中國測繪

原創(chuàng) 中國測繪學(xué)會 中國測繪學(xué)會

本文內(nèi)容摘自《中國測繪》2023年第11期

——王家耀院士談地圖制圖與地理信息技術(shù)發(fā)展

成果薈萃 地圖產(chǎn)品亮相德清

2023年11月8日至10日，第一屆中國測繪地理信息大會在浙江省德清縣召開，并同期舉辦了第一屆中國測繪地理信息技術(shù)暨北斗應(yīng)用博覽會。人潮涌動(dòng)的展館中央，中國地圖文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合展區(qū)格外引人注目，令人駐足。眾多測繪地理信息的最新地圖技術(shù)成果和別具特色的地圖產(chǎn)品在這里得到了集中展示，包括在第31屆國際制圖大會中獲得殊榮的“青島老街”“漆境山海”“萬州城區(qū)木雕地形模型”等地圖作品。

和地圖相伴超一甲子的中國工程院院士王家耀 （以下稱“王院士”）對該展區(qū)印象深刻。王院士表示該展區(qū)反映了我們國家近幾年來在地圖和地理信息產(chǎn)業(yè)方面發(fā)展的基本情況。“地圖產(chǎn)品成果豐富且實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并正在往智能化方向前進(jìn)。”

中國工程院院士王家耀

“在手工地圖制圖時(shí)代，制圖人員要拿著小筆尖在圖紙上慢慢勾勒，還要避免出錯(cuò)；地圖完成后還需要更換材質(zhì)進(jìn)行制版，最后才能上機(jī)印刷。可以說，一張地圖的出版需要耗費(fèi)大量的人力物力。我過去曾親身經(jīng)歷，因此很有體會。”

“

王院士感慨，“現(xiàn)在，（地圖繪制到出版）一步到位！”王院士指出在手工地圖制圖時(shí)代，對于普通地圖制圖，地圖制圖工程師們面對的主要是圖形符號形式的紙質(zhì)地圖資料，通過視覺感知、人腦心象、記憶和思維等地圖空間認(rèn)知過程，最后做出判斷并指導(dǎo)自己的地圖制圖作行為，完成地圖制圖任務(wù)。而對于專題地圖制圖，地圖制圖工程師需要面對相關(guān)專題文獻(xiàn)資料和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后以專題地圖表示方法表示，或?qū)y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類（級）處理，并以相應(yīng)表示方法表示。

“為什么現(xiàn)在的地圖文創(chuàng)產(chǎn)品、專題地圖、個(gè)性化地圖層出不窮？正是因?yàn)榈貓D產(chǎn)品的‘設(shè)計(jì)→編繪→出版’全過程實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。地圖生產(chǎn)工藝過程大大簡化，人們的手工勞動(dòng)大大減輕。生產(chǎn)成本降低后，就能兼顧更多的個(gè)性化需求。”

在計(jì)算機(jī)數(shù)字地圖制圖時(shí)代，初期是基于紙質(zhì)地圖數(shù)字化數(shù)據(jù)和符號繪圖程序，由計(jì)算機(jī)可視化再現(xiàn)圖形符號地圖，而專題地圖各種表示方法經(jīng)程序化后，計(jì)算機(jī)也易于繪制出來，處于計(jì)算機(jī)數(shù)字地圖制圖原理的驗(yàn)證階段。

后來采用地圖數(shù)字化方法建立了各種比例尺地圖數(shù)據(jù)庫，地圖制圖工程師就自然想到能不能基于較大比例尺地圖數(shù)據(jù)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)制圖綜合方法來編繪較小比例尺地圖？能不能用計(jì)算機(jī)制圖綜合方法自動(dòng)生成各種較小比例尺地圖數(shù)據(jù)庫從而提高工作效率?這就開啟了基于地圖數(shù)據(jù)庫的自動(dòng)制圖綜合數(shù)學(xué)方法研究。

隨著各種社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也越來越多，對專題地圖數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型研究有了新的發(fā)展，可滿足各類專題地圖的需要。

