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时空信息赋能高质量发展的基本问题与发展方向
发布时间:2023-10-27     来源:     作者:陈军院士等      浏览:7634次

陈军1,3,王艳慧2,武昊1,3,刘万增1,3

1. 国家基础地理信息中心,北京 100830

2. 首都师范大学 资源环境与旅游学院,北京 100048

3. 自然资源部时空信息与智能服务重点实验室,北京 100830

关键词:时空信息;时空型赋能;高质量发展;基本问题;发展方向

摘要

摘要 :充分发挥时空信息数据要素价值,全面有效地支撑国家和地方高质量发展,已成为政府部门、学术界和产业界关注的热门话题。但当前时空信息赋能高质量发展的基础研究相对薄弱,亟需理清其基本内涵、赋能机理、发展战略、实现路径等。为此,本文聚焦时空信息赋能高质量发展的基本问题与发展方向,首先从“赋能”的内涵出发,讨论了数字化赋能、全局性赋能和时空型赋能的基本概念,分析指出了无所不在的时空连接、无时不用的时空计算、无所不及的时空智能是时空赋能的三大基本方式;继而讨论了当前时空赋能所面临的问题,提出了时空信息赋能高质量发展的发展方向,包括打造实景三维中国、建设时空算力基础设施、构建时空知识服务基础设施等,并简要讨论了时空信息在数字经济、数字社会、数字政府等方面的未来应用场景。

正文

1  引言

经过多年的创新发展,以遥感、空间定位、地理信息系统为核心的时空信息技术取得了长足进步,与人工智能、互联网等相关领域的交叉融合亦成常态,极大地增强了多维动态时空数据获取、信息提取与分析服务的能力,有效地提升了人类对所居住星球和生存环境的感知、认知与管控水平(王之卓,1979;陈述彭,1983;陈军等,1994;刘经南和高柯夫,2017)。随着时空信息技术在经济建设、社会发展、国家安全等方面的广泛推广与深入应用,尺度多元、内容丰富、形式多样的时空信息产品层出不穷,多类型、跨层级的时空应用场景与服务不断涌现,正逐步地融入各级政府规划、管理、决策过程和千家万户的生活之中(陈军,2003,2005;王家耀,2022)。在全社会数字化转型发展的今天,时空信息已成为重要的战略性信息资源和核心生产要素,被公认为新型信息基础设施,在国家和地方的高质量发展中发挥着不可或缺的重要作用。

高质量发展的核心理念和基本内涵与联合国倡导的2030可持续发展目标十分相近(牛文元,2012,2014;Elkington,2018;薛澜和翁凌飞,2017)。可持续发展是一种底线发展思维,而高质量发展是中国化的高标准发展要求。事实上,高质量发展是针对传统粗放型增长存在的问题,通过统筹推进“数量合理增长”与“质量稳步提升”,将片面追求数量追赶、规模扩张、要素驱动转变为以质量追赶为主要任务、结构优化为主要途径、创新驱动为主要动力,以解决发展过程中出现的不平衡、不充分问题,从“有没有”走向“好不好”,更好地满足人民日益增长的美好生活需要(王一鸣,2018;盛来运,2020;刘瑞强等,2021)。其目的旨在促进经济、政治、文化、社会和生态文明“五位一体”的全面发展,推动高水平供给与需求的动态平衡发展,支撑广袤地域空间的均衡持续发展(陈军等,2019b;赵剑波等,2019;吕诚伦和王雄,2021)。

就本质而言,高质量发展是一个综合性的时空过程,既涉及经济、社会、文化、生态诸多领域,所有地区发展都必须贯彻,又必须长期坚持,呈现出鲜明的空间性、整体性、连续性特征。针对高质量发展的时空分异、多维动态等特征,开展从宏观到微观的调查监测,进行定性–定量–定位相结合的时空分析,是做好高质量发展的规划制定、活动实施、治理管理的必然选择与重要抓手(陈军,2001;陈军等,2019a)。多年来,国家和地方组织实施了形式多样、不同层次的调查评价、规划编制、监测评估工程,以摸清发展的地理空间条件,优化空间发展格局,认清政策方针的时空效应,发挥了十分重要的作用。随着高质量发展成为全面建设社会主义现代化国家的首要任务,充分发挥时空信息的作用,全面有效地支撑国家和地方的高质量发展,已提上各级政府部门的重要议事日程,也成为学术界和产业界关注的热门话题(陈军等,2022b)。但迄今为止,人们对时空信息赋能高质量发展的基础研究相对薄弱,亟需理清其基本内涵、赋能机理、发展战略、实现路径等。

