刘先林院士:2个万亿产值的地理信息在等着GIS产业 2017-03-02 09:07:32 来源:地理国情监测云平台 评论:0 点击:
摘要:摘要: 互联网+时代下的GIS产业未来的路在哪里?也许你可以从这里找到。
   “两个万亿产值的地理信息在等着我们。一个是万亿产值的智慧城市中的地理信息,另一个是万亿产值的虚拟现实技术中的地理信息。” 刘先林院士在接受《测绘科学》专访时表达了这样一番观点。

以围绕着“互联网+测绘地理信息”的主题,刘先林院士就“互联网+”时代下GIS在作业范围、重复采集频率、分辨率与精度、后处理智能化特点、GIS与大数据的融合、增强型GIS对3D GIS提出更高要求等特征以及3个创新要求进行了阐述,并提出更深层次的专业应用——公路BIM,认为将来会出现网络空间与GIS实体空间相互融合、IP地址空间化与电子标签网等新趋势。访谈实录如下:

记者:我们为何要发展“互联网+”时代的GIS?

刘先林:在“互联网+”时代以前,测绘地理信息行业可以说是利用各种先进技术进行转型升级的典范,曾受到科技部长甚至总理的表扬。

但是在“互联网+”时代到来之后,由于网商、电商、通讯运行商、上市公司、O2O小企业等,甚至像华为这样的创新型典范企业都介入了位置服务,使得测绘地理信息行业既充满挑战又面临危机,因此必须加强创新,提升自己,用增强型GIS(GIS+)来迎接挑战。随着智慧城市建设的不断升级以及大数据等概念的深入人心,社会和用户对“互联网+”时代下GIS的要求越来越高,有许多问题值得深入研究。

“互联网+”时代GIS的特征

记者:“互联网+”时代的GIS主要有哪些特征?

刘先林:

1)作业范围更广泛。作业范围从地表到地下、从地下到水上、从水上再到水下等等。比如,可以利用点云数据对地铁、水岸等进行建模,满足用户的各种特殊需求。

2)重复采集频率更高。众多手机APP对空间数据的采集精度很低(10 m甚至更低),但是时间频率非常高(秒级甚至更高)。

测绘地理信息行业采集的数据空间精度很高,但是时间频率很低,过去是11次,发展到现在很多城市是3个月1次,今后时间频率还会进一步提高,也就是从地理空间信息发展为地理时空信息,但这种数据怎样融入所谓的大数据技术还有许多工作要做。

3)粒度更小,分辨率更高。例如,各种井盖信息的采集;夜间车速40 km/h,覆盖3车道,采到的路面高清影像;当前人工提取权属单位,未来将会自动提取;室内建模点云间隔,可以达到毫米级。

4)精度更高。比如,我们统计了银川的路面高程精度、邯郸冶陶镇的高台转扫精度,它们的精度都在厘米级。在软土地带,地铁管道收敛误差变形快速普查精度也可以达到厘米级。

5)后处理更智能化。“后处理”大体经历了从人工处理到工厂化生产无结构数据,再到智能化生产有结构数据+人工编辑(特别是人文)的发展历程。智能化后处理的核心是自动提取和用智能化交互取代笨交互,已经实现红绿灯、路边箱体、垃圾桶、植物、大小交通标志、下水篦子、转弯标志等要素的提取,可以进行过街天桥建模、建筑物框架模型、墙角点叠加在俯视点云等后处理。

6)与大数据相融合。先说一下大数据与大数据量的区别,大数据量不一定意味着大数据。刚刚兴起的大数据的特点是:无订单、不招标、无预算、无合同、不保密、无目的,全部是实时的网上进行,其空间分辨率很低,但是时间分辨率非常高,与我们的测绘大数据有很大的区别。再谈大数据与地理信息大数据的相互融合。

两种大数据的相互融合,会大大提高数据的价值,这就要依靠虚实空间融合、线上线下的融合,把不保密的大数据,加入至保密的测绘大数据,进行增值服务。如何将保密数据提供大数据平台使用,学者们正在努力之中。

