时空信息赋能高质量发展的基本问题与发展方向

充分发挥时空信息数据要素价值,全面有效地支撑国家和地方高质量发展,已成为政府部门、学术界和产业界关注的热门话题。但当前时空信息赋能高质量发展的基础研究相对薄弱,亟需理清其基本内涵、赋能机理、发展战略、实现路径等。为此,本文聚焦时空信息赋能高质量发展的基本问题与发展方向,首先从“赋能”的内涵出发,讨论了数字化赋能、全局性赋能和时空型赋能的基本概念,分析指出了无所不在的时空连接、无时不用的时空计算、无所不及的时空智能是时空赋能的三大基本方式;继而讨论了当前时空赋能所面临的问题,提出了时空信息赋能高质量发展的发展方向,包括打造实景三维中国、建设时空算力基础设施、构建时空知识服务基础设施等,并简要讨论了时空信息在数字经济、数字社会、数字政府等方面的未来应用场景。

智能化测绘的混合计算范式与方法研究

传统数字化测绘产品在数字经济、数字治理与数字生活等方面发挥着越来越重要的时空基底和关键生产要素作用,但其精细程度、更新周期、服务方式难以满足数智新时代下的高质量发展需求。因此,迫切需要实现数字化测绘到智能化测绘的转型升级,通过构建新型时空新型基础设施以全方位提升高品质的时空信息供给能力、高层次的时空数据分析能力,以及高水平的时空知识服务能力。本文从测绘自然智能与人工智能结合的必要性分析出发,首先讨论了测绘智能计算的基本概论及内涵,然后提出了智能化测绘知识为引导、数据为驱动、算法为基础、服务为支撑(KDAS)的混合智能计算范式并梳理了其构建基本任务,最后从感知、认知、表达与服务4个维度研究并系统阐述了智能化测绘的混合计算关键技术和相应途径,试图为混合计算赋能智能化测绘知识体系构建以及产业发展升级搭建基础研究框架。

亚马孙河流域地表覆盖时空变化知识建模

亚马孙河流域地表覆盖时空变化影响着全球气候和生态系统的稳定,目前亚马孙河流域地表覆盖的研究广泛,具有海量数据和信息,但缺少系统性的时空知识体系。为了更好地了解亚马孙河流域地表覆盖时空变化知识,本文首先引入本体建模理论,提出了亚马孙河流域地表覆盖时空变化知识建模方法,利用Protégé工具完成了亚马孙河流域地表覆盖模式层的设计和构建;然后利用提取的亚马孙河流域地表覆盖时空变化数据、时空变化信息和景观格局指数等,完成了亚马孙河流域的建模,从而为亚马孙河流域的分析决策提供支撑。

知识引导的碎片化栅格地形图比例尺智能识别

比例尺是确定地形图秘密等级的重要依据。本文针对碎片化栅格地形图比例尺判定的难题,通过凝练地图尺度特征先验知识,引导构建专家知识图像金字塔数据集(EKIPD),然后使用深度卷积神经网络算法进行建模,构建以知识为引导,以数据为驱动,以算法为核心的知识、数据与深度卷积神经网络耦合的混合智能模型。统计EKIPD中不同尺寸碎片化地形图的样本分布得到最优识别尺寸(ORS),然后以ORS为步长对待识别地形图进行切分;对每个子图分别使用模型进行预测,集成子图的预测结果得到碎片化栅格地形图的比例尺。经过试验验证,本文方法的识别精度在97%左右,证明了本文方法的有效性。

全球地表覆盖时空变化交互式知识地图集设计与表达方法

地图集是呈现地表覆盖知识的高效表达工具。然而现有地图集仅面向预定区划的知识内容展示,难以满足用户对不同兴趣区域的个性化需求,从而导致图集实用性较差。另外,传统地图集图幅版面布局主要以不同信息的拼合模式为主,难以体现知识所包含信息的关联性,从而不利于用户较快的理解知识内容。为满足地图应用的个性化和知识服务需求,本文基于三期GlobeLand30数据,进行近20年全球地表覆盖时空变化地图集编研工作。除了制作了从宏观角度反映全球、大洲和国家尺度的地表覆盖分布和变化图幅集,还采用用户交互式选择感兴趣区域的方式实时化生成地表覆盖时空变化知识,并提供用户选择不同的知识可视化表达形式和图-文双向交互功能,从而以更为个性化和易懂的方式展示地表覆盖时空变化知识内容。

