“兩個萬億產(chǎn)值的地理信息在等著我們。一個是萬億產(chǎn)值的智慧城市中的地理信息，另一個是萬億產(chǎn)值的虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的地理信息。” 劉先林院士在接受《測繪科學(xué)》專訪時表達(dá)了這樣一番觀點。
以圍繞著“互聯(lián)網(wǎng)+測繪地理信息”的主題，劉先林院士就“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下GIS在作業(yè)范圍、重復(fù)采集頻率、分辨率與精度、后處理智能化特點、GIS與大數(shù)據(jù)的融合、增強(qiáng)型GIS對3D GIS提出更高要求等特征以及3個創(chuàng)新要求進(jìn)行了闡述，并提出更深層次的專業(yè)應(yīng)用——公路BIM，認(rèn)為將來會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間與GIS實體空間相互融合、IP地址空間化與電子標(biāo)簽網(wǎng)等新趨勢。訪談實錄如下：
記者：我們?yōu)楹我l(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的GIS?
劉先林：在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代以前，測繪地理信息行業(yè)可以說是利用各種先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級的典范，曾受到科技部長甚至總理的表揚(yáng)。
但是在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代到來之后，由于網(wǎng)商、電商、通訊運行商、上市公司、O2O小企業(yè)等，甚至像華為這樣的創(chuàng)新型典范企業(yè)都介入了位置服務(wù)，使得測繪地理信息行業(yè)既充滿挑戰(zhàn)又面臨危機(jī)，因此必須加強(qiáng)創(chuàng)新，提升自己，用增強(qiáng)型GIS(GIS+)來迎接挑戰(zhàn)。隨著智慧城市建設(shè)的不斷升級以及大數(shù)據(jù)等概念的深入人心，社會和用戶對“互聯(lián)網(wǎng)+”時代下GIS的要求越來越高，有許多問題值得深入研究。
“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS的特征
記者：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的GIS主要有哪些特征?
劉先林：
1)作業(yè)范圍更廣泛。作業(yè)范圍從地表到地下、從地下到水上、從水上再到水下等等。比如，可以利用點云數(shù)據(jù)對地鐵、水岸等進(jìn)行建模，滿足用戶的各種特殊需求。
2)重復(fù)采集頻率更高。眾多手機(jī)APP對空間數(shù)據(jù)的采集精度很低(10 m甚至更低)，但是時間頻率非常高(秒級甚至更高)。
測繪地理信息行業(yè)采集的數(shù)據(jù)空間精度很高，但是時間頻率很低，過去是1年1次，發(fā)展到現(xiàn)在很多城市是3個月1次，今后時間頻率還會進(jìn)一步提高，也就是從地理空間信息發(fā)展為地理時空信息，但這種數(shù)據(jù)怎樣融入所謂的大數(shù)據(jù)技術(shù)還有許多工作要做。
3)粒度更小，分辨率更高。例如，各種井蓋信息的采集;夜間車速40 km/h，覆蓋3車道，采到的路面高清影像;當(dāng)前人工提取權(quán)屬單位，未來將會自動提取;室內(nèi)建模點云間隔，可以達(dá)到毫米級。
4)精度更高。比如，我們統(tǒng)計了銀川的路面高程精度、邯鄲冶陶鎮(zhèn)的高臺轉(zhuǎn)掃精度，它們的精度都在厘米級。在軟土地帶，地鐵管道收斂誤差變形快速普查精度也可以達(dá)到厘米級。
5)后處理更智能化。“后處理”大體經(jīng)歷了從人工處理到工廠化生產(chǎn)無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，再到智能化生產(chǎn)有結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)+人工編輯(特別是人文)的發(fā)展歷程。智能化后處理的核心是自動提取和用智能化交互取代笨交互，已經(jīng)實現(xiàn)紅綠燈、路邊箱體、垃圾桶、植物、大小交通標(biāo)志、下水篦子、轉(zhuǎn)彎標(biāo)志等要素的提取，可以進(jìn)行過街天橋建模、建筑物框架模型、墻角點疊加在俯視點云等后處理。
