技术陈军院士等现实立体中国建设的基本定位与技术路径

地理基础知识入门_地理基础知识_基础地理/

 

本文改编自学术论文《现实立体中国建设的基本定位》

及技术路径》

发表于《武汉大学学报·信息科学版》2022年第10期

陈军 1,2 刘建军 1,2 田海波 1,3

1 国家基础地理信息中心,北京,100830

2 自然资源部时空信息与智能服务重点实验室 北京 100830

3 自然资源部全球地理信息工程技术创新中心 北京 100830

陈军

博士,教授,中国工程院院士,目前从事时空信息建模、更新与服务研究。 chenjun@ngcc.cn

刘建军

博士,研究员。 liujianjun@ngcc.cn

概括

当前,国家大力推动数字化发展,推进数字经济、数字社会、数字政府建设,带动生产生活、治理方式全面深入变革,对基础设施建设提出了新的更高要求。测绘产品和服务。 针对这一重大需求,自然资源部提出构建现实立体中国,开发能够客观真实反映人类生产、生活和生态空间的现实立体信息产品,建设现实立体中国。一个可以与真实三维空间实时互联的数字三维空间。 中国提供了新一代三维时空信息架构、高质量时空信息产品和高水平时空信息服务。 这不仅是未来国家和地方基础测绘的重大任务,也是一项因素复杂、技术难度极大的科技工程。 有效开展这项重要工作,要深化科学认识、理清技术逻辑、明确基本定位、进行顶层设计。 分析了现实立体中国建设的发展背景,探讨了其基本定位和总体技术逻辑,并提出了主要技术实现路径。

引用

陈军、刘建军、田海波。 现实立体中国建设的基本定位与技术路径[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2022, 47(10): 1568-1575. DOI:10.13203/j.whugis20220576

20世纪90年代以来,我国大力建设数字测绘技术体系,全面开展基础测绘工作,建立了国家、省、市基础地理信息数据库系统,为用户提供尺度多样、内容丰富、更新迅速、且覆盖全面。 4D数据产品有力支撑了经济建设、社会发展、信息化建设和国防建设,推动了地理信息及相关产业的蓬勃发展。 这些4D数据产品主要利用矢量或栅格数据模型对现实世界进行数字抽象、描述和表达,具有鲜明的多维和动态特征。 由此产生的数字地理空间框架本质上是 2(或 2.5)维。 虽然它在各种项目建设和管理决策中发挥着重要作用,但很难完全满足在真实的三维数字空间中观察、测量、分析、研究和模拟的实际需要。

面对这一重大需求,国际学术界开展了GIS(地理信息系统)中三维空间数据的建模与应用研究。 2000年,国际摄影测量与遥感学会(ISPRS)将三维数据模型设计、建模和可视化列为优先研究领域,鼓励发展基于新型多传感器数据的自动地表重建,同时考虑到研究几何-语义-时间三维目标建模、仿真、可视化和动画技术; 后来逐渐扩展到多维度、复杂的时空动态建模和数字孪生、自动更新和基于场景的表达。 在国家自然科学基金委的支持下,国内武汉大学、国家基础地理信息中心、香港理工大学等高校和研究机构也开展了多维动态GIS空间数据处理、GIS三维数据建模与更新等研究。 1997年以来,连续举办了七届多维动态GIS国际学术研讨会,为国内GIS三维空间建模与应用奠定了基础。

与此同时,许多国家政府测绘机构也开始了三维地理空间数据库的建设和服务的研究和探索。 例如,瑞士测绘部门开发了三维地形景观模型,荷兰开发了国家三维信息产品。 近年来,我国加大了这方面的研究和应用力度。 武汉、重庆、广州、上海、北京、青岛、天津、杭州、哈尔滨、宁波、德清等大中小城市开展了试点或实验,取得了多项成果。 有前景的研究成果和经验。 2022年2月24日,自然资源部办公厅印发通知,要求全面推进实景立体中国建设,研发能够真正实现三观一体的实景立体信息产品。 ——立体有序地反映生产、生活、生态空间,实现数字空间与现实空间的融合。 实时互联。 这是新时代基础测绘工作转型升级的重大举措。 旨在将以往的4D数据产品升级为实体信息产品,从二维数字地理空间框架升级为三维时空信息框架,更好地支撑数字中国建设和赋能。 推动国家和地方高质量发展。 有效开展这项重要工作,要深化科学认识、理清技术逻辑、明确基本定位、进行顶层设计。

