5G時代空間信息如何實現智能服務

　　編者按

　　隨著5G時代的到來，物聯網、云計算、大數據等技術快速發展。信息基礎設施日益完善，全球時空大數據呈爆發式增長。在這樣的時代背景下，如何實現空間感知和空間認知的智能化，在正確的時間和正確的地點把正確的數據、信息、知識推送給需要的人，實現空間信息的實時智能服務？本期邀請中國科學院院士、中國工程院院士李德仁詳細解讀。

　　5G的典型技術特點和應用場景

　　5G是第五代移動通信技術，5G下載的速率理論上可以達到20GB/秒，是4G時代的20倍。如果說4G改變生活，5G將改變整個社會；如果說4G服務于人，5G就支持萬物互聯。

　　5G有三個典型的技術特點：5G能提供增強移動帶寬；海量機器類通信；超高可靠低時延通信。有了這三個特點，高清視頻，VR、AR或交互現實等都能實現，可以實現智慧物流、環境智能監管、智慧城市或智能城市的計算，可以應用于自動駕駛、機器人無人操作、工業互聯網、遠程醫療、智能電網。

　　5G典型的垂直行業應用：比如，視頻識別分析，包括人臉識別、移動檢測和全景的實時監控，有了5G就可以視頻識別實時化。

　　VR/AR虛擬顯示和增強現實能做到呈見式漫游。每個人戴智能眼鏡就可以看報紙，打電話。工業物聯應用，包括智能制造、智慧醫療、無人機通信等。車聯網應用于智能交通領域，可以建立汽車輔助安全駕駛系統，來提高交通效率。

　　5G產業的發展要注重研發核心元器件和典型示范應用。垂直行業的應用面臨一個跨界融合的問題，運營商在5G建網時要研究如何降低成本。因為5G的基站非常密集，建設成本非常高。如何降低成本、解決它的應用創新問題，是5G產業發展需要突破的難點。

　　5G不可能覆蓋全部陸地，而陸地在地球上只占了29%，所以5G需要靠6G衛星通信來補充。

　　6G技術是把陸地無線通信技術和中高低軌的衛星移動通信技術及短距離直接通信技術融合在一起，解決通信、計算、導航、感知等問題，組建空、天、地、海泛在的移動通信網，實現全球覆蓋的高速寬帶網。

　　也就是說，6G是空天地海泛在的移動通信網，會涉及很多數據。天上的衛星、飛艇、飛機、無人機，地面的車輛、無人駕駛車等都會產生數據，手機軌跡記錄的數據、視頻軌跡記錄的數據、定位數據、刷卡數據……這些構成一個城市的軌跡大數據。

　　5G時代，地球空間信息服務可以做到社會化與大眾化，空間信息服務要從二維走向實景三維。

　　跟二維相比，三維信息完整、語音信息豐富，空間關系是精準的，三維實景模型是把室內室外、地上地下、水上水下各種精準三維的幾何信息，豐富的語音數據信息，準確的空間關系按細節來表達的一個空間數據集市，表達直觀，便于分層，用于各種空間分析和輔助決策，把數據、結構、功能為一體的三維數據智能表達，所以它是一個完整的數據模型。

　　建立位置精準、基準統一、屬性豐富、數據完備的實景三維數據模型，關鍵是精準空間信息的獲取，多元空間大數據的增強、全系地位要素結構化的提取、機構化語音模型按需重建，工作量比原來要大得多。要解決空天地立體化組合全空間的數據采集平臺，有衛星、汽艇、飛機、無人機、地面移動系統、手機等各種數據采集手段。

　　5G信號仿真要靠三維模型，高清駕駛地圖要靠三維模型，城市精細化管理、可視化分析等都需要用三維實景模型。要構建空天的立體化主臥室高效的觀測手段，用人工智能、5G網絡、云計算區塊鏈技術來提高海量數據處理和智能化水平，用三維模型做智能駕駛信號仿真、城市精細化管理方面的推廣應用。

　　無人機視頻數據能做到實時目標的檢測和跟蹤，數據用5G傳下來很快，就可以進行檢測移動目標，邊接收邊跟蹤邊處理。

　　認路機器人，可以做三維建模的數據采集，可以自動地爬樓梯，可以自動避開障礙物，實現傳感、測量、控制、感知的一體化，把這樣的器件做成一個很小的器件，上面有北斗GPS芯片、有通信的芯片、有光導和影像傳感器，把它們做在一起就能代替人開汽車，放到自動駕駛汽車上去。

