智慧城市的空間信息支撐

●　文|中科院遙感與數(shù)字地球研究所　童慶禧北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院　鄔倫

?

智慧城市的空間信息支撐

●文|中科院遙感與數(shù)字地球研究所童慶禧
北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院鄔倫

一、城市是社會(huì)發(fā)展的必然

城市化是社會(huì)發(fā)展的必然，智慧城市是城市化發(fā)展的高級(jí)階段。城市的形成通常是按照“居民點(diǎn)—居民區(qū)—鄉(xiāng)鎮(zhèn)—城鎮(zhèn)—城市”這樣的歷程發(fā)展來的，城市化的發(fā)展階段通常是按照發(fā)展“城市化—現(xiàn)代化—信息化—智能化和智慧化”進(jìn)行的。另外，城市的發(fā)展模式是從傳統(tǒng)城市到現(xiàn)代城市，到數(shù)字城市再到智慧城市（含生態(tài)城市）最后延伸到未來城市的發(fā)展過程。

讓我們來回顧一下世界城市化發(fā)展過程和三次城市化發(fā)展浪潮：

1）以英國(guó)為代表，與工業(yè)革命發(fā)展相伴隨，1750年英國(guó)的城市化率為20%，到1950年基本完成城市化，歷時(shí)約200年。

2）以美國(guó)為代表，1860年美國(guó)的城市化率為20%，1950年達(dá)到71%，歷時(shí)90年。

3）以拉丁美洲及其他發(fā)展中國(guó)家為代表，如南美諸國(guó)在1930年的城市化率為20%左右，到2000年也基本完成了城市化歷程，約經(jīng)70年。這些國(guó)家城市化的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是人口大量集中于主要城市。

事實(shí)上，城市發(fā)展的階段都是與生產(chǎn)力的發(fā)展相適應(yīng)的：奴隸社會(huì)對(duì)應(yīng)的是城堡式的城市；封建社會(huì)對(duì)應(yīng)的是傳統(tǒng)的舊城市形態(tài)；第一、二次產(chǎn)業(yè)革命（蒸汽機(jī)、電氣化）對(duì)應(yīng)于現(xiàn)代城市；第三次產(chǎn)業(yè)革命（計(jì)算機(jī)）對(duì)應(yīng)于數(shù)字城市；第四次產(chǎn)業(yè)革命對(duì)應(yīng)于以新能源、信息技術(shù)和智能制造為標(biāo)志的革命，低碳、綠色、生態(tài)，數(shù)字化和信息化將使城市邁向智慧，因此說數(shù)字城市、智慧城市是城市化發(fā)展的高級(jí)階段。

二、我國(guó)城市化的發(fā)展

城市化發(fā)展一般有如下的標(biāo)志：① 勞動(dòng)力從第一產(chǎn)業(yè)向第二、三產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移；② 城市人口在總?cè)丝谥斜戎厣仙?；?城市用地規(guī)模擴(kuò)大；④ 城市生產(chǎn)的價(jià)值在GDP中比重大幅提高。中國(guó)的城市化實(shí)際上開始于20世紀(jì)80年代初，即國(guó)家改革開放之初，它基本包含在世界第三次城市化發(fā)展浪潮中。那時(shí)中國(guó)城鎮(zhèn)化率只有20%，全國(guó)8億多的人口居住在農(nóng)村。如按2030年預(yù)測(cè)我國(guó)城鎮(zhèn)化率大于70%計(jì)，我國(guó)實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)化用時(shí)約為50年。

1．我國(guó)幾個(gè)城市的發(fā)展軌跡

自改革開放以來，我國(guó)的各類城市和城鎮(zhèn)如雨后春筍，從沿海波及中部并又向西部擴(kuò)展，與國(guó)家改革開放同步，蓬勃發(fā)展起來，每一個(gè)城市都有著自己的發(fā)展道路，以下是衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以再現(xiàn)每個(gè)城市的發(fā)展軌跡。

