美國(guó)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)獲取能力及啟示

許夙暉，楊國(guó)鵬，邢 平，支 熙

（1.解放軍93213 部隊(duì)，北京 100096；2.解放軍78102 部隊(duì)，成都 610031）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已全面進(jìn)入信息主導(dǎo)的時(shí)代，戰(zhàn)場(chǎng)控制權(quán)核心在于制信息權(quán)。地理空間情報(bào)（Geospatial Intelligence，GEOINT）是戰(zhàn)場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)信息優(yōu)勢(shì)的重要途徑，其概念于2002 年由美國(guó)首次提出，其定義為：對(duì)圖像和地理空間信息的開發(fā)與分析，以描述、評(píng)估并可視化地表示地球上的物理特征和地理相關(guān)活動(dòng)。地理空間情報(bào)綜合了包括測(cè)繪、情報(bào)、圖像等在內(nèi)的多門專業(yè)領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，美國(guó)已經(jīng)建成了由國(guó)家地理空間情報(bào)系統(tǒng)（NSG）、英聯(lián)邦國(guó)家地理空間情報(bào)系統(tǒng)（ASG）以及由眾多情報(bào)機(jī)構(gòu)組成的成熟完備的地理空間情報(bào)體系。在國(guó)防、國(guó)際救援、打擊恐怖主義等多種行動(dòng)中，地理空間情報(bào)發(fā)揮了重要作用［1-4］。美軍在戰(zhàn)場(chǎng)上通過地理空間情報(bào)，形成各種產(chǎn)品以滿足特定的戰(zhàn)場(chǎng)任務(wù)類型：1）任務(wù)/事件準(zhǔn)備。包括識(shí)別關(guān)鍵地標(biāo)以及現(xiàn)有或潛在的危險(xiǎn)。通常通過地圖或圖像來識(shí)別建筑物，路線，水深，地形特征，障礙物和威脅等元素，保證導(dǎo)航安全。2）評(píng)估。分析圖像或地圖內(nèi)容。如通過某個(gè)機(jī)場(chǎng)圖像，識(shí)別機(jī)場(chǎng)上停放的飛機(jī)及其他設(shè)施信息，結(jié)合之前信息評(píng)估其可能正在進(jìn)行的活動(dòng)類型。3）檢測(cè)。使用可見光或雷達(dá)傳感器檢測(cè)不易識(shí)別的天然或人造材料，例如檢測(cè)偽裝?？傊?，地理空間情報(bào)提供場(chǎng)景或環(huán)境的通用、精確的地理位置可視化服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)上不同組織之間的計(jì)劃和協(xié)作。

地理空間情報(bào)有3 個(gè)要素：影像，影像情報(bào)和地理空間信息。這3 個(gè)基礎(chǔ)要素共同構(gòu)成完整的地理空間情報(bào)產(chǎn)品，如圖1 所示。影像是由各種平臺(tái)搭載的可見光和雷達(dá)傳感器獲得，是地理信息最直觀的表達(dá)形式；影像情報(bào)是通過對(duì)影像及相關(guān)資料的解譯或分析獲得的技術(shù)、地理和情報(bào)信息，其源于對(duì)各種保密或公開的數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)、系統(tǒng)的分析；地理空間信息是表示地球上自然或人造特征和邊界的地理位置和特征的信息，例如聲納、地震、人口數(shù)據(jù)等。

圖1 地理空間情報(bào)的3 個(gè)要素

地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)的收集與獲取是情報(bào)周期“任務(wù)規(guī)劃、收集獲取、處理、開發(fā)和傳播”模型（TCPED）的重要一環(huán)，是一項(xiàng)長(zhǎng)期而有計(jì)劃的工作［6］，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的地理空間情報(bào)獲取能力，逐漸成為現(xiàn)代軍隊(duì)作戰(zhàn)能力的重要組成部分。本文分析了美國(guó)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)的獲取能力現(xiàn)狀，及美國(guó)在地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)獲取方面最新的舉措，為我國(guó)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)建設(shè)作為參考。

