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李德仁:脑认知与空间认知——论空间大数据与人工智能的集成

泰伯网2017-11-09 11:48:28

摘要: 脑认知人工智能的发展到了什么样的状态?怎么把脑认知这样一个人工智能的方法运用到测绘地理信息中来?

  中国测绘地理信息学会2017年学术年会暨第十二次全国会员代表大会于11月8-10日在南京举办。本次大会以“创新驱动,跨越发展”为主题,邀请测绘地理信息科技界专家、院士、学者齐聚一堂,呈现精彩特邀报告,并举办多个垂直领域分论坛。

  会上,中国科学院、中国工程院院士李德仁作了题为《脑认知与空间认知——论空间大数据与人工智能的集成》的特邀报告。

李德仁:脑认知与空间认知——论空间大数据与人工智能的集成

  以下为演讲内容(内容未经本人核实):

  李德仁:谢谢陈院长。

  今天跟我们的中国测绘地理信息学会会员、朋友们讨论一个问题,空间大数据与人工智能怎么结合?我的题目是《脑认知与空间认知》,谈谈我个人的一些想法,希望能对我们测绘地理未来的发展产生一定的作用。

  我从四个方面做一个介绍,第一部分先讲一讲空间大数据有多大?第二个讲讲脑认知人工智能的发展到了什么样的状态?第三部分就讲我们怎么把脑认知的这样一个人工智能的方法运用到我们测绘地理信息中来,我要介绍三个空间认知的大脑,第一个就是对地观测卫星要变成一个对地观测脑;第二个,我们智慧城市的管理在云上变成一个管理应用的大脑;第三个我们的手机用于1米导航定位的时候,我们的手机要成为这个主人的一个智慧的脑,了解你的生理学、心理学、行为学,让你过得更好。这就是我要讲的三个脑,供大家参考。第四部分讲做这件事情有没有基础?我们测绘人做了哪些工作,有基础,当然我这个基础不全。讲到我们武汉大学团队的技术,相信全国的人加在一起,我们共同来研发未来的智能化、实时化的地理信息服务的三个大脑。

  习主席指出来“空间科学、空间技术和空间应用要全面发展”,是2016年在两院院士大会上讲的。我的理解,抓应用科学技术的发展是它最好的一个,所以我们要把天上的卫星要“一星多用、多星组网、多网融合、智能服务”。大家知道全世界目前航天事业,这个导航、通信、遥感是分离的。所以我们要集成在一起,我们的测绘地理信息产业是一个大事业、小产业,没有叫72亿老百姓都买单,这是政府买单的一个小产业。但是大事业,涉及到政府各个部门、城市各个部门。靠什么呢?靠人工智能的技术。而人工智能的技术,把未来认知科学的技术移植过来,我们就可以实现目标的发现、设备跟踪、变化的检测,做到智能化、实时化,在卫星轨道上完成。这样的话,就是真正地把我们的测绘地理信息技术来支持强军、富国、利民,就有可能把我们的用户从政府机关发展到为全社会老百姓服务,就可以把产业从几千亿发展到上万亿。这是习主席的要求,这是我们习主席提出来的,解放军在全球能打仗,打胜仗,军民要深度融合。我们希望2030—2049年中国的空间科学、地理信息空间科学要在世界上能达到走到前面去的这样一个目标。

  习主席最近多次指示当2030年中国哪些行业在世界上是第一?所以我们在座所有的测绘地理同仁要想这个问题,我们怎么样拉动我们的发展来满足国家领导人对我们的要求。2049是中华人民共和国成立一百周年,我们要拿出我们的行动来让我们的国家把地理测绘产业做大做强,做到世界的前面去。

  我们看到空间数据有多大,天上的卫星已超过1000个,美国500多个,俄罗斯120多个,中国145个,还在加。空中的有人机和无人机超过10000架,我们中国的无人机在世界上是No.1。地面移动测量系统,我们有很多地面测量系统,但是我们正在做的智能驾驶汽车,无人驾驶汽车都有传感器,是70乘70、90乘90的,有照相机,有视频。我们还要搞海上的移动测量系统,我们城市里的传感器就不能不想到识别,中国的“平安工程”,公安部花了3000多个亿装了2000多万个视频摄像头。我们还有手机,每个人的智能手机可以打电话,可以记录坐标,可以传视频拍照片,都是传感器,所以现在传感器是专业的、非专业的大融合。

