地形圖的任務，而是擴大到國民經(jīng)濟和國防建設中與空間數(shù)據(jù)有關的各個領域。它必將隨著21世紀更加成熟的信息化社會的到來向更高層次發(fā)展，在未來數(shù)字地球的概念和技術框架中占據(jù)重要的基礎性地位。

二、數(shù)字地球和現(xiàn)代測繪學

地球上一切事件都發(fā)生在一定的空間位置，人類社會經(jīng)濟活動所需要的信息絕大部分(約80%)都與地理位置相關。中國21世紀議程62個優(yōu)先發(fā)展項目中，約有40個需要建立或應用地理信息系統(tǒng)。數(shù)字地球是利用海量地理信息(即地球空間數(shù)據(jù))對地球所做的多分辨率、3維數(shù)字化描述的整體信息模型，便于人類最大限度地實現(xiàn)信息資源的共享和合理使用，為人類認識、改造和保護地球提供一種新的手段，這里在數(shù)字地球的概念中突出顯示了地理坐標的框架作用，因此NSDI是數(shù)字地球的基礎設施，要求提供(地球)空間數(shù)據(jù)框架，包括大地測量控制框架(國家定位網(wǎng)和重力控制網(wǎng))、數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、道路、水系、行政境界、公共地籍等基礎地理數(shù)據(jù)集。在此框架上加載各類地球自然信息和人類社會經(jīng)濟活動等一切所需要和感興趣的人文信息。為數(shù)字地球提供上述地球空間數(shù)據(jù)框架是測繪業(yè)本身的“專職”，但又對測繪學提出了更高層的技術要求。

NSDI要建立在NII上，要在因特網(wǎng)上運行，要求開發(fā)功能強、效率高的因特網(wǎng)GIS軟件。這表明還要大力發(fā)展測繪產(chǎn)品的計算機網(wǎng)絡技術，它的技術基礎是寬帶、高速圖形圖像網(wǎng)絡，當然其中寬帶高速問題需要國家投資在NII中解決。數(shù)字地球構想的另一個高技術特點是虛擬現(xiàn)實模型。目前發(fā)展起來的全數(shù)字化攝影測量就能夠利用功能強大的計算機系統(tǒng)或工作站，對數(shù)字化影像進行處理，建立立體地形或地物虛擬模型。但如何將這一技術用在因特網(wǎng)上對多種測繪產(chǎn)品和普通用戶提供虛似模型甚或虛擬現(xiàn)實模型，則是要進一步研究和發(fā)展的。數(shù)字地球是對真實地球及其相關現(xiàn)象的多分辨率、統(tǒng)一性的3維數(shù)字化整體表達，這里強調(diào)了統(tǒng)一性和整體性，要求全球多源數(shù)據(jù)無縫無邊的連接和整合。從空間數(shù)據(jù)框架來說，其統(tǒng)一性和整體性是由大地測量來實現(xiàn)和給予保證的。大地測量是傳統(tǒng)測繪的基礎，對當前信息化測繪和構建未來數(shù)字地球更是基礎的基礎，即空間數(shù)據(jù)框架的框架。它要求全球采用統(tǒng)一的參考橢球模型和相應的地心坐標參考框架(如ITRF)；全球統(tǒng)一的高程基準，即統(tǒng)一定義和使用的大地水準面；全球統(tǒng)一的重力測量基準(重力基本網(wǎng))；全球統(tǒng)一的地圖投影系統(tǒng)。一切原有的測繪成果，特別是國家基本地圖都要轉換到上述全球統(tǒng)一的參考系中。數(shù)字地球對全球大地測量提出了更高更緊迫的要求。GPS配以少量SLR和VLBI站是各國保持和維護各自的地心參考框架的基本技術，但局部坐標到全球坐標的轉換目前還難于達到優(yōu)于米級的精度；全球高程系統(tǒng)的統(tǒng)一問題，大地測量學家經(jīng)過幾十年的研究，目前還是一個未能解決的難題，最終要通過全球重力數(shù)據(jù)，特別是新一代衛(wèi)星重力計劃和衛(wèi)星海洋測高計劃在國際大地測量協(xié)會的統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)下實現(xiàn)。

