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新基建时代地理信息产业的机遇与挑战—李德仁院士演讲实录
导 言
第十四届中国智慧城市大会组委会荣幸邀请到中国科学院院士、中国工程院院士李德仁先生担任开幕式嘉宾，并在智慧城市高峰论坛做了题为《新基建时代地理信息产业的机遇与挑战》的精彩演讲。
应广大观众的强烈要求，组委会将李院士的演讲实录在此分享给大家，并再次向李院士致谢及致敬！
新基建就是新型基础设施的建设，或者新一代基础设施的建设，是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。这个体系包括新型基础设施、融合基础设施和创新基础设施。从2018年12月份到现在，中央有很多认识，讨论这样一个问题，最关键的是2020年4月1日，总书记在视察浙江的时候提出来，要抓住产业数字化、数字产业化赋予的机遇，加快5G网络、数据中心等新型基础设施的建设，抓紧布局数字经济、生命健康、新材料等战略性新兴产业，未来产业，大力推进科技创新，壮大新增长点，形成发展新动能。2020年4月20日，发改委宣称中国实施新型基础设施的建设，40万亿来拉动内外两个循环。这三个基础设施大家要搞清楚，信息基础设施指的5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的一个通信网络基础设施，天地的互联网，这是一个通信网，移动无线的。我们对地观测与北斗导航定位，构成的是空间信息基础设施，是一个重要组成部分，从时空大数据告诉我们，你在哪儿，到哪儿去，你时空的变化。以人工智能、云计算、区块链等为代表的信息新技术基础设施，而以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施，昨天在怀来开了中国信息学会通信学会的算力基础设施的问题建设，怀来要开一个很大的，以官厅水库为核心的基础设施。融合基础设施建设，把这样一些技术融合到各种传统的基础设施建设里，让它升级改造，形成一个融合的基础设施，比如智能交通、智慧能源，刚才我们讲了智慧的建筑，这样一些传统的铁公基。第三个创新基础设施，支撑它的科学研究的平台，技术开发的平台，产品研制具有公益属性的基础设施，重大科技基础设施、国家实验室、国家基础设施和产业技术训练的创新的一些基础设施，这就是我们国家要推进的，在未来从第一个一百年，转到第二个一百年，明年是建党一百年，迎接中华人民共和国建国一百周年。这样一个技术，有些不一样，跟传统的基建不一样，它的主体从政府主导变成多元主体的空间，有企业，有政府，有市场，原来的布局只在物理空间，现在考虑到各行各业产业之间的协同，原来的科技含量比较低，现在科技含量很高，原来是硬设施，现在是硬软设施兼抓，原来是传统的物理空间，现在从物理空间到网络空间，数字孪生，原来讲的是物质空间的铁公基，现在又由渗透性强走向数字经济，它的价值完全不一样，这样一个思路，就是我们要面对的中国的现在和走向的未来。我们这个行业能干什么，我们要为新基建提供完整性好，现实性强，精准度高的时空数据，实现数字产业化、产业数字化，我们是信息基础设施中间的空间信息基础设施。这就是我们理解的要带来的机遇。
现在讲空天地传感器，已经扩大到物联网上万亿个无所不在的，十万亿个无所不在的物联网，也完成了我们测绘遥感人做的时空数据的采集，天上有卫星、飞艇、飞机、无人机，我们到手上至少还有手机，我们城市实景，移动测量汽车和未来智能驾驶、无人驾驶汽车、电动车都可以采集数据。视频大数据，每个城市有50-60万个摄像头，采集的数据保存三个月，已经超过3000-4000PB。人车物出行的轨迹大数据，有物联网记下来的水气电运动中的这些大数据，这些大数据的完整才构成了数字孪生。我们要解决室内外真三维自动建模与矢量化和影像自动解译与分类问题，这个问题是我们陆昊部长提出来的要求。