李德仁:论地球空间信息学的创新发展

李德仁院士表示,在大数据与人工智能时代,抓好自动化、智能化、社会化、大众化和实时话,以测绘、遥感和地理信息技术为中心的地球空间信息学,其创新发展的道路十分宽广。

  随着ABCDE五大技术的不断发展更新,地球空间信息学的有关定义也发生了改变。

  在近期举办的中国测绘学会2018年会上,李德仁院士发表了名为《论地球空间信息学的创新发展》的演讲,他指出:在互联网+、物联网、云计算、大数据和人工智能时代,地球空间信息学是用各种手段和集成各种方法对地球及地球上的实体目标(physical s)和各种人类活动(Human activities)进行时空数据采集、信息提取、网络管理、知识发现、空间感知认知和智能服务的一门多学科交叉的科学和技术,其主要的特点是,自动化和智能化;社会化和大众化;按需实时化。

  一、地球空间信息学的自动化和智能化

  在会上,李德仁院士从7个方面对地球空间信息学的自动化和智能化进行了解读,分别是:

  1.无控制全球测图

  李德仁院士指出,中国的资源三号卫星所获取的数据质量很好,通过对资源三号卫星全国数据进行整体无控制区域网平差计算(8810景,原始数据量20TB),采用选权迭代验后方差估计的粗差探测方法,从20亿个匹配点中自动选择300万个坚强连接点,遥感影像自动定位精度从15米提高到5米,可满足全球测图要求,为一带一路战略提供技术支持。

  从李德仁院士所展示的资三影像全国一张图产品精度第三方验证结果来看,该验证在全国范围内大约设立了8000多个检查点,检查影像约3000余景,抽样率约40%,检验区域约覆盖50%国土面积。结果显示,DOM平面精度中误差约3.5米,CE90约5.1米;DSM高程精度中误差优于4米,CE90优于6米;相邻DOM产品几何接边精度均优于1个像素。

  李德仁院士表示,目前资三影像已用于全球测图重大工程,国家拨款48亿元,预计今年可完成2500万平方公里,并展示了中亚、泰国、缅甸和德国等地区示范和验证效果图。

  2.自动匹配与三维建模

  在自动匹配和三维建模环节,李德仁院士分别展示了双相机摇摆倾斜摄影系统(双鱼)完成的武汉大学行政楼和西藏布达拉宫的三维建模效果图;以及由业余相机数据所做的玛雅遗址三维建模效果图。

  李德仁院士指出,使用双相机摇摆倾斜摄影系统采集数据,摇摆进口一个站点可以获取超过6张照片,分辨率达到2-3厘米。玛雅遗址三维建模是在去墨西哥参加会议的过程中制作的,当时使用手机拍摄了40余张照片,上午采集影像,下午完成建模,使用了全自动建模软件,排除了人工干预的环节。

  3.影像目标搜索

  作为时下研究热点之一,我国已库存超过600PB的影像大数据,影像目标自动搜索技术极为重要。李德仁院士指出,影像目标搜索要依靠大数据、云计算、深度学习和语音理解等技术的进步。目前武汉大学已研发出一款软件,通过自主学习几百万个样本,可以在无人工干预的情况下,从1000万个瓦片影像数据库中一秒钟实现40种影像目标的自动搜索。

  李德仁院士表示,目前影像目标自动搜索技术被广泛应用于各行各业,特别是无人机视频技术的应用,可以做到边接收,边跟踪,边处理,为灾害应急、国防和城市安保工作提供了极大的便利。

  4.遥感影像信息智能提取

  在遥感影像信息智能提取领域,武汉大学取得了举世瞩目的成绩。李德仁院士提出了高空间和高光谱分辨率的遥感影像智能化解译理论和算法,支持了国家的重大专项,得到国际同行的高度认可。

  李德仁院士指出,武汉大学所研发的相关技术成果在2014年IEEE地球科学与遥感学会影像分析和数据融合大赛中,包揽了前三,以及第5、6名的成绩,美国的橡树岭国家实验室仅获得了第4名。

  李德仁院士分别列举了机场目标提取、遥感图像建筑物目标智能检测、知识库支持下高光谱图像建筑物目标材料提取以及典型时敏目标智能提取等遥感影像智能提取中所遇到的难题和解决方法。

