美国地理空间情报数据获取能力及启示

许夙晖，杨国鹏，邢 平，支 熙

（1.解放军93213 部队，北京 100096；2.解放军78102 部队，成都 610031）

0 引言

现代战争已全面进入信息主导的时代，战场控制权核心在于制信息权。地理空间情报（Geospatial Intelligence，GEOINT）是战场上实现信息优势的重要途径，其概念于2002 年由美国首次提出，其定义为：对图像和地理空间信息的开发与分析，以描述、评估并可视化地表示地球上的物理特征和地理相关活动。地理空间情报综合了包括测绘、情报、图像等在内的多门专业领域。经过多年的发展，美国已经建成了由国家地理空间情报系统（NSG）、英联邦国家地理空间情报系统（ASG）以及由众多情报机构组成的成熟完备的地理空间情报体系。在国防、国际救援、打击恐怖主义等多种行动中，地理空间情报发挥了重要作用［1-4］。美军在战场上通过地理空间情报，形成各种产品以满足特定的战场任务类型：1）任务/事件准备。包括识别关键地标以及现有或潜在的危险。通常通过地图或图像来识别建筑物，路线，水深，地形特征，障碍物和威胁等元素，保证导航安全。2）评估。分析图像或地图内容。如通过某个机场图像，识别机场上停放的飞机及其他设施信息，结合之前信息评估其可能正在进行的活动类型。3）检测。使用可见光或雷达传感器检测不易识别的天然或人造材料，例如检测伪装。总之，地理空间情报提供场景或环境的通用、精确的地理位置可视化服务，以实现战场上不同组织之间的计划和协作。

地理空间情报有3 个要素：影像，影像情报和地理空间信息。这3 个基础要素共同构成完整的地理空间情报产品，如图1 所示。影像是由各种平台搭载的可见光和雷达传感器获得，是地理信息最直观的表达形式；影像情报是通过对影像及相关资料的解译或分析获得的技术、地理和情报信息，其源于对各种保密或公开的数据进行专业、系统的分析；地理空间信息是表示地球上自然或人造特征和边界的地理位置和特征的信息，例如声纳、地震、人口数据等。

图1 地理空间情报的3 个要素

地理空间情报数据的收集与获取是情报周期“任务规划、收集获取、处理、开发和传播”模型（TCPED）的重要一环，是一项长期而有计划的工作［6］，实时精准的地理空间情报获取能力，逐渐成为现代军队作战能力的重要组成部分。本文分析了美国地理空间情报数据的获取能力现状，及美国在地理空间情报数据获取方面最新的举措，为我国地理空间情报数据建设作为参考。

1 美国地理空间情报数据获取能力分析

1.1 影像获取平台多样化、实时化与全球化

美国十分重视发展地理空间情报影像协同观测能力，影像获取平台从单一数据源向天空地多源协同、一体化数据获取方向发展。美国已经建立形成集陆、海、空、天的影像采集平台，能够发现并采集世界各地的地理空间情报数据。平台类型细分及各自特点如表1 所示：星载平台由政府卫星和商业卫星构成，星载平台可以实现全天候对地观测，与政府卫星相比，商业卫星在观测范围、数据体量上优势明显；空基平台包括中高空有人或无人飞行器；陆基平台的传感器可以灵活地置于建筑物、车辆等多种陆上载体中；海洋采集平台包括船舶、浮标等在内的海上、海面、海下平台设施。不同平台有观测高度、传感器类型、覆盖程度、可用性、实时性、安全性的差异，在军事上可以满足多域作战中地理空间情报保障需求。

表1 美国地理空间情报数据获取平台

按照成像原理分为被动或主动，地理空间情报影像传感器类型分为光电传感器和雷达传感器两大类。两类传感器的细分类别及其特别用途如表2所示。光电传感器接收观测对象本身返回的可见光、红外波段的电磁波成型类似照片的影像，雷达影像则是由平台主动向观测对象发射微波、无线电波脉冲，之后处理由接收对象返回的信号形成的黑白影像。不同于光电传感器，雷达传感器可以进行全天时、全天候对地实施观测，并具有一定的地表穿透能力。由于单个传感器对观测能力有限，因此，在美国地理空间情报活动中需要对多种传感器捕获的影像进行融合与相互印证。

表2 传感器类型及特点

随着平台技术发展和传感器密度不断提高，各种来源的影像数据量激增，如何有效管理获取的数据成为了重要难题。美国地理空间情报局（NGA）正在发展从多个来源发现、集成和管理多时态多维数据的能力，具体包括：对同一对象的多个观测值和相似目标的自动验证；对不同坐标系和高程基准数据集的自动统一；对数据格式的自动调整对齐；对数据内容的自动分类和对元数制的自动标记，以便之后的数据检索应用。

