智慧城市天空地一體化協(xié)同觀測與脈動分析

文｜池天河

按照國家新型智慧城市的建設(shè)目標(biāo)，我們立足智慧城市建設(shè)的實際需求，整合中科院的技術(shù)資源，依托對地觀測空間信息技術(shù)，集聚生態(tài)環(huán)境、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等先進(jìn)技術(shù)成果，提出構(gòu)建智慧城市協(xié)同創(chuàng)新平臺，打造智慧城市天地一體化協(xié)同觀測與空間信息公共平臺的構(gòu)想。平臺可以提供脈動分析服務(wù)能力，將有力支撐城市各種智慧應(yīng)用，高效服務(wù)于政務(wù)管理、企業(yè)服務(wù)和社會民生。

智慧城市發(fā)展現(xiàn)狀分析

智慧城市是信息社會城市發(fā)展的高級形態(tài)，是我國城市政府發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢、進(jìn)入信息文明前沿陣地的戰(zhàn)略機(jī)遇。迄今為止，對于智慧城市的定義有多種角度的解讀。

李德仁院士認(rèn)為智慧城市建立在數(shù)字城市基礎(chǔ)框架上，通過物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)實世界與數(shù)字世界有機(jī)融合，實時感知現(xiàn)實世界人和物各種狀態(tài)和變化，為城市運行提供各種智能化手段。童慶禧院士認(rèn)為智慧城市是通過全面感知、充分整合、激勵創(chuàng)新、協(xié)同運作等方式使得城市的各個要素、部件和過程“聰明”起來，使城市資源更加優(yōu)化，環(huán)境更加友好，城市更加充滿活力，運作更加高效。周成虎院士則認(rèn)為智慧城市建設(shè)須從城市布局與規(guī)劃、信息基礎(chǔ)設(shè)施、綠色低碳經(jīng)濟(jì)、公共管理和服務(wù)、市民民生與福祉、城市人文科學(xué)素質(zhì)和環(huán)境管理與生態(tài)保護(hù)七個維度來理解。

經(jīng)過20多年來的團(tuán)隊實踐，我們認(rèn)為智慧城市無法嚴(yán)格定義，城市及其信息化發(fā)展的不同階段，其內(nèi)涵和外延也有不同。智慧城市是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，其建設(shè)的內(nèi)核是智慧城市公共平臺，需要利用各種數(shù)據(jù)采集和更新手段，構(gòu)建全生命周期、多維特性數(shù)據(jù)體系，采用多種面向主題的數(shù)據(jù)挖掘分析及智能表達(dá)方法，接入全方位的服務(wù)接口來支撐應(yīng)用需求。總之，智慧城市建設(shè)需要以應(yīng)用為導(dǎo)向、數(shù)據(jù)為驅(qū)動。從這個層面來講，智慧城市基礎(chǔ)框架與對地觀測技術(shù)密切相關(guān)。對地觀測技術(shù)發(fā)展，特別是高分辨衛(wèi)星影像、無人機(jī)遙感、激光雷達(dá)（LIDAR）、連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）和光場相機(jī)（Light Field Camera）技術(shù)，將使城市地理空間數(shù)據(jù)，尤其是三維空間數(shù)據(jù)的采集更高效快捷，這些技術(shù)為城市地理空間框架建設(shè)和領(lǐng)域應(yīng)用提供更多的數(shù)據(jù)。

目前，基于我國的智慧城市建設(shè)現(xiàn)狀，通過構(gòu)建智慧城市天地一體化協(xié)同觀測感知公共平臺，分層、分級、分門類、全方位把控關(guān)注范圍及重點地區(qū)深度信息，支撐精準(zhǔn)管理，再通過基于空間信息公共平臺的信息服務(wù)及大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，將有效提升政府的管理水平、保障城市的安全、支持企業(yè)的發(fā)展、優(yōu)化民眾的生活。

圖1 天空地一體化智慧城鎮(zhèn)立體觀測公共平臺總體框架

圖2 智慧城市天、空、地一體化感知示意圖

圖3 天空地一體化立體感知

建設(shè)思路

智慧城市建設(shè)是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多技術(shù)領(lǐng)域協(xié)同創(chuàng)新，運營服務(wù)也需要產(chǎn)、學(xué)、研、商、資協(xié)同作戰(zhàn)。在此背景下，我們提出建立智慧城市協(xié)同創(chuàng)新中心，對中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所及相關(guān)研究所多年技術(shù)成果及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等相關(guān)技術(shù)成果集聚、打包、設(shè)計和規(guī)劃，為新型城鎮(zhèn)化建設(shè)提供對地立體觀測服務(wù)并進(jìn)行空間大數(shù)據(jù)挖掘與分析，建立天空地一體化智慧城鎮(zhèn)立體觀測公共平臺。

該平臺包括三大部分：

感知平臺。構(gòu)建城市立體感知網(wǎng)，涉及位于城市信息化體系前端的信息采集設(shè)施與技術(shù)，如遙感技術(shù)、射頻識別技術(shù)、GPS終端、傳感器，以及攝像頭視頻采集終端等。感知層是智慧城市的神經(jīng)末梢，實現(xiàn)天空地一體化立體全方位感知，用于實時獲取城市各個角落的運行數(shù)據(jù)，集聚城市數(shù)據(jù)資源，為城市精準(zhǔn)管理提供數(shù)據(jù)支撐。

