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【报告】宋关福:中国GIS软件技术发展40年及AI GIS进展

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9月19-20日,第三届GIS教育大会暨高校院长(系主任)联席会议在南京师范大学举办。宋关福在会上作了题为《中国GIS软件技术发展40年》的报告。

从1987年第一套国产GIS软件诞生,到如今的AI时代,宋关福按四个十年梳理发展脉络,并结合超图的实践,分享两点创新体会以及三维GIS、云原生GIS、AI GIS的进展。

现分享PPT及演讲文字。



ESRI在1982年发布ArcInfo,这是全球第一套商业化的GIS软件。

中国第一套国产GIS软件诞生于1987年,晚了5年,由北京大学遥感所研发,名叫PURSIS。

这套软件是任伏虎等几位承继成教授的学生,把各自的研究成果集成在一起做出来的。第二年改名为SpaceMan,开始对外销售。


从1987年起的第一个十年,一大批国产GIS软件相继诞生。

1989年地质大学的MapCAD,严格说还是制图软件,不算GIS;1992年GeoStar开始研发;1993年北大的CityStar,是国内首套Windows上的GIS软件,此前PURSIS还是DOS版。

之后还有中国林科院的ViewGIS、中国地质大学的MapGIS等相继问世。

1996年,我在中科院地理所读博期间写了一套ActiveMap组件式GIS,距今整整30年。应用于所在课题组承担的横向项目上,后来更名为SuperMap。


第二个十年,一大批知名GIS企业集中成立。

超图成立于1997年,北京吉威是1998年,1999年最热闹——武汉中地、武汉吉奥、北京灵图都是同一年成立。后面还有苍穹、南方数码、中遥地网等。


第二个十年,是组件式GIS、Web GIS、移动GIS、跨平台GIS全面发展的阶段。

超图成立后,大约在2000年才发布第一个面向外部开发者的组件式GIS。此前的ActiveMap只是自己做项目用的开发平台。

2001年到2002年,又陆续发布了Web GIS和移动GIS,从客户端到服务器端全面成长起来。

2001年开始研发跨平台GIS,2005年发布第一个版本;2006年开始研发二三维一体化GIS。


大型全组件式GIS,是一个弯道超车的产品。当时超图研发人员少,想跟大公司竞争,只能另寻路径。

以前开发桌面GIS用的是脚本定制,开发能力受限。超图做了一个纯组件式的产品,可以放进VB、VC这些通用开发环境里开发。

过去要靠写代码、用坐标计算来定位界面,很麻烦,还得运行一遍才知道界面长什么样。纯组件式GIS是所见即所得,非常方便。

另外,传统方式定制系统后,分发时要连同桌面软件一起安装,桌面GIS软件很贵,成本很高。组件式GIS是轻量软件,安装包小、分发成本低,这就吸引了很多开发商。

由此开启了从桌面GIS向开发式GIS的转型,超图也借此切入市场。


跨平台GIS,不只是弯道超车,而是一次换道超车。

2001年立项时,所有主流GIS软件都已经跑在Windows上了,支持的是x86芯片、Windows系统,用微软的C++开发。

超图立项跨平台,是因为Windows GIS在客户端没问题,但服务器端做Web GIS时还要考虑Linux、Unix等系统,必须跨平台。这个过程很艰难,4年后才发布第一个版本。

超图用的是标准C++。“标准C++”和“微软C++”只差两个字,差别却很大:微软C++有庞大的功能类库,微软已封装好很多功能,调用即可;标准C++一切都要自己写代码,难度和工作量都十分巨大。这项工程干了12年才真正成功。

跨平台立项是25年前的事,如今信创的核心正是跨平台。可以说,超图是提前20年为信创替代打下了基础——当时并不知道有信创这回事,出发点只是要支持服务器端的操作系统。


第三个十年,是从服务式GIS到云GIS的发展。

2007年,IBM推动SOA体系架构,让Web GIS从一种API调用升级为面向对象的Web GIS,能力往上提了一步。

云出现后,超图先在云上做了简单改造,让GIS能在虚拟机上运行,即“云使能”;2013年进一步做到“云就绪”,针对云计算做了升级优化;再往后,推出了云GIS管理器。


2006年,也就是第二个十年的最后一年,超图立项了二三维一体化GIS。因为要推翻以前开发的独立的三维软件,工作量巨大,而且很长时间公司没有三维产品可售,公司内部为此争论了一个月,但最终拍板必须做。