1.2 数据采集融合为地理空间信息

不同平台、传感器采集到的地理空间情报数据，经过与开源信息的加工融合形成地理空间信息。美国将地理空间信息划为7 个类别，这7 类地理空间信息的来源与其传感器获取来源如下页图2 所示。

图2 地理空间信息的来源

1）航空信息：与航空导航安全性有关的信息，例如垂直障碍物信息、禁飞区信息、飞行路线、进场程序、机场设施和布局以及航空图。

2）海事信息：与海洋航行安全性有关的信息，例如运输路线、水下障碍物、航行限制信息、港口设施和布局、进近程序以及海图。

3）地形信息：有关导航信息的安全性的信息，例如可通行性和移动障碍物，以及其他与地面相关的信息：包括基础设施（道路，电网）、人工特征、人口数据、植被和水文信息。地形信息还包括地理空间数据库内网络元素的连通性，以实现基于地面的路线规划、导航和水文分析。

4）高程信息：关于地球上或与地球有关的物体高度的信息。高程数据包括地表以上、地表或地表以下目标的高度。

5）人文地理信息：指的是对人的活动与地理环境之间的相互联系进行分析，其目的在于分析一个区域或人口中采取的行动对另一个区域或人口的影响。人文地理信息包括了人口、政治、文化、宗教、民族信息。

6）地理名称和边界：城市、镇、省、地区、州和国家/地区的名称和边界信息。用于识别主要地标，设施和建筑物，这类信息只能通过开源信息获得。

7）大地测量信息：包括磁性和重力数据、导航工具、测量以及地图网格和坐标系统。

1.3 美国地理空间情报数据获取技术发展趋势

1）商业地理空间的数据安全技术。随着商业地理空间情报日益发展，商业地理空间数据管理难题日益凸现，因为商业数据来自众多具有不同精度来源，容易被对手获得，整合地理空间情报，将商用、小型无人机系统集成到美国国家空域系统，保证地理空间数据获取过程中的安全性，是美国地理空间情报数据获取技术发展的一个优势。

2）大数据、人工智能技术。海量的地理空间数据需要一个能够处理海量结构化和非结构化大数据的数据环境，需要使用人工智能技术来帮助分析人员积极监控和整合数据。有利于在战场上进行作战环境情报准备，缩短生成地理空间情报的周期，以应对日益复杂的威胁。

3）地理空间情报高级产品研发。未来美国地理空间情报将会引入更多元素，以创建更动态、更现实和更高级的地理空间情报产品。例如，通过添加高程来创建三维模型，开发更复杂的产品，以提供更逼真的环境或对象表示形式；通过加入时间信息，模拟速度、潮汐、风向和日光变化等因素，以帮助分析人员确定各个因素将如何影响任务；将位置、海拔和时间结合起来，以创建虚拟的交互式场景，使用户在模拟环境中进行训练；开展基于活动的分析，分析与特定对象或区域相关的人类、车辆和其他活动之间的联系。

2 美国未来提升地理空间情报数据获取能力的举措

美国地理空间情报的未来发展面临着很多挑战，例如：如何实现可提供持续服务的任务规划、处理、开发利用和分发（TPED）流程，如何缩短地理空间情报生产的周期，如何开发利用各类情报，如何实现与盟军和联军共享地理空间情报等。面对地理空间情报的这些挑战，美国未来几年在地理空间数据获取方面有以下重点发展方向：

2.1 重视商业地理空间资源的潜力

隶属于国防部的国家地理空间情报局（NGA）是负责美国地理空间情报领域最重要的职能部门，拥有大量的地理空间数据存储。而美国商业部门具有更丰富的商业图像库，并以指数级的速度增长，美国政府部门正在加大与商业部门的合作，投资商业公司的高级分析技术、计算机可视化技术与先进的数据产品。2016 年，美国白宫科学与技术政策办公室公布“利用小卫星革命”计划，希望联手NASA、国防部及其他联邦机构，加强政府部门与私人企业在小卫星实用领域的合作，以促进并支持政府与私营部门利用小卫星执行遥感、通信、科学与空间探索任务。2018 年，NGA 与国家侦察局（NRO）联合成立商业地理空间情报处（CGA），评估现有资源以及采购新的商业能力；NGA 还通过“守护神”计划，与更广泛的商业供应商开展合作，以开源和云服务方式实现基础地理空间情报数据的动态交付。2019年NGA 与美国行星公司（Planet）签订订购合同，首次通过商业途径实现每两周一次的全球覆盖［5］；NGA 于2018 年发布的新版《商业地理空间情报战略》［6］中提出：充分利用商业地理空间情报来满足未来任务需求，将通过与商业地理空间情报力量的合作，扩展数据和服务能力设定为地理空间情报建设的一个发展目标。

