中国测绘 | 王家耀：站在十年成果之上，正确理解现在，才能走向未来
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本文内容摘自《中国测绘》2022年第12期
党的十八大以来的十年间，在以习近平同志为核心的党中央领导下，我国各项事业都取得了优异的成绩，包括测绘科学技术在内的科技创新已经进入世界先进行列，地图科学技术作为测绘科学技术的分支学科之一，也取得了非凡成就。
中国工程院院士王家耀
在地图科学技术领域奋斗了超一花甲的王家耀院士对近十年间取得的成果更是感触良多。王家耀评价道：“过去的十年，是地图科学技术非凡的十年。”
谈起地图科学，王家耀开玩笑地说道，自己和地图学“相伴”66载，可以说是跟着工业社会的近代地图测绘到信息时代数字化地图成果一起成长起来的。
在他看来，这十年间地图科学技术可以凝练出三个主要发展成果。“第一个，是大数据，时空大数据彻底改变了地图学家和地图设计师们的思维；第二个，地图（集）产品的设计、编绘、出版全过程数字化转型取得了标志性成果；最后，地图哲学引领和人工智能技术推动地图科学技术进入新时代。与此同时，地理信息系统的应用、数据资源和功能也在不断向外拓展。”王家耀概括道。
当今，随着天空地海一体的传感器网技术、人工智能技术、“互联网+”技术和智能计算技术等的快速发展，全球信息化迈入了“大数据时代”。王家耀强调，在地图学的概念中，提及数据或者大数据，我们都不能忽略其时空属性。因为地图学从一开始就是人类活动在一定空间和时间内认知世界和改造世界的产物。为什么说时空大数据改变了人们的思维呢？王家耀院士引用了我国著名地图学家陈述彭先生的观点来引入：地图学的着重点正在逐步地由信息源获取一端向信息源加工一端飘移。
“过去地图学主要是描述记载那些耳闻目见的地理现象。随着近现代技术的发展，地图学除原有的信息存储和检索功能外，分析功能加强了，地图开始用于反演历史的过程，推断未来的变化。20世纪50年代以后，卫星遥感、全球导航定位系统、计算机地图制图、数字摄影测量、地图数据库、地理信息系统等相继问世，地图学又一次获得了新的飞跃，地图数据已达到海量程度，而地图学的数据获取功能开始被航空航天遥感、地图数据库、地理信息系统等更高效、大容量的现代化技术所取代。”王家耀沿着地图学的发展娓娓道来。
换言之，地图学的内涵从最初的“信息获取功能”发展到了“信息分类、分级的检索功能”，并转向“分析、预测和模拟的功能”，在这期间必定会利用各种数学方法。正如马克思所说：“一种科学只有成功运用数学时，才算达到完善的地步。”王家耀指出，当今的地图学已经达到了“成功地运用数学的水平”，故称之为“地图科学”。
“如今，地图科学工作者们已经认识到了大数据的本质在于要用‘大数据思维’去发掘‘大数据’的潜在价值。这也引发了数据仓库及数据仓库系统、数据挖掘与知识发现、知识图谱及其应用等研究热潮。”这便是思维方式转变的表现。
过去十年间，许多著作也应证了这一观点。王家耀将其归纳为三点：确立了地图科学的核心是数据处理；确定了大数据为地图科学发展注入新活力；确立了时空大数据是地图科学发展的核心驱动力。“地图学本身就是一门古老而又不断注入新活力的科学，在时空大数据时代下必将迸发出新的活力。”
在这样的情况下，地图学的科学范式也进入了新的时代。“地图学的科学范式已经进入到以数据密集型计算为特征的第四范式时代。”王家耀说。
“这十年，国家基础测绘地图产品数字化转型成果不断涌现，其地位和作用不言而喻，其不可替代性更是愈发巩固。国家基础测绘地图产品就是我们常常提及的基于全数字摄影测量系统和全数字地图制图系统的4D产品。”王家耀指出，4D产品的不可替代性体现在许多方面，可以大致归纳为一览性、解析性、知识性、基础性、表达内容的可见和不可见性、时序性以及表达对象的外扩性。
“一览性很容易理解，我们身边常见的地图都可以无遮挡地一览全市、全省、全国乃至全世界的基本情况；解析性的意思是指4D产品可以进行地图图解分析和解析，数字地图可快速地进行地图量算，包括位置、距离、表面积等，还可以快速进行地形分析，包括通视分析、断面分析、缓冲区分析等；而知识性则表明其揭示各要素空间分布、空间关系及相互制约的规律性……”每讲到一点，王家耀院士都能引用身边例子来举例。这也体现了地图产品本就浸润了我们工作、学习和生活的方方面面，无疑展现了其基础性的特点。
