名家观点 | 李德仁院士: 论时空大数据的智能处理与服务

全国地研联 2021-09-19

The following article is from 中国地理资源期刊网 Author 李德仁院士

李德仁院士在资源与环境信息系统国家重点实验室“石坚论坛“第54讲作了题为“论时空大数据的智能处理与服务”的报告。李院士在报告中介绍了时空大数据的背景意义、智能化处理与社会化应用，并创新性提出通信、导航、遥感一体化的空天信息实时智能服务系统。李院士指出，时空大数据智能处理与服务是以测绘、遥感和地理信息技术为中心地球空间信息学的重要应用途径和发展契机，其创新发展道路必将十分宽广。经李院士本人同意，本次报告内容由中国科学院地理科学与资源研究所肖寒博士整理，在《地球信息科学学报》2019年12期发表，以飨读者。

《地球信息科学学报》

时空大数据背景与发展

时空数据是同时具有时间和空间信息的数据，是最重要的大数据之一，其智能处理与服务是以测绘、遥感和地理信息技术为中心的地球空间信息学的重要应用途径和发展契机。时空大数据具有时空性、海量性、复杂性和多维性等特点，其云计算方法和挖掘技术是目前国际遥感科学技术的前沿领域之一。时空大数据的表达与组织是数据内容准确度量和价值提炼的基础。

1993 年 9 月

美国制定了“信息高速公路”计划，并于次年开始建设国家空间数据基础设施（NSDI)，引发了席卷全球的信息化革命。

1995 年

中国启动了推动全国信息化的“八金”工程，标志着我国信息化建设开始起步。

1999 年

美国副总统戈尔提出了“数字地球”的概念，该理念推进世界步入数字地球和数字城市建设新阶段。目前，我国已构筑完成数字中国基础框架，包括600多个城市在内的数字城市基本框架亦初步建成。

2009年

世界各国正式提出建设智慧地球和智慧城市，其推进和发展可为人类生存繁衍、经济发展、社会交往和文化共享等诸多方面提供多元化智能化服务，实现低碳、绿色、可持续发展。

2012年3月

美国奥巴马政府正式发布了“大数据研究和发展倡议”。

从信息高速公路到网络空间，到数字地球、智慧地球的提出，都代表着时空大数据时代已经到来。

我们所处的环境中有无所不在的亿万个各类传感器，到 2020 年将会达到 10 万亿个。这些传感器必将产生越来越多的数据，数据的量级将从现在的GB、TB级逐步增长到PB、EB和ZB级。这些都是之前不常见的时空数据，现在随着技术的进步，逐渐进入到分析和决策中。

时空大数据的智能处理

在时空大数据空前爆炸的背景下，有效利用时空大数据为其智能处理提出了新的机遇与挑战。根据国家战略需求和人民生产生活的实际需要，李院士团队针对时空大数据的智能处理做出以下研究和探索：

No.1

无控制全球制图

针对全球测图的需要，我们利用资源三号卫星的全国数据进行了整体无控制区域网平差计算（集成数据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300万个连接点，使遥感影像自主定位精度从15m提高到5m，满足了全球测图的要求，实现了全国 DOM/DSM 的自动化生产。由国家发改委支持的一项全球测图计划，正在为“一带一路”和中国走向全球提供及时服务，每年可完成3000万平方公里、1:50 000测图任务。

No.2

自动匹配与三维建模

利用双相机摇摆倾斜摄影系统（双鱼系统）对建筑物进行三维建模，实现了建筑物的高精度立体化重建；利用业余相机的照片对建筑物、文物等进行三维建模，实现了对象的高精度重建，为文物保护工作提供了新思路；利用室内工程机采集的室内实景进行三维自动建模(SLAM)，实现室内场景下的高精度定位。

No.3

影像目标搜索

基于深度学习的方法，建立自动影像搜索引擎，实现了遥感影像目标的自动检索。在1000万瓦片影像数据库中，自动搜索人工目标的速度优于1s。

No.4

室内导航定位与位置服务

重点突破基于声、光、电、场的高精度室内定位技术，以分米级的高精度定位技术为控制，以无时不在的手机内置传感器和无处不有的磁场为纽带，创建高精基准控制，紧耦多源融合的手机多源融合室内定位技术路线。

No.5

智能测量机器人

采用多传感器集成、深度学习和3D-SLAM等技术，打造出会识路、认路、记路的智能机器人，能够在陌生的环境下快速绘制出二维/三维高精度地图，实现自主导航定位、路径规划、智能避障、自动转向及楼梯爬坡等强大功能，能够根据路设置好的路径规划和作业要求，协助或代替人类完成巡检、巡逻、安防等工作，主要应用有变电站智能巡检机器人、智慧园区安保巡逻机器人、智能物流机器人、新零售导购机器人等，为智慧城市建设提供智能化、安全化、低成本的优质AI服务。