本文首先根据现实生活中三者的基本概念和内涵,论述了“建什么”、“谁用”、“如何建”、“谁建”、“如何用”五个基本问题。立体中国,以明确现实立体中国建设的基本定位。 ; 然后,探讨了现实立体中国建设的整体技术逻辑,重点是了解主体需求、打造应用场景、做好顶层设计、研发实施技术、推进协同建设。 最后探讨了现实立体中国构建的主要技术实现路径。 。

1 基本定位

顾名思义,现实生活3D是指对多维动态现实世界的结构和外观的数字化描述和表达。 它具有三维性、现实性、物化性三个基本特征。 现实立体中国建设正是针对这三个特点,运用三维重建、实体建模、写实描述等专业技术手段,将国土空间范围内的相关地理空间实体数字化,发展多尺度立体中国建设。 、时间序列相关现实立体信息产品构建现实立体数字空间,实现“人机兼容、物联网感知、服务无处不在”,支撑数字中国建设和应用。 从技术角度来看,这是一个涉及因素复杂、技术难度极大的时空信息工程。 做好综合建设和深入应用,需要加深科学认识,理清技术逻辑,明确基本定位,回答好“建什么”“谁用”“谁用”五个基本问题如何构建”、“谁来构建”和“如何使用”问题如图1所示。

地理基础知识入门_基础地理_地理基础知识/

图1 现实立体中国建设的基本问题

首先,“建设什么”,就是科学界定现实生活3D信息产品的内涵、外延、形式和内容,明确其建设的目标和任务。 与传统的4D数据产品不同,现实生活中的3D信息产品具有鲜明的物化性、三维性、真实性特征。 实体化是指按照客观存在、相互区别的要求,将现实世界的要素、事物或现象划分为不同类型、不同粒度的地理空间实体,并为其空间分布、属性和相互关系赋予唯一的标识。 关系、生命周期等被数字化描述和表达; 三维特征是指描述和反映地理空间实体的三维形态,各种实体的地上、地下、室内、室外等三维结构及其时空关系; 而真实感是指需要通过天空、地面感知等技术手段获得地理空间实体的表观纹理、物理材质等,保证实景三维信息产品与现实世界一致,形成高度立体感。现实场景。

其次,要连接数字经济、数字社会、数字政府的重要应用领域,摸清现实生活三维场景的主要需求,构建丰富多彩的应用场景,打通应用服务最后一公里。 ,解决“谁用”的问题,做到既好看又好用。 由于人们生活在真实的三维空间中,未来越来越多的数字经济、数字社会、数字政府活动需要在三维数字空间中进行。 三维数字空间中的观察、测量、分析、研判是数字化发展的关键。 必然趋势。 事实上,真3D中国就是要构建一个统一的三维时空信息框架,为各行各业的数字化发展和应用提供时空基础,让用户可以轻松关联和融合各种社会、经济和行业专题信息,更好地进行时空演化、知识挖掘等高水平时空分析,有效支撑企业管理赋能和科学决策。

此外,由于幅员辽阔、地区差异较大,现实生活中三维场景的立体化、真实化、物化往往因地而异,表现出显着的多尺度、时间性、关联性特征,直接影响现实生活中的三维中国。 分层建设内容、技术实现路径、产品形态和服务方式。 因此,“如何建设”是指明确现实3D中国建设、更新、服务中的技术难点和痛点,发展智能化技术手段,提高自动化水平,形成三维重构、现实的描述和物理构造。 以模型为核心的现实3D技术体系,提供高性价比的解决方案。 “谁来建”,就是设计建立高效协同的共建机制,充分发挥政府、事业单位、科研院所、企业的作用和积极性,有效整合各方资源,协同推进。推动国家和地方现实立体建设。 而“怎么用”是指解决产品服务、数据共享、安全保密等问题,建设新一代国家基础地理信息系统,提供软件和平台化模型、信息和知识内容新服务。 ,形成高效便捷的服务机制和模式,将现实立体中国建设成为数字中国新型时空信息基础设施、数字经济重要的战略数字资源和生产要素,使之成为数字中国的重要战略资源和生产要素。能够为国家和地方的数字化发展和高质量发展发挥不可或缺的作用。 缺乏重要的支撑作用。

2 总体技术逻辑

为了在中国有效地构建和应用现实3D,我们应该充分借鉴国内外的先进经验和做法,加强需求分析,明确现实3D的服务对象和赋能对象,构建各种具体的应用场景,开展标杆课题申报。 需求顶层设计提出技术实现路径和协同构建模型,形成相应的产品和服务模型(图2)。

