“智慧中国”发展理念之一——多维立体感知

来源:电子政务工程中心   作者:程婧瑶   时间:2014-04-01

  “智慧中国”的环境下,人类获取信息的途径、方式、来源都将越来越丰富,如同一个人通过眼睛、耳朵、鼻子、皮肤等无时无刻都在感知着周边的环境,接收着繁多的信息。立体感知就是要应用包括卫星遥感、卫星定位、地球对地观测和物联网在内的新一代数据采集技术手段,建立覆盖资源环境、社会经济、人口与健康各领域的更加发达的观测传感器网络,在任何时间、任何地点、以任何方式来感知地球各种不同时空尺度上的自然、经济和人文现象与事件。

  (1) 物联网的快速发展改变了人类感知事物的方式

   物联网改变了人类感知事物的方式,这得益于传感器技术的迅猛发展。

   传统的环境监测、地质勘探、地震监测手段中人工参与的比重较大,这样的监测结果显然是效率低、准确度不高、并且成本高。不同类型的传感器的发展就像人类的五官一样,更加逼真、智能的采集信息,如光敏传感器—视觉、声敏传感器—听觉、气敏传感器—嗅觉、化学传感器—味觉、压敏、热敏、流体传感器—触觉等不同类型传感器不断开发和大力应用,将为环境、地质、地震、减灾应急等众多领域提供更多信息采集的手段,并且将能够大大提高信息采集的范围和准确度。从生活层面来看,“无处不在”的传感器充斥在我们的生活中,例如电视遥控器、空调遥控器、声控灯、电脑的鼠标、测温仪、电饭煲、火警报警器等等,不得不说,传感器的发展正在改变着我们的生活、生产方式。

   传感器能够测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号等,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。利用传感器技术,建立环保、交通、水利、地震、气象等监测站点,将大大扩展人类感知事物的范围。“十五”、“十一五”期间,我国在环境保护方面,省、地、市、县共计建设2300多个环境监测站,初步形成了以国控网络监测站为骨干的环境地面监测网络体系,进行水环境、大气环境、生态环境的全面监测。

   截止到“十一五”末期,全国已有6000多家重点污染源自动监测,全国环保系统各级监测站每年可上报监测数据3000万条;海洋交通方面,全国沿海和重要内河水域的船舶自动识别岸基网络系统建设,包括132座基站和22个中心,实现了300总吨以上船舶的有效监控;建成了52个船舶交通管理中心、202个雷达站;水利方面,全国省级以上水利部门已建成各类信息采集点约2.7万个,其中自动采集点占47.5%;以及1个卫星主站、500多个卫星终端小站的全国防汛卫星通信网;灌区的水情遥测点73处,水位监测点261处,闸位监测点147处,雪量监测点24处,泵站监测点526处,渠道流量监测点261处,闸门控制点155处,视频监测点17处;地震方面,有152个国家级的地震监测台站,国家投资的区域地震台站792个,6个火山台网,GPS地壳形变监测网,近200个流动观测站,形成了由27个连续观测的基准站和1055个定期流动观测的区域站组成的地壳运动观测网络,在中国大陆及其周边建成了260个GNSS连续观测基准站、2000个不定期复测的GNSS区域站、30个连续观测重力站;气象方面,全国自动气象观测站的数量近3万个[1]

   (2) 对地观测技术给人类感知事物所带来的新视角

   对地观测技术与传感器密不可分,对地观测技术充分扩展了传感器的感知范围,延伸和扩展了物联网的时空尺度,为人类感知事物提供了更开阔的视角

   对地观测指的是利用航天航空飞行器(卫星、平流  层飞艇和飞机等)和地面各类平台所携载的光电仪器对人类生存所及的地球环境及人类活动本身进行的各种探测活动[2]。太空给了人类一个非常独特的视角来观测地球,全球各国在近几十年里竞相发展航天卫星遥感技术,以提升本国的对地观测能力。据不完全统计,目前包括我国在内,以及美国、俄罗斯、法国、英国、日本、印度、以色列和伊朗9个国家已经拥有自行研制和发射人造卫星的能力,德国、意大利、加拿大等20多个国家和地区拥有自己研制的卫星,未来其他国家及地区也将计划发展遥感卫星对地观测能力。对地观测能力的提升,各种卫星的应用,将使得对人类所生存的整个地球的感知成为可能,卫星导航定位、航天航空遥感、航天航空地球物理探测等对地观测活动,将有助于地球空间环境及其运动变化规律的研究。目前,对地观测技术已经在气象气候、资源环境、海洋管理、防灾减灾、公共安全等各个方面获得了广泛的应用,日益成为公共社会生活、日常娱乐的重要信息来源,人类的生产和日常生活已经越来越离不开对地观测的支持。对地观测技术实现了大到整个地球的感知,小到某一事物的感知,加之物联网环境下传感技术与纳米技术的不断深究,使得感知的尺寸可以小到一粒尘埃。结合生物传感器,感知对象范围甚至可以小到一个细胞、生物大分子等。

