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“智慧”無止境 GIS再出發
內容
    過去的十年,值得每一個GIS行業的人驕傲。GIS技術率先取得突破,國產GIS平臺脫穎而出,行業應用得到極大的發展;北斗、遙感也從無到有,打開空間信息產業發展的新局面。但當我們提到“智慧”的時候,發現這只不過是萬里長征的第一步。

    “智慧出,有大偽”。(《道德經》,第十八章)——當我們自認為“智慧”的時候,謬誤其實已經相伴而生。

    遠古人類學會用火,從此告別茹毛飲血的時代,這是“智慧”;后來學會用電,從此拉開工業化的序幕,這是“智慧”;發明和使用計算機,這是“智慧”;使用因特網,更是“大智慧”。所以說,“智慧”其實是一個不斷發展、不斷進化的提升過程。

    在這里,且讓我把對“智慧”的探討暫時聚焦到“軟件”上。GIS提供了一個信息化的工具,通過特定的“軟件”把我們對世界的認知固化了下來,而且可以被反復地運行、持續地重用,實現了“知識”的積累。隨著世界的不斷發展和變遷,這些方法也不總是可靠,需要我們在使用中不斷地對之加以檢驗、改進和提升,從軟件工程的角度上來說,就是軟件需要不斷地升級。過去的十年,值得每一個GIS行業的人驕傲。GIS技術率先取得突破,國產GIS平臺脫穎而出,行業應用得到極大的發展;北斗、遙感也從無到有,打開空間信息產業發展的新局面。但當我們提到“智慧”的時候,發現這只不過是萬里長征的第一步。

    時空數據的采集和物聯網

    我們采集的數據越多,發現我們所獲得的信息越少。

    先來說說地圖數據的采集。激光雷達、高清攝像、全景攝影等手段已經很多,形成了地圖、影像、視頻、三維、街景、全景等多種可視化的大量數據,但是這些數據的覆蓋度可能還僅是地球上很少的一部分,當真正需要這些數據的時候,我們會發現總是零零散散,殘缺不全。盡管我們已經付出了巨大的努力,數據之間的關聯還是僅有一些簡單的記錄,只能依據空間做出簡單的推斷。

    我們所得到的“海量”數據,只是世界的一點一瞬。事實上,這些數據覆蓋的區域時刻都在變化之中,每一天的24小時、每個季節的每一天、每一年的不同季節都會有很大的不同,因此我們所得到的數據只不過是對這些變化的非常粗略的抽樣。據此對現實世界的理解也將會非常有限,做出的決策也難言“智慧”。

    物聯網提供了解決這一問題的可能。通過無處不在的因特網,將地球布滿傳感器,像人的神經末梢一樣,時刻感知世界的變化。但要想得到有效的數據,首先部署的密度必須要達到盡可能的高,因此成本必須要能夠降下來達到足夠的低;要有足夠的網絡帶寬進行數據傳輸;系統要足夠穩定最好能夠自行維護;當然還要有足夠強的數據處理能力。很顯然,這將會是一個巨大的、長期的工程。如果沒有大量的傳感神經元提供現實世界的時刻反饋,我們將很難知道當前到底發生了什么、又將會發生什么,要做出“智慧”的決策,將是非常困難的事情。

    如果我們將這作為一個愿景,那么我們從現在開始就要開始努力:
    (1)傳感器的采集數據類型需要更多、測量方法需要改進、設備需要小型化和互聯網化,一定是超低功耗的,成本還要降到足夠的低;
    (2)多種類型的通訊手段能夠連接為統一的網絡,能夠互聯互通而不是再次創建出更多的信息孤島;
    (3)不同設備的接口、數據規范、量綱都需要統一、建立標準規范,否則所采集的數據無法按照同樣的模型進行分析,就無法產生任何價值;
    (4)互相聯網的大量設備會累積越來越多的漏洞、并發性風險和脆弱性,如何既要安全又能讓用戶方便地使用,無異于處理好矛和盾的關系;
    (5)當傳感器網絡成為社會基礎設施的一部分時,就需要建立相應的法律法規保障和系統化的維護機制;
    (6)基礎性業務具有效益外溢性,需要建立優秀的商業模型,保證這一體系能夠獲得持續的回報,從而能夠持續地運營下去,因為這一體系的失效可能帶來整個社會運維體系的崩潰。