自然资源时空信息的技术内涵与研究方向

用时空信息说话,在三维空间研判,凭科学事实决策,既是提升自然资源管理水平、建设现代化治理体系的主要举措,也是测绘科技界面临的一项艰巨挑战。为此,应加强时空信息的技术创新,促进其与自然资源业务的深度融合,构建新一代的自然资源时空信息技术体系,提供高质量的时空信息、开展高层次时空分析和实施高水平的时空赋能。本文分析了自然资源管理对时空信息的主体技术需求,讨论了自然资源时空信息的技术内涵,提出了以“全面动态感知、系统精准认知、全域智慧管控”为主线的总体发展思路,展望了今后的研究方向。

地理信息保密安全评估的基本问题与对策

地理信息保密安全智能化评估是当前国家地理信息安全监管工作实施的迫切需求。本文在国内外文献调研和需求分析的基础上,指出地理信息保密安全研究中所面临的三个基本问题,即空间尺度的智能识别、位置精度的高效评估和影像敏感信息的场景化认知;同时,将人类的自然智能与机器计算智能有机融合,设计了基于混合智能的地理信息数据安全评估的技术框架;并明确了评估知识库构建、空间尺度计算、位置精度评定、敏感内容识别及评估系统研制等研究对策。

全球地理信息公共产品研发的技术发展方向与主要任务

全球地理信息是重要的全球公共产品之一,对于弥补发展中国家与发达国家之间的数字鸿沟、改善全球治理模式具有重要意义。本文从公共产品的基本特性出发,首先,给出了全球地理信息公共产品的基本概念和内涵,并针对产品生产、产品交付和产品使用三个主要环节,指出要从服务资源、服务能力、服务方式和服务机制四个维度研究全球地理信息公共产品的支撑技术;然后,通过深入分析当前技术发展趋势,提出了建设多元化服务资源、提升实时化服务能力、提供知识化服务方式、建立协同化服务机制的发展思路;最后,给出了构建全球地理信息公共产品支撑技术体系的主要任务、技术思路和国际合作模式。

高空间分辨率生态系统生产总值时空演化分析--以2000—2020年湖南省为例

基于现有生态系统服务理论与方法,通过引入文教科研指标、优化气体调节指标,提出了湖南省本土自然资源生态系统生产总值(gross ecosystem product,GEP)核算指标体系,集成构建了GEP格网化评估模型,在30 m×30 m格网尺度评估分析了全省2000年、2010年和2020年GEP时空演化特征。研究结果表明:①时间维度,近20 a间湖南省GEP上升3.34×105亿元,增幅达40.28%;各生态系统类型对GEP贡献的排序为:森林>农田>草地>湿地>城市。②空间维度,湖南省GEP总体呈现出西部和东南部高、中部和北部低的空间分布格局;西部武陵山片区增长率高,北部洞庭湖区增长率低。③与已有10 km×10 km研究结果相比,本研究高空间分辨率GEP结果在水域及城市生态系统呈现的空间分布细节信息更多。④各单项生态系统功能价值量对湖南省GEP的贡献度排序随时间呈现规律性变化,土壤保持功能价值量的贡献对武陵山片区和洞庭湖区GEP变化占据主导作用。研究结果可为湖南省自然资源监管及生态环境保护提供科学决策依据。

