2006年2月18日,中國1:5萬基礎地理信息數據庫工程通過了國家有關部門的驗收。這是我國迄今歷時最長、投入經費最多、工程量最大、技術最復雜,應用前景最廣泛的基礎地理數據庫,在中國地理空間數字化建設進程中具有里程碑意義。由于1:5萬比例尺地形圖一直是軍民合用的基本圖,因此,基于1:5萬地形圖建立的基礎地理信息數據庫,不僅將在國民經濟建設中發揮重要作用,而且在國家安全和軍事活動中也是必不可少的。
從基礎地理信息數據庫談起
基礎地理信息數據庫具有多尺度和數據多樣性的特點。中國國家基礎地理信息數據庫共有5個尺度,從1:400萬至1:1萬。作為反映自然地理條件和社會經濟概況的基礎地理信息,尺度越大則精度越高、表示的內容越詳細。1:400萬、1:100萬和1:25萬數據庫是從宏觀角度全面反映上述信息,而1:5萬和1:1萬數據庫則是較詳細地反映了上述信息。因此,基礎地理信息數據庫的尺度與傳統紙質系列比例尺地圖(1:100萬,1:50萬、1:25萬、1:10萬、1:5萬、1:2.5萬和1:1萬)并不完全對應。
基礎地理信息數據庫數據的多樣性,體現在它既是一個綜合數據庫系統,又可分為多個不同數據類型的子數據庫,包括地形數據庫、地名數據庫、數字高程模型數據庫、正射影像數據庫、數字柵格地圖數據庫、大地數據庫和重力數據庫等。不同尺度的數據庫所包含的子庫數據也不盡相同。
1:5萬基礎地理信息數據庫屬大尺度地理空間信息,它是國家基礎地理信息數據庫的重要組成部分,由數據柵格地圖(DRG)、數字高程模型(DEM)、核心地形要素(DLG)、地名(GN)、土地覆蓋(LC)、數字正射影像(DOM)及相應的元數據(MD)等7個子數據庫和整體集成管理系統組成。它在原有1:5萬地形圖資料的基礎上,利用航空航天影像資料、公路交通數據和省際勘界成果,對部分要素進行了更新。該數據庫精度高、內容豐富,實用性強,具有集成化、網絡化、標準化、可視化等特點,是建設現代化軍隊和數字化戰場的基礎地理框架。
基礎地理信息數據庫在軍事上的應用
20世紀80年代以來,在世界范圍內開始了以信息化為主要特征的新軍事革命。這場革命對地理空間保障領域的最大沖擊,就是傳統的軍事測繪保障理念及模式的根本改變。作為一切軍事活動的地理空間信息基礎,地圖必須實現數字化;而早期由于數字化測繪技術體系尚未全面建立,實現數字化的主要方法是將模擬地圖進行數字化處理,形成數字地圖,建立地圖數據庫。這種基于地圖幾何模型的數據,難以適應數字化戰場的需求。一體化的C4ISR系統是數字化戰場的神經中樞,也是進行信息戰的基礎;而基于地理空間信息基礎框架的海量信息,則是C4ISR系統運作的基礎資源。因此,在數字化戰場建設中,大尺度地理空間信息基礎框架作為基礎的基礎是必須優先考慮的。
(1)基礎地理信息數據是聯合作戰指揮系統的底層平臺。對現代戰場指揮系統來說,基礎地理信息數據庫主要有兩個功能。第一個功能,是以電子地圖作為基底,構成戰場指揮系統及其他子系統的顯示平臺(如美軍的陸軍作戰指揮系統ABCS)。與最初簡單的地圖顯示不同,地理信息平臺發展的最終目標是將影像、地形高程數據、大地測量數據、水文數據,航空數據和影像情報數據融合在一起,形成具有時態特性的地理空間情報,再以地理空間情報為基礎框架,融合敵情、我情、后勤及作戰命令等信息,構成通用作戰圖(COP)。聯合部隊指揮官可以利用通用作戰圖,連續、近實時地感知態勢,視察在作戰空間上分散的部隊,從而提高指揮控制能力。第二個功能,是利用基礎地理信息數據,定量分析戰場環境,進而輔助軍事決策。軍事地理信息系統能夠輔助指揮員選擇打擊目標,部隊機動通道和機降地域,判斷電磁信號的阻擋及通視范圍,以及進行距離、面積的快速計算等。
