信息时代美国测绘数据介绍与分析 - 海洋测绘调查 费用

信息时代美国测绘数据介绍与分析

1 引言

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测绘数据产品是指将测绘工作中采集和加工的数据，以一定的技术方法、专业手段进行加工、开发形成向社会提供的，以满足不同层次用户（政府、企业、社会公众、专业技术人员等）需求，具有独立性、完整性、可使用性、规范化等特征的有机载体。测绘数据描述地球表面重要的自然地理和人文要素的空间位置、形态特征和相互关系，为经济建设和社会发展提供地理要素和空间位置信息，是经济社会可持续发展的基础条件和重要保障。当前，随着信息时代的到来和新技术的发展，测绘数据内容、形式和应用需求均发生了很大变化。测绘数据更加丰富，覆盖面更宽广，知识含量将更密集，向海量化、多层次、快速化和持续性发展。同时，为适应拓展应用需求，测绘数据将更加智能化，并向个性化、信息化、知识化转变。技术的发展和需求的变化使我国长期以来以地形图和4D产品为主导测绘数据向按需定制、内容丰富和高精度数据方向发展。测绘数据从信息传输转变为地理信息深加工，从二维静态转变为三维动态，从固定式环境应用转变为分布式环境应用［1]。当前，我国测绘数据主要停留在地形图、基础地理信息数据层次，尚未形成个性化、多层次、持续性的成果和服务体系，缺乏面向公众服务成果，更缺乏有影响力的分析和成果应用服务，在适应信息时代应用与服务要求方面上存在不足，为更好地满足应用服务需求，需要开发更多的测绘数据产品。

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美国基于卫星定位、航空航天遥感以及现代信息技术建成了信息化测绘生产与服务体系，并在适应信息时代应用与服务测绘数据获取实时化、处理自动化、服务网络化等方面居全球领先水平，例如首先开发了以4D为代表的数字测绘产品，为解决数据共享与应用服务问题首先提出国家空间信息基础设施（NSDI）战略、地理信息平台。由于数据产品是反映技术发展和应用服务需求变化的重要风向标，本文介绍美国测绘数据现状，分析具有美国测绘数据产品，对我国测绘提供借鉴和参考。

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2 美国测绘机构

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美国由美国地质调查局（简称“USGS”）、国家海洋与大气管理局（简称“NOAA”）、国家地理空间情报局（简称“NGA”）、其他专业和私人机构等机构进行测绘活动。各个机构按职能不同完成各自测绘任务，但机构之间存在合作和协同关系，并按照分工向其他部门提供所需的测绘数据，实现数据共享。其职责如下：

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1）美国地质调查局

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USGS成立于1879年，隶属于内务部。USGS的主要工作内容是通过地质填图和矿产资源调查、地图测绘、地形测量、地理以及水资源调查等对地球进行大规模的、多学科的调查，提供影响人类生活生态系统和环境健康、自然灾害、自然资源、气候和土地利用变化方面的数据信息。随着科技和社会的发展，当前其主要职责转变为自然灾害、地质、资源、地理、环境、生物等方面信息研究、监测、收集、分析、解释和发布，自然资源进行长期监测和评估，为决策部门和公众提供广泛、高质量、及时的地理空间数据等等。

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2）国家海洋与大气管理局

NOAA于隶属于商务部，职责是掌握、预测和提供气候、天气、海洋和海岸的变化信息，保护和管理沿海和海洋生态系统与资源。NOAA在测绘方面主要进行国家大地工程网、航道及机场测绘工作，制作美国及其领地水域海图，以及相关地理信息系统管理。NOAA的下属的国家大地测量局（NGS）负责国家大地工程网维护，海洋服务处处负责水域测量和摄影测量，国家环境卫星、数据及信息服务处负责NOAA地理信息系统管理。

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3）国家地理空间情报局

NGA为美军提供情报支援，为国家高级决策提供及时、准确的地球空间情报信息，加强国家和军队的情报掌握能力。主要职责是处理和分析各种影像与地理信息数据，为障国家安全行动提供及时、适当和精确的地理空间情报。

4）其他专业和私人测绘机构

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美国土地、森林、水利、公路和工程建设等联邦政府部门也拥有一些负责本部门测绘工作的其他测绘机构。同时，美国还拥有一些经营商业卫星遥感、地理数据、影像、信息数据库等的私营测绘机构。

