地圖制圖大跨越 深度學(xué)習(xí)賦新能
——記武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授艾廷華

李 莉 李 雙

艾廷華

作為空間現(xiàn)象可視化表達(dá)的地圖，通常被譽(yù)為地學(xué)研究的第二語言。在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域，想讓計(jì)算機(jī)將一幅復(fù)雜的地圖簡化為概略圖，需要有很強(qiáng)的圖形語言抽象概括能力，這是領(lǐng)域內(nèi)公認(rèn)的世界難題，連高速發(fā)展的人工智能技術(shù)對其都還在尋找這一問題的解決辦法。來自武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院的教授艾廷華毅然應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。他歷20余年攻關(guān)克難，懷揣創(chuàng)新初心，取得了多項(xiàng)成果，先后4次獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，研制的地圖尺度變換軟件驅(qū)動國家國土資源信息化建設(shè)步入快速路。

成為教師 創(chuàng)造快樂

1987年，艾廷華考入武漢測繪科技大學(xué)（現(xiàn)武漢大學(xué)）地圖制圖專業(yè)，正式與地圖制圖結(jié)下了深厚的緣分。“高中的時(shí)候我參加過編程設(shè)計(jì)開發(fā)的課外活動，獲得過湖北省BASIC程序設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，對信息科學(xué)留下了不錯(cuò)的印象?！边M(jìn)入地圖制圖專業(yè)后，艾廷華發(fā)現(xiàn)信息科學(xué)與地圖制圖是可以結(jié)合起來學(xué)習(xí)的，“通用信息技術(shù)和地圖、空間、位置、場所等信息結(jié)合起來能產(chǎn)生特殊的信息處理策略，這點(diǎn)非常有趣。”懷抱著這樣的想法，在刻苦學(xué)習(xí)地圖制圖專業(yè)的知識外，艾廷華經(jīng)常抽時(shí)間去“蹭”計(jì)算機(jī)專業(yè)的課，可以說是“兩手都要抓，兩手都要硬”。

此后，艾廷華繼續(xù)留在學(xué)校完成了碩士和博士研究生的學(xué)業(yè)，之后留校從研任教。一晃30年過去，他坦言，這樣的選擇很適合自己——“在校園里能安靜地看書，能摸索科研上的新東西，也能接觸朝氣蓬勃的學(xué)生”。談起多年來與學(xué)生相處的經(jīng)歷，艾廷華的話逐漸多了起來，能感覺到他是發(fā)自內(nèi)心地喜歡教師這份職業(yè)。“學(xué)生思想活躍，不僅是他們向我學(xué)習(xí)，我也在向他們學(xué)習(xí)，這是一個(gè)互相學(xué)習(xí)的過程。在這個(gè)過程中，我體會到了鉆研細(xì)節(jié)的樂趣，可以將自己最新的科研成果及時(shí)在教學(xué)中傳授給學(xué)生，還能多了解前沿的新思想，這是創(chuàng)造快樂與傳遞快樂的雙重疊加。”

平等尊重的相處方式讓艾廷華深受學(xué)生的喜愛。他的課程覆蓋了本科、碩士、博士、留學(xué)生等各個(gè)階段不同類型的學(xué)生，并能因材施教，使每一名學(xué)生都能收獲滿滿。特別是他開設(shè)的研究方法性課程“專業(yè)論文閱讀與寫作”受到了廣大研究生的廣泛贊譽(yù)。他把一般科技論文的寫作方法和地理信息系統(tǒng)專業(yè)緊密地聯(lián)系在一起，并用大量的實(shí)例來指導(dǎo)學(xué)生怎樣找到“寫點(diǎn)”，從而把科學(xué)論文中的故事講得更生動。這些工作耗費(fèi)了艾廷華不少的時(shí)間和精力，但他覺得這一切都是值得的：“作為老師，我是引導(dǎo)者，引領(lǐng)我的學(xué)生進(jìn)入我獨(dú)創(chuàng)的或由其他先輩創(chuàng)造的一個(gè)個(gè)奇幻科研世界里，帶他們發(fā)現(xiàn)隱藏在表象背后的一個(gè)個(gè)科學(xué)之謎，這種為人師者的快樂也是非常美妙的?！边@樣的快樂讓他沉浸其中。桃李不言，下自成蹊。他的學(xué)生先后在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議中獲得“最佳論文”“高校地理信息系統(tǒng)（GIS）新秀”“優(yōu)秀報(bào)告”等榮譽(yù)，還有多人獲得湖北省優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)、研究生學(xué)術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)等各種獎(jiǎng)項(xiàng)，很多畢業(yè)生成為高校、企事業(yè)單位的業(yè)務(wù)骨干。

