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摘要：
隨著通信技術的發展，5G/6G時代逐漸到來。在新的網絡環境下，地球空間信息技術的發展也將催生新的發展趨勢。文章首先對5G/6G時代進行了論述，分析其主要特點。然後闡述了5G/6G時代下地球空間信息技術的發展趨勢（真三維實景模型的形成，地球空間信息處理的智能化和自動化，地球空間信息服務的社會化和大眾化）。最後分析了新時代背景下我國自主的通導遙一體化空天信息實時智能服務系統建設的必要性；分析其發展路線（局域服務系統，區域服務系統，全球服務系統）和技術儲備；對5G/6G、大數據和人工智慧技術支撐下，我國地球空間信息技術的發展進行了展望。
關鍵詞：5G/6G；地球空間信息技術；實景三維模型；空天信息實時智能服務系統
自1987年我國引入國外移動通信技術到2013年工信部宣布向中國移動、中國電信、中國聯通頒布4G牌照以來，我國移動通信技術已經歷了從1G、2G到3G、4G的轉變，移動通信的方式由原始的行動電話、簡訊和語音發展到了圖片和視頻等多種形式，傳輸速率由1G時代的2.4 KB/s提升到了4G時代的100 MB/s[1]。如今，4G已經融入人們生活的各方面，給人們的日常工作與生活帶來了眾多便利，但是，隨著新型行動裝置、通信業務和網絡流量的不斷增加，4G已無法滿足當今社會的需求[2]。5G技術應運而生，而且6G技術也將接踵而至。
5G/6G技術的快速發展，信息基礎設施的逐步完善，以及時空大數據的爆發式增長，地球空間信息技術的發展迎來了新的機遇和挑戰。隨著天基5G/6G的發展，實現一星多用、多星組網、天地多網融合和智能服務將成為可能。在新的時代背景下，如何把握機遇，實現空間感知和空間認知的智能化，實現空間信息的實時智能服務，為地球空間信息技術的發展尋求新的突破口，是人們研究的重點。本文首先介紹5G/6G時代的特點和應用場景。然後，介紹新一代移動通信背景下地球空間信息技術的發展趨勢，即真三維實景地理信息技術的形成、地球空間信息處理的智能化與自動化、地球空間信息服務的社會化和大眾化。最後，分析了在新的時代背景下建設我國空天信息實時智能服務系統的必要性，發展路線和已具備的技術儲備，並對地球空間信息技術的未來發展進行了展望。
5G/6G時代的到來
5G是第五代行動電話行動通信標準，也稱第五代移動通信技術，自從2013年提出5G計劃以來，多種業務、多個技術融合以滿足大連接、高寬帶和低時延場景下的高速通信成為可能，預期2020年之後上市[3]。5G下載的速率理論上能夠實現20 GB/s，是4G時代的20倍，如果說4G改變生活，5G將改變整個社會，如果說4G服務於人，5G將支持萬物互聯。5G有3個典型的應用場景和關鍵指標，即增強移動帶寬、海量機器類通信和超高可靠、低時延通信，有了這3個特點，可以實現高清視頻、全息視頻或交互現實，可以實現智慧物流、環境智能監管、智慧城市或智能城市的計算，可以解決自動駕駛、機器人無人操作、工業網際網路、遠程醫療和智能電網。5G主要的垂直行業應用包括視頻識別分析、VR/AR業務、工業物聯、車聯網和智慧交通，5G與雲計算、大數據、人工智慧、區塊鏈等新技術相結合，能夠顛覆一些傳統產業，升級變革一些產業(包括我們地球空間信息產業)，並孵化新應用，催生新業態、新商業模式。
5G產業的發展也是不平衡的，其關鍵元器件與核心晶片技術依然薄弱，產業發展缺少典型的示範應用，垂直行業存在著跨界融合問題，運營商在建網成本和應用創新方面也面臨著巨大的難題，除此之外，5G主要覆蓋人口集中的城市，不可能覆蓋全部陸地，而陸地在地球上只佔29%，所以5G需要靠6G衛星通信來補充。