3 测绘数据情况

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3.1  美国地质调查局

USGS整合相关数据、知识和资源，基于全新的模块式地球科学框架，建立了一个全数字化的地理信息数据库系统，形成地球知识库。USGS推出了信息产品系列，其中测绘数据产品分为地形图、国家地图、专题地图、GIS数据、地名信息系统（GNIS）和地质图。

3.1.1 地形图

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地形图是美国政府、科学、工业、土地管理规划和娱乐等日常应用不可缺少的工具。USGS地形图测绘始于1884的地形测绘计划。USGS地形图描述高程（等高线）、水文、地名及各种文化特征，其主要比例尺为1:25万、1:633 60、1:25000和1:24000等。2006以前USGS主要为纸质印刷地形图，2009年开始以数字形式的新一代地形图（US-Topo）取代了纸质印刷地形图。因此，当前USGS地形图产品分为以下类型：

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a）历史地形图（简称“HTMC”）

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HTMC是USGS测制的纸质印刷方格地形图和其高分辨率扫描图像，大约有178000幅。目前，HTMC基于一定空间参考，以数字文件形式存储，并带有准确详细的目录和元数据。HTMC中最具代表性的是在1992完成的1:24000比例尺地形图（也称为7.5分方格地图）。该地形图完整覆盖了美国48个相连州，同时在阿拉斯加、夏威夷和美国领地也有类似地图，总数量超过55000幅，是当时唯一覆盖美国的统一地形图。HTMC是美国特定时期的自然和文化特征的反映。同一区域不同时期的HTMC显示特定区域之前的情况，并可展示随时间变化的详细景观，供科学家、历史学家、环境学家、系谱学家和其他研究特定地理位置或区域的人使用。

b）Digital Map-Beta

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DigitalMap-Beta是一种过渡产品，它基于各地方、州、联邦和其他数据源的整合形成，其内容包括正射影像图、道路和地名信息，但不包含等高线和水系要素。Digital Map-Beta地图虽然要素内容不全，但具有人机交互和互操作功能，可以增加新要素内容。但由于其要素不全，已经被新一代的国家地图US Topo代替。

c）US Topo

US Topo是新一代通用的、数字化方格地形图。模仿原7.5分方格地图，但以GIS数据库为基础生产，并以数字文档的形式发布。US Topo内容包括正射影像、道路、地名、等高线和水系、交通、边界、构筑物、植被和地貌，其中等高线由3DEP数据生成。US Topo的特点是可进行有限编辑和基于免费软件执行GIS的基本功能，支持快速、广泛的公共传播，并有基本的地理分析，按照个人需要关闭及开启资料图层，放大及缩小整个地图或地图局部的功能。

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3.1.2 国家制图数据

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国家制图数据是USGS按国家地理空间计划(NGP)对数据和服务要求构建的一个覆盖全国、标准统一、持续更新的产品，也是USGS国家地理空间计划的基石之一。国家制图数据按照国家空间数据基础设施（NSDI）规定，由USGS、其他联邦、州及当地伙伴合作测制和集成数据，服务于社会应用、科学分析和应急响应等。其数据分为数字正射影像（航拍照片）、高程、水文、境界、交通、人工设施、土地覆盖(NLCD)等层，具体如下：

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a）数字正射影像

数字正射影像是将航片的视觉特性与地形图的空间位置精度、可靠性结合的高分辨率数据。USGS提供无缝、统一、现势性强、高精度的数字正射影像，其分辨率从6英寸到1米不等，一般美国毗邻区的正射影象分辨率为1米，许多城市地区和其他位置还有2英尺或更高分辨率的数据。

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b）高程数据

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高程数据主要针对地形数据日益增长的需求，基于USGS正在实施3D高程计划（3DEP），以高精度三维数据产品的形式描述全国自然构造特征。3D高程计划采用激光雷达（简称“LIDAR”）和干涉合成孔径雷达（简称“IFSAR”）技术采集美国本土、毗邻区和夏威夷高程信息。美国阿拉斯加由于长期被云层遮盖且距离遥远，使用了IFSAR技术。3DEP数据的成果形式为地形图等高线、数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSMS）和正射纠正雷达强度图像（ORIS）。