本文针对这一热点话题,讨论时空信息赋能高质量发展的基本问题与发展方向。从“赋能”的内涵出发,讨论了数字化赋能、全局性赋能和时空型赋能的基本概念,分析指出无所不在的时空连接、无时不用的时空计算、无所不及的时空智能是时空赋能的三大基本方式;继而分析了当前时空赋能所面临的问题,提出了当前时空信息赋能高质量发展的发展方向,包括构建实景三维中国、建设时空算力基础设施、构建时空知识工程等,并简要讨论了时空信息在数字经济、数字社会、数字政府等方面的未来应用场景。

2  时空型赋能的内涵

“赋能”(enabling)一词最早源自心理学、管理学等领域,指通过新理念、新方法、新技术等特定的方式给予正向激励,以最大限度地激发行为主体(组织或个人)自身的某种能力,更好地发挥其潜能,以提高行动能力或工作效率(赵彩彩和郝伟斌,2020;杨嵘均和操远芃,2021)。在过去的20年里,人们开始综合运用信息通信技术、云计算、物联网、人工智能、区块链等数字化技术和各类基础、政务、公共数据资源,提升政府治理、经济运行、社会管理等的治理能力,实现数字化转型升级与赋能。进入新时代,随着新一轮科技革命和产业变革的深入推进,开始从早期的单一领域或行业的数字化赋能,转向推动以数字政府、数字经济、数字社会和数字生态为一体的数字化发展,逐步地走向面向全社会的全局性赋能(关婷等,2019;李颖,2021)。无论是单一领域或行业的数字化赋能,还是面向全社会的全局性赋能,都离不开时空信息的支撑,迫切需要时空型赋能。

2.1  数字化赋能

数字化赋能的本质是以数据资源为关键要素,通过数字化技术的应用,将数据要素与传统要素进行组合重配、模式重构和网络粘连等,实现价值共创和动态演化创新,达成数据和技术融合应用的叠加效应、聚合效应、倍增效应,实现数据信息的高效流通与充分共享,支撑复杂过程的精细分析与优化模拟,促进应用场景的有效营造与交互协同,提升政府、企业乃至个人等行为主体的连接、分析和智能能力(Lenka等,2017;李颖,2021;周文辉等,2018;刘启雷等,2022)。近年来,数字化赋能对人类生产方式、生活方式、治理方式产生了深远的影响,催生了深刻的社会变革,已成为国家和地方实现创新发展的重要动能与提升综合实力的主攻方向(庄荣文,2022)。

在数据新要素、数字新技术的倒逼下,全社会都在加快数字化发展理念和发展模式的转变。例如,近年来各级政府部门高度重视数字化改革,运用数字化技术、思维与认知,打造“数字政府”,作为实现社会治理现代化的重要抓手。其核心是数据赋能全链条的社会治理,对治理体制机制、组织架构、方式流程、手段工具等进行全方位、系统性重塑,推动治理体系的数字化转型,提升治理水平与能力。数字化赋能的核心作用体现在两方面:一是延伸服务链条和服务环节,推动跨部门跨领域跨层级协同,实现智能化、精细化治理;二是通过数据共享与平台互通,打破信息孤岛,实现公共事务的高效化、精准化治理(陈彩娟,2020)。为此,需要将数字技术与治理要素结合,改进或提供新的治理技术、治理手段和治理模式,推动“以数据为依据、算法为核心、算力为支撑”的治理转向,打破数据壁垒,提升政府治理过程中的数据获取、处理、分析与应用能力,构建“用数据说话、用数据决策”“横向到边、纵向到底”的精准治理范式(郝跃等,2022)。这首先是对政府组织的内部“赋能”,通过解决“条块分割”问题,促进数据的深度融合与有效流通,提升政府部门的业务协同能力与治理水平;其次,是对外部公众“赋权”,即通过建立各类在线政务服务平台,提供诸如“一网通办”等“互联网+政务服务”,让企业和公众能够更好地享受公共服务,并提升政府决策中的公众参与能力(余敏江,2019;颜佳华和王张华,2019;翟云等,2021)。

