院士谈 | 李德仁：论空间大数据与人工智能的集成

李德仁

博士，教授, 中国科学院院士, 中国工程院院士, 国际欧亚科学院院士, 现从事以遥感、全球卫星定位系统和地理信息系统为代表的空间信息科学与技术的科研与教学工作, 并推进地理国情监测、数字城市与数字中国、智慧城市与智慧中国的研究及相关建设。

近年来，随着物联网、云计算、大数据技术的快速发展，以及信息基础设施的完善，全球时空大数据呈爆发式增长。

如在近地外层空间上，在从数字地球向智慧地球发展的过程中，对地观测卫星的空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率等不断提高，特别是21世纪以来，亚米级(0.1~0.5 m)空间分辨率遥感卫星纷纷上天，推动各国开启了商业高分辨率遥感卫星的新时代，掀起了全球高分辨率遥感卫星研制的高潮。

高分三号发射升空 来源：百度百科

在高分辨率对地观测国家重大专项和我国空间数据基础设施卫星计划的支持下，我国也相继发射资源系列、遥感系列和高分系列高分辨卫星，使在轨卫星数量达到235颗以上。它们将满足正常需求和基于特定任务目标需求的快速响应、持续动态监测等数据获取需求。

到2020年我国将新研制数十颗高分辨率遥感卫星，实现几十个到上百个遥感卫星同时在轨工作，保守估计每天获取的数据量将达到数百个TB(terabyte)。

在物理地球的区域空间上，2005年11月17日在突尼斯举行的“信息社会世界峰会”上，国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。

物联网的定义是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感器设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网。

物联网的提出极大地促进了智慧城市的建设与发展，使城市中的“万物互联”成为可能。且物联网的提出促使城市拥有了上千万个智能传感器，如我国城市已拥有2 000多万个视频摄像头，可以提供PB(petabyte)和EB(exa-byte)级的连续图像。

在个人尺度上，智能手机作为最普及的移动设备在分析测试方面具有巨大潜力，它带有越来越多的传感器：加速计、麦克风、摄像头、陀螺仪、定位装置等，可以方便地获得各种数据和信息，如捕获人类行为数据、记录位置信息、感测环境变化，甚至可以为相关科学研究记录和分析数据，成为无所不在、人人拥有的大众传感器，成为人们生活中最受欢迎的电子设备。

全球知名市场研究机构eMarketer在2016年指出全球智能手机用户达21.6亿人，其中中国智能手机用户总量接近5.2亿；并且预测到2018年全球智能手机用户将达25.6亿人，其中中国智能手机用户为7.041亿人。数量如此巨大的智能手机用户，将会产生PB级和EB级关于位置、环境等各种类型的时空数据。

21世纪是数据爆炸增长的时代，人类通过亿万个各类传感器将产生越来越多的数据，数据量级将从现在的GB(gigabyte)级和TB级逐步增长到PB级、EB级甚至ZB(zettabyte)级。《Nature》和《Science》分别于2008年、2011年出版了《Big Data》《Dealing with Data》专辑，指出大数据时代已到来。

《大数据时代 The Age of Big Data (2013)》

如何实现大数据时代地球空间信息“4R”(sending right data/information/knowledge to the right person at right place and right time)的智能服务要求，急需要提升大数据处理的时效性与智能化水平。

在这样的时代背景下，研究脑认知与空间认知，实现空间感知和空间认知的智能化，并驱动决策支持的智能化，变得急迫而又可能了。

人类的大脑是生物演化的奇迹，它是由数百种不同类型的上千亿的神经细胞所构成的极为复杂的生物组织。理解大脑的结构与功能是21世纪最具挑战性的前沿科学问题，理解认知、思维、意识和语言的神经基础，是人类认识自然与自身的终极挑战。脑科学研究的终极目标是破解智力起源与意识本质。

关于脑科学的研究世界各国相继开展了各种不同的研究计划。2013年1月欧盟正式公布“人脑计划(human brain project, HBP)”，为未来新兴技术旗舰计划(FET-Flagship)的两大计划之一。该计划原由瑞士的神经学家Henry Markram构思并领导筹划，初始目标是用超级计算机来模拟人类大脑，用于研究人脑的工作机制和未来脑疾病的治疗，并借此推动类脑人工智能的发展。参与的科学家来自欧盟各成员国的87个研究机构。

2013年美国提出“通过推动创新性神经技术开展大脑研究计划(brain research through advancing innovative neurotechnologies, BRAIN)”，该计划侧重于新型脑研究技术的研发，从而揭示脑的工作原理和脑的重大疾病发生机制。该计划不仅要引领前沿科学发展，同时带动相关高科技产业的发展。

