人工智能开启地图学新时代——王家耀院士谈地图制图与地理信息技术发展.pdf

3736主题策划Topic/本刊记者关晓晴图/受访者提供智能开启地图学新时代总结来看，数据、大数据、时空大数据已经彻底改变了地图学家和地图设计师们的思维和工作方式，作为地图学最终产出的地图（集）产品“设计编绘出版”全过程的数字化转型已经实现，并在服务国家战略和满足社会大众化个性化需求方面发挥了重要作用。在迈向智能化的路上，王院士始终强调需要正确认识地图学的重要性。“守正”正是此意。想要往正确的方向发展必须要守学问之正，“凡学问的形成，都是历代学人积累而成。而学人所为，起点必是继承，我们倡导完整地继承前人成果，准确理解前人思想，养成严谨学风，形成扎实、优化的知识结构和技能结构。”王院士如是说。当前，在“创新”的大潮中出现了许多关于地图与地图学的观点。例如地图的三个基本特性和地图学的三个基本属性是否还存在？也有关于地图的很多说法，如“只喜欢三维、不喜欢二维”“4D(DLG、DEM、DOM、DRG)过时了，是古旧产品，要被实景三维取代”“4D产品不是真正的数字化产品、不是真正的信息化产品”“认为使用了人工智能云计算、物联网就是新型基础测绘，殊不知做出的还是4D老产品”等，众说纷纭。那么应该如何正确理解这些观点呢？王院士观察到地图学和地理信息系统领域有很多名词、概念和主张，他认为学术界本就应多一点争鸣和学术讨论。大家对问题有不同的看法是思想活跃的体现，最重要的是要一起讨论和研究。2023年11月8日至10日，第一届中国测绘地理信息大会在浙江省德清县召开，并同期举办了第一届中国测绘地理信息技术暨北斗应用博览会。人潮涌动的展馆中央，中国地图文化创意产业联盟联合展区格外引人注目，令人驻足。众多测绘地理信息的最新地图技术成果和别具特色的地图产品在这里得到了集中展示，包括在第31届国际制图大会中获得殊荣的“青岛老街”“漆境山海”“万州城区木雕地形模型”等地图作品。和地图相伴超一甲子的中国工程院院士王家耀（以下称“王院士”）对该展区印象深刻。王院士表示该展区反映了我们国家近几年来在地图和地理信息产业方面发展的基本情况。“地图产品成果丰富且实现了数字化转型，并正在往智能化方向前进。”“在手工地图制图时代，制图人员要拿着小笔尖在图纸上慢慢勾勒，还要避免出错；地图完成后还需要更换材质进行制版，最后才能上机印刷。可以说，一张地图的出版需要耗费大量的人力物力。我过去曾亲身经历，因此很有体会。”王院士感慨，“现在，（地图绘制到出版）一步到位！”王院士指出在手工地图制图时代，对于普通地图制图，地图制图工程师们面对的主要是图形符号形式的纸质地图资料，通过视觉感知、人脑心象、记忆和思维等地图空间认知过程，最后做出判断并指导自己的地图制图操作行为，完成地图制图任务。而对于专题地图制图，地图制图工程师需要面对相关专题文献资料和统计数据，经过处理后以专题地图表示方法表示，或对统计数据进行分类（级）处理，并以相应表示方法表示。“为什么现在的地图文创产品、专题地图、个性化地图层出不穷？正是因为地图产品的设计编绘出版全过程实现了数字化。地图生产工艺过程大大简化，人们的手工劳动大大减轻。生产成本降低后，就能兼顾更多的个性化需求。”在计算机数字地图制图时代，初期是基于纸质地图数字化数据和符号绘图程序，由计算机可视化再现图形符号地图，而专题地图各种表示方法经程序化后，计算机也易于绘制出来，处于计算机数字地图制图原理的验证阶段。后来采用地图数字化方法建立了各种比例尺地图数据库，地图制图工程师就自然想到能不能基于较大比例尺地图数据采用计算机自动制图综合方法来编绘较小比例尺地图？能不能用计算机制图综合方法自动生成各种较小比例尺地图数据库从而提高工作效率?这就开启了基于地图数据库的自动制图综合数学方法研究。随着各种社会经济统计数据也越来越多，对专题地图数据处理的数学模型研究有了新的发展，可满足各类专题地图的需要。王家耀院士谈地图制图与地理信息技术发展No?