隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，人類實(shí)現(xiàn)了從空中和太空來觀測(cè)和感知人類賴以生存的地球的理想，并能將所感知到的結(jié)果通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在全球流通，為人類的生存、繁榮和可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。在20世紀(jì)后半葉，遙感和地理信息系統(tǒng)作為一門新興的科學(xué)和技術(shù)，迅速地成長(zhǎng)起來。
一、遙感技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)
1.航空航天遙感傳感器數(shù)據(jù)獲取技術(shù)趨向三多（多平臺(tái)、多傳感器、多角度）和三高（高空間分辨率、高光譜分辨率和高時(shí)相分辨率）
從空中和太空觀測(cè)地球獲取影像是20世紀(jì)的重大成果之一，短短幾十年，遙感數(shù)據(jù)獲取手段迅猛發(fā)展。遙感平臺(tái)有地球同步軌道衛(wèi)星（35000km）、太陽同步衛(wèi)星（600-1000km）、太空飛船（200-300km）、航天飛機(jī)（240-350km）、探空火箭（200-1000km），并且還有高、中、低空飛機(jī)、升空氣球、無人飛機(jī)等；傳感器有框幅式光學(xué)相機(jī)、縫隙、全景相機(jī)、光機(jī)掃描儀、光電掃描儀、CCD線陣、面陣掃描儀、微波散射計(jì)雷達(dá)測(cè)高儀、激光掃描儀和合成孔徑雷達(dá)等，它們幾乎覆蓋了可透過大氣窗口的所有電磁波段。三行CCD陣列可以同時(shí)得到3個(gè)角度的掃描成像，EOS Terra衛(wèi)星上的MISR可同時(shí)從9個(gè)角度對(duì)地成像。
衛(wèi)星遙感的空間分辨率從Ikonos Ⅱ的1m，進(jìn)一步提高到Quckbird（快鳥）的0.62m，高光譜分辨率已達(dá)到5-6nm，500-600個(gè)波段。在軌的美國EO-1高光譜遙感衛(wèi)星，具有220個(gè)波段，EOS AM-1（Terra）和EOS PM-1（Aqua）衛(wèi)星上的MODIS具有36個(gè)波段的中等分辨率成像光譜儀。時(shí)間分辨率的提高主要依賴于小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，通過發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星和合理分布的小衛(wèi)星星座，以及傳感器的大角度傾斜，可以以1-3d的周期獲得感興趣地區(qū)的遙感影像。由于具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，以及用INSAR和D-INSAR，特別是雙天線INSAR進(jìn)行高精度三位地形及其變化測(cè)定的可能性，SAR雷達(dá)衛(wèi)星為全世界各國所普遍關(guān)注。例如，美國宇航局的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃是要發(fā)射一系列太陽同步和地球同步的長(zhǎng)波SAR,美國國防部則要發(fā)射一系列短波SAR，實(shí)現(xiàn)干涉重訪問間隔為8d、3d和1d，空間分辨率分別為20m、5m和2m。我國在機(jī)載和星載SAR傳感器及其應(yīng)用研究方面正在形成體系。"十五"期間，我國將全方位地推進(jìn)遙感數(shù)據(jù)獲取的手段，形成自主的高分辨率資源衛(wèi)星、雷達(dá)衛(wèi)星、測(cè)圖衛(wèi)星和對(duì)環(huán)境與災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的小衛(wèi)星群。
2. 航空航天遙感對(duì)地定位趨向于不依賴地面控制
確定影像目標(biāo)的實(shí)地位置（三維坐標(biāo)），解決影像目標(biāo)在哪兒（Where）是攝影測(cè)量與遙感的主要任務(wù)之一。在已成功用于生產(chǎn)的全自動(dòng)化GPS空中三角測(cè)量的基礎(chǔ)上，利用DGPS和INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的組合，可形成航空/航天影像傳感器的位置與姿態(tài)的自動(dòng)測(cè)量和穩(wěn)定裝置（POS），從而可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)攝影成像和無地面控制的高精度對(duì)地直接定位。在航空攝影條件下的精度可達(dá)到dm級(jí)，在衛(wèi)星遙感的條件下，其精度可達(dá)到m級(jí)。該技術(shù)的推廣應(yīng)用，將改變目前攝影測(cè)量和遙感的作業(yè)流程，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)圖和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫更新。若與高精度激光掃描儀集成，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維測(cè)量（LIDAR），自動(dòng)生成數(shù)字表面模型（DSM），并可推算出數(shù)字高程模型（DEM）。
