院士論壇｜李建成：大數據時代的信息化測繪
《測繪學報》
構建與學術的橋樑 拉近與權威的距離
大數據時代的信息化測繪
李建成院士
本文根據會議錄音整理，並經中國工程院院士、武漢大學副校長李建成教授本人審閱。
測繪是觀測科學，基礎是觀測。在沒有空間技術，沒有機械化、自動化的時期，測繪主要由人力完成。有了空間技術以後，即1957年第一顆衛星上天以後，衛星大地測量正式誕生。隨著空間、互聯網、計算機等技術的發展，大地測量、航空測量的思維方式在改變，傳統測繪模式的生產效率得到極大提高，測繪成果實現了數字表達，但我國目前信息化測繪的水平和能力還需要進一步提高。新的技術發展時期，應該全面思考測繪技術以及管理和生產模式的轉變，推動轉型升級。
一、新技術革命
錢學森團隊總結了四次工業革命：第一次工業革命以蒸汽機的發明為標誌。在能量轉換之前，人類主要勞動力是人力。18世紀蒸汽機發明以後，熱能被轉換成了機械能。英國率先由農業國家過渡到工業國家，工業總產值位居世界第一，出現了日不落帝國。第二次工業革命發生在十九世紀初，主導技術是材料技術和機械製造技術。德國在這期間成為了一個機械大國、工業大國，第一、第二次世界大戰都是由德國挑起的，因為它有強大的科學技術和國力支撐。第三次工業革命發生在二十世紀，主導技術是電氣化。在這一時期，美國通用電器公司主導了美國電氣化的發展，美國成為了世界上最有代表性的先進國家。第四次工業革命發生在二戰以後，半導體和高集成電路等代替了傳統技術。當前面臨的第五次工業革命號稱以信息技術與現代工業技術相結合的智能製造業發展。為形成這一時期測繪地理信息的應對策略，首先需要了解其特徵及其對測繪地理信息的影響。
（一）信息技術的時代特徵
中國工程院曾經向國家提交了一份測繪類諮詢報告。報告分析了新技術革命的共性不僅僅是要提高信息技術物理層和傳輸層的功能，更應增強信息技術認知層和決策層的功能。對測繪來說，過去需要在地圖上標註已知要測的目標，所有測繪產品的終極表達方式就是一張地圖，測繪的主要任務是將室外的環境放在地圖上，人首先辨別地物屬性，再將其標註到地圖上，並不需要額外的識別；在現代航空攝影測量技術條件下，並不知道地物的實際屬性是什麼，而是利用大數據和人工智能實現地物自動分類。
如今，各行業、各部門都在推廣採用大數據的概念。大數據的確切內容、邊界和屬性難以確定，但可以通過分析這些數據挖掘出來相應的規律性信息。例如2009年美國爆發了H1N1禽流感，當時世界衛生組織、美國相關組織機構都無法判定其來源，而Google公司利用大數據分析出了搜索關鍵詞“禽流感”最集中的IP地址對應的地理位置，通過地理位置信息判斷出分佈情況。大數據應用的關鍵就是從大量的數據中，按照使用需求快速分析判斷。大數據應用的前提是，必須有通過用戶不斷訪問而形成的數據群。例如交通方面，北京擁堵特別嚴重，越擁堵大家越通過高德地圖、百度地圖訪問路況信息，因此訪問的越多、位置越集中，表明越擁堵。此外，大數據應用中還涉及信息安全的問題，十八屆五中全會已經將信息安全列入國家安全戰略。
分析國內外技術發展，未來相當長時間將處於以先進信息技術為驅動的信息時代。其主要特徵是：第一，學科之間、技術之間的界限模糊，交叉融合成為顯著趨勢。從測繪來說， “工、航、大、制”的學科邊界已經不明顯，過去大地測量利用GPS技術，有IMU之後航空攝影測量也在運用GPS技術和慣性導航系統，地圖製圖也從過去單純的人工製作發展到現在用衛星進行繪圖。第二，以傳感器技術、物聯網、大數據技術、移動技術、雲計算、知識工程技術為代表的新一代信息技術快速發展。第三，將掀起一場全新的智能化科技革命，傳統技術與信息技術深度融合、高度分化後再發展。第四，信息技術革命的演化過程是隨著技術革新、產業變遷、融合應用和制度變遷逐步發展起來的,信息技術快速擴散，打破原有的經濟模式，通過與經濟和社會生活的重新組合，將發展成為一種新的經濟形態。
（二）走進大數據時代
目前，國內外對大數據的研究、應用的期望都空前高漲。大數據普遍被認為是一種新的基礎資源、新的思維方式、新的技術、新的產業、新的職業、行業發展的新契機。
