项目中文名：海洋绝对重力测量

项目英文名：Absolute marine gravimetry

学科领域：地球科学

关键词：海洋测量，重力测量，绝对重力仪，绝对重力

问题背景：

海洋重力测量无论在军事上还是在国民经济领域都有着广泛的应用。在军事领域，它可用于保障航天和战略武器发射，用于水下辅助导航；在民用领域，它可用于确定地球形状和地球内部构造，服务于海洋矿产资源勘察等。目前获取海洋重力信息的主要手段包括：海底重力测量、船载重力测量、机载海洋重力测量、卫星测高反演海洋重力场和卫星重力测量等，其中船载重力测量是海洋重力测量的常规手段。目前船载重力测量使用的是相对海洋重力仪，在开展测量之前和结束测量之后都需要进行重力基点比对，通过建立与港口码头的绝对重力点的相对关系来获取海上各个测点的实际绝对重力值，同时消除重力本身的零点漂移带来的影响。因此，重力基点比对过程必不可少。随着我国海洋重力测量从近海走向远海，从国内拓展到海外，而海外又缺乏开展重力基点比对的条件，只能返航后进行，长时间不进行基点比对无疑增加了作业过程的风险，同时，提高了对仪器长期稳定性的要求。如果能直接开展海洋绝对重力测量，则海洋重力测量过程将极大减少对码头重力基点的依赖，且可以在作业现场实时进行重力测量数据处理和质量评估，显著提升船载重力测量的灵活性，具有重要意义。

关键突破点：

当前，法国太空实验室的技术团队通过将冷原子绝对重力仪与陀螺稳定平台组合，构建了动态绝对重力测量系统，并顺利完成了船载绝对重力测量技术试验，通过与同船作业的KSS32M型海洋重力仪对比，结果表明绝对重力测量系统能够获得0.5mGal左右的测量精度，略优于同船海洋重力仪1.0mGal的测量精度。在冷原子绝对重力测量方面，国内已经基本具备了研发静态绝对重力仪的技术，浙江大学研制了自由下落式重力仪，华中科技大学研制了铷原子喷泉重力仪。主要技术难点包括：（1）原子干涉重力测量系统的小型化和工程化问题；（2）原子干涉重力测量系统与陀螺平台组合实现动态测量问题。

战略意义：

海洋重力场要素是海战场环境基础信息极其重要的组成部分，其军事应用价值非常重大。地球扰动重力场信息是校正潜地战略导弹飞行轨道的必备资料；高精度海洋重力场信息可为潜艇惯性导航和水下匹配导航等诸多军事应用领域提供重要技术支撑。此外，作为地球重力场的重要组成部分，海洋重力场信息在统一全球高程基准，精密确定境外打击目标位置，编制高精度陆海统一联合作战用图等各个方面也具有非常重要的应用价值。

二、基于深度学习的遥感影像智能解译和制图综合自动处理

项目中文名：基于深度学习的遥感影像智能解译和制图综合自动处理

项目英文名：基于深度学习的遥感影像智能解译和制图综合自动处理

学科领域：地球科学

关键词：深度学习，人工智能，影像解译，制图综合

问题背景：

基础地理信息是国家基础性和战略性信息资源，是国家信息化的权威、统一的定位基准和空间载体，应当进行定期更新或及时更新。然而，当前遥感影像信息提取、跨尺度缩编、地图制图的自动化程度不高，实际生产中仍以人工作业为主，不仅效率低下，且容易出错，严重制约着测绘地理信息生产力的进一步提升。

关键突破点：

传统的遥感影像解译和制图综合技术研究大多基于一定的规则模型，但由于难以建立严格准确的计算模型、清晰全面的算法规则，导致适用性有限、通用性不高，无法工程化生产实用。

近年来，人工智能技术飞速发展，在该领域兴起的深度学习算法，是一种全新的计算模型，能够从海量数据中自动学习，提取最有预测性的特征，进行高效的信息分类、解译和理解，进而对未来数据进行预测，已成功应用于计算机视觉、机器翻译、语音识别等领域，甚至在某些应用中表现已经超过人类水平。较于传统方法，深度学习方法具有更强的泛化和特征表达能力，通过对现有样本数据的分析，研究基于深度学习的遥感影像解译和制图综合处理方法，将给地理信息行业带来巨大的机遇和挑战。

目前，我国已建立了覆盖全国范围、涵盖三个尺度（1:5万、1:25万、1:100万）、四种类型（正射影像数据、地形要素数据、数字高程模型数据、地形图制图数据）、八个现势性版本的国家基础地理信息数据库系统，可以为深度学习的模型训练提供充足的样本。通过对现有样本数据的分析，可以构建出相应的深度学习模型，实现遥感影像解译和制图综合的自动化处理，有望取得关键技术突破，大幅提高遥感影像信息提取、跨尺度缩编、地图制图的自动化水平。

战略意义：

如果深度学习技术在遥感影像解译和制图综合领域中取得重大突破，将会大幅提高我国对地观测数据处理能力与效率，进一步提升基础地理信息这一国家基础性和战略性信息资源的应用价值，为国家经济建设、国防建设、社会发展和生态保护提供更好的基础测绘保障，为国家空间数据基础设施、数字中国建设奠定坚实的空间数据基础。

三、多源、多分辨率卫星星座组网观测信息超级融合、数字化虚拟地面站技术与应用系统

项目中文名：多源、多分辨率卫星星座组网观测信息超级融合、数字化虚拟地面站技术与应用系统

项目英文名：多源、多分辨率卫星星座组网观测信息超级融合、数字化虚拟地面站技术与应用系统

学科领域：地球科学

关键词：数字化虚拟卫星地面站；超级融合

问题背景：

1、我国遥感卫星能力日益提升，由中低分辨率向高分辨率、单颗卫星向组网方向发展。2010年批准实施的国家高分专项工程是中国国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006－2020年) 的16个重大科技专项之一，高分专项的实施建立了中国人自己的全球观测系统。

