刘经南院士：智能时代泛在测绘的再思考

智能时代泛在测绘的再思考

刘经南¹,郭文飞¹, 郭迟¹,高柯夫¹,崔竞松²

1.武汉大学卫星导航定位技术研究中心, 湖北 武汉 430079;

2.武汉大学国家网络安全学院, 湖北 武汉 430072

收稿日期：2019-12-13；修回日期：2020-01-19

基金项目：中国工程院重大咨询研究项目(2018-ZD-02-07)；武汉市科技计划(2018010401011271)；武汉市应用基础研究计划(2017010201010112)；中国工程科技发展战略湖北研究院武汉分院咨询项目

第一作者简介：刘经南(1943-), 男, 教授, 中国工程院院士, 研究方向为卫星大地测量理论、方法、数据处理, 卫星导航定位方法、数据处理及应用

通信作者：高柯夫, E-mail：gao@whu.edu.cn

摘要：本文首先给出泛在测绘的定义和内涵，然后将传统测绘与泛在测绘进行了比较分析，指出由于互联网实现了人与人的信息便捷交互，互联网时代的泛在测绘最显著的推动力就是为满足人与社会及人与环境的多种需求，人本身也成为了测绘的对象。同时，对环境变化的动态感知，对人与环境关系的感知、认知和相应服务成了泛在测绘的重点特色要素。本文还指出互联网因其位置的虚拟性和网络时间标准过低，无法满足对物理世界协同感知和远程广域协同管控的需求，因此互联网、物联网必须向具有精准时空位置感知能力的泛在网演进。文章论述了“泛在网”随着互联网和物联网的演进，是具有“无时不有，无所不在”时空特性的感知网络，并且随着需求的扩展，正演进出“无所不包，无所不能”的智能化需求态势。目前，只有包括北斗在内的全球卫星导航系统，即GNSS技术，能够赋予泛在网在广域和全球范围内具有时空位置感知和管控的能力。在泛在网的支持下，泛在测绘正在发展以实时精准时空感控为特征，以实现陆海天空网一体化、室内外一体化，并实现人与物理世界及虚拟网络世界交互的感知、探测、认知和调控。由此，泛在网也成为智能时代的关键信息基础设施。为了理解智能时代泛在测绘的需求，文章从自然智能及时空位置观出发，对于智能、智慧和人工智能的定义做了新的梳理。针对智能时代人工智能中跨界融合、人机协同、群智开放和自主操控4个热点研究方向及其在军事、工程、实时高精地图及地震预警等的应用，论述了泛在测绘在其中所发挥的基础性、关键性和协同性作用。本文最后还展望了网络虚拟世界的泛在测绘、数字孪生虚拟人的构建及国家安全“制时空权”等智能时代泛在测绘的新领域发展趋势。

关键词：泛在网(信息物理系统, 工业互联网) 泛在测绘 北斗卫星导航系统 时空位置 人工智能 自然智能

Rethinking ubiquitous mapping in the intelligent age

LIU Jingnan¹,GUO Wenfei¹,GUO Chi¹,GAO Kefu¹,CUI Jingsong² 

1.Research Center of GNSS, Wuhan University, Wuhan 430079, China;

2.School of Cyber Science and Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China

Foundation support: The Major Consulting Research Project of Chinese Academy of Engineering (No. 2018-ZD-02-07); The Wuhan Science and Technology Project (No. 2018010401011271); The Wuhan Science and Technology Project (No. 2017010201010112); The China’s Engineering Science and Technology Development Strategy Hubei Research Institute Wuhan Branch Consulting Project

First author: LIU Jingnan (1943—), male, professor, academician of the Chinese Academy of Engineering, majors in satellite geodetic, methods and data processing, satellite navigation methods, data processing and applications.

Corresponding author: GAO Kefu, E-mail: gao@whu.edu.cn.

Abstract: The definition and connotation of ubiquitous surveying and mapping are given at first. The differences from the traditional surveying and mapping are analyzed and presented. Since the Internet enables convenient interaction of information between people, the most significant progress of ubiquitous mapping in the Internet age is to meet diverse demands about relations between human beings and the society, as well as human beings and the environment, which means that human beings have become the mapping target. At the same time, ubiquitous mapping also focuses on the dynamic perception of environmental changes, the perception and cognition and corresponding services of the relationship between human beings and the environment. This paper indicates that the Internet cannot meet the demands of coordinated perception to physical world or the coordinated management neither the control of remote wide area due to the virtuality of its position and the too low network time standard. Therefore, the Internet and the Internet of Things shall advance towards the ubiquitous network with the capability of perceiving accurate space-time position. This paper discuss that the ubiquitous network is a perceptive network with space-time characteristics of "Any Time and Any Where" with the evolution of the Internet and the Internet of Things, and is evolving towards "Any Thing and Any Service" with the expansion of the intelligent demands. Currently, only the global satellite navigation system including Beidou, namely GNSS technology, is able to provide the ubiquitous network with space-time position perception and management and control capability in wide area and the global scale. Supported by ubiquitous network, ubiquitous mapping is developing with the characteristics of real-time and accurate space-time perception and control, to realize the perception, cognition, and regulation of land, sea and air network integration, indoor and outdoor integration, and the integration of human beings into physical world and virtual network world as well. As a result, the ubiquitous network will also be the key information infrastructure in the intelligent age. To understand the demands of ubiquitous mapping in the intelligent age, this paper combs through the definition of intelligence, wisdom and artificial intelligence from the perspective of natural intelligence and space-time position. The fundamental, key and coordinated role of ubiquitous mapping is discussed based on the four hot research directions of the new-generation artificial intelligence, including the cross-border integration, human-machine coordination, open collective intelligence and autonomous control, and its application to military, engineering, real-time and high-precision mapping as well as the earthquake early warning. At last, this paper sheds light on the vision of future application trend of ubiquitous mapping to new fields in the intelligent age, such as ubiquitous mapping of the virtual space, construction of digital twin virtual human, and "space and time sovereignty" to national security.

