展望大數(shù)據(jù)時(shí)代的地球空間信息學(xué)

李德仁

1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079

?

展望大數(shù)據(jù)時(shí)代的地球空間信息學(xué)

李德仁1,2

1. 武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079； 2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079

摘要：20世紀(jì)90年代，隨著全球信息化和互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，地球空間信息學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，推動(dòng)了數(shù)字地球和數(shù)字城市的建設(shè)。21世紀(jì)以來，隨著全球信息化與工業(yè)化的高度集成發(fā)展，出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算，人類進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。本文論述大數(shù)據(jù)時(shí)代地球空間信息學(xué)的特點(diǎn)(無所不在、多維動(dòng)態(tài)、互聯(lián)網(wǎng)+網(wǎng)絡(luò)化、全自動(dòng)與實(shí)時(shí)化、從感知到認(rèn)知、眾包與自發(fā)地理信息、面向服務(wù))和必須解決的主要關(guān)鍵技術(shù)問題(全球空天地一體化的非線性地球參考框架構(gòu)建技術(shù)、星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)、天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)、天基信息智能終端服務(wù)技術(shù)、天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全、基于載荷的多功能衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)與研制)。本文最后給出大數(shù)據(jù)時(shí)代地球空間信息學(xué)的新定義，即地球空間信息學(xué)是用各種手段和集成各種方法對(duì)地球及地球上的實(shí)體目標(biāo)(physical objects)和人類活動(dòng)(human activities)進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)采集、信息提取、網(wǎng)絡(luò)管理、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、空間感知認(rèn)知和智能位置服務(wù)的一門多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。從這個(gè)新定義出發(fā)，地球空間信息學(xué)將在構(gòu)建智慧地球和智慧城市的大數(shù)據(jù)時(shí)代面臨更多的發(fā)展機(jī)遇和艱巨的任務(wù)，必將為人類社會(huì)的進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù);地球空間信息學(xué);云計(jì)算;物聯(lián)網(wǎng);空間感知與認(rèn)知;智慧地球

1人類進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代

1993年9月，美國啟動(dòng)“信息高速公路”計(jì)劃，即國家信息基礎(chǔ)設(shè)施(NII),引發(fā)了席卷全球的信息化革命[1]。1994年，美國啟動(dòng)了國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(NSDI)的建設(shè)，得到了包括我國在內(nèi)的各國的積極響應(yīng)。1995年，中國啟動(dòng)了推動(dòng)全國信息化的“八金”工程，標(biāo)志著我國信息化建設(shè)開始起步。利用基于全球地心坐標(biāo)系的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)地理信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，大量的表述地球自然形態(tài)和人類活動(dòng)的幾何與社會(huì)屬性數(shù)據(jù)和信息被送入電腦，并在互聯(lián)網(wǎng)上流通，形成虛擬的網(wǎng)絡(luò)空間(cyber space)。

1998年，美國副總統(tǒng)戈?duì)柼岢觥皵?shù)字地球”概念，標(biāo)志著全球開始步入數(shù)字地球和數(shù)字城市建設(shè)新階段[1-2]。目前，我國已建成數(shù)字中國基礎(chǔ)框架，已有600多個(gè)城市初步建成數(shù)字城市基礎(chǔ)框架，國家測(cè)繪地理信息局發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上的“天地圖”[3]成了數(shù)字中國和數(shù)字城市的載體，已有數(shù)億網(wǎng)民使用。

2006年，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)正式推出，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化與信息化的綜合集成。通過無所不在的傳感網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)世界關(guān)聯(lián)起來，形成虛實(shí)一體化的空間(cyber physical space)。在這個(gè)空間內(nèi)，將自動(dòng)和實(shí)時(shí)地感知現(xiàn)實(shí)世界中人和物的各種狀態(tài)和變化，由云計(jì)算中心處理其中海量和復(fù)雜的計(jì)算、控制并產(chǎn)生智能反饋，為人類生存繁衍、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)交往和文化享受等諸多方面提供各種智能化的服務(wù)。到2009年，全世界大多數(shù)國家正式提出建設(shè)智慧地球和智慧城市。