2、未来对地观测卫星技术的发展趋势仍将是向高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率方向发展。但是，面对实时在线、多源、全天候、高分辨率以及智能化信息服务的应用需求，需要发展卫星星座观测信息超级融合技术。从而解决：

不同时相、不同空间分辨率、不同光谱波段、不同传感器类型数据的智能信息融合,与地面网信息、经济社会信息等相融合；基于互联网建立卫星遥感应用向业务化“云服务”平台，将遥感对地观测信息融入到政府管理服务、企业生产经营的工作流程中去,建立持续、快捷、在线综合信息服务能力。

为此，建立卫星超级虚拟地面接收站，形成空、天、地综合观测与网络化信息共享服务体系成为必然。

关键突破点：

卫星星座观测超级虚拟数字地面站技术、卫星遥感数据处理自动化、多星多传感器联合处理技术、卫星数据与地面数据等多源信息融合技术、信息在线共享与实时分发服务技术

战略意义：

卫星星座超级虚拟数字地面站的建立，将实现我国在轨遥感卫星星座观测信息超级融合接收与智能化信息处理与服务，实现全球区域对地观测能力的融合与智能化提升，形成并提供全球区域、全天候、综合智能的观测信息服务，满足全球资源与环境的常态化监测等国家重大应用需求。

基于卫星超级虚拟地面站,整合全国甚至国外的卫星资源，构建行业用户多应用节点，与地面站形成信息交换体系, 最大限度地满足用户高频次、大范围、多信息的遥感应用需求。提供实时在线上传、定制处理、成果下传的订单式服务功能，实现信息高效共享服务与安全分发。

卫星超级虚拟地面站的建立，可极大提高数据处理的效率，满足我国年度资源监测对处理效率的要求；通过整合地面与空中资源，可丰富专题信息提取的内涵，挖掘更有价值的专题信息，为国家政府决策提供更加科学、完备的辅助信息；通过实时、在线服务能力建设，对地观测的专业用户、互联网应用服务企业、普通百姓等均可获得满足各自所需的信息支撑。

该技术难题的解决，将实现航空航天、遥感测绘、图形图像、IT、大数据、深度学习、云计算等多学科交叉融合，促进多产业链融合与技术集成。

四、全球海底地形地貌高精度高分辨率获取

项目中文名：全球海底地形地貌高精度高分辨率获取

项目英文名：Acquisition of High-precision and High-resolution Global Seabed Topography

学科领域：地球科学

关键词：全球海底地形、全球海洋声速场、多模地形获取、多源信息融合

问题背景：

海底地形地貌目前主要借助测量及测量信息融合两种途径获取。

测量方面：（1）高精度、高分辨率海底地形目前主要借助密集布线的单波束或多波束测深系统获取，前者费时费力，后者因常采用等角测量模式，测点间隔随波束入射角和深度增大而增大，边缘波束尤甚，深水区测深成果难以精细 反映海床地形；减小扫宽降低船速可提高测深成果分辨率，但效率会显著降低。（2）高分辨率海底地貌图像主要借助侧扫声呐系统来获取，较多波束测深成果分辨率提高了10～100倍，可呈现精细的海底纹理，但受测量机理和环境影响，图像存在定位不准、畸变和无法反映地物高程等缺陷。（3）相干多波束兼顾了束控多波束和侧扫声呐优点，可同时获取高精度、高分辨率地形地貌信息，但随水深增加，有效覆盖宽度变窄，边缘波束测深成果可信度降低；此外，受船姿、复杂海床等影响显著，数据处理繁琐且难度较大。（4）AUV/ROV综合测量系统可接近海底获取高分辨率地形地貌信息，但受载体定位精度和航速等影响，成果精度不高，大面积测量困难。

为解决现有测量方法获取海底地形地貌在精度、分辨率以及效率上的不足， 国内外学者根据多波束和侧扫声呐测量信息的互补性开展了融合研究， 主要包括：根据目标图像阴影，结合侧扫声呐成像机理恢复目标迎波面形状， 利用围绕目标各方向扫测图像恢复整个目标，并与测深数据融合，虽丰富了 测深成果，但存在费时费力、仅能恢复显著目标且精度不高、受图像位置不准影响难以与测深数据准确匹配融合、对测深分辨率贡献不大等问题。 （2）SFS(Shape From Shading)算法基于光照理论，根据图像明暗变化，可实现大区域高分辨率海底地形恢复，但需外部约束；仅能得到地形相对形状，缺少绝对基准和尺度信息；未考虑侧扫声呐图像位置不准和畸变问题，无法与 测深成果准确匹配融合。（3）通过目标地形等深线和对应图像轮廓线匹配，借助 前者准确位置信息解决后者位置不准问题，实现高精度地貌图像获取，但受测深分辨率及目标尺寸影响，匹配成功率较低；仅能够校正大目标图像，其他 区域问题无法解决。目前多波束系统基本均能够提供每个波束回波时序，可形成 10 倍于其测深分辨率的 Snippet图像，但在图像生成和处理及与侧扫声呐图像匹配和融合等方面研究仍需深入。

相对测量方法，信息融合方法更具优势，尽管目前研究存在诸多问题，但为高精度、高分辨率海底地形地貌信息快速获取提供了一种新途径。开展该方面的 理论和方法研究，对于进一步挖掘现有设备测量信息应用潜力、丰富高质量海底 地形地貌信息获取理论和方法、研制新型仪器设备和数据处理软件系统具有重要 促进作用。

关键突破点：

目前的进展主要表现在如下几个方面：

（1）在全海深高精度多波束测深方面已经初步形成了全套理论和方法体系，形成了原型软件系统，打破了目前多波束测深数据处理软件被国外全部垄断的现状，但在软件的完备性和性能等方面尚需进一步完善，尤其在深海测深数据处理方面。