我们用一个无人机去拍倾斜摄影，拍回来用一个人工智能的软件建模，这个建模用人做不方便，用机器做很方便，龙华区三维建模，干什么用，区长让我查违章的建筑，谁把房子偷偷加高了要去罚他，你不罚他他就跟你要钱，政府几十亿就会流失掉。当然还可以用来交通管理、应急响应、仿真，做城市所有的5G基站的部署，都要靠这样的数据才能布得好。这个分辨率是三个厘米，非常清楚。我们还要求从街景拍倾斜影像，这个影像相对精度是5厘米，绝对精度是0.5-1米，我们还要把室外室内连在一起，从室外走向室内，实现真正的BIM+城市GIS的数字孪生。时间关系不演示了，很多公司都能提供这样的服务。我们要把各种雷达数据、激光扫描数据，红的是天上航空的，绿的是从地面站拍的，蓝的是器材扫过来的，最后黄色的是背包客背在身上采集的数据，这四种激光遥感数据融合在一起做成一个不遗漏的真三维模型，它的融合精度三个厘米，很多公司在做这样的工作，要求我们多元城市空间信息数据的融合，这个数据还要跟航拍的数据，卫星的数据融合，才有真的纹理，这个纹理不是真的，就是真三维高精度倾斜影像。从LOD0发展到LOD真实景的三维模型，这个过程靠人工智能，要靠自动化，要有一个标准CTGML，我们都在做这样的事情。可以把单一纹理到类别纹理，不同颜色代表不同的用途，公共用法，医院用法，学校用法，居民用法，有不同颜色，在某些情况下就够了，最后一种真实纹路比较豪华一点，它的成本高一点。这样的数据做山水园林成果的调查，做信号仿真，做城市精细化管理，做BIM，做可视域分析，做战场态势评估等等。现在把无人机和移动测量车组网放在一起，天上的飞机飞，汽车在地面走，两个数据融合在一起，可以建立实时的模型。我们汽车上有两个终端，这个终端是描写无人机数据，一边采一边做处理，一个手机就可以支持做这个处理。另外一个处理系统是处理地面测量的数据。这边还有一个终端，这个终端就是地面移动测量的数据，两个数据实时处理集成，这样的系统我们实验室把它做出来了。去年军运会用这个系统做服务了，真三维实景影像。大家看到，BIM，我们的摄像头，物联网，每个人的手机，每个安保员的位置和他的信息，都在这个系统里面，智能的云平台，一个军运会的大脑。
刚才讲的就是我们理解的，BIM+城市GIS，加上物联网构成的城市新基建模型，或者在这个模型之下，运动中的人、摄像头、运动员、保安人员，所有的都放到网上去，这就是构成的对物理城市的真正的孪生，要解决的其中一个关键问题，遥感影像怎么自动解译，是长期以来没解决的。人工的解译解决了，飞机、轮船、码头、桥梁、交通、房屋都解决了，自然的解译有困难，现在都在研究，这是我们重点实验室做的遥感深度神经网络，这个网络上有几百万样本数据，通过深度学习，我们接下来做目标提取，做分类，做增强，这是全局感知目标超尺度检验和设备的过程，实现目标检索提取，可以对全球飞机、舰船实时检测，利用高分2号“一带一路”做了100个机场的飞机检测，数据量达到600GB，能够找出来，参加了解放军的比赛。我们在江苏省做了自然资源遥感的制图，把全江苏省的数据三天完成影像的推理，做了一米自然资源的遥感制图工作，这个精确度目前达到84.4%，比其他外国人的方法精度还要好一点。我们做了湖北省农作物一张图的系统，利用哨兵雷达和多光谱多时相、珠海一号高光谱32个波段和无人机高光谱等85G数据，来做生产耕地、油菜、冬小麦等农作物生产面积，参加了欧比特杯，得到了特等奖。我们按照资源部的要求，对全国大棚一张图的提取，不靠人，靠深度学习的软件，从2018年资源部、农业农村部联合召开部署会，发现了5900万个全国0.5米的影像数据库，提取了1300多万各大棚，在三个地方验证，精度达到85.7%。我们对“一带一路”，落实习主席讲的要求，要为全人类服务，我们用资源三号卫星对中央20万平方公里地表覆盖做制图产品，做出来的精度也在85-90%的水平之上。这个工作我们还要继续完成，我们的目标要用中国的高分一号和高分六号为中国每年做12张土地覆盖，为联合国做春夏秋冬4张20米分辨率的土地覆盖，落实习主席的一个承诺。