新春特辑|李德仁院士：关于测绘地理信息科技创新的思考

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摘要：本文回顾了测绘地理信息学的发展历程，总结了当今测绘地理信息学的时代特征，提出了测绘地理信息科技创新的三个主要内容：一是从人工作业走向自动化智能化作业，各式各样的测量机器人将应运而生；二是空间大数据与人工智能的集成，对地观测脑、智慧城市运营脑和智能手机脑是人工智能、脑认知和对地观测技术在大数据时代的必然发展；三是无所不在的传感器与通信、导航、遥感一体化的空间信息实时智能处理服务，地球空间信息服务正在从区域制图走向全球制图、从室外走向室内三维自动建模、从专业应用走向大众服务。

关键词：测绘地理信息创新 对地观测脑 智慧城市运营脑 智能手机脑 地球空间信息服务

1 当今测绘地理信息科技创新的时代特征

人类社会在不断进步和发展。在从农业为主到工业为主的社会中，伴随着人类的各种生产实践需求，产生了测绘学。最初的测绘在物理空间（现实空间）中进行，根据几何学的方法和原理，通过光学、机械、电子仪器，测量物体的形状、大小、相关位置。利用距离测量、角度测量和高程测量来完成有利于农业和工业发展的各种比例尺的地形图和专题图。这个方法称为模拟法测绘。

二战以后，信息革命主要经历了两次大的浪潮，第一次浪潮是随着信息论、控制论和电子计算机问世，形成了信息科学和信息产业；第二次信息革命浪潮作为一次深远的产业革命，以微电子技术、空间技术、信息技术和现代通讯技术相结合为特征。在第二次浪潮中，随着信息高速公路的建设和互联网的出现，测绘地理信息科学走向了网络化、信息化和数字化的新阶段，产生了电子地图和地理信息系统。在这个发展过程中，传统的大地测量方法上升到全球定位导航系统和重力卫星测量系统，实现了从地面测量到航空测量、卫星测量的提升。这个阶段的典型标志是Google地图和天地图，采用的是卫星导航技术、空天地遥感技术、地理信息技术以及他们的集成（“3S”集成）的方法。此时的测绘科技处在导航、遥感和地理信息系统集成的“3S”集成时代，人们所处的空间从现实空间扩展到了网络化空间（Cyber space）。

本世纪初以来，随着物联网和云计算的出现，人类进入了大数据时代。在大数据时代，无所不在的传感网与互联网的实时连接，实现了工业化与信息化的综合集成。地理空间信息的来源是成千上万个空天地专业和非专业的传感器数据，信息系统逐步由静态到多时相，再过渡到实时动态。此时人们生活的社会空间进步到了虚拟世界和现实世界关联的空间（Cyber physical space），即智慧地球和智慧城市新时代。测绘科技也发展到一个虚拟现实集成的空间。在这个空间中，以大数据为基础，通过数据处理，信息提取，进而挖掘规律，寻找知识，以此为人们提供各种智能化服务。这是当今测绘地理信息学科技创新所处的时代特征。展望当今测绘地理科技创新时，要充分认识这样的时代特征。

2 测绘地理信息科技创新的主要内容

在基于物联网、云计算的大数据时代，测绘地理信息学面临着许多科技创新的机遇。在科技创新中，应当重点关注以下几个方面：从人工作业走向自动化智能化作业、空间大数据与人工智能的集成、无所不在的传感器与通、导、遥一体化的空间信息实时处理服务。

2.1 从人工作业走向自动化智能化作业

在人工智能逐渐发展的背景下，错综复杂的传感网、庞大的数据量使得传统人工作业的方式逐步被自动化、智能化的作业方式取代。

测量定位由过去人工在作业图板上手工定位逐渐发展为自动化、智能化的定位和导航方法，节省大量时间和人力，大大提高了作业效率。以室内外一体化高精度实时导航与位置服务的技术为例，目前已有科研团队面向大型复杂公共场所的安全监控与应急救援等重大应用需求，致力于解决基于大众智能手机的优于1米和智能驾驶优于0.1米，高可用、自适应和广域覆盖的室内外一体化定位技术。在这一研究中，如何感知和认知室内几何环境和信号环境的时空变化，提高对定位环境的自学习、自适应能力，实现定位指纹库（包括Wi-Fi指纹库，磁场指纹库等）、图像特征库、地表信息库的自动更新，是室内外一体化定位要重点着手解决的科学问题。

空间大数据的出现，为影像目标自动相关，目标自动发现，变化自动检测的研究创造了条件，也为人机交互的方法走向智能化、全自动的方法奠定了基础。在这样的基础和背景下，各式各样的测量机器人将会应运而生。例如2015年初，由立得空间自主研制出的集全景相机（CCD）、GPS 、GIS 、激光惯性导航系统（INS）和920米超远距离激光扫描仪（LIDAR）为一体的移动式测绘系统（Mobile Mapping System）。该系统将GPS/INS，CCD 实时立体摄像系统和GIS同时安装在汽车、火车、飞机、轮船等任何移动载体上。随着载体的行驶，所有系统均在同一个时间脉冲控制下进行实时工作，可以实现在快速行驶过程中采集地理信息，公共信息和城市实景影像，并同步拼接成360度全景影像，可将整个城市的实景影像以实景三维地图的真实形态在互联网上呈现出来。目前武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室与立得公司研制的一款有绘图和导航功能的机器人，可以自行躲过各种障碍物，绘制室内三维地图并自如达到指定位置。同时另一组团队研制出了背包式和手推式的移动测量系统，前者采集地图数据及周边全景影像迅速，后者在商场、地下室等卫星导航信号很弱的地方，也能完成测量任务。国外在这方面的研究也很多。

