互联网+时空大数据与GIS的演进和发展

1、 王家耀“互联网+”时空大数据与“GIS” 演进和发展信息工程大学地理空间信息学院第1页01020304引言时空大数据：大数据与地理时空数据融合“互联网+”时空大数据推进 “GIS” 演进与发展CONTENT“互联网+”本质、意义与特征0506关于“互联网+”时空大数据与“GIS”深入发展若干思索和提议总结第2页01引言PART ONE第3页1.引言 我们应该怎样认识“互联网+”、大数据、时空大数据之间关系？ “互联网+”时空大数据背景下 ，怎样推进“GIS”演进与发展?将面临哪些挑战与机遇？ “互联网+”、大数据、时空数据、时空大数据，是学界和业界讨论最多问题。“GIS”是地理学、测绘科学技

2、术及计算机通信网络等新兴信息技术交叉融合产物。第4页02“互联网+”本质、意义与特征PART TWO第5页2.“互联网+”本质、意义与特征“十三五规划”中提出，实施网络强国战略，实施“互联网+”行动计划，实施国家大数据战略。在此之前政府工作汇报中就曾明确提出了“互联网+”，随即7月1日国务院公布“互联网+”行动指导意见，提出11项重点行动和7个方面保障办法，紧接着不少省市也公布了相关文件。提出“互联网+”本质上是互联网、物联网、云计算等新兴信息技术在各行各业“全工作流”、“全产业链”、“全价值链”中深度融合集成创新应用，使之成为当代制造业、生产性服务业发展新动力。本质现在“互联网+”已经开始融

3、入各行各业。能够说，我们这个时代已经就此打上了“互联网+”烙印，中国已经开启了“互联网+”时代大门，将引发一场科技革命和产业变革。 意义第6页2.“互联网+”本质、意义与特征跨界融合。+，就是跨界，就是变革，就是开放。创新驱动。传统资源驱动方式创新驱动发展。重塑结构。打破原有社会结构、经济结构、地缘结构、文化结构、管理模式。尊重人性。互联网力量之强大最根本是源于对人性最大程度尊重，对人体验敬畏，对人创造性重视。真正表达“以人为本”。开放生态。“互联网+”本身就是开放，主要是化解掉过去制约创新环境，真正实现“大众创业、万众创新”。连接一切。这是“互联网+”目标。特征第7页03时空大数据大数据与时

4、空数据融合PART THREE第8页3.时空大数据：大数据与时空数据融合这里，关键是“大”。没有统一定义。但能够这么来了解：大数据是指其规模（体量大）和复杂程度（多样性）经常超出了当前数据库管理软件和传统数据处理技术在可接收时间内（快速性）搜集、存放、管理、检索、分析、挖掘和可视化（价值）能力数据集聚合。大数据：什么是“大数据”大数据本质大数据意义大数据本质，在于驾驭大数据，即应用大数据，也就是由对大数据“拥有”变为对大数据“使用”，大数据是“宝贝”还是“垃圾”，要用大数据思维去发掘“大数据”潜在价值，大数据关键价值是“预测”。大数据带来信息风暴正在改变我们生活、工作和思维，开启了一个重大时代

5、转型：思维变革、商业变革和管理变革。大数据产业兴起，将颠覆千百年来人类思维通例，对人类认知与世界交流方式提出了新挑战：一切用数听说话，谁掌握了大数据谁就掌握了主动权。大数据特征variety多样性value低值性velocity快速性veracity不确定性类型多（文 本、图像、 音频、视频）异构（无模式或模式不显著）非结构化数据占数据总量80-90%大量不相关信息高价值总量，低价值密度需要深度分析和挖掘处理速度快（1秒定律）每分钟谷歌有200万次访问流数据，实时更新（毫秒级）主要是新而非事后语法或语义不确定性数据不一致、不完整引发不确定性真伪难辨volume巨量性数据量TB-PB-EB未来1

6、8个月产生数据量等于有史以来数据量之总和第9页时空数据：什么是时空数据 指以地球为对象，基于统一时空基准，与位置相关联地理要素（或现象）信息数据。含有时间维（T）、空间维（S）和属性维（D）等特征。3.时空大数据：大数据与时空数据融合第10页时空数据：时空数据本质反应地理世界（时空）各要素（现象）数量和质量特征、空间结构和空间关系及其随时间改变，是人类认知地理世界基础。时空数据意义是共享、交换大数据时空框架，是各部门行业信息共享、交换平台，是一切大数据聚合平台。3.时空大数据：大数据与时空数据融合第11页时空大数据：什么是时空大数据 指大数据与地理时空数据融合，即以地球为对象、基于统一时空基准