    “萬物互聯”的時代正在開啟。新的空、天、地的數據采集手段和相關技術的發展給GIS打開了新的巨大的發展機遇窗口,遠景前所未有地美好。但要抓住機遇,GIS無論是技術、產品、商業運營、企業架構都需要開辟一個全新的模式,甚至于進行“重構”。

    時空認知與時空大數據分析

    我們獲取的信息越多,發現我們對世界的了解越少。

    最近一個流行的說法是“我們周圍的信息80%與空間相關”,實際上,所有的信息都逃不脫時空這個屬性,就像人一出生就被打上了“出生地”這個標簽。但是到目前為止,這些信息都還是離散而片段化的(哪怕是對同一件事情的描述),我們無法確切地知道信息之間的相互關系和表征的含義,而這正是數據挖掘和大數據分析的意義所在。

    在擁有大量數據的時候,我們首先要考慮要依據何種模式去處理它。有的人說,“大數據”的分析可以用數據本身來說明,不需要先驗的知識。但實際上,我們進行數據處理的時候,使用的最基本的統計方法,也還都是各個領域的科學家花費了很多年的時間積累起來的數學模型,目前還不能讓計算機自動生成這些知識,哪怕是機器的自動學習都還困難重重。因此,時空大數據分析還是需要有時空認知的深入研究才行。

    那么這些先驗知識是如何產生的?又怎么獲取呢?“地球是圓的”這一認知出現的時間并不算長,那時也沒有“大數據”技術,說明空間認知與大數據并沒有必然聯系。我們所擁有的抽樣率和時效性很差的“大數據”,要說明世界的紛繁復雜的現象,其代表性問題也還存在很大的問題。比如,微信上面討論的話題,盡管可以統計出每天的趨勢和蛛絲馬跡,但還有幾億人可能跟這毫無關系。

    從某種角度來說,過去的十年間,對于時空認知和地理理論的研究都沒有太大的突破,因此GIS技術的發展主要是從IT(信息技術)領域吸取營養,衍生出了組件、服務器、桌面、Web、移動端等多種GIS軟件產品和豐富多彩的應用系統。如今,IT技術正在成為基本的信息工具,“技術紅利”正在消減,GIS領域需要重新回到“地理空間信息系統”的源頭,再次去思考時空認知的問題,進行數據分析和實證相結合的深入研究。

    時空認知的模型有助于時空數據的分析方法的發展,而時空分析技術的進步又能促進產生新的時空認知。這就仿佛是一個“雞生蛋、蛋生雞”的循環,要從中突破,得到一個創新的“金蛋”,其實難度是非常之大的。但是,毫無疑問,新的理論和方法的提出,將再次讓地理空間信息產業煥發新的活力。

    互聯網時代的生存法則是貢獻得越多得到的越多,而不是擁有的越多得到的越多。當我們在談論“大數據”的時候,其實大部分只不過是在用有限的“小數據”做可視化展示,這一情況迫切地需要大家達成共識、促成改變。大數據產業是一個生態鏈,大數據分析是“雜交”和“轉基因”,而不是封閉的自成體系。因此,進一步開放數據、共享資源是推動大數據分析和應用的必由之路。

    幸運的是,數據開放共享已成為業界引領者的共識,大數據分析已蔚然成新的產業方向,公共數據資源也將逐步成為真正的“信息基礎設施”。很多企業和組織機構都競相開放數據資源。國外的Twitter已全部開放其全部數據訪問,國內的遙感信息共享網絡(//www.chinageoss.org)也開放了數百TB的地理空間數據資源。據悉,我國的基礎地理空間數據有望進一步開放使用,而中等分辨率的國產衛星遙感數據免費開放也在推動之中。一個開放的時空大數據體系將能夠促進我們更好地認識、管理、利用和改造地理空間,讓地理空間信息技術惠及更多的人,有助于應對日益嚴峻的資源緊缺、全球變化等長期問題和減少日趨嚴重的極端天氣和地震、泥石流、暴雨、颶風等所造成的嚴重損害。

