———李德仁院士专访
    来源：测绘科学    采访：牛汝辰    整理：邓国臣
    2009年IBM公司首席执行官彭明盛向奥巴马总统提出“智慧地球”这一概念,11月,温家宝总理发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话,要着力突破传感网､物联网关键技术,及早部署后IP时代相关技术研发,使信息网络产业成为推动产业升级､迈向信息社会的发动机｡
    目前,我国已将这项技术发展列入国家中长期科技发展规划｡国家测绘地理信息局提出“全力建设数字城市,加快构建智慧中国”｡2013年8月13日,国家测绘地理信息局召开数字城市及智慧城市建设新闻发布会,副局长李维森在会上发布了全国数字城市建设成果及推进智慧城市建设试点情况｡以上说明,我国已开始迈入智慧地球时代｡
    智慧地球､智慧城市的概念､发展历程及实际的意义是什么?主要解决什么问题?我国当前的智慧城市建设具体是什么状况?智慧地球的主要特点是什么?智慧地球时代测绘人的使命和工作方向是什么?中国科学院院士､中国工程院院士､武汉大学教授李德仁应中国测绘科学研究院邀请,做了题为《智慧地球时代的测绘地理信息学》的报告｡

李德仁院士
    之后《测绘科学》编辑部带着以上问题对李院士进行了专访，以下是专访的具体内容｡
    1 关于智慧地球与智慧城市
    什么是智慧城市?什么是智慧地球?它们之间是什么关系?
    李德仁:智慧城市=数字城市+物联网+云计算｡智慧城市是在数字城市建立的基础框架上,通过物联网将现实城市与数字城市进行有效融合,自动和实时地感知现实世界中人和物的各种状态和变化,由云计算中心处理其中海量和复杂的计算与控制,为城市运行管理､经济发展和大众民生提供各种智能化的服务｡
    智慧城市是智慧地球的重要组成部分｡智慧地球=数字地球+物联网+云计算｡数字地球把遥感技术､导航定位技术､地理信息系统和网络技术与可持续发展等社会需要联系在一起,为全球信息化提供了一个基础框架｡智慧地球是在数字地球建立的基础框架上,通过物联网将现实世界与数字世界进行有效融合,感知现实世界中人和物的各种状态和变化,由云计算中心处理其中海量和复杂的计算与控制,为人与自然的协调发展,为社会进步和大众生活提供各种智能化的服务｡
    智慧城市的发展历程是什么?
    李德仁:发展历程从时间上讲分三个阶段:
    第一,“信息化城市”阶段｡1993年“信息高速公路”的提出标志着城市信息化建设开始起步｡
    第二,“数字城市”阶段｡关键时间节点有两个,1998年和2006年｡1998年“数字化舒适社区建设”标志着城市信息化开始步入“数字城市”建设新阶段;2006年物联网､云计算等新一代信息技术促进对城市信息系统的综合集成与整合应用｡
    第三个就是“智慧城市”阶段｡2008年“智慧城市”新理念的提出,标志着城市信息化开始迈向“智慧城市”建设新阶段｡“智慧城市”的发展和早期的信息基础设施及“数字城市”的建设一脉相承,但更注重实现信息资源和城市中人和物的整合集成,更强调城市管理协调统筹,是信息化城市和数字城市建设的更高级阶段,更强调网上城市与现实城市的融合与互动｡中国智慧城市的动力与目标,我理解就是城镇化､工业化和信息化一起抓,发挥我国的后发优势,其目标是实现低炭､绿色和可持续发展,进而实现“中国梦”｡
    建设智慧城市主要解决哪些问题?我国智慧城市建设的现状是什么?
