1.5 地球空間信息科學存在的問題與發展趨勢
1.5.1 地球空間信息科學與技術存在的問題
地球空間信息科學與技術在近30多年已經得到很大的發展，但與國民經濟建設和社會可持續發展以及國防安全的需求相比，還存在以下不足：（1） 地理空間基準框架精度不高、現勢性不強；（2） 衛星導航定位系統基礎設施不夠完善；（3） 地理空間數據現勢性差，內容陳舊；（4） 高分辨率遙感衛星、地面接收系統、影像處理技術與設備等完全依賴于國外，衛星遙感數據源受制于國外，獲取速度慢，成本高；（5） 航空攝影技術和能力相對落后，特別是缺乏全天候航空攝影基礎平臺；（6） 地理空間信息的處理技術仍然以手工干預為主，其智能識別和自動提取、自動處理技術尚未實現，導致更新速度慢、效率低；（7） 海量地理空間信息的集成管理技術還不成熟，虛擬現實、空間分析決策等關鍵技術還處于起步階段；（8） 地理空間信息服務的網絡基礎設施比較落后，數據共享的標準化程度低，數據共享機制尚未形成，地理空間信息的社會化應用受到嚴重制約。
1.空間數據獲取的差距
在空間數據獲取的手段方面，我國與發達國家的差距較大。美國、加拿大、日本、俄羅斯等發達國家以及印度、巴西等發展中國家都高度重視對地觀測系統的建設，正在迅猛地發展新一代全球衛星導航系統，以便能以更高的精度自動測定各類傳感器的空間位置和姿態，從而實現無地面控制的實時數據獲取，使地理信息獲取趨于精確化、實時化和網絡化。美國與俄羅斯有自己的導航定位衛星，建立了全球空間信息的定位參考系統，而且幾乎形成了美國衛星一統天下的局面。目前，最先進的衛星導航定位系統仍然是美國的GPS，免費提供服務的精度是10 m，GPS接收機基本具備了標準化、小型化、 多功能、 全天候、高精度、快速捕捉、穩定性高、操作方便、人機界面直觀友好等特點，美國正在建設的第三代GPS的定位精度將提高到0.6 m；俄羅斯為抗衡GPS建設的GLONASS系統已經覆蓋全球，其定位精度為1.5 m；日本和印度正在建設區域性的衛星定位系統。日本計劃在2020年前用4顆衛星組成準天頂衛星系統，配合GPS為日本本土提供精度為1 m的定位服務，在更長的時期內，日本準備用7顆準天頂衛星建立自主的衛星導航系統。印度準備用7顆衛星組成的“區域導航衛星系統”，為印度及周邊提供導航信號。我國的北斗三號基本系統已建成，目前已經開始提供全球服務，但有關的法律條文、標準體系還需完善。
在遙感衛星方面，航天運載平臺和傳感器技術發展迅速，光學衛星遙感影像的時間、空間和光譜分辨率不斷提高。美國、法國、日本、印度、巴西、以色列、意大利等國家均有自己的對地觀測衛星，種類包括氣象衛星、陸地衛星、海洋衛星、測地雷達衛星、對地觀測小衛星等。一個多層次、多時相、多波段、多分辨率和全天候的對地觀測系統已經實用化，并逐步實現小型化、微型化。商業衛星影像的最高分辨率已達到1 m，并已具有以1 m分辨率進行全球觀測、獲取地理空間數據的能力。美國擁有1 m以內分辨率的衛星有IKONOS，QuickBird，WordViewl，WordView2，GeoEye-1等， 其中2008年發射的GeoEye-1衛星擁有0.41 m分辨率（黑白）和1.65 m分辨率（彩色），同時具有3 m的定位精度；2009年發射的WordView2衛星分辨率為0.5 m，能夠更快速、更準確地按需拍攝（300 km的距離僅需9 s），還能進行多個目標地點的拍攝；WordView3衛星是世界上最高分的遙感衛星，分辨率為0.3 m，目前正處在研制調試階段在研發之中。