c）水文数据

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水文数据包括国家水网数据集（NHD）、高分辨率国家水网数据集（NHD PLUS HR）和流域边界数据集（WBD），描述美国的地表水和相关要素，真实反映水网状况。NHD内容包括河流、溪流、运河、湖泊、池塘、冰川、海岸线、水坝和河道要素。NHD 与NHD PLUS HR是描述水域范围、河流流域、地表径流和附属属性的网络化空间框架数据。WBD描述美国八大水系的流域范围，以及水面所占土地和地表面积。水文数据用于地表水资源局部（例如导航、泥沙输送和流出物扩散）的分析、评估或模型化。例如基于水文事件管理（HEM）工具在国家水网数据集上查询鱼类种群、入侵物种、河流流量和水质等各类数据，并研究有毒泄漏可能和如何影响下游鱼类种群或饮用水。

d）境界数据

境界数据描述民用行政单元的区域，包括州、县、联邦和土著美洲土地界，以及并入的地方，如城市和小镇。这些数据有助于在资源管理、自然灾害救助或休闲活动（如徒步和背包旅行）等应用中确定行政领域或管辖的范围。

e）交通数据

交通数据包括道路、机场、铁路以及与人或商业运输相关的其他要素。交通数据包含位置、分类、名称或路线指示，以及大多数道路、地址的范围。交通数据用于路线、交通安全、拥塞缓解和灾难应急规划和响应等地理分析活动。

f）人工设施数据

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人工设施数据采集了包括建筑物在内的人造设施的位置和相关特征信息。特征包括建筑物的物理形式（印迹）、功能、名称、位置以及和其他有关建筑物的详细信息。建筑物类型确定在很大程度上由灾害规划、响应，以及国土安全机构需要决定。

g）地表覆盖数据库

NLCD是描述地球表面覆盖特征的数据，如专题土地分类（例如城市、农业和森林）、不透水表面百分比和树木冠层覆盖率。NLCD以30米分辨率的陆地卫星影像作为其数据源生产，为联邦、州、地方政府和非政府机构应用提供各种各样的支撑，例如：评估生态系统状况和健康状况，了解生物多样性的空间格局，预测气候变化影响，并制定土地管理政策等等。

3.1.3  专题地图

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USGS提供内容广泛的专题地图系列，包括地质、生物和生态、气候和土地利用变化、环境健康、遥感、矿产、自然灾害、行星、水资源等等。其中数字地质图最具代表性。该数据具有一致的岩性、年龄，以及系统的数据结构和格式，展示地球的复杂地质结构随时间的变化，是按标准化、分布式构建的国家地质信息档案。

3.1.4  地名信息系统（GNIS）

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美国联邦地质调查局在美国地名委员会的支持下开发了地名信息系统（GNIS）。该系统是国家官方和标准地名数据库。地名数据库保存每个自然和人文实体对象（例如:山脉、山谷、海湾、人口聚集地、医院、学校、教堂和墓地，但不包括公路和高速公路）的名称，，并通过州、县、USGS地形图和地理坐标定义其空间位置。对象的属性包括正式名称以外其他名称拼写、对象命名、对象分类、历史和相关描述性信息，以及一些类别的几何边界。美国联邦政府各部门车辆、联邦电子和印刷产品所使用地名均以该系统作为来源。

3.2  国家海洋和大气管理局

NOAA数据包括测量数据、航海图和海洋水文数据，用于航海、海岸水文及其他保障航海安全信息的提供和分发，并且该数据还作为航空保障数据。

3.2.1  测量数据

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测量数据由NOAA下属美国国家大地测量局（简称“NGS”）定义和维护，并提供国家空间参考系统（简称“NSRS”）的访问与服务。NSRS基于一个统一的坐标系统定义美国及其领土上的纬度、经度、高度、尺度、重力和方向。NGS提供的测量数据包括：

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a）基准和转换参数；

b）大地测量数据；

c）GNSS和GPS数据；

d）遥感数据；

e）国土测量数据。

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3.2.2  航海图

NOAA航海图描述航线地形特征和地标，显示水深和海岸线的轮廓，是确定航路、位置和查看船舶与周围环境关系的依据，以帮助航海者避免危险并安全抵达目的地。航海图的要素包括航道、浮标和其他助航设施、码头和港口，并分为沿海维护航道、美国海洋范围和界限（海岸）、航道和管理三层。航海图比例尺从1:2,500到1:10 000 000共6个，分别称为泊船、海港、航道、海岸、航海总图和帆船航海图。NOAA的无缝栅格导航服务可将NOAA电子航海图（RNC）无限镶嵌与集成为一个统一航海图，为航海提供界面友好的GIS产品。