  我们看看中国卫星的发展,中国的卫星走了一个从无到有的过程,从实验到运行,坚持技术创新,坚持从有到好。我们高兴地告诉大家,资源三号是中国遥感卫星从有到好的一个转折点,我们有7种卫星序列,气象、环境灾害的、国防的等等。我们气象卫星做得最好,风云1号2号是第一代,3号4号是第二代。这就是一个路线图,要不停地发气象卫星来支持全世界对地球的观测、气象预报和全球变化演进。这样一个系统,我们三颗卫星可以15分钟重复观测,我们的风云4号是自旋式的改成定位式的,又提高了时间精度。

  我们的环境灾害卫星,天上有两个光学一个雷达,下面还要发展两个新的光学和两个新的雷达,每天把地球扫一遍。它的图像质量跟法国的、美国的是可比的。

  再下一张,我们的第一颗SAR卫星是这个,这是武汉市的照片,把它放大看,中国的在左上角,其他国家的都可比,这是长江新城就在这儿。

  我们的资源三号大家都比较熟悉了,它的指数就不讲了。

  这是2米1大连的图像,把多光谱和可见光融在一起的,可以看到它的质量。又发了一个风云2号,前后视相机从3米5提高到2米7。

  再看高分,是2002年我们院士向中央建议,国家投46个亿,有两个卫星0.6到0.7米的,军一个民一个。我们的高分辨率有1米4米的、0.3米、2米2的,0.7米和2米8的,这就是我们的高分辨率。

  下面看这个卫星,往下翻,翻快一点。高分二号0.8米,8米的图像,45米的幅宽。这是0.5米的卫星,商业遥感卫星,2004年我们院士建议国家领导把卫星允许民间开发,允许民间资本进入航天,中央批准。这就是16个光学、4个雷达、4个高光谱加X个0.5米级计划,看香港全景的图像就是这么大。这是商业卫星监视的一个地面的变化,我们看我们的卫星数据不断地发现这个地区在增加太阳能离子,可以实时地监控。

  我们的高分四号是中国人发的一个在36000公里的轨道上50分米看地球,看一个渤海湾,再看一个琼海海湾。再看一个台风的过程,可以用5到20秒的时间分辨率获取50米空间分辨率的台风,把这个图像跟风云3号4号一起来做,研究灾害。

  这是我们中国的敏捷卫星,在一个轨道上可以对一个地区连续拍8张照片,这8张照片把它并起来,看看发现一架飞机,发现船,这个是境外的照片。

  视频卫星出来了,视频拿到天上去可以对资源做动态监测,可以对灾害全过程监测,可以反应社会经济参数,可以做军事行动连续坚持的保障。

  看看飞机场的飞机在起飞,那架飞机在降落。这样的卫星美国已经发射144个,我们国家还会继续发。

  再看下一张,刚才是光学,现在看看中国的雷达,中国高分三号的雷达是1米分辨率到500米分辨率,有12个模式,参照了雷达卫星设计,性能优好。这个分辨率是1米的,这是一个全计划的8米分辨率的,全天可以看到不同的变化,中间的叫做彩色雷达,这个雷达可以用来做洪水监测,可以用于地球表面所有的监测。高分10号是中国0.5米,是S波段的。我们的导师自己花钱做了自动角反射器,看看定位的结果,平面精度可以优于3米到5米,可以做一般的定位。

  左边是它的雷达图像,右边是它的波,这是天津的一个超市,在飞机上的。这个数据在河南登封做的,这个是数字表面模型,高分10号的精度就要高于,它是2米乘以3米,高分3号低一点,它的平均是4米,高度是8米到9米,可以很快地覆盖全天候全天时,这是获取的数据模型。