美國NASA在1994年和1997年兩次將航天激光測(cè)高儀（SLA）安裝在航天飛機(jī)上，企圖建立基于SLA的全球控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，激光點(diǎn)大小為100m，間隔為750m，每秒10個(gè)脈沖；隨后又提出了地學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)（GLAS）計(jì)劃，已于2002年12月19日將該衛(wèi)星IICESat（cloud
and land elevation satellite）發(fā)射上天。該衛(wèi)星裝有激光測(cè)距系統(tǒng)、GPS接收機(jī)和恒星跟蹤姿態(tài)測(cè)定系統(tǒng)。GLAS發(fā)射近紅外光（1064nm）和可見綠光（532nm）的短脈沖（4ns）。激光脈沖頻率為40次/s，激光點(diǎn)大小實(shí)地為70m，間隔為170m，其高程精度要明顯高于SRTM，可望達(dá)到m級(jí)。他們的下一步計(jì)劃是要在2015年之前使星載LIDAR的激光測(cè)高精度達(dá)到dm和cm級(jí)。
法國利用設(shè)在全球的54個(gè)站點(diǎn)向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，通過測(cè)定多普勒頻移，以精確解求衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，具有極高的精度。測(cè)定距地球1300km的Topex/Poseidon衛(wèi)星的高度，精度達(dá)到±3cm。用來測(cè)定SPOT 4衛(wèi)星的軌道，3個(gè)坐標(biāo)方向達(dá)到±5cm精度，對(duì)于SPOT 5和Envisat，可望達(dá)到±1m精度。若忽略SPOT 5傳感器的角元素，直接進(jìn)行無地面控制的正射像片制作，精度可達(dá)到±15m，完全可以滿足國家安全和西部開發(fā)的需求。
3. 攝影測(cè)量與遙感數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理更趨向自動(dòng)化和智能化
從影像數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取地物目標(biāo)，解決它的屬性和語義（What）是攝影測(cè)量與遙感的另一大任務(wù)。在已取得影像匹配成果的基礎(chǔ)上，影像目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要集中在影像融合技術(shù)，基于統(tǒng)計(jì)和基于結(jié)構(gòu)的目標(biāo)識(shí)別與分類，處理的對(duì)象既包括高分辨率影像，也更加注重高光譜影像。隨著遙感數(shù)據(jù)量的增大，數(shù)據(jù)融合和信息融合技術(shù)逐漸成熟。壓縮倍率高、速度快的影像數(shù)據(jù)壓縮方法也已商業(yè)化。我國學(xué)者在這些方面取得了不少可喜的成果。
4. 利用多時(shí)像影像數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)地表覆蓋的變化趨向?qū)崟r(shí)化
利用遙感影像自動(dòng)進(jìn)行變化監(jiān)測(cè)（What change）關(guān)系到我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)。過去人工方法投入大，周期長(zhǎng)。隨著各類空間數(shù)據(jù)庫的建立和大量新的影像數(shù)據(jù)源的出現(xiàn)，實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