2.2  全局性赋能

在“数字政府”建设的同时,各行各业也积极利用数字化技术和数据要素,推动流程再造、价值链优化、大规模协作和跨界融合,促进生产、消费、流通、生活等方式的数字化转型,不断地形成新型生产力,催生新业态,打造新场景(庄少勤等,2020)。但以往这方面的工作多集中在单一组织系统或行业内部,数字化赋能经济社会发展仍存在着不平衡、不充分问题,缺乏全局性的数字化赋能和整体性的数字化转型。

2021年3月,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出要“建设数字中国”“加快建设数字经济、数字社会、数字政府,以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革”。2023年2月,中共中央、国务院印发了《数字中国建设整体布局规划》,要求“强化系统观念和底线思维,加强整体布局,按照夯实基础、赋能全局、强化能力、优化环境的战略路径”“推进数字技术与经济、政治、文化、社会、生态文明建设‘五位一体’深度融合”“全面提升数字中国建设的整体性、系统性、协同性”。这就要求采用全局性、系统性视角,更大范围地调动力量、更大力度地整合要素资源、最大化发挥规模效应和集聚效应,推动数字化赋能从单点突破到体系化发展,克服以局部赋能替代整体发展的不足,形成面向各级各类主体发展行为的全要素与全流程监测、诊断、反馈、改进的迭代提升闭环,不断释放数字化赋能蕴含的潜力(余晓晖,2023)。

近期,一些省(区、市)和部门、行业相继出台了全局性数字化改革的行动计划或实施方案。例如,浙江省制定了数字化改革总体方案,提出把数字化、一体化、现代化贯穿到党的领导和经济、政治、文化、社会、生态文明建设全过程各方面,从整体上推动数字化赋能和数字化发展;上海市则强调数字化转型不能仅是政府的单兵突进,而应该是生产生活和治理方式的全方位、系统性的数字化转型(高翔,2021)。北京市提出要坚持整体性转变,推动经济、生活、治理全面数字化转型和全方位赋能,构建数据驱动的数字城市基本框架,建成“物联、数联、智联”的城市数字地基,打造中国数字经济发展“北京样板”、全球数字经济发展“北京标杆”。

2.3  时空型赋能

无论是局域性还是全局性的数字化赋能,时空信息均发挥着重要的作用。首先,多尺度数字地图、多时序遥感影像、多精度定位信息等基础类时空信息是地形地物、地表景观、活动轨迹等空间分布、相互关系及其变化的数字化描述与表达,为各类行为主体的时空关联和空间化信息整合提供了统一载体,推动着跨部门、跨层级多类型数据资源的有效融合。事实上,各类空间型应用系统均是以时空信息为基础进行开发的,包括国土基础信息平台、国土空间规划“一张图”等(王家耀,2017;蒋文彪和郭文华,2022)。其次,近年来有关部门和研究机构研制了以地理国情监测数据、第三次全国国土调查数据等代表的自然资源、生态环境等专题时空信息,为人们认知生存空间、组织生产生活、实施精细治理提供了重要信息资源与生产要素,在国土空间规划、生态环境治理等方面发挥了重要作用。此外,人们在时空信息资源建设和应用的长期实践中积累了一大批处理、分析模型与算法,为态势动态感知、状态精准认知、行动科学调控提供了先进的算法与手段,在推动政府决策走向科学化、社会治理走向精准化、公共服务走向高效化方面发挥着重要作用(罗亚等,2022)。

综上所述,高质量发展对时空信息赋能提出了迫切的需求,如图1所示。时空是数字化转型和赋能的认知方法与基础逻辑,时空型赋能则是数字化赋能的高级形式。其本质上是面向高质量发展的时空信息需求,通过时空数据增强、时空技术嵌入和时空服务协同等方式,发挥时空基底、时空关联、时空伴随、时空契合等作用,助力经济发展、社会变革,以及政府治理“要素、流程、组织”的有效变革与重组,支撑对基于资源—资产—资本家底的发展条件研判、数据驱动的发展状态监测与发展效应评估,以及发展趋势与行为的时空洞察、发展风险预见预警,从而提高社会经济主体的时空感知—认知—行为能力,实现供给与需求的精准连接、信息流动从量大到质优的转变,赋能各行各业完成高质量发展的使命和任务。

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高质量发展对时空信息赋能的需求

Fig. 1  Demand for spatio-temporal information empowerment in high-quality development