(2)高精度基礎地理信息數據是精確打擊武器系統的重要組成。精確的戰場地理空間及目標數據對于提高武器的打擊精度起著極其重要的作用,美軍的下面一組統計數據很說明問題:二次大戰中,1500架次B-17投下9000枚250磅炸彈,只能壓制100×100千米區域的目標:越南戰爭中,30架次F-4投下176枚500磅炸彈,平均擊中1個目標;海灣戰爭中,1架F—117可同時投射2枚2000磅炸彈、擊中2個目標;如今,1架B-2隱形轟炸機可同時投射16枚2000磅炸彈、擊中16個目標。實施上述精確攻擊需要十分精確的武器制導,而制導的精度又在很大程度上仰仗精確的數字地圖,包括數字高程、數字正射影像和數字地形等。如遠程巡航導彈所采用的地形匹配制導和數字式景象匹配制導方式,就是利用基礎地理空間數據庫中的地形數據或數字式地面景物圖像,“告訴”巡航導彈如何認路、準確地找到既定目標。
(3)地形可視化和戰場環境仿真系統為作戰演練提供保障,而它們均是在地理空間信息數據的基礎上運行的。數字化地圖將傳統地圖上抽象的線劃和符號形象化,還原出一個“真實”的世界,便于人們直觀地認識和感知。地形可視化就是利用計算機技術,形成動態的多維數字地圖并呈現在顯示器上,使作戰人員能夠詳簡自如地看到戰場的每一個角落。近年來,多國軍隊以數字地圖為基礎、利用虛擬現實技術,建成仿真的虛擬戰場并展現戰場景觀。作戰人員可以“走入”、“駛入”或“飛入”戰場,進行360。觀察,實現真正意義的戰場“勘察”;參戰部隊可以在虛擬的戰場上進行“沙盤作業”,以作戰模擬代替實戰演習。這樣便于消除演習中不必要的人員傷亡、節省大量開支,還可以反復演練、提高作戰效能。
另外,基礎地理空間信息數據既是其他戰場情報的重要載體,也是戰場情報的重要組成部分。美國等西方國家將地理空間信息數據作為“戰場情報準備”(1PB)的主要內容之一,稱其為地理空間情報(geo-int,即geospatialintelligence)。
國外地理空間信息數字化的現狀
世界各國地理空間信息的數字化均是在20世紀70年代末、80年代初起步的,差距并不是很大;但西方發達國家憑借著信息技術優勢和經濟實力,在90年代后的發展進程很快,使得各國的水平拉開了距離。目前,許多國家(如美,英、德、加、日、澳、新西蘭等,也包括中國)都完成了本國國土范圍內的多尺度基礎地理空間信息數據庫的建設。在完成多種小比例尺數字地圖數據庫的建庫后,已經完成或正在進行大比例尺基礎地理信息數據庫的建設,并在應用開發方面取得了重大進展。
例如,英國大約有500多個地理空間數據庫,但豐富的資源分布在全國各地不同的系統中。為解決這個問題,英國軍械測量局于2000年初提出了數字國家框架(DNF)計劃,目的是向全國各行業提供權威、一致、可維護的數據框架;并于2001年11月按計劃推出了MasterMap。這是一個龐大的大比例尺數據庫,包括9個主題的數據,定義了全英國4億個人造和自然地理要素。2002年以后又增加了更多的數據和主題,如小比例尺地形數據、影像、地址信息、綜合交通網絡、建筑紅線和建筑物高度、三維地形模型等,并提供在線服務。
德國政府1996年成立了全國地理數據中心,對各州測圖局生產的數字地形圖和基本數字景觀模型進行整合,生成全國范圍內一致的數據庫。該中心提供統一的測量參考框架,包括美國GPS/俄羅斯GLONASS位置網絡、水準測量網絡、重力參考框架、似大地水準面;以及數字景觀模型、數字地形圖、數字地面模型、數字正射影像、全國地名詞典等。目前正在開發一個新型的數據庫管理系統,將數字地圖、地形制圖信息系統和國家地理參考框架整合為統一的數據模型。
澳大利亞政府測繪委員會在2002～2007年發展規劃中,提出建立一個有效的數據整合框架。為此,他們建立并維護一個國家基準框架,測量數據的存儲、管理與維護,數據更新等業務都采用數字化方式運作;發布一套最優的數據標準,建立能廣泛應用的數據模型;優先資助國家級、具有一致性和完整性、為用戶所需的空間數據庫;鼓勵生產和應用空間基準框架和數據質量標準、數據模型和其他公用模型。
