美國地理空間情報數據獲取能力及啟示

許夙暉，楊國鵬，邢 平，支 熙

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

0 引言

現代戰爭已全面進入信息主導的時代，戰場控制權核心在于制信息權。地理空間情報（Geospatial Intelligence，GEOINT）是戰場上實現信息優勢的重要途徑，其概念于2002 年由美國首次提出，其定義為：對圖像和地理空間信息的開發與分析，以描述、評估并可視化地表示地球上的物理特征和地理相關活動。地理空間情報綜合了包括測繪、情報、圖像等在內的多門專業領域。經過多年的發展，美國已經建成了由國家地理空間情報系統（NSG）、英聯邦國家地理空間情報系統（ASG）以及由眾多情報機構組成的成熟完備的地理空間情報體系。在國防、國際救援、打擊恐怖主義等多種行動中，地理空間情報發揮了重要作用［1-4］。美軍在戰場上通過地理空間情報，形成各種產品以滿足特定的戰場任務類型：1）任務/事件準備。包括識別關鍵地標以及現有或潛在的危險。通常通過地圖或圖像來識別建筑物，路線，水深，地形特征，障礙物和威脅等元素，保證導航安全。2）評估。分析圖像或地圖內容。如通過某個機場圖像，識別機場上停放的飛機及其他設施信息，結合之前信息評估其可能正在進行的活動類型。3）檢測。使用可見光或雷達傳感器檢測不易識別的天然或人造材料，例如檢測偽裝。總之，地理空間情報提供場景或環境的通用、精確的地理位置可視化服務，以實現戰場上不同組織之間的計劃和協作。

地理空間情報有3 個要素：影像，影像情報和地理空間信息。這3 個基礎要素共同構成完整的地理空間情報產品，如圖1 所示。影像是由各種平臺搭載的可見光和雷達傳感器獲得，是地理信息最直觀的表達形式；影像情報是通過對影像及相關資料的解譯或分析獲得的技術、地理和情報信息，其源于對各種保密或公開的數據進行專業、系統的分析；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、人口數據等。

圖1 地理空間情報的3 個要素

地理空間情報數據的收集與獲取是情報周期“任務規劃、收集獲取、處理、開發和傳播”模型（TCPED）的重要一環，是一項長期而有計劃的工作［6］，實時精準的地理空間情報獲取能力，逐漸成為現代軍隊作戰能力的重要組成部分。本文分析了美國地理空間情報數據的獲取能力現狀，及美國在地理空間情報數據獲取方面最新的舉措，為我國地理空間情報數據建設作為參考。

1 美國地理空間情報數據獲取能力分析

1.1 影像獲取平臺多樣化、實時化與全球化

美國十分重視發展地理空間情報影像協同觀測能力，影像獲取平臺從單一數據源向天空地多源協同、一體化數據獲取方向發展。美國已經建立形成集陸、海、空、天的影像采集平臺，能夠發現并采集世界各地的地理空間情報數據。平臺類型細分及各自特點如表1 所示：星載平臺由政府衛星和商業衛星構成，星載平臺可以實現全天候對地觀測，與政府衛星相比，商業衛星在觀測范圍、數據體量上優勢明顯；空基平臺包括中高空有人或無人飛行器；陸基平臺的傳感器可以靈活地置于建筑物、車輛等多種陸上載體中；海洋采集平臺包括船舶、浮標等在內的海上、海面、海下平臺設施。不同平臺有觀測高度、傳感器類型、覆蓋程度、可用性、實時性、安全性的差異，在軍事上可以滿足多域作戰中地理空間情報保障需求。

表1 美國地理空間情報數據獲取平臺

按照成像原理分為被動或主動，地理空間情報影像傳感器類型分為光電傳感器和雷達傳感器兩大類。兩類傳感器的細分類別及其特別用途如表2所示。光電傳感器接收觀測對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，雷達影像則是由平臺主動向觀測對象發射微波、無線電波脈沖，之后處理由接收對象返回的信號形成的黑白影像。不同于光電傳感器，雷達傳感器可以進行全天時、全天候對地實施觀測，并具有一定的地表穿透能力。由于單個傳感器對觀測能力有限，因此，在美國地理空間情報活動中需要對多種傳感器捕獲的影像進行融合與相互印證。