Nature和Science分別于2008年、2011年出版了《Big Data》、《Dealing with data》專輯，指出大數(shù)據(jù)時(shí)代已到來[4-5]；2012年3月，美國奧巴馬政府宣布正式發(fā)布“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展倡議”，并正式啟動(dòng)該計(jì)劃，該計(jì)劃的意義堪比20世紀(jì)的信息高速公路計(jì)劃。從科學(xué)界到政界，都逐漸意識(shí)到大數(shù)據(jù)將是挖掘信息和知識(shí)的一個(gè)寶藏。而隨著智慧地球和智慧城市的建設(shè)和應(yīng)用，無所不在的億萬個(gè)各類傳感器將產(chǎn)生越來越多的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量級(jí)將從現(xiàn)在的GB(giga byte)級(jí)和TB(tera byte)級(jí)逐步增長到PB(peta byte)級(jí)、EB(exa byte)級(jí)甚至ZB(zetta byte)級(jí)。若能透徹分析這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)[6-7]，以云端運(yùn)算整合分析，便能快速地將之轉(zhuǎn)化成有價(jià)值的信息，從中探索和挖掘自然和社會(huì)的變化規(guī)律，人們的生活及行為，社會(huì)的潮流、思維和輿論趨向[8]，推斷市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品、服務(wù)甚至政策等各方面的反應(yīng)。利用大規(guī)模有效數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)建模、可視化和發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的時(shí)代就要到來[9-10]。大數(shù)據(jù)具有以下5大特征。

(1) Volume(體量大): 大量TB、PB、EB、ZB級(jí)以上的數(shù)據(jù)等待處理。

(2) Velocity(速度快)：需要響應(yīng)不斷產(chǎn)生的以時(shí)、分、秒甚至毫秒計(jì)的流數(shù)據(jù)。

(3) Variety(模態(tài)多樣): 數(shù)據(jù)來源和類型繁多，文本、圖片、視頻等結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并存，多測(cè)度、多平臺(tái)、多傳感器。

(4) Veracity(真?zhèn)坞y辨): 由于數(shù)據(jù)的噪音、缺失、不一致性、歧義等引起的數(shù)據(jù)不確定性。

(5) Value(價(jià)值巨大): 大數(shù)據(jù)使得人們以前所未有的維度量化和理解世界，蘊(yùn)含了巨大的價(jià)值，大數(shù)據(jù)的終極目標(biāo)在于從數(shù)據(jù)中挖掘價(jià)值。

面對(duì)大數(shù)據(jù)的到來，目前的問題是，由于體量大、速度快、模態(tài)多樣和真?zhèn)坞y辨，很難有效地從大數(shù)據(jù)中挖掘出它的巨大價(jià)值，就會(huì)形成“數(shù)據(jù)海量、信息缺失、知識(shí)難覓”的局面。于是，時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘的理論和算法成為當(dāng)前一個(gè)十分重要的研究命題[11-13]。

筆者認(rèn)為，時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘是從海量、多源時(shí)空大數(shù)據(jù)中自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和提取隱含的、非顯見的模式、規(guī)則和知識(shí)的過程。顯然，數(shù)據(jù)挖掘比數(shù)據(jù)處理和信息提取有更大的難度，需要基于大數(shù)據(jù)和知識(shí)庫的智能推理。

2大數(shù)據(jù)時(shí)代地球空間信息學(xué)的時(shí)代特點(diǎn)

20世紀(jì)90年代的信息革命和網(wǎng)絡(luò)革命催生了地球空間信息學(xué)。地球空間信息學(xué)是測(cè)繪遙感科學(xué)與信息科學(xué)技術(shù)的交叉、滲透與融合，它作為地球信息科學(xué)的一個(gè)重要分支學(xué)科，可為地球科學(xué)問題的研究提供空間信息框架、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和信息處理的技術(shù)方法；同時(shí)，它又通過多平臺(tái)、多尺度、多分辨率、多時(shí)相的空、天、地對(duì)地觀測(cè)、感知和認(rèn)知手段改善和提高人們觀察地球的能力，為人們?nèi)婢_判斷與決策提供大量可靠的時(shí)空信息。地球空間信息學(xué)已在過去20年的數(shù)字地球和數(shù)字城市建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。

