李德仁院士：地球空间信息学的使命

注：本文为出版于2019年10月的《李德仁院士文集》的序言。作者李德仁院士。《李德仁院士文集》书目录见二条。

李德仁

博士，教授, 中国科学院院士, 中国工程院院士, 国际欧亚科学院院士, 现从事以遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统为代表的空间信息科学与技术的科研与教学工作, 并推进地理国情监测、数字城市与数字中国、智慧城市与智慧中国的研究及相关建设。

现代科学研究的基本对象集中于物质、能量和信息三大主题，从20世纪20年代信息概念基本形成起，到40年代由于信息技术的突破和信息理论的创立，人类开始进入了信息时代。     

随后，信息技术和信息理论的研究及应用工作开始全面展开。50年代以来，信息革命的浪潮席卷全球。到90年代初，信息概念与信息技术已经深入到生产与生活的各角落，信息产业迅速崛起，以信息高速公路为主干的社会信息网络正在世界许多国家加速兴建，信息革命已向人类展示了光明灿烂的前景。

信息革命主要经历了两次大的浪潮:第一次形成了信息科学和信息产业，并以电子计算机的发明为标志；第二次信息革命作为一次深远的产业革命，以微电子技术、空间技术、信息技术和现代通信技术相结合为特征。它给整个社会的生产、管理、服务和生活系统乃至现有的社会产业结构所带来的影响，远远超过以蒸汽机为标志的第一次工业革命对社会经济、政治、军事、文化等各方面的影响。

数字地球时代的机遇与挑战

现在，我们已经进入“数字地球”时代。随着物联网、云计算、大数据和人工智能等技术的进步，人类正在大踏步地向万物互联的“智慧地球”时代迈进。

地球作为人类赖以生存的最基本的物质基础，与社会可持续发展密切相关。人与自然的协调发展是社会可持续发展最基本的条件。因此，人类在认识自然、改造自然的过程中必须正确处理人与自然的关系，如合理利用资源、提高资源的利用效率、统筹规划国土资源的开发和整治、控制环境污染，以及改善生态环境等。

随着社会和技术的迅速发展，人类改造自然的能力不断増强，人类活动引起的全球变化目益成为人们关注的焦点。从最近几个世纪的历史看，人类活动对地球生态的影响主要是向变坏的方面发展。随着世界人口的急剧增加，造成的资源大量消耗、生态环境恶化已是全世界有目共堵的事实。因此可以概括地讲，人口、资源、环境和灾害是当今人类社会发展所面临的四大问题。

地球及其环境个由大气圈、水圈、生物圈和岩石圈构成的复杂巨系统，为了解决人类社会可持续发展的问题，需要人们不断地认识地球。

地球科学作为一门已有数百年发展历史的学科，在研究地球及其各圈层的起源、结构、演化与运动规律等基础理论方面，已取得了突破性进展，并通过对上述四大问题的研究与战略决策，在现代经济与社会可持续发展中占有举足轻重的地位。

随着人类社会步入信息时代，一方面，有关地球科学间题的研究需要以信息科学为基础，并以现代信息技术为手段，建立地球信息的科学体系；另一方面，地球信息技术的发展又极大地促进了地球科学研究，特别是对地观测技术的发展，使一些重大的地学间题面临着新的突破。

地球空间信息学的发展与使命

地球空间信息学正是在地球科学与信息科学技术的交叉、渗透与融合的基础上应运而生的。它作为地球信息科学的一个重要分支学科，可为地球科学问题的研究提供空间信息框架、数学基础和信息处理的技术方法；同时，它又通过多平台、多尺度、多分辨率、多时相的空、天、地对地感知和认知手段改变和提高人们观察地球的能力，为人们作出准确而全面的判断与决策提供大量可靠的信息。

从本质上讲，地球空间信息学应作为认知科学的一个组成部分，它要研究和解决加何从各种对地观测数据中智能地提取信息和知识的问题，从而实现数据一信息一知识的自动转化。

• 来自卫星导航定位系统的对地观测数据是以点方式记录电磁波信号，代表从卫星到达地面目标点的相位和时延；

• 来自光学遥感卫星的数据是以面方式来反映地表光谱反射率的灰度矩阵;来自合成孔径雷达卫星的数据是卫星后向反射到目标的相位和振幅记录。

这些不同类型的电磁波信号均要穿过大气的电离层和对流层，会对原始信号产生干扰和影响，所以地球空间信息学的感知和认知涉及各类传感器的建模、校正与标定，自主定位与定姿，各类数据的预处理与精处理，特征提取与目标识别，语义与非语义信息的提取，信息融合与集成，以及空间数据挖掘与知识发现等方面，是一个复杂问题。

当前，随着卫星通信技术和嵌入式通用计算技术的发展，为适应应急任务对航天信息感知和认知的实时要求，在轨处理和嵌入式实时智能化处理以实现数据一信息一知识自动转化的问题已被提到日程上来。

随着物联网和云计算技术的出现，无所不在的传感器网络将现实物理空间活动中的人、车、物的时空信息直接映射到数字网络空间，使地球空间信息学从对地观测拓展到对人和人类社会活动的观测，通过地学计算可支持定量化的社会科学研究。

夜光遥感多时相数据可用于战争与和平、社会经济发展、碳排放、城市发展和全球贫困分布诸方面的研究，卫星导航定位系统和手机数据记录着人、车出行和物质的流通，这些时空大数据的智能分析将支持科学处理人与自然的关系，推进人类社会的绿色和可持续发展。

地球空间信息学又是一门面向经济建设、国防建设和大众民生应用需求的服务科学。它需要从理解用户的自然语言入手，搜索可用来回答用户需求的数据，优选提取信息和知识的工具，形成合理的数据流与服务链，通过网络通信的方式，将有用的信息和知识及时送达给用户。

从这个意义上看，地球空间信息服务的最高标准是在规定的时间(right time)将所需位置(right place)上的正确数据/信息知识(right data/information/knowledge)送到需要的人手上(right person)。面向任务的地球空间信息聚焦服务，将长期以来数据导引的产品制作和分发模式转变成需求导引的聚焦服务模式，从而解决目前对地观测数据“又多、又少”的矛盾(每天接收的各类卫星数据达到TB甚至PB级，而用户需要的数据又十分匮缺)，实现服务代替产品，通应当今大数据智能时代的需求。

我们这一代人应当努力实现地球空间信息学的上述历史使命。

李德仁

2019年8月18日

【相关阅读】

长按下方二维码关注我们

国际影响力优秀学术期刊

EI索引源刊

中国精品科技期刊

http://ch.whu.edu.cn

 [e-mail]

学术|权威|科普|有趣