泛在感知與航天測繪

楊元喜，王建榮

1. 地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054; 2. 西安測繪研究所，陜西 西安 710054

智慧地球、智慧城市、智慧生活等都需要實(shí)時(shí)的、泛在的感知信息的支持。泛在感知有兩層意思，一是泛在的觀測信息，二是泛在的網(wǎng)絡(luò)信息[1-2]。而泛在網(wǎng)絡(luò)和泛在計(jì)算必須基于實(shí)實(shí)在在的感知信息。進(jìn)一步，泛在網(wǎng)絡(luò)信息本身也是重要的信息源，泛在網(wǎng)絡(luò)也支撐泛在感知信息的統(tǒng)計(jì)、挖掘、計(jì)算和應(yīng)用。泛在信息包括無所不在的感知網(wǎng)絡(luò)所衍生出的泛在信息獲取、信息互聯(lián)、信息識別、信息處理及信息應(yīng)用等。泛在信息的前提是泛在感知。

泛在感知是信息化、數(shù)字化和智能化社會(huì)建設(shè)的基礎(chǔ)。沒有泛在感知信息支撐的信息化，只能是固化的基礎(chǔ)信息；沒有泛在感知信息支撐的地球，不可能稱之為智慧地球；沒有泛在感知支撐的城市，不可能稱之為智慧城市。

泛在感知也是大數(shù)據(jù)的重要信息源。大數(shù)據(jù)首先要有海量數(shù)據(jù)的支持，而且大數(shù)據(jù)所依據(jù)的數(shù)據(jù)往往不是規(guī)則數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)依賴的正是這些泛在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和泛在感知數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)所具備的4V特性，即數(shù)據(jù)量大(volume)、變化速度快(velocity)、數(shù)據(jù)樣式多(variety)和數(shù)據(jù)價(jià)值密度低(value)，其特性與泛在感知和泛在傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的基本特征一致[3-4]。顯然，泛在感知數(shù)據(jù)支撐大數(shù)據(jù)技術(shù)，即大數(shù)據(jù)將無所不在的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分類、計(jì)算、分析，并進(jìn)行規(guī)律挖掘和提煉，為決策提供數(shù)據(jù)支持。在大數(shù)據(jù)框架下，遙感大數(shù)據(jù)處理與分析得到業(yè)界關(guān)注[4-5]。其實(shí)，遙感數(shù)據(jù)本身也是泛在感知數(shù)據(jù)的重要組成部分。

在智能社會(huì)建設(shè)和泛在網(wǎng)絡(luò)信息框架下，泛在感知網(wǎng)在災(zāi)害監(jiān)測、太空探測、海洋探測及賽博空間探測等方面都發(fā)揮重要作用，于是誕生了泛在測繪(ubiquitous mapping)的概念。泛在測繪是指用戶可以在任何地方、任何時(shí)間進(jìn)行測量與制圖，用以解決和理解空間問題[6]。泛在測繪的顯著特點(diǎn)是任何用戶、任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以生成地圖、理解地圖和使用地圖。這類地圖與通常的二維地圖不同，泛在感知生成的地圖通常為實(shí)景三維地圖[7]。顯然，泛在測繪不僅包含各類測量傳感技術(shù)，還必須包含信息技術(shù)和感知信息的快速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。從泛在測繪的定義不難理解，泛在測繪包含了真實(shí)世界、真實(shí)圖景、實(shí)際用戶和信息技術(shù)。有學(xué)者討論了智能社會(huì)與泛在測繪的關(guān)系[8]，進(jìn)而探討了環(huán)境感知與智能定位、導(dǎo)航和定時(shí)的關(guān)系[9]。其實(shí)，泛在感知比泛在測繪范圍更廣，前者包括虛擬空間的感知信息。從泛在感知到泛在測繪，都需要精確的空間位置和空間背景。航天測繪不僅可以提供高精度的空間位置，而且大區(qū)域測繪具有極強(qiáng)的背景幾何信息和物理信息，可以將單一、甚至零散的點(diǎn)狀泛在感知信息與航天測繪信息較好地融合在一起，充分發(fā)揮泛在感知的整體價(jià)值。本文側(cè)重描述泛在感知與時(shí)空基準(zhǔn)、航天測繪的關(guān)系，進(jìn)一步梳理出未來測繪感知與智能服務(wù)可能的發(fā)展方向。