1 美國(guó)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)獲取能力分析

1.1 影像獲取平臺(tái)多樣化、實(shí)時(shí)化與全球化

美國(guó)十分重視發(fā)展地理空間情報(bào)影像協(xié)同觀測(cè)能力，影像獲取平臺(tái)從單一數(shù)據(jù)源向天空地多源協(xié)同、一體化數(shù)據(jù)獲取方向發(fā)展。美國(guó)已經(jīng)建立形成集陸、海、空、天的影像采集平臺(tái)，能夠發(fā)現(xiàn)并采集世界各地的地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)。平臺(tái)類型細(xì)分及各自特點(diǎn)如表1 所示：星載平臺(tái)由政府衛(wèi)星和商業(yè)衛(wèi)星構(gòu)成，星載平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)全天候?qū)Φ赜^測(cè)，與政府衛(wèi)星相比，商業(yè)衛(wèi)星在觀測(cè)范圍、數(shù)據(jù)體量上優(yōu)勢(shì)明顯；空基平臺(tái)包括中高空有人或無人飛行器；陸基平臺(tái)的傳感器可以靈活地置于建筑物、車輛等多種陸上載體中；海洋采集平臺(tái)包括船舶、浮標(biāo)等在內(nèi)的海上、海面、海下平臺(tái)設(shè)施。不同平臺(tái)有觀測(cè)高度、傳感器類型、覆蓋程度、可用性、實(shí)時(shí)性、安全性的差異，在軍事上可以滿足多域作戰(zhàn)中地理空間情報(bào)保障需求。

表1 美國(guó)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)

按照成像原理分為被動(dòng)或主動(dòng)，地理空間情報(bào)影像傳感器類型分為光電傳感器和雷達(dá)傳感器兩大類。兩類傳感器的細(xì)分類別及其特別用途如表2所示。光電傳感器接收觀測(cè)對(duì)象本身返回的可見光、紅外波段的電磁波成型類似照片的影像，雷達(dá)影像則是由平臺(tái)主動(dòng)向觀測(cè)對(duì)象發(fā)射微波、無線電波脈沖，之后處理由接收對(duì)象返回的信號(hào)形成的黑白影像。不同于光電傳感器，雷達(dá)傳感器可以進(jìn)行全天時(shí)、全天候?qū)Φ貙?shí)施觀測(cè)，并具有一定的地表穿透能力。由于單個(gè)傳感器對(duì)觀測(cè)能力有限，因此，在美國(guó)地理空間情報(bào)活動(dòng)中需要對(duì)多種傳感器捕獲的影像進(jìn)行融合與相互印證。

表2 傳感器類型及特點(diǎn)

隨著平臺(tái)技術(shù)發(fā)展和傳感器密度不斷提高，各種來源的影像數(shù)據(jù)量激增，如何有效管理獲取的數(shù)據(jù)成為了重要難題。美國(guó)地理空間情報(bào)局（NGA）正在發(fā)展從多個(gè)來源發(fā)現(xiàn)、集成和管理多時(shí)態(tài)多維數(shù)據(jù)的能力，具體包括：對(duì)同一對(duì)象的多個(gè)觀測(cè)值和相似目標(biāo)的自動(dòng)驗(yàn)證；對(duì)不同坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的自動(dòng)統(tǒng)一；對(duì)數(shù)據(jù)格式的自動(dòng)調(diào)整對(duì)齊；對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的自動(dòng)分類和對(duì)元數(shù)制的自動(dòng)標(biāo)記，以便之后的數(shù)據(jù)檢索應(yīng)用。

1.2 數(shù)據(jù)采集融合為地理空間信息

不同平臺(tái)、傳感器采集到的地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過與開源信息的加工融合形成地理空間信息。美國(guó)將地理空間信息劃為7 個(gè)類別，這7 類地理空間信息的來源與其傳感器獲取來源如下頁圖2 所示。

圖2 地理空間信息的來源

1）航空信息：與航空導(dǎo)航安全性有關(guān)的信息，例如垂直障礙物信息、禁飛區(qū)信息、飛行路線、進(jìn)場(chǎng)程序、機(jī)場(chǎng)設(shè)施和布局以及航空?qǐng)D。