地理基础知识_基础地理_地理基础知识入门/

图2 现实三维中国建设的整体技术逻辑

1)找出主要需求。 一般来说,现实3D的应用需求可以分为时空基础、时空关联、时空分析、时空赋能四种应用。 时空基础是指应用于各行业的现实3D信息产品的统一时空框架,承载和支撑各类业务应用; 时空关联是指利用现实生活中的3D产品提供的地理实体来链接或关联各种社会、经济、生态等主题。 信息实现多源时空数据融合,更好地直接支持特定应用场景; 时空分析是指利用现实3D产品提供的丰富时空信息,通过数据挖掘、知识发现、过程模拟等高级处理,获取并提供关于空间格局、演化过程、 ETC。; 时空赋能依托现实三维场景提供的数字空间与现实空间的实时互联条件,进行基于时空数据的监测、反馈、调节和服务。 在数字空间中发现问题,提出解决方案,然后反馈到现实世界的“物理空间”和人类活动的“社会空间”,实现信息条件下的智能应用。

2)创建应用场景。 服务自然资源管理和国家数字化发展是现实3D中国的两个重要应用场景。 前者是国家和地方自然资源部门“两统一、一加强”的主要责任。 基于现实三维数据库,整合调查监测数据和泛在数据,实现自然资源、自然资产、地理环境、人口和经济。 其他多维度信息融合,形成自然资源三维时空数据库,支撑耕地保护、资源监管、生态修复、国土规划等各类自然资源监管应用场景需求; 后者面向数字经济、数字社会、数字政府等,需要在现实三维建设成果的基础上,整合相关行业的数据、知识和模型,支撑智慧城市等行业应用、数字村庄、智能交通。

3)做好顶层设计。 在了解学科需求和应用场景的基础上,进行顶层设计,从全局角度出发,明确写实3D中国的科学内涵和基本问题,构建写实3D整体知识体系,发展写实3D中国。 3D信息模型、产品和服务模型等设计,提出总体发展目标和任务,设计技术实施路径。 为此,需要采取实践-理论-再实践的循环,总结和凝练可重复、可复制的普遍知识,形成现实生活中具有内在逻辑和结构的立体知识体系。作为解释力和说服力,促进知识与应用的融合。 其中,基于现实世界的多维动态特征,以地理空间实体的对象描述和建模为主线,从三个不同层面构建现实生活三维概念数据模型: 、逻辑、物理建模,进行逻辑建模和物理建模,实现多维动态现实世界的描述和表达,形成覆盖多层次、多类型数据的数据模型体系; 在信息模型的基础上,根据通用和个性化的应用需求,设计了数据-信息-知识三类。 产品形成可定制的产品体系; 而现实生活中的三维服务模型的设计需要根据政府、企业、公众等不同用户群体的需求,设计数据、软件、平台等多种形式的服务。

4)研究开发实施技术。 为有效组织实施国家和地方实景3D建设,需要按照产学研结合的原则,研发实景3D实体建模、数据采集与处理、集成管理与服务应用等实施技术。先进性和实用性。 例如,利用三维重建、人工智能等相关研究成果,开发现实生活三维数据的自动化采集和建模技术。 尽管目前现实生活3D信息的提取、处理和更新的技术研究已经取得了很大进展,但自动化程度仍然较低。 迫切需要发展智能测绘的理论和技术方法,开发和提供高效、经济的技术方案,提高生产技术。 系统的自动化程度。

五是推进协同建设。 要坚持系统理念,推动政产学研各部门协同发力,形成统一设计、分层建设、国家、省份协同实施的“国棋一盘”格局、市、县。 为此,在自然资源部的领导下,面对现实三维建设的工程实际,需要整合全国专家的智慧和力量,充分发挥业务的作用部属事业单位支持,形成教授(研究员)与工程师有机结合的强强合作。 模型; 要注重理论与实践相结合,不仅提出现实3D构建和应用的新概念、新思路、新技术、新方法,形成高水平的研究分析、技术评价、战略咨询报告,还配合组织实施国家和地方重大项目,编制总体设计方案和试点试验,有效支撑现实三维工程设计、产品研发、质量控制、服务申请等

3 主要实施路径

基于基本定位和总体技术逻辑,加强国内外研究现状分析评估,开展关键技术研发、打造核心产品和服务,是推进现实生活三态建设的重要实施路径。维中国.