海洋占全球面積的70%，海洋將是21世紀資源開發(fā)的主要競爭空間，海洋動力環(huán)境的變化(如厄爾尼諾現(xiàn)象)又是決定全球氣候變化的主要控制“閥門”。數(shù)字地球向海洋測繪提出了挑戰(zhàn)。從全球來說，目前海洋的精細測繪基本上還是空白，多波束測深技術的發(fā)展加速了各國領海海底地形的測繪，但要將陸地坐標參考框架以相近的精度擴展到海洋仍存在困難，海上GPS定位精度還低于5m；由于陸地高程基準不能用水準測量傳遞到海洋，在衛(wèi)星測高技術的支持下用某種去掉潮汐影響的平均海面作深度基準，精度可達米級，和多波束測深精度相當。但廣大的開闊深海的海底地形測繪不可能用船載測深儀完成，用衛(wèi)星測高結合重力數(shù)據(jù)(低階或中階重力場模型)反演海底地形，目前試驗精度可達10～100m。數(shù)字地球將要求海洋測繪技術有新的突破。

測繪學由于其技術的突破已日益向相關地學領域滲透。大地測量更成為研究地球動力學(包括海洋動力甚至大氣動力)的重要技術手段，GPS監(jiān)測已能提供全球板塊運動和地殼形變精密數(shù)據(jù)，可用于研究地學災害(地震、滑坡和火山爆發(fā)等)的預測；GPS已可以和VLBI相近精度和頻譜分辨率監(jiān)測地球自轉的變化，由此研究地球深部結構和動力過程及全球變化；專題GIS也成為環(huán)境災害問題分析預測工具。數(shù)字地球最重要的功能之一是為解決21世紀人類面臨的環(huán)境和災害問題提供一個可供觀察、分析、模擬和預測的全球信息系統(tǒng)，以期協(xié)調(diào)人與自然的關系。

我們贊成活數(shù)字地球或動態(tài)數(shù)字地球的提法，因為人類是生活在不斷運動變化的地球上。現(xiàn)在在全球性的觀測中，各種對地觀測新技術已可能連續(xù)快速獲取地球表面(或淺層)隨時間變化的幾何和物理信息，了解地球上各種現(xiàn)象及其變化。因此測繪學或者說測繪業(yè)則應當利用3S技術結合合成孔經(jīng)雷達干涉技術(INSAR)以及其他新技術(如衛(wèi)星重力探測技術等)對地進行觀測，為構建活數(shù)字地球提供描述地球動態(tài)變化的地理信息產(chǎn)品。

數(shù)字地球構想是推動人類大踏步跨進信息社會重大戰(zhàn)略步驟，有挑戰(zhàn)也有風險。測繪是數(shù)字地球的基礎，測繪工作者也將是構造數(shù)字地球的“尖兵”，也要求測繪學有新的發(fā)展和突破。