信息技術的發展使人們不僅可以通過互聯網收取信息、獲取信息，而且可以傳遞信息、發佈信息。大家知道互聯網最早可以搜索，而現在通過博客、微信可以實現信息多向交互。所以，新一代技術革命主要表現為傳統技術和信息技術高度融合、高度再發展，這是信息化的核心。
技術革命演化的過程是顛覆性的，首先是技術革新，然後是產業變遷，再就是制度轉變。測繪的地位為什麼不斷地提高？是因為測繪的工作性質發生了轉變。如果還停留在勞動力密集的生產狀況，只是為高科技服務，發展步伐肯定很慢。隨著信息技術的發展變化，測繪需要在技術、產業和制度上全面轉型升級。
科技更新週期在18世紀需要100年，19世紀需要50年，20世紀需要5到10年，21世紀更快。舉幾個例子：第一，在2005年前的膠捲時代，柯達約有70%的市場佔有量，世界上第一臺數碼相機也是柯達發明的，可以說在膠捲時代到數字時代之前，柯達是影像之父。但為保持傳統的高額利潤，柯達沒有推廣數碼技術，而是將成像的電子器件賣給像松下、索尼、尼康、佳能等公司，使日本的數碼相機產業如雨後春筍般發展起來，柯達自身卻因為沒有及時推廣和使用先進技術面臨倒閉。第二，微信在短短5年時間發展成為擁有7-8億海量用戶的社交軟件。微信與短信的區別是微信不通過蜂窩網收發信息，而且不收費。中國是一個禮儀之邦、人情社會，到了春節要發短信，按1億人發短信計算，每人發200條短信，一條短信0.1元，一晚上電信移動聯通就賺將近20億元，而微信不僅不收費還給大家發8個億的紅包，這在某種程度促進微信迅速普及。第三，新技術也改變了銀行業，現在年輕人幾乎都用支付寶或者微信支付，不需要銀行結算。這些新的支付方式正在利用現代技術掌握著大量資本。
移動互聯網商業模式有六種：一是商對客（B2C），企業直接對客戶，現在很多年輕人都在網絡上購物；二是企業對企業（B2B），例如阿里巴巴；三是消費者對消費者（C2C），即消費者之間直接對接的商業模式，例如淘寶網；四是商品和顧客（P2C），即提供個人對企業金融服務的商業模式，例如微信、餘額寶等；五是互聯網金融點對點借貸平臺（P2P），例如人人貸，提供個人對個人金融服務的商業模式；六是線上對線下整合（O2O），例如團購網。正因為擁有互聯網技術的思維，馬雲除了創造了很多財富，也創造了很多概念，甚至創造了一個新節日——雙十一節。2014年雙十一購物節的前38分鐘交易額突破100億，全天銷售額達571億；2015年達912億。此外，O2O發展前景巨大，萬達欲聯合騰訊、百度投200億在3年之內建成全球最大O2O系統。
大數據使人類逐步從信息技術時代（IT）發展到數字化技術時代（DT）。20世紀90年代，數據倉庫之父Bill Inmon就經常提及Big Data。2011年5月，在“雲計算相遇大數據”為主題的EMC World 2011會議中，易安信公司（EMC）拋出了Big Data概念。對於大數據，維基百科的定義是“無法在一定時間內用常規軟件工具對其內容進行抓取、管理和處理的大量而複雜的數據集合”；美國國家標準與技術研究院（NIST）的定義是“數量大、獲取速度快或形態多樣的數據，難以用傳統關係型數據分析方法進行有效分析，或者需要大規模的水平擴展才能高效處理”；高德納公司（Gartner）的定義是“體量大、快速和多樣化的信息資產，需用高效率和創新型的信息技術加以處理，以提高發現洞察、做出決策和優化流程的能力”。
已故的圖靈獎得主吉姆·格雷在2007年他的最後一次演講中提出了“第四範式”的發展願景。他指出，科學技術的發展大致可以歸為四個階段，第一個階段是歷經幾千年的科學實驗階段；第二個階段，數據的發展允許人們通過數據公式模型來分析一些問題，但利用模型歸納和數據公式演繹出的結果沒有那麼精確；於是進入了計算機仿真模擬的第三階段；一直到今天進入數據密集型的大數據時代。大數據時代有四大特徵：一是大量化，包括存儲量、增量；二是多樣化，來源多格式多；三是快速化；四是價值密度低。科研第四範式是以大數據為基礎的數據密集型科研，包括如何從大數據中分析發現內在科學規律及如何發揮內在規律的價值。實際中往往是先採用第四範式，等領域知識逐步豐富了再過渡到第三範式。
