作者：高井祥，王堅，李增科
《武漢大學學報·信息科學版》2019第1期
摘 要：測繪學科已經完成由數(shù)字化測繪向信息化測繪的跨越。近年來，人工智能引發(fā)的智能化測繪模式正逐漸蔓延，給測繪地理信息產業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。智能測繪硬件裝備的發(fā)展是推動測繪科技變革的根本動力之一。首先介紹了智能測繪硬件裝備的背景及發(fā)展現(xiàn)狀，然后提出構建云端智能測繪技術體系，指出基于智能硬件+云+智能算法+大數(shù)據等，架構云端智能測繪技術，提出云端虛擬測繪裝備、行業(yè)服務測繪引擎兩個概念。在行業(yè)服務測繪引擎的支持下，構建云端智能測繪技術體系。可以預見，測繪科技的新變革最終將導致測繪科技基本形態(tài)的變革，主要表現(xiàn)為內外業(yè)顛覆、專業(yè)測繪泛化、數(shù)據產品轉向服務的趨勢。最后，對智能測繪科技下高等教育教學內容、教學模式、從業(yè)人員要求、教育改革4個方面進行了分析思考?？傮w來講，測繪科學領域的認知理論、智能硬件、物聯(lián)技術以及云服務技術等正逐漸形成系統(tǒng)的領域應用理論與技術體系，測繪地理信息學科將隨著人工智能的潮流完成新一輪的轉型和發(fā)展。
關鍵詞：人工智能 云端智能測繪 測繪地理信息 思維轉變 模式轉變
自從德國于2012年推行“工業(yè)4.0計劃”以來，人工智能再次成為世界各國關注的焦點，不斷引發(fā)工業(yè)的變革。2013年，歐盟委員會與歐洲機器人協(xié)會合作完成了平流層-對流層過程及其在氣候中的作用(Stratosphere-troposphere Processes and their Role in Climate, SPARC)計劃，資助機器人領域的創(chuàng)新。2016年，AlphaGo與李世石人機圍棋對決，使人工智能發(fā)展得到社會新的認識;同年12月，美國白宮發(fā)布報告稱，人工智能的時代即將來臨。2017年，英國政府發(fā)展“現(xiàn)代工業(yè)戰(zhàn)略”，在人工智能、機器人技術和5 G領域投入47億英鎊的研發(fā)資金。同年，日本政府制定了人工智能產業(yè)化路線圖，分3個階段推進人工智能在制造業(yè)、醫(yī)療等領域的應用[1]。
中國自2015年國務院印發(fā)《“互聯(lián)網+”行動指導意見》起，就開始促進人工智能在智能家居、智能終端、機器人等領域的應用。2016年初，工信部聯(lián)合發(fā)改委發(fā)布了《智能硬件產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展專項行動》。2017年，國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，進一步明確人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略地位。2018年，教育部印發(fā)了《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，吹響了教育領域人工智能發(fā)展的號角。經過60多年的演化，特別是在云計算、神經網絡等新理論及社會需求的共同驅動下，人工智能呈現(xiàn)出深度學習、跨界融合、人機交互、自主操控等新特征。作為當前最具代表性和突破性的科技力量之一，人工智能無疑成為了各國技術發(fā)展中必不可少的一環(huán)，工業(yè)、教育等多個領域的智能化趨勢勢不可擋。
