論萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的地球空間信息學(xué)

李德仁，徐小迪，邵振峰

1. 武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079; 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079

1 地球空間信息學(xué)的發(fā)展

地球空間信息學(xué)是通過(guò)各種手段和集成各種方法對(duì)地球及地球上的實(shí)體目標(biāo)(physical objects)和人類(lèi)活動(dòng)(human activities)進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)采集、信息提取、網(wǎng)絡(luò)管理、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、空間感知認(rèn)知和智能位置服務(wù)的一門(mén)多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)[1]。作為一門(mén)測(cè)繪遙感科學(xué)與信息科學(xué)交叉產(chǎn)生的學(xué)科，人與自然變量的空間分析是該學(xué)科的基礎(chǔ)，對(duì)地球空間幾何與物理變量的空間分析能夠?yàn)樵搶W(xué)科提供多元化的數(shù)據(jù)和信息處理方法。其中，遙感(remote sensing，RS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)是學(xué)科常用的測(cè)量、觀測(cè)和分析工具。

20世紀(jì)60年代初期，RS以航空攝影為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)。目前全球大約有60個(gè)國(guó)家和地區(qū)的1100多家航天公司參與研發(fā)、制造、部署和運(yùn)營(yíng)各種軍民商用衛(wèi)星系統(tǒng)，200多個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)在利用通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星的成果[2]，成果應(yīng)用覆蓋了國(guó)土資源、氣象、環(huán)境、海洋等多個(gè)領(lǐng)域，能滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)家安全及災(zāi)害管理等需求。

GIS技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)60年代，自加拿大的Roger Tomlinson在紙質(zhì)地圖等基礎(chǔ)上提出地理信息系統(tǒng)的概念以來(lái)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面。其間，互聯(lián)網(wǎng)和萬(wàn)維網(wǎng)的發(fā)展及面向服務(wù)概念的提出，都擴(kuò)充了地理信息技術(shù)的概念，逐步實(shí)現(xiàn)地理信息服務(wù)的“4A”(anybody，anytime，anywhere，anything)標(biāo)準(zhǔn)[3]。近些年來(lái)云計(jì)算等技術(shù)的興起也使得地理信息大數(shù)據(jù)得到了高效的管理及應(yīng)用，為地理信息系統(tǒng)的快速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

GNSS的完備程度能夠體現(xiàn)現(xiàn)代化大國(guó)的綜合國(guó)力。目前應(yīng)用較為廣泛的定位系統(tǒng)為美國(guó)全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)、歐盟的伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(Galileo)和中國(guó)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(BDS)。2020年北斗三號(hào)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)已正式開(kāi)通并投入服務(wù)，全球組網(wǎng)的成功標(biāo)志著中國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)未來(lái)的國(guó)際應(yīng)用空間將會(huì)不斷擴(kuò)展[4]。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)概念的提出為地球空間信息學(xué)提供了新的發(fā)展機(jī)遇。物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)需要地球空間信息學(xué)的支撐，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)也是地球空間信息學(xué)發(fā)展的有力驅(qū)動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至今，產(chǎn)生了諸多成果，但是要實(shí)現(xiàn)真正意義上的“萬(wàn)物互聯(lián)”，還需要多方面的技術(shù)支撐。

新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新基建”)作為萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的新理念，包含信息基礎(chǔ)設(shè)施與集成基礎(chǔ)設(shè)施，其發(fā)展理念對(duì)于時(shí)代發(fā)展的推動(dòng)作用不可小覷。在自然資源調(diào)查方面，通過(guò)地理空間基礎(chǔ)設(shè)施和計(jì)算設(shè)施，結(jié)合人類(lèi)活動(dòng)軌跡和年鑒等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)多時(shí)相、實(shí)時(shí)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)[5]、資源調(diào)查[6]與應(yīng)急管理[7]；在公共安全與健康產(chǎn)業(yè)中，通過(guò)人工智能與地理空間信息的結(jié)合實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)空大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測(cè)[8]，在疫情防控、治安管控等方面都有十分重要的應(yīng)用；在城市管理方面，可以通過(guò)新基建構(gòu)建新型智慧城市，真正實(shí)現(xiàn)智能化規(guī)劃、建設(shè)與管控?；谌斯ぶ悄艿耐▽?dǎo)遙一體化天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)(PNTRC)在新基建的支持下已經(jīng)能夠集成高精度的通信、導(dǎo)航、遙感和授時(shí)等服務(wù)。