7)增强型GIS对3D GIS提出了更高的要求。

增强型GIS可接受多源数据,比如3D矢量、二维地图、立面矢量、正射、点云等多种数据格式,还可以实现各种丰富订制的漫游观察;这些观察可以进行多源数据叠加显示、丰富的漫游路线、自定义的函数渲染等,还可以管理到对象及其属性,可以完成订制的统计分析输出,实现知识、决策产出和溯源功能(允许用户看到对象的原始照片和点云等)。

当然,还可以利用模型产出各种测绘成果,如矢量地图、立面矢量、正射、立面正射等等,实现一测多用。在智慧测绘中,想要生产知识(决策),就要生产并处理结构化数据,这些知识可以分为:①“一张皮”的三维,只能观看并获得感性认识;②有分层的三维数据,可以产生统计分析结构,只能输出饼状图、柱状图;③有矢量的对象化数据,可以输出各类统计结果的空间分布专题图;④每个对象挂接一个完备的属性表,配合决策模型就可以产出知识、决策。

具体来说,就是读取对象中的属性项,对对象的属性项进行函数检索,配合分析模型,得到知识、决策,并以订制专题图的形式呈现。那么,这些对象的属性项从何而来?自动分类提取时将与几何有关的位置、形状、尺寸、绝对位置、相对位置等属性自动填入,并在对对象进行编辑时,也要关联到属性项;从各专业部门共享来的专业数据,有大量的属性内容;从大数据公司购买大数据,将其中与属性项有关的内容填入。

由于大数据是动态的,因此属性项的内容应该带有时间维,形成所谓的动态属性概念。例如,我们进行了树径的采集实验,分别进行了试验区域高于地面1.3、1.0和0.3 m处的树干胸径、米径与地径统计。

“互联网+”时代GIS的技术创新

记者:“互联网+”时代用户对GIS有哪些要求?

刘先林:社会和用户对GIS行业提出了更高的要求,主要是:更逼真(全要素、三维)、更精细、更精确、更广泛(室内、地下、水下)、更快速、更实时(四维采集才能实现监测)和更便于进行统计分析(要结构化的数据)。

记者:“互联网+”时代GIS的技术创新要求是什么?数据特点是什么?

刘先林:互联网时代的采集装备非常昂贵,正如柔性加工一样,应该具备柔性使用的功能,根据需要进行适当、及时的变化。“互联网+”时代GIS的技术创新要求提升采集装备的性能、一机多用,要关注室内建模技术。

1)采集装备的性能应该提升。移动传感器从单一传感器变为集成传感器;传感网的感知方式由移动感知变为固定感知;可见光的数据源从有限的几种数据源变为多源的数据源,例如多光谱、激光、SAR等。感知的参数,也从单纯的几何参数变为包含感知温度、湿度、PM2.5等物理参数。从温度上说,从二维被动感知演变为三维激光、三维SAR等三维主动感知。最近,出现了多视点、多视角的照片建模技术,也呈现出从“移动感知”到从视频、卫星影像感知移动物体等的“感知移动”的趋势。

2)“互联网+”时代的GIS采集装备应该是一机多用。“互联网+”时代的卫星应该是一星多用,可以节省大量经费。集成化的移动测量机头,可以方便地放在10多种载体上进行数据采集(例如SSW车载激光建模测量系统)。昂贵的航空照相机应该既可以拍斜片,也可以只拍大幅下视片;既可以拍大比例尺,也可以拍小比例尺。四维远见的SWDC已经实现了这些技术要求。

3)关注正在快速兴起的室内建模技术。在室内定位问题解决之后,可以直接采用室外的移动测量建模技术、同步定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)技术、基于单站激光生产的彩色点云建模、基于多视点多方向大重叠照片像元级匹配生产的点云建模等,这些技术都要求高分辨率、高精度,并且按未来室内建模分类标准自动提取。数据传输的方式也会由回收方式提升为实时传输。未来数据的传输方式应该是使用飞机、卫星、地面站(所谓机、星、地方式)和专线的综合利用,实现实时传输。

互联网+时代采集的数据应该是多源的、三高的。数据多源,是指包括可见光、微波、红外、无线电波(毫米波)、多光谱、激光、等波段或技术。所谓三高,是指高空间分辨率、高时间分辨率、高谱段分辨率。数据采集还要求尽快补充从互联网上采集数据的技术,在互联网上用搜索方式采集数据。