根据目前人工智能的发展趋势以及新时期对测绘科技的新要求，未来测绘地理信息还会进一步向自动化智能化的方向发展，其应用范围也会更加广泛。

2.2 空间大数据与人工智能集成的空间认知

长期以来，测绘地理信息具有较强的测量、定位、目标感知能力，而往往缺乏认知能力。在大数据时代，通过对时空大数据的数据处理、分析、融合和挖掘，可以大大地提高空间认知能力。把空间大数据和人工智能的各种方法集成在一起，提高空间认知的能力是测绘地理信息科技创新的努力方向。以数据导引的大脑的认知过程，可以简化为感知、认知和行动三个步骤。在大数据的背景下，测绘地理信息可以至少从以下三个方面实现空间认知。

第一，基于遥感大数据和人工智能的方法实现对地观测卫星到对地观测脑的提升。将卫星导航、通信、遥感三者组成的有机的网与地面互联网关联起来，为实时的用户包括国防的用户以及大众的用户提供快速的信息服务。未来的服务将会通过建设“一星多用、多星组网、多网融合、智能服务”的卫星遥感、导航与通信集成的天基信息网络，实现与地面互联网互联互通，达到“天网”与“地网”的深度耦合，从而将广大用户所需的有效数据和信息送到他们的手机和移动终端上，服务于国民经济与国防建设。发展通导遥感一体的天基信息实时服务，将为地理信息产业的发展注入新的活力。除增强遥感、通信、导航功能外，通过卫星遥感、通信与导航技术的集成创新，带动实时位置服务为代表的天基信息增值服务产业的发展，如新型天基信息服务移动终端与软件（如手机APP）、卫星多媒体通信服务、实时精密导航定位服务等。

第二，空间大数据与人工智能的集成推进了从数字城市、智慧城市到智慧城市运营脑的发展。在数字城市建立的网络空间（Cyber Space）上，通过物联网各种传感器自动和实时地采集现实城市中人和物的各种状态和变化的大数据，利用人工智能和数据挖掘等智能手段，由云计算中心处理其中海量和复杂的计算，实现对城市的感知、认知与控制反馈，为城市应急、城市管理、智能制造、经济发展和大众百姓提供各种智能化的服务。例如武汉大学与吉奥公司研制的GeoSmarter是一个基于数据融合平台，数据管理平台和数据运营平台，收集、挖掘、分析、可视化互联网、物联网的智慧服务中心，为城市管理者提供城市的关键指标状态监测及趋势分析、预警预报，更好的支撑智慧城市建设。其本质上是一个实时的GIS系统，通过接入空、天、地、车载、移动终端等多种传感器获取的实时位置数据进行推理以及对动态数据的管理和更新，将城市所有的人和物的活动状态通过云计算进行分析判断，把管理城市各个部位的运行系统串连在一起，实现动态信息的服务，智能地运营城市，管理城市，智慧化生产和对城市进行各种智能化的管理，对广大市民提供智能化的服务。

第三，基于移动互联网和移动终端实现从智能手机到智慧手机脑的飞跃。手机上的大数据时时刻刻地记录着人们的活动。当手机在室内外的导航定位精度达到1m后，就可以精确地确定人活动的范围，判断手机持有者的当前所在的具体位置是在办公室、卧室或者商场等。大数据不仅记录着人的位置数据还可以记录人的姿态数据。比如当人滑倒时姿态会有一个较大幅度的变动，通过自动检测姿态变化可以判断人是否滑倒。利用这样的感知过程，可以感知手机主人的行为学和心理学。按照这种思路继续开发，将来可以研发出一种智慧手机脑来服务于人的学习，生活，实现对人体健康状态的监管。

对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑是人工智能、脑认知和对地观测技术在大数据时代集成与融合的必然发展，它们从全球、城市和个人三个测度实现空间认知，将推动地理空间信息的智能化发展和应用。我们要不失时机地开发对地观测脑，智慧城市脑和智慧手机脑，引领地理空间信息科学的创新发展，实现互联网+空天信息实时智能服务。

