5G時代空間資訊如何實現智慧服務

編者按

隨著5G時代的到來，物聯網、雲計算、大數據等技術快速發展。資訊基礎設施日益完善，全球時空大數據呈爆髮式增長。在這樣的時代背景下，如何實現空間感知和空間認知的智慧化，在正確的時間和正確的地點把正確的數據、資訊、知識推送給需要的人，實現空間資訊的實時智慧服務？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是第五代行動通訊技術，5G下載的速率理論上可以達到20GB/秒，是4G時代的20倍。如果説4G改變生活，5G將改變整個社會；如果説4G服務於人，5G就支援萬物互聯。

5G有三個典型的技術特點：5G能提供增強移動頻寬；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、環境智慧監管、智慧城市或智慧城市的計算，可以應用於自動駕駛、機器人無人操作、工業網際網路、遠端醫療、智慧電網。

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遊。每個人戴智慧眼鏡就可以看報紙，打電話。工業物聯應用，包括智慧製造、智慧醫療、無人機通信等。車聯網應用於智慧交通領域，可以建立汽車輔助安全駕駛系統，來提高交通效率。

5G産業的發展要注重研發核心元器件和典型示範應用。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産業發展需要突破的難點。

5G不可能覆蓋全部陸地，而陸地在地球上只佔了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行動通訊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、海泛在的行動通訊網，實現全球覆蓋的高速寬頻網。

也就是説，6G是空天地海泛在的行動通訊網，會涉及很多數據。天上的衛星、飛艇、飛機、無人機，地面的車輛、無人駕駛車等都會産生數據，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，地球空間資訊服務可以做到社會化與大眾化，空間資訊服務要從二維走向實景三維。

跟二維相比，三維資訊完整、語音資訊豐富，空間關係是精準的，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資訊，豐富的語音數據資訊，準確的空間關係按細節來表達的一個空間數據集市，表達直觀，便於分層，用於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慧表達，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，關鍵是精準空間資訊的獲取，多元空間大數據的增強、全係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採集平臺，有衛星、汽艇、飛機、無人機、地面移動系統、手機等各種數據採集手段。

5G信號倣真要靠三維模型，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，用人工智慧、5G網路、雲計算區塊鏈技術來提高海量數據處理和智慧化水準，用三維模型做智慧駕駛信號倣真、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採集，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晶片、有通信的晶片、有光導和影像感測器，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，要抓智慧化、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、多網融合智慧服務。希望解決實質導向增強，提高到分米級，甚至於到釐米級的自動駕駛水準，遙感到分米級五分鐘的時間響應速度，全球寬頻全覆蓋的通信。

在5G和人工智慧時代，抓好真三維實景，建設我國自主的通導遙一體化空天資訊實時智慧服務系統，抓好空間資訊的自動化、智慧化、社會化、大眾化和實時化服務，以測繪、遙感和地理資訊技術中心的地球空間資訊學，其創新發展的道路十分寬廣，前途光明。

對地觀測腦、智慧城市腦和智慧手機腦的構想

面對大數據時代的到來，將人工智慧應用於地球空間資訊學，可以提升地球空間資訊處理的感知認知能力，實現地球空間資訊學對所獲取的數據快速處理、提取有用資訊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解析度、光譜解析度、時間解析度等不斷提高，各國掀起了高解析度遙感衛星研製的熱潮。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於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、鐳射掃描器等資訊感測器設備，按約定的協議，把任何物品與網際網路連接起來，進行資訊交換和通信，以實現智慧化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網路。具體地説，就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建築、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慧感測器，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，智慧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，它帶有越來越多的感測器：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資訊，如捕獲人類行為數據、記錄位置資訊、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、人人擁有的大眾感測器，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、智慧城市腦和智慧手機腦3個高度智慧化系統，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，並與人工智慧和天地雲計算相結合而形成的一種模擬腦感知、認知過程的智慧化天基資訊實時服務系統。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資訊進行處理分析，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慧終端。

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路空間上，通過物聯網各種感測器自動和實時地採集現實城市中人和物各種狀態和變化的大數據，利用人工智慧和數據挖掘等智慧手段，由雲計算中心處理其中海量和複雜的計算，實現對城市的感知、認知與控制反饋，為城市應急、城市管理、智慧製造、經濟發展和大眾百姓提供各種智慧化的服務的一種城市運作管理服務系統。

微觀尺度上的空間認知是智慧手機腦，它利用手機和智慧手錶上的加速計、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感測器，能實現室內外優於1m的定位精度，通過實時捕獲人類行為數據、記錄位置資訊、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）等數據資訊，通過手機內置高度智慧晶片對各種數據進行上下文分析推理。這種智慧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，並可成為主人的智慧助理。

對地觀測腦、智慧城市腦和智慧手機腦是我們學習理解腦認知、實現空間認知的新跨越，是地球空間資訊科學發展的新使命，需要廣大科研人員投身到時空大數據與人工智慧的整合創新研究中，為研製各種各樣的對地觀測腦、智慧城市腦和智慧手機腦作出應有的貢獻。（李德仁）