专访 | 王家耀院士：中国地图（学）的过去、现在与未来

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本文内容摘自《中国测绘》2019年第1期

2018年11月12日，在地图史研究方法研讨会、《地图研究》集刊编委会第一次会议召开后，《中国测绘》记者在广州就“中国地图（学）的过去、现在与未来” 对王家耀院士进行了专访。 

记者：

过去我们都看到的是纸质地图，现在人们打开手机就可以看地图，在您看来，地图的内涵与价值及其传承与创新主要体现在哪？

王家耀：地图起源于上古时代，距今已有4500余年的历史，它的产生和发展是人类活动的实际需要，后经古代地图和近代地图发展，如今已步入数字化、网络化和智能化的地图发展新时代，地图应用的广泛性从来没有像今天这样，可以说地图是无处不在、无人不用，成为人们工作、 学习和生活不可缺少的工具。

地图之所以具有如此大的社会影响，从本质上来说，是因为地图具有严密的数学基础，采用符号系统和科学的综合方法，是国际上的三大通用语言（音乐、绘 画、地图）之一，是地理环境信息的载体，是传递地理环境信息的工具，能反映 各种自然资源和社会人文经济要素（现象）多维信息的位置、形状、数量和质量、时空分布、组合、联系等特征及其在时空中的变化和发展，地图上承载了所有测绘与地理信息元素，是表达非线性复杂地理世界的最伟大的创新思维，人们正是利用地图来认知自身赖以生存的环境。地图重构现实地理世界而非复制现实地理世界，是改变世界的十大地理思想之一。正因为如此，地图才具有模拟功能、信息负载功能、信息传递功能和空间认知功能，才具有科学价值（揭示科学规律、反映科技进步）、社会价值（任何社会不可能没有任何形式的地图）、文化价值（反映不同时期、不同地区的文化特征）、军事价值（战略谋划、作战指挥和军事行动不能没有地图）和权属价值（解决领土争端的重要法理依据，具有明疆划界的作用）。地图的上述特性、功能和价值，在当今“互联网+”、时空大数据、云计算、人工智能等迅速发展的新时代，仍然是要大力传承、创新和发展的。

记者：

进入信息化时代，地图制图技术经历了数字化、网络化和智能化的发展进程，这中间要解决哪些难题？

王家耀：电子计算机用于地图制图，可以说是地图制图技术上的一次革命，是地图制图史上的一个里程碑式的事件。我国自20世纪60年代开始计算机数字地图制图的试验，当时的难题是如何将已出版的纸质地图数字化和怎样用计算机控制的绘图机将数字地图绘在纸质载体上，所以70年代着手研制手扶跟踪数字化器和数控绘图机，80年代初已在某些专题地图和地图集编绘中部分采用计算机辅助地图制图技术；当大量地图数字化以后，就涉及到数字地图数据组织和存储技术，最初采用文件系统，后来逐步发展到地图数据库系统（MDBS），地图数据库的更新、维护和管理经历了从低级到高级的发展过程；此后生产的数字地图按照数据组织形式和特点，分为数字线划地图（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字栅格地图（DRG）和数字正射影像图（DOM）等四种，即“4D”产品。

互联网（Internet，1984年—）的出现和利用，实现了计算机硬件之间的互联；网络（WWW，1990—）的出现，实现了网页资源的联通；网格（Grid，第三代互联网或新一代Web，1995—）的出现，实现了Internet上所有资源的全面贯通。互联网（Internet）、网络（Web）和网格（Grid）对地图制图的影响，不仅表现在地图制图生产上的网络化方面，更重要的是表现在地图服务的网络化方面，主要集中研究和实现了基于网络服务（Web service）的地理信息共享和空间数据互操作技术 、基于网格服务（Grid service）的信息资源共享和协同解决问题技术、基于云计算（Cloud computer）的地理信息服务技术，等等。地图服务的方式更加多样化、地图服务的内容更加个性化、地图传播的速度更加快速化，出现了地图无处不在、无人不用的新局面。但是，应该承认，互联网及在其基础上发展起来的网络（Web）、网格（Grid）、云计算（Cloud computer）技术对地图制图生产模式和过程的变革至今还未真正显示出来，地图制图生产的智能化水平和自动化程度还不够高，而这正是当今人工智能时代需要解决的。