測繪裝備的核心部件及測繪產品發(fā)展是測繪學科革新的重要基礎。芯片、傳感器、云平臺以及大數(shù)據等技術的革新，為智能測繪硬件的進步提供了有效支撐，智能測繪硬件和產業(yè)的結合已經成為傳統(tǒng)產業(yè)升級的風向標。伴隨著地理信息產業(yè)的快速發(fā)展及空間地理信息產業(yè)的深度整合，測繪行業(yè)逐漸融入物聯(lián)網、人工智能、云處理等高新技術，測繪對象也擴大到了海、陸、空、天[2]。因此，智能測繪硬件在實現(xiàn)深度學習時空大數(shù)據、智能分析空間動態(tài)信息、實時進行決策與控制輔助的智能化測繪地理信息技術中扮演著關鍵的角色[3]。
本文首先討論了智能背景下測繪硬件裝備發(fā)展的趨勢，對智能測繪硬件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行了探討。然后基于智能測繪硬件，架構云端智能虛擬測繪技術，提出利用分布式、云端、大數(shù)據技術、智能算法等架構虛擬測繪儀器的思想。同時，思考了智能測繪軟件虛擬裝備的發(fā)展以及由此帶來的智能化測繪科技基本形態(tài)。最后，從教學內容、教學模式兩個方面討論了智能測繪科技對高等教育的要求。
1 智能測繪硬件裝備
測繪地理信息行業(yè)是“勞動密集型”產業(yè)，根據相關產業(yè)報告，測繪地理信息數(shù)據采集占據總產值的70%，而大量的數(shù)據采集工作需要高性能的測繪硬件[4]。隨著硬件技術和測繪理論的快速發(fā)展，智能化硬件是廣大用戶的需求。
性能和需求是衡量測繪硬件的關鍵指標。智能化硬件要求硬件功能多、尺寸小、內存大、功耗低、價格低廉、續(xù)航時間長等[5]。例如，高性能的慣性器件能夠實現(xiàn)高精度數(shù)據采集、計算、顯示一體化，并且能夠與其他傳感器進行集成;高精度多核全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)導航芯片、全系統(tǒng)全頻點定位定向模塊、多系統(tǒng)高精度定位板卡是實現(xiàn)高精度導航定位的基礎;大疆無人機集成多種傳感器，能夠滿足遙感、導航等不同需求。技術的發(fā)展無止境，只有發(fā)展高性能的智能化硬件技術，才能被用戶認可，滿足時代發(fā)展要求。單一的硬件已無法滿足復雜環(huán)境以及高精度的需求，多硬件智能化集成將是未來智能化硬件技術的發(fā)展趨勢[6-7]。作為與云計算、大數(shù)據等緊密結合的智能化測繪主要組成，測繪裝備智能硬件特征明確，主要分為小型低功耗泛化終端、高速物聯(lián)大數(shù)據采集裝備、云端智能運算中心3個方面。
全站儀、水準儀、全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)等小型低功耗測繪裝備在高精度的控制測量中有著廣泛的應用。但小型低功耗泛化終端操作繁瑣、專業(yè)性強，仍難以擺脫較為沉重的外業(yè)工作[8]。高速物聯(lián)大數(shù)據采集裝備一般包括視頻影像監(jiān)測終端、連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)數(shù)據實時采集終端、自然資源信息在線監(jiān)測系統(tǒng)等，如圖 1所示的地形圖自動更新系統(tǒng)。這種大數(shù)據采集裝備在眾包采集、違法用地和違法建筑的視頻監(jiān)測以及人流量在線采集等方面有著較為廣泛的運用，有利于實現(xiàn)無人化、高效率、高靈敏度的實時監(jiān)測。測繪地理信息在不斷地擴展自身數(shù)據采集手段(無人機、無人船等)的同時，也將結合大數(shù)據與云平臺為智能決策提供新的技術手段[9-10]。目前，云端智能運算中心的代表者為阿里云、千尋云端定位等?；谠破脚_的百度無人駕駛，智能定位導航算法讓測繪地理信息走進了人們的生活，滿足了人們的個性化位置服務需求。與智能決策相關的道路交通決策疏導、智慧城市運行的終端應用提高了人們的生活品質?；谖恢玫亩愂宅F(xiàn)場支持、智慧礦山決策支持則大大減少了企業(yè)市場的人力成本[11]。