1 泛在感知的分類

泛在感知的核心是無處不在的感知和無時(shí)不在的感知。前者是感知的范圍，即空間域，決定了感知的空間分辨率和精度；后者是感知的時(shí)刻，即時(shí)間域，決定了感知的時(shí)間分辨率和精度。泛在感知可以是物理感知、化學(xué)感知、生物感知等[10]。泛在感知信息可以分為主動(dòng)感知信息和被動(dòng)感知信息，其分類標(biāo)準(zhǔn)與傳統(tǒng)遙感主、被動(dòng)感知略有不同。在航空、航天攝影測量領(lǐng)域，光學(xué)攝影都屬于被動(dòng)感知，微波或激光遙感屬于主動(dòng)感知。

但是從信息被利用層面，定義主動(dòng)感知信息為：通過布設(shè)規(guī)則有序的傳感器實(shí)施的各類感知信息；被動(dòng)感知信息定義為：無意暴露在各類傳感器感知范圍內(nèi)的各類活動(dòng)信息，尤其是非主觀暴露的信息被泛化應(yīng)用的感知信息。

1.1 主動(dòng)感知信息

主動(dòng)感知信息包括空、天、地不同觀測類的感知信息，其中，天基信息探測包括天繪系列衛(wèi)星[11-14]、資源系列衛(wèi)星[15]、高分系列衛(wèi)星[16-18]，以及氣象監(jiān)測衛(wèi)星[19]、海洋監(jiān)測衛(wèi)星[20]、環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星[21]等；空基信息探測包括對地觀測和對海觀測，如航空攝影測量[22]、航空重力測量[23]，以及各類無人機(jī)監(jiān)測等觀測的信息；地基信息探測和監(jiān)測包括陸地、水面和水下目標(biāo)等，如2000GPS大地控制網(wǎng)[24]、GNSS地殼性變監(jiān)測網(wǎng)[25]、地震監(jiān)測網(wǎng)[26-28]、水面水下觀測網(wǎng)以及各類路況、樓道、地鐵、機(jī)場等場景監(jiān)測信息等[29-30]。

主動(dòng)感知信息的另一類屬于貼身傳感器信息，如車載感知終端、智能手機(jī)、智能電子手表、動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測設(shè)備和各類智能穿戴設(shè)備等檢測信息。這些貼身感知傳感器信息有的提供視頻或音頻，有的還提供位置、時(shí)間、生命體征等，利用車載探地雷達(dá)可識別城市道路地下空間重要典型目標(biāo)(如電纜、雨水井等)[31]，貼身感知信息本來屬于主動(dòng)感知信息，但是，這些主動(dòng)感知信息一旦融入公共互聯(lián)網(wǎng)，則在信息層面又變成了被動(dòng)感知信息，或稱為主動(dòng)被感知信息。

主動(dòng)感知信息通常是科學(xué)研究、科學(xué)決策、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)境治理、地理測繪等的重要信息來源。主動(dòng)感知信息的特點(diǎn)是規(guī)則性強(qiáng)、精確性高、可靠性好，且具有相對可信的時(shí)間和空間信息，其信息本身的不確定度相對較小。