　　要把大數據用起來。比如武漢市管理三四百萬輛汽車、450萬個駕駛員、5萬多條道路，三維實景地圖上會有許多數據，要抓智能化、大眾化的應用。

　　未來5G和6G可以全球全覆蓋，實現一星多用、多星組網、多網融合智能服務。希望解決實質導向增強，提高到分米級，甚至于到厘米級的自動駕駛水平，遙感到分米級五分鐘的時間響應速度，全球寬帶全覆蓋的通信。

　　在5G和人工智能時代，抓好真三維實景，建設我國自主的通導遙一體化空天信息實時智能服務系統，抓好空間信息的自動化、智能化、社會化、大眾化和實時化服務，以測繪、遙感和地理信息技術中心的地球空間信息學，其創新發展的道路十分寬廣，前途光明。

　　對地觀測腦、智慧城市腦和智能手機腦的構想

　　面對大數據時代的到來，將人工智能應用于地球空間信息學，可以提升地球空間信息處理的感知認知能力，實現地球空間信息學對所獲取的數據快速處理、提取有用信息和驅動相應應用的過程。

　　在近地外層空間上，在從數字地球向智慧地球發展的過程中，對地觀測衛星的空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率等不斷提高，各國掀起了高分辨率遙感衛星研制的熱潮。我國也相繼發射資源系列、遙感系列和高分系列高分辨衛星，使在軌衛星數量達235顆以上。它們將滿足正常需求和基于特定任務目標需求的快速響應、持續動態監測。

　　物聯網是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感器設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。具體地說，就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道等各種物體中，普遍連接，形成物聯網。

　　物聯網極大地促進了智慧城市的建設與發展，使城市中的“萬物互聯”成為可能。物聯網促使城市擁有了上千萬個智能傳感器，如我國城市已擁有2000多萬個視頻攝像頭，可以提供PB和EB級的連續圖像。

　　在個人尺度上，智能手機作為最普及的移動設備，在分析測試方面具有巨大潛力，它帶有越來越多的傳感器：加速計、麥克風、攝像頭、陀螺儀、定位裝置等，可以方便地獲得各種數據和信息，如捕獲人類行為數據、記錄位置信息、感測環境變化，甚至可以為相關科學研究記錄和分析數據，成為無所不在、人人擁有的大眾傳感器，成為人們生活中最受歡迎的電子設備。

　　因此，在地球空間的宏觀、中觀、微觀3個尺度上分別形成對地觀測腦、智慧城市腦和智能手機腦3個高度智能化系統，是完全切實可行的。

　　宏觀尺度上的對地觀測腦是通過將通信、導航、遙感衛星一體化組網，并與人工智能和天地云計算相結合而形成的一種模擬腦感知、認知過程的智能化天基信息實時服務系統。利用在軌影像處理技術、星上數據計算分析技術等對獲取的數據信息進行處理分析，再通過星間通信鏈路和天地通信網的融合，將它們傳送給全球任一需要服務的對象的智能終端。

　　中觀尺度上的空間認知是智慧城市腦，它是在數字城市建立的網絡空間上，通過物聯網各種傳感器自動和實時地采集現實城市中人和物各種狀態和變化的大數據，利用人工智能和數據挖掘等智能手段，由云計算中心處理其中海量和復雜的計算，實現對城市的感知、認知與控制反饋，為城市應急、城市管理、智能制造、經濟發展和大眾百姓提供各種智能化的服務的一種城市運行管理服務系統。

　　微觀尺度上的空間認知是智能手機腦，它利用手機和智能手表上的加速計、麥克風、攝像頭、陀螺儀、定位裝置和人體健康參數測量儀等各種傳感器，能實現室內外優于1m的定位精度，通過實時捕獲人類行為數據、記錄位置信息、感測環境變化和手機主人的健康參數（血壓、血糖、血脂、心率、脈搏、心電圖）等數據信息，通過手機內置高度智能芯片對各種數據進行上下文分析推理。這種智能手機腦可分析手機持有人的行為學、健康學、生理學和心理學，并可成為主人的智能助理。

　　對地觀測腦、智慧城市腦和智能手機腦是我們學習理解腦認知、實現空間認知的新跨越，是地球空間信息科學發展的新使命，需要廣大科研人員投身到時空大數據與人工智能的集成創新研究中，為研制各種各樣的對地觀測腦、智慧城市腦和智能手機腦作出應有的貢獻。（李德仁）