中国程院院王家耀成果荟萃地图产品亮相德清守正创新正确理解地图发展3736主题策划Topic/本刊记者关晓晴图/受访者提供智能开启地图学新时代总结来看，数据、大数据、时空大数据已经彻底改变了地图学家和地图设计师们的思维和工作方式，作为地图学最终产出的地图（集）产品“设计编绘出版”全过程的数字化转型已经实现，并在服务国家战略和满足社会大众化个性化需求方面发挥了重要作用。在迈向智能化的路上，王院士始终强调需要正确认识地图学的重要性。“守正”正是此意。想要往正确的方向发展必须要守学问之正，“凡学问的形成，都是历代学人积累而成。而学人所为，起点必是继承，我们倡导完整地继承前人成果，准确理解前人思想，养成严谨学风，形成扎实、优化的知识结构和技能结构。”王院士如是说。当前，在“创新”的大潮中出现了许多关于地图与地图学的观点。例如地图的三个基本特性和地图学的三个基本属性是否还存在？也有关于地图的很多说法，如“只喜欢三维、不喜欢二维”“4D(DLG、DEM、DOM、DRG)过时了，是古旧产品，要被实景三维取代”“4D产品不是真正的数字化产品、不是真正的信息化产品”“认为使用了人工智能云计算、物联网就是新型基础测绘，殊不知做出的还是4D老产品”等，众说纷纭。那么应该如何正确理解这些观点呢？王院士观察到地图学和地理信息系统领域有很多名词、概念和主张，他认为学术界本就应多一点争鸣和学术讨论。大家对问题有不同的看法是思想活跃的体现，最重要的是要一起讨论和研究。2023年11月8日至10日，第一届中国测绘地理信息大会在浙江省德清县召开，并同期举办了第一届中国测绘地理信息技术暨北斗应用博览会。人潮涌动的展馆中央，中国地图文化创意产业联盟联合展区格外引人注目，令人驻足。众多测绘地理信息的最新地图技术成果和别具特色的地图产品在这里得到了集中展示，包括在第31届国际制图大会中获得殊荣的“青岛老街”“漆境山海”“万州城区木雕地形模型”等地图作品。和地图相伴超一甲子的中国工程院院士王家耀（以下称“王院士”）对该展区印象深刻。王院士表示该展区反映了我们国家近几年来在地图和地理信息产业方面发展的基本情况。“地图产品成果丰富且实现了数字化转型，并正在往智能化方向前进。”“在手工地图制图时代，制图人员要拿着小笔尖在图纸上慢慢勾勒，还要避免出错；地图完成后还需要更换材质进行制版，最后才能上机印刷。可以说，一张地图的出版需要耗费大量的人力物力。我过去曾亲身经历，因此很有体会。”王院士感慨，“现在，（地图绘制到出版）一步到位！”王院士指出在手工地图制图时代，对于普通地图制图，地图制图工程师们面对的主要是图形符号形式的纸质地图资料，通过视觉感知、人脑心象、记忆和思维等地图空间认知过程，最后做出判断并指导自己的地图制图操作行为，完成地图制图任务。而对于专题地图制图，地图制图工程师需要面对相关专题文献资料和统计数据，经过处理后以专题地图表示方法表示，或对统计数据进行分类（级）处理，并以相应表示方法表示。“为什么现在的地图文创产品、专题地图、个性化地图层出不穷？正是因为地图产品的设计编绘出版全过程实现了数字化。地图生产工艺过程大大简化，人们的手工劳动大大减轻。生产成本降低后，就能兼顾更多的个性化需求。”在计算机数字地图制图时代，初期是基于纸质地图数字化数据和符号绘图程序，由计算机可视化再现图形符号地图，而专题地图各种表示方法经程序化后，计算机也易于绘制出来，处于计算机数字地图制图原理的验证阶段。后来采用地图数字化方法建立了各种比例尺地图数据库，地图制图工程师就自然想到能不能基于较大比例尺地图数据采用计算机自动制图综合方法来编绘较小比例尺地图？能不能用计算机制图综合方法自动生成各种较小比例尺地图数据库从而提高工作效率?这就开启了基于地图数据库的自动制图综合数学方法研究。随着各种社会经济统计数据也越来越多，对专题地图数据处理的数学模型研究有了新的发展，可满足各类专题地图的需要。王家耀院士谈地图制图与地理信息技术发展No?