7、，活动于时空中与位置直接或间接相关联大数据。这么界定时空大数据是基于两个事实：一是，人类生活在地球上，人类一切活动都是在一定时空（时间和空间）中进行，而全部数据都是人类活动（社会、生产、生活）产物；二是，从可视化角度讲，全部大数据只有当其与地理时空数据集成后，才能直观地为人们提供大数据空间概念。3.时空大数据：大数据与时空数据融合第12页时空大数据：时空大数据本质 揭示了几乎全部大数据都需要而且能够与地理时空数据融合这么一个规律。如计划生育大数据与地理时空数据融合，能够揭示执行计划生育政策以来国家人口增加和负增加时间序列趋势及其地域差异。3.时空大数据：大数据与时空数据融合第13页时空大数据：

8、时空大数据价值和意义 集大数据价值意义与地理时空数据价值意义于一体，任何规律得出，任何决议做出，都必须依据一定时间、确定地点（地域）大数据，即地理时空大数据。全球已经进入（时空）大数据时代，企业决议过程正由程序驱动变为数据驱动；（时空）大数据已成为制造业创新动力，我国54%制造业正在应用数字化工具推进转型升级。3.时空大数据：大数据与时空数据融合第14页来自处理人类面临全球性问题推进。来自对地观察泛在测绘推进。来自新兴信息技术发展推进。来自企业经济效益推进。产生动因时空大数据：时空大数据起源政府时空大数据互联网时空大数据企业时空大数据个人时空大数据3.时空大数据：大数据与时空数据融合第15页时

9、空大数据：时空大数据特征除普通大数据“4V”或“5V”特征外，还含有位置点、线、面、体三维位置（X,Y,Z）拓扑、方向、度量很复杂时间位置、属性等随时间改变而改变尺度空间尺度改变，即百分比尺改变多源异构空间基准、时间、尺度、语义等不一致属性每个位置点、线、面、体上都有自己数量、质量特征和说明性信息多维全部大数据与空间数据集成组成空间数据立方体，即“全息”可视化3.时空大数据：大数据与时空数据融合第16页04“互联网+”时空大数据推进GIS演进和发展PART FOUR第17页“GIS”发展至今，作为学术名词有三个。“GIS”三种学术名词GIServiceGIScience地理信息系统强调“GIS

10、”工程技术一面，被定义为“信息系统相关地理信息分支”即在计算机硬软件支持下，对地理信息进行获取、存放、管理、分析和可视化计算机信息系统。地理信息科学。强调“GIS”科学一面，被定义为“信息科学相关地理信息一个分支学科”，即关于自然、人文现象空间分布与组合信息，是表征地理环境数量、质量、分布特征、内在联络和运动规律科学。地理信息服务强调“GIS”应用服务即产业一面，被定义为“随时随地为需要地理信息用户提供基于统一时空基准与位置直接或间接相关联地理要素或现象信息智能化服务”。即用“4A”回答“4W”问题。4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展GISystem第18页 综合起来说，“G

11、IS兼顾了科学、技术、工程和产业特征，组成了完整“科学技术工程产业”“全知识链”和“地理信息获取（传感网）处理（生产）应用（服务）”“全产业链”。 其中，地理信息科学是基础，地理信息技术是支撑，地理信息工程是科学和技术转化为生产力关键，发展地理信息产业是目标。4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展第19页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展单一广泛之一：GISystem（地理信息系统）应用领域演进数字化工具推进地图数字化对地观察信息资源演进GIS由着重信息源一端到信息深加工一端转移管理型分析型系统功效演进大数据时代到来不但处理了GIS信息源问题，更主要是对GIS功

12、效提出了更严峻挑战，决议支持GIS呼之即出决议支持型第20页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展GISystem存在问题 信息资源不能共享 系统之间不能互联互通 使用不方便，也买不起社会需要 共享信息资源 网络环境下多个节 点协同工作 提供低成本实时 /准实时、智能化服务二者之间有落差主机计算桌面计算网络计算网格计算云计算主机GIS桌面GIS网络GIS基于网络服务GIS云GIS基于网格服务GIS系统体系结构演进之二：GISystemGIService计算机通信网络技术推进GIS功效包集成式GIS模块式GIS组件式GISWebservice组件Gridservice组件结论： “