中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中将“脑科学与认知”列入基础研究8个科学前沿问题之一。“973”“863”计划和科技支撑计划等对脑科学研究总投入约14亿元人民币，国家自然科学基金资助脑研究的经费近20亿元人民币，2012年起中国科学院启动的B类先导专项“脑功能联结图谱计划”，每年投入经费约6 000万元人民币。以上项目的实施，将有助于中国在脑认知原理、类脑人工智能和脑疾病诊治的前沿领域取得重大突破。

脑科学领域的核心概念是“智能”，作为人工智能起源的脑科学领域的进步，对人工智能的发展具有重大的促进作用。人工智能也称机器智能，它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、语言学等多种学科互相渗透而发展起来的一门综合性学科。从计算机应用系统的角度出发，人工智能是研究如何制造出人造的智能机器或智能系统，来模拟人类智能活动的能力，以延伸人类智能的科学。人工智能技术代表着国家竞争力，并正在以前所未有的速度渗透到现代服务业、工业和军事等领域。

21世纪面对大数据时代的到来，急需提升地球空间信息学大数据处理的时效性与智能化水平。尽管脑认知的研究仍然任重道远，但是将人工智能应用于地球空间信息学，提升地球空间信息处理的感知认知能力，实现对所获取的流数据快速处理、提取有用信息、挖掘相关规律和知识以驱动相应应用，实现脑认知中的数据驱动下的感知、认知和行动这3个过程，促使在地球空间的宏观、中观、微观3个尺度上分别形成对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑3个高度智能化系统，却是完全切实可行的。

宏观尺度上的对地观测脑是通过将通信、导航、遥感卫星一体化组网，并与人工智能和天地云计算相结合而形成的一种模拟脑感知、认知过程的智能化天基信息实时服务系统。利用在轨影像处理技术、星上数据计算分析技术等对获取的数据信息进行处理分析，获取其中的有用信息和知识，再通过星间通信链路和天地通信网的融合，将它们传送给全球任一需要服务的对象的智能终端。

图1  对地观测脑概念图

中观尺度上的空间认知是智慧城市脑，它是在数字城市建立的网络空间上，通过物联网各种传感器自动和实时地采集现实城市中人和物各种状态和变化的大数据，利用人工智能和数据挖掘等智能手段，由云计算中心处理其中海量和复杂的计算，实现对城市的感知、认知与控制反馈，为城市应急、城市管理、智能制造、经济发展和大众百姓提供各种智能化的服务的一种城市运行管理服务系统。

微观尺度上的空间认知是智能手机脑，它是利用手机和智能手表上的加速计、麦克风、摄像头、陀螺仪、定位装置和人体健康参数测量仪等各种传感器，能实现室内外优于1 m的定位精度，通过实时捕获人类行为数据、记录位置信息、感测环境变化和手机主人的健康参数(血压、血糖、血脂、心率、脉搏、心电图)等数据信息，通过手机内置高度智能芯片对各种数据进行上下文分析推理，将分析推理的有用信息实时推送给手机的主人。这种智能手机脑可分析手机持有人的行为学、健康学、生理学和心理学，并可成为主人的智能助理。

地球空间信息学中的对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑可以在规定的时间(right time)和规定的地点(right place)把正确的数据、信息、知识(right data/information/knowledge)推送给需要的人(right person)，实现空间信息的实时智能服务。

由于卫星影像与视频数据量大，星上数据存储、处理与传输等能力有限，为将对地观测有效的数据信息实时传送给用户，对地观测脑将卫星数据获取、处理和信息提取功能模板固化在星上处理平台。

从星上数据获取到信息提取整个过程中，需要对星上数据进行辐射校正与几何定位等影像预处理操作，对预处理后的影像实现典型目标在轨智能检测与提取，将提取目标的影像进行在轨数据智能压缩，对压缩数据实时下传，从而实现有限宽带下有效数据和信息的实时下传。

整个过程需要突破星地协同的影像在轨实时辐射校正与几何定位、典型目标在轨智能提取与变化检测、影像数据在轨智能压缩、星上通用信息处理平台设计及构建、星地星间实时通信和星地一体化云计算等技术性难题。

城市里无处不在的传感器每天记录城市运行和人类活动的各种数据，目前数据量已达PB级、EB级甚至ZB级，需要对各类传感器接收到的海量时空数据进行处理分析，提取和挖掘其中的有效信息和知识，并及时推送给城市运营中心，帮助城市运营中心分析决策，确保城市安全平稳运行。其中需要突破物联网中各传感器数据获取、人工智能模式识别、大数据规则与规律挖掘、海量数据存储管理与实时云计算和数字城市可视化等技术难题。

武汉大学与吉奥公司联合研制的实时地理信息科学(geographic information science, GIS)系统Geo-Smarter就是一个实例。该系统能实时获得各种传感器数据的输入，通过动态数据管理和实时数据分析与推理，实现认知并作出反馈，支持城市各职能部门进行智慧城市的信息服务。