Key words: ubiquitous network (cyber physical systems, industrial Internet) ubiquitous mapping BeiDou navigation satellite system space-time position artificial intelligence natural intelligence

随着传感器技术、计算机技术、网络通信技术和人工智能技术的飞速发展，终端接入、感知和计算能力不断提升，传感器网络、通信网络、互联网、移动互联网等复杂网络日益互联化、协同化、融合化、宽带化。信息服务的内容和方式逐渐综合化、定制化、泛在化和智能化。一个以“任何时间、任何地点、任何设施、任何人，通过无所不在的网络进行联系”的泛在网络^[1]时代已经来临，这对测绘行业的生存与发展，以及其他行业与领域的跨界融合也带来了极好的机遇和极大的挑战。

建立新型的泛在感知网络，需要监测地球、探测深空、感知深海及潜入深网。“泛在感知网”即广泛存在的感知网络，它以无时不有、无处不在、无所不包、无所不能的“四无”为基本特征进行扩展，基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、存储、传递、认知、决策、管控等服务。该网络具有超强的环境感知、精准时间、空间位置感知和智能决策控制能力，为个人、行业和社会提供泛在、随动、按需、绿色的智能化信息服务和管控应用。

当前，在地理国情与环境监测的立体化和实时化支撑下，人类活动的位置服务实时化、人类活动范围的陆海空天一体化和室内外无缝化成为发展趋势。人类对时空位置信息的需求正从事后走向实时和瞬间，从静态走向动态和高速，从粗略走向精准和完备，从陆地走向海洋和天空，从区域走向广域和全球，从地球走向深空和宇宙。目前，正从实体空间走向虚拟网络空间^[2]。这也正是以探测、感知和认知为主要功能的传统测绘，从主要面向自然延伸到面向社会和人类自身，从而满足泛在化、实时化和智能化测绘需求的必然过程。

习近平总书记在2016年5月30日院士大会上指出：当今世界，一些重大颠覆性技术创新带动了以绿色、智能、泛在为特征的群体性重大技术变革，大数据、云计算、移动互联网等新一代信息技术同机器人等智能制造技术相互融合步伐加快，使社会生产和消费从工业化向自动化、智能化转变，社会生产力将再次大提高，劳动生产率将再次大飞跃^[3]。

未来30年，为满足绿色、智能、泛在为特征的发展需求，在测绘与位置服务领域，人类将会建立1毫米精度的动态地球参考坐标框架，建立米级到毫米级多种分辨率的连续实时对地观测遥感网络，建立米级到厘米级精度的大洋深海环境和目标的探测体系，并提供亚纳秒级的时间全球同步。其特征就是广域、动态、实时，不仅感知和表达自然，还包括人类自身。同时，以新一代人工智能为代表的智能时代的到来，也将催生颠覆性技术的创新和传统性观念的革新，智能时代的测绘与位置服务领域需要再度被审视，以应对未来的机遇与挑战。

1 互联网时代的泛在测绘^[4]

1.1 泛在测绘的产生背景和定义内涵

2005年“Google Earth”的出现，其技术和商业模式使我们意识到将对传统测绘行业带来颠覆性的冲击：一是专业测绘和大众测绘的界限将被打破；二是今后任何测绘作业和测绘设备都将与互联网实现连通；三是导航电子地图的出现意味着人也成了被测绘的对象，测绘对象的范畴从此不再只是地球上的地物地貌。

2009年在广州亚运会运动场所的测绘项目验收中，海星沙开幕式会场的三维场景地图及其与周边时空位置间通视关系的可视化展示，显示出地图、室内外位置与人的关系将成为测绘的新需求和新目标，将更注重地图实时性表达、更侧重分析人与周边环境及社会因素的关系。

2010年9月，笔者在给中国卫星导航定位协会做的报告中，试图系统地定义并阐述互联网时代泛在测绘的概念理论与技术。国际制图协会于2003年成立了泛在测绘委员会，并在之后的8年内一直致力将泛在测绘的概念引入理论制图学领域，期间时任委员会主席Takashi Morita教授，尝试对泛在测绘进行定义^[5-7]。