    時空數據的共享方式也在不斷地演進,從傳統的數據庫、文件共享到面向服務的SOA架構、以及廣義的“服務架構”。現在的“服務架構”的含義已更為廣泛,服務模式更為多樣,不僅包括了數據下載、REST服務等常用形式,受物聯網技術的推動,現在正在向動態、實時的方向發展。而這些也將進一步帶動軟件體系架構和運維、應用技術的全面革新。

    泛在服務架構與云端一體化

    我們擁有的工具越來越強大,但所面臨的問題卻越來越復雜。

    未來GIS的使用場景將會發生巨大的變化,云計算和移動應用已成為不可阻擋的大趨勢,而網絡的進一步發展,將催生基于眾包的或者完全是p2p(個人對個人)的泛在化交互方式。

    移動設備永遠在線,可以隨需訪問云端資源,將能夠進一步實現互聯互通,諸如微信之類的應用將會大行其道;傳統的空間數據庫系統將無法再勝任多樣化、非結構、高動態的時空數據存儲和處理的需要,基于NoSQL理念的新型時空數據庫將會取得突破;大量的時空數據將采用集中管理和分布式存儲相結合的組織方法,并采用類似于“CDN”(內容分發網絡)技術的多層級管理和服務模式;數據將以“流” 的方式快速進入需要的“資源池”,像河流一樣不斷地進行匯集和流動,也不斷地進行轉換和清洗;云計算不再是高高在上的“云里霧里”,而是成為大量的多類型的移動設備的大腦,運行著多種為大量前端設備服務的“智能體”;空間分析乃至時空分析也將走出實驗室,通過網絡化的基礎設施提供分析模型、方法與軟件集合,集成全球專家的智慧為所有人、在任何地方所用。

    如此情況成為現實,地理信息系統將會有何變化呢?個人認為有五個顯著的趨勢,即:IT融合、泛在架構、強云富端、Linux崛起和敏捷研發,具體包括:
    (一)地理信息服務將與IT基礎架構進一步融合,不再作為一個獨立的服務器系統,而是與云計算基礎設施、服務平臺、存儲系統、服務目錄、中間件、消息總線和其它應用服務融合為一個整體,作為信息基礎設施提供開放的服務。
    (二)服務架構將更加復雜,既有集中式的管理集群,也有分布式的多層級服務架構,實現多節點、多級緩存機制,隨著IPv6的廣泛應用將進一步發展到對等模式的泛在架構,不同系統之間通過Internet進行連接,服務真正地無處不在、按需訪問。
    (三)GIS向強云和富端兩個截然不同然而完全一體的方向發展。軟件形態將會前所未有的豐富,包括從小型服務器集群發展到云服務中心,桌面軟件向移動應用進行遷移,從應用系統到集成化的設備,大幅度提升地理空間信息的應用和運維的效率和穩定性。
    (四)Linux已經無處不在,而且正在迅速增長,通過創建一個共生的“生態環境”從而帶動軟件生態鏈的全面轉向和持續繁榮。桌面軟件的運行平臺和技術也已經開始從Windows向Linux進行遷移,在移動應用快速增長、網絡安全嚴重威脅和推廣國產平臺的大背景下,基于國產的軟硬件解決方案將成為主流。
    (五)軟件研發過程發生重大變化,軟件系統將不再有終極版本,而是作為服務形態在持續進化,基于持續集成系統的敏捷開發模式,基于軟件組件庫的自動編譯和分布式配置管理系統,基于自動化測試的質量保障體系,以及面向DevOps(開發運維)思想的開發部署運維一體化研發流程,將大幅度提高軟件生產效率,更快地響應需求變化,更好地滿足用戶需求。

    除了軟件架構的演進,GIS的內部功能也正在經歷翻天覆地的變化。

    “二元世界”與多維數字空間

    信息系統不再完全是現實世界的表征,而是數字形式的“實體”。

    中國科學院院長路甬祥認為,未來人們將生活在物理世界和數字世界組成的“二元世界”之中,希望地理學家能夠深入研究。數字空間已經成為“世界”的一部分,而且與物理世界互相轉化、互相延伸、互相演進成為一個新的“有機體”。