No.6

大数据智能决策

面向国家重要基础设施健康安全的实时、精准地理信息获取与分析的需要，我们通过开展技术攻关，获得系列研发和应用成果，包括数据模型设计、关键技术突破、软件系统研发、整体解决方案设计、重大工程应用的实施与验证，获得了良好的社会和经济效益。研发了一系列实现实时数据接入、动态数据管理、实时数据分析和推理、动态信息服务的自主知识产权实时GIS软件平台，并转化为商业产品支撑重大工程应用。

No.7

视频数据智能处理与挖掘

面向海量视频数据难以进行有效利用的现状，发明了基于刑侦特征的人脸智能处理等技术。针对视频影像，重点突破白天重建质量尚可，夜间质量极差的难题；针对人脸识别，重点突破从低质量图像中重构出高质量图像的超分辨率识别技术；针对目标姿态识别，重点突破自然姿态识别率低的难题；针对刑侦视频检索，发明了特征空间投影法，通过字典学习实现360°空间增强表达，将不同摄像机下行人特征投影到近邻空间进行精确比对。针对人体行为识别，建立识别聚集、跑动、翻墙、徘徊等特定行为的模型，并进行多摄像头行为分析。以上技术实现了从传统监控到智能监控的视频数据智能化处理与挖掘。

时空大数据的社会化应用

时空大数据的智能处理的根本目的是使时空大数据真正进入到生产生活的决策中去，即时空大数据的社会化应用。地理学的本质是研究人地关系，来自大众的时空大数据也必将应用于大众，因此在大数据时代，地理信息服务应从“遥感对地观测”升级为“对人（社会）观测”。

No.1

夜间活力监测

通过对2018年6月14日的“珞珈一号”夜光遥感影像分析，可以发现武汉市夜间最亮12个点中有10个在主城区，2个在远城区（黄陂区）。12个点可以分为4类：工业企业2个（武汉钢铁公司、阳逻开发区内的企业）；交通枢纽2个（武汉天河机场、汉口火车站）；高校1个（武汉体育学院）；商业区7个（楚河汉街、新长江CBD等）。说明了“珞珈一号”夜光遥感影像能够探测到夜间的商业活动、重要交通运输和工业生产等信息。

No.2

个体职住分析

基于个体职住数据进行通勤分析，对武汉市全市社会参保与事业单位人员信息进行空间化，核查居住地和就业地。经核查比对，建立个体职住数据库。通过网络路径分析，获取个体职住通勤距离和通勤流向。

No.3

交通应急指挥

基于多样的轨迹数据，依托全息感知、时空分析、数据挖掘技术打造道路交通智慧应急系统，即武汉交警数据大脑的智慧应急应用，交通拥堵延时指数降幅高达 30%，交通拥堵情况大幅缓解，从原先全国拥堵排名23位降到53位。

No.4

长江流域生态环境智能管理

2016年习近平总书记提出“要把修复长江生态环境摆在压倒性位置”。长江生态问题的关键在于，在保证长江生态环境安全的条件下，如何调和防洪、通航与发电的矛盾来管理调度好长江的水资源。面向长江流域水文、气象和航道实时动态服务的现实需求，通过空天地传感器全面实时掌握水雨情、航标、航道、泥沙、水位等信息，并进行每天每月的分段地面网络管理，形成空天地集成化的长江流域观测网，有效地保证了长江上游梯级水电站多发电、中下游抗洪抗旱和通航的能力。

地球空间信息学展望

在大数据和人工智能时代，抓好时空大数据的自动化、实时化、智能化、大众化和社会化，那么以测绘、遥感和地理信息技术为中心的地球空间信息学，其创新发展前景必将十分宽广，一片光明！从当前国家需求和国际高科技发展形势看，建设我国自主的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。鉴于西方国家尚未形成该类型实用服务系统，我国应该抓住机遇，群力攻关，做出原创性科技创新！

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作者信息

李德仁院士

武汉大学教授、博士生导师。中国科学院院士，中国工程院院士，国际欧亚科学院院士，国际宇航科学院院士。德国斯图加特大学博士，瑞士苏黎世联邦理工学院名誉博士。国际著名的摄影测量、遥感、地理信息学家和教育家，活跃在对地观测领域的战略科学家。现任武汉大学学术委员会主任，地球空间信息技术协同创新中心主任，武汉市科学技术协会主席。

《地球信息科学学报》由中国科学院地理科学与资源研究所和中国地理学会联合主办，月刊，是中国科学引文数据库(CSCD)核心期刊、中国科技核心期刊、全国中文核心期刊、北大《中文核心期刊要目总览》来源期刊。《2019年版中国科技期刊引证报告(核心版)》显示，《地球信息科学学报》影响因子位列测绘科学技术期刊第3名，综合评价总分位列第4名。欢迎国内外学者踊跃赐稿，欢迎国家重大科研项目、国内外学术会议组织专辑专栏。

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图文编辑：肖寒

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