（2）宽扫幅侧扫声呐图像处理处理方面以形成了全套理论和方法体系，形成了原型软件系统，打破了目前侧扫声呐数据处理软件被国外软件全部垄断的现状，软件性能尚需进一步完善。

（3）初步形成了基于二维侧扫声呐图像的三维海底地形反演理论和方法，将测深分辨率提高了近百倍，精度接近多波束测深结果，但仅适用单条带地形反演，对于大区域地形反演上存在理论和方法的进一步改善；此外，仍需外部水深作为约束为其提供参考框架，才能获得绝对海底地形变化。

（4）开展了大区域声速场的正交建模问题研究，在小区域获得了声速场，提高了声学测量成果精度，但对于全海域，尚需解决全球海洋声速场的构建以及无缝垂直基准的构建问题。

为实现全球海底地形地貌的高精度高分辨率获取，未来需要突破如下难点问题：

（1）声波海底反射理论和模型

（2）基于宽扫幅、大区域侧扫声呐图像的全海域海底地形反演技术；

（3）全球声速场模型的构建理论和方法

（4）全球潮汐模型精化理论和方法

（5）全球海洋无缝垂直基准面模型构建的理论和方法

（6）全球立体水深测量技术

（7）多源测深数据融合技术及全球海底地形地貌获取

（8）国产系列化测深数据处理平台系统搭建

战略意义：

（1）测深领域的一次重大变革：会显著提高海底地形获取的精度、分辨率和作业效率，为全球海底地形地貌信息的获取提供了一种全新的途径，并使我国的海洋测深技术跻身国际前列。

（2）形成较为完备的几何海洋大地测量理论和方法体系：弥补几何大地测量在海洋垂直基准方面理论体系的不完备，为全球海上作业提供高精度的绝对参考基准面和瞬时绝对起算基准。

（3）为海洋调查设备研发提供理论和方法支撑：形成的理论方法支撑大扫宽、高精度、高分辨率、自主海洋调查设备研发，填补我国空白。

（4）填补我国全球海底地形地貌大面积空缺，解决目标无法保障“走出去、走得远”难题，为我国的“海洋强国战略”实施提供基础保障。

五、地磁场的导航定位技术发展与推广应用

项目中文名：地磁场的导航定位技术发展与推广应用

项目英文名：Development and Application of Geomagnetic Navigation and Positioning Technology

学科领域：地球科学

关键词：地磁匹配导航、无源导航、水下导航、室内定位

问题背景：

基于地球磁场这一固有特性及可测绘性，地磁导航定位技术以其自主性强，隐蔽性好，效费比高，应用范围广等优良特征，逐渐成为导航系统中一个重要分支，其作为一种新兴的导航技术，具有不受地形、位置、气候等外部环境限制，可实现全地域、全天候导航和定位的优点，能够有效弥补现有导航方法的不足，具有广阔的应用前景。

自20世纪60年代美国提出MAGCOM系统开始，全球各个国家相继开展基于地磁场的导航定位技术的研究，并已相继广泛应用于卫星自主导航、导弹制导、潜艇水下导航等军事领域，增强了导弹的突防能力，提高了潜艇的水下导航精度。目前国际上利用机载铯光泵和惯导装置，在低空范围内无干扰环境条件下，结合高质量地磁图，实现了15m精度的定位。在民用方面，2012年芬兰IndoorAtlas公司成立，当前该公司已实现精度达0.1米至2米室内定位技术，为室内精确导航提供了前所未有的机遇。

近十几年，我国在地磁场测量、磁传感器、地磁匹配导航方面做了许多研究和工作，但是大部分研究还是集中于方法研究，多用模拟数据或简单的实测资料，目前地磁匹配导航技术在军事装备上的成功应用还未见相关资料，而国内较少的基于地磁信息的室内高精度导航定位平台鲜见成熟。

当前军事发展及海战场建设对导弹及潜艇导航性能和稳定性急需提高，经济快速发展也对高精度室内导航提出更高要求，地磁导航定位技术作用及需求凸显。与我国北斗导航系统的快速发展形成鲜明对比，地磁导航定位技术还有许多工作要做，期望国家重视地磁导航技术方面的基础理论研究，分阶段攻关并突破关键技术瓶颈。

关键突破点：

1、高精确度的地磁场模型和地磁图制备。

针对高精度要求的导航技术的应用场合，要配备地磁图设备以及地磁场模型。目前国际上已公布多类型多用途地磁场模型上百种，时间尺度涵盖近7000年，空间分辨率可达几km；而我国也开始加大了该项技术的投入力度，每隔十年对我国的地磁图进行重新绘制的工作，即便如此，我国当前的地磁图以及地磁场模型远远无法适应高精确度要求的现代化社会发展，急需构建全国范围内的地磁基准，绘制主磁场、地壳磁异常、时变场模型和磁图等。

2、磁场干扰的消除与补偿。

实际的应用对象例如巡航导弹对测磁仪器的响应速度、分辨率、环境适应性和抗干扰性等均有很高的要求。由于地磁场的微弱特性，如何排除各种干扰，或者说是如何从各种干扰磁场中分离出导航所需要的地磁场信号，是一个关键性技术问题，也是限制地磁导航最终投入使用的瓶颈因素之一。

虽然我国已经开发出多种针对弱磁性磁场进行测量的高性能设备，但是在清除干扰磁场方面，仍然存在着不足之处，包括两方面：一是对于地磁场时变部分的特性研究和产生机理不够全面，还不能够高精度的完全反演出地磁场随时间的变化；二是载体自身的干扰磁场，重在分析其干扰影响、如何消除及补偿、以及载体材料的选用等，例如对于低频电器干扰磁场，由于难于屏蔽，无法滤波分离，更难以建模补偿。