（1）北京城市的發(fā)展

北京1978－2010年建成區(qū)面積由161km2增至1734km2，城市擴(kuò)展了近11倍。北京建成區(qū)如圖1所示。

圖1　北京市建成區(qū)的發(fā)展示意圖

（2）上海城市的發(fā)展

上海市建成區(qū)的發(fā)展1979—2010年建成區(qū)面積由138km2增至1921km2，擴(kuò)展了近14倍，如圖2所示。

圖2　上海市建成區(qū)的發(fā)展示意圖

（3）廣州市和深圳市的發(fā)展

廣州市1979－2010年建成區(qū)面積由79km2增至919km2，城市擴(kuò)展了11倍多。深圳城市1979－2010年建成區(qū)面積由6.3km2增至932.6km2，城市擴(kuò)展了148倍多。

隨著城鎮(zhèn)的發(fā)展，特別是交通運(yùn)輸、通信等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的提高，城市或城鎮(zhèn)間的關(guān)系更為緊密，互通更為便捷，以至于相鄰城鎮(zhèn)之間相互依存、相互促進(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展，這樣城市群就應(yīng)運(yùn)而生了。通過最近和最新衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)20個(gè)城市群的分析表明，城市群的發(fā)展在我國(guó)已成為重要趨勢(shì)并對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)生重要影響。城鎮(zhèn)化的過程，包括人的城鎮(zhèn)化、土地的城鎮(zhèn)化、設(shè)施的城鎮(zhèn)化、環(huán)境的城鎮(zhèn)化、經(jīng)濟(jì)的城鎮(zhèn)化等形成了一個(gè)人口、資源、能源、智力、財(cái)富、消費(fèi)的聚集過程，也是5個(gè)文明建設(shè)，即經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、政治、文化和生態(tài)文明的前沿陣地。城鎮(zhèn)化發(fā)展所產(chǎn)生的巨大效益和價(jià)值在推動(dòng)社會(huì)發(fā)展中起著關(guān)鍵的作用。這也就是為什么中國(guó)的快速城市化不僅將對(duì)國(guó)內(nèi)政治經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響，同時(shí)也將對(duì)世界的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

前世界銀行的副行長(zhǎng)諾貝爾經(jīng)濟(jì)獎(jiǎng)得主J·斯蒂格利茨在一次報(bào)告中指出：“中國(guó)的城市化和美國(guó)的高科技發(fā)展是深刻影響21世紀(jì)人類發(fā)展的兩大關(guān)鍵因素”，并認(rèn)為“中國(guó)的城鎮(zhèn)化將是區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的火車頭，并將產(chǎn)生最重要的經(jīng)濟(jì)利益”。改革開放以來中國(guó)城市化的發(fā)展恰是對(duì)他推論的最好詮釋。

2.中國(guó)城市化對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的貢獻(xiàn)

我國(guó)的城市自改革開放以來，城市化率不斷提高，2002—2011年，我國(guó)城市化率以平均每年1.35個(gè)百分點(diǎn)的速度發(fā)展，城市人口平均每年增長(zhǎng)2096萬人。2011年，我國(guó)城市人口（6.9億）在歷史上第一次超過了鄉(xiāng)村人口（6.6億），而我國(guó)的城市化率仍然逐年不斷提高。

由于城市化的發(fā)展大量人口向城鎮(zhèn)聚集，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率；與此同時(shí)，大量土地流轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)用地，土地的產(chǎn)值更是大幅度飆升，城市化成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)。一個(gè)顯著的結(jié)果就是生產(chǎn)價(jià)值或國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP快速提升。1980—2014年，我國(guó)的一線城市建成區(qū)平均擴(kuò)展了10倍左右，我國(guó)城市化率提高了近3倍，接近55%。而我國(guó)的GDP從1980年的3015億美元增長(zhǎng)到2014年的10.4萬億美元，增長(zhǎng)幅度接近35倍。創(chuàng)造了世界發(fā)展史上的奇跡，對(duì)此，城市化的發(fā)展是功不可沒的。