6G技術就是把陸地無線通信技術和中高低軌的衛星移動通信技術及短距離直接通信技術融合在一起，可以應用於通信、計算、導航、遙感、人工智慧等領域，為空、天、地、海泛在的移動通信網建設，實行全球泛在覆蓋的高速寬帶網提供基礎支撐。
6G的特點主要有3方面：①具有更高的接入速率(10 GB~1 Tbps)，更低的接入時延(ms級以下)，更快的運動速度(馬赫級)，更廣的通信覆蓋(空天海地)；②能夠實現新媒體(全息遠程呈現)，新空口(多種異構無線傳輸接入)，新架構(地面和衛星融合的行動網路)和新融合(通信、計算、導航、感知)；③構建空、天、地、海泛在移動通信網，6G將整合衛星通信，通過擴展頻段和覆蓋範圍來取得更大的傳輸帶寬、支持更廣泛覆蓋的用戶接入速率，實現各類移動載體和通信信號的全球覆蓋。
5G/6G時代的地球空間信息技術
地球空間信息學於20世紀90年代提出，其主要圍繞測繪、遙感和地理信息技術來進行地球空間信息學研究，可為地球科學問題研究和全面精確服務提供技術方法和時空信息支撐[4-6]。隨著科技的發展，5G/6G的進步，地球空間信息技術也迎來了新的發展趨勢。本節主要就真三維實景地理信息技術的形成與應用、地球空間信息處理的智能化與自動化和地球空間信息服務的社會化和大眾化3個方面作一些分析。
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真三維實景地理信息技術
實景三維模型是室內外、地(水)上下等各類地物的精準三維幾何信息、豐富語義屬性、準確空間關係和按需多細節表達的空間數據集，其表達直觀，便於分層，可用於各類空間分析和輔助決策，是集數據、結構、功能為一體的三維數據智能表達模型。隨著5G/6G技術和攝影測量技術的發展，三維數據採集方式呈爆炸式增長(圖 1為三維數據採集方式)，為實景三維模型的建立提供了更加精細和可靠的三維數據，推動著真三維實景地理信息技術的快速向前發展。
圖 1 三維數據採集方式
實景三維模型的主要特點是精準三維幾何信息、豐富地形要素、精準空間關係和多細節層次表達。實景三維模型表示的地形要素更豐富，包含有測量控制點、工礦建築物及其他設施、城市部件及附屬設施等10大類、800餘小類地圖要素，具有層次(包含)關係、拓撲關係、邏輯關係等組成的精準空間關係。實景三維模型的表達方式也從由固定比例尺表達到按需多細節層次表達(LOD)的跨越，圖 2為紋理多細節層次表達。實景三維模型具有很大的市場應用場景，其在海量數據組織管理，空天地多源三維點雲數據融合，全息地物要素結構化提取，室內場景結構化模型重建，實景三維示範區構建等方面已取得了初步的成果[7]。除此之外，三維實景地圖在5G信號仿真，高清駕駛地圖，汙染、爆炸擴散模擬，城市精細化管理，可視域分析和戰場態勢評估等領域也具有一定的潛在應用價值。
圖 2 紋理多細節層次表達
在5G/6G技術支撐下未來實景三維模型可從以下幾方面進行發展：①現階段，應推進符合國家、市場、大眾等多方需求，符合國際行業發展和5G時代整體趨勢的實景三維模型建設，應儘快組織論證，制定標準和規劃；②先滿足重要應用部門和主要街區、幹道需求，按照從二維到三維，先城市後鄉村，從室外到室內，從地上到地下的順序，逐步推進；③發展空-天-地立體化、組合式、全空間高效觀測手段；④藉助人工智慧、5G網絡、雲計算、邊緣計算和區塊鏈等技術，提高海量數據處理能力和智能化水平；⑤開拓實景三維模型在智能駕駛高精地圖、5G信號仿真、城市精細化管理、城市空間安全、國防建設等領域的應用；⑥布局融合實景三維模型和物聯網動態傳感數據流的城市數字孿生技術。