    李德仁:要实现“中国梦”就要面临发展中的问题,我国现处于城镇化､工业化和信息化一起推进的历史阶段,面临城市人口剧增,土地､空间､能源和清洁水等资源短缺,交通拥堵､医疗资源紧张､环境污染､就业压力､城市安全等等问题的出现｡传统的技术手段和管理方法已经难以解决这些问题｡
    建设智慧城市促进解决城市发展面临的问题｡以时空信息为基础的智慧城市建设则通过使用新一代信息技术､知识和智能化的手段,通过智能传感和智能决策调整城市运行方式,优化发展环境,对逐步解决发展中的问题将有重大意义｡应当面对城市四大职能,推进智慧城市的应用:
    ① 生存繁衍方面有智慧安防､智慧环保､智慧能源､智慧医疗养老､智慧国土规划､智慧社区､智慧城管､智慧家居等解决方案;
    ② 经济发展方面,涉及智慧制造､工业互联网､智慧物流等;
    ③ 社会交往应用,包括智慧交通､智慧购物､智慧社会综合管理等;
    ④ 文化享受方面,智慧户外流媒体､智慧教育､智慧旅游,等等｡
    我国智慧城市建设,得到国家领导人和各大部委的关心和指导｡工信部已成立了中国智慧城市产业联盟,国家测绘地理信息局也做了大量工作,李维森副局长指出:在时空信息云平台的基础上布局智慧城市,依托物联网和云计算环境,优先选择国土､交通､城管､卫生､应急､环保､旅游和公众等实时性要求高､移动性要求多､自主性要求强的领域开展具有智能性的应用示范｡
    通过开展25个—30个智慧城市建设试点,旨在进一步推动技术升级完善,探索建设模式､共享模式和服务模式,突破核心技术,凝练工艺流程和标准规范,为推动全国数字城市地理空间框架升级转型､以及智慧省区和智慧中国建设奠定基础｡
    2 关于智慧地球的特征
    智慧地球有哪些特征?
    李德仁:智慧地球主要特征体现在以下五个方面:
    1) 智慧地球建立在数字地球的基础框架上｡
    智慧地球需要依托数字地球建立起来的全球地理空间框架和与空间位置各种信息(自然､人文､社会等)的有机联系和内在关系,并在此基础上增加实时传感､控制以及分析处理的功能｡
    2) 智慧地球包含物联网和云计算｡
    物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,关联到每个人,进行信息交换和通讯｡物联网应该具备三个特征:
    ① 全面感知,即利用RFID､各种传感器､二维码等随时随地获取物体的信息;
    ② 可靠传递,通过各种电信网络与互联网的融合,将物体的信息实时准确地传递出去;
    ③ 智能处理,利用云计算,模糊识别等各种智能计算技术,对海量的数据和信息进行分析和处理,对物体实施智能化的控制｡如果说数字地球以空间位置为关联点整合相关资源(以地理信息系统和虚拟现实技术集成各类数据资源),实现了“秀才不出门,能知天下事”,那么智慧地球则要通过传感､计算､分析与控制,实现“秀才不出门,能做天下事”｡
    3) 智慧地球面向应用和服务
    通过无所不在的传感器网实时地自动采集数据并交由云计算进行实时分析和处理,获得详尽而准确的数据､信息､知识和决策反馈,并将其实时推送给需要这些信息的用户｡这样原来以计算机为中心和以网络为中心,就要发展到以用户为中心｡
    4) 智慧地球将网络空间与现实地球融为一体
    在无线传感器网络当中,各节点内置有不同形式的传感器,用以测量热､红外､声纳､雷达和地震波信号等,从而探测包括温度､湿度､噪声､光强度､压力､土壤成分､移动物体的大小､速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象｡随着传感器和控制器种类和数量的不断增加,将电子世界直接融入到现实地球的基础设施中,自动地控制相应的基础设施,自动监控地球的环境变化和人类的各种活动以及人体的各种参数,实现智能化｡
    5) 智慧地球能实现自主组网和自维护
    一个无线传感器网络当中可能包括成百上千或者更多的传感节点,这些节点通过随机撒播等方式进行安置｡对于由大量节点构成的传感网络而言,手工配置是不现实的｡因此,要求网络应具备维护动态路由的功能,单个节点或者局部几个节点由于环境改变等原因而失效时,网络拓扑应能随时间动态变化,保证网络不会因为节点出现故障而瘫痪,从而实现网络的安全可靠｡     3 关于智慧地球时代的测绘地理信息学前景展望
    测绘学科发展如何来分阶段,每个阶段的特点或标志是什么?