攻克難題 碩果累累

2006年5月20日，舉世矚目的三峽大壩全線建成。作為當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工程，三峽庫區(qū)的蓄水、航道改造、航行安全成為航運(yùn)部門關(guān)注的課題。同樣關(guān)注三峽工程的艾廷華也于2004年完成了電子航道圖系統(tǒng)，為這項(xiàng)工程貢獻(xiàn)了自己的一份力量。

據(jù)了解，電子航道圖系統(tǒng)可以為今后長江航道水上航行和施工，以及制定長期發(fā)展目標(biāo)提供科學(xué)、準(zhǔn)確的依據(jù)。針對三峽庫區(qū)蓄水后航道情況復(fù)雜等問題，它可以將整個(gè)三峽庫區(qū)的航道信息“濃縮”在室內(nèi)大屏幕上，全天候?qū)綐?biāo)、助航設(shè)施、信號燈進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，將這些設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)信息，通過無線通信實(shí)時(shí)傳回電子航道圖上，并通過“航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)”指導(dǎo)整個(gè)航道的導(dǎo)航、搜救等功能，從而保證三峽庫區(qū)航運(yùn)的安全。

艾廷華從博士論文開始就對“如何讓計(jì)算機(jī)將一幅復(fù)雜的地圖簡化為概略圖”這一難題展開了攻關(guān)，先后兩次出國與國際同行合作研究，在多項(xiàng)基金課題支持下，通過一個(gè)個(gè)單項(xiàng)問題的解決，他逐步探尋到解開難題的鑰匙：他創(chuàng)造性地提出了將計(jì)算幾何與智能計(jì)算相結(jié)合的解決途徑，建立了人機(jī)協(xié)同的技術(shù)路線，為解開“地圖綜合國際難題”邁出了一大步；設(shè)計(jì)開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的首套地圖綜合軟件D o M a p，獲得2005年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。值得一提的是，這個(gè)軟件被選為國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施1∶5萬地圖數(shù)據(jù)庫更新軟件，承擔(dān)全國的地圖數(shù)據(jù)更新，使得地圖更新效率提高4倍以上，填補(bǔ)了我國在這一領(lǐng)域的空白。

2017年，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃地球觀測與導(dǎo)航專項(xiàng)“全息地圖獲取與位置信息聚合技術(shù)”項(xiàng)目立項(xiàng)，由多家單位共同承擔(dān)。其中，艾廷華和團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的課題是“場景集成建模與自適應(yīng)表達(dá)”，此課題面向新時(shí)代地圖學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展，圍繞場景集成與自適應(yīng)可視化主題，在地理信息的全要素尺度變換、多維動態(tài)符號設(shè)計(jì)以及多模態(tài)可視化方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)上下的一致努力，課題研究創(chuàng)造了諸多創(chuàng)新成果：構(gòu)建了基于場景空間、聲光電磁和泛在數(shù)據(jù)的新型地圖數(shù)據(jù)場景表達(dá)模型，拓展了地圖語言內(nèi)涵；建立了空間、時(shí)間和語義尺度聯(lián)合控制下的多要素空間場景自適應(yīng)綜合技術(shù)，突破了面向不同行業(yè)領(lǐng)域、幾何維度、時(shí)態(tài)特征的動態(tài)可視化技術(shù)；建立了面向不同用戶、終端、上下文環(huán)境的多模式地圖展示方法等。隨后，相關(guān)研究成果被應(yīng)用到全國國土資源大調(diào)查成果的地圖綜合縮編任務(wù)中，以高自動化、高智能化特色承擔(dān)了眾多省級數(shù)據(jù)庫的綜合縮編工作，顯著提升了生產(chǎn)效率。項(xiàng)目研制的地圖綜合軟件也為華為花瓣地圖的瓦片數(shù)據(jù)分級處理提供了重要技術(shù)支撐。