现在智能手机的应用已经非常广泛,人手一台的智能手机,不仅有极大的存储空间,高速的通讯功能和丰富的应用软件(APP),还有定位、照相、定姿,甚至扫描激光等功能。这是一机多用的典型,不仅可用于志愿者的泛在测绘,专业测绘队伍也将会使用,这就为实现从众投到众创、从众创到众测的理念提供了契机。

同时,正在兴起的室内定位技术也对互联网+时代的数据采集提出了新的要求。普通GNSS接收机+伪卫星+组合导航是一种采集方式,基于三大电信运营商的基站定位(基站天线坐标,时间,电文)技术也可以为GIS采集数据。室内协同导航(光、电、影、地磁等)要求:解决方案既能用于室内建模,又能用于移动终端(手机、汽车)进入室内的定位;最有希望的可能还是手机基站定位。

“互联网+”时代GIS的应用空间广泛

记者:“互联网+”时代GIS的应用空间有多广泛?

刘先林:不仅是非常广泛,还可以说蕴含着丰富的宝藏。换句话说,就是有两个万亿产值的地理信息在等着我们。一个是万亿产值的智慧城市中的地理信息,另一个是万亿产值的虚拟现实技术中的地理信息。

记者:请解释一下智慧城市的含义?

刘先林:智慧城市定义在不断地更新。起初认为智慧城市=数字城市,6年前有了“+物联网”的概念,4年前出现了“+大数据”,2年前出现了“+移动互联”,2年后可能会出现“+无人化、智能化”,再以后还会出现更新的概念。实际上,智慧城市的本质应该是智慧二字。还可以用建设目标来定义智慧城市;用真实数据和科学的决策,使城市的发展更节能、更绿色、更环保、更可持续发展、更具生物多样性、更幸福等等。

记者:万亿产值的智慧城市中的地理信息,主要包括哪些方面?

刘先林:

1)智慧停车。空间基础数据不仅采集车位信息,还要采集标号的信息;车位要安装传感器,感知是否有车停;所有数据上传至云端;指挥有地下室内定位的车停到相应车位。下面列车一个数据结构化以及虚实空间融合的例子:仅有车位线图形→每个车位赋予唯一的辨认码→该辨认码与实地的车位号相对应→线下实体空间安置是否有车的传感器→线上云空间智慧停车分析→线下有室内定位功能的汽车按指挥停入车位→收费。

2)智慧交通。城市道路上的路边线、标线、红绿灯、探头、电杆、树、路灯、电线等地物将会是构建智慧交通分析模型所需的基础数据。例如,我们在北京金融大街上进行过数据采集实验。

3)智慧公安。在智慧公安方面的应用,主要有对象化的窗户矢量可以使户籍资料空间化、交通标志被树叶遮挡、交通灯与探头的对象化管理等。

4)智慧物流。人类社会将会走向无人机物流时代,这时就需要地理信息行业提供城市三维模型作为无人机飞行三维管道导航的数据基础。

5)智慧公车出租。城市自助公车(例如自行车、超市购物车等)安装可上网的位置传感器,对这些自助车进行无线管理,包括防盗、限制应用范围、收取租金、便利停车及智能调度等,这种功能需要在城市GIS基础数据的支持下运转。用这种方式增强地铁在缓解城市交通中的作用。

6)给城市“看病”。城市病害侦调查,比如井盖下沉调查、地面破损分析。自动监测地面破损,结果发现最大高差达25 cm。再比如违建调查,通过对比两次扫描的点云,进行两次扫描的一级模型叠加显示,一级模型相减即为违建部分。

7)测量并确定城市美丽指数。用移动扫描车测量并确定城市美丽指数。栅栏破损,各种隔离带、挡车柱、挡光板、拐弯标志破损不美观,立不正、线不直,电子交标破损、路面标线老旧、树叶枯黄等问题,均可在用移动扫描车建立的全息三维的基础上自动侦查出并计算美丽指数。比如,我们得出了上海浦东新区的美丽指数、北京立水桥地区的美丽指数。还可以进行地理市情普查与监测,统计分析项目有井盖、道路、路面、植物、栅栏,隔离带,挡音墙、路边附属实体统计、城市流水及淹没分析。

8)计算城市的各类综合指数。用城市的全息三维作为基础数据计算城市的各类综合指数,例如城市交通拥堵指数分布,城市热效应指数分布,城市通风效应指数,阳光指数,4G/5G信号强度指数,无线电信号传播指数,城市用水、用热、用电指数等。

记者:增强现实使用的数据有哪些特点?