2 萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代地球空間信息學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

2.1 如何同時(shí)滿(mǎn)足人類(lèi)與機(jī)器人的不同需求

在感知和認(rèn)知地理空間中，人類(lèi)與機(jī)器人存在較大不同。人類(lèi)通過(guò)視覺(jué)等感官對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行感知，包括各類(lèi)符號(hào)的辨認(rèn)、地物要素的識(shí)別和運(yùn)動(dòng)中識(shí)圖用圖。機(jī)器人則通過(guò)信號(hào)或數(shù)字實(shí)現(xiàn)對(duì)地理空間的感知和認(rèn)知。如何實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境實(shí)時(shí)反饋，如進(jìn)行大范圍觀測(cè)、實(shí)時(shí)異地觀測(cè)、災(zāi)害響應(yīng)等，是萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代地理空間智能面臨的新挑戰(zhàn)。如何結(jié)合時(shí)空大數(shù)據(jù)的處理手段，讓機(jī)器人可以增強(qiáng)資源調(diào)查、決策支持的能力？如何讓機(jī)器人對(duì)各類(lèi)緊急事件做出及時(shí)的預(yù)測(cè)及響應(yīng)？如何讓機(jī)器人在探測(cè)感知、自主運(yùn)行處理等環(huán)節(jié)解決地球空間信息采集和應(yīng)用難題？這些問(wèn)題的解決將會(huì)促進(jìn)數(shù)字化和智能化的發(fā)展。

目前機(jī)器人主要出現(xiàn)在無(wú)人駕駛、智慧能源和智慧測(cè)量等領(lǐng)域。以駕駛與導(dǎo)航為例，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)，人類(lèi)駕駛員可以看到道路上的交通標(biāo)志等圖形，并做出相應(yīng)的操作。但是機(jī)器人無(wú)法通過(guò)觀察視覺(jué)圖符來(lái)駕駛，而是需要接收到信號(hào)才能進(jìn)行相應(yīng)操作。現(xiàn)有的地圖和交通標(biāo)識(shí)供人類(lèi)駕駛員理解，未來(lái)機(jī)器人駕駛的地圖和交通標(biāo)識(shí)需滿(mǎn)足機(jī)器人的理解需求，實(shí)現(xiàn)通過(guò)電子信號(hào)和通信手段通知機(jī)器人，讓機(jī)器人實(shí)施行駛、加減速、制動(dòng)等操作。

在人與機(jī)器人共存的萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，人與機(jī)器人的協(xié)作成為必然，如何服務(wù)于人與機(jī)器人的共同需求，讓人和機(jī)器人能夠同步獲取相同的信息成為挑戰(zhàn)。測(cè)繪領(lǐng)域的研究者在研究人類(lèi)的需求與問(wèn)題外，應(yīng)進(jìn)一步探索機(jī)器人的需求與人機(jī)關(guān)系。

2.2 如何表達(dá)不同領(lǐng)域?qū)ν坏乩韺?duì)象描述的語(yǔ)義歧義

影像解譯作為遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)應(yīng)用，是遙感與測(cè)繪領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。長(zhǎng)期以來(lái)，遙感影像解譯主要是實(shí)現(xiàn)地圖的分類(lèi)和符號(hào)化，但分類(lèi)的多義性使得難以產(chǎn)生一致的正確解譯結(jié)果。