1.2 被動(dòng)感知信息

被動(dòng)感知信息包括路邊攝像頭獲取的各類視頻信息、圖像信息及各類移動(dòng)感知網(wǎng)絡(luò)信息[32-33]，有線和無線通信網(wǎng)絡(luò)的音頻信息、文字信息、電話號碼信息，互聯(lián)網(wǎng)的電子郵件信息和各類平臺(tái)的視頻、音頻和文字信息等虛擬空間信息。被動(dòng)感知信息還包括主動(dòng)感知信息被泛化使用的信息，如貼身感知信息、個(gè)人車載感知信息(如特斯拉電動(dòng)車就是泛在感知載體之一)和家庭監(jiān)控信息等。一旦被接入互聯(lián)網(wǎng)，這些主動(dòng)感知信息就可能被泛化利用，也可能被大數(shù)據(jù)挖掘，相對個(gè)人而言，這類主動(dòng)感知信息就成為被動(dòng)感知信息。

被動(dòng)感知信息往往是大數(shù)據(jù)挖掘的基礎(chǔ)，是商業(yè)活動(dòng)、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型決策，甚至疫情分析、政府決策，以及戰(zhàn)場信息挖掘等的基礎(chǔ)。泛在被動(dòng)感知信息的主要特點(diǎn)是感知信息規(guī)則性往往較差，尤其是泛在網(wǎng)絡(luò)信息的單一信息源可靠性更低，且大多數(shù)缺少時(shí)間標(biāo)簽和空間位置信息。

其實(shí)，信息化社會(huì)的信息源主要來自泛在感知信息，包括上述主動(dòng)感知和被動(dòng)感知信息。

2 泛在感知的時(shí)空基準(zhǔn)

泛在感知的絕大部分信息都需要時(shí)間信息和位置信息。大部分泛在感知信息都是單個(gè)點(diǎn)的信息、非規(guī)則信息，具有較大不確定性。如果沒有時(shí)間標(biāo)簽和空間位置信息，各類感知信息之間不會(huì)產(chǎn)生任何聯(lián)系。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，各類泛在感知信息的簡單疊加并不能獲得完整的結(jié)論或決策信息。欲將零散的、不規(guī)則的、缺乏精確度的泛在感知信息形成具有高價(jià)值的信息，必須對泛在感知信息進(jìn)行時(shí)間關(guān)聯(lián)和空間關(guān)聯(lián)。泛在感知信息關(guān)聯(lián)的核心是統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)和統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)。

泛在感知的時(shí)間基準(zhǔn)必須統(tǒng)一。事實(shí)上，由于大部分泛在感知信息本身并不附帶時(shí)間標(biāo)簽，因此在不同時(shí)間感知的零散信息，本身很難顯示任何形式的規(guī)律。例如，A、B兩個(gè)路口攝像頭之間如果時(shí)間基準(zhǔn)不一致，則所記錄的同一輛汽車的時(shí)差可能與該汽車實(shí)際行駛的時(shí)間不一致，甚至?xí)霈F(xiàn)時(shí)間負(fù)值，即通過路口B的時(shí)間減去通過路口A的時(shí)間可能是負(fù)值，進(jìn)而造成信息錯(cuò)亂。此外，同一衛(wèi)星平臺(tái)中不同傳感器之間需要有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，如遙感平臺(tái)中，GNSS測量值、星敏感器測量值以及光學(xué)相機(jī)攝影影像之間若沒有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，3類感知數(shù)據(jù)無法有序集成使用。泛在感知信息具有各自的時(shí)間尺度，甚至沒有時(shí)間標(biāo)簽，若這些信息沒有統(tǒng)一的時(shí)間尺度，泛在感知信息之間非但不能形成整體，還會(huì)出現(xiàn)信息之間的矛盾。

泛在感知的空間基準(zhǔn)必須統(tǒng)一。無論是光學(xué)感知、微波感知、力學(xué)感知、震動(dòng)感知或無線電感知等，都與特定的空間位置、特定的背景和特定環(huán)境實(shí)體相關(guān)。盡管泛在感知信息本身表征多樣、零散和空間無序，但是，只要空間基準(zhǔn)相同，相對于同一空間基準(zhǔn)，人們就能找出各類泛在感知信息的某種空間分布規(guī)律，挖掘出有用的信息。若忽視空間要素，感知信息的表征意義就會(huì)混亂；若空間基準(zhǔn)不統(tǒng)一，不同的傳感器或不同時(shí)間感知的同一實(shí)體可能出現(xiàn)矛盾。圖1展示的是從不同角度拍攝的某大廈的影像。由圖1可以看出，從不同角度拍攝的該大廈形狀不同，甚至差別較大，但是，將這兩類影像套合到具有空間位置信息的影像后，位置坐標(biāo)基本相同，則可以判斷這兩個(gè)圖像所描述的特征建筑是同一建筑。