进入21世纪，正在开启人工智能新时代，人工智能技术对地图制图的智能化将产生更加深远的影响。人工智能至今经历了梦想期、推理期、知识期和学习期等四个时期。说到人工智能在地图制图中的应用，我就想到了20世纪80年代初到90年代中期的短短十余年间所出现的国内外地图制图专家系统研究热潮。例如：在国外，有英国G·Robinson和M·Jeckson研制的地图设计专家系统MAP-AID（1985）、加拿大Pfefferkorn和Burr研制的ACESS综 合 性 地 图 专 家 系 统 （1985）、美国P·Jankowski和T·L·Nyegges研制的地图投影选择专家系统（1989）、荷兰J·C·Muller和Wang zeshen研制的基于知识的地图符号设计系统（1990），等等；在国内，有原武汉测绘科技大学张文星研制的制图综合专家系统MAPGEN（1988）、中科院英明研究的基于规则方法的统计制图专家系统（1989）以及原解放军测绘学院孙群研究的军事地图制图专家系统 数 学 基 础 自 动 生 成 子 系 统（1990）、陆效忠研制的面向对象定量制图专家系统（1991）、华一新研制的专题地图设计专家系统PCMAPPES（1991）、王家耀和武芳研究的制图综合专家系统工具CGES（1992）等等。这个时期的地图制图专家系统研究处于“知识期”。

此后的十多年间，地图制图专家系统热潮已不存在，之前研究的制图专家在地图制图生产中基本未得到应用，原因在于“地图制图知识工程瓶颈”问题没有解决。钱学森先生早在1984年9月1日给戴汝为的信中有精僻的分析，指出“外国人工智能工作，似乎急于求成，而基础理论工作不扎实。”时隔17年后的2011年《科学导报》第14期刊登李娜的文章，题目是“被批20年无进展，人工智能需要重启”，文章作者引用AI和认知科学领域的奠基人MarvinMinsky和Patrick Winston的话说，“过去的20年中AI本来是应该取得更大进展的，问题发生在20世纪80年代，AI研究的资金开始枯竭，研究人员尝试探索商业化AI，由此产生的最大问题是AI研究的狭窄和专业化，而基础问题研究无人问津，没有进展。因此主张回归早期的研究模式，让狭窄的应用驱动研究回归到好奇心驱动研究。没有理论指导，研究工作就不可能持久。”

就地图制图而论，它本是一种极具创造性的工作，是一个十分复杂的思维过程，逻辑思维（抽象思维）、形象思维、灵感思维并存。逻辑思维能方便地用数学公式来描述，但地图制图过程中大量存在的形象思维和灵感思维带有模糊性或不确定性，许多情况下连地图制图专家都难以说清楚某个制图问题为什么只能这样处理而不能那样处理，又怎么让计算机去做呢？这就是说，要花大力气进行基础性工作，包括基础理论研究，地图制图过程中到底有些什么样的知识在起作用，从哪里和如何获得这些知识，地图制图知识特别是那些模糊性或不确定性知识怎样提取和表示，怎样对这些知识进行处理，建立什么样的适合地图制图特点的演绎推理机制和控制策略，等等。这些基础理论、方法和技术问题，只有通过持久的、扎扎实实的研究工作才能逐步解决。

然而，在过去的10余年时间里，地图制图领域除了在个别问题上开展了可持续的研究并取得了一系列理论成果外，地图制图其他方面的智能化研究基本上没什么进展，这有认识和思维方式上的问题。可喜的是，进入21世纪以来，人工智能“回归基础”后出现了好的转机，取得了有代表性成果。例如：李德毅，杜鹢，《不确定性人工智能》（国防工业出版社，2005）；谢超，自适应地图可视化关键技术研究[D]（解放军信息工程大学地理空间信息学院，2009）；王英杰，陈毓芬，余卓渊，邓红艳，《自适应地图可视化原理与方法》（科学出版社，2012）。

善于总结经验教训，这本身就是一种智慧。智能地图制图的核心是“智能”，智能的核心是“知识”，而知识的核心是如何获得知识。人们常规地图设计与制作过程中的许多问题是凭借制图专家的经验性知识来解决的，而人们对地图设计制作过程的思维和行为并不十分清楚。当把人工智能用到地图设计制作中来时，要想让计算机模拟人脑思维和判断去做，就必须弄清楚制图数据在人脑中是怎样进行加工的。人类制图专家具有的良好思维习惯和综合判断能力是从哪里来的呢？主要来源于长期实践积累的经验性知识和拥有的大量专业知识。