近三十余年的實(shí)踐證明中國(guó)是世界上城市化推進(jìn)最快的國(guó)家，有人預(yù)測(cè)中國(guó)有望在2025—2030年間完成城市化的進(jìn)程，即城鎮(zhèn)人口與總?cè)丝诘谋壤笥?0%。

城市發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)起到關(guān)鍵的作用。以北京、上海、廣州、深圳、天津、重慶等主要中心城市2013年的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）為例，這6個(gè)城市GDP的總和為88697億元，在全國(guó)GDP總量中的占比高于1/6，即使計(jì)算上述6城市的行政區(qū)面積（包括重慶巨大的郊區(qū)，甚至農(nóng)村都計(jì)算在內(nèi)）也僅占全國(guó)國(guó)土面積的1.3%，也就是說，這幾個(gè)重要中心城市僅以略占全國(guó)1/80的國(guó)土面積貢獻(xiàn)了占全國(guó)約1/6的GDP，由此可見中心城市在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的貢獻(xiàn)。我國(guó)主要城市群面積擴(kuò)展與國(guó)家GDP增長(zhǎng)的大趨勢(shì)如圖3所示。

圖3　我國(guó)主要城市群面積擴(kuò)展與國(guó)家GDP增長(zhǎng)的大趨勢(shì)

中國(guó)GDP逐年增長(zhǎng)與城市化的關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖4　中國(guó)GDP逐年增長(zhǎng)與城市化的關(guān)系示意圖

三、智慧城市是城市化發(fā)展的高級(jí)階段

在城市的設(shè)施和功能不斷提高和完善的驅(qū)使下，城市不可逆轉(zhuǎn)地向著其高級(jí)階段，即智能化和智慧化的方向發(fā)展。所謂智慧化的城市，即在原來以城市各組成要素?cái)?shù)字化和信息化以及人與人在互聯(lián)網(wǎng)的相通基礎(chǔ)上，發(fā)展形成物-物相通的物聯(lián)網(wǎng)并以能感知物體特征、狀態(tài)、空間位置和動(dòng)態(tài)過程的傳感網(wǎng)和遙感網(wǎng)以及具有大數(shù)據(jù)智能計(jì)算和智慧處理的云計(jì)算平臺(tái)相集成形成城市智慧體系。

一個(gè)智慧體系至少要包括以下三個(gè)世界：一是物理世界，就是我們感覺觸摸到的東西，是現(xiàn)實(shí)的世界；二是虛擬世界，由互聯(lián)網(wǎng)組成，通過電腦、移動(dòng)終端獲取感知；三是智能世界，是由傳感網(wǎng)、遙感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等系統(tǒng)所組成。

智慧城市的特征包括如下幾個(gè)方面：高速、寬帶、融合、無線、互聯(lián)的信息基礎(chǔ)設(shè)施；精細(xì)、準(zhǔn)確、可視、可靠的傳感中樞和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；科學(xué)、綠色、生態(tài)、超脫、便捷的城市體系；虛擬化、個(gè)性化和位置化的服務(wù)；高效、安全的信息流通；對(duì)城市事件的快速、高效、智能處置和決策支持能力；以人為本的可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新。

智慧城市在當(dāng)下還主要是一種發(fā)展愿景，是一個(gè)戰(zhàn)略思想。城市的智慧化，是一個(gè)巨大的科技、工程和生態(tài)體系。人為什么會(huì)有智慧？首先必須有眼、耳、鼻這些感官（在很大程度上具有遙感的功能）外，還有分布在人體全身各個(gè)部位上超過十億（109）個(gè)感知細(xì)胞或神經(jīng)末梢，它們無時(shí)無刻不在感知或收集著來自各方的信息，這些信息經(jīng)人體的神經(jīng)系統(tǒng)傳輸至大腦（處理中心），經(jīng)大腦分析并做出決策的信息再經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到人體的相關(guān)肌肉、骨骼、臟器等來執(zhí)行。這一系統(tǒng)是相互緊密連接的，是自我學(xué)習(xí)、自我完善的，這就是知識(shí)的積累過程，即人的一生也是集聚知識(shí)或智慧的一生。