3.1

加强国际发展现状研究

2016年,ISPRS发表历史上第一篇综合性科学展望论文,指出提供高质量的时空信息、先进的地理空间计算能力和协同决策支持是当前和未来的主要技术需求,而无处不在的/综合感知、高阶实时信息提取、数字物理空间孪生建模和地理空间知识服务是未来四大发展方向。 近日,ISPRS发布了2022-2026年鼓励研究领域,强调要加强多维和语义数据建模、空间分析和高级可视化等方面的研究和探索。 此外,三维地理空间数据库的建设和应用在世界各国方兴未艾。 但总体来看,核心关注点不同,技术路径也不同。 概念模型和标准仍需统一,技术交流也需加强。 因此,今后应加强对国内外研究现状的研究与分析,通过文献分析与综述、国际相关技术研究等方式了解和分析国内外技术发展的现状和趋势,参与或组织各种各类研讨交流,开展实物建设。 对建模、采集处理、管理服务等关键技术进行评估分析,并在技术攻关、先导实验、软件评估等方面研究提出行动策略和建议。通过多种形式的国际学术交流,与国际同行共同推动现实3D知识体系建设,在国际上讲好现实3D中国故事。

3.2

推动关键技术研发

地理空间实体建模是现实三维中国建设中的关键技术问题,涉及地理空间实体的定义与描述、几何与属性、语义关系、数据规范等。 就实体描述而言,应借助语义技术对传统的元素模型进行封装和扩展,建立面向原始实体的基本时空对象模型,记录时空参考、空间位置、对应实体的空间形态、组成结构、关联关系等。 实际外观、属性特征、不同实体之间的关系信息等基本信息; 在实体几何和属性方面,应综合考虑图元实体、元素实体和场景实体的编码系统,支持不同尺度和精度的实体几何和属性的统一管理; 在实体的语义关系方面,我们应该能够借助语义建模、知识图谱等技术,准确记录和管理各种类型和规模的实体之间的语义关系信息; 在实体数据规范方面,要统一开展多层次、多尺度实体数据结构、数据交换格式、数据字典研究,支持多层次、多尺度、多层次实体的有机组织和协同管理。实体数据的不同组合方式。 总体而言,当前单尺度基础地理空间实体建模研究已经取得了丰富的成果。 但多粒度地理空间实体集成建模、专题实体建模结合业务场景、支持自动链接社会、经济、人文和物联网传感数据的地理空间实体建模技术尚不成熟,应大力发展和解决将来。

实景数据采集是实景3D中国建设的另一个技术难点,主要包括四种方式:(1)基于原始数据的直接采集,即基于数据模型直接采集实体数据和现场数据。设计要求; (2)基于非线性物化数据的重构是指借助语义和物化技术,对传统4D数据和多源时空数据进行实体属性和实体关系的标准化生成,以及实体数据和实体数据的自动匹配。现场数据形成多源数据。 地理实体数据生产结果融合; (3)基于尺度变换的实体信息提取,基于原始实体,根据不同尺度和精度等级要求,基于原始实体和细粒度实体进行动态组合和跨尺度转换,推导形成粗粒度级别的实体数据; (4)动态信息的关联融合,即通过整合物联网感知、众包数据等非结构化数据,借助语义处理、三维重构等技术,可以实现多维度的关联融合。自动采集基于实体数据的源时空大数据。 总体而言,目前现实生活3D信息源数据的快速采集和自动化处理技术已经比较成熟,但3D实体数据采集和提取的自动化率仍然较低,仍然需要大量的人工处理工作。 多源、多粒度3D实体模型的发展自动化匹配与融合技术也尚未成熟,未来应大力发展和解决。

现实3D结果的高效组织和服务应用也面临着许多技术问题。 其中,需要开展多尺度、多时相三维地理实体数据、地形数据和三维场景数据的集成组织和管理技术研究,用于各类数据的数据库建设、维护和更新。产品。 应能够协同全国各级建立统一的数据库管理模式、数据库运维机制、数据库生命周期管理机制、数据库安全机制和数据库更新技术,实现全国各级数据结果的协同管理。国家; 针对数据提供、软件集成、在线调用等分层服务需求,设计了数据、软件、平台三种服务模式,实现定制化、智能化时空信息服务,为现实3D应用提供技术支撑产品对接场景。 总体而言,目前针对小数据量的城市级实景3D数据管理技术和产品较多,但针对大数据量的省级实景3D数据管理技术尚不成熟,普遍存在效率低下、管理难度大等问题。稳定性弱。 ,功能有限,注重观赏,实际使用困难。 未来应大力开发面向大数据量、轻量化、低门槛、好看、好用的现实3D数据管理服务技术及相应产品。