3、地磁场匹配导航定位方法。

在地磁导航技术的发展过程中, 逐渐形成了地磁滤波导航技术和地磁匹配导航技术两个方向，目前国内对导航算法进行了详细的研究，各种方法相对成熟，难点在于地磁匹配特征量的选取、算法的实现、参数的选取等方面。

4、组合导航。

随着科学技术的飞速发展，地磁学与测绘学、空间物理学的交叉与综合不断加强，其在导航领域展现了巨大的军事潜力。尤其是地磁导航及其与GPS、惯性系统组成的复合导航，具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、体积小、能耗低的优良特征，这种组合导航技术的发展，成为推动现代新军事变革的重要技术力量。以地磁场为参照的组合导航技术是地磁导航这一研究领域中的重要技术难点与热点。

5、磁敏感器的研发。

目前磁敏感器种类繁多，包括线圈式磁传感器、磁通门传感器、霍尔元件传感器、磁阻传感器、巨磁阻传感器，如何实现高精度、高分辨率、高稳定性能的低成本磁敏感器，是实现地磁导航应用推广的关键。

战略意义：

地磁导航在导航、制导领域具有很大潜力：

1、应用于导弹制导方面，地磁匹配技术可提高导弹稳定性及抗干扰性，并且可实现机动的变轨制导，使导弹能够沿着大气层边缘或者地磁等值线飞行，将极大增强导弹的突防能力，有效应对反弹道导弹拦截系统；

2、利用地磁导航可以实现自主式的卫星导航和控制, 可有效降低卫星运行对地面站的依赖作用，即使地面跟踪测量被迫中断仍可保持飞行任务的连续性，提高了卫星生存能力，且减少地面设备的工作量，缓解因国土限制造成的地面测控站布点的困难, 降低为保障卫星运行所提供的地面支持的费用；

3、我国及全球的地磁场模型及地磁场实时高精度监测能够为战场环境保障提供支撑，为战场信息对抗、空间环境预报等提供技术支持；

4、地磁导航系统的开发与应用将延长航行器（战略潜艇）的重调周期，提高其远程导航精度与导航自主能力，提高隐蔽性与生存能力，具有重要的军事价值；

5、高精度的地磁图构建和地磁补偿技术的实现，能够补偿潜艇对外部磁场的影响，从而增强潜艇反潜技术，还可以为基于磁敏感器的车辆识别、车辆智能管理等提供支持；

6、地磁导航是实现室内导航及定位最为简单易行也最可行的方法，2018年全球室内定位市场规模将达到40亿美元，且有逐渐增长的趋势，地磁匹配导航平台的成功搭建和推广，将与GPS一样创造巨大的社会效益。

六、多源遥感数据的蚀变遥感异常提取机理研究

项目中文名：多源遥感数据的蚀变遥感异常提取机理研究

项目英文名：Researching on anomaly extraction mechanism based on multi-source remote sensing data

学科领域：地球科学

关键词：多源遥感数据，矿化蚀变，遥感异常，光谱特征，遥感异常填图

问题背景：

遥感数据作为一类重要的空间信息源，以其多尺度、多平台、实效性而在地球系统科学及各分支科学研究广泛应用，巨大的需求催生了不断更新的传感器，这些传感器的光谱、空间、时间和辐射分辨率不断提高，极大地提高了遥感识别精细程度、对地分辨本领和观测尺度。另外，由于各种传感器所获得的可见光-近红外-中红外-远红外-高光谱-微波等影像数据与日俱增，它们在同一区域构成了多波段-多时相乃至多极化、多角度的多源数据。这些多源遥感数据的综合使用可以克服单一遥感数据源的不完全性和不确定性，减少图像理解的模糊性，提高遥感数据的应用效果和实用价值。

地质领域是遥感最早和最成功的应用领域之一，遥感地质学科建立也有几十年的历史，遥感地质填图、遥感蚀变带提取技术已经称为找矿的重要手段之一。岩性识别、地质构造解译、矿化蚀变信息提取等工作为区域遥感找矿提供了强有力的支持。并已形成了遥感地质学这门新的学科广泛服务于地质研究（朱亮璞，1994；方洪宾等，2002；Gta,2003），如地质构造研究，矿产资源勘探，区域地质调查，环境和灾害地质监测等(例如：Rowanetal.,1977；GoetZetal.,1953；Boardmanctal.,1995；Kruseetal.,2003)，针对这一领域而进行开发的遥感方法具有典型性和代表性。

伴随着我国经济高速、可持续发展，迅速增加了矿产资源、能源的需求量，目前，45种主要矿产的现有储量，只有24种能保证2010年需求，只有6种能保证2020年需要，找矿工作形势严峻。对比传统野外矿产调查存在的限制和风险（风餐露宿、跋山涉水、路遇险情等），遥感技术优势在于全域式调查（可进入无人区）、无侵入式调查（无污染）、高效式调查（快速缩小靶区）。遥感技术作为最有效的对地观测手段之一，需要发挥更加重要的作用。遥感技术在矿产勘查中的最直接应用是矿物蚀变信息提取。由蚀变矿物构成的蚀变岩石与其周围的岩石反射光谱特征存在着较大的差异，蚀变岩石在某些特定的光谱波段形成了特定的光谱异常。因此，从遥感数据中提取有关成矿围岩蚀变矿化信息将为成矿预测提供重要依据。

关键突破点：

1．就遥感异常提取的地学模型进行详细的归纳和总结，建立矿化类型-交代蚀变类型-主要矿种-矿床的成因类型和矿床类型之间的直接联系；

2．提出应用多源遥感数据的不同波段所能反映的蚀变矿物的不同诊断特征来建立多波段遥感数据的蚀变信息提取模型，并对该模型成立的物理基础用数学的方法进行了推导实现了不同源遥感数据的反射率归一化算法，实现不同源遥感数据的综合利用；

