1 周成虎院士 全空間智能系統發展-20241105（可分享）.pdf

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1、全空間智能系統發展周成虎 研究員地理信息科學與技術全國重點實驗室2024年11月5日 北京國際會議中心空間計算空間智能&20032003年，年，MITMIT的的Simon Simon GreenworldGreenworld在其碩士論文中首次提在其碩士論文中首次提出和定義了空間計算，任務出和定義了空間計算，任務：空間計算是空間計算是人類與機器的交互，人類與機器的交互，其中機器保留并操作真實的物體和真實空間的參照物。其中機器保留并操作真實的物體和真實空間的參照物。蘋果蘋果CEOCEO蒂姆蒂姆庫庫克克在在WWDC 2023 WWDC 2023 開發者大會上說開發者大會上說李飛飛說：我個人自豪的是這

2、支強大的創業團隊，因為我們李飛飛說：我個人自豪的是這支強大的創業團隊，因為我們相信空間智能?？臻g計算必須需要空間智能，我們需要將學相信空間智能?？臻g計算必須需要空間智能，我們需要將學習到的數據轉化到現實世界中執行，這依賴于空間智能。習到的數據轉化到現實世界中執行，這依賴于空間智能?？臻g智能是機器在三位空間智能是機器在三位空間和時間中以三維方空間和時間中以三維方式感知、推理和行動的式感知、推理和行動的能力，這能幫助他理解能力，這能幫助他理解事物在三維空間和時間事物在三維空間和時間中的位置、以及事物交中的位置、以及事物交互的方式互的方式.黑神話.悟空游戲地圖&20242024年年8 8月月2020

3、日，國產日，國產3A3A游戲黑神話：悟空一經上線，便游戲黑神話：悟空一經上線，便在全球收獲擁躉無數。截至當日在全球收獲擁躉無數。截至當日2121時，該游戲在時，該游戲在steamsteam平臺售平臺售出出300300萬余份，加上其它游戲平臺，總銷量超過萬余份，加上其它游戲平臺，總銷量超過450450萬份，總銷萬份，總銷售額超過售額超過1515億元。億元。游戲通過掃描真實寺廟、佛像、森林、巖石游戲通過掃描真實寺廟、佛像、森林、巖石等，制作出逼真的物體、等，制作出逼真的物體、建筑和景觀圖形，結合光線追蹤技術，建筑和景觀圖形，結合光線追蹤技術，創造出真人級別的圖形和畫面。利亞德創造出真人級別的圖形和

4、畫面。利亞德虛擬動點為黑神話：虛擬動點為黑神話：悟空游戲制作團隊提供了空間計算悟空游戲制作團隊提供了空間計算-定位捕捉技術服務支持定位捕捉技術服務支持游戲地圖虛擬了一個完整的世界，地圖在一定程度上可以通過游戲地圖虛擬了一個完整的世界，地圖在一定程度上可以通過一種更加直觀的形式向玩家們呈現整個游戲的世界觀。所有的一種更加直觀的形式向玩家們呈現整個游戲的世界觀。所有的事件、人物、環境都是在地圖的基礎上展開的。事件、人物、環境都是在地圖的基礎上展開的。游戲地圖交互性體現在：物理世界的游戲地圖交互性體現在：物理世界的玩家與虛擬世界的交互玩家與虛擬世界的交互，虛擬世界中的玩家之間的交互虛擬世界中的玩家之

5、間的交互、虛擬世界與虛擬世界之間的交虛擬世界與虛擬世界之間的交互互、虛擬空間與現實空間的交互虛擬空間與現實空間的交互。全息地圖全空間信息系統&全息地圖是全息地圖是指在統一地球時空框架基礎上指在統一地球時空框架基礎上，對現實對現實地理地理世界及世界及其規律的全其規律的全要素要素、全全信息信息、全全內容內容，以全視角以全視角、三維模型化三維模型化、過程動態化過程動態化、虛擬現實虛擬現實、虛實融合等多模態方法進行描述虛實融合等多模態方法進行描述、表表達達、分析與服務的一種數字地圖產品分析與服務的一種數字地圖產品，是一種人類普適性的交是一種人類普適性的交流語言流語言。閭國年教授提出四全觀點：全視角閭國