3  主要赋能作用

就总体而言,时空型赋能的作用可分为三个方面:一是无处不在的时空连接;二是无时不用的时空计算;三是无所不及的时空智能。时空连接是提供统一的地理空间框架,有效关联国土空间范畴内的各种信息,实现集成建模与综合表达,形成全域覆盖、尺度多元的数字国土空间,为时空计算和时空智能奠定基础;时空计算是依托算法和算力,支撑各种算法的实时调用与有效组合,完成海量时空大数据的计算处理(陈鹏,2021);而时空智能的核心则是通过自然智能与人工智能的深入融合,提升主体的自主行为能力,使之能够通过自监督甚至无监督的方式设计并执行治理方案,从而优化治理手段、完成治理任务和改进治理绩效(郝跃等,2022)。高质量发展的时空内涵与赋能路径,如图2所示。

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2  高质量发展的时空内涵与赋能路径

Fig. 2  Spatio-temporal connotations and empowerment pathways of high-quality development

3.1  时空连接

时空连接是依据统一的时空基准或坐标体系,通过空间网格剖分、地理实体建模、时空关系描述、物联网信息接入等方式,将国土空间地上与地下、室内与室外、陆地与海洋的各类自然要素、人工地物和各种社会经济现象及相互关系数字化,关联多类型、多分辨率的图形、图像、文本、视频、音频数据,并贯通过去、现在及未来的多时态信息;继而通过业务场景的融入,以数据链驱动业务链,实现国土空间范畴内人物、事件、地点、时间等的集成建模与综合表达,形成精准、可运行的统一时空框架和数字空间。事实上,时空连接是利用时空数据的空间载体作用,通过多源异构物联网、互联网等各种非空间数据的接入,对所关注业务对象的生命周期时间状态和空间地理位置状态进行追踪,并实时地记录和监测基于空间位置的各项业务数据,构建能反映物理世界与数字世界联通–映射关系的数字孪生体,实现宏观、中观和微观数据的泛在连接、万物触达及全面感知,把整个世界变成人–机–物有机融合的三元空间。这有助于打破行业、地域等因素形成的数据条块分割,克服数据采集、信息处理与知识服务中的各种时空制约,以时空信息驱动万物互联,支撑数据要素的高效流通。

值得指出的是,以往人们主要是采用点–线–面的平面图或栅格模型,所生成的2维或2.5维信息主要用作数字地理底图,难以有效支撑与社会经济信息的关联。20世纪90年代,英国测绘部门提出构建地理实体,采用唯一标识、一体化表达、增量更新等技术手段,生产和提供以地理实体为特点的数字国家框架(Digital National Framework,DNF),方便与其他社会经济信息的关联与集成。其后,我国“天地图”平台等开展了地理空间实体的构建研究,制定了相关技术规范,但尚难以全面有效地支撑社会经济信息的空间化连接或挂接。实际上,地理空间实体是现实世界中客观存在、具有空间位置、可以相互区分的要素,具有多类型、多尺度、多粒度等特点,是连接各类社会经济信息的重要基础。应该在传统2维或2.5维数字地理底图的基础上,大力研发和生产多类型、多尺度、多粒度的地理空间实体。

除了事先固定的时空连接之外,往往还需要通过时空计算、推理、演绎和学习等手段,实现实时或准实时的时空连接。例如,根据物联网提供的各种感知数据,通过几何匹配、语义挖掘等技术,解决数据建而未连、连而不通、通而不畅等问题,实现“人”“企”“物”等要素实时关联与汇聚。

3.2  时空计算

时空信息具有数据海量、处理专业、更新频繁等特点,往往要借助系统平台及其提供的模型与方法,经过时空计算,挖掘和实现其数据要素价值(刘耀林等,2022;郑宇,2023)。随着万物互联–时空连接时代的到来,海量时空信息日新月异,高层次时空分析和多元化时空场景应用层出不穷,需要利用包括时空知识图谱、空间关系、动态服务计算等模型方法,开展静态、准实时或实时化的时空计算,这对以系统平台、模型方法和数据为基本要素的时空算力提出了新的要求。

