高分辨率遥感影像智能解译研究进展与趋势

遥感影像解译是一个不断发展的研究方向,随着日新月异的遥感应用需求、高分辨率遥感数据的快速发展、地理知识的日积月累、以及人工智能技术的发展,亟需发展自动化、智能化的遥感影像解译技术。本文针对遥感影像智能解译,首先从遥感影像解译单元、分类方法、解译认知3个方面阐述遥感影像解译的研究进展,然后提出了面向地理场景的 “地理知识图谱构建—深度学习模型构建—地理知识图谱与深度学习模型协同的遥感影像语义分类”遥感影像智能解译总体框架,并给出初步试验成果,最后对智能解译的重要发展趋势予以展望,以期拓展遥感影像智能解译研究的思路与方法,提高遥感影像智能解译的精细程度和智能化水平,使智能解译具备地理空间理解能力,推动“数据—信息—知识—智能”的深度转化。     

时空大数据时代的地理知识工程展望

伴随智慧城市的逐步建设,日益成熟的传感网技术使时空数据的获取变得容易。遥感影像、地图瓦片、视频监控、网络爬虫、社交平台等各类时空数据常有PB级的巨量数据存储,人类社会已全面进入时空大数据时代。然而,海量数据的骤增与信息增值机制的缺乏形成了鲜明的对比,仅仅依靠信息技术尚难以快速地产生地理知识。如何利用新兴的信息化技术手段,结合地理信息及地理分析手段,快速挖掘、产生和利用时空数据成为当前亟待解决的关键问题。地理知识工程围绕人类空间认知与复杂知识发掘技术,对大数据时代的智能化应用和政府决策有重要的意义。立足于时空大数据背景,展开地理知识工程的内涵、时代特点、结构组成及研究方向等论述。地理知识工程的发展将在以虚拟地理环境、数字地球、智慧城市为代表的新型地理信息系统推动下,促进传统地理信息系统向着符合人类认知特点和探索过程的方向转变。通过海量时空数据到地理知识的快速转化,最终将解决"地理数据爆炸但地理知识贫乏"这一重要难题,提升数据的使用效能。     

论虚拟地理环境对地理知识的表达与共享

地理知识是通过对地理科学领域独特的背景、过程和结果进行解释而得到的知识。如何有效表达和共享地理知识是地理学研究和应用中的重要问题。本文首先将地理知识划分为3个层次,事实型知识、规则及控制型知识和决策型知识,分析了不同阶段地理语言对地理知识表达与共享的支持能力。对比地图和GIS语言,发现新一代地理语言—虚拟地理环境VGEs(Virtual Geographic Environments)能够较为全面地支持3个层次的地理知识。针对VGEs,从多个角度分析了其服务于地理知识表达与共享的能力,包括虚实结合理论、地理模型库及管理系统、动态可视化表达和异地协同工作环境。结合面向珠江三角洲地区空气质量研究问题的虚拟地理环境平台,对上述各方面进行了阐述。最后从地理知识生成、管理与应用角度对未来研究提出展望。     

虚拟地理环境下的地理空间认知初步探索

地理空间认知是人类获取地理空间知识、认知地理环境的重要方法和手段,虚拟地理环境VGEs（Virtual Geographic Environments）作为继地图和地理信息系统（GIS）之后的新一代地理分析工具,在地理空间认知方面具有显著优势,但目前相关研究尚处于概念探讨和框架搭建阶段,缺乏对地理空间认知内涵及相关技术方法的论述和研究。本文以经典的地理学6问题求解为导向,从地理本体认知、地理过程认知和地理行为认知3个层次,阐述了VGEs地理空间认知的内涵和基本内容;进一步重点探讨了实现VGEs地理空间认知的相关技术方法,包括城市空间表达与城市计算、多模式人机交互、地理知识图谱与空间推理、地理过程模拟、地理行为模式识别与情感计算等方面。以重庆为例开展了应用案例实践,展示了如何利用相关技术方法实现对地理环境和地理空间对象的认知和理解。本文提出的总体框架和技术体系为VGEs地理空间认知的深入开展和技术实现提供了新的思路和解决方案,有助于将该项工作从理论探讨阶段推向技术实现阶段。     

从地理信息服务到地理知识服务:基本问题与发展路径

从地理信息服务升级到地理知识服务,既是一种必然的发展趋势,也是信息爆炸困境下的迫切现实需求.本文辨析了地理知识服务的内涵、与地理信息服务的联系及区别,以及其对形式化知识表示与智能化知识处理的要求.在分析传统人工智能技术的局限性和人工智能技术新近突破性进展的基础上,指出最新发展水平的人工智能技术为发展地理知识服务提供了令人乐观的认知智能基础.从地理知识服务的时空本质特性的角度,指出了发展地理知识服务面临的空间表示知识化、空间分析认知化、知识服务情境化3方面的主要问题,进而提出了地理知识服务的分级发展策略和推进路径.     