表2 傳感器類型及特點

隨著平臺技術發展和傳感器密度不斷提高，各種來源的影像數據量激增，如何有效管理獲取的數據成為了重要難題。美國地理空間情報局（NGA）正在發展從多個來源發現、集成和管理多時態多維數據的能力，具體包括：對同一對象的多個觀測值和相似目標的自動驗證；對不同坐標系和高程基準數據集的自動統一；對數據格式的自動調整對齊；對數據內容的自動分類和對元數制的自動標記，以便之后的數據檢索應用。

1.2 數據采集融合為地理空間信息

不同平臺、傳感器采集到的地理空間情報數據，經過與開源信息的加工融合形成地理空間信息。美國將地理空間信息劃為7 個類別，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：與航空導航安全性有關的信息，例如垂直障礙物信息、禁飛區信息、飛行路線、進場程序、機場設施和布局以及航空圖。

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

3）地形信息：有關導航信息的安全性的信息，例如可通行性和移動障礙物，以及其他與地面相關的信息：包括基礎設施（道路，電網）、人工特征、人口數據、植被和水文信息。地形信息還包括地理空間數據庫內網絡元素的連通性，以實現基于地面的路線規劃、導航和水文分析。

4）高程信息：關于地球上或與地球有關的物體高度的信息。高程數據包括地表以上、地表或地表以下目標的高度。

5）人文地理信息：指的是對人的活動與地理環境之間的相互聯系進行分析，其目的在于分析一個區域或人口中采取的行動對另一個區域或人口的影響。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、省、地區、州和國家/地區的名稱和邊界信息。用于識別主要地標，設施和建筑物，這類信息只能通過開源信息獲得。

7）大地測量信息：包括磁性和重力數據、導航工具、測量以及地圖網格和坐標系統。

1.3 美國地理空間情報數據獲取技術發展趨勢

1）商業地理空間的數據安全技術。隨著商業地理空間情報日益發展，商業地理空間數據管理難題日益凸現，因為商業數據來自眾多具有不同精度來源，容易被對手獲得，整合地理空間情報，將商用、小型無人機系統集成到美國國家空域系統，保證地理空間數據獲取過程中的安全性，是美國地理空間情報數據獲取技術發展的一個優勢。

2）大數據、人工智能技術。海量的地理空間數據需要一個能夠處理海量結構化和非結構化大數據的數據環境，需要使用人工智能技術來幫助分析人員積極監控和整合數據。有利于在戰場上進行作戰環境情報準備，縮短生成地理空間情報的周期，以應對日益復雜的威脅。

3）地理空間情報高級產品研發。未來美國地理空間情報將會引入更多元素，以創建更動態、更現實和更高級的地理空間情報產品。例如，通過添加高程來創建三維模型，開發更復雜的產品，以提供更逼真的環境或對象表示形式；通過加入時間信息，模擬速度、潮汐、風向和日光變化等因素，以幫助分析人員確定各個因素將如何影響任務；將位置、海拔和時間結合起來，以創建虛擬的交互式場景，使用戶在模擬環境中進行訓練；開展基于活動的分析，分析與特定對象或區域相關的人類、車輛和其他活動之間的聯系。

2 美國未來提升地理空間情報數據獲取能力的舉措

美國地理空間情報的未來發展面臨著很多挑戰，例如：如何實現可提供持續服務的任務規劃、處理、開發利用和分發（TPED）流程，如何縮短地理空間情報生產的周期，如何開發利用各類情報，如何實現與盟軍和聯軍共享地理空間情報等。面對地理空間情報的這些挑戰，美國未來幾年在地理空間數據獲取方面有以下重點發展方向：

2.1 重視商業地理空間資源的潛力

隸屬于國防部的國家地理空間情報局（NGA）是負責美國地理空間情報領域最重要的職能部門，擁有大量的地理空間數據存儲。而美國商業部門具有更豐富的商業圖像庫，并以指數級的速度增長，美國政府部門正在加大與商業部門的合作，投資商業公司的高級分析技術、計算機可視化技術與先進的數據產品。2016 年，美國白宮科學與技術政策辦公室公布“利用小衛星革命”計劃，希望聯手NASA、國防部及其他聯邦機構，加強政府部門與私人企業在小衛星實用領域的合作，以促進并支持政府與私營部門利用小衛星執行遙感、通信、科學與空間探索任務。2018 年，NGA 與國家偵察局（NRO）聯合成立商業地理空間情報處（CGA），評估現有資源以及采購新的商業能力；NGA 還通過“守護神”計劃，與更廣泛的商業供應商開展合作，以開源和云服務方式實現基礎地理空間情報數據的動態交付。2019年NGA 與美國行星公司（Planet）簽訂訂購合同，首次通過商業途徑實現每兩周一次的全球覆蓋［5］；NGA 于2018 年發布的新版《商業地理空間情報戰略》［6］中提出：充分利用商業地理空間情報來滿足未來任務需求，將通過與商業地理空間情報力量的合作，擴展數據和服務能力設定為地理空間情報建設的一個發展目標。

