空間數據挖掘與時空大數據分析的探索者

孫雅琴

21世紀，科學研究進入第四范式：數據密集型科學發(fā)現(xiàn)的時代。數據已經成為新時代重要的生產要素、國家基礎性戰(zhàn)略資源。美國、俄羅斯、法國、日本，以及中國，先后發(fā)射了大量的衛(wèi)星，每天接收海量的遙感衛(wèi)星數據。還有無所不在的傳感網數據，帶有全球導航定位的車輛軌跡數據等，積累了海量的時空大數據。時空大數據時代的到來，給遙感與地理信息創(chuàng)新帶來了各種挑戰(zhàn)和機遇。如何從浩如煙海的時空數據中提取時空信息、挖掘時空知識，并服務于領域應用？秦昆一直在思考著、探索著。

多年來，秦昆一直致力于時空大數據分析、遙感圖像挖掘、空間人文與社會地理計算等方面的研究，在探索如何從海量時空數據中挖掘深層次的知識并應用于更多領域方面，做出了眾多具有重要價值的科研成果。

孜孜以求探索科研

“秦嶺、昆侖山分別是我國中東部、西部最長的大型山脈，也是中國地理南北分界的山脈。我的名字就與地理有關，也許注定我這輩子就要從事與地理信息有關的工作。”在科研領域奮斗數十年后，秦昆感慨道。

秦昆從小就心懷科學家的夢想，對科研有濃厚的興趣。數十年來，他在科研道路上不斷求索，如今在時空大數據分析與挖掘等研究方向上已經碩果累累。

1991年，秦昆考上蘭州大學自然地理基地班，學習地質、氣象、水文、土壤、地理信息、遙感等課程，為之后的研究積累了全面而扎實的專業(yè)知識，且逐漸明確了下一步具體的專業(yè)方向。彼時的他發(fā)現(xiàn)自己對遙感、地理信息等偏技術的課程更感興趣，因此他在考入南京師范大學攻讀碩士學位時選擇了地圖學與遙感專業(yè)。

南京師范大學在地圖學與遙感領域擁有深厚的研究底蘊和實力。在這里，秦昆師從倪紹祥教授，獨立負責江蘇省自然科學基金項目“利用G?I?S地理信息系統(tǒng)技術研究農用地估價”。項目從技術路線設計、數據收集整理，到系統(tǒng)研發(fā)、項目結題報告撰寫等，都是在導師指導下以秦昆為主完成的，這全面鍛煉了他各方面的科研能力。并且他還和導師一起合作在《地理學報》發(fā)表了全國第一篇關于G?I?S技術支持農用地估價的論文。

但秦昆并沒有滿足于此。碩士畢業(yè)后，他選擇進入武漢測繪科技大學信息工程學院（現(xiàn)武漢大學遙感信息工程學院），師從李德仁院士、關澤群教授、王新洲教授，從2000年開始研究圖像數據挖掘這一新興研究方向并攻讀博士學位。于他而言，探索如何從圖像數據中挖掘出規(guī)律性知識這一科學問題是如此令人著迷。

在博士論文研究中，秦昆首次將形式概念分析理論引入圖像數據挖掘領域，提出了一套基于形式概念分析的圖像數據挖掘方法。他研究將現(xiàn)實世界中的耕地、水體、植被、林地等地理概念，利用數學的形式化語言進行概念表達，并從圖像數據中提取出這些語義概念，從而實現(xiàn)圖像分類與語義理解。他還將商空間理論引入圖像數據挖掘領域，提出了一套商空間理論指導下的多粒度圖像數據挖掘框架。以這些理論和方法研究成果為基礎，秦昆設計開發(fā)了國內第一套遙感圖像數據挖掘的軟件系統(tǒng)RSImageMiner。

博士畢業(yè)后，秦昆繼續(xù)在如何實現(xiàn)從數據到信息、到知識轉化的科研道路上積極探索。在博士后導師、人工智能學家李德毅院士的指導下，他開始研究不確定性人工智能，從數據到信息、到知識轉化過程中的不確定性問題，如何從圖像數據中提取語義概念以實現(xiàn)圖像分割和語義理解等，完成了一篇170頁的博士后出站報告《不確定性圖像分割的新方法》，并以此為基礎，成功獲批第一個國家自然科學基金項目“基于云模型的不確定性圖像分割新方法”，對綜合考慮模糊性和隨機性的云模型圖像分割方法展開了系列研究。

回顧秦昆這一路的歷程，從對科研感興趣，到進入遙感與地理信息科學領域逐步細化深入，他在科研道路上孜孜以求，始終以勤奮、嚴謹、務實的狀態(tài)不斷成長，正是這樣一步一個腳印，走得扎實，走得從容，這才有了他如今的累累碩果。