在分類(lèi)體系層面，空天地一體化傳感網(wǎng)絡(luò)提供的海量多源數(shù)據(jù)在提升地表觀測(cè)維度的同時(shí)凸顯了天然地物的多義性。從這些數(shù)據(jù)中，各領(lǐng)域研究人員可以根據(jù)專(zhuān)業(yè)需求提取感興趣信息，構(gòu)建內(nèi)部語(yǔ)義一致的分類(lèi)體系，并建立與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。但不同領(lǐng)域科學(xué)問(wèn)題出發(fā)點(diǎn)不一，研究者存在主觀認(rèn)知差異，導(dǎo)致各分類(lèi)體系中地理對(duì)象的描述存在差別。由此建立的樣本集在樣本類(lèi)別定義(命名、語(yǔ)義)、層級(jí)及兼容性等方面有較大差異，樣本集的開(kāi)放性與可擴(kuò)展性不足，難以支撐多樣本集間的數(shù)據(jù)共享與綜合利用[9]，使得地物解譯結(jié)果受到影響。以土地為例，農(nóng)藝師根據(jù)地表覆蓋將土地劃分為山坡草地，同時(shí)林業(yè)專(zhuān)家可能根據(jù)地形、地貌等特征將其規(guī)劃為宜林地，由此引發(fā)該地規(guī)劃用途與實(shí)際利用不一致的問(wèn)題。

在分類(lèi)過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)使解譯效率提升，通用性增強(qiáng)，但能夠兼顧天然地物與人工地物解譯的算法仍待發(fā)展。在遙感解譯中，地物主要分為天然地物和人造地物。人工地物是具有確定性的幾何形狀目標(biāo)(如形狀規(guī)則的農(nóng)田、標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的跑道及符合規(guī)劃的園林地等)，通過(guò)目標(biāo)提取及變化檢測(cè)算法能夠獲得確定性的解譯結(jié)果[10]；而天然地物一般是具有不確定性的分形目標(biāo)(例如天然植被分布、介于二三維之間的地形、形態(tài)符合分形理論[11]的海岸線(xiàn)等)，是影像解譯結(jié)果中不確定性的主要來(lái)源。現(xiàn)有解譯方法普遍面向天然地物或人工地物之一，而不能二者兼顧。因此在保證精度的同時(shí)考慮天然地物與人工地物特征的差異性是影像解譯中的一個(gè)難題。

如何回歸遙感影像本源，通過(guò)影像描述來(lái)解決語(yǔ)義歧義問(wèn)題，兼顧天然-人工地物特征的差異，實(shí)現(xiàn)地表目標(biāo)正確分類(lèi)是萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代地球空間信息學(xué)面臨的挑戰(zhàn)之一。

2.3 如何用時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘人與自然的復(fù)雜關(guān)系

萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，人們應(yīng)把注意力從地理信息科學(xué)轉(zhuǎn)移到更高層次上研究地球空間信息學(xué)，利用數(shù)據(jù)回答人與自然的關(guān)系，分析和挖掘人類(lèi)與自然之間存在的各種空間、因果關(guān)系和發(fā)展趨勢(shì)，這是地理學(xué)的本源任務(wù)。在研究中，應(yīng)以地球空間信息學(xué)為研究手段解決人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題和人與自然的關(guān)系問(wèn)題。人口、資源、環(huán)境和災(zāi)害是當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)發(fā)展所面臨的四大問(wèn)題[12]，地球空間信息學(xué)能夠?yàn)榻鉀Q這些問(wèn)題提供數(shù)據(jù)及模型的支撐。例如，隨著遙感衛(wèi)星的多源化，室內(nèi)外導(dǎo)航定位高精度化與空間分析方法的進(jìn)步，人類(lèi)活動(dòng)信息的獲取應(yīng)更加精確而全面地反映時(shí)空分布的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。

在人類(lèi)活動(dòng)數(shù)據(jù)的支持下，為實(shí)現(xiàn)人地關(guān)系的和諧，人類(lèi)需要盡可能掌握自然資源的分布狀況及其變化規(guī)律，并研究其對(duì)人類(lèi)活動(dòng)響應(yīng)的機(jī)理[13]。盡管各地已經(jīng)建設(shè)并形成“一張圖”等體系來(lái)進(jìn)行自然資源及生態(tài)環(huán)境的宏觀把控，但對(duì)于自然資源及生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)及保護(hù)問(wèn)題，仍需要實(shí)現(xiàn)高精定向、高時(shí)空分辨率的數(shù)字孿生，才能做出科學(xué)而及時(shí)的反饋。