當(dāng)前，我們需要關(guān)心的是，人類正進(jìn)入建設(shè)智慧地球和智慧城市的大數(shù)據(jù)時(shí)代，這將對(duì)地球空間信息學(xué)提出新的要求，使之具有新的時(shí)代特點(diǎn)。這些特點(diǎn)可以概括為以下7個(gè)方面。

(1) 無所不在(ubiquitous)。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，地球空間信息學(xué)的數(shù)據(jù)獲取將從空天地專用傳感器擴(kuò)展到物聯(lián)網(wǎng)中上億個(gè)無所不在的非專用傳感器。譬如智能手機(jī)，它就是一個(gè)具有通信、導(dǎo)航、定位、攝影、攝像和傳輸功能的時(shí)空數(shù)據(jù)傳感器；又如城市中具有空間位置的上千萬個(gè)視頻傳感器，它能提供PB和EB級(jí)連續(xù)圖像。這些傳感器將顯著提高地球空間信息學(xué)的數(shù)據(jù)獲取能力。另一方面，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，地球空間信息學(xué)的應(yīng)用也是無所不在的，它已從專業(yè)用戶擴(kuò)大到全球大眾用戶。

(2) 多維動(dòng)態(tài)(multi-dimension and dynamics)。大數(shù)據(jù)時(shí)代無所不在的傳感器網(wǎng)以日、時(shí)、分、秒甚至毫秒計(jì)產(chǎn)生時(shí)空數(shù)據(jù)，使得人們能以前所未有的速度獲得多維動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來描述和研究地球上的各種實(shí)體和人類活動(dòng)。智慧城市需要從室外到室內(nèi)、從地上到地下的真三維高精度建模，基于時(shí)空動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的感知、分析、認(rèn)知和變化檢測(cè)在人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展中將發(fā)揮越來越大的作用。通過這些研究，地球空間信息學(xué)將對(duì)模式識(shí)別和人工智能做出更大的貢獻(xiàn)。

(3) 互聯(lián)網(wǎng)+網(wǎng)絡(luò)化(internet+networking)。在越來越強(qiáng)大的天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)支持下，地球空間信息學(xué)的空天地專用傳感器將完全融入到智慧地球的物聯(lián)網(wǎng)中，形成互聯(lián)網(wǎng)+空間信息系統(tǒng)，將地球空間信息學(xué)從專業(yè)應(yīng)用向大眾化應(yīng)用擴(kuò)展。原先分散的、各自獨(dú)立進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理、信息提取和知識(shí)發(fā)現(xiàn)等將在網(wǎng)絡(luò)上由云計(jì)算為用戶來完成。目前正在研究中的遙感云和室內(nèi)外一體化高精度導(dǎo)航定位云就是其中的例子[14]。

(4) 全自動(dòng)與實(shí)時(shí)化(full automation and real time)。在網(wǎng)絡(luò)化、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的支持下，地球空間信息學(xué)有可能利用模式識(shí)別和人工智能的新成果來全自動(dòng)和實(shí)時(shí)地滿足軍民應(yīng)急響應(yīng)用戶和諸如飛機(jī)與汽車自動(dòng)駕駛等實(shí)時(shí)用戶的要求。目前正在進(jìn)行中的“空間信息網(wǎng)絡(luò)”國家自然科學(xué)基金重大專項(xiàng)，就是要研究面向應(yīng)急任務(wù)的空天信息資源自動(dòng)組網(wǎng)、通信傳輸、在軌處理和實(shí)時(shí)服務(wù)的理論和關(guān)鍵技術(shù)。遵照“一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)融合”的原則，可由若干顆(60～80顆)同時(shí)具有遙感、導(dǎo)航與通信功能的低軌衛(wèi)星組成的天基網(wǎng)與現(xiàn)有地面互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)整體集成，與北斗系統(tǒng)密切協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對(duì)全球表面分米級(jí)空間分辨率、小時(shí)級(jí)時(shí)間分辨率的影像與視頻數(shù)據(jù)采集和優(yōu)于米級(jí)精度的實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)，在時(shí)空大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和天基信息服務(wù)智能終端支持下，通過天地通信網(wǎng)絡(luò)全球無縫的互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)地為國民經(jīng)濟(jì)各部門、各行業(yè)和廣大手機(jī)用戶提供快速、精確、智能化的PNTRC(定位、導(dǎo)航、授時(shí)、遙感、通信)服務(wù)，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)化運(yùn)營的、軍民深度融合的我國天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)[15-16]。