    李德仁:测绘学科的发展从以计算机为中心到以网络为中心再到以人为中心｡主要可分为三个阶段:模拟法测绘(小测绘)､信息化测绘(大测绘)和智慧测绘｡小测绘时代是处于工业化阶段,测绘设备主要应用光机电技术,生产2维地图(纸质地图),测绘主要成果是以数据形式提供;大测绘时代主要特点是社会进入信息化阶段,数据处理和加工由计算机和网络实现,提供3维数字地图和网络服务,向公众提供测绘地理空间信息服务,如导航信息､街景信息､位置服务信息等等｡目前我们还处于大测绘阶段;智慧测绘时代主要特点是通过空天地传感器网和云计算,测绘提供给公众的是实时4维智能服务,实现对整个地球及其环境,以及地球上人和物的实时感知和认知｡
     智慧地球从测绘地理信息学科的角度如何理解?进入智慧地球时代,测绘人的研究方向主要有哪些?
    李德仁:智慧地球要求提供4维时空基准,有4个方面:
    ① 从3维位置到位置､速度与加速度;
    ② 从3维到4维(X,Y,Z,t)空间;
    ③从高斯-马尔可夫模型到高斯-马尔可夫过程;
    ④从空间分析到时空序列分析｡
    智慧地球时代需要更加丰富和完善的空间信息采集､处理和服务机制,这就赋予测绘地理信息学新的使命,具体包括5个主要方面:位置云､遥感云､视频与GIS的融合､空天地一体化的传感网与GIS集成以及空间数据与视频数据挖掘｡
    位置云主要用到哪些测绘技术? 它的服务架构是什么?有什么具体应用实例?
    李德仁:位置云基于卫星导航定位､无线信号定位､传感器定位的混合定位｡将手持接收终端接收到的导航卫星信号与其他定位相关的传感器信息传输到云计算中心,通过实时解算,实现室内外高精度的手持终端连续位置高精度定位和实时导航｡在全球卫星导航系统进入民用领域以来,GPS､GNSS､北斗､伽利略系统等已经或计划向用户提供卫星定位服务｡为了提高定位精度产生了连续运行参考站系统(CORS)｡现在用户将卫星定位信息传送到位置云服务中心,位置云服务在1s内即可将定位精度解算到亚米级并反馈｡
    位置云公共服务平台架构可以由一个框架图来说明(如图1)｡

图1位置云公共服务平台架构
    位置云有三个概念需要说明:智能手机､卫星定位系统和室内与地下空间定位及导航｡
    1) 智能手机作为广泛接入网络的传感器,可以使得人人都是移动传感器,在人们最需要的地点和路径上移动地､多方位地采集并发布实时数据,包括位置､影像､声音､视频､移动方向及速度､重力加速度等数据｡人们在分享数据时就是一个数据采集和提供者,同时也享用其他人提供的各种信息｡
    2) 卫星定位系统｡GPS不多介绍了,这里主要讲一下我国的北斗卫星导航系统,以及我们做的北斗地基增强系统湖北示范验证｡2012年12月27日,北斗系统对中国及周边地区正式提供全面运营服务｡国务院新闻办公室举行了北斗系统新闻发布会,正式公布了“北斗”系统空间信号接口控制(ICD)文件｡北斗主要参数和性能:定位精度:水平方向10m;垂直方向10m｡测速精度:大于0.2m/s｡授时精度:50ns(单程)｡提供短报文通信功能､广域差分和地基增强｡武汉大学与湖北省测绘地理信息局做的北斗地基增强系统湖北示范验证,其总体目标是通过地面基准站系统的增强服务,实现北斗系统在湖北省的高精度导航定位服务能力,建立湖北省北斗精密定位服务系统,开展在测绘､气象和交通等领域的北斗高精度定位导航应用示范｡具体目标是建立湖北省均匀分布的6个框架网基准站(平均边长220km),实现全省范围单频米级导航定位服务;建立示范区24个区域基准站(平均边长60km),实现区域三频厘米级精密定位服务｡用一个实时精密定位性能分析数据表格来说明(见表1)｡