3．提出了以高光谱数据的图像光谱的分形信号特征提取高光谱数据的交代蚀变信息。基于高光谱曲线分形信号算法的交代蚀变矿物提取的方法可以详细刻画光谱曲线局部特征，突出需要强调的信息，较传统算法有一定的优越性；

战略意义：

当前的多源遥感数据综合应用水平不高，多元地学数据综合利用水平更是如此，导致大量的数据未获得充分的挖掘利用，造成极大的浪费。本课题研究成果能够切实提高多源遥感数据的综合利用，降低数据获取的难度与成本，并通过定量地学方法系统挖掘现有地物化遥数据的综合潜力。可以显著综合提高勘查精度与找矿水平，在不投入或少投入勘查成本的情况下获得更高的找矿成果。

七、服务人工智能的新型测绘技术

项目中文名：服务人工智能的新型测绘技术

项目英文名：New mapping technology for artificial intelligence services

学科领域：地球科学

关键词：新型测绘技术，人工智能，结构化实体三维，城市仿真

项目内容：

当代ICT数字技术和数字基础设施将被各行各业广泛应用，数字技术从以前的支撑系统发展成决策系统。伴随着这个变化，产生了平台型产业，5G、云计算、人工智能等新技术，将变得越来越重要，成为驱动万物互联、智慧社会的一个关键。

所有这些虚实结合的动向，也将发生在测绘地理信息行业。一些工业人工智能的先驱为实现虚实融合纷纷“找上门来”，寻求测绘地信界的支持，也就是要获得地学界对现实空间的数字描述。

既然是三维，就不是地图，而是模型，分辨率从过去的30m、10m、5m、1m，到人工智能时代分辨率要求提高到0.01m甚至更高，同时还提出与这个分辨率相适应的绝对精度和相对精度以及高动态的要求。过去城市每三个月更新一次，现在要求每天、每小时甚至在自动驾驶中达到秒级的更新频率。

为了能在云端产出知识进行决策，还要求这些数据是计算机能够“读懂”的，而不只是面向人眼观察的无结构数据。结构化实体三维首先要有实体分类体系，其次是要对象化，第三是每个对象具有便于管理、查询、统计分析的丰富属性。

这种结构化实体三维的构思也体现在当前流行的深度学习之中。语义分割就是对各类数据进行分类提取，实例分割就是对实体进行个体区分，对象的属性则是存放在业务部门的数据库里（例如罪犯的犯罪记录），这反映出人工智能赖以进行决策用到的基础数据也一定是结构化的（被称为“会说话”的数据），而不是我们现在用刀片机工厂化处理后的正射影像、mesh模型之类的无结构数据。

归结到一点，当代社会要求的新型测绘技术就是对人类活动留在“地表圈”（室外、室内、地下）的“对象”建立高清、高精、高动态的结构化实体三维，并结合与云平台的“虚实融合”来迎接万物智慧化时代！

这种Cyber空间与GIS空间的融合前所未有，这一切来得如此之快，测绘地理信息行业必须加紧应对。

关键难点：

4.1结构化三维技术体系最新进展

4.1.1实体分类体系的建立

1）必要性：测绘人做事都是要标准先行，我们的目的是建立结构化的实体三维，制定客观世界的实体分类体系。

2）已有成果：已经初步建成城市道路实体三维分类体系。目前已有十二大类，近百子类。

4.1.2 室外移动建模测量系统

1）必要性：城市实体三维模型基础数据大部分来自移动激光建模测量系统。

2）已有成果：车载激光建模测量系统已经过多年研究，目前已生产及销售近20套，实现销售近四千万。

4.1.3 室内建模系统

1）必要性：人类活动留下的痕迹80%都在室内，新测绘技术将攻克室内建模这一难关。

2）已有成果：已经使用深度相机、手机录像做过一些试验。

4.1.4 由三种自动提取组成的冗余高可靠全自动提取软件开发

1）必要性：无结构的三维模型的生产是基于刀片机工厂化后处理软件，有结构的三维模型后处理，需要智能化的后处理软件，用到CPU私有云、GPU集成运算。智能化后处理的核心就是自动提取、语义分割…

4.1.5 众包交互编辑

1）必要性：无论激光还是影像，都会遇到遮挡问题，解决这个问题的有效途径是手机拍照或者录像，然后对模型“打补丁”。这个交互不依赖于专业人员去处理，而是依靠广大网民，对自己所在的位置的模型进行网上补建，以及人文属性以众包的形式来录入。

2）已有成果：目前尚未开展。

4.1.6 一键化白模生产

1）必要性

①卫星、航空影像、正射影像、mesh模型都是为人眼观察设计的，很直观，受大众欢迎，但“不会说话”，计算机看不懂！而结构化实体三维是面向计算机的，其结构化本质体现为对每个对象进行建模所需的充分且必要的三维结构矢量，这个结构矢量的集合起名为“白模”。当然还保存了每个实体所对应的一行属性项。

②白模比较抽象、不直观，没有身临其境的感觉，但是数据量小、节点少，便于知识产出时统计分析计算。

③有利于将来在此基础上的虚实空间融合。

2）已有成果：

4.1.7 实体导航

近年来，导航地图逐步向精度更高、要素精细、提供自动驾驶和增强现实导航系统服务的方向发展，进而导航公司对地理信息数据采集也提出了新的要求。人们一直期待的真三维实体导航将会出现，给驾驶员和行人以全新的导航体验，克服了许多二维导航的缺陷。

4.2 关键难点与挑战

面向人类活动的“地表圈”对象，建立高清、高精、高动态的结构化实体三维的目标，需要开发室内外数据采集系统，并重点开发高可靠、自动化的空间特征提取技术、语义分割技术、三维建模技术，关键难点如下：