6)與大數(shù)據(jù)相融合。先說一下大數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)量的區(qū)別，大數(shù)據(jù)量不一定意味著大數(shù)據(jù)。剛剛興起的大數(shù)據(jù)的特點是：無訂單、不招標(biāo)、無預(yù)算、無合同、不保密、無目的，全部是實時的網(wǎng)上進(jìn)行，其空間分辨率很低，但是時間分辨率非常高，與我們的測繪大數(shù)據(jù)有很大的區(qū)別。再談大數(shù)據(jù)與地理信息大數(shù)據(jù)的相互融合。
兩種大數(shù)據(jù)的相互融合，會大大提高數(shù)據(jù)的價值，這就要依靠虛實空間融合、線上線下的融合，把不保密的大數(shù)據(jù)，加入至保密的測繪大數(shù)據(jù)，進(jìn)行增值服務(wù)。如何將保密數(shù)據(jù)提供大數(shù)據(jù)平臺使用，學(xué)者們正在努力之中。
7)增強(qiáng)型GIS對3D GIS提出了更高的要求。
增強(qiáng)型GIS可接受多源數(shù)據(jù)，比如3D矢量、二維地圖、立面矢量、正射、點云等多種數(shù)據(jù)格式，還可以實現(xiàn)各種豐富訂制的漫游觀察;這些觀察可以進(jìn)行多源數(shù)據(jù)疊加顯示、豐富的漫游路線、自定義的函數(shù)渲染等，還可以管理到對象及其屬性，可以完成訂制的統(tǒng)計分析輸出，實現(xiàn)知識、決策產(chǎn)出和溯源功能(允許用戶看到對象的原始照片和點云等)。
當(dāng)然，還可以利用模型產(chǎn)出各種測繪成果，如矢量地圖、立面矢量、正射、立面正射等等，實現(xiàn)一測多用。在智慧測繪中，想要生產(chǎn)知識(決策)，就要生產(chǎn)并處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些知識可以分為：①“一張皮”的三維，只能觀看并獲得感性認(rèn)識;②有分層的三維數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生統(tǒng)計分析結(jié)構(gòu)，只能輸出餅狀圖、柱狀圖;③有矢量的對象化數(shù)據(jù)，可以輸出各類統(tǒng)計結(jié)果的空間分布專題圖;④每個對象掛接一個完備的屬性表，配合決策模型就可以產(chǎn)出知識、決策。
具體來說，就是讀取對象中的屬性項，對對象的屬性項進(jìn)行函數(shù)檢索，配合分析模型，得到知識、決策，并以訂制專題圖的形式呈現(xiàn)。那么，這些對象的屬性項從何而來?自動分類提取時將與幾何有關(guān)的位置、形狀、尺寸、絕對位置、相對位置等屬性自動填入，并在對對象進(jìn)行編輯時，也要關(guān)聯(lián)到屬性項;從各專業(yè)部門共享來的專業(yè)數(shù)據(jù)，有大量的屬性內(nèi)容;從大數(shù)據(jù)公司購買大數(shù)據(jù)，將其中與屬性項有關(guān)的內(nèi)容填入。
由于大數(shù)據(jù)是動態(tài)的，因此屬性項的內(nèi)容應(yīng)該帶有時間維，形成所謂的動態(tài)屬性概念。例如，我們進(jìn)行了樹徑的采集實驗，分別進(jìn)行了試驗區(qū)域高于地面1.3、1.0和0.3 m處的樹干胸徑、米徑與地徑統(tǒng)計。
“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS的技術(shù)創(chuàng)新
記者：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代用戶對GIS有哪些要求?
劉先林：社會和用戶對GIS行業(yè)提出了更高的要求，主要是：更逼真(全要素、三維)、更精細(xì)、更精確、更廣泛(室內(nèi)、地下、水下)、更快速、更實時(四維采集才能實現(xiàn)監(jiān)測)和更便于進(jìn)行統(tǒng)計分析(要結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù))。
記者：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS的技術(shù)創(chuàng)新要求是什么?數(shù)據(jù)特點是什么?
