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地理空间信息:数字化战场的基石  

2007-04-20 09:46:46|  分类: 装备科技E |  标签: |举报 |字号 订阅

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2006年2月18日,中国1:5万基础地理信息数据库工程通过了国家有关部门的验收。这是我国迄今历时最长、投入经费最多、工程量最大、技术最复杂,应用前景最广泛的基础地理数据库,在中国地理空间数字化建设进程中具有里程碑意义。由于1:5万比例尺地形图一直是军民合用的基本图,因此,基于1:5万地形图建立的基础地理信息数据库,不仅将在国民经济建设中发挥重要作用,而且在国家安全和军事活动中也是必不可少的。

从基础地理信息数据库谈起

基础地理信息数据库具有多尺度和数据多样性的特点。中国国家基础地理信息数据库共有5个尺度,从1:400万至1:1万。作为反映自然地理条件和社会经济概况的基础地理信息,尺度越大则精度越高、表示的内容越详细。1:400万、1:100万和1:25万数据库是从宏观角度全面反映上述信息,而1:5万和1:1万数据库则是较详细地反映了上述信息。因此,基础地理信息数据库的尺度与传统纸质系列比例尺地图(1:100万,1:50万、1:25万、1:10万、1:5万、1:2.5万和1:1万)并不完全对应。

基础地理信息数据库数据的多样性,体现在它既是一个综合数据库系统,又可分为多个不同数据类型的子数据库,包括地形数据库、地名数据库、数字高程模型数据库、正射影像数据库、数字栅格地图数据库、大地数据库和重力数据库等。不同尺度的数据库所包含的子库数据也不尽相同。

1:5万基础地理信息数据库属大尺度地理空间信息,它是国家基础地理信息数据库的重要组成部分,由数据栅格地图(DRG)、数字高程模型(DEM)、核心地形要素(DLG)、地名(GN)、土地覆盖(LC)、数字正射影像(DOM)及相应的元数据(MD)等7个子数据库和整体集成管理系统组成。它在原有1:5万地形图资料的基础上,利用航空航天影像资料、公路交通数据和省际勘界成果,对部分要素进行了更新。该数据库精度高、内容丰富,实用性强,具有集成化、网络化、标准化、可视化等特点,是建设现代化军队和数字化战场的基础地理框架。

基础地理信息数据库在军事上的应用

 

20世纪80年代以来,在世界范围内开始了以信息化为主要特征的新军事革命。这场革命对地理空间保障领域的最大冲击,就是传统的军事测绘保障理念及模式的根本改变。作为一切军事活动的地理空间信息基础,地图必须实现数字化;而早期由于数字化测绘技术体系尚未全面建立,实现数字化的主要方法是将模拟地图进行数字化处理,形成数字地图,建立地图数据库。这种基于地图几何模型的数据,难以适应数字化战场的需求。一体化的C4ISR系统是数字化战场的神经中枢,也是进行信息战的基础;而基于地理空间信息基础框架的海量信息,则是C4ISR系统运作的基础资源。因此,在数字化战场建设中,大尺度地理空间信息基础框架作为基础的基础是必须优先考虑的。

(1)基础地理信息数据是联合作战指挥系统的底层平台。对现代战场指挥系统来说,基础地理信息数据库主要有两个功能。第一个功能,是以电子地图作为基底,构成战场指挥系统及其他子系统的显示平台(如美军的陆军作战指挥系统ABCS)。与最初简单的地图显示不同,地理信息平台发展的最终目标是将影像、地形高程数据、大地测量数据、水文数据,航空数据和影像情报数据融合在一起,形成具有时态特性的地理空间情报,再以地理空间情报为基础框架,融合敌情、我情、后勤及作战命令等信息,构成通用作战图(COP)。联合部队指挥官可以利用通用作战图,连续、近实时地感知态势,视察在作战空间上分散的部队,从而提高指挥控制能力。第二个功能,是利用基础地理信息数据,定量分析战场环境,进而辅助军事决策。军事地理信息系统能够辅助指挥员选择打击目标,部队机动通道和机降地域,判断电磁信号的阻挡及通视范围,以及进行距离、面积的快速计算等。