    三維GIS將是現實世界的“鏡像”,把現實世界在數字世界重現;在數字空間中可以疊加任何現實世界中無法看見的要素,因此數字空間雖然源于現實但是卻超逾了現實;當進行城市與區域規劃、發展模擬、演變推演時又成為了“數字世界”這個有機體的一個新的部分。通過增強現實技術也可以把信息疊加顯示到現實世界,從而“看見”在現實世界中無法看見的屬性。數字化后的世界有助于我們更好地了解和研究、管理地理空間,并將促進產生新的認知,促進“世界”向更可持續的方向發展。

    “三維GIS”不是簡單的可視化,而將衍生出一個全新的產業鏈,成為創新之源。新的數據采集技術,從“搖籃到墳墓”的全生命期運營模式,高維度、高動態的時空分析方法,自然用戶界面的交互方式,新型的存儲體系、應用系統等都將應運而生。然而,這一產業鏈如此之長,技術難度如此之大,無異于建造一座“巴別塔”,超過任何一家企業、聯盟甚至一個國家的獨立完成的能力。

    因此,地理空間信息領域的廣泛合作,跨越國界、語言、膚色、種族的合作顯得前所未有的重要和迫切。在三維GIS時代,“地球村”這個概念變得更加真實,而且觸手可及。

    LiveGeography將是三維GIS的更高級形式,可以通過物聯網等技術與現實世界實時通聯,實現信息的動態獲取、雙向反饋和智能控制?!癓ive”的現實世界與“Live”的數字世界相互聯通,猶如電影Avatar(《阿凡達》)里的克隆人,相互復制、相互關聯,數字世界與現實世界成為交替進化的同一主體。

    但是,三維GIS也好、數字空間也好,還是LiveGeography也好,都只是信息和系統,還需要有人類的知識和智慧,才能成為一個真正的“活”的世界。

    應用領域知識與領域模型集成

    我們對世界了解的越多,發現數據的價值越少。

    研究數據的目的,是為了不使用數據。因為我們關心的其實不是數據本身,而是數據帶給我們的價值和啟迪。數據本身并不具有認知、指導和直接重用的價值,從某種意義說,數據是系統運行的成本,還有可能成為一種負擔,除非能夠有效地利用它,讓它產生出“足夠”的價值,能夠抵消掉管理和挖掘數據所產生的大量付出。如果從中提煉出“金子”,那么大數據就真正具有了“大”的價值。

    我們需要從紛繁復雜的現象中獲取數據,還需要從浩如煙海的數據中提煉出規律,就像從礦山中開采、篩選、冶煉、加工的過程。當然,從黃土中無法提煉出金子。要讓大數據具有充分價值,首先數據還得是“富礦”,要有強大的開采工具、先進的冶煉系統和豐富的應用模式,才能讓數據成為真正的“資產”。

    軟件將成為“知識”的最為重要的載體和物化形式。我們真正需要的不是數據而是結論,不是硬盤上的Bit信號而是抽象出來的知識,只有“知識”才能夠被學習和反復利用。地理空間信息科學需要重新建立時空信息的知識概念模型,所要處理的是“地理對象”而非簡單的“幾何要素”,將遵循“知識”的內在邏輯來建構數據的處理邏輯和分析其相互關系和發展趨勢。

    GIS在地理時空研究中的作用變得前所未有的重要。如果沒有強大的GIS軟件平臺的支撐,我們將難以在全球變化、氣候趨勢、災害過程、能源與水資源、交通、城市發展等問題的解決上得到更為完整的認知,更無法達成整體優化的一致和采取卓有成效的行動。我們迫切地需要采用新的軟件工具,刷新領域知識、變為知識模型并實現跨領域的集成,實現數據、模型、軟件、應用的全面變革。智慧城市、數字流域、美麗鄉村這些熱詞將通過GIS方法、技術和系統、應用的發展從概念逐步地變為現實。

    這一切很遙遠,但已經在路上。

(超圖軟件  王爾琪)

 

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