測繪智能硬件領域總體還處于發(fā)展的起步階段，缺乏有活力的創(chuàng)新環(huán)境。但隨著人工智能時代下測繪產品個性化、智能化的需求逐漸增加，高效、智能的“互聯(lián)+智慧”特征要素逐漸成為智能測繪硬件生產者的關注重點。測繪地理信息應當牢牢把握人工智能及智能硬件催生的歷史發(fā)展機遇，依靠智能硬件具備的超強數(shù)據處理及連接能力，緊密結合云計算、大數(shù)據等高新技術，通過設備傳感實現(xiàn)人機交互、現(xiàn)實感知的智能化測繪應用。
2 云端智能測繪技術
2.1 云端虛擬測繪裝備
云端虛擬測繪裝備有別于一般的云計算系統(tǒng)。智能測繪硬件前端與云計算結合的關鍵在于儀器的智慧能力，即高精度、高智能和高自動化[12]。因此除了采用多嵌入式硬件設計、研發(fā)云計算測試服務軟件、搭建分布式平臺外，更需要大量的智能測繪核心算法，解決將云計算應用到工程中的實際難題。
一般來說，智能測繪硬件前端可以直接連接各種智能傳感器，保障實時的數(shù)據傳輸及遠程控制，并在智能前端之間存在功能的交叉性。從數(shù)據采集的精密性來說，測繪前端可以采集多種動、靜態(tài)的高精度信號。從智能化方面而言，測繪智能前端本身就包含了自動化測量、離線工作、自適應數(shù)據格式分發(fā)等多種能力。在可靠性方面，需要保證可測量信號的抗電磁干擾能力以及數(shù)據傳輸?shù)陌踩?。對于如國防軍工、資源勘探、公共服務等方面的關鍵性應用，云端虛擬設備必須通過政府相關法律法規(guī)的許可認證[13]。
對于智能測繪硬件前端動態(tài)服務的可靠性，一般需要解決硬件的自動檢校設置、信號自動辨識、傳感器自動識別、粗差數(shù)據的實時探測等問題，用以適應智能測繪中無人化自動檢測的情況。虛擬測繪儀器主要以物聯(lián)在線監(jiān)測進行工作，通過遠程實時監(jiān)測，回傳數(shù)據，然后提供實時服務。當在物聯(lián)困難的特殊時刻，智能測繪硬件前端也需要具備離線存儲及緊急測繪的功能。云端虛擬測繪設備的基本組成如圖 2所示。
2.2 行業(yè)服務的測繪引擎
云端智能測繪技術的一個關鍵問題就是如何設計出既符合云計算技術原理，又適合工程應用，并以提供實時可靠的服務為主要形式的服務軟件系統(tǒng)。當前測繪行業(yè)的軟件一般為單機化軟件，操作繁瑣，靈活性低。因此，測繪服務軟件需要向并行計算、網格計算等云計算模型進行轉型，滿足多用戶的協(xié)同處理。服務軟件的商業(yè)模式可以采用云計算技術完成大量信息的并行存儲和復雜分析，最終通過智能測繪軟件將智能決策的分析結果和報告通過網絡方式輸出到各式各樣的終端設備上。圖 3給出了測繪綜合服務引擎的初步構想。
同時，行業(yè)服務的智能化處理模塊需要包括多用戶系統(tǒng)，以保證多名用戶和行業(yè)專家對數(shù)據計算結果進行遠程聯(lián)合分析及抽查復核，給出進一步的診斷結論。對于服務終端用戶而言，測繪云服務軟件僅作為一種智能決策顯示工具，與運行平臺及操作系統(tǒng)無關。實際操作人員不需要接受過多復雜的培訓和練習，位于云端的智能化處理模塊能夠自行進行信息存儲和相關功能配置，保障用戶數(shù)據安全。圖 4表示云計算服務平臺的運行流程。