就系统平台而言,传统服务计算平台采用单体或SOA(service oriented architecture)架构,以应用系统为基本部署单元,以目录服务和数据服务为主,只能提供简单、静态的服务计算功能,难以实现系统之间的跨域共享和协同交互,导致“数据烟囱、信息孤岛、应用碎片化”的现象日益严重,无法满足时空大数据分布式协同分析计算的应用需求(Chen等,2017;骆剑承等,2016)。近年来,遥感地理信息生产与服务系统正朝着智能处理、云端服务的方向发展(程伟等,2022;王小娜等,2022;张兵等,2022)。虽然引入了云原生(cloud native)等互联网领域的最新理念,但由于时空信息的特殊性,在服务计算云平台的架构设计、核心技术、产品形式和应用模式等方面仍缺少系统性研究,对于国外商业和开源平台的依赖较为严重(黄鹏和李宏宽,2021;周雄伟等,2023),“重应用、轻基础”的产业格局仍未得到根本转变,对于时空信息领域供应链和产业链的安全韧性水平形成了严峻挑战。因此,迫切需要利用动态服务计算和云开发(如Serverless computing)等新技术(Jonas等,2019),研究构建标准化、集约化、专业化的时空信息动态服务计算平台,打造能有效支撑时空信息计算的算力基础设施。

人类社会、信息空间和物理世界的人–机–物三元空间的不断发展,对时空计算的模型方法提出了新的更高要求(朱庆和付萧,2017)。例如,国土空间是人类社会生存与发展的主要场所,也是自然环境与人类活动高度耦合的多维动态巨系统(林树高等,2022;曹小曙,2019;于昊辰等,2023),既表现出复杂多样的空间格局和地域差异,又具有时空过程、时空伴随、时空相关等特征,需要采用时空大数据的流空间分析和大模型等方法(裴韬等,2020),开展国土空间人群分布流动与地域分异的时空分析,进行驻留轨迹和出行特征的时空刻画与描述,为国土空间人地关系的理解和调控提供科学依据(周素红等,2021;邹利林等,2022;席广亮等,2022)。为此,应针对具体的赋能领域与需求,研发空间结构、行为模式、演化路径、空间受限、要素匹配、时空均衡、集约节约、政策效应等时空计算模型与方法,为相应特征参数与核心指标提取、发展条件的家底研判、发展状态的追踪监测、发展效应的评估分析,以及发展趋势的预测预报等提供先进高效的计算手段。

3.3  时空智能

人工智能是对人类智能进行模拟、延伸与扩展的理论方法和技术。若能在其中考虑或加入时空位置、分布与变化特性,则可望形成具有时空特征的人工智能技术与知识工程,用于完成多源异构数据的时空化智能分析与知识服务。有研究曾指出,时空智能是通过机器对环境要素的动态感知和不同时空尺度的深度学习,实现时空模式挖掘、行为预测与自主决策(向辉等,2021,王志刚等,2020)。其是人类重要的认知智能基础,是人们对物理和社会环境的时空特征进行感知、认知,进而辨识、调整其与自身生存关系的能力(陈阳等,2022)。

时空智能是以高质量时空信息为基础的。其可通过现实世界与数字世界的“全域、全量、全息、动态”的同构映射,与时空大数据分析、人工智能算法等耦合,实现时空感知、时空认知和时空计算。例如,在实景三维数字空间与现实地理空间实时互联互通的基础上,可以开展时空型监测、反馈、调控与服务,在三维数字空间发现问题,提出解决方案,再回馈至现实世界的“物理空间”及人类活动的“社会空间”,从而实现信息化条件下的智能化应用(陈军等,2022a)。

时空智能的应用模式可以分为公共服务型和自主构建型两种类型。前者是构建公共的时空智能服务平台或中心,提供智能化的时空感知、时空认知和时空管控等,支持用户在自己已有的应用场景中提升智慧化应用水平,实现全方位的智能监测预警和全流程的智能管控调控。例如,在智能感知方面,建立智能处理中心和控制服务中心,通过实时感知、远程分析、动态反馈、适时控制,构建天空地一体化的协同感知与监测监管系统,实现对目标、工况、环境等的有效感知。在智能认知方面,建立时空知识中心,构建领域时空知识图谱,发展基于关联查询的格局描述、因果分析的成因诊断、计算推理的趋势预测,以及知识融合的方案推荐等方法(刘万增等,2021)。在智能管控方面,构建智慧化管控平台,支撑面向具体业务场景的业务流程梳理、主控要素解析、时空变量建模、时空智能计算等,提供“描述型、诊断型、预测型、方案型”的时空知识服务(陈军等,2019a)。后者是由用户自主构建智能化应用平台。为此,应建立时空智能的计算框架,集成时空记忆、时空推理、时空学习等关键技术,研制时空智能计算引擎,支撑时空信息的实时感知、动态建模、认知计算、灵性表达与知识服务。用户只需定义自己的应用场景,按照特定的规则进行应用建模和流程编排,分节点调用时空智能引擎,即可对业务场景涉及的自然、人文、社会经济实体的要素、现象、过程、事件等进行空间格局解析、结构诊断、成因分析及趋势预测,从而实现个性化的时空智能应用(刘万增等,2022)。