刘先林:增强现实(augmented reality,AR)就是把计算机中的场景三维数据与实地观察到的景观数据(未必是三维)融合(套合)在一个屏幕上,来实现各种各样的应用。因此增强现实所用到的地理信息基础数据一定是三维的。所以当增强现实普及时,对三维的地理信息将会有更大的需求。可能会出现增强现实与地理信息相融合的应用,比如基于AR的自动驾驶、基于AR的智慧旅游、基于AR的野外数据补测(有针对性)、泛在测绘、视频数据与实地模型的叠加分析。

记者:虚拟空间与现实空间有什么共同点?

刘先林:两个空间都是面向保存/记录/分配人类活动留下的痕迹,不面向微观空间(分子、原子、纳米、细菌等)。这两个空间暂时不面向宏观空间,例如太阳系、升空,既然是面向/管理相同的对象,所以有必要融合。如果虚拟空间(网络空间)不能映射到现实空间,基于虚拟空间的知识产出因为没有实际空间位置的支持,将会是不完整的。如果现实空间(GIS空间)的实体/对象/个体,不能映射到虚拟空间,也即没有这些实体的网络地址/IP地址,GIS就坐不上“互联网+”时代的快车。

记者:虚拟空间与现实空间的差别是什么?

刘先林:①网络空间对每一个节点(服务器、PC机、Wi-Fi、防火墙)都分配唯一的IP地址,GIS空间基本上只管理到图层,没有对图层下的实体进行唯一的编码;②网络空间对于移动实体(持有手机的人等)进行了管理,GIS空间只对固定对象进行测量与管理;③网络空间利用物联网大数据技术实时输出动态的分析结果,GIS空间只是利用空间,只输出各种静态的空间分析成果。

记者:虚拟现实技术有哪些更深层次的专业应用?

刘先林:例如,公路建筑信息模型(building information modeling,BIM),也就是所谓的公路BIM。我们进行了深圳立交桥数据漫游和高精度导航数据漫游实验。公路BIM建立之后可以解决公路上的一切问题,包括绿化调查、路灯调查、路面状况调查、井盖缺损调查、自动导航数据生产、自动驾驶汽车的三维数据支持、公路竣工验收、公路改扩建设计等。

“互联网+”时代GIS的新趋势

记者:“互联网+”时代的GIS有哪些新趋势?

刘先林:至少有3个新趋势:虚实融合、IP地址空间化与电子标签。

虚实融合就是网络空间与GIS实体空间相互融合。IP地址空间化,就是通过纳秒级的时间度量,来实现网上节点(IP地址)的空间化。电子标签实现几何实体映射到网络空间,具有定位功能、通讯功能、有唯一网址的电子标签植入GIS空间每个实体的技术(带手机的人)。传感网的下一个阶段,电子标签网可能会对地理信息产业产生重大影响。测绘标志经历了可见光标志、激光标志、微波角反射器等,现在迎来了更重要的一个阶段,即电子标签(RFID),等到GIS空间的实体都布设了廉价、防盗、有源/无源的电子标签,并且能够映射到网上的实体空间时,测绘行业又将迎来一次重大变革。

记者:“互联网+”时代的GIS装备应该由谁来主导?

刘先林:“互联网+”时代的GIS及其装备将是国产主导的。

“互联网+”时代科技发展速度大大加快,再加上国家出于安全考虑,以及反腐的开展,人们开始把眼光转向国产装备,例如:北斗系统是最大的国产装备;正在推行的大计划:千千万万无人机联网飞行数据统筹只会是国产的;移动测量车基本是国产品牌在竞争;最近盛行的重视国产装备的千寻网,挑战传统的CORS网;快速兴起的室内协同定位,目前国产技术领先的单位有同济大学、北京邮电大学、武汉大学等。

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