  5.遥感影像自动变化监测

  在介绍遥感影像的自动变化监测技术时,李德仁院士以北京机场、梁子湖、珠江三角洲等地区为例,指出机场变化监测存在光照、拍摄角度等造成几何位置不对应,像素级结果破碎、零散,目标变化信息不连续等问题,可通过目标影像凸面模型解决。据此模型进行目标影像比对与目标变化要素提取,适用于变化发现,复杂的目标要素提取需要单片重新提取,并列举了北京机场原始影像、变化后图像和变化检测结果三张图片进行对比。

  随后,李德仁院士以梁子湖为例,列举了2013年、2014年、2015年梁子湖遥感监测水质分级变化图,可看出三年来梁子湖水质变化情况。(配图)

  以及珠江三角洲不透水面监测,该项目可用于城市洪涝或者积水处理。武汉大学完成了世界上第一张2米分辨率全国不透水面一张图,用于海绵城市建设,在今年获得测绘科技进步一等奖。

  6.自动形变测量

  李德仁院士指出,在北京市平均沉降速率监测项目中,实验结果显示,北京东部地区最大年沉降速率大于100mm/year。北京市东部、东北部及北部地区主要的沉降漏斗基本连成一片,朝阳东部咸宁侯——双桥沉降严重。并展示了北京市2003年——2010年间北京地面沉降的时空演化过程图,可以看出北京市地面沉降量呈现逐年增大的趋势。

  7.智能测量机器人

  李德仁院士指出,利用传感器、陀螺仪和激光扫描仪,可以实现测量过程的自动化。一个智能测量机器人只要在房间里走一下,就可以画出房间的地图。有了这项技术,就可以做路径规划,用于研究自动导航飞机。比如武汉大学研发的小佳机器人,经过训练,可以自动测量和识别人脸。

  除此之外,李德仁院士还介绍了立德公司研发的履带式机器人和轮式机器人,不同的机器人可以应对不同的环境需要。目前只能机器人的应用领域已经越来越广泛,包括变电站智能巡检、智慧校园安保运动、智能物流、新零售导购以及医院导医等。

  人工智能和脑认知的成果,已在推动地球空间信息技术从感知走向认知和智能决策支持。

  二、地球空间信息学的社会化和大众化

  李德仁院士指出,随着地球空间信息学的发展,地球空间信息学的社会化和大众化应用越来越广泛。此前,人们只能通过对地观测了解和认识自然社会。现在可以用遥感做社会地理计算,实现对人、对社会、对人类社会活动进行观测。比如,此前发射的夜光遥感卫星就可以解决GDP分析、人口分析、一定能量的碳排放、城市扩张和城市贫困指数分析等问题,并列举了通过夜光遥感对叙利亚战局分析结果和中国夜光遥感变化所反应的的区域协调发展政策成果。

  地球空间信息学的社会化和大众化还体现在基于社交媒体数据研究网络事件时空演化。构建社交网络和现实空间的相互映射关系,提出历史事件回溯和时空过程重构方法,研究网络和现实相互作用下的事件时空演化规律,分析社交网络和现实空间的相互作用,为洞悉社交网络上的世情民意、掌握社交网络和现实空间的互动规律、预测突发事件影像等提供有力的理论和技术支持。

  李德仁院士指出,对于历史人口空间演变的研究可以更好的制定城市发展规划,而城市出行轨迹大数据包含了手机轨迹数据、视频轨迹数据、出租车轨迹数据、室内定位轨迹数据、公交地铁刷卡数据和时空轨迹数据,这些数据可以用做智慧交通的研究。武汉大学和公安部合作研发了武汉交警数据大脑,这是一款依托全息感知、时空分析、数据挖掘技术打造的道路交通指挥应急系统。自该系统上线后,武汉市交通拥堵从23名下降到了52名,梳理拥堵事件从平均7分钟降到90秒。李德仁院士表示,李克强总理在2017年12月在武汉专门参观考察了该系统运行。武汉大学与美国芝加哥等大学联合成立了社会地理计算研究中心。

  三、地球空间信息的实时智能服务(PNTRC)