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3.2.3  海洋水文数据

海洋水文数据库是基于美国沿岸海底调查，生产成的领土内沿海和专属经济区深度、特征的详细水文数据。海洋水文数据库包含航海图中未显示的海底附加细节。海洋水文数据库数据包括测深属性网格文件、描述性报告、平滑的薄片影象、测量影象、文本网格数据、侧扫声纳镶嵌图、FGDC/RSE元数据和测量统计。海洋水文数据库为沿海资源管理者提供所需的工具、实践和信息服务。

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3.3  国家地理空间情报局

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NGA提供的地理空间情报包括从地面到空中、到空间，从海面到海底，从地形到气候等多个方面。当前NGA已经超越利用影像与地图来为决策者提供情报，而是通过地理信息系统提供全面、综合性的情报信息。NGA数据有：

1）海洋水文和地形数据，包括海洋环境、海洋边界、港口和码头、水文航标、水深；

2）陆地表面的地形和地物数据；

3）数米精度的精确定位和目标位置锁定；

4）大地测量和地球物理数据，包括重力、定位、基准等；

5）地理名称，包括地理区域和对象的标准名称；

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6）地理空间情报，包括从地理空间数据中提取有意义的信息，以发现和研究地理数据的关系与模式，满足情报或军事要求。

7）影像，指颁布进入商业化领域的高分辨率卫星影像。

4 分析与启示

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4.1 分析

美国为推进测绘数据的使用，降低数据使用的门槛，为数据共享服务提供便利条件，扩大了数据的应用范围，为决策部门和社会公众提供了广泛、高质量、及时的服务。同时，在应用服务的推动下测绘数据的内容和形式也在不断发展，表现在数据范围更广、种类更多、内容更丰富、实用性更强。当前美国测绘数据产品具有以下特点：

1）测绘数据内容广泛

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信息时代，美国认识到在解决自然资源管理、灾害防治、提高人们生活质量等方面的问题时，需要综合各类信息来解决。因此需要整合相关数据、知识和资源，进行综合分析形成新知识，即通过数据密集型知识发现，解决这些复杂问题，创造新价值。因此，美国测绘数据具有范围广、种类多和多时空的特点，例如从国家制图数据到地名、地质、生物生态等专题数据，从地形图到影像数据、GNSS数据，从历史地形图到最新的US Topo，均反映出数据广泛性。同时，美国测绘数据具有信息化、智能化程度高的特点，例如：数据可不仅可方便地在网上显示，还可作为产品和服务下载。相关测绘数据中可添加其他数据或将测绘数据加入到某个地理信息系统去创建特定数据，以提供更好的服务。

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2）面向服务需求的测绘数据

美国测绘数据紧密结合社会经济需求，以满足需求作为发展驱动力，积极推动数据的应用，表现在测绘数据随着社会、科学与社会之间的关系和信息技术的发展的变化而变化，以提供及时、专业、科学的服务，例如：从纸质印刷地形图到基于GIS数据库的US Topo, 国家制图数据从传统正射影像、高程数据到地表覆盖数据，从地形信息到地名信息，从航海图到海洋数据等等，均体现了这一特征。其次，美国测绘数据类型丰富、形式多样、分类明确，例如美国高程数据包括地形图等高线、数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSMS）和正射纠正雷达强度图像（ORIS）。此外，美国非常重视测绘数据的应用服务，根据需求生产新的数据，例如水文数据中的流域边界数据集（WBD）。同时，美国通过国家空间信息基础设施（NSDI）战略、数字地球、地理空间信息平台建立了高效的测绘数据共享机制。

3）协调相关力量共同生产数据

从前，测绘数据生产需要独特性技术和较高的生产成本，因此美国率先提出国家空间数据基础设施（NSDI）计划，政府机构直接参与数据生产。当前，随着对地观测系统及测绘技术的不断发展，数据生产费用的不断降低，政府机构介入数据生产的程度不断降低。同时，计算机技术和通讯技术成级数增长，地理信息系统和影像处理软件的发展，使得测绘数据的应用，从专业领域的特种应用拓展到面向大众的多种应用，例如影像和高程数据在可视化和动画方面的应用。因此，政府机构致力于广泛发展合作伙伴，使更多的合作伙伴参与到数据生产，同时也使各类用户能够最大限度的应用数据。同时，测绘数据生产维护中政府各有关部门、学术团体、高等院校、企业、研究机构、私人公司，甚至公民个体都建立了合作伙伴关系，保证了数据的来源，例如国家地图公司鼓励公民通过添加新的对象、删除过时的点和修正现有数据。