高分辨遙感衛星的全球數據獲取能力越來越受到重視。以美國為首的西方航天大國通過加強衛星基礎設施的持續性研發和資源整合，建立全球數據獲取能力，提出了全球的空間信息基礎設施建設和全球環境監測計劃，高分辨率遙感衛星的行業應用已經成為國際潮流。美國、以色列、印度、日本以及歐盟等主要航天巨頭紛紛推出了自己的商業化遙感衛星系統，法國、俄羅斯、日本、印度、韓國等先后發射了SPOT5、資源-DKI、ALOS、Cartosat-2B、阿里郎3號等高分辨率遙感衛星。在使用雷達獲取對地觀測數據方面也取得了較大的進展，由美國航天機載的InSAR、加拿大雷達衛星RadarSat-2、德國發射的雷達衛星TanDEM-X和TerraSAR-X、法國與意大利發射的4顆Cosmo-SkyMed組成的雷達遙感衛星群，它們的精度在2~10 m。在研制與發射更多更高分辨率衛星的同時，強調在軌衛星組網觀測，推進全球地面接收網絡建設，形成一套可全球數據快速獲取和定標服務的高分衛星觀測網絡。隨著我國“高分辨率對地觀測系統”國家科技重大專項的開展實施，在軌高分衛星在數量、載荷種類和時空分辨率等方面都將得到大幅提升，全球觀測能力將顯著增強。我國的高分辨遙感衛星行業起步較晚，目前主要由政府主導完成，商業化進程目前仍處于探索階段。
世界各國高分辨遙感衛星行業發展現狀如下：
（1）美國。美國是最早進行遙感衛星商業化探索的國家。早在1984年，美國國家宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）就被批準開展陸地衛星（Landsat）系列衛星的商業化運營，并取得了一定的經濟效益。然而，因受美國情報政策的限制，早期的NASA無法銷售高分辨率衛星影像.1994年，克林頓總統簽署法案，宣布解除1 m分辨率衛星影像的商業銷售禁令。以此為契機，美國的商業衛星遙感業迅速發展起來。進入21世紀，全球安全形勢發生重大變化。“9·11”之后，美國政府在重新大幅增加軍費預算的同時，更加倚重高分辨率商業遙感衛星系統的全球情報搜集能力。2003年，小布什政府批準新法案，進一步明確了美國遙感衛星政策的目標，強調通過保持政府對商業遙感衛星活動的主導地位，維護美國國家安全利益。在具體措施方面，小布什政府推行了ClearView和NextView兩大國家觀測計劃。由美國國家地理空間情報局（National Geospatial-Intelligence Agency，NGA）與當時美國三大商業衛星公司EarthWatch，OrbImage和SpaceImaging簽約，耗資10億美元，長期采購高分辨率商業遙感衛星影像資料。此外，布什政府還批準了分辨率0.25 m的新一代商業遙感衛星研制計劃。2010年，奧巴馬政府批準了新一代EnchancedView國家觀測計劃。由NGA與美國兩大遙感衛星巨頭DigitalGlobe和GeoEye分別簽約，在未來10年采購總額73億美元的高分辨率衛星影像。此舉大大刺激了DigitalGlobe和GeoEye的擴張，兩家公司均加快了新一代高分辨遙感衛星系統的研制和部署進程。
美國商業遙感衛星產業是在政府主導下以獨立上市企業為主體開展經營活動的。這種主導作用主要體現在決策、資助、監管三方面。首先，美國政府根據對國家安全形勢的評估，做出是否發展高分辨率商業遙感衛星系統的戰略決策。其次，美國政府為本國商業遙感衛星公司提供主要的資金支持。長期以來，NGA的訂單占DigitalGlobe和GeoEye總收入的70%以上。最后，美國政府通過“快門控制”機制，掌握高分商業遙感衛星數據采集和銷售的控制權，維護國家安全利益。
以獨立上市企業為主體提供商業遙感衛星的運營服務模式，體現了美國經濟結構和軍工體制的重要特點。美國軍事工業與資本市場歷來關系密切，洛克希德·馬丁公司、波音公司、雷神公司、諾思羅普·格魯曼公司和通用動力公司等五大軍工巨頭均為紐約證券交易所上市公司。DigitalGlobe和GeoEye分別是紐交所和納斯達克上市公司。高效的企業組織和發達的金融市場為美國軍事工業以及遙感產業的發展注入了強大的驅動力。