传统测绘是将地表任何区域的长宽高等方位属性通过线图等表示方法精确地描述到纸上的活动。泛在概念与测绘行业的结合是在互联网、物联网、云计算和大数据等技术逐渐成熟的基础上，实现对世界(包括人自身)的实时全感官，甚至超感官的度量(包括量化、建模、分析和预测)。

综合来讲，泛在测绘是用户在任何地点和任何时间，为认知该处、该时的环境与人的关系，而使用和构建地图的活动和能力(“能力”是国际制图学会的定义中给出的^[5])。泛在定位是用户在泛在测绘的过程中，利用多种传感器技术来感知目标、事态时空位置、环境及其变化的活动。与之对应的泛在地图，指利用泛在定位和多种资源可视化表达用户感兴趣的目标与环境场景，或其自身实时动态环境场景的图像。传统测绘与泛在测绘的最终表达形式都是地图，因此，它们理论体系是一致的，都属测绘学范畴。

同时，泛在测绘与传统测绘之间又存在明显的区别，见表 1。泛在测绘更加注重了解人与环境的实时状态和动态趋势，而非静态状态。用户为解决某一问题所感兴趣或能够感兴趣(合法且合乎伦理道德)的任何目标、事物事件或相关人的位置，无论是室内还是室外，自然的还是社会的，都可成为泛在测绘的对象。专业测绘数据，或者是非专业的众包测绘数据都将成为泛在测绘和时空位置大数据的重要来源。传统测绘的地图具有认知、交流、辅助决策的3大基础功能，而泛在测绘形成的位置服务具有认知、交流、决策和管控4大功能。所以泛在测绘更趋近于互联网时代的快速或近乎实时的时空定位和大众服务行业，是传统测绘转型的最新发展和未来趋势。

表 1 传统测绘与泛在测绘的区别 Tab. 1 The differences between traditional mapping and ubiquitous mapping

对环境的感知，以及对人与环境关系的感知、认知和相应服务将是泛在测绘的重点之一。现时流行的网络动态地图、道路导航电子地图、单位车辆运行状态监控地图和平台、道路拥堵实时地图、气象与环境地图及其实时性服务等都是其表现形态。

1.2 互联网演进与泛在测绘发展的需求

互联网是泛在测绘快速更新和及时信息服务的基础设施和基本保障。对人的行为实时感知和分析，对区域环境的动态感知以及测绘的需求，使泛在测绘有了管控的功能需求。当前泛在测绘依托的互联网能否满足泛在测绘近乎实时的管控需求，下文做简要分析。

信息网络的演进经历互联网、移动互联网、“互联网+”、物联网及泛在网等5个阶段，如图 1所示。互联网和移动互联网实现了信息互联互通，已然成为国际化的信息基础设施。但互联网仍然是一个只有IP地址的虚拟网络，带宽不足，时间标准也很低，信息拥堵时导致延时大，既不可测，更不可控，不能满足互联对象间近实时的协同和管控要求。“互联网+”是基于互联网但强调向行业应用和服务靠拢，进入到信息泛在服务阶段，实现互联网与经济社会各领域深度融合，重塑并创新政府服务、产业和商业服务模式，也有快速服务和质量监控需求。物联网向万物感知终端延伸，进入到泛在物联阶段，以实现网络计算设备与环境感知终端的联通，不仅物与物、物与人都可实现互联，还有为适应外界变化对远程感知终端进行管控的需求。物联网终端数量庞大、种类繁多，这种管控需要精准复杂的协同，随着传感器、可穿戴设备及微型探测器越来越多，物联网也越来越展现出无处不在和无时不有的泛在特性。

图 1 信息网络的演化过程 Fig. 1 The evolution of information networks

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当前，这类低功耗广域网(如窄带物联网，NB-IoT)、5G通信网络等陆续商用，使网络连接泛在化程度不断提高，促进了车联网、共享经济、智能家居、智慧城市等行业的发展。这些行业成为了泛在测绘的服务热点，由此也产生了大数据和云计算需求。据预测，2020年物联网的感知设备将超过200亿，50%的计算会在边缘设备上进行^[8-9]。云与端的协同计算要求网络信息传播延时是可测可控的，而当前互联网时间协议标准很低，难以实现网络计算协同和泛在测绘中的服务管控，为此就要求网络必须向具有精准时空位置感知的泛在网演进。

互联网、移动互联网、“互联网+”以及物联网相互渗透和彼此依存，促进了各行各业发展，也促进了制造业生产流程和场所的分散化、广域化，产品生产和服务的一体化、国际化。产品生产和应用的精细服务和精准管控需求，对信息在网络上流转的位置与时间要求，也超过了当前互联网的服务能力，而目前互联网的虚拟地址特性和非可测可控的时延特性是无法满足这一需求的。这样，信息网络也必将演进到泛在协同阶段，以实现人对虚拟空间和物理空间的协同、融合与实时精准时空位置控制。因此，互联网时代的泛在测绘和位置服务，在泛在网时代应该重新定义。