这是用多时相影像对今年洪涝灾害调查研究的情况，做了王家坝汛期时间的变化，做了巢湖地区洪涝灾害的实时监测，做了重庆淹水的情况，特别是这个地方淹水面积好几米，而且范围很大，做到当日做好分析，提供给国家和地方政府。我们把湖北省农作物受灾的情况做成一张图，拿这张图分析各个市，各个县受损失的面积，做精准补偿，做农业的灾害处理。我们做了全国应急防汛的舆情一张图，把新闻媒体和遥感数据集成在一起，来向社会公众进行发布。这就是我讲的第一个，这个产业的需要，我们要响应陆浩部长的要求，生态环境部、应急管理部、农业部都需要我们提供这个服务。第二个，我们可以做的是高精度时空大数据的公共安全与大健康产业的问题。我们所有活动轨迹，手机、视频、出租车、汽车、室内、公交刷卡数据，都构成城市的流动作的慢动作的人流、车流、物流，这个轨迹数据可以拿来做，做管人、车、路、企、交通，我们跟公安部做这个系统，把武汉市的人、车、企、道路管起来，这是一个智慧大脑。这个瞬间，武汉市有266万辆汽车，涉及到4070万人开车子，道路监管了两万多个，企业95000多个，这是24小时实时运营的智慧交通大脑。这个执行以后，产生了效果，我们抓毒驾酒驾，清零。很快就可以用这样一个数字的仿真，数字的孪生来解决交通问题，把应急处理做一个应急交通的大脑，我们也在武汉市做了一个工作。这个系统2017年上线，到了2018年3月，舆论就调查了一下，武汉市的拥堵排名，从24名降到了53名，这就是我们信息化的作用，数字化的作用。克强总理专门看这个系统，看了50分钟，让我们在中央电视台和人民日报做一个报道，推广这样一个新模式。北斗3走向了全世界，用RTK芯片，只要一个单频的RTK+北斗的地基增强系统，加5G，放在电动自行车上去，能规范停车，能记录每个电动自行车的位置，送给交管局实时监控，它停在哪儿，不能停在哪儿，都管起来，做了电子围栏，用网格管控，自动调度它，让它很好的服务，查处违章，就推动了武汉市的智能运维，这样的东西十万台一个城市，如果不管就乱了，如果管了，就帮助了我们交通。现在是疫情期间，芒果电站车和人家不接触，安全的，这个数据，当了义务的道路车辆员，应该从区块链上得到你的比特币分红，这就是我们在全国做的，不装北斗芯片的，不到0.5米精度的不能上度，保证交通的安全。我们在疫情期间，利用大数据做疫情的公共防控，把三种人管好，把各个地方都打好，让公众能够得到安全。行政管理、渠道管理和人的管理都做好，做疫情防控，能做控制平台，能做复工复产的监管信息系统，来支持常态化之下的运行。就引出来一个产业，叫做高精度时空大数据的公共安全与大健康产业。北斗今年已经完成全球服务，北斗和北斗的室内定位，是科技部“十三五”推动的计划，我们要把北斗GPS定位在室外加上室内各种传感器、各种视频信号，包括5G，包括蓝牙，声光电场都用起来，做这样一个集成服务的融合组合，我们发明了一个音频发射器，放在房间里面，它的频率是6-21KHz，耳朵听不见，手机收的早，就可以做定位，精度12个厘米，大家看这个学生拿着这样一个手机做定位，精度12厘米，保证了室内手机记录的连续性，和室外北斗连在一起。有了这个，就能解决人和人之间是近距离接触还是安全距离，把这个问题记录，上成云端，来做智能化的一个感知系统，区分密切接触者和无接触者，不要像现在怀疑一大片，不要像现在武汉市封城。建设基于时空大数据的公共安全与大健康服务体系，让城市跟智慧，让疫情之下不封城，全世界的问题。这个系统我们有机会建起来，二十年以前，公安部装摄像头，花了三千亿，后来到五千亿，在全国装了一个亿的摄像头，但是没有管住，如果把北斗下的技术，室内外导向定位管住，我们的手机手环做好了以后，就可以解决一个人在运行中可以通过这个数据在云上自动生成一个健康码，告诉每个人你是安全的，你是哪一天可能有个问题的，这个系统我们疫情期间在研究，把系统做出来了。