(2)高精度基础地理信息数据是精确打击武器系统的重要组成。精确的战场地理空间及目标数据对于提高武器的打击精度起着极其重要的作用,美军的下面一组统计数据很说明问题:二次大战中,1500架次B-17投下9000枚250磅炸弹,只能压制100×100千米区域的目标:越南战争中,30架次F-4投下176枚500磅炸弹,平均击中1个目标;海湾战争中,1架F—117可同时投射2枚2000磅炸弹、击中2个目标;如今,1架B-2隐形轰炸机可同时投射16枚2000磅炸弹、击中16个目标。实施上述精确攻击需要十分精确的武器制导,而制导的精度又在很大程度上仰仗精确的数字地图,包括数字高程、数字正射影像和数字地形等。如远程巡航导弹所采用的地形匹配制导和数字式景象匹配制导方式,就是利用基础地理空间数据库中的地形数据或数字式地面景物图像,“告诉”巡航导弹如何认路、准确地找到既定目标。

(3)地形可视化和战场环境仿真系统为作战演练提供保障,而它们均是在地理空间信息数据的基础上运行的。数字化地图将传统地图上抽象的线划和符号形象化,还原出一个“真实”的世界,便于人们直观地认识和感知。地形可视化就是利用计算机技术,形成动态的多维数字地图并呈现在显示器上,使作战人员能够详简自如地看到战场的每一个角落。近年来,多国军队以数字地图为基础、利用虚拟现实技术,建成仿真的虚拟战场并展现战场景观。作战人员可以“走入”、“驶入”或“飞入”战场,进行360。观察,实现真正意义的战场“勘察”;参战部队可以在虚拟的战场上进行“沙盘作业”,以作战模拟代替实战演习。这样便于消除演习中不必要的人员伤亡、节省大量开支,还可以反复演练、提高作战效能。

另外,基础地理空间信息数据既是其他战场情报的重要载体,也是战场情报的重要组成部分。美国等西方国家将地理空间信息数据作为“战场情报准备”(1PB)的主要内容之一,称其为地理空间情报(geo-int,即geospatialintelligence)。

 

国外地理空间信息数字化的现状

世界各国地理空间信息的数字化均是在20世纪70年代末、80年代初起步的,差距并不是很大;但西方发达国家凭借着信息技术优势和经济实力,在90年代后的发展进程很快,使得各国的水平拉开了距离。目前,许多国家(如美,英、德、加、日、澳、新西兰等,也包括中国)都完成了本国国土范围内的多尺度基础地理空间信息数据库的建设。在完成多种小比例尺数字地图数据库的建库后,已经完成或正在进行大比例尺基础地理信息数据库的建设,并在应用开发方面取得了重大进展。

例如,英国大约有500多个地理空间数据库,但丰富的资源分布在全国各地不同的系统中。为解决这个问题,英国军械测量局于2000年初提出了数字国家框架(DNF)计划,目的是向全国各行业提供权威、一致、可维护的数据框架;并于2001年11月按计划推出了MasterMap。这是一个庞大的大比例尺数据库,包括9个主题的数据,定义了全英国4亿个人造和自然地理要素。2002年以后又增加了更多的数据和主题,如小比例尺地形数据、影像、地址信息、综合交通网络、建筑红线和建筑物高度、三维地形模型等,并提供在线服务。

德国政府1996年成立了全国地理数据中心,对各州测图局生产的数字地形图和基本数字景观模型进行整合,生成全国范围内一致的数据库。该中心提供统一的测量参考框架,包括美国GPS/俄罗斯GLONASS位置网络、水准测量网络、重力参考框架、似大地水准面;以及数字景观模型、数字地形图、数字地面模型、数字正射影像、全国地名词典等。目前正在开发一个新型的数据库管理系统,将数字地图、地形制图信息系统和国家地理参考框架整合为统一的数据模型。

澳大利亚政府测绘委员会在2002~2007年发展规划中,提出建立一个有效的数据整合框架。为此,他们建立并维护一个国家基准框架,测量数据的存储、管理与维护,数据更新等业务都采用数字化方式运作;发布一套最优的数据标准,建立能广泛应用的数据模型;优先资助国家级、具有一致性和完整性、为用户所需的空间数据库;鼓励生产和应用空间基准框架和数据质量标准、数据模型和其他公用模型。