劉先林：互聯(lián)網(wǎng)時代的采集裝備非常昂貴，正如柔性加工一樣，應(yīng)該具備柔性使用的功能，根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)、及時的變化。“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS的技術(shù)創(chuàng)新要求提升采集裝備的性能、一機(jī)多用，要關(guān)注室內(nèi)建模技術(shù)。
1)采集裝備的性能應(yīng)該提升。移動傳感器從單一傳感器變?yōu)榧蓚鞲衅?傳感網(wǎng)的感知方式由移動感知變?yōu)楣潭ǜ兄?可見光的數(shù)據(jù)源從有限的幾種數(shù)據(jù)源變?yōu)槎嘣吹臄?shù)據(jù)源，例如多光譜、激光、SAR等。感知的參數(shù)，也從單純的幾何參數(shù)變?yōu)榘兄獪囟?、濕度、PM2.5等物理參數(shù)。從溫度上說，從二維被動感知演變?yōu)槿S激光、三維SAR等三維主動感知。最近，出現(xiàn)了多視點、多視角的照片建模技術(shù)，也呈現(xiàn)出從“移動感知”到從視頻、衛(wèi)星影像感知移動物體等的“感知移動”的趨勢。
2)“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的GIS采集裝備應(yīng)該是一機(jī)多用。“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的衛(wèi)星應(yīng)該是一星多用，可以節(jié)省大量經(jīng)費。集成化的移動測量機(jī)頭，可以方便地放在10多種載體上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(例如SSW車載激光建模測量系統(tǒng))。昂貴的航空照相機(jī)應(yīng)該既可以拍斜片，也可以只拍大幅下視片;既可以拍大比例尺，也可以拍小比例尺。四維遠(yuǎn)見的SWDC已經(jīng)實現(xiàn)了這些技術(shù)要求。
3)關(guān)注正在快速興起的室內(nèi)建模技術(shù)。在室內(nèi)定位問題解決之后，可以直接采用室外的移動測量建模技術(shù)、同步定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping，SLAM)技術(shù)、基于單站激光生產(chǎn)的彩色點云建模、基于多視點多方向大重疊照片像元級匹配生產(chǎn)的點云建模等，這些技術(shù)都要求高分辨率、高精度，并且按未來室內(nèi)建模分類標(biāo)準(zhǔn)自動提取。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞揭矔苫厥辗绞教嵘秊閷崟r傳輸。未來數(shù)據(jù)的傳輸方式應(yīng)該是使用飛機(jī)、衛(wèi)星、地面站(所謂機(jī)、星、地方式)和專線的綜合利用，實現(xiàn)實時傳輸。
互聯(lián)網(wǎng)+時代采集的數(shù)據(jù)應(yīng)該是多源的、三高的。數(shù)據(jù)多源，是指包括可見光、微波、紅外、無線電波(毫米波)、多光譜、激光、等波段或技術(shù)。所謂三高，是指高空間分辨率、高時間分辨率、高譜段分辨率。數(shù)據(jù)采集還要求盡快補(bǔ)充從互聯(lián)網(wǎng)上采集數(shù)據(jù)的技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)上用搜索方式采集數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在智能手機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，人手一臺的智能手機(jī)，不僅有極大的存儲空間，高速的通訊功能和豐富的應(yīng)用軟件(APP)，還有定位、照相、定姿，甚至掃描激光等功能。這是一機(jī)多用的典型，不僅可用于志愿者的泛在測繪，專業(yè)測繪隊伍也將會使用，這就為實現(xiàn)從眾投到眾創(chuàng)、從眾創(chuàng)到眾測的理念提供了契機(jī)。
同時，正在興起的室內(nèi)定位技術(shù)也對互聯(lián)網(wǎng)+時代的數(shù)據(jù)采集提出了新的要求。普通GNSS接收機(jī)+偽衛(wèi)星+組合導(dǎo)航是一種采集方式，基于三大電信運營商的基站定位(基站天線坐標(biāo)，時間，電文)技術(shù)也可以為GIS采集數(shù)據(jù)。室內(nèi)協(xié)同導(dǎo)航(光、電、影、地磁等)要求：解決方案既能用于室內(nèi)建模，又能用于移動終端(手機(jī)、汽車)進(jìn)入室內(nèi)的定位;最有希望的可能還是手機(jī)基站定位。
“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS的應(yīng)用空間廣泛
記者：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS的應(yīng)用空間有多廣泛?
劉先林：不僅是非常廣泛，還可以說蘊(yùn)含著豐富的寶藏。換句話說，就是有兩個萬億產(chǎn)值的地理信息在等著我們。一個是萬億產(chǎn)值的智慧城市中的地理信息，另一個是萬億產(chǎn)值的虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的地理信息。
記者：請解釋一下智慧城市的含義?
劉先林：智慧城市定義在不斷地更新。起初認(rèn)為智慧城市=數(shù)字城市，6年前有了“+物聯(lián)網(wǎng)”的概念，4年前出現(xiàn)了“+大數(shù)據(jù)”，2年前出現(xiàn)了“+移動互聯(lián)”，2年后可能會出現(xiàn)“+無人化、智能化”，再以后還會出現(xiàn)更新的概念。實際上，智慧城市的本質(zhì)應(yīng)該是智慧二字。還可以用建設(shè)目標(biāo)來定義智慧城市;用真實數(shù)據(jù)和科學(xué)的決策，使城市的發(fā)展更節(jié)能、更綠色、更環(huán)保、更可持續(xù)發(fā)展、更具生物多樣性、更幸福等等。
記者：萬億產(chǎn)值的智慧城市中的地理信息，主要包括哪些方面?