4  发展方向

在过去十多年里,我国利用以遥感、地理信息系统和空间定位为主体的现代时空信息技术,组织完成了全国地理国情监测、第三次全国国土调查、第三次全国水资源调查评价、自然资源确权登记、全国土壤普查、国土年度变更调查、全国森林资源清查等重大工程,开展了基于时空大数据的国土空间规划分析,实施了“五级三类”国土空间规划编制,建立了国土空间规划“一张图”系统;开展了自然资源调查监测、碳排放监测与动态核算等技术体系研究与建设,以及对标联合国2030年可持续发展议程的空间型监测评估试点等。但就整体而言,时空信息的赋能作用尚未充分发挥,数据开放共享水平还不够高,与实体经济融合的深度不足,与当前国家和地方高质量发展的要求尚有较大差距。具体说来,目前高品质的时空数据供给不足,统一权威的时空数据底座建设尚需加强;时空数据的高效率流通不畅,安全可信的时空数据流通体系亟需建立;时空信息的高层次分析能力不强,高耦合应用不深,以人为本的高层次时空数据应用场景亟待开拓(陈军等,2022a)。为此,应该积极开展时空信息治理,进一步加强时空信息赋能的基础研究与关键技术研发,构建万物互联所需的三维时空底座,建设高水平时空计算的算力基础设施,实施时空知识工程,更好地支撑数字化发展、赋能高质量发展。时空信息赋能数字政府–数字经济–数字社会的主要内容和方式,如图3所示。

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3  时空信息赋能数字政府数字经济数字社会

Fig. 3  Spatio-temporal information empowering digital government-digital economy-digital society


4.1  建设实景三维中国统一时空框架,提供高品质时空数据供给

以往测绘部门生产的4D数据产品,主要是依据平面图或栅格模型,对具有鲜明多维、动态特征的现实空间世界进行数字化抽象、描述与表达,提供对各项工程建设与管理决策的支撑。在全社会数字化发展的新形势下,传统2维或2.5维的4D产品及其代表的数字地理空间框架表现出一定的局限性,已难以完全满足在真三维数字空间中观察、量测、分析、研判及模拟的需要,也无法全面支撑数字空间与现实空间的实时互联互通。为了有效地支撑国家数字化发展和高质量发展,自然资源部近期大力倡导和推进实景三维中国建设,旨在为数字中国提供新一代的三维时空框架,为各行各业的数字化发展与应用提供时空基底(陈军等,2022a)。其核心是将多维动态的现实地理空间抽象为多类型、多尺度、多粒度的自然、人文和人工的地理空间实体,并进行真实、立体的数字化描述与表达,研制出能客观真实反映人类生产空间、生活空间和生态空间的实景三维信息产品,便于关联和整合各类社会、经济和行业的多模态专题信息,更好地开展时空演变、知识挖掘等高层次时空分析。

例如,依托实景三维中国提供的基础地理实体和地理场景数据产品,可以将反映自然资源、资产和资本的各类调查、监测与分析评价数据关联起来,形成自然资源的实体数据集,实现基于时态、位置、数量、质量、生态的自然资源时空信息集成,建立起多尺度、多粒度的自然资源时空场景模型,以及包含统一底图、底数、底板的实景三维国土信息模型,以更好地支撑自然资源的高效管理和国土空间的智慧管控(陈军等,2022a;唐华等,2022)。值得说明的是,手机信令、监控视频、兴趣点(point of interest,POI)数据等泛在时空数据在反映人类时空活动与行为等方面具有独特的优势或特点,应研究打通它们与实景三维中国的联通与链接渠道,增强实景三维数据的语义。此外,还应进一步考虑政府、企业、个人、海外、互联网、物联网等多种数据来源与地理空间实体的对接,逐步形成人、物、事、地等各类信息的动态汇聚与时空整合。