特別值得一提的,是美國微軟公司于2005年6月推出的Google Earth地圖軟件,這是一個基于衛星影像、可在網絡上運行的地理空間數據庫應用系統。該系統的最大看點是把全球地理空間信息數據與高分辨率影像融合起來,利用國際互聯網和強大的Google搜索技術,以便捷、直觀的方式展現全球地理信息,并以最快的速度進行更新。盡管不是所有地區的地圖都非常詳細,利用的地形高程數據尺度也比較小;但其中一些影像的分辨率很高,甚至在某些地區還能以三維模型給出建筑物的高度。不言而喻,這樣準確、易得、直觀的地理空間信息產品具有相當大的軍事價值,尤其對于那些既無技術、也無財力、更無渠道獲得高分辨率衛星遙感能力的國家、地區、組織和個人來說更是如此,對一些國家的安全造成了一定的影響。
隨著國際安全形勢不確定性的增加,以及反恐、維和與人道災難救援等諸多行動的展開,軍事領域地理空間信息數據庫的建設顯然不能局限于一國領土,而是需要建立跨地區、跨國界,甚至全球范圍的地理空間信息數據庫。當前,地理空間信息數字化水平在民用領域的差距還不算太大,但在軍事領域的進展程度和應用水平的差異則相當大,大體可分為3個層次。美國當屬第一層次。從2004年起,美軍已在理論上“消滅”了紙質地圖,進入到全數字環境,保障模式已經從“以產品為中心”轉變到“以數據為中心”。英、法、日、俄等發達國家屬于第二層次,地理空間信息數字化程度較高,但紙質地圖仍占一定比例,保障模式處于紙質地圖、數字地圖和影像混合使用的“以產品為中心”階段。第三層次的國家,地理空間信息數字化程度相對較低、應用水平不高,在保障模式上仍以紙質地圖為主,正在探索和逐步提高地理空間數字化水平。美軍地理空間數字化建設的現狀
美軍地理空間數字化建設緊緊圍繞“全球到達,全球作戰”軍事戰略,滿足“網絡中心戰”要求,為確保美軍的信息優勢提供地理空間情報保障。從90年代中期起,美軍便投入數十億美元進行地理空間信息基礎設施的現代化建設,對已有的地理空間信息資料(包括影像)進行全面數字化,于2003年建成全球規模最大、最完整的地理空間信息和影像數據庫。該數據庫包括用于高級軍事指揮系統的指揮信息庫(CIL),以及向C4I體系中的中、下級指揮機構提供衛星影像的影像產品庫(IPL),兩者共同構成了國家信息庫(NIL);其他基礎數據包括控制影像庫(CIB)、數字地面高程模型(DTED)、基礎特征數據(FFD)、數字海圖(DNC)及點目標定位數據庫(DPPDB)。
2000年“航天飛機雷達地形測繪使命”(SRTM)所采集的數據,于2004年8月全部處理完畢。所獲得的全球數字地形高程模型,使人類第一次有了在統一時間、以統一基準建立的全球地理空間框架,地形數據精度達到甚至優于1:5萬比例尺。2005年12月,在美國國家地理空間情報局(NGA)的組織領導下,由28個國家參與,完成了全球1:25萬矢量地圖數據庫;下一步還計劃進行1:10萬和1:5萬矢量地圖數據庫的建設。除了標準的地理空間數據外,美軍還建立了大量的非標準地理空間數據。在NGA國土安全基礎設施計劃中的數據就比傳統產品的尺度更大,有些城市地區的數據甚至達到1:500。
在加強基礎地理空間數據庫建設的同時,美軍還十分重視地理空間信息應用系統的開發,為作戰指揮、武器系統和專業保障人員提供地理空間信息支持。代表性的應用系統有:
(1)作戰地形信息系統(CTIS),也稱野外地形測量工程系統(FieldSystem-Topographic Engineering)。它是美軍裝備旅以上部隊、與指揮系統配套的數字化地理空間信息保障系統,共包括8種型號:測量型全球定位系統(GPS-S)、自動綜合測量設備(AISI),基地型數字地形保障系統(DTSS-B)、重型數字地形保障系統(DTSS-H)、輕型數字地形保障系統(DTSS-L)、擴展型數字地形保障系統(DTSS-D)、數字地形保障系統-大容量地圖生產系統(DTSS-HVMP)以及測量型數字地形保障系統(DTSS-S)。