（2）以色列、印度、日本等國及歐盟。法國是最早涉足商業遙感衛星領域的國家之一。從1986至2014年，法國航天研究中心（French Centre National d’Etudes Spatiales，CNES）先后發射了7顆Spot衛星。目前，法國的商業遙感衛星活動是在歐盟框架下，由歐洲宇航防務集團（European Aeronautic Defense and Space Company，EADS）Astrium公司的子公司——Spot Image公司負責實施的。2009年EADS批準了Astrium公司采購SPOT系列后繼星SPOT-6/7的計劃，以便維持Spot Image公司業務的連續性。SPOT-6和SPOT-7已經分別于2012年和2014年成功發射升空，分辨率均達到1.5 m。此外，法國還于2011年和2012年成功發射了0.5 m分辨率的軍民兩用Pleiades雙子星。
由以色列兩大國防承包商——以色列飛機工業公司和艾比特系統公司牽頭組建的ImageSat國際公司所負責運營的EROS-A/B衛星分別于2000年和2006年發射升空，可分別提供1.8 m和0.7 m分辨率的全色影像。其中，EROS-B的投入運營打破了美國對亞米級商業衛星影像的壟斷。EROS系列衛星以高機動性著稱，主要應用于測繪制圖、災害評估、環境監測以及軍事偵察等領域。
印度空間研究組織（Indian Space Research Organisation，ISRO）下設Antrix公司所負責運營的CartoSat-2制圖衛星于2007年1月成功發射，可提供0.8 m分辨率全色影像。該衛星是繼以色列EROS-B后，全球第二顆由非美國機構運營的亞米級商業遙感衛星。ISRO又于2008年和2010年分別發射了0.8 m分辨率的CartoSat-2A和CartoSat-2B衛星，形成了全面的高分對地觀測能力。目前，ISRO正在研制衛星Cartosat-3，計劃該衛星對地觀測分辨率達到0.25 m.
日本宇宙航空研究開發機構（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制的先進陸地觀測衛星（Advanced Land Observing Satellite，ALOS-1）于2006年1月發射升空，衛星全色分辨率2.5 m。ALOS-1影像主要供商業使用，可用于制圖、區域觀測、災害監測和資源調查等用途。2011年4月，ALOS-1衛星功能失效壽終正寢。2014年5月，后繼ALOS-2衛星成功發射升空，目前投入商業運行。
以色列、印度、日本等國及歐盟商業遙感衛星產業的發展同樣體現了政府主導的特點，但在具體運營模式上與美國略有差異。在政府作用方面，這些國家與美國的差異主要在于兩點：一是，這些國家商業遙感衛星的研制和部署成本一般由政府或軍工部門直接承擔，遙感衛星運營企業只負擔運行維護和數據銷售等后期運營成本；二是，政府在協調本國軍、政、產、研等相關部門，推動商業遙感衛星的研制、部署和應用方面，扮演比美國政府更重要、更主動的角色。在運行模式方面，這些國家的商業遙感衛星運營主體大多未獨立上市。法國Spot Image和以色列ImageSat附屬于本國軍工企業；印度Antrix附屬于政府航天機構；日本則由政府航天機構直接負責遙感衛星的商業化運營，日本宇宙航空研究開發機構的作用類似于早期的NASA.
（3）中國。自1975年我國發射返回式遙感衛星一號以來，已陸續發射了陸地資源、氣象、海洋、環境與災害監測四大系列遙感衛星，初步構建起多分辨率、多譜段、穩定運行的衛星對地觀測體系，并在國土資源、海洋、環境、氣象和減災等領域開展了不同的應用。2012年1月資源三號測繪衛星發射升空，分辨率達到2.1 m.2013年4月發射的高分一號衛星達到了2 m的全色分辨率。2014年8月發射的高分二號衛星的全色分辨率優于1 m，這標志著我國的民用高分衛星首次達到亞米級的高分辨率。近年來，我國多顆高分衛星的成功發射為國家開展基礎測繪和地理國情監測提供了穩定可靠的衛星數據源保障。我國民用高分辨率遙感衛星有高分系列的高分二號（0.8 m）和高分一號（2 m）、資源三號（2.1 m）、資源一號02C（2.3 m）等。根據我國“高分辨率對地觀測系統”重大專項的規劃，我國將于2020年前發射多顆類似的高分衛星，組網觀測，實現時空分辨率的精細化。