特别值得一提的,是美国微软公司于2005年6月推出的Google Earth地图软件,这是一个基于卫星影像、可在网络上运行的地理空间数据库应用系统。该系统的最大看点是把全球地理空间信息数据与高分辨率影像融合起来,利用国际互联网和强大的Google搜索技术,以便捷、直观的方式展现全球地理信息,并以最快的速度进行更新。尽管不是所有地区的地图都非常详细,利用的地形高程数据尺度也比较小;但其中一些影像的分辨率很高,甚至在某些地区还能以三维模型给出建筑物的高度。不言而喻,这样准确、易得、直观的地理空间信息产品具有相当大的军事价值,尤其对于那些既无技术、也无财力、更无渠道获得高分辨率卫星遥感能力的国家、地区、组织和个人来说更是如此,对一些国家的安全造成了一定的影响。

随着国际安全形势不确定性的增加,以及反恐、维和与人道灾难救援等诸多行动的展开,军事领域地理空间信息数据库的建设显然不能局限于一国领土,而是需要建立跨地区、跨国界,甚至全球范围的地理空间信息数据库。当前,地理空间信息数字化水平在民用领域的差距还不算太大,但在军事领域的进展程度和应用水平的差异则相当大,大体可分为3个层次。美国当属第一层次。从2004年起,美军已在理论上“消灭”了纸质地图,进入到全数字环境,保障模式已经从“以产品为中心”转变到“以数据为中心”。英、法、日、俄等发达国家属于第二层次,地理空间信息数字化程度较高,但纸质地图仍占一定比例,保障模式处于纸质地图、数字地图和影像混合使用的“以产品为中心”阶段。第三层次的国家,地理空间信息数字化程度相对较低、应用水平不高,在保障模式上仍以纸质地图为主,正在探索和逐步提高地理空间数字化水平。美军地理空间数字化建设的现状

美军地理空间数字化建设紧紧围绕“全球到达,全球作战”军事战略,满足“网络中心战”要求,为确保美军的信息优势提供地理空间情报保障。从90年代中期起,美军便投入数十亿美元进行地理空间信息基础设施的现代化建设,对已有的地理空间信息资料(包括影像)进行全面数字化,于2003年建成全球规模最大、最完整的地理空间信息和影像数据库。该数据库包括用于高级军事指挥系统的指挥信息库(CIL),以及向C4I体系中的中、下级指挥机构提供卫星影像的影像产品库(IPL),两者共同构成了国家信息库(NIL);其他基础数据包括控制影像库(CIB)、数字地面高程模型(DTED)、基础特征数据(FFD)、数字海图(DNC)及点目标定位数据库(DPPDB)。

2000年“航天飞机雷达地形测绘使命”(SRTM)所采集的数据,于2004年8月全部处理完毕。所获得的全球数字地形高程模型,使人类第一次有了在统一时间、以统一基准建立的全球地理空间框架,地形数据精度达到甚至优于1:5万比例尺。2005年12月,在美国国家地理空间情报局(NGA)的组织领导下,由28个国家参与,完成了全球1:25万矢量地图数据库;下一步还计划进行1:10万和1:5万矢量地图数据库的建设。除了标准的地理空间数据外,美军还建立了大量的非标准地理空间数据。在NGA国土安全基础设施计划中的数据就比传统产品的尺度更大,有些城市地区的数据甚至达到1:500。

在加强基础地理空间数据库建设的同时,美军还十分重视地理空间信息应用系统的开发,为作战指挥、武器系统和专业保障人员提供地理空间信息支持。代表性的应用系统有:

(1)作战地形信息系统(CTIS),也称野外地形测量工程系统(FieldSystem-Topographic Engineering)。它是美军装备旅以上部队、与指挥系统配套的数字化地理空间信息保障系统,共包括8种型号:测量型全球定位系统(GPS-S)、自动综合测量设备(AISI),基地型数字地形保障系统(DTSS-B)、重型数字地形保障系统(DTSS-H)、轻型数字地形保障系统(DTSS-L)、扩展型数字地形保障系统(DTSS-D)、数字地形保障系统-大容量地图生产系统(DTSS-HVMP)以及测量型数字地形保障系统(DTSS-S)。