2 泛在网时代的泛在测绘

时空是物质、能量、信息的承载，是人类生存和发展一切活动的基础。物质在时空中的运动和相互作用产生能量，能量在时空中的传播和耗散，并与其他物质或能量相互作用被感知而成为信息。时空位置既是物质、能量、信息活动与状态的表征，也是人类对物质开展运动研究、特征描述、实现目标管理与对象控制的基础。

因此，泛在网络应该既是时空域内广泛存在的信息感知网络，也处理信息并从中认知时空域内事物本质和变化规律，并对这些变化进行分析判断，做出趋利避害决策并能实施调控。其中，调控显然是针对时空域内局部环境的变化进行的。为满足泛在网从感知、认知再到决策调控过程对于精准时空位置的普遍需求，关键是要使其具备两种能力：一是对网络中传输、处理的信息具备实时精确的时空位置定位能力；二是对网络中运行和传输的调控指令的执行耗时，有精确测算能力。

泛在网络实现上述两种能力的实用、可行的方法是，以北斗/GNSS为核心的高精度时空位置服务对泛在网进行赋能，使其可感知目前技术可达到的地球及其周边宏观空间、多尺度时间域内的物质和人类活动的时空位置，即陆海空天、室内、地下以及包括人类信息活动的虚拟空间(互联网)^[10-11]的时空位置。

目前，泛在网的表征形式是信息物理系统(cyber physical systems，CPS，工业界称为工业互联网)，它在物联网的基础上，增加了实时感知和对流程、产品、工件精准控制的功能^[12]。CPS/工业互联网的目标之一是要升级互联网，使其能将物理设备联网，让广域或全球性分布的物理设备具有计算、通信、精准控制、远程协同和自治等5大功能，以使人类感知和控制物理世界的能力实现在时间、空间尺度方面的延拓。其技术关键就是实现人、机、物在网络上的融合计算，所以又称为人机物融合系统^[13]。德国的“工业4.0”以及“中国制造2025”本质上都是利用CPS/工业互联网将生产中的广域或全球供应、分散化制造、市场销售等流程数据信息化以实现快速、高效、个性化、智能化的产品设计、生产和消费服务。为此，泛在测绘需要进行广域或全球协同操作，在时间和空间维度上对控制对象进行精准度量，其工业远程控制的时间度量和同步精度需达到纳秒级。

泛在网时代对泛在测绘提出多层次、多粒度以及多时相的需求，如图 2所示。其中，空间和海洋是当前正在拓展的人类生存发展的新疆域。精确地壳板块构造运动测量，海洋中的台风和大气中的水汽运动及其进入陆地后的变化探测，电离层电子含量活动及其变化规律认知，海洋风场、海洋波浪运动、海洋潮汐及洋流变化规律的认知等都对泛在测绘和时空位置服务的需求日益增长，有的作为业务手段用在天气中短期预报上，有的已用在中短期地震预报上。“建设海洋强国”战略也突破了传统海洋测绘的需求，提出建立完备精确的海洋时空基准、海洋环境探测以及地理信息服务的海洋泛在智能感知网络^[14]。

图 2 不同尺度空间对测绘的需求 Fig. 2 The demands for mapping in different scales of space

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泛在测绘对宏观世界和生物体内介观世界的观测或探测原理是相通的，需要为被测对象建立专有的时空基准体系，给区域、广域或介观域环境信息感知网络赋予精准时空位置感知能力，当然介观域里的测量、表征和评估方法更为特殊一些。当今，环境感知网都依赖互联网、物联网传递信息。目前，最便捷、最经济的时空位置感知能力，只能是以北斗/GNSS技术为主建立的时空基准基础设施。因此，泛在环境感知网络和基于卫星定位的时空位置服务网络将会融合为一体。

位置服务基于导航定位、移动通信、数字地图等技术，建立起人、事、物、环境在统一时空基准下的时空位置参考坐标及其相互的时空关联。泛在网时代的位置服务特点就是在满足用户对所感知的事件、目标等及其时空位置信息进行认知、规划和管理的基础上，增加了调控需求。

当前，位置服务(location based service，LBS)已成为信息服务业的新兴业态和重要组成部分。其核心技术包括：泛在精准定位，“实时”高精度导航或自动驾驶地图, 智能位置服务等。泛在测绘与位置服务的分类，如图 3所示。泛在测绘与位置信息服务网包括感知网络、通信网络、计算网络和定位网络等部分，需要对包括传感器网络、互联网、5G移动通信网、物联网等信息基础设施逐步向泛在、精准、可控的CPS/工业互联网进行改造和升级，从而建立起新型的泛在化、智能化、陆海空天网一体化的泛在感知网络基础设施体系。

图 3 泛在测绘与位置服务的分类 Fig. 3 Classification of ubiquitous mapping and location based services

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随着互联网向泛在网的演进，人类不仅实现了政治军事活动、经济社会活动和个人家庭活动的互联互通，信息虚拟空间与人类赖以生存的自然物理空间及发达精准的物资能源生产体系也正实现信息互通与融合。这一融合会给人类社会带来革命性的巨变，同时也带来诸如管理、安全等难以预计的挑战。