在衛星運營方面，民間資本開始進入遙感衛星產業。2005年7月，國內運營商從英國引進的“北京一號”小衛星由俄羅斯火箭發射升空。衛星全色分辨率4 m，可向北京市有關部門提供遙感影像，供城市規劃、環境監測、工程和土地利用監測等使用。在國外遙感衛星數據代理方面，近年來國外商業遙感衛星紛紛搶灘中國，國外主要的商業遙感衛星運營商目前在我國都設立了代理機構，均有較為固定的客戶群，業務穩步增長。
從總體上說，我國遙感衛星技術取得了很大成就，但在民用高分辨率遙感衛星技術及商業化應用方面仍處于相對落后的狀態。我國于2014年8月發射的民用遙感衛星全色分辨率只有1 m，落后于1999年美國發射的商業衛星IKONOS、2008年印度發射的CartoSat-2A衛星的分辨率水平。同時，我國現有的資源系列衛星體系也存在衛星立項與實際應用不相適應、地面系統自成體系、業務應用時斷時續、產業化發展緩慢、商業化運行程度低等諸多問題。可以說，民用高分辨率遙感衛星技術及其商業應用已成為中國航天的一大“短板”。在這一領域，我國未能展現出與自身的運載火箭和載人航天能力相一致的水準，與其他主要航天大國差距顯著。
2.空間數據處理的差距
現今，衛星成像正向著高分辨率發展。美國民用高分衛星最高分辨率已達0.31 m，其他航天大國也都在技術研發上緊跟其后，包括法國和以色列在內的多個國家的高分衛星在近幾年內也達到了1 m以內的分辨率。與此同時，歐美發達國家在地理空間數據計算機處理方面已經形成了實用化的軟件、功能強大的數據庫系統和相應的產業，遙感數據可以快速轉化為地理空間信息，這已經成為一些國家（如美國）的主要地理信息產品形式。
相比之下，我國對遙感數據的處理與利用遠遠落后于發達國家。數據處理主要停留在計算機環境下的人工處理與判讀，遙感數據處理軟件基本上依賴進口，國產軟件在國家扶持下市場占有率雖不斷提高，但從總體上看，其功能、性能等方面均難以與國外軟件相抗衡。雖然數字攝影測量系統已居世界先進地位，但地物描繪仍然是手工作業。在圖紙數字化方面，目前只能實現單要素多版圖紙的自動掃描矢量化，對于多要素圖紙仍然是掃描后手工屏幕矢量化，工作效率低。空間數據的自動化智能化處理技術水平較低，嚴重制約了數據的生產、處理和更新。
3.空間數據管理與分發的差距
空間數據管理也主要采用國外的數據庫管理系統，目前市場上占據主導地位的遙感圖像處理軟件主要是國外的產品。地理空間信息產品生產和更新系統功能不夠完善，實用化程度偏低，自動化、智能化水平不高，遙感影像解譯，尤其是高分辨率全色（黑白）圖像的解譯，主要還靠目視判讀，自動識別影像上的地物并將其自動矢量化的技術還不成熟，高光譜影像和微波雷達數據處理的軟件還沒有達到實用化水平。
在空間數據管理方面還存在一些問題，例如：（1） 對分布式大容量空間數據，尤其是對遙感影像和數字高程模型數據的管理技術開發研究不夠，目前尚難以表達和管理真三維數據和時態數據，從而影響了地理空間信息數據庫的建設、管理和應用；（2） 空間數據壓縮技術不夠成熟，空間數據標準化滯后，開放式、網絡化分發服務體系尚未建立；（3） 空間數據管理與顯示技術落后，數據的開發和增值服務水平較低；（4） 地理空間信息和專題統計信息的整合和一體化管理技術亟待提高；（5） 基礎地理空間數據的安全保密政策和信息共享機制缺乏。
國際地理信息系統已經基本實現了軟件的分化，GIS軟件由功能處理模塊發展為組件式GIS，并可以使GIS功能嵌入其他軟件，也可將其他軟件的功能引入到GIS，實現計算機輔助設計（computer aided design，CAD）、多媒體、通信技術等的融合，推出了用于國家大型工程的GIS和WebGIS。GIS與面向對象技術結合，實現了靜態、固定的系統結構到動態、可重組系統結構的轉移；GIS與互聯網結合，完成了以系統為中心向以數據為中心的使用方式的轉變。而我國在GIS方面存在重理論研究、輕產品開發的傾向，除個別小型GIS軟件接近國際同類軟件的水平外，尚未形成商品化程度高、市場競爭力強的成熟產品。