總結(jié)來看，數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)、時(shí)空大數(shù)據(jù)已經(jīng)徹底改變了地圖學(xué)家和地圖設(shè)計(jì)師們的思維和工作方式，作為地圖學(xué)最終產(chǎn)出的地圖（集）產(chǎn)品“設(shè)計(jì)→編繪→出版”全過程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并在服務(wù)國家戰(zhàn)略和滿足社會大眾化個(gè)性化需求方面發(fā)揮了重要作用。

守正創(chuàng)新 正確理解地圖發(fā)展

在邁向智能化的路上，王院士始終強(qiáng)調(diào)需要正確認(rèn)識地圖學(xué)的重要性。“守正”正是此意。想要往正確的方向發(fā)展必須要守學(xué)問之正，“凡學(xué)問的形成，都是歷代學(xué)人積累而成。而學(xué)人所為，起點(diǎn)必是繼承，我們倡導(dǎo)完整地繼承前人成果，準(zhǔn)確理解前人思想，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)，形成扎實(shí)、優(yōu)化的知識結(jié)構(gòu)和技能結(jié)構(gòu)。”王院士如是說。

當(dāng)前，在“創(chuàng)新”的大潮中出現(xiàn)了許多關(guān)于地圖與地圖學(xué)的觀點(diǎn)。例如地圖的三個(gè)基本特性和地圖學(xué)的三個(gè)基本屬性是否還存在？也有關(guān)于地圖的很多說法，如“只喜歡三維、不喜歡二維”“4D(DLG、DEM、DOM、DRG)過時(shí)了，是古舊產(chǎn)品，要被實(shí)景三維取代”“4D產(chǎn)品不是真正的數(shù)字化產(chǎn)品、不是真正的信息化產(chǎn)品”“認(rèn)為使用了人工智能云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)就是新型基礎(chǔ)測繪，殊不知做出的還是‘4D’老產(chǎn)品”等，眾說紛紜。

那么應(yīng)該如何正確理解這些觀點(diǎn)呢？王院士觀察到地圖學(xué)和地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域有很多名詞、概念和主張，他認(rèn)為學(xué)術(shù)界本就應(yīng)多一點(diǎn)爭鳴和學(xué)術(shù)討論。大家對問題有不同的看法是思想活躍的體現(xiàn)，最重要的是要一起討論和研究。

在王院士看來，4D基礎(chǔ)地圖產(chǎn)品具有不可替代的地位和作用。長期以來，包括西部地區(qū)測圖在內(nèi)的4D基礎(chǔ)地圖產(chǎn)品體系在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)、科學(xué)研究、社會發(fā)展和生態(tài)保護(hù)等公益性事業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了不可替代的基礎(chǔ)性、先行性、科學(xué)性作用，特別是4D產(chǎn)品中的DLG、DEM和DOM更是發(fā)揮了國家重要戰(zhàn)略時(shí)空信息資源的作用。

“我們不能夠忽略4D產(chǎn)品不可替代的地位和作用。”王院士總結(jié)了4D產(chǎn)品的特性：

● ?覽性

可以跨越空間（微觀、中觀、宏觀），??了然?論任何遮擋地?覽城市的?部分，如全市、全省、全國和全世界及其各要素?cái)?shù)質(zhì)量特征、空間分布和空間關(guān)系。

● 解析性

可進(jìn)?地圖圖解分析、圖解解析、快速進(jìn)?地圖量算（位置、表?距離、表?積、體積、坡度、坡向）和地形分析（通視分析、斷?分析、緩沖區(qū)分析、路徑?絡(luò)分析）等。

● 知識性

從地圖上可以獲得各地理要素（現(xiàn)象）的空間分布、空間關(guān)聯(lián)、相互制約的規(guī)律及各種地理要素（現(xiàn)象）的動(dòng)態(tài)變化等??的科學(xué)知識。

● 基礎(chǔ)性

作為國家重要戰(zhàn)略性基礎(chǔ)時(shí)空信息資源，?泛適?于國?經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防建設(shè)、科學(xué)研究和教學(xué)、作戰(zhàn)指揮和軍事?動(dòng)、?們的?作和學(xué)習(xí)，以及各部?和各專業(yè)測繪。