智慧国土的基本内涵与发展方向

当前,国家大力推动数字化转型和高质量发展,对自然资源与国土空间的数字化发展与应用提出了更高要求。虽然近些年国土空间数字化发展取得了很大成绩,但对标数字化转型和高质量发展的迫切要求,尚存在着与业务融合不深、技术支撑不够、整体合力不强、发展动能不足等问题,突出表现为高质量信息供给不足、高层次分析能力不强、高层次赋能手段短缺。因此,应以智慧国土为抓手,统筹数字化发展,推进智慧化应用。本文分析了智慧国土的基本内涵,提出以数据—信息—知识为主线,统筹国土空间的数字化发展,实现一体化建模、集成化管理及知识化服务;从全面动态感知、系统精准认知及全域智慧管控的角度,提升自然资源管理和国土空间治理各项工作的智慧化应用水平,实现在实景三维空间研判、用时空信息说话、凭时空知识决策。为了切实地构建国土空间治理的数字化生态、促进国土空间治理体系和治理能力现代化,今后还要加强顶层设计,推动科技创新,开展试点示范,加快专业改革。

时空信息的基本内涵与赋能机理

时空信息赋能是充分释放和放大时空信息作为生产要素的价值,助力经济社会各领域的高质量发展的时代需求。当前时空信息赋能的基础研究还相对薄弱,应用即赋能的观点占主导地位,缺乏对时空信息赋能机理的深层次认知和探究,导致时空信息的内涵与外延不清,时空信息赋能的内在机理不明,制约着其科学高效赋能,亟需厘清其基本内涵、赋能机理与赋能模式等。本文针对时空信息赋能问题,梳理了时空信息的基本概念、丰富内涵和基本特征;指出熵是时空信息赋能的物理基础,熵减是时空信息赋能的内生动力;时空信息赋能的本质是以时空信息为载体,以负熵流转为动能,以不确定性转化为特征,通过人、机、物(环境)相互影响、相互作用,实现系统结构优化、效能提升的过程;并提出了时空信息作为自在信息直接赋能、作为自为信息间接赋能、转为时空知识倍增赋能3种模式;最后,探讨了时空信息赋能自然资源高质量发展的路径。

碎片化地形矢量数据比例尺评估方法

针对目前人工判定碎片化地形矢量数据比例尺效率低下、可靠性不高的问题,本文提出一种基于自然法则的地形矢量数据比例尺评估方法,实现地形矢量数据比例尺判定的自动化。该方法基于不同比例尺地形矢量数据节点密度指数随比例尺变化的特征,利用自然法则原理和统计学知识确定不同比例尺、不同类型要素节点密度指数区间的理论值;对于待鉴定地形矢量数据,将其节点密度指数与已知比例尺的地形矢量数据节点密度指数区间进行比对,如果落在该比例尺节点密度指数区间内,则推断为该比例尺数据,进而实现比例尺的自动判定;最后利用等高线和水系两种地形要素验证了该评估方法的可行性。试验结果表明,基于本文方法的1∶100万、1∶25万和1∶5万地形矢量数据比例尺自动判定正确率分别达到了93.97%、94.04%和92.47%,地形矢量数据比例尺判定总体正确率达到93.21%,极大提高了比例尺判定的精度与效率,为地理信息安全评估提供了技术支撑。

全球地表覆盖数据辅助多源影像融合提取城市不透水面

本文提出了一种利用GlobeLand30数据辅助多源数据融合进行城市不透水面自动提取的方法。首先基于波段映射和小波变换的影像融合方法,融合哨兵二号和高分二号影像,获得同时具有较高空间分辨率和光谱分辨率的融合影像,其具有丰富的光谱特征和空间特征,有利于提升复杂城市区域的不透水面和非不透水面区分能力。然后利用GlobeLand30数据的类别信息自动获取初始分类样本,基于融合影像的丰富光谱信息构建多种植被指数、水体指数和建成区指数,对初始分类样本进行优化。最后利用优化后的训练样本,使用光谱、地物指数等特征训练分类器,实现城市不透水面的自动准确提取。本文以济南市2019年的高分二号和哨兵二号影像为试验数据,在时相、分辨率与影像均不同的GlobeLand30全球地表覆盖数据辅助下获得了总体精度优于92%的不透水面提取结果,验证了本文方法的有效性。