王家耀特别强调了“表达对象外拓性”。“外拓性是什么意思呢？随着技术的发展，地图表达的对象已经由地球扩展到了月球和其他星球，现在《月球地图学》快出版了，我们把它叫做深空。当然还有从陆地到海洋、地表到地下、物理空间到网络空间，即深海、深地、深蓝，都将是地图学发挥所长之处。”王家耀解释。
除了国家基础测绘地图产品外，地图（集）产品成果丰硕还反映在非国家基础测绘地图产品上，这些地图产品正展现出多样化和个性化的特点。
多样化，指无涉密内容的地图产品表达内容的多样化，表达形式的多样化。个性化，指非一般大众化的地图产品，即在大众化地图产品基础上增加了用户独特、另类、拥有自己特质需要的元素，独具一格，与众不同的一种地图产品。
“我印象非常深刻的就是‘武大民生女人地图’，其中包含了武汉美甲地图、武汉花店地图、武汉瑜伽地图等，甚至有现在年轻人最流行的网红打卡地图。这一系列的地图正是以武汉地图作为底图来配合一些特质需要的信息，反映武汉瑜伽、健身、广场舞场所等。”
王家耀表示，近年来地图集作为重构非线性复杂地理世界的《百科全书》，其设计编纂出版迎来了新的高潮。“有些人对地图集的理解存在误区，觉得地图集不就是将地图装在一起吗？事实上，一本成功的地图集是具有统一的总体设计、完整的思想体系、系统的逻辑层次、有机联系的内部结构、先进的技术方法，甚至有其独特的现代艺术风格。通过地图集我们可以认知世界、大洲大洋、国家或地区的自然条件，自然资源、生态环境、人文社会、经济发展、国防军事、历史文化等信息。这也是为什么我们称之为‘百科全书’的道理。”
地图集发展迎来新活力、新高潮，从十年来“裴秀奖”的获奖情况也可见一斑。“裴秀奖”是以中国地图学创始人、魏晋时期杰出的地图学家裴秀命名，每两年评选一次，是中国地图学界最高奖项。这十年我国出版的地图集共有264部荣获“裴秀奖”。
王家耀特别强调，这十年出版的地图集具有以下特色：
一是，服务国家战略要求成为地图集的重要选题。服务国家战略，就是服务国家需求，作为地图科学技术产出成果的地图集充分体现了这一特色。
二是，社会广大用户的需求让地图集有了更大的发展空间和潜力。一方面，地图集已成为人们认识世界和改造世界的一种科学工具；另一方面，地图集经过长期发展已深深扎根于社会的土壤之中。
三是，大数据、云计算、人工智能为地图集的繁荣发展提供了强大动力。地图集制作的周期进一步缩短，网上电子地图集的传播使用效率越来越高，受众面越来越大。
四是，实现科学性、艺术性、实用性的有机统一，地图集的可视化效果得到了很大提升。这10年出版的地图集已有很大进步。
地图哲学引领和人工智能技术
推动地图科学进入新时代
地图哲学，是地图学与哲学的汇合，有着严密逻辑系统的地图学时空观，是关于地图同其表达对象、地图同制图者、地图同用图者、制图者同用图者、地图同地图之间关系的总体思考，是关于地图设计生产与应用、地图学理论技术与工程、地图的过去现在与未来的基本规律。在地图哲学的引领和指导下，地图演化论、地图文化和地图史研究正在蓬勃兴起。同时，我们迎来了人工智能时代。
“人工智能时代的到来已是时代之大势。世界各国十分重视，不仅理论成果频出，更加大了投资力度；人工智能技术也正催生着新产业，计算机视觉、机器学习、自然语言处理、机器人、语音与图像识别等的应用越来越广泛；随之匹配的人才队伍也在不断壮大。”王家耀说。
人工智能时代的到来，无疑为解决固有问题带来了新思路。
王家耀总结说，在人工智能时代，我们要抓住大数据时代机器学习的新浪潮，开展地图学领域深度学习等算法的研究和应用，实现“由基于统计方法的神经网络到基于时空大数据方法的神经网络”的转变，充分利用时空大数据教会计算机自己学习，解决地图学中地图设计、制图综合方面的“知识工程”瓶颈问题，其中特征提取和表示是难点。
要抓住类脑智能研究这个人工智能领域的新方向，开展面向智能地图制图的基础研究，涉及“人脑地图”与人类大脑皮层成像和重组的机理、地图学专家基于脑机理研究的制图信息处理的途径、类脑计算模型和算法及计算架构，需要地图学家和类脑智能专家的结合。
