地理智能系統(tǒng)：地理科學(xué)與AI的跨界融合

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第18 期 《 地理智能培育新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展路徑 》

地理智能系統(tǒng)（GeoIS）作為融合地理科學(xué)與人工智能的新興技術(shù)體系，正成為驅(qū)動(dòng)空間認(rèn)知重構(gòu)與時(shí)空智能決策的重要力量。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院周成虎院士團(tuán)隊(duì)撰文，文章梳理了GeoIS的發(fā)展演進(jìn)與國(guó)際關(guān)鍵研究進(jìn)展，分析了中國(guó)在傳感器、算法、平臺(tái)引擎與數(shù)據(jù)治理方面存在的結(jié)構(gòu)性失衡問(wèn)題，并提出“技術(shù)攻堅(jiān)—交叉融合—場(chǎng)景牽引”的發(fā)展路徑和政策建議，為構(gòu)建自主、安全、協(xié)同演進(jìn)的GeoIS體系提供了參考。

新質(zhì)生產(chǎn)力的核心在于通過(guò)技術(shù)的革命性突破、生產(chǎn)要素的創(chuàng)新性配置與產(chǎn)業(yè)形態(tài)的深度轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)力實(shí)現(xiàn)質(zhì)的躍升。地理智能是一種融合地理空間感知、智能分析與決策優(yōu)化的新型能力體系。地理智能系統(tǒng)（GeoIS）是這一體系的工程化與平臺(tái)化體現(xiàn)，集成空天地感知網(wǎng)絡(luò)、多源數(shù)據(jù)融合模型、智能推理算法與場(chǎng)景化服務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建“感知—分析—決策”的閉環(huán)體系，并逐步發(fā)展為推動(dòng)地理空間信息產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和社會(huì)生產(chǎn)方式躍遷的重要引擎。GeoIS依托遙感大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)與大模型等新一代智能技術(shù)，顯著增強(qiáng)了對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)的感知、解析與自主決策能力。與此同時(shí)，GeoIS正成為國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)與博弈的戰(zhàn)略高地。在此背景下，系統(tǒng)把握GeoIS的發(fā)展演進(jìn)與能力體系，理清其未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵路徑與制度保障需求具有重要意義。

1 GeoIS發(fā)展脈絡(luò)

GeoIS的演進(jìn)過(guò)程緊密伴隨計(jì)算范式的持續(xù)變革，大致可劃分為3個(gè)階段：從早期的靜態(tài)制圖與空間數(shù)據(jù)管理（GIS 1.0），到網(wǎng)絡(luò)化與服務(wù)化的分布式地理信息系統(tǒng)（GIS 2.0），再到當(dāng)前具備認(rèn)知理解、智能推理和自主優(yōu)化能力的地理智能系統(tǒng)（GIS 3.0/GeoIS）。

1963年，Roger Tomlinson開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)地理信息系統(tǒng)——加拿大地理信息系統(tǒng)（CGIS），首次實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)的數(shù)字化存儲(chǔ)與管理，奠定了現(xiàn)代GIS的基礎(chǔ)架構(gòu)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，隨著Google Earth等WebGIS平臺(tái)的興起，地理數(shù)據(jù)的分布式訪問(wèn)與在線可視化成為主流，標(biāo)志著GIS 2.0時(shí)代的開(kāi)啟。進(jìn)入21世紀(jì)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的地理信息智能逐步成型。目前，GeoIS已基本形成“感知—分析—決策”3層架構(gòu)體系（圖1）：

1）感知層，通過(guò)衛(wèi)星遙感、激光雷達(dá)、街景攝像、傳感器網(wǎng)絡(luò)等多源手段，構(gòu)建起空天地海一體化的信息底座；

2）分析層，依托時(shí)空?qǐng)D神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Transformer?based遙感解析、知識(shí)增強(qiáng)大模型等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地理模式識(shí)別、場(chǎng)景演化理解與因果結(jié)構(gòu)建模；

3）決策層，聚焦城市治理、生態(tài)監(jiān)測(cè)、戰(zhàn)場(chǎng)推演等復(fù)雜任務(wù)場(chǎng)景，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)、多目標(biāo)優(yōu)化等機(jī)制實(shí)現(xiàn)自主判斷與策略執(zhí)行。

圖1 GeoIS的3層架構(gòu)體系

GeoIS的3層架構(gòu)體系不僅體現(xiàn)了從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到知識(shí)建模再到智能決策的系統(tǒng)演進(jìn)路徑，也支撐其從感知系統(tǒng)、建模系統(tǒng)向智能體的遞進(jìn)升級(jí)。該體系整合了多源感知技術(shù)、智能算法模型與智慧服務(wù)平臺(tái)，形成數(shù)據(jù)、模型和決策閉環(huán)，彰顯了GeoIS作為新質(zhì)生產(chǎn)力在要素重組、能力躍升和模式重構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)形態(tài)。