中国程院院王家耀成果荟萃地图产品亮相德清守正创新正确理解地图发展3938主题策划Topic在王院士看来，4D基础地图产品具有不可替代的地位和作用。长期以来，包括西部地区测图在内的4D基础地图产品体系在国家经济建设、国防建设、科学研究、社会发展和生态保护等公益性事业领域发挥了不可替代的基础性、先行性、科学性作用，特别是4D产品中的DLG、DEM和DOM更是发挥了国家重要战略时空信息资源的作用。“我们不能够忽略4D产品不可替代的地位和作用。”王院士总结了4D产品的特性：他表示4D产品的上述特性，从根本上讲，是因为地图采用了科学抽象的方法（地图投影、地图符号、制图综合）。地图是人类认知地理世界的科学成果，又是人们进一步认知地理世界和改造世界的科学工具；地图跨越时间和空间、跨越自然和社会人文；地图是诠释世界的杰作，是浓缩历史的经典。数千年的历史证明，地图是任何社会、任何时期都不可或缺的；4D产品是基于数字摄影测量系统和数字地图制图系统生产的，是真正的数字化产品和真正的信息化产品，事实证明是不可被取代的，其他任何形式的产品都是4D产品的补充，两者之间是互补的关系，而不是后者取代前者，如同数字地图不可能取代纸质地图一样。ChatGPT的爆火，再次掀起了全球人工智能产业的热潮。王院士早在数年前就指出：人工智能技术正推动地图科学进入新时代。“人工智能时代的到来已是时代之大势。世界各国十分重视，不仅理论成果频出，更加大了投资力度；人工智能技术也正催生着新产业，计算机视觉、机器学习、自然语言处理、机器人、语音与图像识别等的应用越来越广泛；随之匹配的人才队伍也在不断壮大。”王院士说。王院士深入浅出地为记者解释：“人工智能简单理解就是让计算机来模拟人的思维，而人的大脑是非常复杂的，有不同维度的智能，包括感知智能、管理智能和操作智能。”首先是感知智能。对于人本身而言，眼睛、嘴巴、鼻子等五官本身就是一个感知系统。计算机如今也有各式的感知系统接入，形成了机器的智能感知系统。王院士举例：“我们现在太空有卫星，空中有无人机，更不论常见的手持、背包等各类样式的传感器。甚至我们日常使用的手机本身就是一个感知工具。所以对于计算机而言，也存在一个智能感知系统。其次是管理智能。如何对海量的信息进行存储管理？人脑会将每天感知到的数据通过记忆和遗忘的方式进行管理，而计算机就要借助大量的服务器将数据进行有序管理。最后是操作智能。“我们拥有这么多信息，如何去充分利用呢？因此最后一步就是要仿照人脑的操作系统，进行分析和处理。”王院士指出这个操作系统实际上就是他常常提及的时空大数据平台。“这个平台在智能感知系统和智能管理系统的支撑之下，还必须要配备大量的模型算法知识库。”王院士正描绘着这一平台带来的美好图景：“在这个时空大数据平台上，用户可以随时随地地操作他所获取的信息，在平台上不仅有海量的数据也有存储和管理信息的工具。这样，这个平台就能实现习近平总书记所讲的推进技术融合、数据融合、业务融合实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务。例如国家级、省级、地市级；不同的地方，还要跨系统，如电力系统、邮政系统、公安系统；跨部门，一个城市有很多个部门，一个部门可能还有不同的业务所有工作都在这个平台上来操作。”“共享”“协同”是王院士对时空大数据平台的概括。“所以这是一个服务平台、工作平台、协同平台，各个部门能够在这个平台上完成日常工作，也能解决应急事务。”?对于如何抓住人工智能技术的机遇，王院士进行了总结。一是抓住大数据时代机器学习的新浪潮，开展地图学领域深度学习等算法的研究和应用，实现“由基于统计数据的神经网络到基于时空大数据的神经网络”的转变，充分利用时空大数据教会计算机自己学习，解决地图学特别是地图设计、制图综合方面的“知识工程”瓶颈问题，其中特征提取和表示是关键。二是抓住类脑智能研究这个人工智能领域的新方向，开展面向智能地图制图的基础研究，涉及“人脑地图”与人类大脑皮层成像和重组的机理、地图学专家基于脑机理研究的制图信息处理的途径、类脑计算模型和算法及计算架构，需要地图学家和类脑智能专家的结合。