E-WID三维拓扑关系计算方法与实现

E-WID(Euler-number-based whole-object intersection and difference)三维拓扑关系模型能够表达三维空间简单、复杂目标间的拓扑关系,具有区分能力强、无理论缺陷等优势,但目前尚缺乏E-WID三维模型自动计算的相关研究。因此,利用Nef多面体三维数据模型能够表达带通道或空穴等复杂目标的特点,本文研究了一种基于Nef多面体的E-WID三维基本拓扑关系计算方法,其中包括三维基本空间数据间布尔运算结果的组件构建和欧拉数计算方法;并与已有方法进行对比。结果表明,本文方法实现了三维空间数据间的E-WID三维基本拓扑关系自动计算,并能够准确区分。

2000—2020年亚马孙流域地表覆盖时空变化分析

针对亚马孙流域地表覆盖变化对当地生态系统以及全球气候变化具有重要意义这一问题,该文基于国家基础地理信息中心牵头研制的、经一致性处理的全球30 m地表覆盖产品(GlobeLand30)三期地表覆盖数据产品,采用景观格局指数和转移矩阵,分析了2000—2020年亚马孙流域地表覆盖的空间格局分布以及时空变化,并对其变化原因做出分析。结果表明:2000—2020年亚马孙流域林地和湿地面积逐渐减少,耕地、草地和人造地表的面积逐渐增加,水体先减少后增加。亚马孙流域2000—2010年和2010—2020年的地表覆盖类型转变方向基本保持一致;人造地表在地表覆盖类别中破碎现象最为显著,但其破碎化指数持续降低。亚马孙流域地表覆盖的变化主要受人类活动的影响,其中城市扩张和人口增加是林地减少的最主要因素。相关研究成果可为亚马孙流域未来的社会经济发展和生态系统保护提供重要支撑。

基于混合智能的地图自动审核技术框架

地图审核是国家测绘地理信息行政主管部门的主要职责。当前我国的地图审核依赖人工目视判别,成本高、效率低。如何从高度依赖专家经验的人工检测走向混合智能的自动判断,是我国地图审核工作面临的技术难点和痛点问题。提出以知识为引导、算法为基础的地图自动审核的混合智能方法,设计了基于混合智能的地图自动审核技术框架,并指出需要重点突破的3项关键技术;并结合典型的“问题地图”智能化审核案例,给出了地图智能化审核的技术实现途径。

自然资源大数据助力的城市可持续发展评估

针对传统统计面板数据、网络众源数据等在城市可持续发展评价与信息化建设过程中存在的类型单一、准确性及时空分辨率不一、更新效率低等问题,该文充分发挥自然资源监管大数据覆盖要素广、时空多维度、常态化更新等优势,重构了一套城市可持续发展指标评价体系,综合计算城市可持续发展进程。以指标评估模型方法为基础进一步优化设计了城市可持续发展评估信息化建设方案,通过全面整合自然资源监测、社会经济等数据,构建可持续发展大数据中心,实现了以自然资源大数据为主的多源异构数据统一管理,同时以此为基础开展了城市可持续发展时空大数据平台建设实践。平台在精准评估诊断城市可持续发展状态的同时,为政府可持续发展决策与目标达成提供了一种新的手段,也为自然资源大数据利用开发了一种新的场景。

实景三维中国建设的基本定位与技术路径

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,驱动生产、生活和治理方式的全面深入变革,对基础测绘产品与服务提出了新的更高要求。针对这一重大需求,自然资源部提出实景三维中国建设,研制能客观真实地反映人类生产、生活和生态空间的实景三维信息产品,构建能与现实三维空间实时互联互通的数字三维空间,为数字中国提供新一代的三维时空信息框架,提供高质量时空信息产品与高水平时空信息服务。这既是今后一个时期国家和地方基础测绘的重大任务,也是一项涉及因素复杂、技术难度极大的科技工程。要切实做好这项重要工作,应深化科学认知,厘清技术逻辑,明确基本定位,做好顶层设计。分析了实景三维中国建设的发展背景,讨论了其基本定位和总体技术逻辑,提出了主要的技术实现路径。