1.5.2 地球空間信息學科發展趨勢
1.空間信息獲取的精確化和實時化
隨著大地測量信息獲取手段從靜態到動態、從地基到天基、從區域到全球的迅速發展，大地測量的精度將顯著提高，應用領域將更為廣泛。大地測量基準框架向全球一致的地心、三維、動態和綜合多功能方向發展，空間大地測量將成為基準框架建立和維持的主要理論和技術支撐；基于導航定位衛星系統的星載、機載、船載和車載大地測量技術將成為基準框架技術服務的熱點。重力場探測將致力于發展衛星和近地探測技術，特別是衛星跟蹤和衛星重力梯度測量技術；提高精度和分辨率依然是未來地球重力場探測的主要目標；GNSS水準方法已漸成為精化區域性大地水準面和探測局部重力場精細結構的重要手段。大地測量在地球動力學研究、災害監測和預報等方面的應用將得到進一步發展。
航空航天影像信息獲取手段朝著多平臺、多時相、多傳感器、高分辨率、高光譜和快速移動的方向發展，建立天基、空基、地基有機結合的空間信息快速獲取體系成為熱點。航空運載平臺和數碼航空攝影系統的功能及性能不斷增強，除了采用數字航空攝影相機，還集成了更加精確的慣性導航和定位系統，可提供無控制或少量控制點下的測圖能力。增強型數碼航空攝影系統朝小型化、高分辨率和立體化發展。航空機載干涉雷達、激光雷達等測量技術及裝備發展迅速，集成化程度更高，功能和性能更加穩定。
高分辨率衛星遙感影像將成為地理空間信息獲取與更新的主要數據源，小衛星群對地觀測數據獲取系統等將得到較快發展；遙感影像的分辨率，以及對遙感影像自動判讀的精確性、可靠性和定量量測的精度都會有極大的提高，可實現無地面控制的三維信息提取和地形測圖；多傳感器的航空攝影數據獲取系統、干涉合成孔徑雷達測量（InSAR）系統 、機載雷達成像測圖系統和以激光測距系統 （light detection and ranging，LIDAR ） 、微波遙感、激光成像雷達、雙天線SAR系統、數字攝像機以及GNSS/ INS為主體的機載三維數字攝影測量系統等多種數據獲取手段將得到迅速發展，并將實現全天候、無地面控制的空間數據的快速獲取。
2.空間信息處理的定量化和智能化
空間信息的處理正在由人工干預為主、自動化為輔的方式向自動化和智能化方向發展。航空航天遙感數據融合與處理系統以及自動化、智能化信息解譯與信息提取將得以實現，并建立智能化時空數據處理和分析模型，在AI理論支持下對時空信息進行處理和分析，使管理水平、決策系統智能化。例如，在智能交通系統（intelligent traffic system，ITS）中，通過采用電子技術、地理信息系統技術、通信技術等高新技術對傳統的交通運輸系統及管理體制進行改造，形成一種信息化、智能化、社會化的新型現代交通系統。另外，虛擬現實、多媒體等技術將進一步融入地圖制圖技術方法和工藝流程中，從而構成新的地圖制圖技術系統；地圖信息的自動綜合和基于衛星遙感信息的地圖更新技術將迅速發展；網絡化的地理信息數據生產與管理技術也將盡快實用化。
3.空間信息管理與分發服務的一體化和網絡化
空間信息處理裝備逐步實現自動化和智能化，一站式多源數據綜合處理能力大幅提升。地理空間數據管理在先進的計算機技術和網絡技術支撐下，向信息共享、互操作和網格化方向發展，海量空間地理信息數據管理方式發生了重大變化，三維空間數據管理成為發展重點。在數據管理方面，海量、多維、多源空間數據的組織、存儲和管理技術以及開放地理信息系統的互操作技術等將迅速發展，空間數據和屬性數據的一體化管理將得以實現；動態、多維、網絡GIS的綜合分析功能和知識挖掘技術水平將得到顯著提高；GIS與虛擬現實技術、多媒體技術、辦公自動化技術、決策支持技術等進一步的結合，將大大擴展地理空間信息的應用領域。在地理空間信息服務方面，網絡環境下的地理空間信息分發服務關鍵技術將得到解決，多維動態、多分辨率地理空間信息數據資源的各種整合、集成和深加工技術將不斷進步；基于網絡互操作的地理空間信息共享技術將大大促進地理空間信息的全社會應用，實現地理空間信息服務的社會化。