  这就是我们的数据这么大,光是天上的,还没讲视频,还没讲手机的大数据。

  再看看这个数据怎么用,我们做了一个遥感云,让它在云计算环境下帮助我们完成遥感任务,不要买数据,不要买软件,提出要求。我们下面看一个例子,我们如果发水了,了解发水到哪儿去了。你找数据,做各种处理,生成结果。这就是淹水的,可以把面积算掉,这就是一个云服务的例子。我们也好做位置服务,大家知道我们的北斗跟GPS一样,现在快速定位精度是10米左右,能不能够把它提高到优于1米,这叫位置云,要提供室内室外导航定位精度优于1米,在室外要靠GPS,在室内要靠传感器,要靠卫星信号。我们明天有一个专场专门介绍这个方法,怎么实现室内室外优于1米的导航定位精度。

  这就是室内定位的方案,从室外到室内可以通过这样一个方法,能够达到30、20、15厘米的导航精度。用高可用的无处不在、无时不有的全源覆盖的声光电场的体现,这个计划中国花的钱,科技部牵头的。

  假设这么多大数据,有没有问题呢?有问题,大家可以看到遥感、导航、通信分离,我们的海航执行任务,必须把照片上传卫星之后再下达任务,再处理两个小时,船都跑了。所以我们的服务不及时,我们不能做到联合起来,我们的系统是固定的,我们的信息是分离的,我们的服务是滞后的。我们在座的测绘地理信息人一样,我们要改变,怎么改变呢?人工智能与脑认知。如果我们把这个系统连通起来,我们做一星多用、多星组网、天地互联、多网融合。第二个,把统一基准、关联表征做好,数据挖掘好,知识发现好,就把时空融合。然后我们通过星地协同、云计算、智能处理、组网传输、按需服务,就可以把需要的数据送到需要的人手上,包括解放军,包括老百姓,这就是我们要想做的事,这也是未来我们武汉大学要给国家做的这件事情。这件事情是一个军民融合的事情,是一个大众应用的事情,是一个把国家扶持的航天测绘变成市场化、国际化、万亿产值的新阶段,需要我们的努力。

  第二部分,看看人工智能与脑认知科学的发展。人工智能、脑认知在全世界都认为是现在和未来十年最重要的科学研究内容,美国有脑计划、欧洲有脑计划、俄罗斯也有脑计划。我们看下一张,中国,这就是一个大脑的一个观测,戴上一个核磁共振的在头上,你在看书,你在上网,你的大脑在右边活动,这是两个人研究出来的一个大脑扫描的仪器,我们清华大学也做了一个活体的大脑显微观测的系统,这就是研究大脑过程的一些技术。

  再看看中国提出脑科学计划,加紧实行。我们中国的人工智能更是希望进入国际前沿,中国在2017年做了一个人工智能的规划,这个规划到2020年、2030年,我看到到2030年人工智能的应用领域技术与应用要总体达到世界的领先水平,这个规划中央习主席都看过了,所以发布了。我们不能停下来思考,这就是我们的思考,我们要把脑认知与空间认知关联起来。什么叫脑认知呢?一个脑认知,我看到你,我眼睛看你,认出来你是张三,是我的朋友,我就伸手跟你握手,这就是脑认知。就是说感知,认知行动,在数据驱动之下能够实现这个。我们对这个过程都可以做,我们数据遥感都可以做。

  我这儿写了三个脑,都可以把感知认知行动一体化。利用人这个有感官,有耳道,有大脑,有记忆,有存储,我们用这个模式来开发我们的系统。

  这就是我们提出,第一个是对地观测脑,我们在最近两年提出这个概念,就是把对地观测卫星发展成一个对地观测脑,让它像人脑一样有视觉有听觉,靠的是什么呢?靠的是遥感卫星、通信卫星、导航卫星和高性能计算。大家看到把导航遥感联网,加上一个高性能的计算单元,装上各种软件,软件系统是从地上通过天地云计算传上去的,这样就可以实现对地上的认知。涉及到什么问题呢?涉及到数据获取,涉及到在轨的影像处理,涉及到信息系统集成处理这样一些技术,才能把有用的信息和知识快速地智能化地自动化地获取。