图2 实时GIS系统Geo-Smarter

现在的智能手机除了打电话外，通过自身携带的加速计、麦克风、摄像头、陀螺仪、定位装置等传感器捕获手机用户的行为连续数据、记录位置信息、感测主客观环境变化等各种数据，利用内置处理器和上下文思维引擎对数据处理分析，获取有用信息及时反馈给手机用户。

实现手机的智能化处理需要研制更加智能专业的手机应用软件(如手机医疗保健应用程序等)，实现室内外一体的优于米级精度的导航定位，增加手机自身传观器的灵敏度和可靠性等。

图3揭示的是一个老人在公园跌倒的上下文思维引擎的实例，通过手机记录的数据可以自动获得何时、何地该老人跌倒多长时间，可以实现自动报警和求援。

图3  智能手机的上下文思维引擎

对地观测脑的一个典型示例是海洋目标检测、定位与实时传输，其基本流程如图4所示。

图4 海洋目标检测与定位智能观测架构

对地观测脑利用其系统中的光学遥感卫星进行在轨成像，通过星上处理平台对获取的影像实时在轨辐射校正、目标检测、几何定位处理，提取影像中的有效信息。对提取的有效信息通过对地观测脑中的中继通信卫星，以分钟级的延迟下传至客户端地面处理中心，再根据用户需求将有效信息快速推送给实时用户，用户根据推送信息作出决策判断。

整个过程实现了用户对海洋目标快速准确的检测与定位，进而辅助用户做出决策判断。对该系统的要求是漏检率为零，误检率不超过10%。整个过程实现了对特定目标信息实时自动提取，实现了对地观测脑的智能感知与认知。该研究成果已在相关部门得到实际应用。

武汉市利用交警大数据研制的智慧交通应急脑，依托全息感知、时空分析和数据挖掘等技术打造而成。该系统基于交通大数据实时运营，接入各种应急资源，包括拥堵、事故、122警情、警力、应急救援、警保联动、视频、信号灯、诱导屏等；实现一图动态展示，能构建应急全息图，灵活配置图层，动态可视化展示，实时推送刷新和图层自动聚合；提供一键视频查询，包括一键自动调度周边视频、视频云台控制和核查范围动态配置等功能。

该系统具有实时调度导航功能，可实联周边各类警力资源，通过动态路径规划，计算最优路径，达到快速到达现场的目标。系统用于各类重大活动安保，通过预设活动路线，警力动态部署，可实现目标位置跟踪和视频跟随监控。通过拥堵事故原因分析、拥堵程度指数分析、拥堵事故路段与时段分析以及122报警排名分析，从而对交通拥堵进行科学的综合研判分析。

图5为运营中的武汉市智慧交通应急脑。自2017年该系统在武汉投入运营以来，取得了十分明显的成效。武汉市在全国城市拥堵排名榜中从原来的第23位降至48位，拥堵状况大幅缓解。2017年10月以来，采取了拥堵事故“七快”新模式(快知、快到、快救、快分、快勘、快撤、快赔)，使闭环处置时间从7 min降至90 s。2017年12月11日，李克强总理在武汉考察智慧城市建设时，专门考察了该项目，并给予充分肯定和表扬。

图5  武汉市智慧交通应急脑

智能手机脑通过手机上的各类传感器，对人的健康指数(体温、血压、心电图、血氧等)进行监测，并利用手机中专业智能应用软件对监测数据进行实时分析，如有异常，手机会发出报警提示，提醒手机用户应去医院检查身体。

面对物联网、云计算、大数据时代的到来，人们已能够实现对地球自然目标和人类社会活动的同步观测，来支持时空数据获取、处理、分析、挖掘和空间认知。空间认知的实现急需提升地球空间信息学大数据处理的时效性与智能化水平。

将人工智能与时空大数据集成，将会提升地球空间信息处理的感知认知能力，实现对所获取的时空数据流快速处理、动态管理和实时提取有用的信息和知识，以驱动相应应用，实现脑认知中的感知、认知和行动这3个过程，促使在地球空间的宏观、中观、微观3个尺度上分别形成对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑3个高度智能化系统。

对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑是我们学习理解脑认知、实现空间认知的新跨越，是地球空间信息科学发展的新使命，需要广大科研人员投身到时空大数据与人工智能的集成创新研究中，为研制各种各样的对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑做出应有的贡献。

致谢: 本文的写作过程中得到陈锐志教授、王密教授、朱欣焰教授、吴华意教授和董志鹏博士的支持和帮助，特表示感谢。

武汉大学学报·信息科学版，2018年，43(12): 1761-1767

本文授权转载自“武汉大学报信息科学版”微信公众号