13、GISystemGIService”是发展趋势系统开发模式演进第21页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展之二：GISystemGIService当代地理信息服务面临挑战和机遇地理时空大数据存放管理和智能处理。分布异构GIS纵向/横向集成。分布式服务组件到集成式服务组合。信息资源共享与协同处理问题（协同工作）地理时空信息“获取（传感网）处理（生产） 应用”一体化第22页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展面向应用服务聚合向应用服务聚单元要素系统基本思绪第23页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展基本架构服务提供者服务代理（注册中心）服务请求者公布

14、绑定发觉WSDL/GSDLUDDI/MDSSOAP调用之二：GISystemGIService第24页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展之二：GISystemGIService正是因为“互联网+”时空数据推进才有当前各种GIService模式（1）基于网络服务(Web Service)地理空间信息共享与空间数据互操作WebService目录服务 数据服务 操作服务 数据 Oracle PostGIS SQL ShapeFileUDDI注册中心客户端应用系统浏览器注册WSDL文档WSDL文档查找服务地址WSDL文档绑定SOAP请求SOAP响应调用SOAP消息SOAP消息第25页

15、4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展之二：GISystemGIService（2）基于网格服务(Grid Service)信息资源共享与协同处理问题(协同工作)系统1系统2系统n注册服务验证服务识别服务查询服务服务聚合管理服务将系统功效按照标准封装为网络/网格服务结构地理信息服务网格与虚拟组织，建立服务管理节点用户按需组合服务形成面向应用服务能力应用n网格条件下第26页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展之二：GISystemGIService（3）基于云计算时空信息服务第27页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展之二：GISystemGISer

16、vice（4）基于网格集成与弹性云“混合式”时空信息服务第28页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展之二：GISystemGIService（5）基于位置地理信息服务这一概念源于位置服务（Location Based Service,LBS）,又称定位服务，是由移动通信网络和定位系统结合在一起提供一个增值业务，经过一组定位技术取得移动终端位置信息（如经纬度坐标数据），提供给移动用户本人或他人以及通信系统，实现各种与位置相关业务。所以，实际上是一个概念较宽泛与位置相关新型服务业务。从当前社会广泛应用实际情况来看，应界定为基于位置地理信息服务，即“导航定位系统+导航电子地图系统”。

17、第29页4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展之三：GIScience（地理信息科学） GISystem与GIService含有显著技术、工程和产业特征，但支撑GISystem与GIService技术、工程和产业可连续发展是科学，这就是GIScience（地理信息科学），其内容包含理论层面、技术层面和应用层面。GISystemGIServiceGIScience第30页从”互联网+”时空大数据带来科学范式改变看GIScience 美国著名科学哲学家THOMAS S.KUHN（库恩）在The Structure of Scientific Revolutions（科学革命结构）一书

18、中提出“范式”概念和理论：指是一个共同体组员所共享信仰、价值、技术等等集合，指常规科学所赖以运作理论基础和实践规范，是从事某一科学研究者群体所共同遵从世界观和行为方式。4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展之三：GIScience（地理信息科学）第31页计算机图灵奖得主Jim Grey四个科学范式理论第一范式(经验范式)产生于数千年前，是描述自然现象，人们依靠经验和观察为依据进行科学研究，即依靠科学试验方式探索未知。第二范式(理论范式)产生于几百年前，是以建模和归纳为基础理论学科和分析范式，即在科学试验基础上进行模型归纳形成对应规则和理论。第三范式(计算范式)产生于几十年前，是以

19、模拟复杂现象为基础计算科学范式；即在科学试验极难进行、理论计算难于开展和归纳情况下，采取模拟仿真方式以验证理论及方法正确可能性，同时探索更广泛科学领域；第四范式(数据密集型范式)今天正在出现，是以数据考查为基础，联合理论、试验和模拟一体数据密集计算范式，即从数据入手，使用计算机程序对庞大数据库进行挖掘，寻找数据之间关系。从本质上讲，他们是利用计算机对海量数据进行研究，从而发觉各种规则。4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展第32页Jim Grey四个科学范式理论适合GIScience1234第一范式：经验范式1、直观逻辑思维2、以观察者试验为依据产生于几千年前第二范式：理论范式1

20、、科学假设、理论分析2、以理论思维和数据方法为依据产生于几百年前第三范式：计算范式1、模拟计算、系统综合方法2、以计算机应用为标志产生于20世纪初第四范式：数据密集型范式1、以地理时空大数据为基础2、以互联网、物联网、云计算为新技术伎俩今天正在出现4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展第33页 当今地理信息科学，正面临着时空大数据时代全球性挑战，“第四范式”可能是处理面临挑战含有本质性理论、方法与技术，不但是科研方式转变，也是人们思维方式大改变（大数据思维），经过大数据分析和大数据挖掘，能够发觉过去科学方法发觉不了新模式、新知识和新规律。这正是地理信息科学要处理问题。 所以，大数