①完善城市室外实体三维分类体系，制定室内实体三维分类体系；

②自主研发高精度轻量级室内空间数据获取装备：包括推扫、背包、室内无人机等多种作业方式，重点解决视觉+激光的混合定位技术，多重扫描的激光点云的一致性技术；

③开发室内外点云+视觉的联合自动建模技术体系，包括：无序点云的自动规则化技术；点云+影像的联合自动分割、单体化及建模；单体化模型的语义确认等。实现非遮挡区自动建模成功率逼近100%，并实现一键化白模构建；

④开发自主知识产权的结构化实体三维处理云平台，提供结构化实体模型交互编辑、更新及融合的众包方案，并利用手机拍照等多种建模方式对遮挡区“打补丁”；

⑤研究无结构mesh模型（如倾斜实景模型）的结构化改造技术，实现一键特征提取及单体化。

⑥基于结构化白模的应用研究：

实体导航：完善已有的实体导航软件，与导航公司合作，连接导航公司云平台中的兴趣点等语义信息，实现真三维实体导航，先用本地白模数据，进而与5G时代发展成真三维模型导航甚至发展成受控于日期、天气、日夜的导航体验。

可查询AR：通过手机拍照，自动与云端白模比对，调取白模属性，实现虚拟查询。

无源定位：通过现场实景影像与白模生成的虚拟特征影像进行云端匹配，实现实景定位。例如自动驾驶服务。

战略必要性：

1）关系到2030占领AI全球领先战略的实现

人工智能在测绘活动里扮演很重要的角色，以此为契机，地理信息数据生产将会由手工为主变为全自动为主的生产模式，实现了数字测绘→信息测绘→智能测绘的第三个转变。

实现地理信息应用和生产过程的大众化（移动终端的三维地理信息服务和基于手机App的泛在测绘），只有实现大众化应用，地理信息产业的产值才可能达到万亿以上。

2）更好的以地理信息向社会民众提供服务，助力中国5G智能手机的国际竞争

随着地理信息应用的深入开展，社会对地理信息服务的要求将会出现“四化”：精细化、精确化、真实化、智能化。当前传统的地理信息数据采集基于最高50cm下视卫星资料只占地理信息服务的10%左右，如果加上航空和斜片，最高可达到6cm的资料，可以满足对地理信息服务的17%，剩下的83%将会出现在地下空间和室内空间（因为人类活动83%活动都在室内）。

传统的基于二维的地理信息服务已经走到尽头，下一代的地理信息服务肯定是直接基于三维的服务，就像机械设计，当代的机械设计已经直接在三维上进行，而不需要二三维联动或切片成二维再进行设计。

八、空天地实时毫米级无缝监测技术

项目中文名：空天地实时毫米级无缝监测技术

项目英文名：Space-Air-Ground Real-time Millimeter Monitoring Technology

学科领域：地球科学

关键词：卫星导航、遥感、地理信息系统、工程测量

项目内容：

我国是世界上地质灾害最为严重的国家之一，自“十二五”和“十三五”防灾减灾计划实施以来，我国在地质灾害监测预警领域取得了显著进展，有力支撑了从国家到地方各级政府应对地质灾害的能力。然而，由于我国疆域辽阔、地形复杂、气候多样、地质特殊，特大地质灾害分布十分广泛，造成了严重的人民生命财产损失、甚至是毁灭性的灾难。实施空天地实时毫米级无缝测绘技术对地质灾害的防灾减灾至关重要。目前我国在特大地质灾害的高精度实时测绘和预警技术方面仍处于起步阶段，存在测量装备适应性差、精度低、成本高等问题，难以实现实时跟踪监测，且及时识别并精准预警水平低，导致总体先进性不足。为提升我国地质灾害防灾减灾水平，根据习近平主席2018年10月中央财经委员会第三次会议“实施自然灾害监测预警信息化工程”、“实施自然灾害防治技术装备现代化工程”精神，急需研发特大地质灾害高精度实时测绘先进装备，建立无缝实时监测技术及精准实时预警方法，形成现代化地质灾害智能监测预警体系。这项工作对于显著提升我国对地质灾害的防治水平具有重要意义。

关键突破点：

空天多源遥感技术在区域地质灾害动态跟踪方面已进入应用阶段，但复杂环境下其适应能力差，无法满足特大地质灾害快速动态跟踪需求。地质灾害地表矢量监测装备自动化和专业化程度不断提升，但仍无法兼容低成本、小型化和高精度，监测装备的智能化程度也远不成熟，限制了在地质灾害监测中的大规模应用推广。地基SAR监测已得到实际应用检验，但适用于特大地质灾害实时监测技术仍处于探索阶段，亟待研发大视场地基SAR特大地质灾害三维变形监测技术及装备。多源异构信息协同的地质灾害预警已成发展趋势，但数据同化集成技术尚待突破。

针对我国在特大地质灾害监测装备适应性差、精度低、成本高的问题，需突破关键核心技术，研发高精度、高稳定性、智能化、便携的实时测绘装备，推动防灾减灾专用仪器设备的国产化和现代化；针对地质灾害实时跟踪监测存在监测手段单一、监测精度低的技术瓶颈，构建空天地内一体化立体监测网络，实时获取多层次多尺度关键监测指标；研究多传感监测数据协同处理技术，建立基于长时间序列监测数据自学习自校正实时预警模型和监测预警云平台，实现特大地质灾害动态精准预警。

战略意义：

随着我国经济建设高速发展，一些重大工程相继在地质条件复杂、滑坡等灾变地质灾害多发的地区规划和建设，如三峡工程、西南三江大型水电群、南水北调西线工程、西气东输工程和西电东送工程等。这些国计民生的重大工程实施过程及建成运行中，会加剧或引发新的地质灾害，严重威胁工程安全和环境安全。在重大工程规划、建设和运行过程中，科学有效地避免和减轻重大地质灾害的危害，是摆在我们面前的一项刻不容缓的课题。重大地质灾害造成的损失和影响已引起社会的广泛关注和国家的高度重视，是实现国民经济战略目标的重大而迫切的需求。开展特大地质灾害先进监测技术体系，构建空天地内四位一体无缝实时监测预警系统，对于提高地质灾害监测技术水平，保障人民生命财产和安全有序开展，重大工程规划、建设及运行可靠地质环境保障，具有巨大的经济价值与广泛的社会意义。