2.3 无所不在的传感器与通、导、遥一体化的空间信息实时处理服务

测绘地理信息学目前面临着从区域制图走向全球制图、从室外走向室内三维自动建模、从专业应用到大众服务的趋势。

全球制图正取代区域制图，成为测绘地理信息科技研究的热点内容。例如我国资源3号卫星获取超大规模的卫星数据时，能够在不使用任何地面控制点的情况下，利用影像相关、选权迭代验后方差估计的自动粗差探测等技术，计算8810景，从20TB原始数据、20亿个匹配点中自动选择300万个坚强连接点，实现超大区域的空中三角测量，将遥感影像自主定位精度从15米提高到5米之内，全自动完成1:50000精度的全球数字DOM和DSM的制作。利用资源三号卫星全国数据进行全国数字表面模型和数字正射影像自动化生产，处理数据量40TB，60个计算节点，仅耗时15天即可完成。又如，在我国发射高分卫星和环境灾害卫星的基础上，未来5年内将具备以16米的分辨率每天将地球表面覆盖一次的能力。将这些数据集成处理后，可为全球提供每月一张的土地覆盖产品，从而为研究全球土地利用，全球生态环境的变化提供多时态的服务产品。

测绘地理信息学从原来研究室外地理信息为主走向室内三维建模地理信息服务。目前已有团队正在进行着大型公共场所室内定位系统和室内外一体化三维建模的优化设计和仿真，开展以高效云计算技术为支撑，海量众源数据为基础，机器学习理论为依托，研究室内外一体化建模和定位环境的感知和认知的新机理和新算法，提高其自学习和自适应能力的研究。充分利用无人机、测绘机器人等传感器数据进行室内外的数据采集、数据分析。可以让这样的服务技术去支持机场的管理，仓库的管理，超市的自动管理，甚至无人超市或无人仓库，为新型的室内外管理提供基本的信息保障。

基于无所不在的传感器和通、导、遥一体化的空间信息实时处理服务，测绘地理信息科技逐渐从专业应用逐渐走向大众服务。无所不在的专业或非专业的空、天、地、海传感器使得我们可以不断获得地球资源变化信息和人类活动的海量空间大数据，这些大数据不仅限于用来做以测绘地图为主要目标的产品，还能向普通大众实时地提供PNTRC的空间信息服务，即位置、导航、授时、遥感和通信。以Google地图和我国的天地图为代表，地理信息服务开始走进普通大众。普通用户可以通过移动终端实时地进行空间信息浏览/空间信息查询和交通网络分析等。按照这个发展趋势，智慧地理信息服务的范围就会越来越宽广，智能手机就能够获得遥感卫星影像的实时服务。

3 结论与展望

通过本文的分析，当今的测绘地理信息科学已经从原始的几何科学发展到地球地理空间信息服务科学，未来测绘地理信息创新可从以下两个方面着力：第一，无所不在的传感器产生的地理信息大数据所蕴含的价值巨大，但也具有数据体量大、产生速度快、模态多样、真伪难辨的特点，面对“数据海量、信息缺失、知识难觅”的局面，未来测绘地理信息科技创新工作需要充分利用人工智能、脑认知等相关领域的新成果新技术，开展协同创新，充分挖掘、海量、多源时空大数据中自动发现和提取隐含的、非显见的模式、规则和知识的过程，满足国民经济、国防建设和大众民生对地理信息的深层次需求；第二，面向测绘地理信息的大众服务中实时化、全球化、个性化的要求，实现地理信息全天时、全天候、全地域服务于每个人的目标，亟需开展通导遥一体的空间信息实时服务技术创新，将各类用户所需的定制化产品、服务送到他们的手机和移动终端上，提升测绘地理信息的大众化服务能力。

作者认为，地理空间信息服务可以达到实时的要求，实现自动化、智能化的水平，服务更多的行业，深入到各行各业，推进国家的经济建设、国防建设，惠及大众民生，创造万亿产值。

测绘地理信息科技创新正面临着一个前所未有的大好时代，激励我们去自主创新、协同创新和跨界创新。

参考文献：

[1]李德仁：《多学科交叉中的大测绘科学》，《测绘学报》2007年第4期。

[2]李德仁：《展望大数据时代的地球空间信息学》，《测绘学报》2016年第4期。

[3]王密，杨博，李德仁，龚健雅，皮英东：《资源三号全国无控制整体区域网平差关键技术及应用》，《武汉大学学报（信息科学版）》2017年第4期。

[4]李德仁：《论“互联网+”天基信息服务》，《遥感学报》2016年第5期。

[5]李德仁，王密，沈欣，董志鹏等：《从对地观测卫星到对地观测脑》，《武汉大学学报（信息科学版）》2017年第2期。

[6]Deren Li, Mi Wang, Zhipeng Dong, Xin Shen, Lite Shi：《Earth observation brain (EOB): an intelligent earth observation system》，《Geo-spatial Information Science》2017,(2).

[7]李德仁，沈欣，龚健雅，张军，陆建华：《论我国空间信息网络的构建》，《武汉大学学报（信息科学版）》2015年第6期。

[8]李德仁：《论空天地一体化对地观测网络》，《地球信息科学学报》2012年第4期。

[9]李德仁：《从测绘学到地球空间信息智能服务科学》，《测绘学报》2017年第10期。

[10]《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》，国发〔2017〕35号。

作者简介

 

李德仁（1939-），男，博士，教授，博士生导师，中国科学院院士、中国工程院院士，研究方向为地球空间信息学理论与方法。

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编辑 /范芷睿    审核 /盛兆阳

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)