學科融合求是創(chuàng)新

在從時空數據中提取時空信息、挖掘時空知識的探索中，如何不斷開拓創(chuàng)新、探究其中蘊含的關于自然、社會以及人本身的活動規(guī)律？這是秦昆一直思考并孜孜以求的問題。正如李德仁院士回憶王之卓先生的教導：“當今科學發(fā)展的趨勢，除了繼續(xù)向縱深方向發(fā)展之外，主要是向橫向交叉發(fā)展。交叉學科是誰的？誰積極，就是誰的?！痹诶弦惠吙茖W家創(chuàng)新思想的引導下，秦昆開啟了學科融合求是創(chuàng)新的科研探索之路。

秦昆主持的第二個國家自然科學基金項目“行為軌跡數據高性能時空聚類及社會分析”正是學科交叉融合創(chuàng)新這一思想引導下的產物。行為軌跡數據是人類活動的行為記錄，與社會學密切相關。項目對行為軌跡大數據分析方法展開了系統(tǒng)研究，挖掘其中隱含的行為模式和活動規(guī)律，并與社會因素進行關聯(lián)分析，解釋行為軌跡大數據及其活動模式的社會學發(fā)生機制。以這一項目研究為基礎，秦昆不斷前行，并于2019年作為“第十屆空間綜合人文學與社會科學論壇”執(zhí)行主席，在論壇主席龔健雅院士的指導下，成功組織了這一300多人參加的論壇會議。空間人文與社會地理計算逐步成為秦昆的另一個重要研究方向。

在學科交叉融合求是創(chuàng)新的思想引導下，秦昆于2021年成功獲批第三個國家自然科學基金項目“全球尺度地理多元流的網絡化挖掘及關聯(lián)分析”。這一項目屬于地理信息科學與社會科學的跨學科交叉融合研究，具有鮮明的學科交叉特色。項目從全球尺度，圍繞全球人口移動、國際關系等全球性問題，以新聞媒體數據、國際貿易數據、全球人口移動數據、全球航空網絡數據等多源數據為基礎，構建全球尺度的地理多元流網絡，研究并提出全球尺度地理多元流網絡測度與結構識別、演化分析與關聯(lián)分析方法。他還根據空間人文與社會地理計算理論，將地理多元流網絡化挖掘及關聯(lián)分析方法應用于國際關系、國際貿易、人口移動等全球性問題。項目既研究地理信息科學領域的關鍵問題“地理多元流網絡化挖掘及關聯(lián)分析方法”，也研究全球人口移動、國際關系、國際貿易等全球性、跨學科的研究難題。

雖然項目研究剛剛開始，但是秦昆信心滿滿，他計劃在地理多元流分析方法、人口移動與國際關系應用等方面產生創(chuàng)新，并為發(fā)展地理多元流分析、空間社會網絡、社會地理計算等作出基礎性貢獻。學科交叉融合是創(chuàng)新的源泉，同時本著求是的精神，從小就心懷科學家夢想的秦昆立志在遙感地理信息科學與社會科學交叉融合的科研探索之路上不斷產出更多創(chuàng)新性成果。

認認真真教書育人

教書育人是教師的本職工作。秦昆一直把給本科生上課擺在所有工作的首位。他長期給武漢大學遙感學院本科生講授大類平臺課“地理信息系統(tǒng)基礎”、專業(yè)核心課“空間數據分析”，同時講授3學期雙語課“計算社會學與社會地理計算”，并面向全校學生開設“空間人文社會G?I?S”，指導和幫助人文社會科學領域的學生掌握G?I?S地理信息分析技術。及時將國家級科研項目的科研成果融入課堂是秦昆上課的一大特色，讓本科生在掌握基礎性專業(yè)知識的同時，學習和了解最新的學術前沿，從而樹立本科生的科研探索精神和學習熱情。憑借在教學領域的出色表現(xiàn)，他先后獲得武漢大學“珞珈抗疫·十大線上教學人物”、本科優(yōu)秀教學業(yè)績獎、優(yōu)秀教材特等獎、教學成果特等獎等多項教學獎勵，這些是對他認認真真教書育人的肯定和鼓勵。

桃李不言，下自成蹊。截至2022年6月，秦昆已經培養(yǎng)了8名博士、92名碩士共100名研究生。畢業(yè)生分布在學術界和企事業(yè)單位，成為中流砥柱。在研究生培養(yǎng)方面，他的方法是讓學生到國家級科研項目中歷練，同時，因材施教，根據學生的興趣為他們選擇相應的研究方向，培養(yǎng)他們的使命感和責任感。在秦昆看來，科學研究需要選定方向后持之以恒，科研過程中會遇到很多難題，越是這種時候，越要堅持下去，辦法總比困難多，而堅持下去的內心動力往往來自內心對這份事業(yè)堅定的信念。多年辛勤耕耘換來真知灼見，秦昆希望與自己的研究生共勉：科研有險峰、攻堅不畏難;交叉求創(chuàng)新、求是結碩果;科研報國志、代代永流傳！

（責編：黃雪霜）