  再看看下一张,这样的服务可以做到五个字,PNTRC,P就是定位,T是授权、遥感是P,通信是C,这就叫做快速的遥感,包括视频。再加上网络卫星,要解决哪些问题呢?要解决以下七个问题,第一个是解决在境外,在中国已经装了5000到1万个北斗,在海外做不了,有低轨的通信卫星增加高维的北斗。

  第二个是天地一体化网络通信技术,我请的清华大学的通信学的院士,他做了一个私人的通信小卫星,能够面对宽的实现视频通信。在轨的数据处理,在卫星上做数据处理,发现目标、检测目标、检测变化,我来牵头,我有一帮年轻人,他们都在做这个。智能化的终端服务,天基资源调度与网络安全,我们请中国飞机调度的张军院士,北航的党委书记,他也是我们课题组的,他来牵这个头。一体化的非线性地球参考框架,那个思路跟静止的不一样,请李建成院士牵头。把卫星做好,做成一个智能卫星,基于载荷的卫星平台设计与研制,请北航的一位正在申报院士的科学家,我们组成了2011协同创新中心,已经攻关三到四年。要解决这样一些问题,要解决影像在轨处理及信息提取、自动变化检测等等。

  这就是我们设想的天地任务驱动下的云计算,哪些在地上做,哪些在天上做,能够通过天地网把它解决。天地网的问题,国家立了一个700亿项目,正在作为“十三五”重大项目,正在开工。这样我们就在任务驱动之下,把遥感数据星地协同处理机制,我们研究这个机制。

  我们要做到数据的实时快速处理、几何定位、数据压缩、数据提取、信息传输,做了这些研究。这五个我们已经有成果,高质量实时成像、高精度实时定位、智能数据压缩,可以把七张的视频数据压缩在100K传下来。有场景的智能检测、变化检测,都有很多的研究,这个研究国家经信委立了一个项目,2个亿在支持我们。

  下一张是分布协同计算,这个不细说了。

  智慧处理刚才已经讲了,因为时间关系不展开了。

  下面看一个我们在2016年做成的系统,海洋目标的实时检测的一个系统。大家看下一张图,这张图有三颗卫星,是我们正在运行的卫星,我们让它能在运行上找目标找差距,误码率、漏检率一个不漏,误检率10%之内。我们实时了星前传输、目标实时识别与高精度定位等等,这个送到用户手上,在2016年。

  最近刚申请了一个项目1500万,东方红公司投1个亿,帮我们一起做一个卫星,0.5米的视频卫星,要把这个视频传到我们的手机上,这是我们正在开展的一个项目。

  我还做了一个项目,把一个视频的雷达,大家知道光学和视频的雷达,这个市面上光学很多,但是晚上看不见,有云看不见,做成一个雷达,就可以全天候地监测地表的目标,这个正在研究。我们的02号视频雷达、03号视频图像到手机,这个是研究目标。

  第二个脑,智慧城市运营脑。智慧城市大家都知道通过传感器网连到云计算来管城市,把城市中间人、车、物智能化管理起来,实行城市的智能化,是一个感知、认知、决策、反馈的过程,得满足大脑的基本要求,这就是我们要做的。这个人脑有四个层,管下面的这些服务。

  这个城市的云脑要把整个城市的设计、目标、框架、任务、发挥标准、资源整合、城市的集中监控、多部门协同指挥做起来,这是它的体系结构,从顶层到底层。再看下面就可以做各种各样的城市治理,我们看到一个核心的是云平台,把云平台上面管集成中心,上面管各种应用。就可以把城市中间形成一个智慧城市中的大数据生态,就可以完成各种应用。

  下面看一看武汉的一个例子,武汉有很多执行部门,汽车流、人流,城市的职能部门,水务、公安、交通、环保,所有的政府职能部门都在这个机构之下来协同调度。比如说火灾,收到这个信号,人脸识别就知道来了几个人,如果这个人有问题马上通知公安系统。有的是水务局的水务局处理,有的是城管局的城管局处理,这个系统就是一个管控城市运行的大脑,因为它在感知认知。