2.2 重視公共領域地理空間情報的價值

開源情報是一種非常重要的情報手段，具有低成本、低風險和高收益的優勢。目前互聯網已經成為地理空間情報的重要開源情報來源。谷歌地球作為全球最大的衛星遙感影像平臺，數據來源多樣、覆蓋面廣，與地理空間信息相關的線劃圖、高程數據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是開源影像情報的重要途徑。此外，帶有定位功能社交軟件、智能穿戴設備也是一種重要的地理空間信息來源［7］。在缺乏開源、權威數據的情況下，眾包平臺（如OpenStreetMap、HealthMap、Wikimapia 等）可以提供支持數據聚合、管理和管理的平等主義框架，填補這方面的空白。美國還通過“地理空間情報探路者”計劃，在非密數據使用、商業信息技術、開源方法等方面取得了寶貴經驗。

2.3 重視獲取商業數據安全

重視地理空間數據安全也是美國地理空間情報的一項重要原則。NGA 發布的《2020 年重要技術領域報告》中，提出要著重發展數據管理技術，明確要選用可靠的商業和公開來源數據，需要確定從公共和商業來源獲得的“數據適合性”，以便將其用于地理空間數據、產品和服務，分析人員需要以一種可擴展、可互操作的方式，不斷自動識別數據的來源、格式和傳輸方法，以保證數據安全。除此之外，美國軍方還明確提出加強供應商能力評估，軍方的地理空間情報分析人員需要綜合考慮成本、實效性和性能，評估地理空間情報數據供應商內容和服務的范圍，推薦最佳的供應商產品。

3 對我國的啟示

與美國不同，我國地理測繪信息行業并未將地理空間情報單獨作為一個發展概念，與地理空間情報密切相關的遙感、圖像學科并未直接歸口于情報學科。盡管如此，我國在航天航空遙感、測繪領域的建設仍然處于世界前列。由于我國本身工業基礎和體制機制等原因，我國地理空間情報數據獲取能力與美國相比還有較大差距，需要加強以下工作：

3.1 發展新型地理空間裝備

我國已經初步形成多種分辨率配置、多種觀測技術組合的全球觀測和數據獲取能力。國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據航空攝影、高精度機載三維LiDAR、無人機數字航空攝影、傾斜航空攝影、機載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據。我國應大力發展不同平臺類型，配備多種載荷的地理空間觀測裝備，提升地理空間情報數據來源的多樣性。此外，還需探索發展相對薄弱但前景廣闊的商業小衛星、新型傳感器觀測衛星、智能隱形無人機等技術領域，提升我國在地理空間情報領域的綜合實力。

3.2 重視地理空間數據資源建設

我國地理空間數據資源的獲取還處于煙囪林立的階段，航天衛星、航空偵察手段、地面手段獨立建設和使用，再由于體制機制的原因，使得地理空間數據獨立分散在各個部門，不易獲得。應當借鑒美國先進做法，設立統一的地理空間職能部門，統籌建設國家地理空間情報事業，強化頂層設計，建立統一數據采集標準，將政府、軍隊、企業的地理信息資源進行有效整合，提高地理空間數據和服務的互操作性。

3.3 走軍民深度融合的道路

美國軍方以保證系統開發的開放性為重要原則，通常會公開發布地理信息情報領域的標準與指南。因此，美國地理信息相關的承包商眾多，軍方在地理信息空間建設過程中需要平衡各方利益。承包商具備的新興技術優勢，如商業衛星技術、云計算、大數據、人工智能、虛擬化等技術，有助于形成地理空間情報體系能力。我國商業遙感近年來蓬勃發展，商業遙感在軌衛星已超過30 顆，但總體來看我國商業地理信息產業依然處于起步階段。建議我國在地理空間情報建設方面，應以新興技術為橋梁，走出一條軍民深度融合的道路。

4 結論

地理空間情報是打贏未來戰爭、實現戰場制信息權的重要部分，本文從獲取平臺、傳感器樣式等方面，對美國地理空間數據獲取能力進行了分析，著重介紹了未來美國在提升地理空間數據獲取能力方面的重要舉措，對我國地理空間能力建設具有重要的借鑒意義。