该成果于2009年发布,是全球首套二三维一体化的GIS软件,领先国外同类产品整整7年。

二三维一体化的价值在于:不再需要两套软件来回切换,不用为二维建一个库、为三维再建一个库,也不再需要二次开发把两个软件缝合起来。它解决了“既中看又中用”的问题——三维负责“貌美如花”,二维负责分析计算“干活养家”,当然,后来三维也发展了大量空间分析处理算法。

凭借换道超车和弯道超车这两项创新,2015年,超图的三维GIS市场份额超过了当时国际领先的三维GIS软件,整体GIS市场份额也超过了当时的国外软件,在国内双双夺冠。


进入第四个十年,技术变化明显加快,一系列新技术密集登场:大数据GIS、云原生GIS、边缘GIS、三维场模型、GeoAI 1.0(2019年发布)、分布式GIS、空间区块链、开源空间数据库“禹贡”、遥感GIS一体化,以及2024年推出的空间智能体。

去年又推出了智能体原生的服务器GIS软件,今年推出智能体原生的桌面GIS软件——所谓智能体原生,就是“原生为智能体设计的GIS”,与传统GIS长得完全不一样。

这十年技术变化非常快,有了更强的AI加持,下一个十年还会更快。


超图三十年的实践,可以总结为一句话:创新可能找死,但不创新肯定等死,尤其在技术变化极快的AI时代。具体体会有四点:

第一,没有架构性创新,很难超越领先者。公司还小的时候,只有架构性创新才有可能超越领先者。因为同行要跟进,需要好多年。跨平台、二三维一体化都是这样的例子。

第二,每代架构性创新,5年都未必成功。这对耐心是极大考验:跨平台从2001年干到2013年,12年后才把超图的Windows版本替换掉;二三维一体化干了9年才证明是成功的。

第三,没有领先的需求,就没有领先的技术。二维时代国产GIS是摸着国外软件跑,三维时代国内应用需求远超欧美,这些新需求给了超图领先的机会。

第四,没有宽容的氛围,就没有战略耐性。创业初期的产品并不成熟,正因为客户愿意给机会让我们成长,超图才能坚持下来,特别感谢在座各位教授一直以来的鼓励。


下面介绍几个方面的进展,首先是三维GIS。


超图现在推出的是“Web3D与游戏引擎一体化”的路线。

有的系统需要做大屏,要求效果炫;有的系统需要嵌入Web的业务系统,真正解决业务问题。超图的思路是:依托一套二三维一体化的数据库、一套GIS软件,通过游戏引擎插件接入,游戏引擎访问超图的空间数据库、调用空间分析,面向可视化做应用和大屏;同时用同一套数据库和软件,通过Web3D开发业务管理分析系统,超图在可视化上重点投入Web3D,在Web上把3D做好,面向业务系统。

这样一套软件、一套数据,两类需求完全兼顾,实现“既中看又中用”。

游戏引擎访问空间数据库的效果非常炫,数据存在数据库里,游戏里甚至可以调用空间分析来运算;纯Web的Web3D效果也越来越好,无需安装插件。

视频 游戏引擎插件可视化效果(UE)

这一页展示的是游戏引擎插件的可视化效果(基于虚幻引擎UE)。


视频 Web3D可视化效果:海岸地形

视频 Web3D可视化效果:工业管网

视频 Web3D可视化效果:城市数字孪生

视频 Web3D可视化效果:实景三维

这一页是纯Web的Web3D可视化效果,覆盖海岸地形、工业管网、城市数字孪生、实景三维等多个场景。

Web3D无需安装任何插件,在浏览器里就能直接呈现三维效果,面向业务管理系统,用起来门槛更低。


三维不只有可视化,还有空间分析算法。

这张图里,三维空间分析算子有205个——其中实景三维处理102个、模型对象运算78个、三维空间分析25个;二维空间分析算子更多,有300多个。三维算法总共有两三百个,二维就更多了,这才是三维GIS真正的能力所在。


