5G时代空间信息如何实现智能服务

    编者按

    随着5G时代的到来，物联网、云计算、大数据等技术快速发展。信息基础设施日益完善，全球时空大数据呈爆发式增长。在这样的时代背景下，如何实现空间感知和空间认知的智能化，在正确的时间和正确的地点把正确的数据、信息、知识推送给需要的人，实现空间信息的实时智能服务？本期邀请中国科学院院士、中国工程院院士李德仁详细解读。

5G的典型技术特点和应用场景

    5G是第五代移动通信技术，5G下载的速率理论上可以达到20GB/秒，是4G时代的20倍。如果说4G改变生活，5G将改变整个社会；如果说4G服务于人，5G就支持万物互联。

    5G有三个典型的技术特点：5G能提供增强移动带宽；海量机器类通信；超高可靠低时延通信。有了这三个特点，高清视频，VR、AR或交互现实等都能实现，可以实现智慧物流、环境智能监管、智慧城市或智能城市的计算，可以应用于自动驾驶、机器人无人操作、工业互联网、远程医疗、智能电网。

    5G典型的垂直行业应用：比如，视频识别分析，包括人脸识别、移动检测和全景的实时监控，有了5G就可以视频识别实时化。

    VR/AR虚拟显示和增强现实能做到呈见式漫游。每个人戴智能眼镜就可以看报纸，打电话。工业物联应用，包括智能制造、智慧医疗、无人机通信等。车联网应用于智能交通领域，可以建立汽车辅助安全驾驶系统，来提高交通效率。

    5G产业的发展要注重研发核心元器件和典型示范应用。垂直行业的应用面临一个跨界融合的问题，运营商在5G建网时要研究如何降低成本。因为5G的基站非常密集，建设成本非常高。如何降低成本、解决它的应用创新问题，是5G产业发展需要突破的难点。

    5G不可能覆盖全部陆地，而陆地在地球上只占了29%，所以5G需要靠6G卫星通信来补充。

    6G技术是把陆地无线通信技术和中高低轨的卫星移动通信技术及短距离直接通信技术融合在一起，解决通信、计算、导航、感知等问题，组建空、天、地、海泛在的移动通信网，实现全球覆盖的高速宽带网。

    也就是说，6G是空天地海泛在的移动通信网，会涉及很多数据。天上的卫星、飞艇、飞机、无人机，地面的车辆、无人驾驶车等都会产生数据，手机轨迹记录的数据、视频轨迹记录的数据、定位数据、刷卡数据……这些构成一个城市的轨迹大数据。

    5G时代，地球空间信息服务可以做到社会化与大众化，空间信息服务要从二维走向实景三维。

    跟二维相比，三维信息完整、语音信息丰富，空间关系是精准的，三维实景模型是把室内室外、地上地下、水上水下各种精准三维的几何信息，丰富的语音数据信息，准确的空间关系按细节来表达的一个空间数据集市，表达直观，便于分层，用于各种空间分析和辅助决策，把数据、结构、功能为一体的三维数据智能表达，所以它是一个完整的数据模型。

    建立位置精准、基准统一、属性丰富、数据完备的实景三维数据模型，关键是精准空间信息的获取，多元空间大数据的增强、全系地位要素结构化的提取、机构化语音模型按需重建，工作量比原来要大得多。要解决空天地立体化组合全空间的数据采集平台，有卫星、汽艇、飞机、无人机、地面移动系统、手机等各种数据采集手段。

    5G信号仿真要靠三维模型，高清驾驶地图要靠三维模型，城市精细化管理、可视化分析等都需要用三维实景模型。要构建空天的立体化主卧室高效的观测手段，用人工智能、5G网络、云计算区块链技术来提高海量数据处理和智能化水平，用三维模型做智能驾驶信号仿真、城市精细化管理方面的推广应用。

    无人机视频数据能做到实时目标的检测和跟踪，数据用5G传下来很快，就可以进行检测移动目标，边接收边跟踪边处理。

    认路机器人，可以做三维建模的数据采集，可以自动地爬楼梯，可以自动避开障碍物，实现传感、测量、控制、感知的一体化，把这样的器件做成一个很小的器件，上面有北斗GPS芯片、有通信的芯片、有光导和影像传感器，把它们做在一起就能代替人开汽车，放到自动驾驶汽车上去。