   时至今日,全球范围内目前在轨的卫星数量已不下几百颗,其空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率都有了很大的提高,从最初的700多公里提高到0.41米的全色影像(GeoEye公司的GeoEye-1/IKONOS卫星)。时间分辨率已经可以达到实时或准实时地提供数据。美国的高分辨率商业地球观测卫星QuickBird,其采集分辨率0.6-0.7米的全色(黑和白)影像,以及分辨率在2.4和2.8米的多光谱影像;自主定位精度为23米,在不借助地面控制时,其精度可以达到17米,在这样的分辨率下,可以轻易地看到建筑和其他公共设施的细节;加拿大发射的Radarsat-2雷达卫星可以为用户提供3米至100米分辨率、幅宽10千米至500千米范围的雷达数据,用于全球环境和自然资源的监测、制图和管理,尤其是在海冰监测、制图、地质勘探、海事监测、救灾减灾、农林资源监测以及地球上的一些脆弱生态环境保护等得到广泛应用;意大利的Cosmo-SkyMed-4雷达卫星的分辨率为1米,扫描带宽为10千米,具有雷达干涉测量地形的能力。我国的陆地卫星“天绘一号卫星”的数据包括10.0米分辨率多光谱数据、2.0米分辨率高分辨率数据和5.0米分辨率三线阵数据;我国第一颗海洋动力环境卫星——“海洋二号”,该颗卫星首次采用双频GPS精密定轨技术,其测高精度优于0.4米,达到国际先进水平;我国的第一颗商业卫星—“北京一号”,该卫星具有中高分辨率双遥感器的对地观测小卫星,卫星中分辨率遥感器为32米多光谱,幅宽600公里,高分辨率遥感器为4米全色,幅宽24公里[3]

   (3) “智慧中国”环境下的立体感知是多种技术手段综合感知

   “智慧中国”环境下的立体感知必将是多种技术综合的感知。通过各类传感器技术,感知物体和过程的多种要素;射频识别技术对物体进行识别;卫星导航定位技术感知物体位置;M2M物物数据通信技术以及互联网、电信网、电视广播网三网的融合和3G技术的发展,将各种感知信息接入网络进行综合等,多种技术综合应用将最终实现对各类物体、过程的智能化感知、识别、管理和控制。

   传感器技术、射频识别技术、GPS等技术的综合实现信息获取。传感器技术主要是从自然信源获取信息,并对之进行处理(交换)和识别。获取信息靠各类传感器,如各种物理量、化学量和生物量的传感器,传感器就像人类的感觉器官,感知着周围环境。射频识别(RFID)技术能够识别物体的身份及属性的存储,有助于传感器对信息的感知,采集重要的标识信息。GPS是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航定位系统,具备全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,对移动物体的信息采集具有重要作用。传感器技术、RFID技术和GPS等技术的综合将实现静态、动态物体的全天候、全方位的信息获取[4]

   无线传感器网络技术、Wi-Fi和GPRS等技术综合实现信息汇聚。无线传感器网络技术(WSN)是将一系列空间上分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接,从而将各自采集的数据通过无线网路进行传输汇总,以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控。Wi-Fi是基于接入点的无线网络结构。GPRS是基于GSM移动通信网络的数据服务技术[4]。无线传感器网络技术、Wi-Fi和GPRS与传感器相结合,将能够实现感知信息的汇聚。

   互联网、通信网、3G网、广电网等网络融合实现信息传输。互联网、通信网、3G网、广电网等不同类型的网络,将能够为多种方式、多种手段、多种途径所感知的信息,通过有线、无线等方式进行传输,各种网络的融合以及综合利用,更加有助于卫星平台(气象卫星、大气卫星、测绘卫星和环境与减灾卫星等)、低空平台(无人机、飞艇、气球等)、地面传感器(大气、温度、湿度等)等全方位、全天候所感知的信息与地面数据服务系统间的良好传输与交互。

   物联网和对地观测等各种技术和功能的融合与协调,将实现一个完全可交互的、可反馈的感知环境。无论从时空尺度,还是从精准度等方面讲,都将把人类带入一个多层、立体、多角度、全方位和全天候感知的新时代,最终实现“智慧中国”下的立体感知。 

 

参考文献

[1] 杜平,曾澜,承继成,胡如忠主编,“数字中国”发展报告,电子工业出版社,2009

[2] 林宗坚,李德仁,胥燕婴,对地观测技术最新进展评述

[3] 曾澜,徐枫,刘洋,宦茂盛,国内外地理空间数据开放政策调研报告

[4] 2010 年中国物联网产业发展研究报告,2010

 

                                      (电子政务工程中心  程婧瑶)



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