21、据时代到来也是推进地理信息科学发展主要原因，同时数据密集型科学范式也成为地理信息科学科学研究范式。4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展第34页GIScience内容体系主要研究地理信息本质、结构、描述、分类和表示，地理信息发生、提取、传输、重构和作用机制，地理信息运动过程中熵增、熵减、误差和不确定性以及感应与行为机制，地理信息运动计算模拟。理论层面主要包含地理信息技术系统开发，集成与应用（GNSS、RS、GISystem），时空大数据基础设施建设技术。技术层面主要研究基于理论指导和技术支撑人口、资源、环境和社会区域规划和管理等方面应用。应用层面地理信息科学是信息科学相关地理信息

22、一个分支学科（Goodchild，1992）。它研究对象是地理信息，是关于地理信息本质特征和运动规律一门学科，是新认知模式、观察视点和技术平台，其内容体系包含三个层面：4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展第35页 “互联网+”时空大数据，是伴伴随计算机通信网络技术和空间感知技术发展演进而逐步形成，这个过程也促进了“GIS”演进与发展进程。“互联网+”时空大数据时代到来不是偶然，“GIS”发展演进也不是偶然，二者相伴而行。GISystem、GIService、GIScience三者各自有不一样着重点，但地理信息（GI）是共同对象。 GISystemGIService， GISys

23、tem与GIService上升到GIScience ，组成了完整地理信息“科学技术工程产业”“知识链”和地理信息“获取（传感网）处理（生产）应用”产业链。4. “互联网+”时空大数据推进“GIS”演进和发展第36页05关于“互联网+”时空大数据与“GIS”深入发展若干思索PART FIVE第37页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索地理时空信息本质、结构、描述、分类和表示。地理时空信息发生、解译与反演、提取、重构和作用机制。地理时空信息运动过程中熵增、熵减、误差、不确定性以及感应与行为机制多模式时空综合认知理论多模式时空信息传输理论多源异构地理时空信息集成、融合与同化理论全

24、球统一时空基准理论（1）地理信息（GI）基本理论研究第38页高精度GNSS全球化和时间系统精准化技术。地理时空信息智能感知（时空大数据获取）技术地理时空大数据分布式存放与管理技术（NOSQL，Hadoop）地理时空大数据并行智能处理技术（MapReduce）地理时空大数据挖掘与知识发觉技术地理时空大数据快速可视化技术地理时空信息智能服务技术（2）地理信息（GI）关键技术攻关5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索地理信息“获取（传感网）处理（生产） 应用（服 务）”“一体化”技术。第39页“一体化”指“互联网+”环境下，地理时空信息从获取到提供给用全过程或全部步骤都在网络/网格

25、环境上进行，即实现地理（时空）信息在网络/网格上可控、有序、高效流动。 关键技术基于“互联网+”“全工作流”、“全产业链”、“全价值链”自适应构建技术基于“互联网+”“全工作流”、“全产业链”、“全价值链”各步骤软件接口技术线性“工作流”、“产业链”、“价值链”与分布式并行处理相融合技术基于“互联网+”信息资源共享与协同工作技术（2）地理信息（GI）关键技术攻关5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第40页“互联网+”地理时空数据城市大数据（部门、行业）时空大数据共享聚合交换 是共享、交换城市大数据时空框架，是各部门、各行业信息共享、交换平台，是一切大数据聚合在时空框架上平台

26、。一样，适合用于“智慧地球”、“智慧中国”等建设。（3）重视地理时空大数据在“智慧城市”中应用5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第41页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第42页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第43页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第44页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第45页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第46页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第47页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第

27、48页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第49页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第50页5.关于“互联网+”时空大数据与GIS”深入发展若干思索第51页改变传统地理信息产业思维方式，强化网络思维、“互联网+”思维、“互联网+GIS”产业思维强力推进地理信息“获取（传感网）处理（生产）应用（服务）”“全产业链”流程，彻底改变当前“三大步骤”脱离传统作业模式在“互联网+”时空大数据背景下，真正实现地理信息“处理（生产）”由着重信息源一端向着重信息深加工一端转移，着力地理信息产品多样化、个性化、定制化充分发挥“互联网+”环境下“官方制图”、“企业制图”、“兴趣者制图”三类“主体”制图并存作用。（4）主动推进“互联网+”时空大数据与“ GIS”产业化5.关于“互联