2）海事信息：與海洋航行安全性有關(guān)的信息，例如運(yùn)輸路線、水下障礙物、航行限制信息、港口設(shè)施和布局、進(jìn)近程序以及海圖。

3）地形信息：有關(guān)導(dǎo)航信息的安全性的信息，例如可通行性和移動(dòng)障礙物，以及其他與地面相關(guān)的信息：包括基礎(chǔ)設(shè)施（道路，電網(wǎng)）、人工特征、人口數(shù)據(jù)、植被和水文信息。地形信息還包括地理空間數(shù)據(jù)庫內(nèi)網(wǎng)絡(luò)元素的連通性，以實(shí)現(xiàn)基于地面的路線規(guī)劃、導(dǎo)航和水文分析。

4）高程信息：關(guān)于地球上或與地球有關(guān)的物體高度的信息。高程數(shù)據(jù)包括地表以上、地表或地表以下目標(biāo)的高度。

5）人文地理信息：指的是對(duì)人的活動(dòng)與地理環(huán)境之間的相互聯(lián)系進(jìn)行分析，其目的在于分析一個(gè)區(qū)域或人口中采取的行動(dòng)對(duì)另一個(gè)區(qū)域或人口的影響。人文地理信息包括了人口、政治、文化、宗教、民族信息。

6）地理名稱和邊界：城市、鎮(zhèn)、省、地區(qū)、州和國(guó)家/地區(qū)的名稱和邊界信息。用于識(shí)別主要地標(biāo)，設(shè)施和建筑物，這類信息只能通過開源信息獲得。

7）大地測(cè)量信息：包括磁性和重力數(shù)據(jù)、導(dǎo)航工具、測(cè)量以及地圖網(wǎng)格和坐標(biāo)系統(tǒng)。

1.3 美國(guó)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1）商業(yè)地理空間的數(shù)據(jù)安全技術(shù)。隨著商業(yè)地理空間情報(bào)日益發(fā)展，商業(yè)地理空間數(shù)據(jù)管理難題日益凸現(xiàn)，因?yàn)樯虡I(yè)數(shù)據(jù)來自眾多具有不同精度來源，容易被對(duì)手獲得，整合地理空間情報(bào)，將商用、小型無人機(jī)系統(tǒng)集成到美國(guó)國(guó)家空域系統(tǒng)，保證地理空間數(shù)據(jù)獲取過程中的安全性，是美國(guó)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)發(fā)展的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

2）大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)。海量的地理空間數(shù)據(jù)需要一個(gè)能夠處理海量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)環(huán)境，需要使用人工智能技術(shù)來幫助分析人員積極監(jiān)控和整合數(shù)據(jù)。有利于在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行作戰(zhàn)環(huán)境情報(bào)準(zhǔn)備，縮短生成地理空間情報(bào)的周期，以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的威脅。

3）地理空間情報(bào)高級(jí)產(chǎn)品研發(fā)。未來美國(guó)地理空間情報(bào)將會(huì)引入更多元素，以創(chuàng)建更動(dòng)態(tài)、更現(xiàn)實(shí)和更高級(jí)的地理空間情報(bào)產(chǎn)品。例如，通過添加高程來創(chuàng)建三維模型，開發(fā)更復(fù)雜的產(chǎn)品，以提供更逼真的環(huán)境或?qū)ο蟊硎拘问?；通過加入時(shí)間信息，模擬速度、潮汐、風(fēng)向和日光變化等因素，以幫助分析人員確定各個(gè)因素將如何影響任務(wù)；將位置、海拔和時(shí)間結(jié)合起來，以創(chuàng)建虛擬的交互式場(chǎng)景，使用戶在模擬環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練；開展基于活動(dòng)的分析，分析與特定對(duì)象或區(qū)域相關(guān)的人類、車輛和其他活動(dòng)之間的聯(lián)系。

2 美國(guó)未來提升地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)獲取能力的舉措

美國(guó)地理空間情報(bào)的未來發(fā)展面臨著很多挑戰(zhàn)，例如：如何實(shí)現(xiàn)可提供持續(xù)服務(wù)的任務(wù)規(guī)劃、處理、開發(fā)利用和分發(fā)（TPED）流程，如何縮短地理空間情報(bào)生產(chǎn)的周期，如何開發(fā)利用各類情報(bào)，如何實(shí)現(xiàn)與盟軍和聯(lián)軍共享地理空間情報(bào)等。面對(duì)地理空間情報(bào)的這些挑戰(zhàn)，美國(guó)未來幾年在地理空間數(shù)據(jù)獲取方面有以下重點(diǎn)發(fā)展方向：