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地球空間信息處理的智能化與自動化
隨著人工智慧和通信技術的發展，地球空間信息處理技術逐漸趨於智能化和自動化。目前，遙感數據在無控定位，目標識別和信息提取方面已從人機互動逐漸邁向全自動化處理階段，隨著智能衛星的發展，遙感數據實時在軌處理也將成為可能[8-9]。在衛星導航數據方面，隨著我國北鬥衛星系統的成功組網和5G/6G的發展，導航定位精度將有望達到亞米級，進一步推動地球空間信息處理的智能化發展。
在無控制全球測圖方面，資源三號已可以實現無控制區域網平差，通過對資源三號衛星拍攝的8810×3景覆蓋全國的影像數據進行多節點GPU+CPU計算，使得影像自主定位精度提高到5 m以內，滿足全球測圖需求[10]。若將資源三號數據與雷射測高數據進行聯合平差，可以進一步將無控制平差的高程精度提高到3 m以內。此外，GF7號衛星上天后，可望推進1:10 000無地面控制的全球自動測圖，滿足全球測圖重大工程的需求。
在影像目標搜索方面，在5G/6G支持下，利用基於深度學習的自動影像搜尋引擎，可以秒級速度從大量遙感影像中自動搜索目標[11]。在無人機視頻數據實時目標檢測與跟蹤方面，通過建立目標影像凸面模型，來對影像進行對比分析和變化要素提取，從而實現變化檢測，同時，通過無人機實時攝影測量技術，可以在移動端(近)實時顯示處理結果，即無人機一邊飛數據，伺服器在一邊處理數據，飛完數據即可處理完成[12]。
在智能測量機器人與自動駕駛方面，根據已知地圖生成由起點至目標點的靜態路徑，並優先選擇距離較短、安全係數較高的路徑，可以實現全局路徑的規劃；通過傳感器獲取周圍小範圍動態地圖，並通過採樣預測的方式實時確定可通過的路徑，實現動態避障，可以完成局部路徑的規劃，從而實現機器人的智能導航。智能汽車面向複雜的城市使用場景(建築物遮擋、隧道、地下車庫)，需要高精度、高可靠解決「最後一公裡」的問題，由此需要重點研究低成本智能感知定位和測姿系統，解決室內外高精度連續定位問題，提升多源數據融合性能。目前，L4等級的智能駕駛即將在量產車型上實現，能夠在城市峽谷，地下車庫等複雜條件下實現最後一公裡的自動駕駛。
智能分析到智能決策的目標是面向重要基礎設施健康安全的實時、精準地理信息獲取與分析，實現從可視化量測到可計算分析。以電力走廊無人機巡檢與智能監測系統為例，由於電網輸電線路規模增加、自然災害頻發、運行環境變差，使得巡檢壓力增大，現有巡檢方式存在嚴重缺陷，無法滿足智能電網巡檢的所有要求，急需建立安全、高效、智能的巡檢模式。在5G通信技術快速發展的當下，充分利用5G技術，將智能採集端搭載在邊緣數據採集平臺(機載平臺及地面平臺)上，對監測目標進行數據採集，通過5G基站將數據傳回到邊緣雲數據處理終端，並運用5G基站將診斷結果實時發布回網際網路，從而實現高效的數據採集、傳輸、處理、故障診斷和發布，其成果已在全國15個省市電力部門得到應用[13]。
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地球空間信息服務的社會化與大眾化