大數據是一個新生事物，是一種新的基礎資源、新的思維方式、新的技術，也是一種新的產業、新的職業和行業發展的新契機。大數據時代是信息化測繪發展的一個新機遇，地理空間大數據既是資源、又是技術和方法，將促使信息化測繪體系發生進一步變革。要重視留意周邊發生的變化，才能體會大數據時代的發展。
從地理空間信息角度看待大數據，可以從兩方面分析，一是符合大量、多樣、高速、價值等4V特徵的空間大數據，主要是在地理空間大數據中通過數據挖掘發現知識和規律，這是信息化測繪技術和應用的拓展；另一方面，信息化測繪中的大數據，多要素、多源異構、多維、多尺度、多時相數據構成了一個海量的、複雜的數據體，過去主要用來解決特定尺度下、特定地物的精確描述問題，數據體的價值遠沒有發揮，例如時變信息、多要素相關性信息、變化規律信息等，儘管這個數據體主要是結構化和半結構化數據，但大數據理論和技術對於提升信息化測繪水平和能力仍具有重要價值。
二、科技影響測繪地理信息技術
（一）技術革命對大地測量與衛星導航的推動
測繪技術依賴於相關科學技術的發展。測繪技術剛開始是靠光學，之後發展到光電結合，到光電機技術，到現在衛星遙感技術。測繪技術越來越成熟，過去做一個基準網要花幾十年、幾十萬人力去做，現在只要一天就可以完成。而且做完這些網沒有用處。過去座標都是從基準點上取得的，而且現在測一個點所花的時間比找這個點的時間還要少，還有誰會去找點？這就是GPS佈網帶來的顛覆性革命。基準的建立與維持方式也發生了變革，過去測高程採用的是傳統測繪方法，測繪地理信息部門與水利部、總參測繪局等共4個部門測了20多年才完成。現在高程測量已經完全由計算機模型完成。隨著測繪技術的發展，大地測量任務經過革命性顛覆之後產生了新的發展思路，全球氣候變化、地下水、地表水等都可用衛星實行監測。還可以與氣象學結合測降水量，與地震學結合利用GNSS來觀測地殼的活動狀況。
（二）技術革命對攝影測量與遙感的推動
技術革命對攝影測量與遙感也有推動作用。過去需要人力完成，現在GPS加IMU的使用，減少了野外工作的作業量，使野外作業變得簡單（如圖1所示）。另外航測技術發展迅速，回顧一下從航天飛機雷達地形測繪任務（SRTM）到全球數字高程模型（WorldDEM）的發展，過去做SRTM的時間、週期、勞動成本都非常大，而現在WorldDEM的空間分辨率可以達到12m，相對精度達到2m，絕對精度達到4m。從這些數據可以看出，從SRTM到WorldDEM是一個量級的變化過程。此外，從1960到2014的統計數據可以看出，衛星遙感影像分辨率不斷提高。
圖1技術革命對攝影測量與遙感的推動
（三）技術革命對製圖的影響
技術革命對地圖製圖具有重要的影響。過去製圖非常複雜，要經過眾多工序，而現在紙質地圖基本上已經被電子地圖替代。尤其是移動端快速發展之後，更多的人習慣在手機上使用電子地圖。地圖製圖的概念發生了變化，在過去對製圖精度的基本要求為0.1mm，此要求推動了測繪精準度的發展，但在現在卻已成為了發展的侷限。現在地圖不是人來測量，而是衛星測量，所以不再需要劃分比例尺，而是取決於原始觀測的分辨率。國家測繪局在標準比例尺方面投入了很多財力，而這些錢都消耗在傳統模式上，甚至由很多沒做過一線生產工作的人員制定了標準。形勢要求我們要有前瞻意識，跟上時代發展的變化。
（四）技術推動產業發展
我國測繪地理信息由1990年之前模擬解析時代的行業應用，發展到2D時代的行業更新，到3D時代的行業升級，到現在4D時代的行業演變產業，科技是主要驅動力（如圖2所示）。測繪地理信息產業更加強調實用性，服務於基層用戶。例如之前提到的0.1mm的精度，學科上要強調這樣的高精度，但在應用產業方面並不強調，如果強調的話就不會有高德、凱立德這種具有實用性的電子地圖導航軟件的產生與發展。
2014年國家發展改革委與國家測繪地理信息局組織編制的《國家地理信息產業發展規劃（2014-2020年）》中提到：預計到2020年，測繪地理信息產業的總產值會超過8000億元。表明產業的經費將主要來源於市場。而現在產業的經費主要來源於國家和地方政府，如果一個企業的經費主要來自國家就不會有很好的發展前景。
圖2 測繪地理信息行業至產業的發展歷程
三、問題和對策
以下是對測繪地理信息工作及產業發展的一些思考。