问题九：特大滑坡实时监测与预警技术及装备研究

项目中文名：特大滑坡实时监测与预警技术及装备研究

项目英文名：Research on Real-time Monitoring and Early Warning Technology and Equipment for Extra-large Landslides

学科领域：地球科学

关键词：多源卫星融合定位；地基合成孔径雷达；滑坡应力场监测；深度学习实时预警

问题背景：

我国自然灾害频发，据不完全统计，2010年我国舟曲发生了本世纪最严重的泥石流，巴西、委内瑞拉等国家也发生了泥石流等严重的灾害事件；2014年我国云南鲁甸、四川康定、重庆乐山等地地震频发，滑坡灾害严重；2015年在中国西藏发生地震、湘鄂黔等南方地区洪涝风雹、陕西山阳滑坡等重大自然灾害十多起； 2017年2月13日美国最高的水坝-奥罗维尔水坝决口；2018年10月11日，西藏自治区昌都市江达县与四川省甘孜藏族自治州白玉县交界处发生山体滑坡，导致金沙江断流并形成堰塞湖。这些灾害特别是特大滑坡给人类带来了巨大的生命和财产损失。

各种传感器技术，如全球定位系统（Global Navigation Satellite System(GNSS)、地基合成孔径雷达，三维激光扫描，近景摄影测量和无线传感器网络等逐渐应用到滑坡监测中，但每种技术都有自己的优势和不足，如何研制便携式智能化集成多传感器的特大滑坡实时监测装备，快速获取其表面空间位置信息和内部物理状态信息，将各种传感器获取的信息进行融合，建立长时间序列多源监测数据融合处理理论与方法，设计基于自学习方法的实时分析预警算法，提高滑坡监测预警的准确性和科学性，是当前亟需解决的重大工程技术难题，以便最大程度减少灾害带来的损失，为防灾减灾科学决策服务。

关键突破点：

目前特大滑坡监测采用的手段相对单一，而且设备成本高，特别是在应急阶段，数据获取的实时性不能完全满足灾害应急监测需要，预警模型的准确性与科学性还有待进一步提高。针对以上问题，主要在以下关键难点开展技术攻关。

1．多源卫星异构星座融合的高精度定位技术研究

研究北斗高轨卫星、GPS 中轨卫星、近地伪卫星的多源卫星融合定位算法，研究特大滑坡地表点状式三维矢量变形实时监测技术。研究北斗/GPS/伪卫星异构星座融合定位的数学模型，通过实验优化各类卫星的权比，提高滑坡区域实时地表位移监测精度和可靠性。力争多源卫星融合实时定位精度达到平面5mm，高程10mm。

2．地基大视场合成孔径雷达监测装备研制

研究基于弧扫和平移轨道合成孔径雷达时空连续高精度监测的方法，研制地基大视角合成孔径雷达监测装备。首先通过仿真模型，优化装备的设计参数，通过现场实验，明确装备设计方案及各组成单元参数；研制地基大视场合成孔径雷达原理样机，开展滑坡的观测实验，验证算法与性能。地基大视场合成孔径雷达变形监测精度优于0.1mm，最大作用距离5km，视场范围≥120°，观测角度调节范围大于等于±120°

3．滑坡渗流场和应力场多源信息融合的监测预警技术研究与一体化装备研制

研究特大滑坡的渗流场、应力场分布规律，提出滑坡应力监测理论，研制滑坡三维应力监测传感器；通过室内实验与现场实测，研制滑坡应力、渗压多源信息融合的一体化监测装备。

4．便携式监测预警智能装备研制

研究天基、地基混合组网技术，实现特大滑坡突发灾害下的实时数据稳定传输；研制具有多种传感器信息实时获取与处理的便携式智能装备。基于高性能工控电脑，扩展天基（天基物联网）和地基（4G 网络、微波等）的通信接口，实现信息的获取与格式转换；对多种传感器采集的数据进行融合处理并进行现场预警；并将监测信息传输至云服务器。便携式监测智能装备响应时间≤20 s，可监测参数多样化。

5．基于长时间序列监测数据的自学习实时预警系统研究

研究多种传感器监测数据的时空变化特征，以自学习方法为核心，设计实时分析预警算法，构建长时序监测数据的实时预警系统。进行多源数据特征提取与时间同步，开展时空变化特征分析。采用贝叶斯估计、卡尔曼滤波等算法进行数据融合；构建长时序监测数据的自学习实时预警系统。

战略意义：

本问题取得突破后，可对我国自然灾害监测，尤其是特大滑坡实时监测与预警方面产生重大影响，对大型国家基础设施和重大工程的健康监测也有重大作用，主要体现在：

1．提出的基于北斗高轨卫星、GPS 中轨卫星、近地伪卫星的多源异构星座的融合定位理论、方法和技术，对更好推动北斗在重大自然灾害监测中的应用起到推动作用。

2.研制具有自主知识产权的基于弧扫与平移轨道合成的地基大视场合成孔径雷达滑坡监测装备。实现大视角、远距离条件下的高精度目标形变监测，该装备在国产化方面实现突破。为《国家地理信息产业发展规划（2014-2020年）》规划中提到国产高端地面测绘装备力争国内市场占有率达到50%以上提供强大的装备保障，极大降低重大自然灾害监测的成本，具有明显的经济效益。

3．可进一步促进我国的重大自然与工程灾害监测预警领域的技术进步，建立国家重大灾害监测技术标准体系，促进科学救灾，减少生命和财产损失，具有不可估量的社会效益。

问题十：毫米级精度参考框架维持与地球变化监测

项目中文名：毫米级精度参考框架维持与地球变化监测

项目英文名：Millimeter precision reference frame maintenance and Earth change monitoring