要抓住人工智能“三要素”，使之成为大规模智能化地图制图生产的核心驱动力。其中，算法是机器学习的核心、是引擎；时空大数据是人工智能的动力，没有时空大数据，算法就不起作用；云计算支撑的计算能力是一种新的计算模式，具有时间弹性和空间弹性，支撑“地图制图综合”处理的分布式、协同化和智能化，采用分布、并行、协同模式，最终给出“地图制图综合”的解。
地图制图综合“百年国际难题”得到重大突破就是地图科学领域应用人工智能技术的典型例子。王家耀总结了这个“百年国际难题”演进的四个阶段，即：
由“主观过程”到“客观的科学方法”的演变。
由“定性描述”到“定量描述”的演变。
由“基于模型”到“基于模型、算法、规则、知识的数字地图制图综合”的演变。
由“基于单要素研究”到“把制图综合作为一个全要素、全过程的过程控制和质量控制”。
在整个演进过程中，有许多难点需要解决，特别是地图制图综合的智能化。
经过近十年来的集中攻关，终于使这个“百年国际难题”获得了重大突破，取得了四个方面的创新成果：
一是，首创多尺度地图目标空间定量计算的基础理论与描述模式，解决了如何保持各比例尺地图与现实世界的适应性及多尺度地图之间的相似性问题；
二是，创建了地图信息度量准则，发展了空间分布模式识别方法，提出了地图信息变化发现系列算法，解决了地图要素空间形态特征以及变化要素的检测和提取问题；
三是，首创了地图自动“综合链”理论、质量评价体系和可视可编辑的过程控制模型，解决了地图综合过程控制策略方法及综合质量评判问题；
四是，研制了自主可控的全要素、全过程、多尺度地图自动综合与更新软件平台及应用系统，解决了多尺度地图数据库建设及地图生产资源耗费巨大、周期长等问题。
王家耀认为，与此同时，地理信息系统的应用、数据资源和功能也在不断向外拓展，地理信息系统的体系结构与开发模式也发生了深刻的变化。
首先是应用领域的扩展。1965年建成的世界上第一个地理信息系统，即加拿大地理信息系统，只是一个基于矢量数字地图的土地管理信息系统。50多年过去了，如今地理信息系统已在地球科学各分支学科、社会科学、管理科学、医学与卫健等许多领域得到了广泛应用，如大气地理信息系统、海洋地理信息系统、环境地理信息系统、资源地理信息系统等。
可以说，过去需要利用地图的领域现在都需要利用地理信息系统。不仅如此，还出现了新的需求，例如用于室内和地下的水下空间地理信息系统等。可见，应用领域的扩展，既是地理信息系统发展演进的主要表现之一，又是不断增长的应用需求推动地理信息系统的发展演进。
其次，是数据资源的扩展。数据资源是地理信息系统发展演进的重要驱动力。20世纪90年代以前，主要源于地图数字化，地理信息系统表现出静态滞后的特点；20世纪90年代，卫星导航定位数据和卫星遥感影像数据丰富了地理信息系统的数据源，同时融入了社会经济人文信息，具有实时/准实时的多维动态信息特征；进入21世纪，基于现代化时空基准，采用天空地海一体化全球化卫星组网技术，出现“三多”，即多平台、多传感器、多角度和“三高”，即高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率的发展趋势。随着大数据时代的到来，基础地理时空数据与各部门行业专题数据的融合，形成了时空大数据，极大地推动了以地理信息系统到以时空大数据平台为代表的地理信息服务新技术体制和新模式。数据对地理信息系统的发展演进至关重要，没有数据，地理信息系统就成了“无源之水”“无本之木”。
紧接着，是功能的扩展。地理信息系统的功能是社会广大用户最为关注的，按其发展演进过程可以分为管理型、分析型和决策支持型三个时期。
早期的地理信息系统基本上是一种管理型的系统，只具有空间数据存储与管理、查询与检索功能；后来是分析型，在存储管理和查询检索基础上，发展了分析功能，主要包括地形量算、地形分析、空间关系分析、缓冲区分析、最优路径分析、最优选址分析和叠置分析等；当前的地理信息系统正处于各种分析功能、空间数据挖掘与知识发现和人工智能技术的“决策支持型”时期，包括数据决策支持、模型算法决策支持、知识决策支持和智能决策支持等。可以说，地理信息系统的功能由“管理型”到“分析型”再到“决策支持型”，完成了迭代演进。