4.2  打造时空算力基础设施,支撑高层次时空分析应用

无论是数据、算法模型还是平台建设,当前时空算力基础设施与高水平时空计算的要求尚有较大差距。例如,算法模型以空间分析和数据处理为主,难以完全覆盖高层次时空分析的内容,系统平台仍停留在SOA阶段,尚未实现与云开发、动态服务计算等最新服务计算技术的深度融合,无法满足跨域共享、动态协同、智能计算的时空信息计算要求(陈军等,2022a;吴华意等,2022)。为此,应在实景三维中国建设的同时,整合多源、多类型、多维度时空数据,研发面向自然资源监测、国土空间规划、可持续发展评估等典型领域的高层次时空分析模型,构建标准化、集约化、专业化的时空计算平台,提供高质量的时空信息服务(张广运等,2021)。

具体来说,就是要在传统4D产品的基础上,以地理实体产品为纽带,整合地理场景产品与地理实景产品,关联国土空间信息和数字经济、数字政务、数字社会等数据,建立逻辑上一体、物理上分散的分布式时空信息数据资源,形成时空信息大数据基础;以国家重大应用为导向,构建包括影像解析预训练大模型(张继贤等,2021)、时空分析预测算法(张显峰和崔伟宏,2001;朱会义等,2001;Zhang等,2020)、基础指标计算因子和决策模拟模型(陈军等,2018;王卷乐等,2018;Liang等,2023)在内的高层次分析计算模型,设计满足个性化应用需求的“积木式”或“拖拽式”的时空计算工具,从单纯地提供基础计算,走向提供定制化的高层次计算能力。通过对云开发和动态服务计算的深入研究,研发资源汇聚融合、处理动态构建、服务动态推送等关键技术方法,解决数据资源汇聚集成难、领域知识凝练利用难、模型算法协同交互难等技术瓶颈,打通和整合各种数据、系统平台资源,研制时空信息动态服务计算平台,形成开放式、可持续的基础技术架构,构建横向互联、纵向贯通、智能高效、标准统一的时空算力基础设施。

4.3  开展时空知识工程研究,提供高水平时空决策服务

时空知识是对实体空间位置、形态、分布、关系、运动、变化、趋势等信息进行概括和凝练,形成的具有时空特性、关联化、结构化的知识(刘万增等,2021)。时空知识服务可用于对人和机器进行双向赋能,实现信息和知识的倍增效应,因而成为时空信息赋能高质量发展的重要内容。但目前人们对时空知识工程的研究刚刚起步,尚缺乏成套的实用模型算法和工程化软件系统,致使“数据海量、信息爆炸、知识难求”的矛盾十分突出(陈军等,2019a)。开展时空知识工程的关键技术创新(孙一贺等,2020),从海量时空数据中挖掘有价值的时空知识,提供数据–信息–知识服务,是时空信息赋能研究的主要任务。

为此,首先要研究统一的时空知识模型,实现从单一时空数据组织与表达到实体概念、过程、行为及其关系的整体性与系统性描述,以有效支撑对数据–信息–知识–智慧的全链条认知;其次,应建立时空大数据治理的基础平台与服务模式(林珲等,2018),对多时态、多维度、多尺度、多要素时空大数据进行有效治理,与多来源、多层次、多类型的社会经济数据、统计数据进行空间化融合,实现跨部门、跨领域、跨区域数据共享;继而,应研制时空知识建模、抽取、融合、存储、推理的一系列模型、算法和工程化的软件系统,以便面向经济发展、城市治理、公共服务、民生保障等高质量发展需求,进行业务场景的动态构建,灵活进行时间、空间、语义概念建模,按需建立大规模领域时空知识图谱(陆锋等,2023,王鑫等,2023)。

要实现时空知识赋能,还需研制时空知识为引导、群智感知数据为基础、模型算法为支撑的人机物混合–增强智能(陈军等,2021,沈阳和余梦珑,2023)。在多元实体时空关联的基础上,提供时空知识的深度挖掘、时空关系的演绎推理和时空事件的分析研判功能,通过空间维度的计算和分析,挖掘地理实体本质特征、内在结构和分布格局等知识;通过时间维度的预测和推理,展现地理实体的变化轨迹,揭示其内在变化规律,实现对地理现象成因、现状、趋势等因果关联的一体化表达,提供描述型、诊断型、预测型、方案型等个性化知识服务与决策支撑。