自動(dòng)變化監(jiān)測(cè)研究包括利用新舊影像（DOM）的對(duì)比、新影像與舊數(shù)字地圖（DLS）的對(duì)比來自動(dòng)發(fā)現(xiàn)變化和更新數(shù)據(jù)庫。目前的變化監(jiān)測(cè)是先將新影像與舊影像（或數(shù)字地圖）進(jìn)行配準(zhǔn)，然后再提取變化目標(biāo)，這在精度、速度與自動(dòng)化處理方面都有不足之處。筆者提出了把配準(zhǔn)與變化監(jiān)測(cè)同步的整體處理[1]。最理想的方法是將影像目標(biāo)三維重建與變化監(jiān)測(cè)一起進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)三維變化監(jiān)測(cè)和自動(dòng)更新。進(jìn)一步的發(fā)展則是利用智能傳感器，將數(shù)據(jù)處理在軌完成，發(fā)送回來的直接為信息，而不一定為影像數(shù)據(jù)。
5.攝影測(cè)量與遙感在構(gòu)建“數(shù)字地球”、“數(shù)字中國”、“數(shù)字省市”和“數(shù)字文化遺產(chǎn)”中正在發(fā)揮愈來愈大的作用
“數(shù)字地球”概念是在全球信息化浪潮推進(jìn)下形成的。1999年12月在北京成功地召開了第一屆國際"數(shù)字地球"大會(huì)后，我國正積極推進(jìn)"數(shù)字中國"和"數(shù)字省市"的建設(shè)，2001年國家測(cè)繪局完成了構(gòu)建"數(shù)字中國"地理空間基礎(chǔ)框架的總體戰(zhàn)略研究。在已完成1∶100萬和1∶25萬全國空間數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，2001年全國各省市測(cè)繪局開始1∶5萬空間數(shù)據(jù)庫的建庫工作。在這個(gè)數(shù)據(jù)量達(dá)11TB的巨型數(shù)據(jù)庫中，攝影測(cè)量與遙感將用來建設(shè)DOM（數(shù)字正射影像）、DEM（數(shù)字高程模型）、DLG（數(shù)字線劃圖）和CP（控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫）。如果要建立全國1m分辨率影像數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)量將達(dá)到60TB。如果整個(gè)"數(shù)字地球"均達(dá)到1m分辨率，其數(shù)據(jù)量之大可想而知。本世紀(jì)內(nèi)可望建成這一分辨率的數(shù)字地球。
“數(shù)字文化遺產(chǎn)”是目前聯(lián)合國和許多國家關(guān)心的一個(gè)問題，涉及到近景成像、計(jì)算機(jī)視覺和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。在近景成像和近景三位量測(cè)方面，有室內(nèi)各種三維激光掃描與成像儀器，還可以直接由視頻攝像機(jī)的系列圖像獲取目標(biāo)場(chǎng)三維重建信息。它們所獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理后，可以在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)支持下形成文化遺跡的三維仿真，而且可以按照時(shí)間序列，將歷史文化在時(shí)間隧道中再現(xiàn)，對(duì)文化遺產(chǎn)保護(hù)、復(fù)原與研究具有重要意義。
6.全定量化遙感方法將走向?qū)嵱?/p>
從遙感科學(xué)的本質(zhì)講，通過對(duì)地球表層（包括巖石圈、水圈、大氣圈和生物圈4大圈層）的遙感，其目的是為了獲得有關(guān)地物目標(biāo)的幾何與物理特性，所以需要通過全定量化遙感方法進(jìn)行反演。幾何方程式是有顯式表示的數(shù)學(xué)方程，而物理方程一直是隱式。目前的遙感解譯與目標(biāo)識(shí)別并沒有通過物理方程反演，而是采用了基于灰度或加上一定知識(shí)的統(tǒng)計(jì)、結(jié)構(gòu)和紋理的影像分析方法。但隨著對(duì)成像機(jī)理、地物波譜反射特征、大氣模型、氣溶膠的研究深入和數(shù)據(jù)積累，多角度、多傳感器、高光譜及雷達(dá)衛(wèi)星遙感技術(shù)的成熟，相信在21世紀(jì)，估計(jì)幾何與物理方程式的全定量化遙感方法將逐步由理論研究走向?qū)嵱没?，遙感基礎(chǔ)理論研究將邁上新的臺(tái)階。只有實(shí)現(xiàn)了遙感定量化，才可能真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和實(shí)時(shí)化。
二、 GIS技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)
1.空間數(shù)據(jù)庫趨向圖形、影像和DEM三庫一體化和面向?qū)ο?/p>