6、年教授提出四全觀點：全視角、全場景要素全場景要素、全全地理信息地理信息、全社會內容的全社會內容的全空間信息系統是具有對多粒度時空實體進行信息獲取與處理全空間信息系統是具有對多粒度時空實體進行信息獲取與處理、描述與表達描述與表達、組織與管理組織與管理、分析和應用分析和應用、可視與展現的綜合信可視與展現的綜合信息系統息系統。全空間信息建模是通過對現實世界的直接建模全空間信息建模是通過對現實世界的直接建模，以多粒度時空以多粒度時空對象為基礎對象為基礎，在信息空間中構建與現實世界對應和關聯的虛擬在信息空間中構建與現實世界對應和關聯的虛擬世界世界。時空智能時空智能學&世界是物質的世界是物質的，物質是運動

7、的物質是運動的，運動著的物質世界正是用時空信息這運動著的物質世界正是用時空信息這一載體來描述的一載體來描述的。在當今萬物互聯和人工智能時代在當今萬物互聯和人工智能時代，時空數據獲取時空數據獲取、處理處理、信息提取與知識挖掘需要走向智能信息提取與知識挖掘需要走向智能，時空智能學應運而生時空智能學應運而生。時空智能學是利用通導遙智能傳感器時空智能學是利用通導遙智能傳感器、云計算和人工智能方法對自然云計算和人工智能方法對自然活動和人類活動進行感知活動和人類活動進行感知、認知認知，支持智能決策的一門科學和技術支持智能決策的一門科學和技術，是測繪遙感和地理信息學發展的新階段是測繪遙感和地理信息學發展的新

8、階段，是人工智能的重要組成部分是人工智能的重要組成部分，它能自動回答何時它能自動回答何時(When)(When)、何地何地(Where)(Where)、何種目標何種目標(What(What object)object)、有何種變化有何種變化(What(What change)change)及其機理及其機理(Why)(Why)，推進人和自然的協同可推進人和自然的協同可持續發展持續發展。世界是物質的，物質是運動的，運動著的物質世界正是用時空信息這一載體來描述的。在當今萬物互聯和人工智能時代，時空數據獲取、處理、信息提取與知識挖掘需要走向智能，時空智能學應運而生。進入二十一世紀，我們從萬物互聯進入萬

9、物智能時代進入二十一世紀，我們從萬物互聯進入萬物智能時代!體驗BAT環視FAGT20212021年元宇宙元年年元宇宙元年20222022年的平民年的平民AIAI元年元年科幻作家尼爾 斯蒂芬森的“元宇宙”馬克 扎克伯格宣布公司將更名為“Meta”圖片來源：視覺中國等互聯網世界已經永遠改變了世界GIS中國GISVS新一代GIS起步發展鞏固發展地圖輸入地圖管理空間統計地圖制作數據模型統合分析專業模塊資源環境地理信息系統技術大型機時代地理信息科學個人機時代地理信息服務互聯網時代專業應用科學體系系列化組件專業化系統大型數據庫網絡化服務時空認知地理本體系統模擬Web GIS專業服務位置服務計算服務網格GI

10、S虛擬環境地理信息世界大數據時代社會服務自動化處理規?；鎯Ω咝Щ嬎阒R化服務1970s1980s1990s2000s2010s2020s自自19621962年年R.TomlinsonR.Tomlinson提出提出GISGIS概念以來，以牛頓時空觀為出發點，以點概念以來，以牛頓時空觀為出發點，以點-線線-面面-體的數學表達為理論基礎，以空間數據管理、分析、應用與服務為核體的數學表達為理論基礎，以空間數據管理、分析、應用與服務為核心，形成了地理信息科學、地理信息技術、地理信息應用與服務的第一代心，形成了地理信息科學、地理信息技術、地理信息應用與服務的第一代GISGIS科學與技術體系！科學與技術