三是抓住人工智能“三要素”，使之成为大规模智能化地图制图生产的核心驱动力。其中，算法是机器学习的核心，是引擎；时空大数据是人工智能的动力，没有时空大数据，算法就不起作用；云计算支撑的计算能力是一种新的计算模式，具有时间弹性和空间弹性，支撑“地图制图综合”处理的分布式、协同化和智能化，采用分布（任务分解）、并行（多个节点按工作流并行处理）、协同（算法调度、各要素相互关系和各个任务“分块”协同处理）模式，最终给出“地图制图综合”的解。王院士诉说了自己的期冀：“我们要主动去拥抱新技术。我相信人工智能技术对今后地理信息系统甚至是地理信息产业的推动力是不可估量的。行业必定会在人工智能技术和地理信息技术的交融中获益良多。我们行业的数字化相较其他领域走在了前列，在人工智能技术的应用上，我希望测绘也能走在前列！”No?智能开启地图学新时代览性可以跨越空间（微观、中观、宏观），了然论任何遮挡地览城市的部分，如全市、全省、全国和全世界及其各要素数质量特征、空间分布和空间关系。解析性可进地图图解分析、图解解析、快速进地图量算（位置、表距离、表积、体积、坡度、坡向）和地形分析（通视分析、断分析、缓冲区分析、路径络分析）等。知识性从地图上可以获得各地理要素（现象）的空间分布、空间关联、相互制约的规律及各种地理要素（现象）的动态变化等的科学知识。基础性作为国家重要战略性基础时空信息资源，泛适于国经济建设和国防建设、科学研究和教学、作战指挥和军事动、们的作和学习，以及各部和各专业测绘。表内容的泛性不仅可以表然地理要素，还可以表社会经济要素；不仅可以表可的地理要素，还可以表看不的现象。表对象的外拓性地图表达的对象已由地球扩展到球和其他星球（深空），由陆地扩展到海洋（深海），由地球表层扩展到地球深部（深地），由地理世界物理空间扩展到络空间（深蓝）。时序性地图可以跨越时间，不仅可以表达现在，还可以表达过去（历史）和未来（规划和预测）。3938主题策划Topic在王院士看来，4D基础地图产品具有不可替代的地位和作用。长期以来，包括西部地区测图在内的4D基础地图产品体系在国家经济建设、国防建设、科学研究、社会发展和生态保护等公益性事业领域发挥了不可替代的基础性、先行性、科学性作用，特别是4D产品中的DLG、DEM和DOM更是发挥了国家重要战略时空信息资源的作用。“我们不能够忽略4D产品不可替代的地位和作用。”王院士总结了4D产品的特性：他表示4D产品的上述特性，从根本上讲，是因为地图采用了科学抽象的方法（地图投影、地图符号、制图综合）。地图是人类认知地理世界的科学成果，又是人们进一步认知地理世界和改造世界的科学工具；地图跨越时间和空间、跨越自然和社会人文；地图是诠释世界的杰作，是浓缩历史的经典。数千年的历史证明，地图是任何社会、任何时期都不可或缺的；4D产品是基于数字摄影测量系统和数字地图制图系统生产的，是真正的数字化产品和真正的信息化产品，事实证明是不可被取代的，其他任何形式的产品都是4D产品的补充，两者之间是互补的关系，而不是后者取代前者，如同数字地图不可能取代纸质地图一样。ChatGPT的爆火，再次掀起了全球人工智能产业的热潮。王院士早在数年前就指出：人工智能技术正推动地图科学进入新时代。“人工智能时代的到来已是时代之大势。世界各国十分重视，不仅理论成果频出，更加大了投资力度；人工智能技术也正催生着新产业，计算机视觉、机器学习、自然语言处理、机器人、语音与图像识别等的应用越来越广泛；随之匹配的人才队伍也在不断壮大。”王院士说。王院士深入浅出地为记者解释：“人工智能简单理解就是让计算机来模拟人的思维，而人的大脑是非常复杂的，有不同维度的智能，包括感知智能、管理智能和操作智能。”首先是感知智能。对于人本身而言，眼睛、嘴巴、鼻子等五官本身就是一个感知系统。计算机如今也有各式的感知系统接入，形成了机器的智能感知系统。王院士举例：“我们现在太空有卫星，空中有无人机，更不论常见的手持、背包等各类样式的传感器。