2.3 云端智能測繪技術體系
云端智能測繪服務系統(tǒng)中的智能測繪硬件前端、云中心服務軟件和用戶都是分布在互(物)聯(lián)網的不同節(jié)點上。在整個系統(tǒng)的運行過程中，用戶使用的前端智能測繪硬件是整個智能測繪技術體系的基礎，并作為實時數(shù)據及智能決策分析的交流平臺。信號測量和數(shù)據分析過程由云中心服務平臺自動完成，相關的專家及專業(yè)人員提供智能決策的抽查服務或滿足用戶定制的個性化需求。在云端智能測繪技術體系中，用戶無需深入了解儀器的操作方式和數(shù)據分析的原理知識。此時，用戶得到的并不是原始產品，而是最終的智能決策服務。這就是云端智能測繪技術的服務型特點，云智慧測繪系統(tǒng)將使傳統(tǒng)的產品形式轉為現(xiàn)代的服務形式。
3 智能化測繪科技基本形態(tài)變革
智能測繪硬件及測繪技術的發(fā)展將使測繪科技的基本形態(tài)發(fā)生巨大變革。從數(shù)字化到信息化，測繪科學簡化了復雜的儀器作業(yè)、信息采集流程，但仍然是以測繪作業(yè)流程為基礎。上述智能化發(fā)展將推動測繪科技的業(yè)態(tài)發(fā)生本質變化。
3.1 內外業(yè)測繪顛覆
20世紀90年代以前，受限于技術發(fā)展，模擬測繪一直占主導地位，作業(yè)時間長，成果形式單一。20世紀90年代至21世紀初，3S技術和信息技術使測繪學科向數(shù)字化測繪轉變。自2000年開始，微電子機械系統(tǒng)技術得到大規(guī)模使用?；ヂ?lián)網和信息技術使中國測繪進入一個新的階段——信息化測繪[14-17]。隨著傳感設備的精確性和可靠性越來越高，勘測類及數(shù)據采集工作將由各類智能儀器及傳感器來完成。同時，航天航空技術和攝影測量遙感技術的逐漸成熟擴展了測繪的觀測對象。測繪領域從地表延伸到空間、整個地球系統(tǒng)乃至深空，測量周期逐漸按照人們需求實現(xiàn)實時觀測。
然而，盡管信息化測繪背景下內外業(yè)工作的界限、分工逐步模糊，但其仍遵循線性思維，分為外業(yè)測量和內業(yè)處理的工作模式。GNSS等技術的出現(xiàn)仍然不能使測繪完全脫離外業(yè)作業(yè)。無人機攝影測量雖然可以大幅降低外業(yè)工作量，但內業(yè)數(shù)據量及處理難度也成指數(shù)增加。因此，在快速發(fā)展的云計算、“測繪大腦”的設想以及分布物聯(lián)網技術支撐下，智能化測繪在測繪地理信息行業(yè)已經呈現(xiàn)出廣泛的應用前景。智能化測繪時代外業(yè)工作可能徹底消失，顛覆傳統(tǒng)內外業(yè)的思維。未來智能化的滑坡監(jiān)測、基坑監(jiān)測、橋梁監(jiān)測系統(tǒng)或許將不需要外業(yè)測量工作。
3.2 專業(yè)測繪轉向泛化
智能化背景下，測繪工作將表現(xiàn)出高科技、操作簡單化、行業(yè)多樣化的特征。一方面對研發(fā)類測繪人才要求越來越高;另一方面，從事實際測繪操作方式更為簡單，非專業(yè)人員即可完成專業(yè)人員難以完成的測量工作?？梢灶A見，單獨就人才需求的變化而言，一些從事智能設備與測繪類產業(yè)的深度融合工作和企事業(yè)機關單位的測繪管理工作的復合型人才需求將會大量增加，一線工作的應用型測繪人才需求也會呈上升趨勢。新的市場模式對應用型測繪人才的基礎能力、實踐能力、服務能力、適應能力提出了更高的要求。
同時，位置服務等新的學科內涵將拓展測繪工作的內容，無人駕駛、室內測圖、智慧城市等新的領域將提供廣泛的測繪市場，并將進一步增加如手機測繪、眾包測繪等新的測繪工作內容與工作方式。
3.3 數(shù)據產品轉向服務
