院士論壇 | 李德仁：地球空間信息學的使命

2020-09-22 測繪學報

《測繪學報》

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註：本文為出版於2019年10月的《李德仁院士文集》的序言。作者李德仁院士。《李德仁院士文集》書目錄見二條。

李德仁

博士，教授, 中國科學院院士, 中國工程院院士, 國際歐亞科學院院士, 現從事以遙感、全球衛星定位系統和地理信息系統為代表的空間信息科學與技術的科研與教學工作, 並推進地理國情監測、數字城市與數字中國、智慧城市與智慧中國的研究及相關建設。

現代科學研究的基本對象集中於物質、能量和信息三大主題，從20世紀20年代信息概念基本形成起，到40年代由於信息技術的突破和信息理論的創立，人類開始進入了資訊時代。

隨後，信息技術和信息理論的研究及應用工作開始全面展開。50年代以來，信息革命的浪潮席捲全球。到90年代初，信息概念與信息技術已經深入到生產與生活的各角落，信息產業迅速崛起，以信息高速公路為主幹的社會信息網絡正在世界許多國家加速興建，信息革命已向人類展示了光明燦爛的前景。

信息革命主要經歷了兩次大的浪潮:第一次形成了信息科學和信息產業，並以電子計算機的發明為標誌；第二次信息革命作為一次深遠的產業革命，以微電子技術、空間技術、信息技術和現代通信技術相結合為特徵。它給整個社會的生產、管理、服務和生活系統乃至現有的社會產業結構所帶來的影響，遠遠超過以蒸汽機為標誌的第一次工業革命對社會經濟、政治、軍事、文化等各方面的影響。

數字地球時代的機遇與挑戰

現在，我們已經進入「數字地球」時代。隨著物聯網、雲計算、大數據和人工智慧等技術的進步，人類正在大踏步地向萬物互聯的「智慧地球」時代邁進。

地球作為人類賴以生存的最基本的物質基礎，與社會可持續發展密切相關。人與自然的協調發展是社會可持續發展最基本的條件。因此，人類在認識自然、改造自然的過程中必須正確處理人與自然的關係，如合理利用資源、提高資源的利用效率、統籌規劃國土資源的開發和整治、控制環境汙染，以及改善生態環境等。

隨著社會和技術的迅速發展，人類改造自然的能力不斷増強，人類活動引起的全球變化目益成為人們關注的焦點。從最近幾個世紀的歷史看，人類活動對地球生態的影響主要是向變壞的方面發展。隨著世界人口的急劇增加，造成的資源大量消耗、生態環境惡化已是全世界有目共堵的事實。因此可以概括地講，人口、資源、環境和災害是當今人類社會發展所面臨的四大問題。

地球及其環境個由大氣圈、水圈、生物圈和巖石圈構成的複雜巨系統，為了解決人類社會可持續發展的問題，需要人們不斷地認識地球。

地球科學作為一門已有數百年發展歷史的學科，在研究地球及其各圈層的起源、結構、演化與運動規律等基礎理論方面，已取得了突破性進展，並通過對上述四大問題的研究與戰略決策，在現代經濟與社會可持續發展中佔有舉足輕重的地位。

隨著人類社會步入資訊時代，一方面，有關地球科學間題的研究需要以信息科學為基礎，並以現代信息技術為手段，建立地球信息的科學體系；另一方面，地球信息技術的發展又極大地促進了地球科學研究，特別是對地觀測技術的發展，使一些重大的地學間題面臨著新的突破。

地球空間信息學的發展與使命

地球空間信息學正是在地球科學與信息科學技術的交叉、滲透與融合的基礎上應運而生的。它作為地球信息科學的一個重要分支學科，可為地球科學問題的研究提供空間信息框架、數學基礎和信息處理的技術方法；同時，它又通過多平臺、多尺度、多解析度、多時相的空、天、地對地感知和認知手段改變和提高人們觀察地球的能力，為人們作出準確而全面的判斷與決策提供大量可靠的信息。

從本質上講，地球空間信息學應作為認知科學的一個組成部分，它要研究和解決加何從各種對地觀測數據中智能地提取信息和知識的問題，從而實現數據一信息一知識的自動轉化。

  • 來自衛星導航定位系統的對地觀測數據是以點方式記錄電磁波信號，代表從衛星到達地面目標點的相位和時延；

  • 來自光學遙感衛星的數據是以面方式來反映地表光譜反射率的灰度矩陣;來自合成孔徑雷達衛星的數據是衛星後向反射到目標的相位和振幅記錄。

這些不同類型的電磁波信號均要穿過大氣的電離層和對流層，會對原始信號產生幹擾和影響，所以地球空間信息學的感知和認知涉及各類傳感器的建模、校正與標定，自主定位與定姿，各類數據的預處理與精處理，特徵提取與目標識別，語義與非語義信息的提取，信息融合與集成，以及空間數據挖掘與知識發現等方面，是一個複雜問題。

當前，隨著衛星通信技術和嵌入式通用計算技術的發展，為適應應急任務對航天信息感知和認知的實時要求，在軌處理和嵌入式實時智能化處理以實現數據一信息一知識自動轉化的問題已被提到日程上來。

隨著物聯網和雲計算技術的出現，無所不在的傳感器網絡將現實物理空間活動中的人、車、物的時空信息直接映射到數字網絡空間，使地球空間信息學從對地觀測拓展到對人和人類社會活動的觀測，通過地學計算可支持定量化的社會科學研究。

夜光遙感多時相數據可用於戰爭與和平、社會經濟發展、碳排放、城市發展和全球貧困分布諸方面的研究，衛星導航定位系統和手機數據記錄著人、車出行和物質的流通，這些時空大數據的智能分析將支持科學處理人與自然的關係，推進人類社會的綠色和可持續發展。

地球空間信息學又是一門面向經濟建設、國防建設和大眾民生應用需求的服務科學。它需要從理解用戶的自然語言入手，搜索可用來回答用戶需求的數據，優選提取信息和知識的工具，形成合理的數據流與服務鏈，通過網絡通信的方式，將有用的信息和知識及時送達給用戶。

從這個意義上看，地球空間信息服務的最高標準是在規定的時間(right time)將所需位置(right place)上的正確數據/信息知識(right data/information/knowledge)送到需要的人手上(right person)。面向任務的地球空間信息聚焦服務，將長期以來數據導引的產品製作和分發模式轉變成需求導引的聚焦服務模式，從而解決目前對地觀測數據「又多、又少」的矛盾(每天接收的各類衛星數據達到TB甚至PB級，而用戶需要的數據又十分匱缺)，實現服務代替產品，通應當今大數據智能時代的需求。

我們這一代人應當努力實現地球空間信息學的上述歷史使命。

李德仁

2019年8月18日

《測繪學報（英文版）》（JGGS）專刊徵稿：LiDAR數據處理

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