艾廷華還主持了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“網(wǎng)絡(luò)眾源地理信息在線式尺度變換原理與方法”，針對地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中的尺度變換在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與大數(shù)據(jù)背景下面臨的新挑戰(zhàn)，突破從離線到在線、從規(guī)范數(shù)據(jù)到眾源數(shù)據(jù)的尺度變換“卡脖子”難題。項(xiàng)目研究歷時(shí)5年，取得多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，其中相關(guān)項(xiàng)目研究成果作為部分內(nèi)容參加了項(xiàng)目“智能化地圖綜合與多尺度級聯(lián)更新關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”申報(bào)并獲得了2020年度國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

深度學(xué)習(xí) 讓地圖更聰明

在地圖繪制新技術(shù)的發(fā)展過程中，地圖與人工智能的融合是最顯著的趨勢，表現(xiàn)為機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、知識圖譜在地圖認(rèn)知、地圖設(shè)計(jì)與地圖分析中扮演越來越重要的角色。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，地圖空間決策也越來越復(fù)雜，在深度學(xué)習(xí)支持下的地圖創(chuàng)意設(shè)計(jì)，可以將地圖專家的知識經(jīng)驗(yàn)遷移，使得地圖的藝術(shù)表現(xiàn)力大大提高。

當(dāng)?shù)貓D遇上深度學(xué)習(xí)，在被賦予了智能決策能力后，地圖也將“變聰明”。在艾廷華看來，深度學(xué)習(xí)給地圖賦予智能表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是地圖設(shè)計(jì)制作方面，二是地圖應(yīng)用分析方面。在地圖應(yīng)用分析方面，艾廷華和團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)研制的地圖綜合與尺度變換系統(tǒng)，在完成國土資源調(diào)查成果的多級數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，面臨數(shù)據(jù)壓縮后土地用地格局與各類用地面積平衡保持不變的問題，這是一個(gè)有一定難度的空間決策問題，為此他們采用了土地利用圖斑的機(jī)器學(xué)習(xí)，在典型樣本的訓(xùn)練后，較好地解決了這個(gè)問題。

目前，在地圖智能化方面，艾廷華和團(tuán)隊(duì)已取得了一定的成績，但他們的技術(shù)還面臨著進(jìn)一步推廣和提升的難題?！叭绾渭由畹貓D智能化的程度是一個(gè)很大的考驗(yàn)，我將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)積極主動地確立地圖空間的智能化問題，把相關(guān)領(lǐng)域知識融入深度學(xué)習(xí)的模型中。除了這一方面外，我還想開辟一些新的方向，比如將人工智能和腦科學(xué)這兩個(gè)研究熱點(diǎn)結(jié)合以后，與我們地圖專業(yè)進(jìn)行新的融合，讓我們的大腦更好地認(rèn)識地圖，使得計(jì)算機(jī)制圖系統(tǒng)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)能力向人的大腦行為逼近，讓地圖分析系統(tǒng)具備與人腦類似的智能水平?！边@條路任重道遠(yuǎn)，但艾廷華為了實(shí)現(xiàn)“千言萬語不如一張圖”的目標(biāo)，他愿意繼續(xù)攻關(guān)，直到成功的那一天。