4.4  发掘时空信息赋能潜力,支撑全社会数字化转型

时空信息在高质量发展条件研判、环境调查、状态监测、过程洞察、趋势预见、跟踪问效、模式重塑创新等方面大有作为。用时空信息说话,在三维空间研判,靠时空知识决策,赋能数字化发展和高质量发展,已成为政府和科技界共同关心的热门话题(马俊鹏等,2019;武昊,2021;陈军等,2021)。其是通过时空感知、提取、分析、服务等技术的综合应用,以及与云计算、物联网、人工智能等数字化技术的交叉融合,去激发不同主体所具有的数据、算法、算力等潜力,实现“用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新”的数字治理范式(孟天广,2021),助力数字政府、数字经济、数字社会等建设与应用。

(1)赋能数字政府。目前,国家和地方政府正积极利用数字技术,推动构建“以数据为依据、算法为核心、算力为支撑”的数字治理形态(郝跃等,2022)。时空信息通过提供时空关联与融合、时空计算与分析、时空推理与服务等功能,在支撑数字治理过程中的时空逻辑与内在契合方面发挥着重要的作用,可以打破层级、地域、部门、业态的限制,实现条块结合与部门联动的治理合力,打通线上线下的治理资源,实现大范围匹配后的资源精准分配或科学分工。依据统一的三维时空底座,可以实现各行各业多源异构数据的有效关联、深度融合、智能处理、云化分享;在此基础上,可以打造“一网通用”“一网通办”“一网统管”等各类时空型政务服务平台,助力治理主体走向协同化、治理层级走向扁平化和治理空间走向透明化(孟天广,2021)。这不仅有助于实现政务动态监管的全覆盖、可追溯,而且能够使得治理主体的互动更加高效、治理决策的过程更加科学、治理任务的完成更加智能、治理领域的管理更加精细。

(2)赋能数字经济。在大数据、互联网时代,经济活动的内涵与外延可以跨越地域限制和时空限制(冯华和陈亚琦,2016)。在时空信息的支持下,通过数据业务化和业务数据化的协同作用,经济活动主体可以突破沟通和协作的时空约束,重组生产要素,重构发展模式,重塑发展态势,实现跨地域、高效率的供应、生产和服务。例如,在实景三维信息的支持下,电力部门不仅能够进行风、光资源时空分布的调查监测、电网线路巡检、灾害应急响应等,而且能够通过生产、服务、消费等有关环节的时空连接,开展跨越时空限制的生产要素供需匹配、资源优化动态调度等,实现供应链、生产链和服务链等全链条的智能互联。这改变了经济时空的有效活动范围、行为模式及经济效率,在双碳目标下能源企业数字化转型和“源网荷储碳数”新生态构建等方面发挥着重要作用。

(3)赋能数字社会。当前,时空泛在感知与高效传输的能力不断提升,各类社会治理的时空信息平台不断涌现,为治理信息化、管理网格化、服务精细化提供了先进手段,大幅提升了人民群众的获得感、幸福感、安全感。例如,通过实景三维与建筑信息模型(building information modeling,BIM)、区块链、人工智能等技术的有机融合,可以实现室内空间和各种物件的安全精细管理、应急处置方案的分析模拟,打造社区15分钟生活圈,优化人居环境,重塑空间功能结构等,促进民生与公共服务资源的均衡性、公平性、优质性分配和评估,助力解决发展过程中的不平衡不充分的矛盾。

5  结束语

以时空信息助力数字化发展,赋能高质量发展,意义重大,任重道远。从技术的角度看,这涉及时空数据获取、信息处理、知识产生、智慧应用的全链条。应瞄准时空信息赋能高质量发展的重大需求,攻克时空连接、时空计算、时空智能等方面的关键技术难题,研制以实景三维中国为代表的新一代时空信息产品,打造时空算力基础设施,实施多层次的时空知识工程,提供高品质的时空信息,支撑高层次的时空分析,开展高水平的时空赋能。通过提供“无所不在的时空连接、无时不用的时空计算、无所不及的时空智能”,切实地推动数字经济、数字生活、数字治理等方面的赋能应用,实现时空信息赋能高质量发展。从管理的角度看,时空信息赋能高质量发展涉及政策、法规、体制等,其建设与应用是一个庞大信息工程,很难短期一蹴而就。应尊重发展规律,创新发展观念,促进跨界融合,加强顶层设计,统筹协调,打牢基础,示范引领,稳步推进。

致谢  王东华、田海波、曹春华、陈常松、张俊、侯东阳等为本文的撰写提供了宝贵的意见和建议,在此一并表示致谢。

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