● 表?內(nèi)容的?泛性

不僅可以表??然地理要素，還可以表???社會經(jīng)濟(jì)要素；不僅可以表?可?的地理要素，還可以表?看不?的現(xiàn)象。

●表?對象的外拓性

地圖表達(dá)的對象已由地球擴(kuò)展到?球和其他星球（深空），由陸地?cái)U(kuò)展到海洋（深海），由地球表層擴(kuò)展到地球深部（深地），由地理世界物理空間擴(kuò)展到?絡(luò)空間（深藍(lán)）。

● 時(shí)序性

地圖可以跨越時(shí)間，不僅可以表達(dá)現(xiàn)在，還可以表達(dá)過去（歷史）和未來（規(guī)劃和預(yù)測）。

他表示4D產(chǎn)品的上述特性，從根本上講，是因?yàn)榈貓D采用了科學(xué)抽象的方法（地圖投影、地圖符號、制圖 綜合）。地圖是人類認(rèn)知地理世界的科學(xué)成果，又是人們進(jìn)一步認(rèn)知地理世界和改造世界的科學(xué)工具；地圖跨越時(shí)間和空間、跨越自然和社會人文；地圖是詮釋世界的杰作，是濃縮歷史的經(jīng)典。數(shù)千年的歷史證明，地圖是任何社會、任何時(shí)期都不可或缺的；4D產(chǎn)品是基于數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)和數(shù)字地圖制圖系統(tǒng)生產(chǎn)的，是真正的數(shù)字化產(chǎn)品和真正的信息化產(chǎn)品，事實(shí)證明是不可被取代的，其他任何形式的產(chǎn)品都是4D產(chǎn)品的補(bǔ)充，兩者之間是互補(bǔ)的關(guān)系，而不是后者取代前者，如同數(shù)字地圖不可能取代紙質(zhì)地圖一樣。

??智能 開啟地圖學(xué)新時(shí)代

ChatGPT的爆火，再次掀起了全球人工智能產(chǎn)業(yè)的熱潮。王院士早在數(shù)年前就指出：人工智能技術(shù)正推動(dòng)地圖科學(xué)進(jìn)入新時(shí)代。

“人工智能時(shí)代的到來已是時(shí)代之大勢。世界各國十分重視，不僅理論成果頻出，更加大了投資力度；人工智能技 術(shù)也正催生著新產(chǎn)業(yè)，計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、機(jī)器人、語音與圖像識別等的應(yīng)用越來越廣泛；隨之匹配的人才隊(duì)伍也在不斷壯大。”王院士說。

王院士深入淺出地為記者解釋：“人工智能簡單理解就是讓計(jì)算機(jī)來模擬人的思維，而人的大腦是非常復(fù)雜的，有不同維度的智能，包括感知智能、管理智能和作智能。”

首先是感知智能。對于人本身而言，眼睛、嘴巴、鼻子等五官本身就是一個(gè)感知系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)如今也有各式的感知系統(tǒng)接入，形成了機(jī)器的智能感知系統(tǒng)。王院士舉例：“我 們現(xiàn)在太空有衛(wèi)星，空中有無人機(jī)，更不論常見的手持、背包等各類樣式的傳感器。甚至我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)本身就是一個(gè)感知工具。所以對于計(jì)算機(jī)而言，也存在一個(gè)智能感知系統(tǒng)。

其次是管理智能。如何對海量的信息進(jìn)行存儲管理？人腦會將每天感知到的數(shù)據(jù)通過記憶和遺忘的方式進(jìn)行管理，而計(jì)算機(jī)就要借助大量的服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行有序管理。

最后是作智能。“我們擁有這么多信息，如何去充分利用呢？因此最后一步就是要仿照人腦的作系統(tǒng)，進(jìn)行分析和處理。”王院士指出這個(gè)作系統(tǒng)實(shí)際上就是他常常提及的時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺。“這個(gè)平臺在智能感知系統(tǒng)和智能管理系統(tǒng)的支撐之下，還必須要配備大量的模型算法知識庫。”