    要把大数据用起来。比如武汉市管理三四百万辆汽车、450万个驾驶员、5万多条道路，三维实景地图上会有许多数据，要抓智能化、大众化的应用。

    未来5G和6G可以全球全覆盖，实现一星多用、多星组网、多网融合智能服务。希望解决实质导向增强，提高到分米级，甚至于到厘米级的自动驾驶水平，遥感到分米级五分钟的时间响应速度，全球宽带全覆盖的通信。

    在5G和人工智能时代，抓好真三维实景，建设我国自主的通导遥一体化空天信息实时智能服务系统，抓好空间信息的自动化、智能化、社会化、大众化和实时化服务，以测绘、遥感和地理信息技术中心的地球空间信息学，其创新发展的道路十分宽广，前途光明。

对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑的构想

    面对大数据时代的到来，将人工智能应用于地球空间信息学，可以提升地球空间信息处理的感知认知能力，实现地球空间信息学对所获取的数据快速处理、提取有用信息和驱动相应应用的过程。

    在近地外层空间上，在从数字地球向智慧地球发展的过程中，对地观测卫星的空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率等不断提高，各国掀起了高分辨率遥感卫星研制的热潮。我国也相继发射资源系列、遥感系列和高分系列高分辨卫星，使在轨卫星数量达235颗以上。它们将满足正常需求和基于特定任务目标需求的快速响应、持续动态监测。

    物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感器设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，普遍连接，形成物联网。

    物联网极大地促进了智慧城市的建设与发展，使城市中的“万物互联”成为可能。物联网促使城市拥有了上千万个智能传感器，如我国城市已拥有2000多万个视频摄像头，可以提供PB和EB级的连续图像。

    在个人尺度上，智能手机作为最普及的移动设备，在分析测试方面具有巨大潜力，它带有越来越多的传感器：加速计、麦克风、摄像头、陀螺仪、定位装置等，可以方便地获得各种数据和信息，如捕获人类行为数据、记录位置信息、感测环境变化，甚至可以为相关科学研究记录和分析数据，成为无所不在、人人拥有的大众传感器，成为人们生活中最受欢迎的电子设备。

    因此，在地球空间的宏观、中观、微观3个尺度上分别形成对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑3个高度智能化系统，是完全切实可行的。

    宏观尺度上的对地观测脑是通过将通信、导航、遥感卫星一体化组网，并与人工智能和天地云计算相结合而形成的一种模拟脑感知、认知过程的智能化天基信息实时服务系统。利用在轨影像处理技术、星上数据计算分析技术等对获取的数据信息进行处理分析，再通过星间通信链路和天地通信网的融合，将它们传送给全球任一需要服务的对象的智能终端。

    中观尺度上的空间认知是智慧城市脑，它是在数字城市建立的网络空间上，通过物联网各种传感器自动和实时地采集现实城市中人和物各种状态和变化的大数据，利用人工智能和数据挖掘等智能手段，由云计算中心处理其中海量和复杂的计算，实现对城市的感知、认知与控制反馈，为城市应急、城市管理、智能制造、经济发展和大众百姓提供各种智能化的服务的一种城市运行管理服务系统。

    微观尺度上的空间认知是智能手机脑，它利用手机和智能手表上的加速计、麦克风、摄像头、陀螺仪、定位装置和人体健康参数测量仪等各种传感器，能实现室内外优于1m的定位精度，通过实时捕获人类行为数据、记录位置信息、感测环境变化和手机主人的健康参数（血压、血糖、血脂、心率、脉搏、心电图）等数据信息，通过手机内置高度智能芯片对各种数据进行上下文分析推理。这种智能手机脑可分析手机持有人的行为学、健康学、生理学和心理学，并可成为主人的智能助理。

    对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑是我们学习理解脑认知、实现空间认知的新跨越，是地球空间信息科学发展的新使命，需要广大科研人员投身到时空大数据与人工智能的集成创新研究中，为研制各种各样的对地观测脑、智慧城市脑和智能手机脑作出应有的贡献。（李德仁）