大数据背景下的虚拟地理认知实验方法

如何构建新一代的虚拟地理认知实验研究范式,从海量人类活动和地理数据中挖掘人地交互过程中的新模式、新知识成为新一代虚拟地理认知实验需要解决的问题。本研究首先提出了在数据密集型科学研究范式下的虚拟地理认知实验框架,阐述了从环境心理学的视角,结合多源人类活动大数据、城市环境大数据构建实验平台的方法,进而支持地理知识工程的构建。其次,本文介绍了基于海量街景数据和对应的个体情感评分数据,利用深度学习的相关方法和统计模型来进行认知知识挖掘的案例。实验发现了可视域中与个体对场景的情感维度-压抑感具有较高相关性的一系列视觉要素,如植被、建筑、车辆等,并通过回归分析予以量化。     

面向地震灾害防治的知识图谱构建方法研究

针对现有防震减灾信息服务系统的易用性和可操作性不强,相关信息服务产品难以推广与应用的问题,该文提出一种面向地震灾害防治的知识图谱构建方法.运用知识构建理论,梳理防震减灾策略与地震理论、基础信息、功能服务等地震防治实体间复杂的语义关系,抽取各类地震灾害信息并建立语义网络,构建以防震减灾为核心的地震灾害防治知识图谱,并对知识图谱进行可视化表达.实验结果表明,本文所提出的知识图谱构建方法能够直观的展示地震防治信息间语义关联,实现不同类型信息的综合联动,提高了防震减灾信息服务的智能化水平.     

地理知识的形式化

地理知识形式化是地理专家系统中的瓶颈问题，本文探讨了地理知识形式化的基础、地理圈层与地理系统分解为因子层数据的可能性、圈层与系统之间的公因子、地理数据与地理知识的相互转化、地理知识的等级与分等定级、地理知识的编码等问题。     

基础地理知识服务的基本问题与研究方向

基础地理数据具有空间载体和知识存量两大作用。以往人们主要关注其空间载体作用，研发和提供了丰富多样的基础地理数据服务与信息服务，但对其知识存量挖掘不够，提供的地理空间知识服务极少。近年来，“数据海量，信息爆炸，知识难求”现象愈加突出，从地理数据信息服务走向知识服务势在必行，已成为测绘科技转型升级的一项重要任务。借鉴知识图谱的最新研究进展，讨论了基础地理数据、信息和知识的基本内涵，提出了以结构化和关联化为重要特征的基础地理知识服务总体思路，分析了由此带来的4方面问题；继而从领域知识体系构建、关键技术、应用服务3个方面讨论了基础地理知识服务的研究方向与重点；以GlobeLand30知识服务为例，介绍了初步研究进展。     

遥感信息图谱支持的土地覆盖自动分类

遥感数据的海量堆积与应用信息的匮乏日益凸显信息认知提取的重要性,在地学信息图谱方法论的指导下,同时参考视觉认知流程,提出了遥感信息图谱认知方法用于遥感数据的自动解译。在地理信息系统的统一框架下逐步挖掘多源遥感数据的"图"、"谱"特征并进行图谱耦合分析,通过多尺度分割、特征分析、监督学习等关键步骤完成"察觉—分辨—确认"的地学认知流程,初步满足自动化和智能化应用需求。在土地覆盖信息自动解译应用中建立了基于"图谱"先验知识的管理与运用机制以实现自动化,采用机器学习算法提升智能化程度,并以自适应迭代控制模型使结果精度向最优逼近。选取了珠江三角洲的试验区域进行了基于ALOS多光谱影像的土地覆盖自动分类,结果符合预期,说明了本文方法的可行性。     

An intelligent agent based on virtual geographic environment system

On the basis of previous work, this paper designs an intelligent agent based on virtual geographic environment (VGE) system that is characterized by huge data, rapid computation, multi-user, multi-thread and intelligence and issues challenges to traditional GIS models and algorithms. The new advances in software and hardware technology lay a reliable basis for system design, development and application.     