智慧體的人與智慧城市的類比如圖5所示。

圖5　智慧體的人與智慧城市的類比

信息技術(shù)的發(fā)展為數(shù)字城市向智慧城市發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐，其中最為重要的有：傳感網(wǎng)、射頻識(shí)別器（RFID）、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遙感對(duì)地觀測(cè)網(wǎng)、云計(jì)算，以及面向各種不同應(yīng)用的智能模型和軟件等。

其中物聯(lián)網(wǎng)保證了物與物的相通；互聯(lián)網(wǎng)保證了人與物相通；RFID能夠提供物體的位置信息，保證物-物和人-物的互通；傳感網(wǎng)用來提供物體的本征特性、狀態(tài)特性保證其現(xiàn)勢(shì)性和真實(shí)性；遙感網(wǎng)用于保證人-物空間位置、狀態(tài)、過程及其相互關(guān)系的準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)性；云計(jì)算則保證海量數(shù)據(jù)的處理和智能解決。

只有在上述技術(shù)支撐下，智慧城市的建設(shè)才有可能。智慧城市的重要基礎(chǔ)要體現(xiàn)在這個(gè)城市的信息化水平或城市的信息基礎(chǔ)設(shè)施的完善程度，包括信息獲取能力、信息處理能力、信息表達(dá)能力、信息存儲(chǔ)能力、信息傳輸能力、信息共享水平和信息應(yīng)用能力，以及基于信息的智能決策能力。也只有在這一基礎(chǔ)上城市的相關(guān)要素的智慧化和智能化水平才能大幅度提高，并體現(xiàn)在各個(gè)方面，如智慧城市管理，智慧人口管理，智慧生產(chǎn)管理，智慧金融管理，智慧社區(qū)管理，智慧文化管理，智慧醫(yī)療和智慧健康，智慧家居或智慧家庭，智慧資源管理，智慧土地管理，智慧市場(chǎng)管理，智慧犯罪管理，智慧或智能交通，智慧災(zāi)害管理，智慧環(huán)境管理，智慧水、電、氣等管網(wǎng)管理。

四、空間信息技術(shù)為智慧城市提供支撐

自1970年以來我國(guó)已向太空發(fā)射了200多顆人造地球衛(wèi)星，其中大部分均為遙感對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星；已形成了國(guó)家層面的氣象、海洋、資源、環(huán)境減災(zāi)以及高分衛(wèi)星；地方和商業(yè)化層面的北京一號(hào)、北京二號(hào)和吉林一號(hào)等系列衛(wèi)星。

近期在國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃框架下實(shí)施的高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱高分專項(xiàng)）所發(fā)射的高分衛(wèi)星（GF-1、GF-2）以及北京系列和吉林系列衛(wèi)星的空間分辨率都達(dá)到了米級(jí)和亞米級(jí)，已可為數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)提供對(duì)城市總體和城市部件進(jìn)行高分辨率監(jiān)測(cè)的遙感信息支撐。

我國(guó)已建立了包括無人飛機(jī)在內(nèi)的高、中、低空全面覆蓋的航空遙感系統(tǒng)，以及基于傾斜攝影的3D建模技術(shù)，它們更是數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)不可或缺的分米和厘米級(jí)分辨率遙感信息基礎(chǔ)，并將在智慧城市建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

高分二號(hào)衛(wèi)星的典型影像如圖6所示。

圖6　高分二號(hào)衛(wèi)星典型影像

吉林一號(hào)衛(wèi)星是由長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司研制和發(fā)射的小衛(wèi)星系統(tǒng)。它用吉林省的名字來命名。

