8年攻关疏通数据“堰塞湖”，云原生智能技术喜获特等奖
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近日，中国测绘学会评选出了“2023年测绘科学技术奖”。超图软件集团牵头研发的“云原生智能GIS基础软件关键技术研究及应用”项目获得2023年测绘科学技术奖特等奖。另外，超图软件集团参与研发的“北京市智慧城市‘一张图’建设关键技术与应用”及上海数慧参与研发的“国土空间生态修复全程智治关键技术及应用”两个项目获得2023年测绘科学技术奖二等奖。
测绘科技进步奖主要奖励在我国测绘科学研究、技术创新与开发、科技成果推广应用、高新技术产业化以及重大工程管理实施等方面做出突出贡献的项目、单位及个人。此次获奖是对超图在GIS基础技术创新功力和地理信息技术落地应用能力的认可与肯定。本文将详细介绍“云原生智能GIS基础软件关键技术研究及应用”的创新与价值。
“十四五”规划和2035年远景目标纲要对加快数字经济、数字社会、数字政府建设作出重要部署。地理空间信息产业是数字经济的重要组成部分和核心产业之一，GIS基础软件由于研发专业性强、难度高，一直是地理信息产业的技术制高点，是数字中国重要的时空技术底座。
由于传统地理信息软件的处理能力不足，在地理空间信息领域形成两大“数据堰塞湖”：一是随着物联网、移动互联网和互联网产生的巨量“空间大数据堰塞湖”，二是因时空分辨率持续提升带来体量迅猛增长的“遥感数据堰塞湖”。针对上述难题，超图研究院GIS基础软件研发团队历经8年攻关，结合机器学习、深度学习等人工智能技术，以及微服务、无服务器计算等云原生技术，构建了云原生智能GIS技术体系，形成了“1+3+1”的成果，即：1个地理空间智能算法库、GIS微服务/GIS无服务器计算/GIS智能运维管理3项关键技术、1套云原生智能GIS基础软件。本项目的实施，大幅提升了GIS软件的智能化水平、自动化程度、资源利用效率和稳定可靠性。经院士和专家评价，项目成果总体达到国际领先水平。
四大技术创新，疏通数据要素处理“堰塞湖”
▲云原生智能GIS技术介绍
本项目构建了由1个算法库、3项关键技术组成的云原生智能GIS技术体系，各项技术之间相互补充和加强，实现了GIS软件系统的算法能力智能化、技术架构云原生化和管理平台智能化。
▲云原生智能GIS技术体系
创新一：提出了时空图回归预测、三维模型部件语义智能识别、AI视觉与IMU融合测图等方法，突破了空间大数据AI分析、基于语义的三维模型智能美化渲染、AI室内测图/配图/交互等技术，构建了地理空间智能算法库，大幅提升了数据挖掘深度与自动化水平。
针对传统GIS基础软件存在的智能化水平不足难题，本项目提出了时空图回归预测方法，解决了传统空间大数据分析局限于规则空间单元的问题，提高了预测精度和模型解释性；提出了三维模型部件语义智能识别方法，使建筑物美化渲染更加生动、直观；提出了AI视觉与IMU融合测图方法，可实现低成本、较高精度的室内测量与简图绘制；构建了包含50多个算子的地理空间智能算法库，相比传统GIS分析模型几百到几千的参数规模，容量提升1万倍，可使用百万级到千万级参数模型分析更复杂深入的问题，大幅提升分析挖掘深度，并通过全流程支持能力全面升级了GIS软件AI模型算法能力、扩展了地理空间智能算法边界、提升了数据处理效率。
▲地理空间智能算法库
创新二：提出了GIS内核细粒度解耦、服务无状态化等方法，攻克了GIS服务自动编排等技术，实现了GIS软件的微服务化重构，将GIS单体服务器软件拆分为34个可独立容器化部署的微服务，提升系统性能68%、资源利用率51%，并大幅降低系统故障率。