An intelligent agent based on virtual geographic environment system

On the basis of previous work, this paper designs an intelligent agent based on virtual geographic environment (VGE) system that is characterized by huge data, rapid computation, multi-user, multi-thread and intelligence and issues challenges to traditional GIS models and algorithms. The new advances in software and hardware technology lay a reliable basis for system design, development and application.     

论虚拟地理环境

提出虚拟地理环境概念，并讨论其特征。虚拟地理环境，是包括作为主体的化身人类社会以及围绕该主体存在的一切客观环境，其中的化身人类是表示现实世界中的人与虚拟世界中的化身相结合后的集合整体。虚拟地理环境结构由地理位置层面、内表达数据层面、外表达境象层面、单主体感知认知层面和互主体社会层面组成，它的孕育演化包括虚拟群落社会、虚拟村落社会和虚拟城市社会3个阶段。最后讨论了地学虚拟环境与虚拟地理环境，以及虚拟地理环境和现实地理环境的相互关系。     

利用CryEngine构建虚拟地理环境

尝试采用新一代图形引擎CryEngine实现小尺度条件下多要素耦合与逼真表达,探索基于该引擎的虚拟地理环境构建方法,包括虚拟地形环境的快速构建方法、车辆建模与动态模拟方法、人物建模与智能行为模拟方法,以及场景集成与渲染方法等。以虚拟校园为原型系统,验证所提方法的可行性以及可视化效果,结果表明,基于CryEngine构建虚拟地理环境路线可行,尤其在面向小尺度虚拟环境时,能够很好地将环境、实体和人物紧密耦合在一起,且其逼真程度较现有虚拟环境有大幅度提升。     

虚拟地理环境的地理学语言特征

在比较分析传统地图和GIS的地理学语言功能基础上,指出了虚拟地理环境对现实世界抽象表达的多维特征、多视点和多重细节的多模态可视表现、多种自然交互方式和跨时间、空间与尺度的地理协同以及多感知的空间认知能力等。说明虚拟地理环境提供了一种综合表意系统和更接近自然的多感知的空间认知能力,使得从现实世界到人类大脑的信息带宽最大化,提供了超越现实的抽象表示与解析理解能力,达到了增强现实的目的。虚拟地理环境作为继GIS之后新一代地理学语言的显著特征是以用户为中心、提供最接近人类自然的交流方式与表达形式。     

智慧时代的空间信息人才培养:挑战与应对

以智慧地理信息服务新兴产业应用岗位需求为目标导向，分析了智慧时代空间信息认知特征与需求，揭示了地理空间信息理解和空间认知在智慧地理空间信息服务中的重要地位，以及未来空间信息人才面临的机遇与挑战；提出了应对智慧地理空间信息服务需求的成果导向创新应用能力本为教育新模式，构建了以智慧地理信息服务项目驱动的OCCE培养途径/任务群，积极探索了新时代测绘地理信息工程教育教学改革方向。     

增强地理环境中过程可视化方法——以人群疏散模拟为例

结合增强现实技术的发展,在虚拟地理环境发展的基础上,提出了“增强地理环境”的概念和虚实融合框架;主要研究了虚拟地理过程与三维打印模型沙盘融合的关键计算与可视化技术,具体包括虚拟地理空间与现实地理空间的坐标匹配、遮挡处理等算法,并以学校火灾人群疏散为案例,实现了人群疏散模拟虚实融合的增强地理环境可视化原型系统。通过系统测试和人员体验调查统计分析,证明了增强地理环境可视化技术的可行性和人群疏散模拟应用交互展示的创新性。     

虚拟地理环境的认知研究框架初探

作为新一代地理分析工具,虚拟地理环境对于增强人类地理认知、分析解决地理问题方面具有显著优势。目前虚拟地理环境的基本框架、实现技术均有较多论述与成果。但在虚拟地理环境的认知研究方面尚缺乏有效指导。为提高虚拟地理环境构建的科学性,本文通过对虚拟地理环境现有概念的分析,提出从系统论角度进行虚拟地理环境认知研究的观点;并对虚拟地理环境的认知与地理认知、地图认知等相近概念进行了对比分析。从现实环境与虚拟环境间的相似性入手建立了虚拟地理环境的认知研究框架,该框架从思维相似、感觉相似、几何相似、特性相似和离散相似5个方面探讨了虚拟地理环境认知研究目前的着眼点,并将思维相似作为虚拟地理环境认知研究的重点与难点。该框架将虚拟地理环境的认知问题置于一个更广泛背景中进行研究,一方面体现了虚拟地理环境所具有的地理实验研究新平台的作用,另一方面重点强调了人的作用,对深入开展虚拟地理环境的研究具有重要意义。