(5) 從感知到認(rèn)知(from sensing to recognizing)。長期以來，地球空間信息學(xué)具有較強(qiáng)的測(cè)量、定位、目標(biāo)感知能力，而往往缺乏認(rèn)知能力。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，通過對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理、分析、融合和挖掘，可以大大地提高空間認(rèn)知能力。例如，利用多時(shí)相夜光遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以對(duì)人類社會(huì)活動(dòng)如城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、戰(zhàn)爭與和平的規(guī)律進(jìn)行空間認(rèn)知[17-18]。又如，利用智能手機(jī)中連續(xù)記錄的位置數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)和電子地圖數(shù)據(jù)，可以研究手機(jī)持有人的行為學(xué)和心理學(xué)。筆者相信，地球空間信息學(xué)的空間認(rèn)知將對(duì)腦認(rèn)知和人工智能科學(xué)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

(6) 眾包與自發(fā)地理信息(crowdsourcing and VGI)。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，基于無所不在的 非專用時(shí)空數(shù)據(jù)傳感器(如智能手機(jī))和互聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算技術(shù)，通過網(wǎng)上眾包方式， 將會(huì)產(chǎn)生大量的自發(fā)地理信息(VGI)來豐富時(shí)空信息資源，形成人人都是地球空間信息員的新局面。但由于他們的非專業(yè)特點(diǎn)，使得所提供的數(shù)據(jù)具有較大的噪音、缺失、不一致性、歧義等問題，引起數(shù)據(jù)有較大的不確定性，需要自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)清理、歸化、融合與挖掘。當(dāng)然，如能在網(wǎng)上提供更多的智能軟件和開發(fā)工具，將會(huì)產(chǎn)生好的效果[19-20]。

(7) 面向服務(wù)(service oriented)。地球空間信息學(xué)是一門面向經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)和大眾民生應(yīng)用需求的服務(wù)科學(xué)。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(shù)據(jù)，優(yōu)選提取信息和知識(shí)的工具，形成合理的數(shù)據(jù)流與服務(wù)鏈，通過網(wǎng)絡(luò)通信的聚焦服務(wù)方式，將有用的信息和知識(shí)及時(shí)送達(dá)給用戶。從這個(gè)意義上看，地球空間信息服務(wù)的最高標(biāo)準(zhǔn)是在規(guī)定的時(shí)間(right time)將所需位置(right place)上的正確數(shù)據(jù)/信息/知識(shí)(right data/information/knowledge)送到需要的人手上(right person)。面向任務(wù)的地球空間信息聚焦服務(wù)，將長期以來數(shù)據(jù)導(dǎo)引的產(chǎn)品制作和分發(fā)模式轉(zhuǎn)變成需求導(dǎo)引的聚焦服務(wù)模式，從而解決目前對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)又多、又少的矛盾，實(shí)現(xiàn)服務(wù)代替產(chǎn)品，以適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求(圖1、圖2)。

圖1　地球空間信息資源網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型Fig.1　Network service model of geospatial information resource

圖2　天地一體化實(shí)時(shí)空間信息服務(wù)系統(tǒng)　Fig.2　Space-ground integrated real-time spatial information service system