11、體系！從從19771977年提出，通過連續四個五年計劃的國家支持，中國年提出，通過連續四個五年計劃的國家支持，中國GISGIS走過了“引進、走過了“引進、消化、吸收、再創新”的第一成長曲線道路，實現了追趕，進入國際先進行消化、吸收、再創新”的第一成長曲線道路，實現了追趕，進入國際先進行列。列。從從20062006年開始，開展安全級空間數據庫、高性能空間計算、全空間信年開始，開展安全級空間數據庫、高性能空間計算、全空間信息系統等原創性研究開辟了中國息系統等原創性研究開辟了中國GISGIS跨越發展的第二增長曲線?？缭桨l展的第二增長曲線。大數據人工智能&20142014年，大數據首次被寫入中國政府工

12、作報告年，大數據首次被寫入中國政府工作報告，此后，此后連續六年寫入政府工連續六年寫入政府工作報告，作報告，20192019年年的的十九屆四中全會決定首次將“數據”列為生產要素，十九屆四中全會決定首次將“數據”列為生產要素，數據成為數據成為數字世界和數字經濟的核心生產要素以及數字世界的承載數字世界和數字經濟的核心生產要素以及數字世界的承載。張一甲論述到：張一甲論述到：在在L1L1的的AIAI生產時代，生產時代，AIAI意味著第二生產力，關鍵是降本意味著第二生產力，關鍵是降本增效，推動數字化轉型，本質是效率、成本問題；在增效，推動數字化轉型，本質是效率、成本問題；在L2L2的的AIAI原生時代，原

13、生時代，AIAI意味著第二語言，新的交互形式與內容載體；在意味著第二語言，新的交互形式與內容載體；在L3L3的的AIAI創生時代，創生時代，AIAI意味著人類之外的第二主體，推動端上智能、軟硬結合、世界模型落地；意味著人類之外的第二主體，推動端上智能、軟硬結合、世界模型落地；在在L4L4的的AIAI文明時代，文明時代，AIAI意味著第二文明體系。意味著第二文明體系。商業航天低空經濟&20242024年，“商業航天”首次寫入政府工作報告，并將其定義為新增長引擎，年，“商業航天”首次寫入政府工作報告，并將其定義為新增長引擎，這是中國航天事業的重要里程碑這是中國航天事業的重要里程碑。20232023

14、年，我國共完成年，我國共完成2626次商業發射，成次商業發射，成功功2525次，發射成功率達次，發射成功率達96%96%，共研制發射，共研制發射120120顆商業衛星，占全年研制發射顆商業衛星，占全年研制發射衛星數量的衛星數量的54%54%，發射次數和成功率都顯著提升，發射次數和成功率都顯著提升。.20232023年年1212月，中央經濟工作會議明確提出“打造生物制造、商業航天、低月，中央經濟工作會議明確提出“打造生物制造、商業航天、低空經濟等若干戰略性新興產業，開辟量子、生命科學等未來產業新賽道”；空經濟等若干戰略性新興產業，開辟量子、生命科學等未來產業新賽道”；20242024年，低空經濟

15、首次被寫入政府工作報告，低空經濟作為戰略性新興產年，低空經濟首次被寫入政府工作報告，低空經濟作為戰略性新興產業，迎來發展新機遇。業，迎來發展新機遇。3、地理空間智能系統計算引擎功能模塊2、地理模型庫1、地理空間分析與模擬模型組織管理的規范標準模型查詢檢索功能子模塊應用建模功能子模塊模型增刪改等功能子模塊現有地理模型的適應性改造與集成示例現有地理模型的規范化集成模型分類體系模型資源的元數據規范模型實現的封裝注冊規范地理空間智能分析計算服務接口OneSIS集成（計算中臺）數據引擎知識引擎復雜場景模擬計算功能子模塊模型庫管理系統功能模塊應用建模計算模塊可視化引擎OneSIS底座OneSIS底座云原生

