地理科普

“地图学与地理信息系统”系列科普-宋关福研究员:地理智慧大有可为

当前,人类社会已进入智慧时代,我们建设智慧社区、智慧城市,甚至智慧地球。在智慧时代,有一种智慧叫地理智慧。提到地理,大家可能会想到某一个国家在哪个洲、面积多大、人口多少、有什么物产等等,但是大家可能会怀疑,地理能谈得上智慧吗?

第一个是1800多年前,刘备三顾茅庐去隆中拜访诸葛亮时的谈话内容——《隆中对》一文,有526字,里面有不少地缘分析。在古代,要形容一个人非常智慧,经常会用到“上知天文、下晓地理”、“经天纬地之才”这些词,说明拥有广博的地理知识也是一种智慧。

另一个例子是160多年前,伦敦索豪区爆发霍乱,5天内就500人死去。最后挽救了大家的英雄是内科医生约翰•。他既不是靠新药物,也不是靠新手术,而是靠一张地图。他试着把霍乱病亡者按居住地标注在街区图上,发现一个奇怪的现象:大多数的死者都靠近一口水井。

他意识到这口井可能被污染,霍乱可能是通过消化道传染,而切断传染途径就应该能控制传染。当地官员在他的游说下将信将疑地取下了水井的摇把。仅过了3天,霍乱的发病和死亡人数就迅速下降,疫情得到了有效的控制。约翰•通过对地理分布的分析,发现了霍乱的传播方式,并有效控制了霍乱疫情,这就是早期的地理智慧的应用。

有三项和地理密切相关的技术,我们统称为“3S”,分别是全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)、遥感RS(Remote Sensing)、地理信息系统GIS(Geographic Information System)的统称。这三个“S”的出现和应用进一步提升了地理智慧。GNSS和RS可比作两只眼睛,是传感器,可获知我们的位置和图像等各种信息。若想要将这些信息更好地使用并发挥其应有的价值,则需将它们装载到GIS当中,分析管理,为我们的决策提供服务,这就是3个“S”的作用。

GIS软件可分为基础软件和应用软件,其中GIS基础软件处于连接地理信息产业上下游的中间位置。上游是获取数据的技术,包括GNSS、遥感数据,以及互联网所产生的空间大数据等。这些数据基于GIS基础软件,可开发各种行业的应用,例如面向政务、企业、军事等,提供其应用价值。

IT时代,GIS的价值就是提供地理智慧。地理智慧可以归纳为四个层面的应用:地理可视化、地理决策、地理设计以及地理控制。我们可称之为地理智慧金字塔,从下往上复杂度越来越高,而从上往下成熟度越来越高。

可视化是GIS最初的应用,能够将各种数据信息通过最直观的方式呈现出来。例如地图,地图是人类认识、实践活动与信息传输的重要工具。从东周时期出土的东周铜板地图,到战国的木板地图、宋代的石刻地图、明代的缣帛地图、近现代出现的大量纸质地图,到现在的数字地图(包括二维或三维),地图的介质不断变化和升级。我们可以通过数字地图,动态实时呈现社会交通态势,通过AR地图,实现虚实结合,剖切查看建筑整体结构;通过三维地图,查看空气污染程度等。

地理决策,即通过GIS软件的分析处理能力为我们辅助决策提供帮助,为政府、企事业单位和个人提供辅助决策支持的价值。其中地理决策的核心就是空间分析,空间分析也被称为地理信息系统的灵魂。

例如在洪水期针对水库溃坝的应急预案中,我们需通过一些算法计算当水库溃坝之后会淹没的区域范围。根据显示出的这些范围,我们才可以做出对应的预案,通知哪些区域的人员需要撤离,这就是三维地形分析能够给我们在实际应用当中可提供的决策帮助。例如,为防疫服务的系统朝阳区“战疫地图”,通过GIS软件技术获取民众手机位置信息,更好地了解民众去过什么地方,是否涉疫等,从而辅助政府做出相应的防疫安排。

地理设计是指基于地理空间位置和考虑地理环境的设计方法。地理设计不仅体现为宏观的规划领域,还越来越多地应用于相对更微观和具体的设计领域。如传统的建筑设计仅考虑被设计对象本身,地理设计则把被设计对象放入地理环境中考虑,让建筑设计在采光、视野、城市形态等方面更加优化,与环境更协调。地理设计在新一代三维GIS广泛应用的今天,具有更加广阔的应用领域和前景。

地理控制即基于GIS的空间分析能力,实现对环境和物体的智能化控制。地理控制的应用案例有交通信号灯的自动控制和优化、无人机的航路自动规划与自主飞行控制、农业与工程机械的自动路线规划与驾驶等,地理控制当前的研究热点是自动驾驶。

地理可视化是最为基础、应用最广泛的地理智慧,地理决策应用已相当普及,地理设计应用也在快速发展和完善,地理控制则应用较少,特别是乘用车辆自动驾驶距离成熟应用还需要多年时间。GIS软件技术不断发展和升级,将推进地理智慧不断演进和发展。地理智慧有5大支撑技术,即大数据 GIS、人工智能 GIS、新一代三维GIS、分布式 GIS 和跨平台 GIS 技术。过去几年,这5大GIS技术快速发展,都不同程度推动了地理智慧的进化。目前,我国地理信息系统软件品牌已进入全球前三,未来,我们将继续深耕地理信息技术和应用,我们相信,地理智慧,大有可为。

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