圖1 不同角度拍攝的同一建筑物衛(wèi)星影像Fig.1 Satellite imagery of the same building taken from different angles

又例如，智能手機(jī)感知的不同地點(diǎn)但形狀相似的物體，如果沒有空間信息的支持，則可能被誤解為是同一物體，造成信息誤判；同樣，不同視角對同一物體的感知，如果沒有空間位置的支持，也可能被誤判為不同的物體，如圖1中紅圈中的建筑物。

因此，相同的時(shí)間尺度和相同的空間基準(zhǔn)是泛在感知信息集成、融合、規(guī)律挖掘的基礎(chǔ)。在我國北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)系統(tǒng)支持下[34-35]，只要各類泛在感知傳感器攜載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端，各類感知信息就具有精確的時(shí)間和空間屬性，而且這些信息的空間基準(zhǔn)與中國CGCS2000基準(zhǔn)一致。如果這些泛在信息在傳輸過程中附帶時(shí)間標(biāo)簽和空間位置，則所有泛在感知信息即具備統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)。

3 泛在感知與航天測繪

航天測繪不僅是泛在感知的重要手段，也是泛在感知的空間基準(zhǔn)框架和空間背景支撐框架，可以為泛在感知提供重要空間背景和空間位置。

首先，航天測繪是泛在感知的核心內(nèi)容。航天測繪的目的是通過衛(wèi)星測制全球地表信息、地形信息、海面地形、海底地形、全球重力場、磁力場等重要信息。毫無疑問，從泛在感知整體性、連續(xù)性方面看，航天測繪無疑是感知信息最全面、整體性最好的感知手段。

其次，航天測繪信息是泛在感知信息的重要背景信息。大多數(shù)泛在感知都是個(gè)體的感知、點(diǎn)狀信息感知，單一的泛在感知信息很難體現(xiàn)信息的價(jià)值。而航天測繪通常是針對大區(qū)域面狀信息，具有極強(qiáng)的背景幾何信息，甚至物理屬性信息。只有將“點(diǎn)狀”感知信息與具有背景的“面狀”感知信息進(jìn)行匹配，才能發(fā)揮零散“點(diǎn)狀”感知信息的作用，進(jìn)而展示泛在感知的整體價(jià)值。例如，普通智能手機(jī)拍攝的單景影像發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，本身可能沒有特別的價(jià)值，但是，當(dāng)手機(jī)影像嵌入到具有地理面狀背景信息的航天感知影像中，則可以判斷單個(gè)感知信息本身的屬性和相應(yīng)背景信息之間的關(guān)系，并可能揭示出某種特殊的現(xiàn)象；如果眾多的單個(gè)感知信息展示在航天全球“面狀”感知影像中，并與各單點(diǎn)影像背景信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，就能挖掘出重要的規(guī)律和趨勢。從這個(gè)意義上說，航天測繪不僅是泛在感知的基礎(chǔ)，也是“大數(shù)據(jù)”挖掘的基礎(chǔ)。

最后，航天測繪是泛在感知的空間基準(zhǔn)框架。航天測繪產(chǎn)品的顯著特點(diǎn)是位置信息精確，所有點(diǎn)目標(biāo)都具有高精度地理經(jīng)緯度和高程信息。例如高分十四號航天測繪影像的平面精度達(dá)到1.8 m(RMS)，高程精度達(dá)到0.8 m(RMS)[36]。如果將各類單點(diǎn)泛在感知信息匹配到如此高精度的全球影像上，則任何單點(diǎn)感知信息都可獲得米級精度的位置信息。圖2為某立交橋通過手機(jī)、無人機(jī)和衛(wèi)星拍攝的影像。