2.1 重視商業(yè)地理空間資源的潛力

隸屬于國(guó)防部的國(guó)家地理空間情報(bào)局（NGA）是負(fù)責(zé)美國(guó)地理空間情報(bào)領(lǐng)域最重要的職能部門，擁有大量的地理空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。而美國(guó)商業(yè)部門具有更豐富的商業(yè)圖像庫，并以指數(shù)級(jí)的速度增長(zhǎng)，美國(guó)政府部門正在加大與商業(yè)部門的合作，投資商業(yè)公司的高級(jí)分析技術(shù)、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)與先進(jìn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。2016 年，美國(guó)白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室公布“利用小衛(wèi)星革命”計(jì)劃，希望聯(lián)手NASA、國(guó)防部及其他聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)政府部門與私人企業(yè)在小衛(wèi)星實(shí)用領(lǐng)域的合作，以促進(jìn)并支持政府與私營(yíng)部門利用小衛(wèi)星執(zhí)行遙感、通信、科學(xué)與空間探索任務(wù)。2018 年，NGA 與國(guó)家偵察局（NRO）聯(lián)合成立商業(yè)地理空間情報(bào)處（CGA），評(píng)估現(xiàn)有資源以及采購新的商業(yè)能力；NGA 還通過“守護(hù)神”計(jì)劃，與更廣泛的商業(yè)供應(yīng)商開展合作，以開源和云服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交付。2019年NGA 與美國(guó)行星公司（Planet）簽訂訂購合同，首次通過商業(yè)途徑實(shí)現(xiàn)每?jī)芍芤淮蔚娜蚋采w［5］；NGA 于2018 年發(fā)布的新版《商業(yè)地理空間情報(bào)戰(zhàn)略》［6］中提出：充分利用商業(yè)地理空間情報(bào)來滿足未來任務(wù)需求，將通過與商業(yè)地理空間情報(bào)力量的合作，擴(kuò)展數(shù)據(jù)和服務(wù)能力設(shè)定為地理空間情報(bào)建設(shè)的一個(gè)發(fā)展目標(biāo)。

2.2 重視公共領(lǐng)域地理空間情報(bào)的價(jià)值

開源情報(bào)是一種非常重要的情報(bào)手段，具有低成本、低風(fēng)險(xiǎn)和高收益的優(yōu)勢(shì)。目前互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為地理空間情報(bào)的重要開源情報(bào)來源。谷歌地球作為全球最大的衛(wèi)星遙感影像平臺(tái)，數(shù)據(jù)來源多樣、覆蓋面廣，與地理空間信息相關(guān)的線劃圖、高程數(shù)據(jù)等也可以在谷歌地圖上獲取，因此，以谷歌地圖為代表的遙感影像平臺(tái)是開源影像情報(bào)的重要途徑。此外，帶有定位功能社交軟件、智能穿戴設(shè)備也是一種重要的地理空間信息來源［7］。在缺乏開源、權(quán)威數(shù)據(jù)的情況下，眾包平臺(tái)（如OpenStreetMap、HealthMap、Wikimapia 等）可以提供支持?jǐn)?shù)據(jù)聚合、管理和管理的平等主義框架，填補(bǔ)這方面的空白。美國(guó)還通過“地理空間情報(bào)探路者”計(jì)劃，在非密數(shù)據(jù)使用、商業(yè)信息技術(shù)、開源方法等方面取得了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

2.3 重視獲取商業(yè)數(shù)據(jù)安全

重視地理空間數(shù)據(jù)安全也是美國(guó)地理空間情報(bào)的一項(xiàng)重要原則。NGA 發(fā)布的《2020 年重要技術(shù)領(lǐng)域報(bào)告》中，提出要著重發(fā)展數(shù)據(jù)管理技術(shù)，明確要選用可靠的商業(yè)和公開來源數(shù)據(jù)，需要確定從公共和商業(yè)來源獲得的“數(shù)據(jù)適合性”，以便將其用于地理空間數(shù)據(jù)、產(chǎn)品和服務(wù)，分析人員需要以一種可擴(kuò)展、可互操作的方式，不斷自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)的來源、格式和傳輸方法，以保證數(shù)據(jù)安全。除此之外，美國(guó)軍方還明確提出加強(qiáng)供應(yīng)商能力評(píng)估，軍方的地理空間情報(bào)分析人員需要綜合考慮成本、實(shí)效性和性能，評(píng)估地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)供應(yīng)商內(nèi)容和服務(wù)的范圍，推薦最佳的供應(yīng)商產(chǎn)品。