進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代后，人類(lèi)對(duì)地球空間感知的能力和時(shí)效性得到了提升，地面系統(tǒng)中接入的傳感器類(lèi)別和數(shù)量發(fā)生巨大變化，對(duì)數(shù)據(jù)流、信息流的實(shí)時(shí)處理需求邁上了新的臺(tái)階。在信息爆炸、萬(wàn)物互聯(lián)互通、智慧協(xié)同的情況下，如何通過(guò)地球空間信息學(xué)的研究來(lái)加深對(duì)人與自然復(fù)雜關(guān)系的理解是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

3 萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代地球空間信息技術(shù)特點(diǎn)

在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，地球空間信息學(xué)逐漸從系統(tǒng)孤立走向聯(lián)合，從信息分離走向融合，從延時(shí)服務(wù)逐漸走向即時(shí)服務(wù)與預(yù)報(bào)。萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代推動(dòng)空天信息產(chǎn)業(yè)從專(zhuān)業(yè)服務(wù)走向大眾化和個(gè)性化。以下將介紹萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代地球空間信息技術(shù)的5個(gè)特點(diǎn)。

3.1 定位技術(shù)從GNSS和地面測(cè)量走向無(wú)所不在的PNT服務(wù)體系

PNT服務(wù)以我國(guó)北斗等GNSS及其增強(qiáng)系統(tǒng)為主體，向用戶(hù)提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、時(shí)空定位和授時(shí)服務(wù)。該服務(wù)集地理空間信息、社交網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于一體，成為“大數(shù)據(jù)、智能化、無(wú)線(xiàn)革命”新時(shí)代的核心要素與共用基礎(chǔ)[14]。其應(yīng)用需求和服務(wù)深入國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全的各個(gè)領(lǐng)域，并逐漸從事后走向即時(shí)，從靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)，從粗略走向精確，從區(qū)域走向全球。

例如，智能手機(jī)內(nèi)置了加速度器、陀螺和磁力計(jì)組合的多種傳感器和定位接收器，在室內(nèi)等封閉區(qū)域能夠達(dá)到2～5 m的定位精度。隨著應(yīng)用需求的不斷更新，想要實(shí)現(xiàn)1 m或亞米級(jí)聲、光、電、場(chǎng)高度定位，還需要光線(xiàn)傳感器，音視頻傳感器的協(xié)助(圖1)。與之類(lèi)似的需求也存在于生活其他方面，如精準(zhǔn)醫(yī)療及護(hù)理、疫情期間的安全距離自動(dòng)感知、智能感知定位及測(cè)姿實(shí)現(xiàn)車(chē)路協(xié)同等。

圖1 智能手機(jī)中的內(nèi)置傳感器和RFFig.1 Built in sensor and RF in smartphone

通導(dǎo)遙一體化天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)(PNTRC)，通過(guò)衛(wèi)星提供快速遙感(視頻)增值服務(wù)和天地一體移動(dòng)寬帶通信服務(wù)，增強(qiáng)了PNT服務(wù)內(nèi)容，提升了信息傳輸效率，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信與地面互聯(lián)網(wǎng)的集成服務(wù)，支持全球用戶(hù)在任意時(shí)間地點(diǎn)的信息獲取、高精度定位授時(shí)與多媒體通信服務(wù)，并帶動(dòng)形成互聯(lián)網(wǎng)+天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)的新型產(chǎn)業(yè)[15]。

3.2 遙感技術(shù)從孤立的遙感衛(wèi)星走向空天地傳感網(wǎng)絡(luò)

目前我國(guó)的衛(wèi)星在氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源管理等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，都能提供數(shù)據(jù)支持和服務(wù)幫助，但數(shù)據(jù)及服務(wù)體系的不同導(dǎo)致導(dǎo)航、通信、遙感等服務(wù)系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用成為難題。在人工智能的背景下，各類(lèi)信息系統(tǒng)可以人腦的方式被組織和應(yīng)用，對(duì)地觀測(cè)腦(earth observation brain，EOB)作為一個(gè)能夠模擬人腦認(rèn)知過(guò)程的智能地球觀測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化：①海量空間數(shù)據(jù)的獲取、組織與存儲(chǔ)；②智能化的空間數(shù)據(jù)處理、信息提取與知識(shí)發(fā)現(xiàn)；③空間數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用[16]。