最后，是地理信息系统体系结构、开发和服务模式的发展演进。在计算机网络通信技术、计算机软件技术和网络服务技术快速发展的推动下，地理信息系统的体系结构、开发模式和服务模式都发生了深刻变化。
地理信息系统的体系结构已经演进为基于“网格集成”与“弹性云”相结合的技术体制；地理信息系统的开发模式经历了从功能包到集成式，再到模块式、组件式的发展演进过程；地理信息系统的服务模式也已经是基于云计算的时空信息服务模式。
上述地理信息系统体系结构、开发模式和服务模式的发展演进，也说明了共享、开放和服务是地理信息系统技术发展的必然趋势。
对于地图科学技术和地理信息系统的未来十年，王家耀充满信心，但接下来应该怎么走非常关键。
“未来十年，必将是地图科学技术更加辉煌的十年。地图制图的‘数字化—网络化—智能化’必将进一步提质增效，基础测绘和非基础测绘数字化地图产品必将更加百花齐放，地图集必将进一步反映国家科学成果和更加服务国家重大战略需求，《地图哲学——哲学视野下的地图学》等系列地图科学著作丛书也将面世，地图科学同多层次多学科之间的交叉融合必将衍生出各种新的研究领域，并形成一系列新的分支学科。”
而地理信息系统作为一种实用性很强的技术工程科学，从一开始就是从实践中来的，而且随着社会需求的不断深化、新兴信息技术的不断进步，其应用领域、数据资源和功能不断扩展，体系结构、开发模式和服务模式等都发生了深刻的变化。“我们应该聚焦在如何认识地理信息系统的发展演进、如何认识和把握地理信息系统的未来发展等问题上。”
王家耀强调，地理信息系统的未来发展不能“无边无际”。“必须要正确理解地理信息系统应用领域的扩展。”他接连不断地抛出疑问，“地理信息系统应用领域的不断扩展是无疑的，但是否扩展到‘全空间’和‘全时空’呢？我们真的要做一个无边无际、无始无终的地理信息系统吗？这种愿望是好的，但需要我们认真思考和研究，不能空想。”
其次，应以服务国家和国防建设需求为宗旨，“首先GIS的发展要坚持服务国民经济建设，坚持研发真正能用、好用、管用的国土空间规划地理信息系统，无论是应对突发情况，还是规划建设智慧城市都能得心应手。”王家耀表示。
“其次，是要坚持服务国防建设。国防建设部署和规划离不开地图。进入21世纪，伴随着航天技术“井喷”式发展，太空成为继核武器之后的新型战略威慑力量。”王家耀解释，太空能够实现全球作战力量一体化，不受传统的陆地、海上、空中飞越限制，具有天然的全球性和跨域性，全球任何地点的作战力量和手段都能通过“天地一体网”连接起来。要实现这一点，就必须有全球一体化的地理信息系统做保障！
面向这两点需求，王家耀指出探索一种科学且符合实际需求和具有发展前景、新型的地理信息系统技术体制是当务之急。王家耀解释，这里所说的科学且符合社会需求和具有发展前景的地理信息系统技术体制，必须是以一体化国家时空大数据中心、模型库、算法库、知识库、专家库为支撑，这样才能实现习近平总书记2016年10月9日在主持中央政治局第36次集体学习时的讲话中指出的“推进技术融合、业务融合、数据融合，实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务”。
“为此，我们要对现在使用的地理信息服务模式进行深入比较分析。目前国内此类商业化软件技术水平都很高，但在数字城市、智慧城市建设中的应用，依然未能达到上述基本要求和目标。”为此，王家耀提出了“网格集成”与“弹性云”的“混合式”地理信息系统技术体制，以及实现这种技术体制必须解决的关键技术和时空大数据平台的应用模式。
在采访的最后，王家耀再次强调：“目前，地图学和地理信息系统领域有很多名词、概念和主张，我觉得学术界应多一点争鸣和学术讨论，大家对问题都有不同的看法，没有关系，最重要的是要一起讨论和研究。”测绘地理信息技术的发展正是要在争鸣讨论中碰撞出火花从而不断进步。
END
文 / 本刊记者 关晓晴 图 / 受访者提供
编辑：张永超
初审：齐 阳
审核：彭震中
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