时间和空间是一切人类活动的载体和标识，也是一切信息的属性。因此，泛在时空位置服务既是推动这一巨大融合新动力，也是解决其安全挑战的总钥匙。随着动态需求的实时性提高和数量级增长，泛在测绘已是产生时空位置大数据的主要来源，所以泛在测绘是泛在网与时空位置服务的融合体现。

3 智能时代的泛在测绘

智能时代的泛在测绘是在实现泛在网与泛在测绘融合的基础上，为满足智能制造、智能交通、智慧城市和智慧医疗等智能时代经济社会活动的服务需求，由不断演进的人工智能技术和自然智能新技术驱动的时空位置测绘。

3.1 从自然智能和时空观来理解定义人工智能

目前，信息网络正朝着物联网和泛在网络演进。它由大数据、更强大的计算能力及更智能的计算方法三者共同驱动，产生了新一代人工智能，即计算机具备学习和思考等能力。与此同时，为实现计算机网络对物理世界的智能管理和协同控制，信息物理系统CPS(亦即泛在网)应运而生，并与人工智能相融合，使社会生产和消费加速从工业化向自动化、智能化转变，人类因此进入智能时代。

智能是自然界的生物感知、认知、适应环境的生存能力。生物拥有智能，是因为它可以感知外界变化，通过对变化利弊的认知，做出决策后，进行自身调整，以实现趋利避害。要实现这一目标，需找到准确的地点、时间、方位、姿态等，来进行自我调整。于是，自然界生物智能的核心就是，在感知、认知外界变化的精准时空位置基础上，做出趋利避害的选择和行为。因此，自然智能可定义为生物感知外界变化，学习、记忆形成经验，上升为认知，为适应外界变化和自己安全需求进行决策，并在准确的时间和地点，调控自己或者局部地改变外界的状态，以实现趋利避害的目标。

智能可以解决当前的问题，而智慧则能够解决未来和未知的问题。智慧需要通过感知和认知所形成的经验和知识来进行推理，预测未来某个时间、地点上的外界变化，并预先进行自我调控，改变自己或局部外界的状态，以实现趋利避害。这种调控往往是在精准的时空位置基础上，精准协调多个行为和动作来改变外界。因此，定位、导航、知时节的能力就是生物与生俱来的实现趋利避害的生存能力，属于自然智能。从此意义上说，测绘也就是感知、记录并表达某一时间和地点发生的事件，然后辅助认知、交流和决策的过程和手段，是人类定位、导航和授时等智能行为在技术方法上的延伸。

综上，智能与智慧是生物界才有的能力，人工智能就是将自然界的生物智能(包括人类自己的智能、智慧)通过技术和方法赋给机器和环境，使机器与环境能够感知、认知外界的变化，并进行相应趋利避害的管理和调控。笔者认为在定义自然智能的基础上来定义人工智能，比目前计算机界用图灵测试^[15]和“让机器像人一样的感知和思考”^[16]等人工智能的定义更准确、更普适，它体现了自然智能包含的感知、学习、认知、决策、调控甚至情感等6类智能的内涵。而人工智能至少应包括除情感外的5类智能内涵。其实，动物界的感知智能和群体智能在许多方面远远超过了人类。将动物界的感知智能和群体智能赋给机器和环境，就是人工智能的一大研究方向^[17]。

人工智能的发展曾一度停滞在认知机理层面，大数据为其提供了新的思路，不再从因果关系，而是直接通过数据间的关联关系找出结果，但该过程需要时空位置信息的支撑，因为数据在时间和空间上的相关性是最为精准、稳健的相关。基于时间和空间位置上的精准协同，在移动互联网、物联网、大数据、云计算、神经科学和脑科学等新理论、新技术及经济社会发展旺盛需求的共同驱动下，人工智能加速发展，呈现出跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征^[18]。

3.1.1 跨界融合及其与泛在测绘的融合

人工智能的基础是信息系统对物理世界的感知，它通过跨界融合不同类型数据来提升认知的能力及智能决策水平。随着生物-纳米技术、自组装、纳米制造以及微机电系统的发展，从视觉、听觉、触觉到姿态等感官增强技术^[19]不断取得进步，如眼动轨迹分析技术、体感技术、智能语音输入、空间显示及全息显示技术等，以整体的形式把增强信息融入到现实世界中，为用户呈现立体化、沉浸式、随动的增强现实场景。增强现实和虚拟现实已经在军事、规划设计及工程领域得到较广泛应用，如可制作敌我双方军力、武器、后勤部署动态及其瞬态变化的任意比例尺、分辨率和精确度的三维场景地图，既为各级指挥员指挥提供动态全局地图，也为战术级、战斗级单兵和团队作战提供局部地图，同时能够依据战役和战术的需求进行随动分割和拼接。在规划设计及工程领域这类泛在测绘也有用武之地^[20]。