针对传统GIS基础软件存在的云资源利用效率低的难题，本项目将所有GIS功能的单体部署包按照GIS业务功能（比如地图、数据、分析等）解耦成多个细粒度的GIS微内核，并将GIS微服务状态与主要的GIS业务逻辑分离，通过攻克GIS服务自动编排技术，实现了GIS微服务的跨节点调度、统一管理和协同工作，可快速大规模多节点部署GIS环境，在面对高并发业务访问或流量低谷时，可进行快速伸缩，应对流量峰谷。
▲GIS内核细粒度解耦
▲从传统单体架构改造为微服务架构
▲GIS微服务指标优势
创新三：提出了空间分析Serverless化、空间范围鉴权等方法，攻克了GIS函数即服务(GeoFaaS)和后端即服务(GeoBaaS)等GIS无服务器计算关键技术，提升系统弹性54%、韧性33%，CPU和内存占用分别节约27%和85%。
针对算力利用率低等难题，本项目将GIS空间分析和数据处理能力拆分为可独立运行于云上函数计算平台中的若干个GIS函数，可在0~N自动按需动态伸缩；将空间数据存储、身份认证鉴权等后端能力进行服务化封装，开发人员可直接使用平台上服务，无需关心服务端的实现以及服务器资源调度；最终实现了目标检测、地物分类、对象提取、视频目标检测、图时空回归等全功能和样本准备、模型构建、模型应用全流程的Serverless化覆盖。
▲GeoAI 全功能全流程Serverless化
▲Serverless GIS 相比Serverful GIS指标优势
创新四：攻克了GIS运维中的异常检测、智能告警、服务追踪等技术难题，形成了包括GIS AIOps、服务治理的GIS智能运维管理关键技术，可节约系统运维人力成本23%、降低系统运维复杂度1/3。
本项目针对GIS运维中的异常检测和智能告警等难题，采用AIOps技术对已有运维数据（日志、监控信息、应用信息等）通过机器学习的方式不断迭代优化内置模型，从而更加准确的检测系统异常，让告警更合理、更智能，有效节约人工成本；同时通过无嵌入式技术监测GIS站点内部服务的请求与调用，可视化服务通信链路，在请求异常时能够准确、快速定位通信问题，攻克了因服务众多、内部服务调用复杂带来的服务追踪难题，可有效降低系统运维复杂度。
▲基于Service Mesh的GIS服务治理
应用遍布全球，聚势助推地信产业转型发展
2020年-2022年，项目成果在部委、政府部门、企业等单位以及海外的多领域信息化转型实现应用，市场份额连续多年位列国内市场第一位、国际市场第二位，直接和间接产生了巨大的经济效益和社会效益。
1.支撑了国内20多个政府行业和50余个企业行业信息化应用：项目成果直接服务于国家信息化建设，为自然资源、智慧城市、生态环境、国防建设的大型信息化系统构建提供底层技术和基础软件，充分释放了数据要素价值，让服务更加智慧、精准和高效。
2.推进“信创”业务系统国产化替代，维护国家地理信息安全：支持了自然资源部、水利部、农业农村部等10余个部委及30多省市的信创国产替代项目建设。其中，自然资源部不动产统一登记信息系统、水利部水利一张图为中办特批的部委级信创试点。
3.应用于十余个国家和地区，显著提升国际影响力：项目成果已在东南亚、南亚、欧洲、非洲等10余个国家和地区进行应用，服务于日本国土交通省、韩国林业局、古巴农业部等多个国家级用户，有力提升了中国GIS软件的国际影响力。
项目由超图软件集团牵头，并联合自然资源部信息中心、国家基础地理信息中心、中国测绘科学研究院共同完成。项目成果应用于包括3000余家二次开发商和数十万开发者的GIS生态，支撑了上合组织峰会、国庆七十周年阅兵、北京冬奥会等国家重大活动与事件，有效保障国家信息安全，带动了地理信息产业发展，为进一步建设数字中国奠定了技术和生态基础。
后续我们将推出“国土空间生态修复全程智治关键技术及应用”“北京市智慧城市‘一张图’建设关键技术与应用”两个二等奖项目详细介绍，敬请关注！
作者 | 超图研究院 周世杰
审签 | 刘宏恺
「一座大型机场，每天要接待几万至几十万的旅客。人潮涌动，设施复杂，从登机、起飞到落地，如何忙中有序，确保安全？」