測繪是采用最新的儀器裝備采集多尺度、海量異構數(shù)據，并采用概率論、數(shù)理統(tǒng)計等多種數(shù)學手段進行分析處理，為自然資源監(jiān)測、市政工程、礦產勘查、海洋生產等提供基礎時空數(shù)據產品的科學。隨著各行各業(yè)需求的豐富、學科發(fā)展的交融，測繪科技處理除提供數(shù)據產品外，將逐步關注基于數(shù)據產品的行業(yè)服務。智能化測繪技術的不斷進步以及各行業(yè)的交叉，用戶將更為關注測繪科技能給本行業(yè)提供服務的整體解決方案，而非數(shù)據產品本身。未來測繪數(shù)據采集智能化、智能測繪云分析將進一步為測繪服務提供理論與技術保證?；ヂ?lián)網和北斗BD-3相結合將為全球用戶提供穩(wěn)定的應急搜救服務，為漁業(yè)、農業(yè)等領域提供常規(guī)服務。在智能測繪云的支持下，依托互聯(lián)網、物聯(lián)網、車聯(lián)網、移動通信網、北斗網等網絡交叉融合，可形成能實現(xiàn)覆蓋全行業(yè)、一站式的智能化測繪服務系統(tǒng)。
4 智能測繪科技對高等教育的要求
4.1 教學內容發(fā)生變化
測繪地理信息學科內容的變革源于不斷增長的時空位置服務需求。測繪地理信息的學科結構將融匯交叉到地理學、信息學乃至管理學、經濟學、社會學等學科。
位置空間數(shù)據的采集、管理是測繪學的基本內容，空間信息的獲取通常需要以測繪的手段來完成。信息學關注信息的獲取、傳輸、分類、處理及利用。地理學則借助自然環(huán)境、人文分布等內在規(guī)律的研究幫助指導人類活動。管理學研究能夠合理組織人力、財產、物品等因素來提高生產力的水平。此外，測繪學科在國民經濟社會的建設發(fā)展中也具有不可忽視的作用，如水利建設、交通建設、城鄉(xiāng)規(guī)劃建設等。應用需求的增長推動著測繪地理信息學科與其他學科的交叉融合，學科之間的互通有無也促進了測繪地理信息學科的不斷發(fā)展。
4.2 教學模式發(fā)生變化
智能化測繪科技教學內容復雜，涉及多種交叉學科。傳統(tǒng)教師為主體的教學方式已經不適應教學需求。只有針對學生制定個性化學習規(guī)劃，通過學生自主學習、合作探究、交流展示、遷徙運用等環(huán)節(jié)，使學生主動參與進去，才能真正對智能化測繪教學的內容有本質理解。發(fā)揮學生的個性、特長、需求進行施教，也利于學校未來為學科發(fā)展做更多貢獻。
智能化背景下，教師的知識結構很難單方面滿足學生對課堂教學的需求，需要充分利用智能化教學平臺，將足夠多的測繪涉及的理論、方法、技術及案例通過智能化教育平臺傳遞給學生。教學過程也要求在教師、學生和人工智能之間保持平衡。教師需要向學生與人工智能邊學、邊教;人工智能通過與老師及學生的交流、實時學習改變教學策略;學生在與教師、人工智能交流中，達到學習的目的。通過三者的平衡，培養(yǎng)出自主思考、自主創(chuàng)新的創(chuàng)造型人才，實現(xiàn)智慧教育。
4.3 從業(yè)人員要求發(fā)生變化
伴隨著用戶不斷增長的地理信息服務需求，測繪行業(yè)的從業(yè)人員將面臨新的挑戰(zhàn)。智能硬件的發(fā)展可以使得測繪地理信息的獲取越來越智能化，測繪智能裝備也將更加注重儀器功能的動態(tài)化、實時化、經濟化。這不僅提高了空間數(shù)據采集的效率，也在一定程度上表示以往需要專業(yè)測繪技術人員處理的測繪地理信息將會被大眾以更快捷方便的手段獲取，專業(yè)化的門檻將變得模糊。因此，對于智能硬件在測繪地理信息領域引起的“全面測繪”的現(xiàn)象，從業(yè)人員本身的職能身份發(fā)生變化。社會需求需要從業(yè)人員朝著創(chuàng)新型、服務型和功能型的方向發(fā)展。在實際的作業(yè)過程中，從業(yè)人員不僅需要為大眾提供快速獲取地理信息服務的方法、信息和接口，也需要引導配合各種工程的解決方案，靈活運用現(xiàn)代化的測繪手段獲取精確的測繪地理信息。