16、OneSIS大中臺(底座)OneSIS應用軟件資源租戶私有資源云計算共享資源池硬件計算資源存儲資源網絡資源虛擬化數據基礎地理實時傳感遙感影像地形數據軟件運維系統GIS平臺操作系統數據庫租戶隔離租戶容器管理資源監控租戶管理App1應用系統共享資源私有數據私有配置權限控制App2應用系統共享資源私有數據私有配置權限控制App3應用系統共享資源私有數據私有配置權限控制信息安全共享資源池應用私有資源軟件套件模式軟件套件模式:1 1個底座個底座+N+N個應用個應用資源共享模式：資源共享模式：資源在多用戶、多系統之間共享資源在多用戶、多系統之間共享人類正迎來科技與產業的“雙浪潮”創新時代人類正迎來科技與產

17、業的“雙浪潮”創新時代超級計算、人工智能和自動化等新一代數字技術，將提高了所有行業的生產率，推動所有領域的基礎科學突破。生物科學、納米科學、計算科學、神經科學等前沿科學深度交叉融合，為健康、食品、環境和交通運輸等對社會發展至關重要的領域帶來革命性創新。數字時代的創新浪潮多學科深度融合的創新浪潮20世紀已經結束，自然科學的注意力已經由尋找新的基本規律，轉移到建立新的綜合論（整體論），以便更了解更復雜的系統。171.1.全民化的生成式全民化的生成式AIAI（Democratized Generative AIDemocratized Generative AI）2.2.AIAI信任、風險和安全管理

18、信任、風險和安全管理（AI Trust,Risk and Security AI Trust,Risk and Security ManagementManagement）3.3.AIAI增強開發增強開發（AIAI-Augmented DevelopmentAugmented Development）4.4.AIAI增強開發增強開發（AIAI-Augmented DevelopmentAugmented Development）5.5.增強型互聯員工隊伍增強型互聯員工隊伍（AugmentedAugmented-Connected Connected WorkforceWorkforce）6.6

19、.機器客戶機器客戶（Machine Customers)Machine Customers)7.7.持續威脅暴露管理持續威脅暴露管理（Continuous Threat Exposure Continuous Threat Exposure ManagementManagement）8.8.可持續技術可持續技術（Sustainable TechnologySustainable Technology）9.9.平臺工程平臺工程（Platform EngineeringPlatform Engineering）10.10.行業云平臺行業云平臺（Industry Cloud PlatformsInd

20、ustry Cloud Platforms）GARTNERGARTNER預測的預測的20242024年戰年戰略技術中，六項與略技術中，六項與AIAI強相關！強相關！18大模型，模型的大模型，模型的參數越來越大參數越來越大，甚至達到萬億級；，甚至達到萬億級；大算力大算力，需，需要幾千甚至萬個要幾千甚至萬個GPUGPU一起訓練模型；一起訓練模型；大數據大數據，高質量的數據非高質量的數據非常關鍵常關鍵；精工藝精工藝，煉大模型很像過去煉丹煉大模型很像過去煉丹。1 1）在整個組織中推廣生成式）在整個組織中推廣生成式AIAI的使用，將極大提升自動化范圍，的使用，將極大提升自動化范圍，有效提升生產力、降低成