GIS發(fā)展曾經(jīng)歷過柵格、矢量?jī)蓚€(gè)不同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)展階段，目前隨著高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的飛快增長(zhǎng)和數(shù)字地球、數(shù)碼城市的需求，形成了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型和三庫（圖形矢量庫、影像柵格庫和DEM格網(wǎng)庫）一體化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這樣的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)使GIS的發(fā)展更加趨向自然化、逼真化，更加貼近用戶。以面向應(yīng)用的GIS軟件為前臺(tái)，以大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫（Oracle 8i,9i等)為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理，成為當(dāng)前GIS技術(shù)的主流趨勢(shì)。
2. 空間數(shù)據(jù)表達(dá)趨向多比例尺、多尺度、動(dòng)態(tài)多位和實(shí)時(shí)三維可視化
在傳統(tǒng)的GIS中，空間數(shù)據(jù)是以二維形式存儲(chǔ)并掛接相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。目前，空間數(shù)據(jù)表達(dá)的趨勢(shì)是基于金字塔和LOD（level of detail）技術(shù)的多比例尺空間數(shù)據(jù)庫，在不同尺度表示時(shí)可自動(dòng)顯示出相應(yīng)比例尺或相應(yīng)分辨率的數(shù)據(jù)，多比例尺數(shù)據(jù)集的跨度要比傳統(tǒng)地圖的比例尺大，在顯示不同比例尺數(shù)據(jù)時(shí)，可采用LOD或地圖綜合技術(shù)。真三維GIS的空間數(shù)據(jù)要存儲(chǔ)三維坐標(biāo)。動(dòng)態(tài)GIS在土地變更調(diào)查、土地覆蓋變化監(jiān)測(cè)中已有較好的應(yīng)用，真四維的時(shí)空GIS將有望從理論研究轉(zhuǎn)入實(shí)用階段?；谌龓煲惑w化的時(shí)空3D可視化技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已能再PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)GIS環(huán)境下的三維建筑物室外室內(nèi)漫游、信息查詢、空間分析、剖面分析和陰影分析等，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的真三維GIS將使人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)空間外，可以同時(shí)擁有一個(gè)Cyber空間。
3. 空間分析和輔助決策智能化需要利用數(shù)據(jù)挖掘方法從空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)更多的有用知識(shí)
GIS是以應(yīng)用導(dǎo)向的空間信息技術(shù)，空間分析與輔助決策支持是GIS的高水平應(yīng)用，它需要基于知識(shí)的智能系統(tǒng)。知識(shí)的獲取是專家系統(tǒng)中最困難的任務(wù)。隨著各種類型數(shù)據(jù)庫的建立，從數(shù)據(jù)庫中挖掘知識(shí)成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)界一個(gè)非常引人注目的課題。從GIS空間數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)的知識(shí)可以有效的支持遙感圖像解譯，以解決"同物異譜"和"同譜異物"的問題。反過來，從屬性數(shù)據(jù)庫中挖掘的知識(shí)又具有優(yōu)化資源配置等一些列空間分析的功能[3]。盡管數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)這一命題仍處于理論研究階段，但隨著數(shù)據(jù)庫的快速增大和對(duì)數(shù)據(jù)挖掘工具的深入研究，其應(yīng)用前景是不可估量的。
4.通過Web服務(wù)器和WAP服務(wù)器的互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)GIS將推進(jìn)聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫和互操作的研究及地學(xué)信息服務(wù)事業(yè)