對(duì)地觀測(cè)腦、智慧城市腦和智慧終端(手機(jī))腦的出現(xiàn)是人工智能、腦認(rèn)知和對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在大數(shù)據(jù)時(shí)代集成與融合的必然結(jié)果，能夠推動(dòng)地理空間信息的智能化發(fā)展和應(yīng)用。

3.3 地理信息服務(wù)從地圖數(shù)據(jù)庫(kù)為主走向真三維實(shí)景和數(shù)字孿生

實(shí)景三維模型能夠在展示地物位置的同時(shí)精確描述地物的三維幾何信息及其語(yǔ)義屬性，可以對(duì)相鄰地物的空間關(guān)系按需精確表達(dá)[17]。三維重建引擎如G-Engine等為智慧城市和數(shù)字孿生(digital twin)構(gòu)建等打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，目前在文物古跡的三維建模及可視化、實(shí)景三維示范區(qū)建設(shè)等方面已有較多應(yīng)用。如云岡石窟的三維建模及可視化，是全球首次大體量高浮雕洞窟的整體超高精度三維重建。3D智慧深圳模型(圖2)實(shí)現(xiàn)了“一圖全面感知，視圖融合”，能夠融合實(shí)時(shí)視頻與真三維地理信息，并進(jìn)行大型事件應(yīng)急處理，初步實(shí)現(xiàn)了在虛擬空間構(gòu)建城市大腦的設(shè)想。

圖2 “智慧龍華”三維綜合展示平臺(tái)界面Fig.2 3D comprehensive display platform interface of “smart Longhua”

數(shù)字孿生通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、GIS、5G/6G、BIM等技術(shù)將城市中的人、物、事件等要素?cái)?shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間中建造一個(gè)與之完全相對(duì)應(yīng)的“虛擬城市”。通過(guò)云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可對(duì)城市發(fā)展進(jìn)行態(tài)勢(shì)洞察和科學(xué)決策，將獲取的信息反向作用于現(xiàn)實(shí)城市，實(shí)現(xiàn)“以虛控實(shí)”，進(jìn)而形成具有深度學(xué)習(xí)能力、迭代進(jìn)化能力和虛實(shí)交融的城市發(fā)展格局。

3.4 3S集成從移動(dòng)測(cè)量發(fā)展到智能機(jī)器人服務(wù)

智慧城市的建設(shè)需要從室外到室內(nèi)、從地上到地下的真三維高精度建模與及時(shí)更新，移動(dòng)測(cè)量在其中有著重要作用。移動(dòng)測(cè)量需要引入模式識(shí)別和人工智能技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的先進(jìn)知識(shí)[18]。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)測(cè)量的內(nèi)涵得到了新的解釋?zhuān)鋺?yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，逐漸向智能機(jī)器人測(cè)量轉(zhuǎn)換[19]。

不斷涌現(xiàn)的新傳感器能夠?yàn)闄C(jī)器人同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)提供更精確的細(xì)節(jié)信息， 進(jìn)而提升移動(dòng)測(cè)量精度及效率[20]，使機(jī)器人在多種場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。機(jī)器人可以使用3D-SLAM技術(shù)和多個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余定位、定姿和環(huán)境感知，使用高精度地圖和智能路徑規(guī)劃來(lái)完成自主運(yùn)動(dòng)。

移動(dòng)測(cè)量的概念不斷發(fā)展，正在脫離移動(dòng)測(cè)繪、地理信息獲取的應(yīng)用范疇，新的應(yīng)用模式(協(xié)同感知)、新的行業(yè)形態(tài)(智能互聯(lián))需求使其在構(gòu)建智慧地球和智慧城市的大數(shù)據(jù)時(shí)代面臨更多的發(fā)展機(jī)遇。