图 高架桥受力仿真

视频 流体冲击仿真

三维还能做各种仿真。

比如车在高架桥上行驶时桥体应力的变化、流体的冲刷等,这些都可以与一些专业的仿真软件打通、衔接。

这一页展示的是高架桥受力仿真和流体冲击仿真两个场景。


下面进入云原生GIS的进展。


云原生GIS 1.0于2018年发布,实现了微服务、容器化、自动化编排,领先美国软件三年。

这张图里,1.0阶段是微服务、容器化、自动编排;2.0阶段进一步加入了服务网格和无服务器计算。


微服务是什么?原来的Web是一整个大的单体服务器,如果一个功能算法被调用很多,整个单体服务器就要启动很多份,非常浪费空间和时间,启动慢、也浪费内存。

超图把Web服务器后台拆成若干小块,每块可以独立运行,用哪个功能就只让哪个功能运行,大幅节约了云计算的算力和内存。

后来又发布了无服务器计算:一个空间分析算法就是一个可独立启动的服务,用得多的算法就启动100个备份去应对,其他算法不受影响。

此外还有一个好处——故障隔离:某个模块出问题死掉了,其他模块继续运行,不会导致整个系统崩溃。所以云原生是一项非常有价值的技术。


云原生发布后的第二年,云南地质大数据平台就上线了。

这个平台有100多个微服务节点、1000多个服务实例,日访问33万次、高峰1700多万次,把非常大的数据量支撑了起来,整个系统实现了高可用,稳定性也得到增强。


下面进入AI GIS(AI GIS)的进展。


AI GIS给GIS带来了三大改变。

第一,地理空间AI的算法模型库突破了GIS的能力边界——以前GIS做不了的事情,由AI算法来补充完成。

第二,空间智能体重塑了GIS软件的形态。操作方式将发生很大改变:原来是靠鼠标点击工具条按钮,现在一个指令框就够了。

第三,AI编程带来另一个改变。以前是为人开发GIS软件,以后则是为AI开发GIS软件——API是让AI来调用的,不是让人用的。人用和AI用是两个完全不同的概念,对软件的要求都不一样。


今年发布的AI模型库有135个,既有大模型也有小模型。

一个大语言模型解决不了专业问题,现在的方式,是由大语言模型调用这些专业小模型来干活,模型库每年都在迭代。

这张图展示的是地理空间AI模型库的五大模块:遥感影像处理、三维数据处理与分析、遥感影像解译、空间分析、知识管理与生成。


智能体正从“智能体赋能的GIS”向“智能体原生的GIS”演进。

智能体赋能的GIS,是在原来的GIS里加一个agent外挂,用指令命令它干活,不用敲鼠标键盘。这是2024年首次发布的,以人工操作为主、智能体为辅。

智能体原生的GIS,是去年首发的服务器端软件,它原生以智能体为核心设计:没有那么多菜单和工具条,就是一个对话框,像GPT一样跟它对话,智能体是系统的中枢和主交互入口,以智能体为主、人工为辅。

当然还需要时间替代:智能体自动化规划任务的成功率目前只有70%多,还有约三分之一可能做不出来。再过几年,智能体原生会逐渐成为主流,目前智能体赋能仍是主流。

视频 三维场景配置(智能体赋能)

这是智能体赋能的一个示例:在三维场景里,用户可以在命令框用自然语言下指令,让它优化场景、调整光影、打开建筑的盖子查看内部设施,它就能照做。

有了这个对话式的智能场景助理,不需要专业的软件操作技能,也能完成三维场景的配置。

视频 微流域危险性分析

今年展示的都是真实用户的案例,去年讲的还是自家demo。

微流域危险性分析:微流域因短时间内遭遇巨量降水而存在的风险。做这种危险性分析,只要告诉智能体即可完成。

视频 云南某单位地理空间智能体

云南某单位的地理空间智能体:用于土地利用分析,寻找连片耕地——云南地块比较破碎;再对比两个时相的耕地变化、找到变化点位和区域。

这些分析都可以由智能体自主规划完成,用户只需要用自然语言提问。

视频 基于SuperMap Skills的AI编程(TRAE)

在AI编程方面,现在是为AI而写代码。

用字节跳动的TRAE编程工具,把工具交给它,再给几行简单的提示,就能开发出一个GIS系统,非常简单。

如今已不需要员工、学生自己动手开发软件,而是用AI来开发软件——现在要做的是“开发GIS软件”本身。生产力得到很大提升;反过来,这对老师培养学生能力的方式也带来了天翻地覆的变化,既是很大的冲击,也是很大的机会。


AI时代的GIS平台可分为三类:一是AI赋能的(AI算法),二是智能体赋能的(外挂智能体),三是智能体原生的。

在这三类之下,封装着面向智能体的工具接口和技能;再往下是分析处理的工具集,包括经典的空间分析算法、空间AI算法以及地图可视化工具。

最底层是多模态的空间数据引擎——原来的空间数据引擎是给GIS软件用的,现在也为AI准备,目标是让AI更好地理解空间数据的接口。


AI时代GIS的研发,可以概括为三个词。

  • All in AI:全力投入AI。

  • AI in all:AI在每一个产品、每一条产品线、每一项业务里都要用。

  • All for AI:开发的软件不再是for people,而是for AI——为AI去开发,为AI服务,再由AI为大家服务,整个工作的逻辑都发生了全新的变化。


谢谢大家!

来源:宋关福笔记 转自:中国测绘学会

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