3 對(duì)我國(guó)的啟示

與美國(guó)不同，我國(guó)地理測(cè)繪信息行業(yè)并未將地理空間情報(bào)單獨(dú)作為一個(gè)發(fā)展概念，與地理空間情報(bào)密切相關(guān)的遙感、圖像學(xué)科并未直接歸口于情報(bào)學(xué)科。盡管如此，我國(guó)在航天航空遙感、測(cè)繪領(lǐng)域的建設(shè)仍然處于世界前列。由于我國(guó)本身工業(yè)基礎(chǔ)和體制機(jī)制等原因，我國(guó)地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)獲取能力與美國(guó)相比還有較大差距，需要加強(qiáng)以下工作：

3.1 發(fā)展新型地理空間裝備

我國(guó)已經(jīng)初步形成多種分辨率配置、多種觀測(cè)技術(shù)組合的全球觀測(cè)和數(shù)據(jù)獲取能力。國(guó)家航空航天遙感影像獲取成果包括：地面各種分辨率的多尺度數(shù)據(jù)航空攝影、高精度機(jī)載三維LiDAR、無人機(jī)數(shù)字航空攝影、傾斜航空攝影、機(jī)載SAR 等航空遙感成果，及地面各種分辨率的多尺度多種類航天遙感數(shù)據(jù)。我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展不同平臺(tái)類型，配備多種載荷的地理空間觀測(cè)裝備，提升地理空間情報(bào)數(shù)據(jù)來源的多樣性。此外，還需探索發(fā)展相對(duì)薄弱但前景廣闊的商業(yè)小衛(wèi)星、新型傳感器觀測(cè)衛(wèi)星、智能隱形無人機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，提升我國(guó)在地理空間情報(bào)領(lǐng)域的綜合實(shí)力。

3.2 重視地理空間數(shù)據(jù)資源建設(shè)

我國(guó)地理空間數(shù)據(jù)資源的獲取還處于煙囪林立的階段，航天衛(wèi)星、航空偵察手段、地面手段獨(dú)立建設(shè)和使用，再由于體制機(jī)制的原因，使得地理空間數(shù)據(jù)獨(dú)立分散在各個(gè)部門，不易獲得。應(yīng)當(dāng)借鑒美國(guó)先進(jìn)做法，設(shè)立統(tǒng)一的地理空間職能部門，統(tǒng)籌建設(shè)國(guó)家地理空間情報(bào)事業(yè)，強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，將政府、軍隊(duì)、企業(yè)的地理信息資源進(jìn)行有效整合，提高地理空間數(shù)據(jù)和服務(wù)的互操作性。

3.3 走軍民深度融合的道路

美國(guó)軍方以保證系統(tǒng)開發(fā)的開放性為重要原則，通常會(huì)公開發(fā)布地理信息情報(bào)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)與指南。因此，美國(guó)地理信息相關(guān)的承包商眾多，軍方在地理信息空間建設(shè)過程中需要平衡各方利益。承包商具備的新興技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬化等技術(shù)，有助于形成地理空間情報(bào)體系能力。我國(guó)商業(yè)遙感近年來蓬勃發(fā)展，商業(yè)遙感在軌衛(wèi)星已超過30 顆，但總體來看我國(guó)商業(yè)地理信息產(chǎn)業(yè)依然處于起步階段。建議我國(guó)在地理空間情報(bào)建設(shè)方面，應(yīng)以新興技術(shù)為橋梁，走出一條軍民深度融合的道路。

4 結(jié)論

地理空間情報(bào)是打贏未來戰(zhàn)爭(zhēng)、實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)制信息權(quán)的重要部分，本文從獲取平臺(tái)、傳感器樣式等方面，對(duì)美國(guó)地理空間數(shù)據(jù)獲取能力進(jìn)行了分析，著重介紹了未來美國(guó)在提升地理空間數(shù)據(jù)獲取能力方面的重要舉措，對(duì)我國(guó)地理空間能力建設(shè)具有重要的借鑒意義。