王家耀:当地图学遇上人工智能,地图学应何去何从?

王家耀院士在进行学术报告分享

12月15日-16日,“第三届全国地图学理论与方法研讨会”在广州举办。本次研讨会以“新视角下的地图学理论与方法”为主题,邀请了从事地图学研究的专家学者及研究生前来参会,共同研讨地图学理论与方法的前沿、热点问题以及应用发展方向。

其中,中国工程院院士、河南省时空大数据产业技术研究院院长王家耀院士为大家作了主题为“人工智能时代:地图学从哪里来到哪里去”的学术报告分享。

目前,我们正站在一个拥有人工智能、大数据、互联网的时代节点上,地图学的走向正面临着许多机遇和挑战。

对于地图学的未来,我们还有很多未能明确的答案,因此,我们需要站在这样一个时代节点上,回顾过去、展望未来。

在此次学术报告中,王家耀院士主要为我们分享了关于以下问题的看法:

1. 我们应如何认识地图学?

2. 从地图学目前需要解决的问题的角度来看,我们应如何认识人工智能?

3. 当地图学遇上人工智能,出现了什么问题?

4. 地图学在人工智能时代需要传承、创新、发展什么?

认识地图学

地图学,是研究地图的学问或地图的科学。地图学的“主战场”就是地图,如果没有地图,地图学就成了“无源之水,无本之木”。

因此,我们在谈如何认识地图学之前,需要先认识地图。

地图是表达非线性复杂地理世界的

最伟大的创新思维。

地图的伟大与创新就在于它解决了三个“矛盾”:

地图平面与地球曲面之间的矛盾。该矛盾及解决这一矛盾的数学方法构成了地图的数学基础;

地球表面原貌的复杂性与地图的抽象性之间的矛盾。该矛盾及解决这一矛盾的符号方法构成了地图的语言基础;

地面实际事物的详细性与地图内容的概括性之间的矛盾。该矛盾及解决这一矛盾的制图综合方法构成了地图内容的地理基础。

地图是记录地理环境信息的载体、是传递地理环境信息的工具,能反映各种自然和社会人文要素(现象)多维信息的变化与发展。

地图重构地理世界,

并非复制地理世界。

这是丹尼斯·伍德(Denis Wood)所著的《地图的力量》中的观点,王家耀院士不仅一次引用该观点,并在报告中希望大家思考这句话当中的奥妙,地图为何是“重构”而不是“复制”世界呢?

在对地图有了初步认识后,让我们回归到“地图学”本身。

王家耀院士:地图学充满着哲学思维。

王家耀院士认为:

地图学是一门研究利用科学的、抽象概括的方法,反映自然界和人类社会要素(现象)的位置、数量与质量特征、空间分布及相互联系、空间关系及其时空变化,并对地理时空信息进行获取、抽象、存储、管理、处理、分析,以图形和数字方式传输地理时空信息的科学与技术。

简单来说,地图学是一门重构非线性复杂地理世界的科学与技术。

除此之外,王家耀院士对地图学还有着更为独到的看法,他认为地图学富含着哲学思维。

在报告一开始,王家耀院士就提出了哲学思维中的四个“不仅,还要”。

而王家耀院士也不仅带我们认识了地图学的概念与演进过程,更重要的是,还要从地图学的演进中总结启示,从过去的历史中吸取进一步发展的力量。

在“互联网+”与时空大数据时代,地图和地图文化品种更趋多样化、传播的方式越来越多、速度越来越快、范围越来越广、影响越来越大。

了解人工智能

同样地,王家耀院士为我们梳理了人工智能的概念、曲折发展过程及其给予我们的启迪。

人工智能的概念我们在此并不赘述,仅看一下人工智能的目标是什么:

人工智能研究的一个主要目标,是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。

因此,人工智能是否可以取代人类,完成那些具有创造性、抽象性的地图绘制工作呢?让我们先带着这个问题继续往下看。

人工智能的发展是曲折的,其经历了四个时期:梦想期、推理期、知识期、学习期。

其曲折的发展道路可以反映出,真正的人工智能探索之路是充满波折与不确定性的,我们必须克服目前科技界存在的“急功近利”的问题。

王家耀院士为我们讲述了1956年麦卡锡等科学家为“人工智能”取名的故事——科学家们齐聚整整两个月时间,围绕一个主题进行反复讨论交流,最终才确定了“人工智能”这一名字,而1956年也因此成为了“人工智能之年”。

这种精神正正是当前科技界所需要的,当代科学家们必须克服“浮躁之风”、“赶集之风”。如王家耀院士所说,我们要有着“否定之否定”的学风。

现在让我们回归刚刚的问题,用不那么“急功近利”的眼光再来看这个问题:

或许我们并不需要急于让人工智能“取代”人脑进行全部的地图绘制工作,而是以另一种形式运用人工智能——让人脑与人工智能各司其职。

让人工智能与人脑自然智能深度整合:

各司其职的人机交互也许是未来智能的发展趋势。

王家耀院士认为,人脑的自然智能与人工智能各自都有着优势,我们应该把人和计算机有机地联系在一起,用人脑来处理人类擅长加工的信息,并将结果反馈给计算机,让计算机来进行后续的快速加工。

“我们没有必要也没有可能模拟出一台和人类功能一模一样的机器,重要的是两者优势互补。”王家耀院士说。

当地图学遇上人工智能

在20世纪80年代初到90年代之间,国内国外形成了地图制图专家系统研究的热潮,也取得了一些成果。

1988年,原武汉测绘科技大学张文星的制图综合专家系统MAPGEN

1992年,王家耀、吴战家、武芳研究的制图综合专家系统工具CGES

但是,在热潮过后的10多年期间,之前研制的地图制图专家系统在制图生产中基本未得到应用。原因在于“制图知识工程瓶颈”。

王家耀院士对此现象进行了反思。其中他提到,钱学森先生早在1984年就曾作出过精辟分析:

“我以为外国人工智能工作,似乎急于求成,而基础理论工作不扎实。我们当然最后要取得应用成果,但不能没有理论指导,理论与实践相结合。”

钱学森1984年3月1日至戴汝为,

钱学森书信(第二卷)

地图制图专家系统热潮不再、人工智能在地图制图中没有得到实际应用,问题到底出在哪里?王家耀院士是这样认为的:

就地图制图而论,它本身是一个极具创造性的工作,是一个十分复杂的思维过程,逻辑思维(抽象思维)、灵感思维并存。逻辑思维能方便地用数学公式来描述,

但是地图制图过程中大量存在的形象思维灵感思维带有模糊性不确定性,许多情况下连地图制图专家都难以说清楚某个制图问题为什么只能这样处理而不能那样处理,又怎么让计算机去做呢?

也就是说,想要让人工智能在地图制图中取得实质性的进展与应用,我们需要花费大量精力与时间去做基础性工作,去研究、理清地图制图中到底有什么知识在起作用。

以及要研究建立什么样的适合地图制图特点的演绎推理机制和控制策略等等。只有通过持久的、扎实的研究工作才能逐步解决问题。

不过,王家耀院士也承认,在进入21世纪以来,人工智能在地图学中的应用出现了好的转机,不少学者“回归基础”进行理论与方法研究。

人工智能时代地图学的传承创新发展

在人工智能、大数据、互联网的时代中,地图学领域也出现了很多新名词,如“全息”、“一键通”、“无损测图”等。这些有的是“伪科学”,有的是“概念炒作”。那么,地图学到底应该往哪里走呢?

王家耀院士提出了在人工智能时代,地图学的10点“传承”、“创新”、“发展”:

传承地图学的基础和应用理论,创新地图学的哲学思维,发展地图哲学;

传承地图学科学范式的理论,创新时空大数据时代地图学的新范式,发展以数据密集型计算为特征的地图学第四范式;

传承地图空间认知理论,创新基于智能感知的多模式时空综合认知理论,发展“人脑空间认知→人机融合空间认知新模式”;

传承基于模型、算法和知识的计算机地图制图理论与技术,创新人工智能支撑的智能地图制图理论与技术,发展智能地图制图学;

如何让计算机也具备思维和综合判断能力呢?

这就要解决地图设计制作的知识从哪里来和怎样获取的问题。

传承地图制图数据处理的模型理论和方法,创新大数据分析、数据挖掘与知识发现理论与方法,发展时空大数据支撑的地图学;

传承地图可视化理论与方法,创新人工智能时代大数据可视化研究,发展时空大数据智能可视化理论与方法;

传承基于网络/网格/云地图应用服务模式,创新面向5G时代的地图服务无处不在、无人不用的新模式,发展智能地图应用学;

传承地图制图过程中思维科学理论和方法,吸取脑科学、心理科学和神经科学的研究成果,创新面向智能地图制图的类脑和类脑智能研究,发展智能地图制图学的理论和方法;

传承地图文化和数据文化的研究成果,创新人工智能时代地图文化和数据文化,发展地图科学和数据科学;

最后一点,我们要传承地图科学人求真求实求是的优良学风,推动地图科学创新发展。

捍卫真实就是捍卫科学的生命,

纵容学术不端就是损害科学的未来。

我们应该以科学的态度对待人工智能时代的地图学科学问题,而且不仅要解决理论问题,还要用到实践应用中。

王家耀院士认为,只要我们正视其中存在的问题,并从源头治理,我们就完全有能力荡涤浮躁之风、炒作之风、造假之风,建设科技强国!

本期互动

人工智能在地理信息领域的应用,

你又有什么看法呢?

不妨跟我们聊一聊哦~~

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