其中,DTSS-B/H/L/D的配置基本相同、性能类似,未来都将统一为DTSS-L,主要为战区到旅级部队提供地形分析和相应的地形测量保障,以及小批量地图产品的印刷;DTSS-HVMP是以数字印刷方式提供大批量,大幅面地图,满足批量生产地形测量产品的要求;DTSS-S则为整个战场提供大地测量保障。总之,利用CTIS系统可独立提供地理空间数据战场保障,包括根据需要随时输出硬拷贝产品——纸质图。

(2)机动式综合地理空间情报系统(MIGS)。它是一套安装在“悍马”越野车上、配备有专业人员的快速、强大的可展开部署系统,具备很强的无线接收能力,能够在危机中的任何时间、任何地点为作战人员分发标准和定制的影像与地理空间情报产品,提供先进的分析

和可视化能力。

(3)商业联合制图工具包(CJMTK)。它是用于美国国防部指挥与控制系统的标准地理空间可视装备,不仅能为国防信息基础设施公共操作环境(DIICOE)下运行的任务软件提供地图制图、海图测绘、大地测量和影像功能(MCC&I),还能有效地为美国防部的所有相关C4ISR系统(包括盟国、联合战区及各兵种)提供这些功能。

(4)“战术作战场景”(TOPSCENE)模拟系统。它将地形高程数据与二维影像相结合,并利用镶嵌或直角地图结构、纠正和辐射配平,将二维影像转换成三维景观。该系统在作战任务准备过程中,可利用其内存的测量影像并进行回转、旋转等处理,使作战人员得以对即将进入的敌对环境进行深入的模拟研究。此外,NGA于2002年成立了国家地理空间情报标准化中心(NCGIS),专门负责解决私营部门、情报及国土安全部门所使用的技术、数据体系结构和软件之间的标准化和互操作问题。这使得美军地理空间信息数据的标准化进程大大加快,地理空间信息数据的互操作能力有了长足进步。

地理空间信息数字化的未来发展

伴随着来自信息化的强劲需求,世界各国加快了地理空间信息数字化的步伐,不同尺度、结构、格式的地理空间与影像数据纷繁推出。于是出现了一个巨大的挑战——数据之间的互操作性,它直接关系到地理空间信息数据能否有效共享和使用。不少国家在地理空间信息数字化进程中,都不同程度地出现过数据源、数据格式、数据结构不统一的问题。以美国为例。美国是世界上地理空间数据最为丰富的国家,这些数据分别由政府、私营部门和各种团体控制,单是通过各种公开渠道采集的数据就超过10亿比特。但这些数据目前还不能便捷地加以利用,原因就是它们并不是按照统一的标准和结构创建的,地理信息的覆盖要素、数据内容、精度和质量均十分复杂;基于不同数据、用于不同目的的地理空间信息应用系统也是五花八门、互不通用。

未来地理空间信息数字化面临的另一个挑战,就是如何确保受权用户在任何时候.任何地点都能方便、快捷地获得数据,即如何分发地理空间数据的问题。网络分发是必然出路。

面对挑战,地理空间信息数字化在未来将朝着下列方向发展:

(1)多元化。建立某一尺度或几种尺度的地理空间信息数据库并不意味着实现了地理空间信息的数字化。地理空间信息数字化的目标,应当是在全数字操作环境下满足各种用户的需求。因此,要利用多元化的数据源,生产多元化的数据和应用产品。

(2)标准化。这是提高地理空间数据互操作能力的必要步骤。涉及的数据标准包括地理空间信息元数据、信息传输、影像内容与格式、地理要素描述、地理要素编码、地理空间情报报告、地理空间坐标、数据压缩等。

(3)商业化。利用商业化地理空间信息产品和成熟的开发技术,将能有效地降低成本、弥补军队地理空间信息技术力量的不足;同时,这也是提高地理空间信息数据互操作能力的有效途径,必将成为未来军事领域地理空间信息保障的重要渠道。

(4)一体化。面对多元化的数据源与用户群对地理空间数据的特殊需求,必须要加强地理空间信息数据与影像数据的融合,为用户提供一体化、个性化的数据服务。

(5)网络化。实现网络化服务是地理空间信息保障迈向信息化的重要标志。通过网络向用户提供数据检索、浏览,订购、分发、在线分析等全方位的数据服务,将极大地促进基础地理信息的应用。

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