2 國(guó)內(nèi)外關(guān)鍵研究進(jìn)展

GeoIS的核心競(jìng)爭(zhēng)力正從傳統(tǒng)的單點(diǎn)感知與分析，轉(zhuǎn)向“空天感知網(wǎng)絡(luò)—智能解譯引擎—平臺(tái)服務(wù)生態(tài)”三位一體的系統(tǒng)能力構(gòu)建。當(dāng)前，全球主要國(guó)家正加快布局遙感衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、智能算法模型與多源數(shù)據(jù)融合平臺(tái)等關(guān)鍵領(lǐng)域，GeoIS的發(fā)展進(jìn)入多層并進(jìn)、協(xié)同共生的新階段。

綜合而言，國(guó)際GeoIS體系正加速邁向以AI為核心驅(qū)動(dòng)的智能平臺(tái)，強(qiáng)調(diào)模型的通用性與服務(wù)生態(tài)的可擴(kuò)展性；中國(guó)則在構(gòu)建高頻感知網(wǎng)絡(luò)與強(qiáng)化場(chǎng)景適配能力方面取得明顯進(jìn)展，為下一階段的原始創(chuàng)新與體系躍升打下良好基礎(chǔ)。

3 中國(guó)高質(zhì)量發(fā)展的挑戰(zhàn)

中國(guó)GeoIS體系快速發(fā)展的同時(shí)，仍存在多維度的結(jié)構(gòu)性制約因素。

1）硬件基礎(chǔ)薄弱，制約體系自主性與邊緣部署能力。中國(guó)GeoIS底層硬件能力相對(duì)薄弱，國(guó)產(chǎn)GPU與AI芯片性能尚難匹敵國(guó)際主流產(chǎn)品。此外，大模型部署對(duì)算力和能效要求高，邊緣設(shè)備普遍存在固件更新滯后、加密機(jī)制薄弱問(wèn)題，限制了在能源、交通、國(guó)防等關(guān)鍵場(chǎng)景下的可用性與安全性。

2）軟件生態(tài)依賴外部，高端工具與中間件體系缺位。中國(guó)GeoIS呈現(xiàn)出“應(yīng)用強(qiáng)、基礎(chǔ)弱”的結(jié)構(gòu)性失衡。盡管“坤元”、LuojiaNet等模型在地理知識(shí)推理、遙感圖像分割等方面取得突破，但底層軟件生態(tài)仍高度依賴國(guó)外生態(tài)。

3）數(shù)據(jù)體系封閉割裂，限制智能感知與遷移能力。中國(guó)地理信息數(shù)據(jù)資源分散于測(cè)繪、交通、應(yīng)急、氣象等多個(gè)部門(mén)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)融合滯后，影響應(yīng)急響應(yīng)和城市精細(xì)治理等智能決策。不同機(jī)構(gòu)在數(shù)據(jù)分類體系等方面標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)互認(rèn)度低，增加了跨區(qū)域遷移學(xué)習(xí)的成本，限制了深度學(xué)習(xí)模型在不同區(qū)域間的遷移泛化能力。

4）標(biāo)準(zhǔn)參與度與制度供給不足，難以支撐平臺(tái)外溢與國(guó)際引領(lǐng)。中國(guó)在ISO/TC 211等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織中參與度較低，主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)比例僅為12%，遠(yuǎn)低于德國(guó)（25%）與美國(guó)（18%），尤其是在AI模型可信評(píng)估、遙感數(shù)據(jù)互操作、地理語(yǔ)義表達(dá)等前沿標(biāo)準(zhǔn)體系中仍缺乏主導(dǎo)權(quán)。此外，隨著GeoIS在城市治理、空間安全等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用加深，隱私保護(hù)與算法審計(jì)的制度空白問(wèn)題日益突出。

5）人才與轉(zhuǎn)化機(jī)制薄弱，難以支撐高水平自主演進(jìn)。中國(guó)雖已基本形成以地理信息科學(xué)、遙感與測(cè)繪為核心的培養(yǎng)體系，但在“地理+智能+計(jì)算”的復(fù)合型人才培養(yǎng)方面仍明顯滯后，高校課程體系對(duì)大模型訓(xùn)練、因果推理等內(nèi)容覆蓋不足，跨學(xué)科供給能力有限。

4 培育新質(zhì)生產(chǎn)力引擎的路徑

1）強(qiáng)化核心技術(shù)攻堅(jiān)，構(gòu)建“硬件—軟件—數(shù)據(jù)”協(xié)同體系。

• 硬件方面加快國(guó)產(chǎn)地理專用芯片研發(fā)，提升地理感知任務(wù)的并行處理能力與邊緣部署適配性；

• 軟件方面構(gòu)建兼容國(guó)產(chǎn)加密機(jī)制的GeoIS基礎(chǔ)框架，實(shí)現(xiàn)地理信息底層技術(shù)自主可控；

• 數(shù)據(jù)層面構(gòu)建國(guó)家地理信息數(shù)據(jù)供給體系，統(tǒng)籌推進(jìn)數(shù)據(jù)確權(quán)、分級(jí)開(kāi)放與跨域流通。