圖2 不同平臺(tái)獲取的影像Fig.2 Imagery from different platforms

由圖2的多種影像可以看出，作為泛在感知的手機(jī)影像圖2(a)，盡管立交橋腳點(diǎn)照片清晰(圖中紅圈處護(hù)欄的底部)，局部背景也可辨識，但不可量測其三維坐標(biāo)；而無人機(jī)影像(圖2(b))可以判定該立交橋的概略位置，但由于普通無人機(jī)拍攝時(shí)往往無法獲取相應(yīng)的姿態(tài)和位置信息，也很難量測該腳點(diǎn)精確坐標(biāo)；但是在圖2(c)上，由于航天測繪影像具有精確空間坐標(biāo)，則很容易量測和計(jì)算出該立交橋腳點(diǎn)精確坐標(biāo)。于是，基于泛在感知多源影像與航天測繪影像的快速匹配，可以實(shí)現(xiàn)對同名像點(diǎn)的快速識別、快速量測實(shí)現(xiàn)手機(jī)影像或無人機(jī)影像的快速定位。根據(jù)該特征點(diǎn)的定位信息，又可對影像中其他建筑物進(jìn)行概略定位。

又例如，單個(gè)的重力傳感器感知的重力標(biāo)量信息，通常本身并無空間位置信息，但如果將其匹配到具有精確位置支撐的全球衛(wèi)星地球重力場信息中，就能判定該傳感器的位置，這正是重力匹配導(dǎo)航的原理[37]。

綜上所述，航天測繪產(chǎn)品可以作為其他泛在感知信息的空間背景框架，實(shí)現(xiàn)泛在感知信息的背景關(guān)聯(lián)；同樣，航天測繪產(chǎn)品還可以作為其他泛在感知信息可量測、可定位的重要支撐，即作為其他泛在感知信息的空間基準(zhǔn)框架。泛在感知信息只有與航天測繪產(chǎn)品進(jìn)行融合或匹配才能確定泛在感知空間規(guī)律，甄別泛在感知信息價(jià)值；另一方面，泛在感知也可以豐富和更新航天測繪的細(xì)部信息，提高航天測繪產(chǎn)品的時(shí)間分辨率和空間分辨率。

4 泛在感知與航天測繪融合的關(guān)鍵技術(shù)

(1) 泛在感知數(shù)據(jù)挖掘的時(shí)空基準(zhǔn)賦能。零散的、無序的，甚至無源頭的泛在感知數(shù)據(jù)如何才能在時(shí)間軸和空間軸進(jìn)行對標(biāo)定位，是泛在感知首要解決的核心問題，否則，泛在感知數(shù)據(jù)的價(jià)值將大打折扣。泛在感知信息的空間位置標(biāo)定相對容易，一般通過幾何形狀和屬性與具有精確位置的測繪地理信息相應(yīng)特征點(diǎn)匹配即可確定該目標(biāo)的空間位置；泛在感知信息的時(shí)間測定往往相對困難，可以通過感知傳感器本身的時(shí)鐘為感知信息打上時(shí)間戳，對于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)感知信息可以通過網(wǎng)絡(luò)授時(shí)體系為網(wǎng)絡(luò)信息打上時(shí)間戳，無線電感知信息也可以通過信息傳輸?shù)臅r(shí)間作為時(shí)間標(biāo)簽。對于網(wǎng)絡(luò)非實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，則可以通過同步感知且有時(shí)間標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間確定。有了時(shí)間和空間位置支持的泛在感知信息不僅可以分析其空間分布，而且可以分析動(dòng)態(tài)變化。