2.2 重视公共领域地理空间情报的价值

开源情报是一种非常重要的情报手段，具有低成本、低风险和高收益的优势。目前互联网已经成为地理空间情报的重要开源情报来源。谷歌地球作为全球最大的卫星遥感影像平台，数据来源多样、覆盖面广，与地理空间信息相关的线划图、高程数据等也可以在谷歌地图上获取，因此，以谷歌地图为代表的遥感影像平台是开源影像情报的重要途径。此外，带有定位功能社交软件、智能穿戴设备也是一种重要的地理空间信息来源［7］。在缺乏开源、权威数据的情况下，众包平台（如OpenStreetMap、HealthMap、Wikimapia 等）可以提供支持数据聚合、管理和管理的平等主义框架，填补这方面的空白。美国还通过“地理空间情报探路者”计划，在非密数据使用、商业信息技术、开源方法等方面取得了宝贵经验。

2.3 重视获取商业数据安全

重视地理空间数据安全也是美国地理空间情报的一项重要原则。NGA 发布的《2020 年重要技术领域报告》中，提出要着重发展数据管理技术，明确要选用可靠的商业和公开来源数据，需要确定从公共和商业来源获得的“数据适合性”，以便将其用于地理空间数据、产品和服务，分析人员需要以一种可扩展、可互操作的方式，不断自动识别数据的来源、格式和传输方法，以保证数据安全。除此之外，美国军方还明确提出加强供应商能力评估，军方的地理空间情报分析人员需要综合考虑成本、实效性和性能，评估地理空间情报数据供应商内容和服务的范围，推荐最佳的供应商产品。

3 对我国的启示

与美国不同，我国地理测绘信息行业并未将地理空间情报单独作为一个发展概念，与地理空间情报密切相关的遥感、图像学科并未直接归口于情报学科。尽管如此，我国在航天航空遥感、测绘领域的建设仍然处于世界前列。由于我国本身工业基础和体制机制等原因，我国地理空间情报数据获取能力与美国相比还有较大差距，需要加强以下工作：

3.1 发展新型地理空间装备

我国已经初步形成多种分辨率配置、多种观测技术组合的全球观测和数据获取能力。国家航空航天遥感影像获取成果包括：地面各种分辨率的多尺度数据航空摄影、高精度机载三维LiDAR、无人机数字航空摄影、倾斜航空摄影、机载SAR 等航空遥感成果，及地面各种分辨率的多尺度多种类航天遥感数据。我国应大力发展不同平台类型，配备多种载荷的地理空间观测装备，提升地理空间情报数据来源的多样性。此外，还需探索发展相对薄弱但前景广阔的商业小卫星、新型传感器观测卫星、智能隐形无人机等技术领域，提升我国在地理空间情报领域的综合实力。

3.2 重视地理空间数据资源建设

我国地理空间数据资源的获取还处于烟囱林立的阶段，航天卫星、航空侦察手段、地面手段独立建设和使用，再由于体制机制的原因，使得地理空间数据独立分散在各个部门，不易获得。应当借鉴美国先进做法，设立统一的地理空间职能部门，统筹建设国家地理空间情报事业，强化顶层设计，建立统一数据采集标准，将政府、军队、企业的地理信息资源进行有效整合，提高地理空间数据和服务的互操作性。

3.3 走军民深度融合的道路

美国军方以保证系统开发的开放性为重要原则，通常会公开发布地理信息情报领域的标准与指南。因此，美国地理信息相关的承包商众多，军方在地理信息空间建设过程中需要平衡各方利益。承包商具备的新兴技术优势，如商业卫星技术、云计算、大数据、人工智能、虚拟化等技术，有助于形成地理空间情报体系能力。我国商业遥感近年来蓬勃发展，商业遥感在轨卫星已超过30 颗，但总体来看我国商业地理信息产业依然处于起步阶段。建议我国在地理空间情报建设方面，应以新兴技术为桥梁，走出一条军民深度融合的道路。

4 结论

地理空间情报是打赢未来战争、实现战场制信息权的重要部分，本文从获取平台、传感器样式等方面，对美国地理空间数据获取能力进行了分析，着重介绍了未来美国在提升地理空间数据获取能力方面的重要举措，对我国地理空间能力建设具有重要的借鉴意义。