表1  实时精密定位性能分析

    测试流动站:东方联星导航型终端LX260｡
    测试地点:湖北省全省高速公路｡测试方法:每秒采样值与GPS-RTK定位结果比较｡精度统计:RMS:0.67m;95%误差:1.44m｡最后结论:北斗地基增强系统可用于智慧交通中车辆控制和智能驾驶｡
    3) 室内与地下空间定位及导航｡根据室外卫星(GPS､BDS等)定位信息通过手机间无线信号实现室内定位｡在卫星信号无法覆盖的室内和地下空间,可以采用传感器和地面无线信号方式进行定位｡基于卫星信号的定位导航,基于传感器的定位导航,基于地面无线信号的定位导航,以及混合定位导航方法｡基于智能手机采集图像的室内定位｡在室内移动时,拍摄连续的影像(x′和x),可以得到前进的方向(相机-陀螺仪)和前进的距离(相机-里程表)｡相机里的摄像头相当于两个传感器,陀螺仪和里程表｡三维城市模型数据为每张像片后方交会提供控制信息｡摄像头不受无线信号(例如卫星信号和蓝牙信号)中断的限制｡
    目前实验的性能:相机方向误差:±2.3°,相机里程误差:约1%｡
    遥感云是什么,它的服务架构是什么?
    李德仁:遥感云是将海量遥感数据,复杂的遥感处理与分析方法放在远程的云计算平台中,利用云计算平台弹性的计算能力,用户无需搭建专用环境,只需要选择数据和算法后即可获取最终结果｡各类复杂的遥感解译方法在云计算平台的支撑下,将极大地释放计算资源的潜力,充分共享各种复杂分析和处理算法以及相关经验,极大地提高解决复杂空间信息分析和处理的能力,以自然的语言解译遥感图像,使得更广泛的各行业用户能够充分利用遥感资源获取需要的数据｡
    武汉大学研制的一个遥感云平台——OpenRS-Cloud可用一个框图来描述一下(图2)｡

图2 基于云计算平台的遥感云OpenRS-Cloud结构
    OpenRS-CloudWeb型,可直接获取和设定位于云端的算法插件的参数信息;可直接利用远程集群进行并行处理;集成WebGIS技术查找感兴趣遥感图像;可以直接在浏览器上查看任务的执行状况和处理结果｡OpenRS-Cloud目前能够提供50多种摄影测量和遥感图像处理､几何校正､三维建模､图像解译和目标分类的算法｡
    视频和GIS我们不陌生,视频与GIS的融合要达到什么效果?有什么具体应用实例?
    李德仁:现在,越来越多的视频传感器获取了海量的实时动态影像,但大量的视频传感器数据按照传统方法进行人工检索和监控,工作量十分巨大,难以发挥其应有的作用｡大规模的视频传感器资源接入GIS平台后,将极大地发挥视频传感器作为实时影像数据采集与GIS进行数据管理的优点,提供各种智慧服务｡如武汉市的“智慧之眼”,将武汉市25万多个视频传感器与GIS平台进行融合,在监控中心就可以在地图上选择重点街道进行视频巡逻,同时视频传感器捕捉到的视频信息实时更新,并与GIS分析功能相结合｡
    我们做过一个应用实验:建立案件监控点数据关系与统一管理,利用GIS支持在场所平面图､矢量图､图片等载体上建立案发现场各监控点之间时空及逃逸速度等关联关系;然后进行嫌疑目标分析—时间空间分析｡分析嫌疑目标的空间分布､出现的次序､时间分布､出现频度,滤除不符合作案条件的嫌疑目标,这就有力地支持了公安侦破和安防工作｡
    关于空天地一体化传感网与GIS的集成能否做些理论和应用方面的说明?