  在提到地球空间信息的实时智能服务时,李德仁院士指出,当前我国现有的通信、导航、遥感卫星系统各成体系,军民系统孤立,信息分离、服务滞后。遥感卫星需要过境或通过中继卫星向地面站下传数据,无形间链路和组网,数据下传瓶颈严重制约信息获取效率;北斗卫星具有短报文通信能力,但是不具备宽带数据传输能力;通信卫星尚无自主的业务化卫星移动通信系统,对遥感、导航等天基信息的传输保障能力受限;而且服务模式主要面向专业用户,尚未服务大众。

  针对上述情况,李德仁院士提出了要建设通导遥一体化天基信息实时服务系统(PNTRC)的建议,该系统的建设思路包含了一星多用(遥感、导航与通信功能复用)、多星组网(高中低轨多类卫星组网)、多网融合(卫星网、互联网、移动通信网,互联互通,深度耦合)、智能服务(云计算、时空大数据与智能终端支撑下实时服务于广大军民用户)等多项内容。据李德仁院士透露,目前该项目已经获得了自然科学基金2亿的资金支持,在今年年底之前,中国工程院还将向中央提交一份推动通导遥一体化,实现空天信息实时服务的建议。

  李德仁院士表示,建设PNTRC系统的目的是把长期以来的专业服务转向大众,从依赖国家扶持转向国家扶持之下的市场化国际化。目前该系统的功能设计包括实时导航增强(各种类型用户提供米(分米)级高精度实时导航定位信息);精密授时(提供时间信息和时间同步信息);快速遥感(全天时、全天候、实时的获取、处理遥感和视频数据,并将感兴趣的信息及时推动给用户的手机和各类移动终端;天地一体移动宽带通信传输(克服地面通信网络覆盖范围不足的局限,可为全球用户提供安全、可靠、高速的天地一体化通信和数据传输服务)。

  该系统建设规划可分步实施:第一步是建立区域服务系统,为中国及“一带一路”国家服务。星座组成包括100颗低轨通信/导航增强卫星;80颗低轨多角度遥感卫星(具备星间通信能力);核心能力是目标信息获取时间分辨率为10分钟;实时导航定位精度达到亚米级;移动通信能力要自适应变带宽,单波束最高速率达到40mbps。第二步建立全球服务系统。星座组成包括300颗低轨通信/导航增强卫星,200颗低轨遥感卫星(具备星间通信能力),核心能力是遥感信息获取时间分辨率优于4分钟;实时导航定位精度达到亚米级;移动通信能力全网通信容量吗不低于600gbps,支持高速移动过程中的音视频通话能力和遥感影像的接收能力。

  李德仁院士指出,低轨通信卫星可依托国内具有星间链路的低轨通信星座发展计划,如鸿雁、虹云等,增强导航增强载荷,发射具备星间通信能力的遥感卫星。同时要研制PNTRC系统卫星型谱,通过小型化、批量化,降低系统建设成本。据了解,目前该系统的建设投资预计需要350亿,由多位院士及科研人员承担了系统建设中主要关键技术的攻克任务。

  李德仁院士表示,PNTRC系统有望推动形成万亿级产业链的发展,系统建成之后,军方可以做到全球多目标的实时跟踪,固定目标的实时变化监测;大众用户则以移动终端为载体,可提供定制化、实时化的天基信息增值服务。

  据了解,建设PNTRC系统是落实军民深度融合战略要求的有力举措,可支撑我军未来在全球范围内“能打仗”、“打胜仗”。这一系统的建设可以占领天基信息服务这一新兴领域的战略制高点,同时可以推动我国卫星遥感、卫星通信、卫星导航等相关产业的集成创新发展,带动形成互联网+天基信息实时服务的新型产业。

  最后,李德仁院士表示,在大数据与人工智能时代,抓好自动化、智能化、社会化、大众化和实时话,以测绘、遥感和地理信息技术为中心的地球空间信息学,其创新发展的道路十分宽广。从当前国家需求和国际高科技发展形势看,建设我国通导遥一体化空天信息实时智能服务系统,是实践党中央提出“军民深度融合”战略的重要途径,也是落实《“互联网+”行动的指导意见》要求的有力举措。监狱西方国家尚未形成这样的实用服务系统,我国应该抓住机遇,群力攻关,作出原创性的科技创新,也是测绘人未来所必须做的工作。

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