学生视角｜当地理信息遇见人工智能
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编者按：由中国石油大学（华东）万剑华教授主讲的《时空信息与智慧城市》课程已结课，学生们结合自己的兴趣点，通过查阅资料，积极思考，撰写了短文，陆续在【慧天地】“学生视角”栏目刊发。刊发这些短文的目的是鼓励在校大学生、研究生们不要拘泥于书本和课堂，要开拓学习、独立思考、勤于总结。尽管这些文章在专家们看来显得稚嫩，甚至或多或少存在一些问题，但考虑他们的身份是学生，还望以育人的初心对他们的文章进行批评指正，谢谢大家。【慧天地】也欢迎全国各高校的同学们向本栏目投稿（点击文末“阅读原文”查看投稿指南）。
人工智能(AI)是当前最火热的技术之一。如果说工业革命解放了人类重复的体力劳动，那么人工智能技术就是解放了人类重复的脑力活动。但人工智能的发展不是一蹴而就的，诞生于上世纪六十年代的人工智能技术历经两次低谷，而机器学习和深度学习的出现让人工智能重新焕发活力。近年来，人工智能飞速发展，在诸如图像识别，计算机视觉，自然语言处理，AR，VR中进展迅速，GIS作为一门跨学科的技术，AI的发展为其与和GIS的结合提供了前所未有的契机。人工智能，机器学习和深度学习正在帮助我们重新认识世界。当地理信息遇见人工智能，可以创造无限的可能性。
一、人工智能影响地理信息数据的获取方式
人工智能技术发展涌现了许多智能化传感器和测量设备。例如支持高精度室内定位的新型传感器、水下智能测量机器人、探地管线雷达装备, 集高精度自主导航、定位、三维激光扫描、智能绘图等功能于一体的智能化地面测量机器人与智能无人机航飞系统等[1]，它们精度高，范围包括天空地海，智能化，可实现内外业一体化、数据采集与处理一体化，大幅提高数据获取的速度和质量。相信在不远的将来, 这些智能的传感器设备在地面、在天上、在海里、甚至在地下, 获取实时可靠的地理信息数据。
二、人工智能与GIS空间分析结合
机器学习的学习方式主要分为监督式学习、非监督式学习和半监督式学习，在聚类、分类和回归等领域有很好的效果，因此可以面向这三个领域与GIS空间分析结合。比如包括空间热点分析、空间密度聚类、空间目标的分类与回归分析、广义线性回归分析，帮助解决商业热点区域探查、住宅小区集聚分析、动植物适生区域识别、自然灾害易发生区域推测、城市不同区域房价预测等自然与社会问题[2]。而深度学习是机器学习技术的一个分支，可以让计算机模拟人脑的机制进行学习。在一些GIS预测算法中，以引入深度增强学习思想为主线的算法和框架技术将极大地拓展GIS可视化时空复合分析, 在时空插值、时空信息预报、时空统计、时空剪裁与变换等方向[3]。而且深度学习还有一个广泛应用的领域是计算机视觉，包括图像分类、对象识别、语义分割与实例分割。这些技术极大提高影像处理效率及准确性，用于城市规划、气象建模、影像建筑物、道路提取、土地利用分类等。
三、人工智能与地理信息数据挖掘
GIS数据库中不仅包含了大量的属性数据, 而且还包含了大量的空间数据。结合人工智能技术进行数据挖掘, 从GIS的空间和属性数据中得出有关自然界与人类活动的内在规律, 必将为专家系统在GIS中的应用和发展提供新的手段和方法。在GIS数据管理方面，数据挖掘技术利用机器学习，能够发现GIS的数据主要价值，化繁为简，能够让GIS精练，高效率更新GIS数据库。利用人工智能技术通过对海量的地理信息时空大数数据的挖掘、甄别、提取，可对大数据潜在的价值充分挖掘和利用，可以为公众出行效率的提升，提供更为精准的出行决策或建议，提高智能位置服务水平。
四、人工智能与GIS制图
利用人工智能技术可以实现GIS地图自动综合制图与自动更新制图。利用深度学习计算机视觉技术可以实现地图中矢量数据、栅格数据甚至属性数据的智能提取、判读与取舍。利用深度学习技术, 智能采集设备可以自动识别道路特征、提取建筑轮廓并绘制形状、识别道路图形标牌、电子眼、警示牌;而在大数据的支撑下, 则可从其中自动挖掘出过期或新增的POI以及道路变化, 让物理世界的变化更快速地映射到互联网世界, 从而实现制图综合和联网更新[4]。在另一方面，也可以在一些制图细小的方面利用人工智能进行创新。制作具有个性风格鲜明的地图，可以利用机器学习对地图配色。首先选择参考图片，利用机器学习对图片风格进行识别和学习，结合面积权重、灰度像元匹配等，目标地图有着和参考图片类似的风格，显著提升GIS配图效率和效果。
五、人工智能与GIS系统交互
利用人工智能中的语音识别，目标动作识别，手势识别等技术可以更加丰富与GIS系统的交互手段。传统的GIS平台系统只能按照鼠标键盘的交互方式，而利用人工智能技术，比如在用户驾驶车辆过程中，可以使用语音来操控GIS系统，规划路线，系统也会界面和语音等方式反馈用户。不仅如此，在2019年GIS软件技术大会上，超图公司向大家展示了AI交互包括使用语音、手势、人体姿态等进行丰富的应用交互。包括基于手势识别的隔空地图操作，基于人体姿态识别的隔空地图操作等[2]。这令GIS系统更加生动灵活。
六、人工智能助力GIS构建智慧城市平台
智慧城市近两年发展如火如荼，国家层面高度重视，很多地方也开始迈向智慧城市的建设。这也为GIS的发展提供宝贵的机遇。GIS系统将作为“大脑”而存在，为城市信息化精细、智能的管理奠定技术基础。人工智能与GIS的融合将实现智能化地理信息系统平台。构建在云计算、大数据、人工智能基础上，提高地理信息平台的数据展示能力、时空数据管理能力、分析计算能力以及应用的广度与深度，为公众为政府决策提供更加便捷与智慧化的服务。这也将在智慧城市、智慧产业，以及地理控制方面，发挥越来越重要的作用。
随着物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的快速发展，地理信息的应用从地理测绘圈走入了公众的生活以及更加广阔的领域。地理信息技术已不再是地理测绘的独家领地，地理信息产业一定要与时俱进，开放包容，充分融入吸收人工智能、5G、区块链等技术，进一步推动地理智慧的深度进化，为智慧城市、智慧社会的构建提供强大的推动力。
参考文献：
[1] 熊伟.人工智能对测绘科技若干领域发展的影响研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2019,44(01):101-105+138.
[2] 宋关福,卢浩,王晨亮,胡辰璞,黄科佳.人工智能GIS软件技术体系初探[J].地球信息科学学报,2020,22(01):76-87.
[3] 郑敏睿,郑新奇,王娇.论人工智能空间分析[J].自然杂志,2018,40(05):363-372.
[4] 姚承宽.人工智能在测绘地理信息行业中的应用[J].河北省科学院学报,2018,35(04):66-70.
作者简介
杨东方，中国石油大学（华东）测绘科学与技术2019级硕士研究生。
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