  它的内核是这样一个GIS,就是今天得了特等奖的一个实时GIS平台,它不是静态的,它不是多时态的,是一个动态的,数据进来实时分析,动态管理,动态信息的服务,提供决策支持,通知有关部门,就像大脑一样。有感知,有分析,有地理定位的能力,能调度城市的各个部门,积极地把城市管理好。他们现在正在做嘉兴的,做很多城市的,可能明年就会有一个嘉兴市开展,它能保证城市运营的合理化。

  第三个脑是智能手机脑,手机不光是打电话,有各种各样的功能。手机的感知,数据通过挖掘收集,可以分析人的行为,那个人是一个宅男,那个人是不坐汽车,他坐公共汽车,人的行为学通过手机记录。一个老人倒在地上,这个地是一个公园,公园通过气象分析学是在下雪,打个电话给110,打个电话给他的家人,这就是手机可以帮助你做这样的事情。陈教授就在做这样的事情,可以帮助老人生活,可以促进市场对购物人的行为学分析,可以通过天上的卫星和我们的手机充分融合,来解决城市交通智能化。

  这是我讲的三个脑,大家可以看看,有需求,有难度,能不能做呢?我们的老师60年代带我们做,把全国的资源三号的数据放在一起做,不要人,全是计算机自动化做,做完以后生成两个模型,生成“一带一路”全球的数据。这个计划是习主席批准的,由国家科技部牵头,要求全球不要一个控制点的,精度可以达到3米到4米。

  第二个,比如说有无人机来建模,看看这个模型的建设,这就是武汉大学的行政楼精细模型,全自动,全自动才能实现自动感知。这是室内的三维系统建模,这个仪器上面有激光雷达,有照相机,有视频,可以自动生成房间里的三维。

  第三个技术,影像自动搜索,从影像数据中找目标。有云计算,深入学习、语音理解、图像识别,可以进行300万个深度学习以后能够找到五六十种目标。北京的飞机,通过云计算1秒钟可以找到。再找一个武汉的码头,因为武汉的码头多了,根据人工去找目标,这是我们的技术,没有这个技术不可能实现自动化。

  再下一个,变化检测,当无人机上天以后,找到那个地区的星图片,把灾害以前的图片放在大脑里面作为参考基准,新发生灾害无人机飞下来自动匹配,1秒钟自动配景,15秒钟自动上传,这样20秒就可以标识好。

  看下面的几个主要的例子,人脸超分辨率的提高,人脸模糊的要把它搞清楚。可以把低分辨率的人脸通过这个软件技术变成一个高分辨率的人脸。我们的手机拍照片不清楚,传到网上云计算一处理就有好的图像。

  这是行人重识别,我们用了一个方法,是不是一个人,要把它解决。我们有一个方法,就是把它投影到特征空间去来找他,把他找出来,这个方法也给公安部门自动检测目标。

  用于视频侦查解决从大量的人群中找到怀疑的人选,把不同时间的数据进行分析,就可以把一个信息场所,所有活动的人全部盯住分析,究竟是好还是不好。正常人的活动把它筛掉,可疑人的活动留下来进行分析。

  这是一个编码,一个卫星视频很大,传下来要7兆才能得到42个低频分辨率的,用100K也可以。因为大量的目标是图片的,只有少量的动态的在变,压缩照片可以压缩到500左右。现在卫星是不少于150颗高中低轨卫星组网通信与计算,遥感信息智能服务指标,光学和雷达视频卫星,120+30颗的。

  放到军民融合领导小组之下,给我们一个任务,我们正在争取这个任务,我们申请了80个亿来做这个工作。

  我的结论是什么呢?我们一辈子干测绘的人,现在到了一个新的转折点,要把大数据与人工智能结合起来去想,我们面对的问题是数据海量、信息缺失、知识难觅。需要抓紧开展人工智能、脑认知和空间认知的研究。

  对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑是人工智能、脑认知和对地观测技术在大数据时代集成与融合的必然发展,将推动地理空间信息的智能化发展和应用。

  我想我今天就做这样一个报告,谢谢!

[责任编辑:李盈]
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