3地球空間信息學(xué)必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

上述大數(shù)據(jù)時(shí)代地球空間信息學(xué)的時(shí)代特點(diǎn)表明，地球空間信息學(xué)科一定要抓住大數(shù)據(jù)帶來的機(jī)遇，迎接新需求帶來的挑戰(zhàn)，堅(jiān)持自主創(chuàng)新，深化理論研究，認(rèn)真解決關(guān)鍵技術(shù)問題。除了利用多年來地球空間信息學(xué)已有的研究成果外，天地一體化網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)智能服務(wù)仍需要解決一些新的關(guān)鍵技術(shù)問題[16，21]。

3.1關(guān)鍵技術(shù)1：全球空天地一體化的非線性地球參考框架構(gòu)建技術(shù)

利用裝載有GNSS接收機(jī)的高中低軌衛(wèi)星、地面或星間可跟蹤的高中低軌衛(wèi)星，通過靜態(tài)的地面跟蹤站和動(dòng)態(tài)的衛(wèi)星和天體來共同構(gòu)建和維持我國自主的全球時(shí)空基準(zhǔn)。需突破：

(1) 綜合多源觀測(cè)技術(shù)建立全球統(tǒng)一歷元地球參考框架的理論和方法；

(2) 非線性地球參考框架所涉及的地球構(gòu)造、非構(gòu)造影響因素時(shí)變特征分析；

(3) 全球動(dòng)態(tài)地球框架非線性運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型建立的理論方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

3.2關(guān)鍵技術(shù)2：星基導(dǎo)航增強(qiáng)技術(shù)

利用低軌衛(wèi)星上搭載星載GNSS接收機(jī)連續(xù)觀測(cè)記錄，結(jié)合激光測(cè)距等手段和現(xiàn)有地基增強(qiáng)系統(tǒng)，提高北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位精度。主要需突破：

(1) 基于低軌衛(wèi)星觀測(cè)值的導(dǎo)航衛(wèi)星星歷和鐘差改正；

(2) 聯(lián)合低軌衛(wèi)星/導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的精密單點(diǎn)定位技術(shù)；

(3) 低軌衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星的聯(lián)合定軌；

(4) 星間激光測(cè)距與導(dǎo)航數(shù)據(jù)聯(lián)合平差；

(5) 低軌導(dǎo)航星座優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3關(guān)鍵技術(shù)3：天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

為滿足多源影像與視頻信息傳輸、增強(qiáng)導(dǎo)航以及增強(qiáng)地面移動(dòng)通信的需求，需要通過天網(wǎng)、地網(wǎng)的互聯(lián)互通，構(gòu)建天地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。主要需突破：

(1) 多層次天基網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋；

(2) 業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的空間通信與按需接入；

(3) 天地網(wǎng)絡(luò)融合互聯(lián)與無縫切換；

(4) 高動(dòng)態(tài)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)路由與尋址；

(5) 天地一體化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用體系框架與支撐管理技術(shù)。

3.4關(guān)鍵技術(shù)4：多源成像數(shù)據(jù)在軌處理技術(shù)

針對(duì)衛(wèi)星影像與視頻數(shù)據(jù)量大，星上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理與傳輸能力受限的問題，通過星地資源協(xié)同調(diào)度與優(yōu)化，提升數(shù)據(jù)處理和信息提取效率和自動(dòng)化水平，主要需突破：

(1) 影像(視頻)實(shí)時(shí)校正與幾何定位；

(2) 影像典型目標(biāo)在軌智能檢測(cè)；

(3) 視頻數(shù)據(jù)典型(運(yùn)動(dòng))目標(biāo)提??；

(4) 影像(視頻)在軌數(shù)據(jù)智能壓縮；

(5) 星上通用數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、架構(gòu)與軟件。

3.5關(guān)鍵技術(shù)5：天基信息智能終端服務(wù)技術(shù)

系統(tǒng)除向?qū)I(yè)用戶(行業(yè)、部門)提供服務(wù)外，還需面向互聯(lián)網(wǎng)大眾信息消費(fèi)的主流平臺(tái)—智能手機(jī)與移動(dòng)終端提供定制化的智能天基信息服務(wù)。需要突破：