4.4 測繪教育改革
為了面對測繪智能硬件所帶來的測繪教育的挑戰(zhàn)，測繪行業(yè)教學應當及時瞄準行業(yè)發(fā)展，基于現(xiàn)階段的行業(yè)背景對測繪地理信息從業(yè)人員的要求，對傳統(tǒng)測繪教學模式提出改革，努力培養(yǎng)出能夠適應社會需求、為社會做貢獻的新時代測繪從業(yè)者。
然而，像目前發(fā)展的無人機航測、三維激光掃描儀、傾斜攝影設備、多波束水下地形測量等新型裝備，由于其昂貴的價格和較高的技術含量，許多高校都沒有這些儀器的培養(yǎng)環(huán)境，學生教育還停留在全站儀、水準儀和實時動態(tài)(real-time kinematic，RTK)等傳統(tǒng)設備，人才培養(yǎng)與社會需求有較大脫節(jié)。許多監(jiān)測系統(tǒng)都可以將傳感器采集的數(shù)據實時傳輸?shù)椒掌鳎缓笤赪eb端在線查看，還可以及時發(fā)送預警信息，目前測繪專業(yè)課程的知識都不足以開發(fā)這樣的系統(tǒng)，對于如全國土地調查、地理國情監(jiān)測的項目，傳統(tǒng)課程更是不能解決。在目前智能硬件發(fā)展的現(xiàn)狀下，測繪教育應當從課程結構和儀器設備兩方面進行改革。一方面，高校測繪可以增設一些網絡技術、信息技術和智能化方面的基礎課程，重視培養(yǎng)學生的數(shù)據處理能力，拓寬學生的知識面;另一方面，可以適當引入新儀器，并主動與校外企事業(yè)單位聯(lián)合，通過校外實習加強學生的實踐能力。
對于新增設的課程應保證兩個方面：①注重理解智能裝備基礎原理，這樣可以啟發(fā)學生在儀器設備的創(chuàng)新，可以發(fā)現(xiàn)一些智能測繪裝備都是新老技術的組合。②注重數(shù)據處理能力和軟件編程能力，對于新型測繪儀器采集的數(shù)據處理是成果輸入的必經之路，目前新型測量裝備在軟件方面存在的主要問題是軟件使用不夠靈活，多數(shù)情況下測量設備輸出的數(shù)據并不能滿足項目的需要，這就需要開發(fā)專用的軟件來處理數(shù)據。
5 結語
人工智能時代，智能硬件產品和服務發(fā)展空間將變得極為廣闊。未來的智能硬件產品將依托高新的人工智能軟件和硬件技術，推動社會的各個領域朝著智能化的方向不斷發(fā)展。
新的智能設備是人工智能時代發(fā)展的新需求，是測繪領域發(fā)展的新方向，是測繪地理信息轉型升級的關鍵點，是測繪地理信息跨越發(fā)展的新追求。測繪地理信息技術從開始發(fā)展到現(xiàn)在，都離不開便捷的儀器設備。光學水準儀、全站儀等傳統(tǒng)設備提供了人們丈量大地的途徑，現(xiàn)在的無人機、無人船更是為外業(yè)測量提供了極大的便利。儀器設備的更新?lián)Q代不斷影響著測繪地理信息的作業(yè)模式與作業(yè)內容。因此，在人工智能時代，測繪地理信息技術應當緊隨時代潮流，從智能測繪的目標出發(fā)，創(chuàng)新創(chuàng)造地開發(fā)出智能軟件及硬件技術相結合的智能設備。智能測繪技術的發(fā)展與智能設備更新的良性循環(huán)，將打破傳統(tǒng)的數(shù)據處理與數(shù)據服務模型，實現(xiàn)測繪地理信息的智能轉型升級。加強智能設備研發(fā)，推廣智能設備應用，將會催進智能測繪向著更高的領域不斷前進。