3.3

研发核心产品及服务

在需求分析和技术研究的基础上,进一步开展现实生活3D信息产品和服务系统的研究和设计,确保面对不同的用户需求时,能够通过不同的服务形式提供用户所需的各类产品,并真正衔接主题应用需求。

首先,我们需要开发数据-信息-知识的多层次产品。 其中,数据产品属于基础产品,主要面向时空数据直接应用的需求。 它们动态地组织和提供地形、图像、实体等不同的原始数据,通过提供专题信息链接接口,建立基于多源信息动态融合的综合地理信息。 时空数据产品; 信息产品是衍生产品,主要以数据产品为基础,面向时空数据分析和应用的需求,借助统计分析、过程模拟、数据挖掘等时空技术,形成分析结果和分析报告,支撑特殊应用; 知识产品是一款高级产品,主要面向专题领域时空知识服务的需求。 Based on real-life three-dimensional data, it carries out spatio-temporal knowledge extraction, fusion, modeling, expression, etc., builds a spatio-temporal knowledge center, and forms knowledge maps and knowledge services in thematic fields. Knowledge products such as systems and analysis decision reports provide description, diagnosis, prediction and solution-based knowledge services.

Secondly, it is necessary to develop and provide multi-form services of data-software-platform. Among them, the data service model aims to directly provide the original data required for applications, and should be able to dynamically organize data content according to user needs, and provide specific data products through data downloads, service interfaces, online/offline (confidential) data applications, etc., to Support thematic applications; the software service model is to provide corresponding products in the form of deploying software, deploy mobile, PC and other applications based on user application needs, and then dynamically organize spatio-temporal base data and thematic information data through local or remote calls. and business analysis models to support thematic data management, analysis and application in related fields; the platform service model is to provide an open and universal real-life 3D service platform to meet the universal needs of mainstream users, and with API (application program interface), SDK (software development kit) and other forms provide calling interfaces or development kits for real-life 3D data, information and knowledge services, supporting customized platform construction and professional applications for thematic applications.

4。结论

In recent years, spatio-temporal information technology, which focuses on earth observation, geographical information, and spatial positioning, has developed rapidly and has been deeply integrated with related technologies such as big data, cloud computing, and artificial intelligence, which has greatly improved people’s perception, understanding, and management of production, Ability to live and ecological space. Using spatiotemporal information and technology to support digital development and empower high-quality development has become the trend of the times. The construction of real-life three-dimensional China is in line with the trend of the times and in response to the urgent needs of digital China and ecological civilization construction. Through concept updating, product innovation and technology upgrading, it has moved from static 2 (or 2.5) dimensional 4D products to real-time (quasi-real-time) dynamics. , materialized real-life three-dimensional information products, providing high-quality spatio-temporal information services, supporting high-level spatio-temporal analysis, and assisting high-level spatio-temporal empowerment. It is foreseeable that real-life 3D China will become a new generation of national basic geographic information system and spatio-temporal information infrastructure, and will play an irreplaceable and important role in the country’s digital development and high-quality development.

In order to further improve the construction and application of real-life 3D China, we need to continue to work hard in the following aspects: First, in the spirit of inheritance and development, we should further deepen the scientific understanding of real-life 3D China, innovate scientific concepts, and do a good job in real-life 3D China. China’s concept analysis and information modeling, build a real-life three-dimensional China’s knowledge system and technology system, and realize the organic support of technical logic to administrative logic; second, we should actively organize and carry out domestic and foreign technical seminars to exchange new ideas and new technologies, and promote international Tell the story of the construction and application of real-life three-dimensional China, and provide new theories and new methods with Chinese characteristics; third, actively develop the collective wisdom of the expert team to support major national and local projects, program design, standard formulation, and product research and development , technology development, etc. to provide technical support and services.

Acknowledgments: The research of this article received strong support from the Department of Land Surveying and Mapping of the Ministry of Natural Resources; experts from the Real-life 3D China Construction Expert Group of the Ministry of Natural Resources and relevant personnel from the National Basic Geographic Information Center and other units provided valuable opinions. I would like to express my gratitude!