衛(wèi)星于2015年10月7日發(fā)射升空。吉林一號(hào)由4顆衛(wèi)星組成，其中一顆為420kg的光學(xué)遙感衛(wèi)星，其空間分辨率可達(dá)0.72m；2顆為質(zhì)量95kg的視頻觀測(cè)小衛(wèi)星，第4顆為空間技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。圖7為吉林一號(hào)第一幅光學(xué)影像。

圖7　吉林一號(hào)第一幅光學(xué)影像——北京奧運(yùn)公園（左圖為全色影像，右圖為全色與多光譜融合影像）

我國(guó)第一個(gè)商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)——北京一號(hào)是高性能對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星，是國(guó)家“十五”科技攻關(guān)計(jì)劃和高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃聯(lián)合支持的研究成果，同時(shí)被列為“北京數(shù)字工程”、“奧運(yùn)科技（2008）行動(dòng)計(jì)劃”重大專項(xiàng)。“北京一號(hào)”小衛(wèi)星全重166kg，在軌壽命為5年，衛(wèi)星上裝有4m全色和32m多光譜雙傳感器，其32m/600km幅寬的對(duì)地觀測(cè)相機(jī)，是目前全世界在軌衛(wèi)星幅寬最寬的中分辨率多光譜相機(jī)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)的重點(diǎn)觀測(cè)。

北京二號(hào)由3顆光學(xué)衛(wèi)星，組成星座于2015年7月11日發(fā)射。軌道為650km的太陽同步軌道，地面分辨率全色優(yōu)于1m，多光譜優(yōu)于4m，幅寬24km，重訪周期1天。

圖8為北京二號(hào)的影像圖。

圖8　北京天安門廣場(chǎng)和國(guó)家大劇院影像

智慧城市建設(shè)是我們邁向未來的重要一步，也是我們?cè)诔鞘行畔⒒媾R的最大挑戰(zhàn)。當(dāng)我們考慮智慧城市建設(shè)時(shí)往往比較重視如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)）、計(jì)算中心、數(shù)據(jù)庫(kù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物流交通、金融醫(yī)療、城市安全等城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和微觀層面的事物，而容易忽略帶全局性、宏觀性的空間信息應(yīng)用問題。遙感數(shù)據(jù)的分辨率越高，對(duì)城市的探測(cè)、監(jiān)測(cè)能力就越強(qiáng)，其應(yīng)用價(jià)值也越高。遙感網(wǎng)是城市智慧的眼睛，遙感空間信息的應(yīng)用能讓大眾把握城市的宏觀變化和發(fā)展?fàn)顩r、評(píng)估城市的空間結(jié)構(gòu)、建筑和生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、道路交通狀況、城市部件的空間布局和損毀情況、城市災(zāi)害（火、水、地面沉降、滑坡）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、周邊對(duì)城市的影響、違章建筑處置等。

城市的科學(xué)發(fā)展、合理布局、城市及其周邊的協(xié)同、生態(tài)城市體系的發(fā)展、人居環(huán)境的保護(hù)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避等恰是城市大智慧之所在。為此，把握好遙感技術(shù)與信息也是智慧城市建設(shè)之大計(jì)，十分值得重視！

說明與致謝

本文的許多觀點(diǎn)均為作者的一管之見，認(rèn)識(shí)初淺，錯(cuò)誤之處再所難免，還望讀者予以批評(píng)指正，如能引起討論更是作者所期望的。文中分析引用的數(shù)據(jù)，如圖3、圖4所依據(jù)的數(shù)據(jù)均來自各種網(wǎng)絡(luò)，圖6的高分衛(wèi)星影像和圖7中吉林一號(hào)衛(wèi)星影像也引自網(wǎng)絡(luò)。有些插圖，如圖1和圖2是未經(jīng)發(fā)表的內(nèi)部分析資料，這里對(duì)原作者表示感謝；更要特別感謝的是二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，是他們提供了最近試運(yùn)行接收的北京二號(hào)星座的部分影像（文中圖8）。