4）测绘新技术在生产中的广泛应用

当前，美国测绘数据生产中广泛使用测绘新技术，例如在高程测量和三维建模的3D高程增强计划中使用机载激光雷达测量（LIDAR）和干涉合成孔径雷达（IFSAR）技术，地表覆盖数据库(NLCD)生产基于高时空、光谱分辨率的遥感技术。同时，美国建立了关于遥感数据处理和模型运行的快速程序，开发了先进的全自动化的测绘数据分析、加工和处理软件，其软件对全球市场的垄断态势非常明显。这些新技术降低了生产费用，提高了生产效率。

5）测绘数据不断增强和细化

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美国测绘数据在不断增加维度和属性信息的表达，数据向社会化、三维化、动态化、泛在化和智能化发展，例如：美国通过四维地质图产品，提高数据时间和空间分辨率，展示地球的复杂地质结构怎样随时间发生变化。高分辨率国家水网数据集（NHDPLUS HR）通过增加河流区域、流域面积、地面水流和属性形成的网络化空间数据框架，将模型和评估细化到局部区域。又如US Topo数据的可持续更新。

6）强调测绘数据共享和集成

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美国认识到测绘以应用为本，在应用中体现价值，但是当前测绘数据均不同程度存在数据分割、数据“孤岛”问题。因此美国在1990年成立地理数据委员会（FGDC），以标准化手段解决数据分割问题，促进测绘数据的共享和传播。同时，美国认识到大数据时代传统的单一数据已很难适应社会发展的需求，将不同数据系统集成，构建数据密集型工作方法，通过数据交换、整合、分析，可以实现科学和技术的发现，形成新知识，创造新价值，解决人类目前面临的各种复杂问题。因此，美国致力于集成测绘数据，形成更为完善的产品和服务。例如由USGS、NOAA在联邦应急管理局、美国农业部和美国陆军工程兵团协作下形成美国多部门高程信息（USIEI），集成了3D高程计划所测数据、海洋和海岸测绘数据。

7）重视测绘数据的分析应用

美国注重测绘数据应用服务的速度、质量和效率，开发了以数字化和网络在线服务为主，传统服务为辅的服务方式，向国家和地方机构、专业部门、教学科研、企业和私人用户、国内外用户提供服务，服务范围广、交互性好、效率高。此外，美国对测绘数据进行科学的分析与合成，鼓励不同学科、不同领域专家参与数据的开发和应用研究。

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4.2 启示

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美国针对社会应用服务需求发展测绘数据产品系列的做法值得学习和借鉴。测绘数据的生命力取决于对社会需求的满足程度。美国立足于用户不断变化的需求，充分利用计算机模拟能力，开发可视化技术和工具，适时开发多层次、多领域、多需求的测绘数据，为不同用户提供内容丰富、形式多样、简单实用的测绘数据。其次，美国测绘数据的集成和共享也值得关注。当前人类社会面临复杂的社会经济问题，这些问题需要通过对各类数据的综合分析来解决，这就需要解决“数据孤岛”问题，提高数据共享能力。美国利用标准化手段解决该问题，并协调相关力量共同生产数据，推进了测绘数据的集成共享。此外，美国在加强测绘数据二次开发，研究不同数据的交换、整合和分析，进行科学和技术的新发现，形成新知识，提高数据获取、挖掘和分析能力，为决策部门与公众提供科学的信息，提高解决复杂经济、社会问题的能力，不断提升服务水平，也值得我们学习。

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5 结语

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从分析可以看出，当前美国社会对测绘数据应用需求不断增长，测绘数据用户的数量大大增加，用户对产品的易用性和可用性的要求也越来越高，并希望测绘数据能够很容易地按照其需要集成。美国为适应社会需求，不断修正和调整其战略方向和工作重点。同时，为适应互联网和信息技术要求，开发了新的测绘数据产品，并改变测绘数据形式。但是，美国测绘也面临数据量大于信息量和知识量的问题，表现在各部门通过各种对地观测技术获得了海量测绘及相关地学领域数据、信息和综合性图件。信息分析和可视化方法则远远落后于数据获取和处理的能力。因此，在强化数据自动分析和可视化应用研究，提升服务水平。

（发表于《地理空间信息》2020年第4期）

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文章来源：公众号 自然资源部测绘标准化研究所，版权归原媒体/刊载网站所有。

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原文题目：技术交流 | 信息时代美国测绘数据介绍与分析

原文作者：兀伟 等

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