3.5 學(xué)科研究范圍從對(duì)地觀測(cè)走向物聯(lián)監(jiān)測(cè)和對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的感知

環(huán)境研究通過(guò)遙感手段感知各種自然資源，研究和預(yù)測(cè)其分布狀況及空間變化趨勢(shì)；人類(lèi)學(xué)研究則聚焦于反映人類(lèi)的活動(dòng)軌跡、分布狀況及遷移趨勢(shì)。將自然及社會(huì)環(huán)境研究與人類(lèi)觀測(cè)有機(jī)結(jié)合，能夠揭示人類(lèi)活動(dòng)與環(huán)境之間的聯(lián)系。

例1，敘利亞內(nèi)戰(zhàn)評(píng)估。使用DMSP-OLS月產(chǎn)品監(jiān)測(cè)敘利亞的夜間燈光變化，并通過(guò)對(duì)歸一化的多時(shí)相夜光圖像進(jìn)行聚類(lèi)分析，揭示了夜光的時(shí)空分布模式，如圖3所示[21]，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)夜間燈光數(shù)據(jù)，揭示出戰(zhàn)亂導(dǎo)致的人道主義災(zāi)難，這些信息可以成為監(jiān)測(cè)人道主義危機(jī)(例如敘利亞發(fā)生的危機(jī))的有效支撐。

新常態(tài)下，“三農(nóng)”工作面臨著四個(gè)重大難題。分別是在經(jīng)濟(jì)增速放緩背景下，如何繼續(xù)強(qiáng)化農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)地位、促進(jìn)農(nóng)民持續(xù)增收？在國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本快速攀升，大宗農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格普遍高于國(guó)際市場(chǎng)的“雙重?cái)D壓”下，如何創(chuàng)新農(nóng)業(yè)支持保護(hù)政策、提高農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力？在資源環(huán)境硬約束下，如何保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給和質(zhì)量安全、提升農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力？在城鎮(zhèn)化深入發(fā)展背景下，如何加快新農(nóng)村建設(shè)步伐、實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)共同繁榮？

圖3 歸一化時(shí)間序列夜間光照?qǐng)D像得出的類(lèi)圖和類(lèi)中心Fig.3 Class maps and class centres derived from the normalized time series night-time light images

例2，新冠病毒(2019-nCoV)接觸追蹤。通過(guò)獲取手機(jī)傳感器數(shù)據(jù)，能夠使用Wi-Fi指紋定位得到室內(nèi)位置，進(jìn)而精準(zhǔn)跟蹤病毒傳播途徑[22]。通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)空間建設(shè)基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的國(guó)家級(jí)疫情防控服務(wù)體系，避免大范圍隔離和封閉管理，構(gòu)建常態(tài)化疫情防控服務(wù)體系。

4 智慧互聯(lián)時(shí)代地球空間信息學(xué)發(fā)展需要解決的三大科學(xué)技術(shù)問(wèn)題

4.1 測(cè)繪學(xué)科需要服務(wù)于人與機(jī)器人的共同需求

同時(shí)滿(mǎn)足人類(lèi)與機(jī)器人的需求應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)建完善的設(shè)施體系和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。以車(chē)輛駕駛為例，車(chē)輛駕駛目前可以分為5個(gè)階段：初始為高級(jí)輔助駕駛(ADAS)，以人駕為主，有偏離及碰撞提示；第2級(jí)為特定功能輔助，能夠?qū)崿F(xiàn)定速巡航、自動(dòng)緊急剎車(chē)等功能，但依然需要手動(dòng)操作配合；第3級(jí)為組合功能輔助，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車(chē)、車(chē)道保持等固定操作；第4等級(jí)為高度自動(dòng)駕駛，即人工智能駕駛，但用戶(hù)隨時(shí)可以接管駕駛權(quán)；第5個(gè)階段則能夠結(jié)合用戶(hù)需求，由機(jī)器人接管人類(lèi)進(jìn)行駕駛[23]。