長期以來，地球空間信息學是利用測繪遙感對地觀測技術，識別地表地物特徵，來研究人地關係。在5G和大數據時代，可以實現從「對地觀測」向「對人(社會)觀測」的轉變，通過對地觀測和對人觀測的結合來更好地研究人地關係，促進地球空間信息服務的社會化和大眾化。表 1為近年來夜光遙感的典型應用，從表中可以看出，地球空間信息服務已應用於分析社會經濟發展和生活質量、能源消耗和城市發展等社會化和大眾化層面[14]。
表 1 近年來夜光遙感的典型應用
除此之外，地球空間信息服務在戰爭影響評估、區域發展發麵也有著實際應用價值[15-17]。如利用時空數據聚類技術，對敘利亞2011—2015年夜間燈光數據進行分析，通過挖掘敘利亞夜光的時空變化模式，對敘利亞戰爭的影響進行評估。通過對中國2012—2016年期間的夜光遙感影像進行分析，得出4年內燈光增長較快的省份有貴州、重慶、新疆、湖南、青海等，通過分析這些省份所在的地理位置，得出中國西部和中部的城市建設發展速度超過了東部地區，從而證明了區域協調發展政策已經發揮了作用。
目前，運用人工智慧的手段對大量數據進行挖掘和管理，可以有效地服務於社會和大眾。如面對大量城市出行軌跡數據，建立基於眾包數據的智慧交通管理和應急系統(如圖 3所示)，利用智慧交通腦來緩解道路擁堵情況[18]。這一系統自2017年1月在武漢市上線起，15個月內武漢市擁堵排名從第23名降到53名，下降了30位，交通擁堵延時指數從2.34下降至1.676，降幅高達30%，實現了地球空間信息服務於智慧交通的目標[19]。
圖 3 基於眾包出行數據的武漢智慧交管應急系統
空天信息實時智能服務系統(PNTRC)
地球空間信息的實時與智能服務是現代化戰爭、災害應急和大眾化服務的迫切需求，也是目前地球空間信息學科的短板。我國現有的通信、導航和遙感衛星系統各成體系，其中通信衛星對遙感和導航的傳輸能力受限，導航衛星缺乏寬帶傳輸能力，遙感衛星數據下傳受限，接收、處理與服務模式尚未服務大眾[20]。為解決軍民系統孤立，信息分離和服務滯後的問題[21]，急需建立通信、導航和遙感一體化的空天信息實時智能服務系統(PNTRC)，結合對地觀測腦模型[22]，實現系統連通、時空融合和服務暢通，推動空天信息和產業發展從專業服務和國家扶持向大眾服務、軍民應用和市場化、國際化發展，這是當前5G/6G時代急需研究和解決的重大任務。
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PNTRC發展路線
PNTRC(定位、導航、授時、遙感、通信一體化實時服務)的發展路線可按照局域服務系統、區域服務系統、全球服務系統3步來進行進展[23]，具體介紹如下：
(1) 建設局域服務系統(如南中國海及大灣區)。其星座由40顆低軌遙感/導航增強衛星，1—3顆GEO高軌通信衛星組成，核心能力主要包括：①目標信息獲取空間和時間解析度達到0.5 m和5 min；②實時導航定位精度達到亞米級；③移動通信能力實現90個波束覆蓋全亞太，每個波束出向帶寬最大1 Gbps，入向200 Mps，點對點或廣播，落地後通過5G上手機。通過在大灣區建設PNTRC系統規劃得到的初步結論是，利用700 km高度、24°傾角的Walker星座的40顆衛星(光學衛星20顆、SAR20顆)可實現對任務區域平均5 min內重訪。
(2) 建設區域服務系統(如中國及一帶一路)。其星座由150顆低軌通信/導航增強衛星，120顆低軌多角度遙感衛星(具備星間通信能力)組成，核心能力主要包括：①目標信息獲取空間和時間解析度優於0.5 m和5 min；②實時導航定位精度達到亞米級；③移動通信能力實現自適應變帶寬，單波束最高速率達到40 Mbps。其中低軌通信衛星可依託國內具有星間鏈路的低軌通信星座發展計劃，如鴻雁、虹雲等，通過增加導航增強載荷，發射具備星間通信能力的遙感衛星，為區域服務打下基礎。
