访问美国地质调查局后感

【编者按】本期刊发的《访问美国地质调查局后感》系根据作者2010年的一次科技报告整理。虽然已经过去8年，但回看新中国建立后的中国测绘事业发展历程，特别是此次国务院机构改革后测绘在自然资源确权调查、基础测绘、相关规划的编制与实施监测、地理信息共享等方面工作面临的机遇与挑战，此文仍不失现实参考价值。在征得作者同意后予以编发，以飨读者。为保持报告原貌及基本风格，仅对作者报告时现场交流部分内容作了删节，信息与时态仍定格在2010年，敬请读者注意。

（根据2010年科技报告会发言整理）

2010年1月，我因公随团赴美国、加拿大访问。从上海浦东机场登机起飞到返抵共9天，在此期间，我们先后访问了美国乔治·梅森大学、美国地质调查局（USGS）、美国加州州立理工大学和加拿大MDA公司。乔治·梅森大学地理空间信息科学系统中心主任狄黎平教授是江苏人，他热情地接待了我们，还联系并陪同我团访问了美国地质调查局。访问美国地质调查局是我多年的愿望，访美、加行程结束，个人觉得在专业方面收获最大、印象最深的还是在美国地质调查局，也许是我对美国地质调查局所从事的基础测绘工作更感兴趣的原因吧。今天我首先从访问美国地质调查局说起，然后围绕测绘科技发展的若干问题，进一步谈谈我的一些思考。

首先说说美国地质调查局。它的总部位于弗吉尼亚州雷斯敦，267号公路旁，离华盛顿不远。美国地质调查局全称为“United States Geological Survey”，英文缩写为“USGS”，有一段时间，我国测绘界曾称其为“美国测绘局”。查上海译文出版社的《英汉大词典》、商务印书馆的《新英汉缩略语词典》等一些权威资料，译为“美国地质勘探局”的为多。“Survey”是个多义词，视场合不同可译为“调查”“测绘”“勘探”等。为了简要起见，下面简称“美国地调局”或“USGS”。

美国内政部有8个下属机构，美国地调局是其中唯一的科学信息与研究机构。美国地调局涉足的领域有生物学、地理学、地质学、地球科学、水文学等几大块，主要研究美国的地形、自然资源和自然灾害防治方法（如地震、火山喷发、泥石流等）。美国不单设国家测绘局、国家地震局，在这些科技领域，美国地调局代表美国政府，它与我国的国家测绘局、国家地震局、中国地质调查局、水利部等部级机构建有合作关系。测绘属于地球科学的范畴。

美国地调局有三位官员接待我们并参加交流，事先准备了PPT和打印资料。他们首先向我们介绍了“国家地图”（The National Map）项目的执行情况以及美国联邦空间数据协调委员会的工作概况。我们则向美方介绍了中国国内测绘科技发展的一些情况。在交流中我感觉到，我国同行对美国测绘科技发展的了解比他们对我国的了解要多一些。

关于美国地调局，我想从三个方面来介绍：即基本比例尺地形图测图、美国“国家地图”项目、美国地调局的有关经验与教训。

一  基本比例尺地形图测图

美国地调局成立于1879年。大家知道，地质调查的首要任务是找矿，地质人员在野外采集矿石标本，要在现场将标本编号，同时记录方位，没有地形图就很不方便。1884年，当时的局长JohnWesley Powell先生成功地说服美国国会授权美国地调局普测全美地形图，所以美国基本比例尺地图测绘历史至今已经有120多年了。访问美国地调局弗吉尼亚总部的那天，我们在大楼前见到一条已经挂了有些日子的横幅，上面写着“USGS地形测量项目125周年（1884—2009）”，可见他们认为这个起点是很值得纪念的。

USGS早期测1:250,000、1:125,000、1:62,500三种比例尺地形图，那时还没有采用航测，用的是野外草绘方法。

第一次世界大战（1914—1918年）期间，美国地调局的制图工程师投笔从戎，战争结束重返后，将航空摄影测量技术引入地调局。美国军队先于其他部门运用航测，用飞机航拍敌占区的地面照片然后制成地形图，在战争中这是非常重要的军事情报，制图工程师的角色也很重要。

