ICT大潮中的智慧空间计算系统-高校版

2020/1/10ICT大潮中的智慧空间计算系统主讲人杜清运武汉大学资源与环境科学学院地理信息系统教育部重点实验室数字制图与国土信息应用工程国家测绘地理信息局重点实验室2020/1/10概要ICT技术及计算隐喻泛在地图新媒体地图智慧空间计算2020/1/103ICT技术及计算隐喻•引言•计算系统的隐喻演变2020/1/101.引言ICT的兴起:信息技术与通信技术相融合成的一个新的概念和技术领域移动和云相关硬件、软件及大数据的发展ICT领域智慧空间计算（智慧地球、智慧城市等）的提出与地图学、GIS的关系（互联网、新媒体、智慧计算）2020/1/102.计算系统的隐喻演变计算隐喻的演变：分布式、移动化普适计算&泛在计算分布式计算：计算资源的共享，向计算中心的数据流移动计算：终端成为传感器2020/1/102.计算系统的隐喻演变从办公室到移动隐喻WIMP（窗口、图标、菜单、箭头）位置成为要件LBS与环境敏感服务穿戴式计算人的认知主体从虚拟表达到真实嵌入隐喻虚拟现实嵌入与静默技术从认知信息模型到认知计算模式计算机信息模型作为的人的认知模型感知计算和认知计算2020/1/10泛在地图•泛在技术背景•泛在地图•系统设计2020/1/101泛在技术背景泛在计算普适计算增强现实2020/1/109泛在计算•泛在计算(Weiser)•非可见计算机(Norman)•取代“办公室隐喻”的下一代计算模式•Implosion:计算机越来越小•Explosion:交互空间,增强现实•静默技术，技术隐藏在背后•与虚拟现实反向发展2020/1/1010普适计算•利用通信或网络技术获取信息•移动计算、嵌入式计算、分布式计算、云计算•感知计算/传感器网络/环境感知•隐式HCI/人工智能/智能体技术/静默技术2020/1/1011增强现实•对真实世界进行增强•透明显示器加图形叠加层•将数字影像投射到平面上•三维模型或实况影像与自然物理世界混合显示•媒介包括移动电话、计算机摄像头、头盔、游戏终端、电视、眼镜等2020/1/1012从真实到虚拟混合真实(MR)真实环境虚拟环境增强现实(AR)增强虚拟(AV)2020/1/1013增强实现的原理•将图形、声音和其他感知增强实时叠加到真实世界环境上•图形会随着用户的眼睛或头部运动而改变2020/1/1014所需装备头盔或CCD显示器跟踪系统移动计算能力2020/1/10152泛在地图三元空间(物理,认知和数字)回到真实新型的GIS与地图:向感觉和知觉系统迁移移动地图地图的使用：HCI地图新内容地图新型叠置：虚拟与真实的匹配2020/1/1016三元空间•三个空间:物理、认知、数字•物理空间就是周围所有的一切•认知空间是用户的交互•数字空间就是叠加到物理空间上的信息•地理增强现实（Geo-AR）就是三者在移动和环境敏感条件下的结合2020/1/1017回到真实•传统就GIS基本是面向虚拟的，最求真实世界状态和过程在计算机中的完美表达•Geo-AR重新关注真实世界，一切都是叠加在真实世界上的2020/1/1018新型的GIS与地图•不同的GIS范式辅助人的认知的全过程•Geo-AR主要辅助认知的前两个过程：感觉和知觉•真实影像与视频为基础•三维信息、动态信息•室内空间或可观察空间•移动及免打扰环境•实时自然交互、处理与渲染2020/1/1019移动地图•新型地图——一切都叠加在视觉影像上而非纸面上•视觉叠加与信息集成•三维、动态、泛在、认知与生物物理•物理空间数据的实时采集与渲染•通过无线网络远程调取数据•基于传感器和用户的多模式交互能力•传感器代表理性和科学的输入•用户代表认知、生物物理甚至是感性的输入2020/1/1020地图的使用:HCI•Geo-AR提供的空前交互方式•移动终端就是传感器：位置、姿态、视觉、听觉、动觉、重力感应、光感应等•越来愈多的穿戴式移动设备可以感知人体：眼镜、眼动追踪、虹膜技术、手表、电子腕带等•移动设备可以产生理性、科学或感性、情感相关的大数据•自然交互：以人和自然为中心、非可见的、静默的计算2020/1/1021地图新内容•地图的几何与日常空间紧密相关•影像和视频成为基础图和空间参考系统•传统三维模型及相关数据库数据•实时实地获取的数据•群集智能，经网络共享的数据与知识•历史与预测数据•多媒体和新媒体数据2020/1/1022地图新型叠置•GIS的发展来源于地图叠置•Geo-AR是一种新的叠置：一切需要的都可以叠加在真实世界影像上•不同的几何、投影、符号、渲染和分析潜力•不仅视觉能叠加，任何可以可视化的信息均能叠加显示•使不可见变得可见•是不可感知的变得可见2020/1/10233系统设计硬件环境架构设计关键技术原型系统2020/1/1024硬件环境•不同平台的手机和平板（安卓、苹果和微软）•嵌入式传感器Locationsensor:preciselocationcoordinatesfromGPSUserorientationsensor:directionalheadingfromadigitalcompassTouchsensors:Multi-touchinputfromoneormoresimultaneousgesturesLight/darksensor:AmbientlightdetectionDeviceorientation&motionsensor:frombuilt-inaccelerometer,gyroscopeProximitysensor:deviceclosenesstootherobjectsorpeopleAudiosensor:inputfromamicrophoneImage&videosensors:capture/inputfromacamera(allkindsofsignalscanbefoundinreal-timevisualinformation)Devicesensor:throughBluetooth•无线网络（3G、4G）2020/1/1025架构设计•位置与定向•视频处理•三维模型处理•虚实融合显示•数据管理•网络数据传输•场景控制MainFrameDeviceManagerDeviceSimulatorCompassGPSJoyStickCyberScopesGISServiceProviderNetWorkingGraphicsPresentationGeoObjects2DOverlaysWorldStageResourceManager26关键技术•相机校准与传感器融合•数据流管理与实时分发•室内与室外影像注册•虚实融合与可视化策略•组合渲染•交互机制原型系统2020/1/10新媒体地图•新媒体及其特点•新媒体与地图学2020/1/101.新媒体及其特点新媒体的定义暗含某些未成型、未知和未确认的媒体外观形式和技术实验的转换集新技术与已建立媒体之间的复杂互动集新媒体通常指基于信息技术发展起来的一组相对新兴的大众媒体2020/1/101.新媒体及其特点新媒体举例网络订阅源博客网络语音播客手机网络摄像头数字录像机社交网络（脸书、人人网等）2020/1/101.新媒体及其特点新媒体带来的改变从现代到后现代，加速全球化进程，后工业信息化取代工业化，改变现有地理政治格局，社会-技术-文化综合改变，社会与移动技术的改变2020/1/10新媒体vs老媒体2020/1/101.新媒体及其特点“新”的含义代表刚出现不久、前沿、技术驱动社会、文化革新等内涵，主要种类：新文字的体验世界表达方式的革新主体和媒体技术的新关系化身、身份及群体关系的新体验生物身体和技术媒体的关系新概念组织和产品的新模式2020/1/10参与可用性汇聚设计可重混性标准化数据驱动大众分类法维基百科博客体验感推送音频与视频移动性开放应用程序接口经济社交软件简单化2020/1/101.新媒体及其特点新媒体的特点数字化交互性超文本特征分散特征虚拟性2020/1/102.新媒体与地图作为媒体的地图地图的数字化地图的网络化地图的移动化地图的泛在化数字空间、智慧空间、赛博空间、虚拟地理环境2020/1/102.新媒体与地图作为媒体的地图印刷版地图与出版业电子地图与CD-ROM网络地图与互联网移动地图与移动终端地图与多媒体地图的传播与探索功能地图的大众与个人功能2020/1/102.新媒体与地图地图的数字化DRGDEMDLG兴趣点数据专业数据社会经济统计数据地图数据存储和处理的自动化和智能化地图制作的全数字化大型地图数据库、知识库和产品库2020/1/102.新媒体与地图地图的网络化网络DRG网络DEM网络DLG网络地图服务（googlemap，openstreet等）网络地图数据挖掘在线浏览与自主制图公众参与的地图活动基于网格及云计算的地图2020/1/102.新媒体与地图地图的移动化移动终端所引发的国际一线IT公司地图大战地图入口之争（线上/线下——O2O）iOSAndroidWP8移动制图基于位置的服务移动增强现实感知世界的“眼睛”，最普及的物联网传感终端可穿戴式计算机和智能眼镜等多点触控、基于姿势的交互、语音等新兴人机交互界面及模式2020/1/102.新媒体与地图地图的泛在化无处不在的地图服务室内外一体的导航服务增强现实服务物联网+地图服务上下文敏感的地图信息服务网络+位置+群组应用社交网络中的地图及位置服务赛博空间制图2020/1/10智慧空间计算•认知论范式下的计算系统•智慧空间计算的认知过程隐喻2020/1/101.认识论范式下的计算系统认知与计算认知vs计算-人vs计算机人机互动是信息时代人和计算机协同工作的模式计算机提供信息服务人通过程序与数据提供计算机新功能目前仅局限在信息存贮与处理上2020/1/101.认识论范式下的计算系统面向认知全过程的计算系统认知全过程：感觉、知觉、记忆、思维和注意学习、语言、推理、联想、概念、模式识别、问题求解等计算系统须面向认知全过程特别是感知和思维智慧计算系统的新起点2020/1/102.智慧空间计算的认知隐喻从智慧地球到智慧城市具备人的认知能力的地球或城市数据基础——数字地球或数字城市数据收集和传输的新选项——物联网与大数据更高速的计算能力——云计算2020/1/102.智慧空间计算的认知隐喻ICT发展导致计算系统开始与认知空间发生联系自动数据搜集：视觉、听觉、触觉、动觉、平衡觉等移动或穿戴设备与人的身体的结合分布式传感器对人的感知系统的延伸数据处理能力的强大：图形-图像、大尺度-小尺度、静态-动态、2D-3D、户外-室内、时空采样-数据流技术使得从抽象思维辅助到感知系统辅助成为可能2020/1/102.智慧空间计算的认知隐喻感知与数据搜集网络化的传感网自动收集时空大数据并分享时空大数据包括人可以认知的多媒体数据，也包括物理化学仪器感知的数据，如大气、无线电等计算机具备感知能力意味着自我学习能力的形成为更高级的概念形成和思维加工提供原始素材2020/1/102.智慧空间计算的认知隐喻记忆与多重存贮计算机存贮类比于人的记忆系统——短期记忆和长期记忆大数据的存贮和处理是挑战，因为它通常是异质异构的非结构化数据，价值不一需要数据清洗、聚合与抽象化需要按时序、地点、主体和价值判断进行多重存贮2020/1/102.智慧空间计算的认知隐喻思维与挖掘思维是最重要的认知过程，传统的数据处理类似于思维过程数据挖掘、深度学习和认知计算可以通过挖掘和深度学习发现模式、聚集、关联、分类及回归等与学习、语言、概念、联想、识别、问题求解等密切相关最终形成本体库、规则等知