(3) 建設全球服務系統。其星座由300顆低軌通信/導航增強衛星，200顆低軌遙感衛星(具備星間通信能力)組成，核心能力包括：①遙感信息獲取空間和時間解析度優於0.5 m和4 min；②實時導航定位精度達到亞米級；③移動通信能力方面，全網通信容量不低於600 Gbps，在高速移動過程中支持音視頻通話和遙感影像接收。研製PNTRC系統多功能軟體定義的智能衛星，通過小型化、批量化來降低系統建設成本。
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PNTRC相關技術儲備
目前，我國在PNTRC建設方面已有一些技術儲備，主要如下：
(1) 在低軌星基增強技術方面，通過導航衛星和具有導航增強的低軌遙感和通信衛星進行組網，可以無須境外地面增強CORS站，實現全球高精度覆蓋，且實時定位精度優於0.5 m，模糊度收斂小於1 min[24]。例如2018年上天的珞珈一號01星具有對天接收、在軌處理、對地發射，避免地面建站等特點，通過地面驗證和在軌測試，初步結果表明，珞珈一號01星增強信號偽距測量精度為2~3 m，載波相位測量精度為2~3 cm，實時定位精度為30 cm，實現了導航信號的增強。
(2) 在智能編碼方面，基於長程背景字典的衛星視頻編碼技術可在保證視頻清晰度的基礎上，大幅度降低衛星視頻數據的壓縮碼率，滿足無線網絡傳輸需求。
(3) 預計2020年發射的新體制雷達衛星——珞珈二號01星，可實現多角度雷達遙感，視頻雷達遙感和低軌導航增強，解決全天時全天候的目標監測。
(4) 處於研製階段的天基信息實時服務智能衛星——珞珈三號01星，能夠完成視頻成像、在軌智能處理和靈巧通信，打通星地通信和星間中繼通信兩條鏈路，提供在軌處理和稀疏壓縮的驗證，實現全球範圍遙感數據從獲取到手機等智能應用終端的分鐘級遙感信息高效服務。
(5) 在低軌智能通信衛星研發方面，清華大學於2016年成功發射了清華靈巧通信衛星[25]。該衛星重量131 kg, 軌道高度800 km。主要特色是：自主可控、可持續發展通信小衛星技術；一體化小衛星、星務計算機、作業系統、軟體系統、星上處理交換、關鍵電路、硬體模塊均立足自主創新；首次實現空地協同智能通信，靈巧波束、按需覆蓋，突破衛星寬帶移動通信難題；首次試驗基於Linux-OS的軟體衛星技術；軟體定義衛星、按需重構，實現多功能小衛星新途徑[25]。
這些相關技術儲備良好且在不斷進步，為PNTRC的構建提供了可能。除此之外，國家的政策環境和人才隊伍的組建也在逐漸完善，為建設我國空天信息實時服務系統提供了很有力的支撐[26]。
發展和展望
未來5G/6G系統將會實現一星多用、多星組網、天地多網融合的地球空間信息智能服務，實時導航定位精度有望提高到分米級甚至釐米級，滿足自動駕駛等各行業的需要，遙感數據獲取和信息處理實現分米級的空間解析度和5 min的時間響應速度，通信方面實現全球寬帶全覆蓋的語音、圖像、視頻和多媒體通信。
在5G/6G大數據和人工智慧時代，抓好真三維實景、自動化、智能化、社會化、大眾化和實時化，以測繪、遙感和地理信息技術為中心的地球空間信息學，率先建設我國自主的通導遙一體化空天信息實時智能服務系統，其創新發展的道路十分寬廣，前景一片光明！
來源：測繪學報
原標題：《李德仁：展望5G/6G時代的地球空間信息技術》