    李德仁:空天地一体化的传感网与GIS集成可以将被动接收数据变为主动获取所需数据,即将被动的接收数据—分析数据—使用数据转变为用户需求—分析数据所需观测平台及参数—主动观测获取数据,按照用户需求制定卫星轨道及观测角度等,从而快速响应用户需求｡为此,OGC已经制定了相关的标准｡
    我们承担的一个“973”项目———空天地一体化智能观测网可以用图3来直观地说明｡

图3 空天地一体化智能观测网
    当地表某种灾害发生时,通过空天地一体化智能观测网可以实现协同观测､高速处理,化简了数据同化的难度,从而实现快速聚焦服务,支持应急响应｡地球空间信息资源网络服务概念模型也用一个框图来说明(见图4)｡

图4 地球空间信息资源网络服务概念模型
    武汉大学与美国乔治•梅松大学在2004年实现了第一个传感网实验———EO-1卫星国家森林大火观测｡它通过目标检测,基于MODIS影像数据分析最新火情信息,确定火情位置,随后又调用EO-1卫星对地观测计划和任务,将数据传到E-ROS数据中心,通过综合分析,自然灾害调查队对过火区域进行了实时应急响应｡
    对卫星遥感数据进行长条带实时多粒度并行处理目前的主要技术参数情况是:
    数据率:300Mbps~1GbpsGPU并行计算数据粒度:128MB~8GB处理延迟:小于1min再用个具体项目来说明遥感快速响应问题｡
    以某单位无人机高分数据实时处理为例:无人机应急起飞,实时传回图片,实时匹配生成正射产品并实时展示用时10s,目标变化检测用时25s,1min之内信息就可以送给用户｡当然这只是局部小范围的检测｡从这种快速响应需求出发,国家自然科学基金委在2013年启动了一个2亿元经费的重大研究计划———空间信息网络的基础理论与关键技术研究｡基本框架如图5所示,要解决多卫星动态组网通信､目标实时感知和认知等问题｡
    当然这需要多学科协同开展研究,也希望我们的测绘人能多做工作､多出成果｡


图5 空间信息网格基本框架图
    空间信息网络化解决方案:通过卫星组网观测和卫星通信在实时回传的同时,实现在轨实时处理(云检测､目标检测和变化检测等)｡这是实现智慧地球中应急响应我们要突破的重要技术之一｡
    空间数据与视频数据挖掘有什么特点?
    李德仁:智慧城市建设正迈向入大数据时代,我们的工作要从记录数据到主动挖掘有用信息转变｡城市中数十万个视频传感器,海量的实时影像和视频信息,对重点地区､重点人群､重点事件进行实时监控,设置例如徘徊､逗留､遗留物等规则实时预警,在保护隐私的前提下提高安全等级,需要进行空间数据与视频数据挖掘｡做空间数据与视频数据挖掘研究的原因有3点:
    ①大数据时代已经到来:2011年2月,Science专刊指出大数据时代已到来,奥巴马宣布美国政府正式启动“大数据研究和发展计划”,认为大数据是未来世界的石油,该计划的意义堪比上个世纪的“信息高速公路计划”;
    ②安防已进入大数据时代:2005年国务院启动平安城市,目前我国已建成世界最大的视频监控网,一个高清摄像头每小时能产生3.6GB数据,一个城市每天的数据量可达PB级,如广州市每天50PB,武汉市每天12PB,海量的数据的采集系统已经逐步建立,对海量数据尤其是对空间相关的数据的分析和挖掘才能发挥数据的巨大作用,为各种管理和服务提供支撑;