(1) 面向星地通信網(wǎng)絡(luò)的LBS服務(wù)；

(2) 移動(dòng)終端多模定位技術(shù)；

(3) 新型天基增強(qiáng)導(dǎo)航芯片及核心原件制造；

(4) 消費(fèi)級(jí)衛(wèi)星通信終端(如手機(jī)衛(wèi)星通信外殼)；

(5) 基于星地通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)APP。

3.6關(guān)鍵技術(shù)6：天基資源調(diào)度與網(wǎng)絡(luò)安全

系統(tǒng)通過對(duì)衛(wèi)星資源的動(dòng)態(tài)組織調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星資源組織面向任務(wù)快速應(yīng)變。同時(shí)，由于空間網(wǎng)絡(luò)的開放特性，系統(tǒng)通信鏈路容易受到宇宙射線、電磁信號(hào)干擾，甚至惡意破壞。需突破：

(1) 多任務(wù)條件下衛(wèi)星資源組織模型和求解算法；

(2) 適應(yīng)任務(wù)和資源變化的資源快速重組技術(shù)；

(3) 衛(wèi)星資源動(dòng)態(tài)組織仿真驗(yàn)證和評(píng)價(jià)；

(4) 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可靠性理論與網(wǎng)絡(luò)安全體系構(gòu)架；

(5) 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀安全路由與網(wǎng)絡(luò)自愈技術(shù)。

3.7關(guān)鍵技術(shù)7：基于載荷的多功能衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)與研制

按照“一星多用”要求，單個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)需要集成遙感、導(dǎo)航、通信、數(shù)傳等多種載荷，可根據(jù)任務(wù)需求實(shí)現(xiàn)能力可伸縮。需突破：

(1) 多類型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的載荷配置；

(2) 多載荷集成的衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)；

(3) 衛(wèi)星多載荷一體化協(xié)同布局；

(4) 軟衛(wèi)星技術(shù)；

(5) 衛(wèi)星的高性能與低成本衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)。

為了解決上述7個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，需要充分利用相關(guān)學(xué)科的研究新成果，組織跨學(xué)科的協(xié)同攻關(guān)創(chuàng)新。

4大數(shù)據(jù)時(shí)代地球空間信息學(xué)的新定義

1996年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)曾經(jīng)對(duì)地球空間信息學(xué)(geomatics)給出了它的定義：“Geomatics is a field of activity which，using a systematic approach，integrates all the means used to acquire and manage spatial data required as part of scientific，administrative，legal and technical operations involved in the process of production and management of spatial information．These activities include，but are not limited to，cartography，control surveying，digital mapping，geodesy，geographic information systems，hydrography，land information management，land surveying，mining surveying，photogrammetry and remote sensing.”ISO還給出以下的簡明定義：“Geomatics is the modern scientific term referring to the integrated approach of measurement，analysis，management and display of spatial data”[22]。

從上述定義看出，地球空間信息學(xué)強(qiáng)調(diào)的是用各種手段和集成各種方法對(duì)地球及地球上的實(shí)體目標(biāo)(physical objects)進(jìn)行的空間數(shù)據(jù)采集、量測(cè)、分析、管理和顯示，以及空間信息的提取、管理和應(yīng)用。

今日，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，地球空間信息學(xué)正在形成和具有本文所述的7大時(shí)代特征，因此應(yīng)及時(shí)地賦予它新的符合時(shí)代特征的新定義：地球空間信息學(xué)是用各種手段和集成各種方法對(duì)地球及地球上的實(shí)體目標(biāo)(physical objects)和人類活動(dòng)(human activities)進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)采集、信息提取、網(wǎng)絡(luò)管理、知識(shí)發(fā)現(xiàn)、空間感知認(rèn)知和智能位置服務(wù)的一門多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。

從這個(gè)新定義出發(fā)，地球空間信息學(xué)將在構(gòu)建智慧地球和智慧城市的大數(shù)據(jù)時(shí)代面臨更多的發(fā)展機(jī)遇，迎接更為光榮而艱巨的任務(wù)，它必將為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李德仁. 信息高速公路、空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施與數(shù)字地球[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 1999, 28(1): 1-5.