这个记录除了记录公共安全以外，建议国家在机场、学校、医院，我是武汉过来的，今年武汉疫情期间2000名医生受到感染，死了几百个医生，这是不应当的，我们这个空间信息技术没有服务好，如果服务的好，到0.5米的精度，把这个数据记录在一个云上，它不涉及到安全，你只要知道你有没有危险，你有没有接触，没有接触给你打一个健康码。对于每个人，我手机记录的数据，帮助我，当我摔倒以后，周围没有人，手机可以自动报警，我倒在地上20分钟起不来，可能我骨头坏了，就可以报警，老头、老太太，心理学、生理学、行为学靠手机大数据可以分析，可以让我们健康长寿，可以节省医院的开支，这是一个符合习主席要求的大健康产业的，正在以工程院名义向中央领导写建议，投五千亿做这件事情，防所有的公共场所的安全，和智慧养老关联在一起，推动这样产业的发展。
第三个，也是今天本会的主题，包括很多，我简单说一下我对数字孪生新型智慧城市的认识。数字孪生城市，是构建一个物理城市、网络虚拟城市的一一对应、相互映射、系统交互的复杂巨系统。在网络空间，再造一个与它匹配、对应的孪生城市，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的发展格局，是智慧孪生技术在我们城市中的应用。除了不动的东西，还要把运动的东西，水电气、交通、人流、物流、车流，通过物联网，通过传感器，摄像头、北斗各种手段，把它送到云上去，这才是真正的数字孪生。对我们物理世界是钢筋水泥的城市，我们做了这样一个全域的感知，由实到虚，镜像再现，就可以洞察态势，提前预测，科学决策，再返回来，与虚实时空反向作用智能操控，让城市更智能化，让管理更精细化，这就是我们说的全生命周期的城市的智慧化管理。做这个系统，需要BIM，需要城市GIS，需要物联网，而物联网的难度比较大，有的地方不让建，有的地方不喜欢建，我们都要把它建起来，这样才能真正实现一个数字的孪生，这样就可以构成一个，数字孪生研究报告讲的管理模式，从基础设施怎么抓，智能的中枢怎么建，应用服务怎么实现，做到城市虚实同步、信息可见、全市一盘棋、管理扁平化、虚拟的服务现实的仿真做决策，这个不是容易做的事，如果做到了就不用封城了。第三个特点是软件定义，第四个特点智能反馈，会议上有很多文章讨论这个问题，就是我们讲的数字孪生的新型智慧城市，我们武汉大学做了GIS支持它，能做实时的分析，动态的管理，对所有的用户部门提供实时反馈，让每个城市部门，城管、水务、交通、公安，你做什么事，这个事情像一个大脑一样，感知城市，分析推理，认知城市，做出新反馈，这就是我们推行智慧城市大脑的概念。武大，在武汉推行这样一个系统，大家可以看。刚才讲了城市应急的例子，再讲一个智慧电网的例子，智慧电网的数字孪生非常重要，也是现在和未来新基建重点的项目。要研究它的概念性的模型，做一个圆，要研究风电厂数字孪生的突破结构，要研究交直流电的数字孪生的突破结构，从感知、建模到数据分析，需要有智能软件支持，需要用人工智能方法代替最苦的巡检，巡检很辛苦，人工巡检强度大，效率低，有盲区，我们用无人机代替他，后期优化数据，用了LiDAR，可以设定送和电线的距离，用了倾斜摄影三维建模，在电力部门，用热红外对所有的传感器，所有的空气气象的温度异常进行实时监控，把这些数据用5G传回来，就可以做这个工作，已经在南北15个省市做试点，巡查了有5万公里的路线，这是我们杨教授牵头和电力部门在做的。我们把机器人送到车间里去，代替我们的人工，这个机器人上面有红外，有光学，有多线激光雷达传感器，加上一个运动系统，能够连续巡航八小时，像人一样，能代替车间里工人所有工种，就解决了巡检的问题，地面机器人和空中的无人机，拿这个数据就可以建一个智慧电网运营的大脑。可以在网上查到物理空间所有的，哪个地方哪一个设备，有什么问题，全部可以实时的管控，指挥现场人员的操作。这是做的一个智慧电网的运营脑。第四个，5G人工智能解决智能驾驶、智能交通机器人。疫情需要机器人，疫情期间机器人做了很多工作，消杀机器人，送物资机器人。我们要测试，要造环境，用这些器件，尽量买国内的不买国外的，解决自主，自力更生，这就是做的各种各样机器人。