美国地调局广泛地采用航空摄影测量是在二次世界大战结束以后，主要是应用航空摄影测量方法测制地形图，比例尺为1:24,000，也称7.5′×7.5′地形图，就是每幅图经差纬差都是7.5′。也许大家会问，为什么弄这么个1:24,000，而不是我们更熟悉的1:25,000呢？这是因为美国长度度量单位还采用英美制，1英尺等于12英寸，1:24,000地形图图上，1英寸正好等于实地2,000英尺，比较好算和好记。如采用1:25,000的话，图上1英寸则等于实地2,083.333…英尺，不好记，也不好算。在没有电子计算机（器）的时代，人们采用计算尺、对数表或手摇计算机来计算，简单的换算关系受到欢迎。当今，计算已不成问题，但美国人也习惯了此种比例尺，一直沿用至今。现在美国的基本地形图除了上面提到的比例尺，还有1:25,000、1:10,000等按照国际标准分幅的地形图，但1:24,000图的使用和覆盖率最广。

美国的领土面积为930多万平方公里，基本地形图的全覆盖和更新是一笔不小的费用。在地图用于规划、资源调查、建设工程初步设计等用途时，1:24,000比例尺的选择是比较科学和经济的。

我持有一个观点，认为在我国这样一个幅员辽阔的国家，不同地区对地图的使用需求存在着差异，适当地按照区域特点（如山区和平原、地物稠密区和地物稀少区、开发区和保护区等）设计相应的比例尺开展基本地形图覆盖和更新，既可满足使用需求，又可节约国家财政支出。如有人进行这样的课题研究，我觉得是非常有实用价值的。

初到美国，觉得虽然美国在科技领域具有创新精神，但是有些地方又很传统甚至可以说有点“守旧”，如度量衡制度方面，还是英美制，英里、磅啊什么的，或者英美制和公制混用。美国的纸质地形图上画有三条“图示比例尺”，一条供换算为英尺用，另一条供换算为公里用，还有一条供换算为英里用，弄得很复杂。去年的2月11日，一颗美国商业通信卫星与一颗已废弃了的俄罗斯卫星发生碰撞，分析原因，竟然是低级错误：工程师把英美制和公制搞混了！（我这里根据的是新闻媒体的报道，没有作深入考证，只能供参考）还有美国的部门名称一般长期不变，美国地调局的名称相对于它的职能范围大不相称，可以说是“帽子”小了，它除了涉及地质学外还有4个领域——生物学、地理学、地球科学和水文学，但USGS没有改名的打算。如在中国就行不通了，孔子说：“名不正则言不顺，言不顺则事不成。”（《论语·子路》）在中国，部门职能延伸了，往往部门名称就得改，可能这也是东西文化差异和体制不同所引起的。

到1991年，全美1:24,000地形图完成，同时笨重的光学与机械型航测仪器也完成了历史使命，被数字型摄影测量技术装备所取代。

1970年后，美国地调局在地图生产上采用三种不同途径跟踪数字技术：一是大规模地手工数字化原有纸质地形图而得到“数字线划图”，同时采用航空摄影测量技术制作“数字正射影像图”和“数字高程模型”；二是通过计算机软件开发，提高地形图生产自动化程度，以达到机助制图的目的；三是开发土地利用分析系统，建立土地覆盖无缝数据库。以上这三个阶段，我国也同样经历过，只是大概要迟一二十年的样子。

1982年，美国地调局引进了Esri公司的ARC/INFO软件，加快了地理信息系统技术应用的进程；而国家测绘局测绘科学研究所（现为中国测绘科学研究院）于1986年在我国国内第一家引进ARC/INFO软件，用于当时开展的全国1:1,000,000数字地形图建库。对照一下，只“滞后”了4年！1994年，Esri公司已在中国召开ARC/INFO用户大会了。