(2) 泛在感知信息高精度匹配。泛在感知信息絕大多數(shù)都屬于非合作目標(biāo)的信息，且?guī)缀醵紝儆诜且?guī)則信息，屬性信息也具有較大不確定性，時(shí)間空間信息也有可能缺失。為了確定泛在感知信息相對的空間位置，可與高精度的航空航天影像或地理空間信息進(jìn)行匹配。航空航天影像信息是主動(dòng)感知信息，也是時(shí)空信息精確已知的規(guī)則感知信息。于是需要研究具有高精度外部信息約束的不同源、不同時(shí)相的空天地一體的泛在感知匹配方法和匹配算法，以便提高泛在感知信息的可用性和精確性。

(3) 泛在感知數(shù)據(jù)時(shí)間序列分析。在泛在感知信息時(shí)空信息支持下，單一事件多個(gè)時(shí)段的泛在感知信息可以生成單一事件的時(shí)間序列，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)該事件的動(dòng)態(tài)變化及其速度；如果由泛在感知獲得批量事件信息，則可以通過群體信息的時(shí)間序列分析群體事件的動(dòng)態(tài)變化，并預(yù)測發(fā)展趨勢。例如，可以通過夜光紅外主動(dòng)感知和被動(dòng)泛在感知不同時(shí)段的變化分析城市范圍的拓展[38-39]；也可以通過航天紅外感知某城市夜間燈光的密集度和總體亮度時(shí)間變化，分析戰(zhàn)爭對城市的毀壞程度。顯然，泛在感知與高時(shí)間分辨率的航天測繪信息匹配，可為泛在感知信息的時(shí)間序列分析提供參考。

(4) 泛在感知數(shù)據(jù)空間分布規(guī)律挖掘。泛在感知信息的空間分布反映了感知對象的分布范圍、密度、屬性等特征，于是，為了合理挖掘泛在感知信息的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律，必須將感知信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量化，并以合理的時(shí)間維和空間維統(tǒng)計(jì)出這些幾何分布的基本特性。顯然，精確的、高時(shí)空分辨率的航天影像信息將發(fā)揮不可替代的框架作用。

(5) 泛在感知與機(jī)器學(xué)習(xí)交叉演進(jìn)。泛在感知信息的價(jià)值來自信息的分析、挖掘和利用，而雜亂無章的泛在感知信息的高價(jià)值來自數(shù)據(jù)背景的分析和規(guī)律的挖掘。如果采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，則可以有效地挖掘泛在感知信息中的高價(jià)值信息，或采用具有先驗(yàn)約束的監(jiān)督學(xué)習(xí)法，使得機(jī)器學(xué)習(xí)效能更高、針對性更強(qiáng)。

5 結(jié)束語

泛在感知是大數(shù)據(jù)的重要來源，是數(shù)字地球甚至智慧地球信息更新的重要支撐信息。泛在感知分為主動(dòng)感知和被動(dòng)感知，主動(dòng)感知信息往往規(guī)則性強(qiáng)，且具有時(shí)空標(biāo)簽；被動(dòng)感知往往雜亂無章，且具有較大的屬性不確定性、背景不確定性和時(shí)空基準(zhǔn)不確定性。天基、空基、?；偷鼗鶞y繪信息屬于主動(dòng)感知信息，不僅具有規(guī)則性強(qiáng)、背景信息清晰的特點(diǎn)，而且具有精確時(shí)空基準(zhǔn)信息，可以作為泛在感知信息的框架。只有將泛在感知信息與航空航天測繪信息精確匹配，泛在感知的知識挖掘才有可能。要解決泛在感知信息與測繪信息的匹配與融合問題，首先需要解決感知信息的時(shí)間標(biāo)簽和空間位置問題，然后需要解決泛在感知信息與全球影像信息或地理空間信息的快速配準(zhǔn)難題，進(jìn)而建立泛在感知信息的時(shí)間序列分析或空間統(tǒng)計(jì)分析模型和方法，機(jī)器學(xué)習(xí)方法一定會(huì)助力泛在感知信息的知識挖掘。