学科领域：地球科学

关键词：参考系统、参考框架、大地测量、地球变化、监测

项目内容：

GNSS/VLBI/SLR等空间大地测量连续观测不仅可以实现地面点高精度定位，还可监测地球整体运动变化和地表微小变化。研究表明，利用现代大地测量观测技术有望精确测量和连续监测地球系统的物质运动及其地球动力学过程，包括全球或区域地表几何形状(固体地球、冰面和海洋) 及其时变特征，这种变化包括水平和垂直方向变化，在时间尺度上有瞬时变化特征, 也有长期缓慢变化特征；高精度、高分辨率监测地球自转及其变化, 由于地球自转变化可视作地球内部、地球表面和地球外部以及地球和日月相互作用角动量交换过程，因此这项研究工作在地球动力系统研究中具有重要科学价值；探求地球重力场, 包括静态地球重力场和由于地球系统物质交换(固体地球、液核、大气、海洋等) 所引起的随时间变化的重力场；利用空间大地测量遥感技术还可监测大气、海洋等变化。

上述高精度地球变化监测的基础是地球参考系统理论与地球参考框架建立与维持技术。上世纪90年，地球参考系统理论发生了革命性变革，传统以地面观测技术为主的静态、区域地球参考框架已被动态、全球地球参考框架理论所取代。地球参考系统通过坐标系统定向、原点、尺度,并通过参考框架的建立与维持(时间演变)实现,其在描述空间位置和监测地球变化中具有极其重要的地位，也是卫星对地观测和导航定位应用的基础。

地球参考框架的精度和可靠性直接关系到地面点空间位置描述的准确性和对地观测结果的可靠性。然而由于地球是一个不断运动的动力系统，地球参考框架主要由附着在地面的一系列测站构成，其不但随地球板块漂移而不断运动，还受水平构造/非构造形变影响、地面沉降和垂直负荷形变等复杂非线性时变因素影响。因此，监测地球变化首先需要监测地球参考框架点的变化，研究其中规则变化的物理机制，并对其进行模型化，从而实现地球参考框架的高精度维持，为地球科学研究和高精度导航定位提供一个稳定、可靠的空间参考基准。

关键突破点：

最近十年来，国际IAG提出21世纪提出构建全球大地测量观测系统（GGOS）, 综合利用多种空间大地测量观测技术和方法，以更高精度和更高分辨率监测地球系统及其全球变化。GGOS对地球参考系统理论、地球参考框架的分布密度、框架点监测与维持技术方法等提出了更高要求。近年来，IAG进一步促进GGOS政府间委员会（GIC）的建立，通过全世界合作建立更完善的全球观测系统。

2015年2月26日，第69届联合国大会通过“促进可持续发展的全球大地测量参考框架”的决议，使全球各类地理信息产品统一到一个空间参考系统中，以更精确地对全球变化、海平面变化、自然资源环境、土地利用等进行有效监测，促进经济社会可持续发展。

国际地球参考框架2014（ITRF 2014）首次考虑框架点的非线性运动，从而消除了水平方向地震同震形变和高程方向年周期等运动等影响。然而，地球参考框架的非线性运动非常复杂，例如复杂的区域构造形变影响、复杂的环境负荷影响等。因此，服务于全球和区域地球变化监测的亚毫米级地球参考系统建立与维持理论方法还有待深入研究；同时，地球变化监测离不开高密度的区域大地测量观测，因此，全球与区域大地测量基准的高精度连接、全球与区域大地测量协同监测地球变化等也有待深入，具体包括：

（1）顾及框架点复杂非线性运动影响的地球参考系统理论，重点解决高程方向各种构造/非构造形变的复杂模型化问题；

（2）长期（大于5年）非线性全球地球参考框架的维持精度达到毫米精度水平，长期非线性区域坐标参考框架（大于10年）的维持精度达到1厘米精度水平；

（3）短期（小于24小时）坐标参考框架精度达到亚毫米级精度水平；

（4）全球/区域大地测量观测系统构建及其全球/区域地球变化监测服务，建立与全球地球参考框架关系明确的高精度区域坐标参考框架；

（5）厘米级精度全球高程基准的建立与维持，以及厘米级精度全球垂直基准的建立与维持；

（6）研究揭示大地测量观测与监测动态地球系统变化的深层机理，建立多技术最优组合、全球尺度与区域协同、长时间尺度与短时间尺度变化相结合的多层次全球变化监测技术体系。

战略意义：

大地测量监测全球变化已成为未来学科发展重要方向和大地测量学科主要服务对象。进入21世纪以来，全球变化及其影响已经成为全人类广泛关注的焦点，是当今国际科学领域热点研究方向，也是世界各国和社会公众普遍关注的热点问题。全球变化随着全球环境问题加剧和人类对动态地球系统认知程度不断深化而被提出和研究。

动态参考系统理论及其参考框架维持技术方法的突破是开展地球变化高精度监测的基础，可为解决当今人类可持续发展面临的环境、资源和灾害等问题提供技术和信息。地球内部的动力过程及其相关的物质迁移导致板块构造运动、火山活动、地震等，这些变化可在高精度动态地球参考框架中描述和感知，即地球动力学过程可被大地测量几何、重力场和地球自转等大地测量进行捕获并监测。

建立与维持国家空间基准一直都是国家大地测量的核心任务。我国正处在社会经济快速发展期，建设数字城市、数字区域、智慧城市、智能交通都离不开高精度区域坐标参考框架。国家地心坐标框架维持与国家区域大地测量监测可为获取全国自然资源的空间分布及其随时间变化等信息，为全国土地、矿产、水源、海洋等资源调查与监测工作提供高精度空间参考基准。