三、測繪學和地球空間信息學

在本文第一部分已談及測繪學在新的技術進步推動下的現(xiàn)代發(fā)展趨勢。從現(xiàn)代信息論的觀點看，測繪學本質(zhì)上就是一門關于地球空間信息的學科，傳統(tǒng)的測繪受地面測量技術、時空尺度和精度水平以及投入的局限，其產(chǎn)品主要是單一的地形圖和在地形圖基礎上編繪的專用地圖。它不能反映、至少不能及時反映地球表面形態(tài)的變化，特別是大范圍和全球變化。其產(chǎn)品制作周期長，已不能滿足地區(qū)經(jīng)濟和全球經(jīng)濟高速發(fā)展的多種需要。信息技術加快了人類社會的運行速度。測繪學應該是提供人類生存空間自然環(huán)境及其變化信息的學科，它的學科內(nèi)涵發(fā)生了巨大的變化，因此如何界定測繪學的含義，已是世界各國測繪工作者所關注的問題。于是從 lang=EN-US>90年代開始，國際上將測繪學(Surveying and Mapping)更改為一個新詞，以準確反映學科實質(zhì)，Geomatics一詞由此應運而生。隨后，有關Geomatics的提法在我國學術界，主要是地學界成為熱門話題，由于對其含義理解不同，其中文譯名也是五花八門，現(xiàn)在將它譯成“地球空間信息學”，已基本得到認同。不管人們對Geomatics的含義如何理解，但根據(jù)ISO的標準定義和國際測繪聯(lián)合會(IUSM)對“測繪學”的定義，兩者的含義是基本類同的，只不過Geomatics所涉及的地球空間信息的范圍更寬一些。Geomatics更準確地描述了測繪學在現(xiàn)代信息——通訊社會中的地位和作用，適應了現(xiàn)代社會對地球空間信息的極大需求的特點，因而發(fā)展和提高了測繪學的研究和工作領域，符合現(xiàn)代測繪學發(fā)展的實際。現(xiàn)代測繪工程的核心技術是空間技術，包括GPS、衛(wèi)星遙感和航測，測繪的范圍擴展到整個近地空間，例如近地空間航天器的導航定位，近地空間重力場的測定，大氣層甚至電離層的信息；其支撐技術是信息技術，主要處理電磁波信息和影像信息，加之通訊、計算機網(wǎng)絡等信息技術，使地球空間信息學科的理論和技術體系比傳統(tǒng)的測繪學有了很大的發(fā)展和更新，由此,Geomatics適合于納入數(shù)字地球的理論和技術框架。

隨著數(shù)字地球構想的實施，測繪學面臨一個歷史性的發(fā)展新機遇，傳統(tǒng)的或現(xiàn)代測繪學將以地球空間信息學的新面目立于地球科學分支學科之林，以更強的活力向前發(fā)展，前景良好。

四、建議

本文漫談了測繪學的發(fā)展及其與數(shù)字地球構想的關系。為在21世紀加速建設我國空間數(shù)據(jù)基礎設施，發(fā)展我國的測繪學科和測繪事業(yè)，以迎接“數(shù)字地球”的挑戰(zhàn)，根據(jù)我國目前測繪事業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，從一個側面(主要是大地測量方面)提出以下建議：

1.盡快統(tǒng)一我國大地定位參考框架的建設，對近年來由各個部門獨立建立的各等級GPS定位網(wǎng)進行必要的聯(lián)測和統(tǒng)一整體平差，此舉可望進一步加強國家級的大地定位框架。

2.將沿海各部門100多個驗潮站統(tǒng)一組織GPS聯(lián)測，精密確定各驗潮站水位標尺零點的大地高，填補陸海相接地帶重力測量空白。此舉為統(tǒng)一陸海大地水準面，建立海洋高程基準，研究海平面變化至關重要。

3.研究將陸地GPS定位框架向我國領海擴展的方案，著手建立我國包括海域的廣域差分GPS定位系統(tǒng)。

4.盡快完成重建我國重力基本網(wǎng)，發(fā)展航空重力測量系統(tǒng)，加密西部地區(qū)重力測量和GPS水準，加大力度支持對衛(wèi)星測高數(shù)據(jù)的利用，為下世紀確定我國亞分米級或厘米級大地水準面作好數(shù)據(jù)儲備，建立可在因特網(wǎng)上運行的新的重力數(shù)據(jù)庫。

5.利用新的衛(wèi)星遙感測地資料重建我國30″×30″數(shù)字高程模型。

6.盡快研究我國大地測量數(shù)據(jù)向社會開放的政策、法規(guī)和管理機制，著手建立國家級能夠進入NSDI的大地測量數(shù)據(jù)庫。