首先，從測圖為主到以地理信息服務為主的發展過程中，測繪生產和測繪成果應用並未徹底打破舊技術體系的束縛。一是仍然在比例尺、精度、地物綜合三者約束中，採用以比例尺為核心的技術指標體系，且測繪內容主要是面向軍事、基礎建設等，儘管現在做了擴展要素採集，但仍然不夠。二是三維地理信息二維表示。過去由於紙質載體無法表示三維信息，但在數字化載體發展迅速的今天仍然沒有三維DLG，且目前的空間數據庫中仍然是二維線劃圖，捨棄了採集過程中的高程信息，十分可惜。三是數字高程模型精度不高，由於從紙質地形圖或者攝影測量手段獲取的DEM精度不高，導致了DEM工程價值不高。且數字正射影像勻光改善了視覺效果，但失去了地物反演的輻射傳輸關係，基本上只能作為各類工作底圖使用。類似的問題還有很多。
其次，測繪成果缺乏質量有效期，將制約地理信息服務。尤其是保密成果需要一個時效期，不要讓每一個測繪工作者都帶著祕密去工作。地理信息服務不僅面向公益，還要面向市場需求，一旦進入了市場，就可能要承擔質量責任。另外，需要儘快建立測繪成果出庫前或者提交前的質量檢驗技術體系和管理體系，策劃與時效性和生產週期關聯的測繪地理信息成果和產品種類，滿足快速需求。
第三，加強數字城市地理空間框架建設的後續規劃。國家測繪地理信息局一直很重視這個問題，目前已經完成了300多個城市數字城市建設，而且已經啟動智慧城市時空信息雲平臺的建設工程，要做好相關方面的後續規劃。另外，目前每個省3-5個典型示範沒有形成星火燎原之勢，總體上依賴政府投入，缺乏主動發展的願望和能力。
第四，進一步加強地理信息資源建設能力。目前測繪由陸地向海洋、由國內向國外、由靜態向動態等將是發展必然。歐美已具備日度影像獲取能力；日本雖然沒有完整的測繪體系，但最近兩年已經成為除了歐美以外的世界先導。我們應該關注地理信息需求和世界發展水平，在各個層次上做好規劃，逐步推進。目前，一些省、部委、企業制訂了各自的遙感衛星發展計劃，出現了快速但無序的態勢，建議國家進行遙感對地觀測頂層設計，通過制度和市場兩種手段引導，實現遙感對地觀測能力建設的可持續發展，既解決國家層面的能力問題，又解決市場層面的投資收益問題。
第五，從現代測繪技術體系整體出發，梳理、修訂和規劃測繪地理信息標準。現有的大地測量標準完全不符合實際，要打破大地測量、航空攝影測量和地圖製圖與地理信息工程等各自發展過程中形成的界限，整體考量設計生產方式、技術方法、技術指標以及質量控制等體系。修訂由於過去技術和生產條件限制造成的不合理技術指標。另外新技術、新產品、新需求發展很快，要加快標準制定。最後推動我國自主測繪地理信息標準的國際化。
第六，信息化測繪發展過程中也存在一些問題。儘管一些專家、學者提出和探索建立“智能化測繪”體系，但是信息技術革命遠沒有完成，因此，信息化測繪體系建設還將持續相當長一段時期。應該根據技術和需求，規劃信息化測繪的階段發展目標。美國在2012年12月發佈的《全球趨勢2030》中指出，對全球經濟發展最具影響力的四類技術是信息、自動化和製造、資源以及健康技術，其中智慧城市是信息技術的重要內容。所以我們要抓住大數據、智慧城市、移動技術、雲計算“大智移雲”戰略發展機遇，按照時空基準體系、地理空間信息實時獲取體系、地理空間信息自動化快速處理體系、地理空間信息網絡化服務體系四個體系規劃信息化測繪發展目標。
最後，缺乏對重複測量成果判斷依據和機制。目前高可靠性的地物分類是難題，實際上可以把這些分類建立一個庫，把重複的部分剔除掉。另外地學統計觀測成果統計分析的價值遠遠沒有挖掘。
對於這些問題的解決對策就是孕育新技術，包括大數據、智慧城市、移動技術、雲計算四個體系，並且要突破思維束縛，提高實時能力、全球能力、服務能力和創作能力。（如圖3所示）
圖3 尋求突破孕育新技術
以上所談的幾個問題，還不能全面闡述我國目前信息化測繪所面臨的問題。建議國家測繪地理信息局組織專家進行專題研討和專題研究，打破傳統測繪思維的束縛、打破學科壁壘、打破行業管理和應用壁壘，從強國和大國角度思考，面向需求、面向測繪技術進步，兼顧公益和產業特性，提出新型信息化測繪體系，特別是要思考引發新一輪測繪體系變革的顛覆性思維和技術是什麼？
（文章由 國家測繪地信局測繪發展研究中心整理提供）