劉先林：
1)智慧停車。空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不僅采集車位信息，還要采集標(biāo)號的信息;車位要安裝傳感器，感知是否有車停;所有數(shù)據(jù)上傳至云端;指揮有地下室內(nèi)定位的車停到相應(yīng)車位。下面列車一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化以及虛實空間融合的例子：僅有車位線圖形→每個車位賦予唯一的辨認(rèn)碼→該辨認(rèn)碼與實地的車位號相對應(yīng)→線下實體空間安置是否有車的傳感器→線上云空間智慧停車分析→線下有室內(nèi)定位功能的汽車按指揮停入車位→收費。
2)智慧交通。城市道路上的路邊線、標(biāo)線、紅綠燈、探頭、電桿、樹、路燈、電線等地物將會是構(gòu)建智慧交通分析模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。例如，我們在北京金融大街上進(jìn)行過數(shù)據(jù)采集實驗。
3)智慧公安。在智慧公安方面的應(yīng)用，主要有對象化的窗戶矢量可以使戶籍資料空間化、交通標(biāo)志被樹葉遮擋、交通燈與探頭的對象化管理等。
4)智慧物流。人類社會將會走向無人機(jī)物流時代，這時就需要地理信息行業(yè)提供城市三維模型作為無人機(jī)飛行三維管道導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
5)智慧公車出租。城市自助公車(例如自行車、超市購物車等)安裝可上網(wǎng)的位置傳感器，對這些自助車進(jìn)行無線管理，包括防盜、限制應(yīng)用范圍、收取租金、便利停車及智能調(diào)度等，這種功能需要在城市GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支持下運轉(zhuǎn)。用這種方式增強(qiáng)地鐵在緩解城市交通中的作用。
6)給城市“看病”。城市病害偵調(diào)查，比如井蓋下沉調(diào)查、地面破損分析。自動監(jiān)測地面破損，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大高差達(dá)25 cm。再比如違建調(diào)查，通過對比兩次掃描的點云，進(jìn)行兩次掃描的一級模型疊加顯示，一級模型相減即為違建部分。
7)測量并確定城市美麗指數(shù)。用移動掃描車測量并確定城市美麗指數(shù)。柵欄破損，各種隔離帶、擋車柱、擋光板、拐彎標(biāo)志破損不美觀，立不正、線不直，電子交標(biāo)破損、路面標(biāo)線老舊、樹葉枯黃等問題，均可在用移動掃描車建立的全息三維的基礎(chǔ)上自動偵查出并計算美麗指數(shù)。比如，我們得出了上海浦東新區(qū)的美麗指數(shù)、北京立水橋地區(qū)的美麗指數(shù)。還可以進(jìn)行地理市情普查與監(jiān)測，統(tǒng)計分析項目有井蓋、道路、路面、植物、柵欄，隔離帶，擋音墻、路邊附屬實體統(tǒng)計、城市流水及淹沒分析。
8)計算城市的各類綜合指數(shù)。用城市的全息三維作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計算城市的各類綜合指數(shù)，例如城市交通擁堵指數(shù)分布，城市熱效應(yīng)指數(shù)分布，城市通風(fēng)效應(yīng)指數(shù)，陽光指數(shù)，4G/5G信號強(qiáng)度指數(shù)，無線電信號傳播指數(shù)，城市用水、用熱、用電指數(shù)等。
記者：增強(qiáng)現(xiàn)實使用的數(shù)據(jù)有哪些特點?
劉先林：增強(qiáng)現(xiàn)實(augmented reality，AR)就是把計算機(jī)中的場景三維數(shù)據(jù)與實地觀察到的景觀數(shù)據(jù)(未必是三維)融合(套合)在一個屏幕上，來實現(xiàn)各種各樣的應(yīng)用。因此增強(qiáng)現(xiàn)實所用到的地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一定是三維的。所以當(dāng)增強(qiáng)現(xiàn)實普及時，對三維的地理信息將會有更大的需求?？赡軙霈F(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實與地理信息相融合的應(yīng)用，比如基于AR的自動駕駛、基于AR的智慧旅游、基于AR的野外數(shù)據(jù)補(bǔ)測(有針對性)、泛在測繪、視頻數(shù)據(jù)與實地模型的疊加分析。
記者：虛擬空間與現(xiàn)實空間有什么共同點?