    ③大数据的挑战———存不起､用不好:全球电子行业领先的权威研究机构IMSResearch在2011年的报告中预测:2012年全球仅新增的监控设备所需的存储规模就将达3300PB,天津市“十二五”末视频监控数据存储容量达到4665.6PB,仅存储就需投入583.2亿元,相当于西藏2012年全年GDP总值｡
    这么大的数据靠人工判断是不可能的,智能识别系统是监控系统发展的必然趋势｡视频数据挖掘技术主要有3个方面:安全行为智能分析､视频数据自动理解､视频数据自动压缩｡
    典型的应用——用于视频侦查的人体行为识别:获得录像中的关键信息,便于刑侦员聚焦､观察､分析嫌疑对象;多摄像头下行为分析｡
    通过视频GIS的数据挖掘,借助云平台智能识别系统可以将大量的涉及个人隐私的数据及时删除,只需保留可疑人､可疑事和需要关照的人事物数据,从而解决大数据存不起和用不好的问题｡

图6 监控系统发展的趋势


图7智能监控视频分析系统的处理流程
    智能视频分析的特点:计算机能够通过数字图像处理和分析来理解视频画面中的内容,自动对动态场景视频中运动目标物体进行检测､分离､跟踪,对目标的行为进行有效的识别｡
    ① 运动目标检测､跟踪与分类:运动目标检测技术从视频监控场景中检测出运动目标的相应区域,运动目标跟踪技术计算出目标在每帧图像上的位置,目标分类技术从检测到的运动目标中将对应于人或车辆的类别区分出来,检测并跟踪每个运动目标,描绘出每个目标的运动轨迹,并分辨目标的类型(人､车､人群等),可用于更高层的智能视频分析技术;
    ② 禁区内逗留与徘徊报警:在重要监控区域,如银行､机场､禁区等,对监控场景中的人体目标行为进行分析和理解,判断其是否做出了异常的或可疑的行为,目标人一进入禁区即被锁定,徘徊行为超过一定时间,则发出报警信息,可预先发现可疑人物,以减少事故发生的风险;
    ③ 遗留物体检测:在公交､机场､火车站等人群密集场所发生的爆炸､毒气等案件中,作案手段一般为将危险物体遗留在公共场合,例如昆明公交连环爆炸事件就是由遗留手提包引发,智能系统可以自动检测出异常物体被遗留,并且立即报警,起到提前预防的作用,如有人故意在公交车站遗留的手提包超过正常时间被系统发现,立即报警｡
    通过李院士对智慧地球与智慧城市､智慧地球的特征和智慧地球时代的测绘地理信息学科发展3大方面问题的解答,我们对智慧地球有了一个详细的认识,最后请李院士对智慧地球做一个总结,让我们对智慧地球有个更系统的认识｡
    李德仁:我对智慧地球有5个基本认识:
    ① 智慧地球是基于数字地球,物联网和云计算建立的现实世界与数字世界的融合,以实现对人和物的感知,控制和智能服务;
    ② 智慧地球为社会发展和大众生活提供各种智能化的服务,从而使得人与自然更加协调的发展;
    ③ 智慧地球的实现需要建设更加完善的信息基础设施,把有线和无线网建好,把无所不在的传感网和云平台建好,才能保证各种智慧地球的应用能够用得好,用得起;
    ④ 测绘地理信息行业要抓好与智慧地球相关的技术创新和攻关研究,才能在实现智慧地球和智慧城市的进程中发挥更好的作用;

    ⑤ 智慧地球的出现将推动测绘地理信息学向智慧测绘地理信息学发展｡
    现在,全世界正在从“数字地球”向“智慧地球”推进,3S技术将与物联网和云计算技术结合｡当前应抓住机遇,不失时机地拓展智慧地球时代测绘地理信息学的新使命,将传统测绘提升至能够实时､智能地采集和处理海量空间数据,提供空间信息和知识服务的智慧测绘新阶段｡这些服务将给人们带来更加智慧､更加温馨的生活｡