LI Deren. NII, NSDI and Digital Earth[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 1999, 28(1): 1-5.

[2]GORE A. The Digital Earth: Understanding Our Planet in the 21st Century[J]. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1998, 65(5): 528.

[3]龔健雅, 程靜, 向隆剛, 等. 開放式虛擬地球集成共享平臺(tái)GeoGlobe[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2010, 39(6): 551-553.

GONG Jianya, CHENG Jing, XIANG Longgang, et al. GeoGlobe: Geo-spatial Information Sharing Platform as Open Virtual Earth[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2010, 39(6): 551-553.

[4]HOWE D, COSTANZO M, FEY P, et al. Big Data: The Future of Biocuration[J]. Nature, 2008, 455(7209): 47-45.

[5]REICHMAN O J, JONES M B, SCHILDAUER M P. Challenges and Opportunities of Open Data in Ecology[J]. Science, 2011, 331(6018): 703-705.

[6]單杰, 秦昆, 黃長青, 等. 眾源地理數(shù)據(jù)處理與分析方法探討[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2014, 39(4): 390-396.

SHAN Jie, QIN Kun, HUANG Changqing, et al. Methods of Crowd Sourcing Geographic Data Processing and Analysis[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(4): 390-396.

[7]龔健雅, 李小龍, 吳華意. 實(shí)時(shí)GIS時(shí)空數(shù)據(jù)模型[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014, 43(3): 226-232. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0033.

GONG Jianya, LI Xiaolong, WU Huayi. Spatiotemporal Data Model for Real-time GIS[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(3): 226-232. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0033.

[8]PEI L, GUINNESS R, CHEN R Z, et al. Human Behavior Cognition Using Smartphone Sensors[J]. Sensors, 2013, 13(2): 1402-1424.

[9]LI D R, CAO J J, YAO Y. Big Data in Smart Cities[J]. Science China Information Sciences, 2015, 58(10): 1-12.

[10]李德仁, 姚遠(yuǎn), 邵振峰. 智慧城市中的大數(shù)據(jù)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2014, 39(6): 631-640.

LI Deren, YAO Yuan, SHAO Zhenfeng. Big Data in Smart City[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2014, 39(6): 631-640.

[11]李德仁, 王樹良, 史文中, 等. 論空間數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2001, 26(6): 491-499.

LI Deren, WANG Shuliang, SHI Wenzhong, et al. On Spatial Data Mining and Knowledge Discovery (SDMKD)[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2001, 26(6): 491-499.

[12]李德仁, 王樹良, 李德毅. 空間數(shù)據(jù)挖掘理論與應(yīng)用[M]. 2版. 北京: 科學(xué)出版社, 2013: 4-5.

LI Deren, WAGN Shuliang, LI Deyi. Theory and Application of Spatial Data Mining[M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 2013: 4-5.

[13]李德仁, 張良培, 夏桂松. 遙感大數(shù)據(jù)自動(dòng)分析與數(shù)據(jù)挖掘[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2014，43(12): 1211-1216. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0187.

LI Deren, ZHANG Liangpei, XIA Guisong. Automatic Analysis and Mining of Remote Sensing Big Data[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(12): 1211-1216. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0187.

[14]李德仁, 姚遠(yuǎn), 邵振峰. 智慧地球時(shí)代測(cè)繪地理信息學(xué)的新使命[J]. 測(cè)繪科學(xué), 2012, 37(6): 5-8.

LI Deren, YAO Yuan, SHAO Zhenfeng. New Mission for Surveying, Mapping and Geomatics in Smart Earth Era[J]. Science of Surveying and Mapping, 2012, 37(6): 5-8.

[15]李德仁. 論空天地一體化對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 14(4): 419-425.

LI Deren. On Space-Air-Ground Integrated Earth Observation Network[J]. Journal of Geo-Information Science, 2012, 14(4): 419-425.