3.1.2 人机协同方面

新一代人工智能在人与机器的交互形态上，呈现出“人机协同”到“人机合一”的发展趋势。人类左脑负责逻辑, 而右脑则负责创意。目前机器甚至已胜过人类最强左脑，但机器尚不能像人类右脑那样自主创新、创造和创意。与生俱来具有协调左右脑能力的人类，在机器增强的左脑协同下，将更专注于右脑功能的开发，并尝试将人的作用或认知模型引入到人工智能系统中，以形成混合增强智能的人机协同形态，从而实现人类与机器的共同进化。2018年11月29日，美国国防部和军工巨头洛克希德马丁公司签订关于研究外骨骼技术的合同，开始打造新一代可超负重的“超级战士”^[21]。此外，通过采集大脑皮层神经系统活动产生的脑电波信号，进行放大、滤波等处理，可将其转化为能被计算机识别的数字信号，并从中辨别出人的真实意图，进而实现脑机对接。由于一切协同活动都需要精确时空位置的参与，所以智能时代的泛在测绘将成为“人机合一”的基本手段。

3.1.3 群智开放方面

在开放、复杂网络信息环境中，人工智能将从强调知识库模拟走向众包、众创，实现群体智能。在万物互联的泛在网环境中，将人、机、物、群体相互连接，学习并借鉴自然界群体智慧(如蚁群、鸟群、鱼群等)的涌现现象，研究整体大于局部之和的时空位置关系机理，为开放环境下的复杂系统决策任务提供新的解决途径。大数据驱动下的人工智能系统，将人类知识的智能库与深度学习的机器智能相互赋能增效，形成人机物融合的“群智空间”^[2]。

群体智能有望成为智能时代泛在网的智力内核，众包作为地图制作领域的一种共享商业形式，为该目标的实现提供了基础数据和研究思路。众包可分为主动众包和被动众包两种形式。主动众包的典型代表是OpenStreetMap，它鼓励自由地理数据的发展和输出，以期创造内容自由且能让所有人主动参与编辑的世界地图^[22]；被动众包中，用户只要打开相关APP，无论是否主动上报路面信息，车辆的移动数据将上传到云端，通过智能算法变成惠及他人的出行信息，从而改变传统导航类工具的生产制作地图模式，比如社会化行车应用Waze^[23]。目前研究人员已开始利用众包型群智开放，进行地震的监测和预警，将足够多的智能手机联网检测地震，代替昂贵的现代化地震仪阵列，在破坏性地震波到达之前的短时间内提供关键预警^[24]。

3.1.4 自主操控方面

新一代人工智能可自主操控无人系统，包括无人车、无人机、空间航行器和海洋航行器等。其实这些无人载体都可以理解为泛在测绘类无人装备系统。自主无人系统产业将有效缓解我国“人口红利”消失对经济发展的冲击，成为世界经济增长的新引擎，在空间探测、深海探测、极地科考等军民融合领域发挥重要作用。民用领域，自主操控则主要体现在车用高精地图的使用和自动驾驶方面。当前的地图以人对环境的理解能力作为辅助决策的基础，需要人主动去读地图。人作为地图使用主体，基于自身视觉感知与逻辑思维能力，依靠图形化表达的地图所承载的基本地理信息来完成特定任务。未来车用高精地图中，机器将成为地图使用的另一主体，形成“人-机-地图”交互的使用方式。它作为具备实时感知功能的地图，将参与行驶的主动决策和实时控制，实现自学习、自适应、自评估等能力。

军事领域，联合国曾在特定常规武器公约会议介绍过一款类似杀人蜂的概念武器，它利用AI导航飞抵行动区，通过面部识别锁定目标人后将其击毙^[25]。这一自主操控的概念武器，需融合高精定位和人像识别等多项泛在测绘领域的技术才能实现。目前，中国国产的具有自主操控功能的“蜂群”无人艇，也已具备很强的编队行动能力，只需操作员下达集体指令，便能自主航行及避撞，实现利用低成本、群体智能武器对抗或消耗敌人高成本、高性能武器的战术拒阻^[26]，这些智能武器都离不开时空位置信息服务的支撑。

3.2 智能时代的泛在测绘的概念

智能时代的泛在测绘最终要将定位、导航、感知时间和时节这种生物智能赋予机器，以增强机器对环境的智能优势。北斗/GNSS和泛在测绘就是人类利用现代技术对位置、导航、时间感知智能的表征和延拓，既是智能时代实现区域、广域乃至全球精确感知时空事件和目标信息的关键基础设施，也是实现广域和全球智能协同控制的赋能技术。

测绘经历了多次转型，从静态的模拟，到静态的数字化，再到动态的数字化，接着是基于实时高速通信网络、大数据、云计算和物联网的信息化。借助卫星定位和遥感等技术，测绘与位置服务的准确性、实时性、可靠性、泛在性、可持续性能力不断提升，再融合云计算、大数据和人工智能技术等，正实现从传统测绘、泛在测绘到智能时代泛在测绘的新一轮转型。目前，测绘与位置服务行业面临泛在化和智能化双重转型的复杂叠加，若其内涵和外延不与时俱进，必将会制约这一转型的发展，甚至可能造成行业的衰退。