王院士正描繪著這一平臺帶來的美好圖景：“在這個(gè)時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺上，用戶可以隨時(shí)隨地地作他所獲取的信息，在平臺上不僅有海量的數(shù)據(jù)也有存儲和管理信息的工具。這樣，這個(gè)平臺就能實(shí)現(xiàn)習(xí)近平總書記所講的‘推進(jìn)技術(shù)融合、數(shù)據(jù)融合、業(yè)務(wù)融合’‘實(shí)現(xiàn)跨層級、跨地域、跨系統(tǒng)、跨部門、 跨業(yè)務(wù)的協(xié)同管理和服務(wù)’。例如國家級、省級、地市級；不同的地方，還要跨系統(tǒng)，如電力系統(tǒng)、郵政系統(tǒng)、公安系統(tǒng)；跨部門，一個(gè)城市有很多個(gè)部門，一個(gè)部門可能還有不同的業(yè)務(wù)……所有工作都在這個(gè)平臺上來作。”

“共享”“協(xié)同”是王院士對時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺的概括。“所以這是一個(gè)服務(wù)平臺、工作平臺、協(xié)同平臺，各個(gè)部門能夠在這個(gè)平臺上完成日常工作，也能解決應(yīng)急事務(wù)。”

對于如何抓住人工智能技術(shù)的機(jī)遇，王院士進(jìn)行了總結(jié)。

一是抓住大數(shù)據(jù)時(shí)代機(jī)器學(xué)習(xí)的新浪潮，開展地圖學(xué)領(lǐng)域深度學(xué)習(xí)等算法的研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“由基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的轉(zhuǎn)變，充分利用時(shí)空大數(shù)據(jù)教會計(jì)算機(jī)自己學(xué)習(xí)，解決地圖學(xué)特別是地圖設(shè)計(jì)、制圖綜合方面的“知識工程”瓶頸問題，其中特征提取和表示是關(guān)鍵。

二是抓住類腦智能研究這個(gè)人工智能領(lǐng)域的新方向，開展面向智能地圖制圖的基礎(chǔ)研究，涉及“人腦地圖”與人類大腦皮層成像和重組的機(jī)理、地圖學(xué)專家基于腦機(jī)理研究的制圖信息處理的途徑、類腦計(jì)算模型和算法及計(jì)算架構(gòu)，需要地圖學(xué)家和類腦智能專家的結(jié)合。

三是抓住人工智能“三要素”，使之成為大規(guī)模智能化地圖制圖生產(chǎn)的核心驅(qū)動(dòng)力。其中，算法是機(jī)器學(xué)習(xí)的核心，是引擎；時(shí)空大數(shù)據(jù)是人工智能的動(dòng)力，沒有時(shí)空大數(shù)據(jù)，算法就不起作用；云計(jì)算支撐的計(jì)算能力是一種新的計(jì) 算模式，具有時(shí)間彈性和空間彈性，支撐“地圖制圖綜合”處理的分布式、協(xié)同化和智能化，采用分布（任務(wù)分解）、 并行（多個(gè)節(jié)點(diǎn)按工作流并行處理）、協(xié)同（算法調(diào)度、各要素相互關(guān)系和各個(gè)任務(wù)“分塊”協(xié)同處理）模式，最終給出“地圖制圖綜合”的解。

王院士訴說了自己的期冀：“我們要主動(dòng)去擁抱新技術(shù)。我相信人工智能技術(shù)對今后地理信息系統(tǒng)甚至是地理信息產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)力是不可估量的。行業(yè)必定會在人工智能技術(shù)和地理信息技術(shù)的交融中獲益良多。我們行業(yè)的數(shù)字化相較 其他領(lǐng)域走在了前列，在人工智能技術(shù)的應(yīng)用上，我希望測繪也能走在前列！”

END

文 / 本刊記者 關(guān)曉晴 圖 / 受訪者提供

編輯：張永超

初審：齊 陽

審核：彭震中

聲明：本文為《中國測繪》原創(chuàng)文章，授權(quán)合作請?jiān)诒竟娞柫粞裕蛑码姡?10-63881401。

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原標(biāo)題：《中國測繪 | 王家耀院士：??智能開啟地圖學(xué)新時(shí)代》

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