甚至我们日常使用的手机本身就是一个感知工具。所以对于计算机而言，也存在一个智能感知系统。其次是管理智能。如何对海量的信息进行存储管理？人脑会将每天感知到的数据通过记忆和遗忘的方式进行管理，而计算机就要借助大量的服务器将数据进行有序管理。最后是操作智能。“我们拥有这么多信息，如何去充分利用呢？因此最后一步就是要仿照人脑的操作系统，进行分析和处理。”王院士指出这个操作系统实际上就是他常常提及的时空大数据平台。“这个平台在智能感知系统和智能管理系统的支撑之下，还必须要配备大量的模型算法知识库。”王院士正描绘着这一平台带来的美好图景：“在这个时空大数据平台上，用户可以随时随地地操作他所获取的信息，在平台上不仅有海量的数据也有存储和管理信息的工具。这样，这个平台就能实现习近平总书记所讲的推进技术融合、数据融合、业务融合实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务。例如国家级、省级、地市级；不同的地方，还要跨系统，如电力系统、邮政系统、公安系统；跨部门，一个城市有很多个部门，一个部门可能还有不同的业务所有工作都在这个平台上来操作。”“共享”“协同”是王院士对时空大数据平台的概括。“所以这是一个服务平台、工作平台、协同平台，各个部门能够在这个平台上完成日常工作，也能解决应急事务。”?对于如何抓住人工智能技术的机遇，王院士进行了总结。一是抓住大数据时代机器学习的新浪潮，开展地图学领域深度学习等算法的研究和应用，实现“由基于统计数据的神经网络到基于时空大数据的神经网络”的转变，充分利用时空大数据教会计算机自己学习，解决地图学特别是地图设计、制图综合方面的“知识工程”瓶颈问题，其中特征提取和表示是关键。二是抓住类脑智能研究这个人工智能领域的新方向，开展面向智能地图制图的基础研究，涉及“人脑地图”与人类大脑皮层成像和重组的机理、地图学专家基于脑机理研究的制图信息处理的途径、类脑计算模型和算法及计算架构，需要地图学家和类脑智能专家的结合。三是抓住人工智能“三要素”，使之成为大规模智能化地图制图生产的核心驱动力。其中，算法是机器学习的核心，是引擎；时空大数据是人工智能的动力，没有时空大数据，算法就不起作用；云计算支撑的计算能力是一种新的计算模式，具有时间弹性和空间弹性，支撑“地图制图综合”处理的分布式、协同化和智能化，采用分布（任务分解）、并行（多个节点按工作流并行处理）、协同（算法调度、各要素相互关系和各个任务“分块”协同处理）模式，最终给出“地图制图综合”的解。王院士诉说了自己的期冀：“我们要主动去拥抱新技术。我相信人工智能技术对今后地理信息系统甚至是地理信息产业的推动力是不可估量的。行业必定会在人工智能技术和地理信息技术的交融中获益良多。我们行业的数字化相较其他领域走在了前列，在人工智能技术的应用上，我希望测绘也能走在前列！”No?智能开启地图学新时代览性可以跨越空间（微观、中观、宏观），了然论任何遮挡地览城市的部分，如全市、全省、全国和全世界及其各要素数质量特征、空间分布和空间关系。解析性可进地图图解分析、图解解析、快速进地图量算（位置、表距离、表积、体积、坡度、坡向）和地形分析（通视分析、断分析、缓冲区分析、路径络分析）等。知识性从地图上可以获得各地理要素（现象）的空间分布、空间关联、相互制约的规律及各种地理要素（现象）的动态变化等的科学知识。基础性作为国家重要战略性基础时空信息资源，泛适于国经济建设和国防建设、科学研究和教学、作战指挥和军事动、们的作和学习，以及各部和各专业测绘。表内容的泛性不仅可以表然地理要素，还可以表社会经济要素；不仅可以表可的地理要素，还可以表看不的现象。表对象的外拓性地图表达的对象已由地球扩展到球和其他星球（深空），由陆地扩展到海洋（深海），由地球表层扩展到地球深部（深地），由地理世界物理空间扩展到络空间（深蓝）。时序性地图可以跨越时间，不仅可以表达现在，还可以表达过去（历史）和未来（规划和预测）。