时空位置大数据的智能发掘和利用，及其共享方式和规则将是泛在测绘与位置服务的重大机遇与新挑战^[1]。测绘与位置服务行业及其信息和数据必须实现跨界融合，并遵循群智开放。跨界融合和群智开放既是组织行为学上21世纪的最伟大创新^[2]，也是人工智能当前发展加速的最关键特征。

测绘与位置服务行业占有直接提供精准时空基准服务的先机。如何构建好实时、无缝、可靠、高精度的位置服务平台满足百万、千万级自动或无人驾驶用户的需求，如何跨界共享这些数据，如何通过众包、众筹等群智开放手段支持众创，进一步开发智能产品，满足大众领域以及包括军事领域在内的社会各界需求，是泛在测绘与位置服务行业现在就需研究的重点方向。

综合来讲，智能时代的泛在测绘是指在当今技术可以感知的时空区域内，用户感知并记录任何感兴趣或能够感兴趣的目标、事物、事件以及环境与人的时空位置关系，以某种不确定性指标描绘这些关系并以之进行认知、交流、决策和管控的能力与活动。

智能时代的泛在位置服务则是指基于泛在测绘的原理和方法，在目标、事物、事件、环境等多类感知网络的协同和信息服务网络等信息基础设施的支持下，依据有关服务质量的协议和标准，向不同用户提供定位、导航、授时、地图和管控等信息服务，具备提供Any time，Any where，Any service(3A)的服务质量。

3.3 智能时代的泛在测绘发展趋势

智能时代的泛在测绘，将渗透到各行各业，其中最为典型的新型领域是虚拟世界测绘、人体测绘以及国家安全方面的“制时空权”。

3.3.1 网络虚拟世界的泛在测绘

智能时代泛在测绘的范畴不局限于物理世界，将涵盖包括网络在内的虚拟世界。面对城市全时域、全空域定位的智慧城市管控和工业互联网智能控制等需求，利用高精度导航增强技术可对移动通信网络和互联网赋能，使移动互联网具有室内外定位无缝化、一体化功能，还能确定信息在网上的瞬时位置、去向和流速。为实现对虚拟世界信息和指令的定位和控制，可在互联网的关键网关、节点路由器、主要服务器上加装高精度北斗/GNSS接收模块，将现有的互联网的时间同步标准从毫秒级和微秒级提高到纳秒级甚至更高的水平，以协助互联网、移动互联网和物联网完成向CPS/工业互联网的升级。

目前，移动通信网正处于从4G到5G升级换代的关键建设期，可抓住这个契机，在各宏基站及部分合适的微基站的移动信号发射源设备上，加装高精度北斗/GNSS接收模块。通过接收卫星定位信号，提供各基站移动信号发射源所在地心坐标系中的厘米级精度坐标，以及相应时间系统下的纳秒级精度时标，建立起5G的统一时空体系。

将主要基站升级成伪卫星源，然后在5G移动载波信号上调制测距伪码，利用4个以上基站的测距信号、已知的基站坐标和5G系统统一时间，既可进行连续、无缝室内外时空基准一致的、米级精度甚至更高精度的定位，以及纳秒级精度的授时；也可给经过某基站、某网关、某节点的移动信息标注瞬时位置和时间标签。泛在测绘可对信息物理系统各计算资源底层硬件的时钟频率与上层软件的执行时间进行精准管理控制，并提供其关键节点(基站、路由、网关和主要云服务器)的精准时空位置，得到节点间通信链路的“欧氏距离”和节点间的信息传递速度，使得网络中的流量精准可控，实现网络拥塞的可探测，从而实现路由选择的最优化，最终实现网络路由的智能化。由此可提升网络运行效率和安全性，实现信息数据包的可量测、可溯源和可调控。

为实现虚拟世界节点间的精准时间同步，达到广域和全球的协同控制效果，需要研发高精高稳的北斗/GNSS精密授时/守时终端(守时精度达到亚纳秒级)。现有试验表明，通过引入北斗时，利用互联网加精密单点定位(PPP)的特殊设计，开发出了天稳达0.278 ns的精密授时/守时秒脉冲终端(已申请专利)。基于精准的时间同步，利用网络数据帧发送和到达的时间，可测量网线长度和数据帧网络传播速度，如图 4所示。

图 4 基于时间同步的网线长度测量试验 Fig. 4 Network cable length measurement test based on time synchronization

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100万次数据包的试验结果表明(见表 2)，本方案所测网线长度和数据包传播数据结果与高速采样(5GS/s)示波器结果一致。

表 2 网线长度测量试验结果Tab. 2 Results of the network cable length measurement test

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由于传输时间基于严格的物理时间信息，无法伪造，故可利用信号传播延时反演的网线长度来检测伪造信号，如图 5所示。

图 5 数据帧防伪试验 Fig. 5 Data frame anti-counterfeiting test

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此外，利用高精度时戳机度量网络设备转发数据包的指令级处理时间，可推测内部处理流程是否发生改变，甚至可以确定发生了何种改变。图 6所示的网络安全试验表明，该方法能精确监测设备内部处理中发生的指令级改变，如图 7所示，可起到维护网络安全的作用(已申请专利)。以上功能对未来虚拟世界的监控至关重要，其基础便是北斗/GNSS提供的精准时空信息。