隨著智能駕駛技術(shù)的日益精進(jìn)與應(yīng)用范圍的擴(kuò)增，傳統(tǒng)的地圖繪制標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行改革與擴(kuò)充，車(chē)輛與道路上的配套設(shè)施也需要根據(jù)需求進(jìn)行更新。新一代的地圖產(chǎn)品與配套設(shè)施應(yīng)能夠同時(shí)滿(mǎn)足人與機(jī)器人的共同需求，不僅人能夠看懂，機(jī)器人通過(guò)信號(hào)的獲取也要能夠“看”懂相應(yīng)的信息，如通過(guò)顏色、聲音等方式對(duì)機(jī)器人提示，使其進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作。從傳統(tǒng)符號(hào)上升到符號(hào)加信號(hào)，在滿(mǎn)足人類(lèi)可視化需求的同時(shí)滿(mǎn)足機(jī)器人也能夠獲得對(duì)應(yīng)指示。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，在改進(jìn)地圖繪制技術(shù)的同時(shí)，還需要車(chē)輛與道路的智能協(xié)作[24]。通過(guò)高精度地圖、導(dǎo)航與移動(dòng)測(cè)量技術(shù)，結(jié)合車(chē)載攝像頭的運(yùn)動(dòng)測(cè)量技術(shù)，能夠在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)通信、車(chē)路協(xié)同決策和智慧云控的功能，如圖4所示。

圖4 車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of cooperative vehicle infrastructure system

4.2 遙感影像解譯的機(jī)理及本體數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)義描述技術(shù)

突破遙感影像解譯的技術(shù)瓶頸需要整合現(xiàn)有的分類(lèi)規(guī)則，從基于不同規(guī)則的分類(lèi)體系到滿(mǎn)足各類(lèi)需求的遙感共享本體庫(kù)的描述，完成從符號(hào)化分類(lèi)為主體的地圖，到真三維實(shí)景加本體庫(kù)下語(yǔ)義描述的新產(chǎn)品的跨越。無(wú)論自然地物或是人造地物，其標(biāo)簽可能由于各領(lǐng)域需求及研究者認(rèn)知差異而有所不同，但其語(yǔ)義并不會(huì)因所處分類(lèi)體系不同而產(chǎn)生變化。從多源數(shù)據(jù)中基于本體語(yǔ)義構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)能夠從機(jī)理層面實(shí)現(xiàn)對(duì)地理對(duì)象的描述，建立能夠在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的共享本體庫(kù)。其中，由符號(hào)組成的地圖將逐漸使用VR/AR/IR技術(shù)進(jìn)行語(yǔ)義描述，實(shí)現(xiàn)真實(shí)三維景觀可視化。

使用本體數(shù)據(jù)庫(kù)和語(yǔ)義描述方法進(jìn)行基于語(yǔ)義本體的語(yǔ)義構(gòu)建，使遙感影像的解譯從二維逐漸轉(zhuǎn)向三維實(shí)景及變化檢測(cè)過(guò)程中的解譯。對(duì)于現(xiàn)有地物影像及三維實(shí)景地圖，結(jié)合分形學(xué)思想，融合多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)據(jù)立方體，實(shí)現(xiàn)對(duì)于天然目標(biāo)及人工目標(biāo)的解譯，實(shí)現(xiàn)從分類(lèi)體系到語(yǔ)義本體的轉(zhuǎn)換，并將解譯成果應(yīng)用到城市規(guī)劃、環(huán)境評(píng)價(jià)及人地關(guān)系的研究中。以新一代三維地理信息平臺(tái)在新型基礎(chǔ)測(cè)繪中的應(yīng)用成果為例，在同一個(gè)場(chǎng)景中，可以對(duì)4D+數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)全景視頻、三維實(shí)景測(cè)量數(shù)據(jù)、細(xì)節(jié)層次(LOD)模型、室內(nèi)精細(xì)模型和BIM、地質(zhì)層、三維管線(xiàn)、水域環(huán)境、動(dòng)態(tài)要素等進(jìn)行一體化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與組織，可實(shí)現(xiàn)可視化展示、解譯、動(dòng)態(tài)分析與應(yīng)用。這種變革將有利于人工智能在地球空間信息學(xué)中的應(yīng)用。