如何让计算机也具备这种思维和综合判断能力呢？研究表明，机器学习是解决智能地图制图中“知识工程瓶颈”问题的有效途径，光靠人工总结地图制图知识再告诉计算机怎么做是不行的，要让时空大数据通过机器学习教会计算机获得知识并知道怎么去做。这就是对计算机（电脑）人工智能与人类（人脑）自然智能进行深度融合，充分发挥人脑智能与人工智能各自优势、各司其职，让人脑来处理人类擅长加工的信息并将结果反馈给计算机，让计算机来进行后续的快速加工。人脑认功能对机器学习算法优化是有启的，如果我们能够开发具有类似人脑的层次化加工结构的深度学习算法，就能使计算机识别的效果得到极大的提升，这就是目前正在开展的“类脑”（即模拟人脑）的研究。人工智能的“智”是很难离开“类脑”和“类脑智能”（模拟人脑的类脑计算机）研究的，通过类脑和类脑智能研究可以揭示人脑信息处理的途径和规律，有利于完善人工智能研究。

就智能地图制图而言，地图制图专家（人脑）自然智能与计算机地图制图人工智能深度融合、各司其职的智能人机交互，也许是未来智能地图制图的发展趋势，而这只能靠地图制图专家们的持久的智能地图制图基础理论、方法、技术的创新研究才能得以实现。

记者：

地图制图的未来会怎么样？目前中国的地图制图水平在国际上处于什么样的地位？

王家耀：实际上，近几年来我们已在智能地图设计、智能地图制图综合等领域取得了一系列研究成果，例如：“人类驾驶员”所需的导航电子地图的生产已完全满足社会需求，“人类驾驶员+主动安全辅助系统（ADAS）”所需要的精细导航电子地图的生产技术已基本具备，“自主驾驶车/自主车”所需要的高精度导航电子地图的智能化生产技术研究已取得试验性成果；人工智能技术和时空大数据驱动的3D打印技术，已在工业、教育、医学、汽车制造、国防装备等领域得到应用，特别是新型军用沙盘和3D彩色地形图生产等领域已能批量化生产。当然，我们也应当认识到，全面实现智能地图制图是一项长期的战略任务、是一项未来发展有很大创新空间的战略任务、是一项经过艰苦努力能够实现的战略任务。人工智能只有起点没有终点，智能地图制图也只有起点没有终点。我们应该登高望远，更要脚踏实地。未来的地图制图人大有用武之地。而且对智能地图制图而言，“老三论”（地图投影理论、地图符号理论、制图综合理论）和“新五论”（地图空间认知理论、地图信息传输理论、地图视觉感受理论 、地图模型理论、地图符号学——地图语言学）是应该而且可以传承创新的。实现智能地图制图不可能是“前无古人”“后无来者”。

关于目前我国地图制图水平在国际上所处地位问题，我从几个方面来分析。

首先，在计算机数字地图制图取代手工模拟地图制图的技术变革方面，我国起步稍显滞后，但用计算机地图制图技术制作专题地图进展很快，特别是在1978年就用计算机绘制了世界上第一幅全要素地形图；

第二，在计算机地图制图的核心——数字地图多尺度变换与自动综合方面，我国军地都有几十年从事研究的团队，提出了全要素全过程地图自动制图综合链的理论和方法，研究了一系列针对各要素综合的模型和算法，总结了大量知识并形成了知识集及基于知识的自动制图综合方法，出版和发表了一系列高水平学术著作和学术论文，居国际领先行列；

第三，地图（集）设计理论水平显著提升，在国家和省（区、市）地图集的设计与出版特别是地图文化创意产业发展方面，涌现出了一系列优秀作品，多部作品先后获国际地图制图学协会（ICA）学术大会优秀地图作品奖，处于国际领先行列；

第四，在肯定我国地图制图高水平发展的同时，也应该看到近十余年来，未跟上“互联网+”、大数据、云计算和人工智能等新兴信息技术的发展，在集地图制图数字化、网络化、智能化于一体的整体研究上进展迟缓，基础理论研究薄弱，全数字地图设计、编绘与出版一体化关键技术体系未获重大突破，智能化地图制图的实现任重道远。

总体来说，随着人工智能时代的到来，地图制图的发展势头很好，但前进道路上难题不少，只要“产学研用”齐发力，我国地图制图整体水平就一定能够在不太长的时间内跃居国际领先地位。

采访 /《中国测绘》  任佳良

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