图 6 网络安全试验 Fig. 6 Network security test

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图 7 网络安全试验结果 Fig. 7 Network security test results

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3.3.2 虚拟人(独立个人的数字孪生)的泛在测绘

智能时代泛在测绘的范畴将不局限于人体以外的物理或虚拟世界，还将涵盖到人自身，如构建健康个体人相应的数字孪生，即动态活性虚拟人^[27]。该领域的研究尚属起步阶段，面临众多需求和挑战：如建立与人体的动态和姿态变化相适应的人体时空参考框架；利用核磁共振、CT、三维彩超等影像数据融合构建人体整体和各脏器的三维几何模型和宏观生物模型；确定穿戴传感器感知数据与人体活动动态坐标系的时空关系，构建人体运动姿势、坐态、步态、睡态、声态等物理模型，并在计算机上实现精准仿真；建立人体生命过程的计算机动态生物模型，精准融合所感知的生命体征参数与人体器官健康运行的宏观和介观状态参数；建立精准医疗中病灶、靶向药物的投放与人体时空动态位置关系；实现实体人的意识、情感与思维向虚拟人的长期实时传感，通过互动，构建实体人的性格、情感和思维模型；实现实体人与云端上多个虚拟人的协同工作与生活。

当前的虚拟人计划是通过实时人体运动感知和检测技术、数字技术、人工智能技术、仿真人体器官及其包含时空位置关系的运行，合成相应的三维虚拟人，将能在云端仿真出与自己相貌和体形、步态与动作、思维和情感、性格和习惯等几乎一样的虚拟人(个人数字孪生^[28])。技术成熟后，在法律和伦理许可情况下，可以授权虚拟人为自己分担很多事，如远程医疗诊断；生活中实体人的身体健康数据与医疗中心的虚拟人同步；甚至授权不同云计算中心的虚拟分身，代替本人同时处理多个事务等。当然，这些都离不开泛在测绘和实时位置服务的技术支撑。

3.3.3 国家安全上“制时空权”所需的泛在测绘

现代战争的智能化是信息技术、人工智能、生物智能、科技手段等融合化、规模化、多样化的联合应用和相互赋能。通过泛在测绘的感知与认知，涌现出脑-机-物高度统一的智能形态。信息化战争日益融入实体战争，战争形态逐步“实虚无间”，促使军事制权从制陆权、制海权、制空权、制天权、制信息权逐步向制智(慧/能)权、制脑权以及“制时空权”演进。其中，制时空权是制“陆、海、空、天、信息、智”权的基础，不仅强调事件、目标、行动的时空位置的同步精准性和可靠性，而且强调空间、时间的可用性和智能指挥控制的时空位置精准协同性。因此，北斗导航系统是中国实现“制时空权”的关键基础设施。

军事上“制权”的终极目标是“不战而屈人之兵”，其实质是意志的征服，时空位置的关联始终是聚合各类要素形成泛在智能指挥控制的最基础、最普适、最可信、最坚强的必要手段，而“泛在测绘+智能技术”将成为超越人脑“奇点”的关键因素。

4 总结与展望

泛在测绘得到的时空位置数据，连接了可测量的物理世界和复杂动态的人类社会，是人们在物理世界生存和活动的重要记录，是探寻自然、社会环境动态变化的重要研究对象和依据。泛在测绘既能挖掘个人社会隐私属性与社群迁移规律，探索社群休闲娱乐方式、情感分布、生存心理状态等群体人格，也能发掘城市经济运行、资源与环境演变、土地规划利用水平等经济、政治、社会发展的时空演变内在规律，成为一种动态的地理国情监测活动，关乎到个人安全与国家安全。因此需要加紧针对泛在测绘的研究，建立导航与位置服务科学思维的新范式、新方法、新理论。

伴随信息网络的蓬勃发展，泛在测绘将会逐步扩大自身的内涵，从被动式发现到主动式探测，最终发展为持久式监控。它是同时涉及和满足人类衣、食、住、行、智慧生存相关的技术和服务形态，也是能实现第一、第二和第三产业一体化及智慧运行的业务形态。

时空位置信息是一切智能、智慧、规划、决策和管理的基础，而北斗/GNSS是一种赋能技术，两者通过跨界融合，赋予其他行业或技术(如：CPS/工业互联网)确定精准时间和位置的能力，成为实现广域或全球智能协同、规划、决策、控制的基础要素，也是军事战略、战役和战术决策指挥的基础要素。北斗/GNSS时空基准网络，作为泛在测绘中的基础设施，与泛在网融合，也是实现国家安全“制时空权”的关键信息基础设施。

【引文格式】刘经南, 郭文飞, 郭迟, 等. 智能时代泛在测绘的再思考. 测绘学报，2020，49(4)：403-414. DOI: 10.11947/j.AGCS.2020.20190539

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