2）推動(dòng)交叉融合創(chuàng)新，拓展“GeoIS+X”知識(shí)體系邊界。強(qiáng)化與腦科學(xué)、量子通信等前沿領(lǐng)域的協(xié)同攻關(guān)，構(gòu)建多模態(tài)、多尺度、多物理耦合的智能體系統(tǒng)；通過(guò)多源感知融合、因果建模與跨模態(tài)推理集成，在低空經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)醫(yī)療與智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域通用型地理空間智能體。

3）落實(shí)產(chǎn)業(yè)牽引機(jī)制，打造場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的GeoIS應(yīng)用生態(tài)。GeoIS正在從感知層與輔助分析工具逐步演化為多行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的智能中樞，具備重構(gòu)產(chǎn)業(yè)流程的潛力。

5 政策建議

1）明確戰(zhàn)略定位，建立高層統(tǒng)籌機(jī)制。將GeoIS納入國(guó)家戰(zhàn)略科技力量重點(diǎn)方向，設(shè)立地理信息智能專項(xiàng)工程，明確其在空間基礎(chǔ)設(shè)施、智能決策平臺(tái)及數(shù)字中國(guó)建設(shè)中的核心地位。

2） 強(qiáng)化底層技術(shù)攻關(guān)，構(gòu)建自主可控生態(tài)。設(shè)立 GeoIS 關(guān)鍵核心技術(shù)任務(wù)清單，聚焦專用芯片、高光譜成像器件、激光雷達(dá)系統(tǒng)等“卡脖子”裝備的自主可替代路徑；加大對(duì)國(guó)產(chǎn)遙感大模型、三維建模引擎、地理 AI 中間件的研發(fā)投入。

3） 構(gòu)建 AI?Ready 地理數(shù)據(jù)體系，打通數(shù)據(jù)要素流通鏈條。推動(dòng)地理信息數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系一體化建設(shè)，提升城市級(jí)三維模型、遙感標(biāo)注樣本等關(guān)鍵數(shù)據(jù)資源的規(guī)范化；建設(shè)面向人工智能訓(xùn)練需求的高質(zhì)量樣本庫(kù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)脫敏、分級(jí)授權(quán)與跨域調(diào)度。

4）完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與安全制度，增強(qiáng)國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。加強(qiáng)在國(guó)際合作中的主動(dòng)布局，推動(dòng)中國(guó)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織地理信息技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC211）、開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）等國(guó)際組織中牽頭制定遙感數(shù)據(jù)互操作性、GeoAI 可信性評(píng)估、空間語(yǔ)義標(biāo)準(zhǔn)等新興領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)。

5）推動(dòng)場(chǎng)景示范與生態(tài)構(gòu)建，激發(fā)融合創(chuàng)新活力。圍繞雙碳治理、低空經(jīng)濟(jì)、城市治理、國(guó)防安全等重點(diǎn)方向，組織實(shí)施 GeoIS 應(yīng)用示范工程，打造一批可復(fù)制、可推廣的行業(yè)平臺(tái)與解決方案。

6）強(qiáng)化人才支撐，打造地理智能人才高地。建議設(shè)立地理智能卓越人才計(jì)劃，支持青年科學(xué)家與國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展，鼓勵(lì)高校增設(shè)“地理人工智能”“空間智能工程”等新興專業(yè)方向，構(gòu)建涵蓋本科、碩博與繼續(xù)教育的分層次人才培養(yǎng)體系。

本文作者：姜侯、姚凌、劉唐、黃耀歡、秦軍、周成虎

作者簡(jiǎn)介：姜侯，中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所地理信息科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，副研究員，研究方向?yàn)榈乩碇悄芘c新能源應(yīng)用；姚凌（通信作者），中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所地理信息科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，研究員，研究方向?yàn)榈乩砜臻g智能；周成虎（共同通信作者），中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所地理信息科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，中國(guó)科學(xué)院院士，研究方向?yàn)榈貓D學(xué)與地理信息系統(tǒng)。

文章來(lái) 源 ： 姜侯, 姚凌, 劉唐, 等. 地理智能培育新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展路徑[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(18): 41?47 .

本文有刪改，

內(nèi)容為【科技導(dǎo)報(bào)】公眾號(hào)原創(chuàng)，歡迎轉(zhuǎn)載
白名單回復(fù)后臺(tái)「轉(zhuǎn)載」

《科技導(dǎo)報(bào)》創(chuàng)刊于1980年，中國(guó)科協(xié)學(xué)術(shù)會(huì)刊，主要刊登科學(xué)前沿和技術(shù)熱點(diǎn)領(lǐng)域突破性的研究成果、權(quán)威性的科學(xué)評(píng)論、引領(lǐng)性的高端綜述，發(fā)表促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、完善科技管理、優(yōu)化科研環(huán)境、培育科學(xué)文化、促進(jìn)科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化的決策咨詢建議。常設(shè)欄目有院士卷首語(yǔ)、科技新聞、科技評(píng)論、專稿專題、綜述、論文、政策建議、科技人文等。