4.3 從空間感知走向空間認(rèn)知

隨著空天地一體化對(duì)地觀測(cè)體系的建立，遙感及地理信息數(shù)據(jù)的體量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的增長(zhǎng)。通過(guò)時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)地觀測(cè)腦可以進(jìn)行多源信息的整合與分析[25]，將地理信息系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛诘乩碛?jì)算的信息地理學(xué)，實(shí)現(xiàn)從定性到定量的跨越，從感知到認(rèn)知的飛躍，回答人與自然之間多種科學(xué)問(wèn)題。

結(jié)合對(duì)地觀測(cè)技術(shù)與地球空間信息學(xué)，可以構(gòu)建不同尺度的時(shí)空人工智能體系如圖5所示。

圖5 不同尺度下時(shí)空人工智能體系構(gòu)建Fig.5 Spatio-temporal artificial intelligence system at different scales

通過(guò)手機(jī)、筆記本等智能終端能夠采集個(gè)體信息，智能終端腦可以集成和分析得到微觀尺度上“人-車(chē)-物”等個(gè)體的分布情況、運(yùn)行軌跡和趨勢(shì)，研究人的行為學(xué)和心理學(xué)，開(kāi)發(fā)智能駕駛腦和各類(lèi)測(cè)量機(jī)器人。在中等尺度上，構(gòu)建數(shù)字孿生、智慧城市、智慧交通、智慧公安、智慧健康、“一張圖”及“一平臺(tái)”等智慧社會(huì)腦，能夠?qū)ㄖ臻g、城市及社會(huì)發(fā)展的軌跡進(jìn)行分析與歸納，輔助進(jìn)行城市規(guī)劃、資源調(diào)度、應(yīng)急管理等[26]。在區(qū)域尺度上，各國(guó)對(duì)天對(duì)地觀測(cè)腦的建立，能夠集成空、天、地、海多源多角度信息，實(shí)現(xiàn)國(guó)家、全球乃至太空的聯(lián)通；在宏觀尺度上研究人類(lèi)與自然的關(guān)系，分析人口、資源、環(huán)境及災(zāi)害的分布狀況，誘因以及治理辦法。通過(guò)多尺度人工智能體系的建立，對(duì)于人類(lèi)與自然關(guān)系的理解將上升到一個(gè)新的層面，當(dāng)下許多全球問(wèn)題能夠獲得新的解決方案。

5 結(jié)論與展望

萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代是數(shù)字孿生的時(shí)代，以測(cè)繪遙感地理信息技術(shù)為代表的地球空間信息學(xué)將發(fā)展到一個(gè)全新的智慧新高度。時(shí)空基準(zhǔn)與導(dǎo)航定位將發(fā)展為無(wú)所不在的PNT和PNTRC，傳統(tǒng)的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)將構(gòu)成通導(dǎo)遙一體化的對(duì)地觀測(cè)腦，GIS將從二維地圖數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展到室內(nèi)外一體化真三維實(shí)景模型，移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)將變成移動(dòng)測(cè)量機(jī)器人，地球空間信息學(xué)將從對(duì)地(自然)觀測(cè)走向物聯(lián)監(jiān)測(cè)和對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的感知。面對(duì)萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代數(shù)字孿生和人工智能發(fā)展的新形勢(shì)，地球空間信息學(xué)面臨著新的挑戰(zhàn)，其中至少包括：①測(cè)繪學(xué)科如何服務(wù)人與機(jī)器人的共同需求？ ②遙感影像解譯機(jī)理是什么？如何突破實(shí)現(xiàn)技術(shù)的瓶頸？③如何利用時(shí)空大數(shù)據(jù)挖掘人與自然的關(guān)系，從空間感知走向空間認(rèn)知？

展望未來(lái)，希望學(xué)界專(zhuān)家同仁，發(fā)揮大智慧，抓住新機(jī)遇，努力解決好本文提出的三大科學(xué)問(wèn)題，推動(dòng)地球空間信息學(xué)的發(fā)展，我們可以在宏觀、中觀和微觀尺度上做出時(shí)空大數(shù)據(jù)空間感知和認(rèn)知的巨大貢獻(xiàn)！