[16]李德仁, 沈欣, 龔健雅等. 論我國空間信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2015, 40(6): 711-715.

LI Deren, SHEN Xin, GONG Jianya, et al. On Construction of China’s Space Information Network[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(6): 711-715.

[17]LI X, LI D R. Can Night-time Light Images Play a Role in Evaluating the Syrian Crisis?[J]. International Journal of Remote Sensing, 2014, 35(18): 6648-6661.

[18]李德仁, 李熙. 論夜光遙感數(shù)據(jù)挖掘[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2015, 44(6): 591-601. DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20150149.

LI Deren, LI Xi. An Overview on Data Mining of Nighttime Light Remote Sensing[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(6): 591-601. DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20150149.

[19]李德仁, 錢新林. 淺論自發(fā)地理信息的數(shù)據(jù)管理[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2010, 35(4): 379-383.

LI Deren, QIAN Xinlin. A Brief Introduction of Data Management for Volunteered Geographic Information[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2010, 35(4): 379-383.

[20]LI D R, SHAO Z F. The New Era for Geo-information[J]. Science in China Series F: Information Sciences, 2009, 52(7): 1233-1242.

[21]李德仁, 沈欣. 論智能化對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)[J]. 測(cè)繪科學(xué), 2005, 30(4): 9-11.

LI Deren, SHEN Xin. On Intelligent Earth Observation Systems[J]. Science of Surveying and Mapping, 2005, 30(4): 9-11.

[22]李德仁. 論“Geomatics”的中譯名[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 1998, 27(2): 95-98.

LI Deren. Chinese Translation of the Term “Geomatics”[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 1998, 27(2): 95-98.

(責(zé)任編輯：張燕燕)

修回日期： 2016-03-03

First author： LI Deren(1939—)，male，PhD，professor, PhD supervisor, academician of Chinese Academy of Sciences and Chinese Academy of Engineering，his scientific interests are in theory and methodology of geomatics.

Towards Geo-spatial Information Science in Big Data Era

LI Deren1,2

1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Collaborative Innovation Center of Geospatial Technology, Wuhan 430079, China

Abstract：Since the 1990s, with the advent of worldwide information revolution and the development of internet, geospatial information science have also come of age, which pushed forward the building of digital Earth and cyber city. As we entered the 21st century, with the development and integration of global information technology and industrialization, internet of things and cloud computing came into being, human society enters into the big data era. This article covers the key features (ubiquitous, multi-dimension and dynamics, internet+networking, full automation and real-time, from sensing to recognition, crowdsourcing and VGI, and service-oriented) of geospatial information science in the big data era and addresses the key technical issues (non-linear four dimensional Earth reference frame system，space based enhanced GNSS，space-air and land unified network communication techniques，on board processing techniques for multi-sources image data，smart interface service techniques for space-borne information，space based resource scheduling and network security，design and developing of a payloads based multi-functional satellite platform). That needs to be resolved to provide a new definition of geospatial information science in big data era. Based on the discussion in this paper, the author finally proposes a new definition of geospatial information science (geomatics), i.e. Geomatics is a multiple discipline science and technology which，using a systematic approach，integrates all the means for spatio-temporal data acquisition, information extraction, networked management, knowledge discovering, spatial sensing and recognition, as well as intelligent location based services of any physical objects and human activities around the earth and its environment. Starting from this new definition, geospatial information science will get much more chances and find much more tasks in big data era for generation of smart earth and smart city . Our profession will make great contribution to human sustainable development!

Key words：big data; geospatial information science; cloud computing; internet of things; spatial sensing and recognition; smart earth

第一作者簡介：李德仁(1939—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院院士、中國工程院院士，主要研究方向?yàn)榈厍蚩臻g信息學(xué)理論與方法。

收稿日期：2016-02-01

中圖分類號(hào)：P23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-1595(2016)04-0379-06

引文格式：李德仁.展望大數(shù)據(jù)時(shí)代的地球空間信息學(xué)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(4)：379-384. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160057.

LI Deren.Towards Geo-spatial Information Science in Big Data Era[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(4):379-384. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160057.