我举这个例子，是为了说明最近二三十年，我国与美国在这方面的差距在很快缩小。

1987年，美国地调局用立体摄影方法和软件程序生成“数字正射影像”，随后与农业部合作，完成了48个州的1米分辨率正射影像。

美国基本完成本土1:24,000地形图覆盖是在1991年。经过约十年光景，地图有点旧了，地图修测就被提到议事日程上来。2002年，美国编制了基本地形图修测规范《Standards for Revised PrimarySeries Quadrangle Maps》。该规范规定基本地图修测分为“轻度修测”“基本修测”和“全面修测”等3类。我国现在将地形图“修测”称作地形图“更新”了，但实际上用“修测”更易被其他行业所理解。该修测规范主要着重于“基本修测”。我上USGS网站看了规范原文，了解到美国关于地形图修测的一些理念，很受启发。美国的地形图修测主要为了解决旧地图的延长使用问题，他们认为地形图的局部修测无法提高旧地图的精度，所以在修测精度和要素表示上主要是以维护为主。但他们比较重视修测中的变化要素与原图要素之间的相对协调关系，也就是：修测后新旧要素要衔接，相对位置要“形似”。在这种地图更新原则下，比较容易通过借助航空摄影、卫星摄影的地面影像或者权威部门提供的共享数据来修测地图，大大减少野外测绘工作量。1:24,000地形图一般用于道路规划、资源调查等目的，对地物地貌细节的表示要求不是很高，所以修测能够以较小的成本来做。我觉得这个方法，可以节省很多经费，值得我们关注。当然经多次修测后，地图的整体性差了，需要重测新图，即是他们所称的“全面修测”。

据我所知，在基本地形图测绘技术手段方面，我国与美国的差距正在逐步缩小，在高分辨率卫星影像、地理信息系统软件与计算机设备的应用上几乎接近。目前，美国在全球范围对地观测方面能力比我国强，但在国内民用测绘的投入上可能不见得比我国多。我想，一是近些年在美国本土引起地表重大变化的、“大兴土木”式的基本建设项目相对少，二是美国政府对基础测绘的更新要求并不太高，我们从美国地调局带回了一张全美1:24,000地形图索引表，从中可以看到，目前美国在用的1:24,000地形图多数还是三五年以前的。

二  关于“国家地图”项目

2001年，美国地调局作出一个重大决策，建设“国家地图”项目（The National Map），目标是建设全国统一的、权威的、可持续更新的、无缝的、可提供在线分发的基础地理数据。要素分8层：交通、水系、行政区划界、人工构筑物、地名、土地覆盖、高程、正射影像等。前面的7层，是传统的地图要素，第8层“正射影像”是新增的。美国较早地将正射影像列为基础地理数据的基本要素之一，这是有先见之明的。

美国“国家地图”中的“数字正射影像图”和“数字高程模型”可以通过航空摄影测量和卫星摄影测量手段得到，自动化程度高，人工干预较少。美国的人工成本较为昂贵，降低人工成本很重要。“数字正射影像”既可用于更新矢量地图，又可以直接用作规划、资源调查的底图或用来解译地面信息；“数字高程模型”可反演等高线或制作地面三维景观，两者都有广泛的用途。

据我观察，今后“正射影像地图”“数字高程模型”这两种产品的应用将更为广泛，现在用户不多，可能与用户不知晓、还不习惯用或不会用有关，需要我们去广泛宣传和推广应用。

“国家地图”数据更新具有鲜明特色：美国地调局是项目建设的牵头部门，变化信息通过当地居民或志愿者、州政府、联邦政府及其他来源获取。美国地调局认为：“国家地图”的成功将依赖于许多组织的参与和支持，为了确保成功，必须领导、发展与其他组织机构之间的合作伙伴关系，并维护大家的共同利益。在发展和维护“国家地图”的诸多事务中，此问题被认为是最具挑战性的。

美国地调局明确了自身在“国家地图”项目中的领导角色：如，国家数据完整性、一致性和精确性的承诺者；“国家地图”的宣传、使用和确保其可用性的组织者；合作伙伴关系的促进者和合作者；不同数据源数据的集成者和认证者；在无其它数据来源时的数据生产者和拥有者；发展和实施国家空间数据标准的领导者等等。

在访问中，我们了解到自“国家地图”项目启动以来的新进展。

2009年，美国地调局推出GeoPDF（地图），即从国家地图（The National Map）输出8个层的图形。使用免费的软件（Adobe Acrobat Reader）就可以“打开”GeoPDF，这种形式的数据能满足相当一部分地图用户的需要且简单易用，也能做到对地图矢量数据使用许可的控制。首先推出的是“数字地图－β（DigitalMap-Beta）”，地图内容包括正射影像、交通数据、地名、公里格网线和整饰信息等，后来又根据用户需求增加了等高线和水系线划符号。2009年10月美国地调局将此款产品命名为US Topo。美国地调局称US Topo为“新一代的地图”，这是一个有意义的转折。目前US Topo的比例尺为1:24,000，为所有用户提供网上免费浏览，支持在线地理分析，用户可以根据需要选取或关闭某些层数据后形成PDF数据下载或直接打印成图。至2009年6月，GeoPDF已基本覆盖17个州，美国地调局还准备把一些历史的地形图以矢量版的形式提供发布。2011年，将把“国家地图”的其他层要素再加上去。美国的农业影像工程（NAIP）要求每三年更新一次影像，覆盖48个州，因此美国地调局就利用农业影像工程，每三年同步更新一次地理数据。