劉先林：兩個空間都是面向保存/記錄/分配人類活動留下的痕跡，不面向微觀空間(分子、原子、納米、細(xì)菌等)。這兩個空間暫時不面向宏觀空間，例如太陽系、升空，既然是面向/管理相同的對象，所以有必要融合。如果虛擬空間(網(wǎng)絡(luò)空間)不能映射到現(xiàn)實空間，基于虛擬空間的知識產(chǎn)出因為沒有實際空間位置的支持，將會是不完整的。如果現(xiàn)實空間(GIS空間)的實體/對象/個體，不能映射到虛擬空間，也即沒有這些實體的網(wǎng)絡(luò)地址/IP地址，GIS就坐不上“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的快車。
記者：虛擬空間與現(xiàn)實空間的差別是什么?
劉先林：①網(wǎng)絡(luò)空間對每一個節(jié)點(服務(wù)器、PC機(jī)、Wi-Fi、防火墻)都分配唯一的IP地址，GIS空間基本上只管理到圖層，沒有對圖層下的實體進(jìn)行唯一的編碼;②網(wǎng)絡(luò)空間對于移動實體(持有手機(jī)的人等)進(jìn)行了管理，GIS空間只對固定對象進(jìn)行測量與管理;③網(wǎng)絡(luò)空間利用物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)實時輸出動態(tài)的分析結(jié)果，GIS空間只是利用空間，只輸出各種靜態(tài)的空間分析成果。
記者：虛擬現(xiàn)實技術(shù)有哪些更深層次的專業(yè)應(yīng)用?
劉先林：例如，公路建筑信息模型(building information modeling，BIM)，也就是所謂的公路BIM。我們進(jìn)行了深圳立交橋數(shù)據(jù)漫游和高精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)漫游實驗。公路BIM建立之后可以解決公路上的一切問題，包括綠化調(diào)查、路燈調(diào)查、路面狀況調(diào)查、井蓋缺損調(diào)查、自動導(dǎo)航數(shù)據(jù)生產(chǎn)、自動駕駛汽車的三維數(shù)據(jù)支持、公路竣工驗收、公路改擴(kuò)建設(shè)計等。
“互聯(lián)網(wǎng)+”時代GIS的新趨勢
記者：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的GIS有哪些新趨勢?
劉先林：至少有3個新趨勢：虛實融合、IP地址空間化與電子標(biāo)簽。
虛實融合就是網(wǎng)絡(luò)空間與GIS實體空間相互融合。IP地址空間化，就是通過納秒級的時間度量，來實現(xiàn)網(wǎng)上節(jié)點(IP地址)的空間化。電子標(biāo)簽實現(xiàn)幾何實體映射到網(wǎng)絡(luò)空間，具有定位功能、通訊功能、有唯一網(wǎng)址的電子標(biāo)簽植入GIS空間每個實體的技術(shù)(帶手機(jī)的人)。傳感網(wǎng)的下一個階段，電子標(biāo)簽網(wǎng)可能會對地理信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。測繪標(biāo)志經(jīng)歷了可見光標(biāo)志、激光標(biāo)志、微波角反射器等，現(xiàn)在迎來了更重要的一個階段，即電子標(biāo)簽(RFID)，等到GIS空間的實體都布設(shè)了廉價、防盜、有源/無源的電子標(biāo)簽，并且能夠映射到網(wǎng)上的實體空間時，測繪行業(yè)又將迎來一次重大變革。
記者：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的GIS裝備應(yīng)該由誰來主導(dǎo)?
劉先林：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的GIS及其裝備將是國產(chǎn)主導(dǎo)的。
“互聯(lián)網(wǎng)+”時代科技發(fā)展速度大大加快，再加上國家出于安全考慮，以及反腐的開展，人們開始把眼光轉(zhuǎn)向國產(chǎn)裝備，例如：北斗系統(tǒng)是最大的國產(chǎn)裝備;正在推行的大計劃：千千萬萬無人機(jī)聯(lián)網(wǎng)飛行數(shù)據(jù)統(tǒng)籌只會是國產(chǎn)的;移動測量車基本是國產(chǎn)品牌在競爭;最近盛行的重視國產(chǎn)裝備的千尋網(wǎng)，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的CORS網(wǎng);快速興起的室內(nèi)協(xié)同定位，目前國產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先的單位有同濟(jì)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、武漢大學(xué)等。
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