履带式的，轮式的，这三款是现在的产品。变电站，刚才看过了，第二个是便携式的室外轮式巡检机器人，代替公安巡视员，危险车间的机器人，都可以做出来。自动驾驶是什么道理，其实很简单，人的驾驶靠眼睛看，耳朵听，大脑思考，决定往哪儿走，什么速度走，把这个过程，没有人的靠什么，靠光学的，照相机、摄像机，即便是北斗、激光雷达、导航地图、云计算、深度学习等等，这些代替人的眼睛和大脑，做规划做选择，要解决组合解算系统，保证记录的连续性，要做导航地图，我们做成了中国的L4、L5的导航地图，做的图还要制定标准，解决低成本、低造价、高性能的装在汽车上的传感器，我们现在卖三万块钱，他们嫌贵了，要还价到两千块钱，能够放在每个汽车上，做标配，来代替人看路，代替人把一个汽车开到地下停车场，最后一公里是最难的，这是在上海汽车厂，我们做的实验，把汽车自动的开到停车场。没有GPS，每个地下停车场都不一样，能够把它开到位置，不演示了。还做了农用机器人，和东丰（音）一起做的，解决晚上自动田里边操作，施肥、打虫，效率很高，高度比庄稼高一点，不怕风吹，效率很高，车间里面也可以用，这是东丰跟我们合作做的两款机器人。我们还要解决一个问题，车路怎么协同，智能驾驶，无人驾驶，要解决车路系统，能放在路上的尽量放路上，让政府买单，尽量少的让用户在汽车上增加成本，路上要解决三个问题，要高精度、车辆高完好的连续导航，要做增强。第二个，给交通员驾驶员看的标志，改成给智能驾驶终端接收的信号，这个要花钱。还要把路上人车物状态的传感器，尽量装在路上，这块基本建设投资作为新基建，也应当超过万亿价值。这就是我们要做的事情。最后一个，也是我一直在提倡的，通导摇一体化空天信息实时智能服务。现在中国有遥感卫星，北斗卫星，有通信卫星，都是分开的，各自独立工作的，不像人，眼睛耳朵连着大脑，没有，所以它有问题的。我们的海军在巡逻，抓海盗，这个图片拍到以后，发出去五六个小时，那个船已经走了，海盗已经跑了，这样的系统必须把它做成一个连通的融合的畅通服务的系统，我们称之为通导摇一体化的天地信息实时智能服务系统，要把专业服务推向大众服务、军民应用，要把国家扶持，走向新基建市场化、国际化来推动。我们做了一些实验，我们用热红外卫星在天上，我们在湄公河上做森林火点的检测，利用北斗的短消息传回来，把经纬度传回来花了13秒，就是实时服务了，用的短报文，把遥感跟北斗结合在一起了。舰船的检测也是一样，这个实验过程花了四分钟，做到从传感器到用户分钟级的跨越，可以在卫星上用人工智能算法找到船，找到船定好位置，通过通信卫星传回来，落地到用户，小于一分钟，我们做了这样的系统。我们明年要发一个0.5秒的雷达卫星，这个卫星是350公斤。明年还要发一个这样的卫星，智能遥感卫星，视频的立体的平面的，在天上成像处理，发现目标，发现变化，传到地面的手机，要上手机，利用地面的5G和天上的通信网，这是整个网络的联系。地上，天上，天地互通，还要把数据压缩，压缩到500B，信噪比不变。分三步走，先搞40颗，南中国海到中国主要经济地区，珠三角、长三角、长江流域、京津冀，40粒倾斜轨道的卫星。亚米级的精度，0.5米的分辨率，15分钟的分辨率，0.5米的空间分辨率。第二步，中国做120棵星，全世界要200颗卫星，我们也通过工程院和中央领导写了建议，用这个方法，我们把中国卫星通信导航遥感，现在世界上美国人是老大，我们是老二，如果一个应用服务系统做在人家前面，我们就落实了习主席要求，从大国走向了强国，这样的系统用于各行各业，所有的用户都变成实时用户，不管城市交通、规划、物流、采矿、城管、部队的各种用户，都变成实时用户，每五分钟给你送信息，这样的服务方式。大众用户在手机上可以玩卫星，出行的时候不断给你提供实时的卫星，这样的服务老百姓有需求。我们军民在一起，来提升国家的战斗力和信息服务的能力。这个产业也会超过一万个亿。我就讲了这五个机遇，希望我们能抓住。
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