其中,DTSS-B/H/L/D的配置基本相同、性能類似,未來都將統一為DTSS-L,主要為戰區到旅級部隊提供地形分析和相應的地形測量保障,以及小批量地圖產品的印刷;DTSS-HVMP是以數字印刷方式提供大批量,大幅面地圖,滿足批量生產地形測量產品的要求;DTSS-S則為整個戰場提供大地測量保障。總之,利用CTIS系統可獨立提供地理空間數據戰場保障,包括根據需要隨時輸出硬拷貝產品——紙質圖。
(2)機動式綜合地理空間情報系統(MIGS)。它是一套安裝在“悍馬”越野車上、配備有專業人員的快速、強大的可展開部署系統,具備很強的無線接收能力,能夠在危機中的任何時間、任何地點為作戰人員分發標準和定制的影像與地理空間情報產品,提供先進的分析
和可視化能力。
(3)商業聯合制圖工具包(CJMTK)。它是用于美國國防部指揮與控制系統的標準地理空間可視裝備,不僅能為國防信息基礎設施公共操作環境(DIICOE)下運行的任務軟件提供地圖制圖、海圖測繪、大地測量和影像功能(MCC&I),還能有效地為美國防部的所有相關C4ISR系統(包括盟國、聯合戰區及各兵種)提供這些功能。
(4)“戰術作戰場景”(TOPSCENE)模擬系統。它將地形高程數據與二維影像相結合,并利用鑲嵌或直角地圖結構、糾正和輻射配平,將二維影像轉換成三維景觀。該系統在作戰任務準備過程中,可利用其內存的測量影像并進行回轉、旋轉等處理,使作戰人員得以對即將進入的敵對環境進行深入的模擬研究。此外,NGA于2002年成立了國家地理空間情報標準化中心(NCGIS),專門負責解決私營部門、情報及國土安全部門所使用的技術、數據體系結構和軟件之間的標準化和互操作問題。這使得美軍地理空間信息數據的標準化進程大大加快,地理空間信息數據的互操作能力有了長足進步。
地理空間信息數字化的未來發展
伴隨著來自信息化的強勁需求,世界各國加快了地理空間信息數字化的步伐,不同尺度、結構、格式的地理空間與影像數據紛繁推出。于是出現了一個巨大的挑戰——數據之間的互操作性,它直接關系到地理空間信息數據能否有效共享和使用。不少國家在地理空間信息數字化進程中,都不同程度地出現過數據源、數據格式、數據結構不統一的問題。以美國為例。美國是世界上地理空間數據最為豐富的國家,這些數據分別由政府、私營部門和各種團體控制,單是通過各種公開渠道采集的數據就超過10億比特。但這些數據目前還不能便捷地加以利用,原因就是它們并不是按照統一的標準和結構創建的,地理信息的覆蓋要素、數據內容、精度和質量均十分復雜;基于不同數據、用于不同目的的地理空間信息應用系統也是五花八門、互不通用。
未來地理空間信息數字化面臨的另一個挑戰,就是如何確保受權用戶在任何時候.任何地點都能方便、快捷地獲得數據,即如何分發地理空間數據的問題。網絡分發是必然出路。
面對挑戰,地理空間信息數字化在未來將朝著下列方向發展:
(1)多元化。建立某一尺度或幾種尺度的地理空間信息數據庫并不意味著實現了地理空間信息的數字化。地理空間信息數字化的目標,應當是在全數字操作環境下滿足各種用戶的需求。因此,要利用多元化的數據源,生產多元化的數據和應用產品。
(2)標準化。這是提高地理空間數據互操作能力的必要步驟。涉及的數據標準包括地理空間信息元數據、信息傳輸、影像內容與格式、地理要素描述、地理要素編碼、地理空間情報報告、地理空間坐標、數據壓縮等。
(3)商業化。利用商業化地理空間信息產品和成熟的開發技術,將能有效地降低成本、彌補軍隊地理空間信息技術力量的不足;同時,這也是提高地理空間信息數據互操作能力的有效途徑,必將成為未來軍事領域地理空間信息保障的重要渠道。
(4)一體化。面對多元化的數據源與用戶群對地理空間數據的特殊需求,必須要加強地理空間信息數據與影像數據的融合,為用戶提供一體化、個性化的數據服務。
(5)網絡化。實現網絡化服務是地理空間信息保障邁向信息化的重要標志。通過網絡向用戶提供數據檢索、瀏覽,訂購、分發、在線分析等全方位的數據服務,將極大地促進基礎地理信息的應用。