隨著計(jì)算機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)（包括有線和無線網(wǎng)）的大容量和高速化，GIS已成為在網(wǎng)絡(luò)上的分布式異構(gòu)系統(tǒng)。許多不同單位、不同組織維護(hù)管理的既獨(dú)立又互聯(lián)互用的聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫，將可提供全社會(huì)各行各業(yè)的應(yīng)用需要。因此，聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫和互操作問題成為當(dāng)前國際GIS聯(lián)合研究的一個(gè)熱點(diǎn)?；ゲ僮饕馕吨鴶?shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的直接共享，GIS規(guī)律功能模塊的互操作與共享，以及多點(diǎn)之間的相同工作，這方面的研究已顯示出明顯的成效。未來的GIS用戶將可能在網(wǎng)絡(luò)上繳納為其需要所選用數(shù)據(jù)和軟件功能模塊的使用費(fèi)，而不必購買這個(gè)數(shù)據(jù)庫和整套的GIS軟硬件，這些成果產(chǎn)生的直接效果是GIS應(yīng)用將走向地學(xué)信息服務(wù)。
目前已興起的LBS和MLS，即基于位置的服務(wù)和移動(dòng)定位服務(wù)，突出地反映了這種變化趨勢(shì)。它引起的革命性變化使GIS將走出研究院所和政府機(jī)關(guān)，成為全社會(huì)人人具備的信息服務(wù)工具。我國目前已有2億個(gè)手機(jī)用戶，若每人每月為MLS支付10元費(fèi)用，全國一年的產(chǎn)值將達(dá)到240億?？梢灶A(yù)測(cè)在不久的將來，地學(xué)信息將能隨時(shí)隨地為任何人和任何事情進(jìn)行4A服務(wù)。
5. 地理信息科學(xué)的研究有望在本世紀(jì)形成較完整的理論框架體系
筆者曾扼要地?cái)⑹隽说厍蚩臻g信息科學(xué)的7大理論問題[4]：（1）地球空間信息的基準(zhǔn)，包括幾何基準(zhǔn)、物理基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)；（2）地球空間信息標(biāo)準(zhǔn)，包括空間數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與交換標(biāo)準(zhǔn)、空間數(shù)據(jù)精度與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、空間信息的分類與代碼標(biāo)準(zhǔn)、空間信息的安全、保密及技術(shù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)以及元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等；（3）地球空間信息的時(shí)空變化理論，包括時(shí)空變化發(fā)現(xiàn)的方法和對(duì)時(shí)空變化特征的和規(guī)律的研究；（4）地球空間信息的認(rèn)知，主要通過各目標(biāo)各要素的位置、結(jié)構(gòu)形態(tài)、相互關(guān)聯(lián)等從靜態(tài)上的形態(tài)分析、發(fā)生上的成因分析、動(dòng)態(tài)上的過程分析、演化上的力學(xué)分析以及時(shí)態(tài)上的演化分析達(dá)到對(duì)地球空間的客觀認(rèn)知；（5）地球空間信息的不確定性，包括類型的不確定性、空間位置的不確定性、空間關(guān)系的不確定性、邏輯的不一致性和信息的不完備性；（6）地球空間信息的解譯與反演，包括定性解譯和定量反演，貫穿在信息獲取、信息處理和認(rèn)知過程中；（7）地球空間信息的表達(dá)與可視化，涉及到空間數(shù)據(jù)庫多分辨率表示、數(shù)字地圖自動(dòng)綜合、圖形可視化、動(dòng)態(tài)仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等。目前，這些方面的研究對(duì)建立完備的理論尚嫌不足，需要在今后加強(qiáng)這方面的基礎(chǔ)研究。
三、結(jié)語
遙感與GIS在20世紀(jì)出現(xiàn)，在21世紀(jì)不僅將形成自身的理論體系和技術(shù)體系，而且將形成天地一體化的空間信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家安全、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和提高人民生活質(zhì)量做出愈來愈大的貢獻(xiàn)。
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