介绍到这里，我要说一点建议。据了解，我国第六次森林资源调查从1999年开始，到2003年结束，接下来是全国土地详查、全国文物普查，2010年有全国人口普查、2011年有全国第一次水利普查调查、全国地名普查等，这些项目都需要高分辨率的遥感影像和详细的地理信息作为基础资料。如果我国全国性的农业、土地、林业、环保、水利、交通、文物、人口等部门的调查或普查的“时间点”和周期都能有机协调的话，不但可以减少在购买遥感影像资料以及制作调查底图上的成本投入，做到“一图多用”，还有助于信息共享和业务协同，所节约的资金是相当可观的。如果写个调研报告给国家发改委，一定具有重要参考价值。现在国家的各类大型调查项目往往不同步，容易产生重复投入。

USGS对地图需求和实用性的细节很重视，在推进先进的“国家地图”工程时，仍考虑传统地图的需求和继承，这一点值得我们关注。

在交流中，一位美国官员说：美国地调局认识到在相当长的时间里，数字地图的输出产品——纸质地图仍是不可或缺的，正在重新回过头来研究从数据库中出图的问题。他拿一幅正在做的US Topo给我们看，那幅地形图，图上的要素很密集，特别是道路和地名，但居民地和其他构筑物用影像代替了，节省了不少工作量。我国较小比例尺（如1:10,000）基本地形图上，居民地或一般能够通过影像辨别的其他构筑物的几何信息，今后是否可以直接用地面影像代替呢？我觉得值得探讨。根据我曾经从事的1:10,000地形图调绘的体会，费时最多的是房子和形状不规则的建筑物，而且同一块“街区式居民地”，各人综合取舍后的图形也不全一样。1:10,000地形图上的建筑物图形也无法起统计面积的作用，所以把大量精力花在建筑物和居民地的综合取舍上没有多大意义，还不如直接用影像直接表示更为直观、实用。我相信，如果经过试验研制出新的地图品种来，用户又欢迎的话，则1:10,000地形图生产的效率可以大大提高。当然，对于大比例尺地形图，如1:500或1:2,000地形图，其起的作用又有不同，须另当别论。

三  美国地调局生存危机与经验教训

前面介绍过USGS是美国内政部下8个内设机构中唯一的科学信息与研究机构。大家知道，在美国，大部分非军事研究机构的资金来源大多依托财团、大企业或某些基金会。1995年左右，由于美国地调局的非军事研究机构性质，经历了一场生存危机，机构险些被撤销，后通过努力才保留了机构设置，美国地调局高层由此受到较大的触动并及时总结了经验和教训。他们认识到：USGS的生存和发展取决于整个社会的需求能力，必须保持同广大用户更好的联系，满足不断变化的国家需求。

美国地调局的重点研究领域也随之发生了变化，强调利用自己的科学和技术优势解决国家最关注的资源、环境、灾害和信息问题，如：对地球进行大规模的、多学科的调查，建立地球知识库；对自然灾害可能发生的地区以及对公民可能造成的危害和风险进行科学评估；对自然灾害进行长期监测，以便及时探测和报告自然灾害；协助联邦、州和地方政府应对大灾；提供科学信息，将自然灾害对人类生命和财产造成的损失减少到最低；对自然资源数据的数量、质量和可利用性进行科学评估；建立长期环境数据库和监测、分析、预测模型，加强了解自然界物质、化学和生物的演变以及由于人类活动造成的影响，努力提供科学信息，减少不利的影响，维持国家环境的健康等。

美国地调局的工作重点转移后，与内政部其他机构和联邦政府的其他各部局、大学、地方政府等建立了良好的合作与服务关系，建立了务实的合作机制。通过合作，不但争取到了项目经费，而且能准确、及时了解政府部门、企业和社会公众需求，提供社会化服务。美国地调局建有USGS网站，其上提供大量服务信息，如地图数据以及相关标准、服务方式和产品使用知识辅导等。这种努力得到美国政府和纳税人的认可。

（根据2010年10月9日上午作者在浙江省测绘局学术报告会上的演讲整理；部分内容引用资料有：美国地质调查局网站、陕西省局翻译的《美国国家地图报告》等。主要内容刊于《浙江测绘》2010年第4期）