21、本、拉動新的業務增長機會；有效提升生產力、降低成本、拉動新的業務增長機會；2 2）生成式）生成式AIAI有能力，改變幾乎所有企業的競爭方式和工作方式；有能力，改變幾乎所有企業的競爭方式和工作方式；3 3）生成式）生成式AIAI有助于信息和技能的民主化，將在廣泛的角色和業有助于信息和技能的民主化，將在廣泛的角色和業務中得到推廣應用；務中得到推廣應用；4 4）通過生成式）通過生成式AIAI的自然文本模式，可使員工、用戶高效利用企的自然文本模式，可使員工、用戶高效利用企業內部、外部海量數據。業內部、外部海量數據。在在AIAI進入重工業時代，進入重工業時代，生成式生成式AIAI成為主要技術趨勢成為主要

22、技術趨勢AIAI與與SCIENCESCIENCE深度交叉融合越來越明顯深度交叉融合越來越明顯2023AI for Science成為國家新一代人工智能戰略布局方向1943艾倫圖靈提出Turing machine1956達特茅斯會議Dartmouth1997IBM深藍擊敗卡斯帕羅夫Deep Blue beats Garry Kasparov2006深度學習時代開始The era of deep learning2012AlexNet在ImageNet奪冠，引發DL熱潮2016AlphaGo戰勝李世石1926薛定諤方程Schrdinger Equation1965科恩-沈呂九方程奠定密度泛函理論基

23、礎KohnSham equation1985第一性原理分子動力學First-Principles Molecular Dynamics2013諾貝爾化學獎頒給多尺度計算模型Nobel Prize in Chemistry awarded for multiscale computational models2020AlphaFold2預測蛋白質結構達實驗精度，譽為“諾獎級”成果2020美國能源部發布AI4S發展報告，白宮呼吁將AI4S作為美國AI戰略重要部分US Department of Energy(DOE)releases AI for Science report2019AI藥物逆合成

24、登上Science AI-driven Inverse DesignAIScience人工智能驅動的科學發現是一場正在發生的科技革命人工智能驅動的科學發現是一場正在發生的科技革命AIAI加速科技創新和重大科學發現加速科技創新和重大科學發現2020年機器人化學實驗員利物浦大學研制出世界首個機器人化學實驗員，可獨立執行化學實驗中的所有任務，在一周內研究1000種催化劑配方2020年AlphaFold2在全球蛋白質結構預測比賽中拔得頭籌，其蛋白質三維結構預測準確性接近實驗結果2023年ChatGPT-4OpenAI發布人工智能語言模型，其擁有強大的語言理解能力，能接受圖像和文本輸入，再進行高質量文本

25、輸出2021年AI啟發數學猜想DeepMind團隊公布與數學領域的頂級科學家合作研究成果，驗證AI在發現數學猜想和定理方面有著巨大潛力Burger,B.et al.A mobile robotic chemist.Nature 583,237241(2020)Jumper,J.et al.Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold.Nature 596,583589(2021)Davies,A.et al.Advancing mathematics by guiding human intuition with AI.

26、Nature 600,7074(2021)Lenharo,M.ChatGPT gives an extra productivity boost to weaker writers.Nature(2023)時空大模型正成為理解世界和解決問題的超級大腦時空大模型正成為理解世界和解決問題的超級大腦通用人工智能(AGI)：能夠理解世界的模型，而不僅是描述世界的模型MITMIT最新研究：位置信息時間信息(1)公元前 1000 年至公元 2000 年之間去世的歷史人物的姓名和職業(2)使用維基百科頁面瀏覽量過濾技術從DBpedia構建了包括1950年至 2020 年歌曲、電影和書籍的標題和作者；(3)2010 年至 2020 年紐約時報新聞頭條，來自撰寫時事新聞的新聞欄目?？臻g表征Llama-2可以預測每個地方真實緯度和經度例如，語言大模型中包含的大量地理空間知識可以表達我們真實世界的時間和空間。時空大模型必將是地理信息技術創新時空大模型必將是地理信息技術創新的戰略制高點的戰略制高點影響美國未來領導力的十大想法影響美國未來領導力的十大想法謝 謝敬請大家批評指正！