公共信息平臺。包括數(shù)據(jù)匯聚和大數(shù)據(jù)分析兩部分。前者對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、處理、存儲、管理與融合，以及數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，實現(xiàn)整個城市的信息管理、流程管理、應(yīng)用請求響應(yīng)、應(yīng)用服務(wù)提供等任務(wù)。后者用來展現(xiàn)城市的變化規(guī)律和異動，為智慧城市經(jīng)營管理提供決策支持與信息服務(wù)。

專題應(yīng)用系統(tǒng)。構(gòu)建基于公共信息平臺的政務(wù)管理、企業(yè)服務(wù)、社會民生方面的智慧應(yīng)用服務(wù)，選擇典型用戶對象開展應(yīng)用示范，帶動區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展。智慧政務(wù)應(yīng)用涵蓋政務(wù)管理信息化及城市經(jīng)營網(wǎng)絡(luò)化，涉及城市資源管理、規(guī)劃管理、環(huán)境保護(hù)等；智慧企業(yè)側(cè)重于為城市產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供智慧應(yīng)用服務(wù)；智慧民生緊密圍繞社會公眾在衣食住行各方面?zhèn)€性化需求，提供便捷、文明、安全和健康的服務(wù)。

1 感知平臺

城市感知平臺綜合應(yīng)用天、空、地一體化觀測手段近實時獲取城市要素隨時間的變化情況，相關(guān)觀測方法可分為航天遙感（天），航空遙感（空），地面?zhèn)鞲校ǖ兀┤?。這些觀測手段獲得城市地上、地下各類不同時空分辨率的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

航天遙感數(shù)據(jù)實現(xiàn)城市地表信息的連續(xù)監(jiān)測，如中科院遙感與數(shù)字地球研究所已建成密云、喀什、三亞在內(nèi)的3個陸地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收站，覆蓋我國全部領(lǐng)土和亞洲70%陸地區(qū)域，可實現(xiàn)國內(nèi)外大部分遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、處理與分發(fā)。航空數(shù)據(jù)由遙感飛機(jī)裝載航空相機(jī)、成像光譜儀、成像雷達(dá)等多種遙感器獲取，可以進(jìn)行不同電磁波范圍的遙感儀器飛行監(jiān)測，形成優(yōu)勢互補(bǔ)，技術(shù)先進(jìn)的高分辨率、全天時、全天候運行系統(tǒng)。地面?zhèn)鞲衅鲗崟r監(jiān)測重點區(qū)域的地上和地下信息，通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸匯聚到智慧城鎮(zhèn)數(shù)據(jù)中心，多樣化展現(xiàn)城市脈動變化規(guī)律。

圖4 智慧城市公共信息平臺的技術(shù)框架

圖5 城市大數(shù)據(jù)體系

2 公共平臺

城市公共平臺定位于整個智慧城市建設(shè)的核心，其基于天、空、地一體化感知手段匯聚各種異質(zhì)異構(gòu)城市數(shù)據(jù)，形成集城鎮(zhèn)法人、人口、經(jīng)濟(jì)、建筑與資源環(huán)境數(shù)據(jù)的五庫合一時空數(shù)據(jù)庫，通過互聯(lián)化和智能化的方式進(jìn)行管理，并協(xié)同多源數(shù)據(jù)在城市環(huán)境、能源、交通、經(jīng)濟(jì)、規(guī)劃等方面進(jìn)行脈動分析，通過電子地圖、街景、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）等技術(shù)進(jìn)行可視化展示，為城市建設(shè)管理、功能提升、政務(wù)辦公、民生生活提供智慧服務(wù)。

（1）數(shù)據(jù)匯聚

在城市的發(fā)展過程中，與城市相關(guān)的數(shù)據(jù)越來越多，數(shù)據(jù)無論從規(guī)模還是數(shù)量上都超過了城市現(xiàn)有管理系統(tǒng)的承載能力，這其中涉及圖片、視頻、音頻、文字和基于位置信息在內(nèi)的各種類型的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯聚功能包括可靈活拓展的各類匯交接口、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集接口、無線數(shù)據(jù)采集接口、WebService接口、前置機(jī)數(shù)據(jù)庫鏡像接口等。數(shù)據(jù)匯聚所獲得的原始庫，通過數(shù)據(jù)管理功能進(jìn)行重新組織和提純。

（2）數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)源配置、數(shù)據(jù)智能化管理、數(shù)據(jù)服務(wù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)安全保障四個方面。數(shù)據(jù)源配置實現(xiàn)可配置數(shù)據(jù)中心的管理功能，可根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行擴(kuò)展；數(shù)據(jù)智能化管理基于空間編碼、空間關(guān)聯(lián)、全庫索引等時空數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，實現(xiàn)空間、非空間、文檔等數(shù)據(jù)自動索引以及各類數(shù)據(jù)靈活查詢與展示；數(shù)據(jù)服務(wù)監(jiān)控實現(xiàn)對平臺服務(wù)運行情況的實時監(jiān)控，保障及時發(fā)現(xiàn)、追蹤、維護(hù)服務(wù)運行過程中的問題；數(shù)據(jù)安全保障在物理、系統(tǒng)、服務(wù)三個層級避免數(shù)據(jù)收到外來侵害。

（3）城市大數(shù)據(jù)體系

智慧城市脈動分析的內(nèi)容就是城市大數(shù)據(jù)，而城市大數(shù)據(jù)體系通過數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)重新組織獲得。城市大數(shù)據(jù)涉及到城市中方方面面的數(shù)據(jù)，具有海量、多源、異構(gòu)、多尺度的特性。建立清晰的城市數(shù)據(jù)體系，可以為城市脈動分析提供完備的數(shù)據(jù)支撐，有效提升脈動分析的精確度和可用性，保證脈動分析的完整、高效和準(zhǔn)確。

城市大數(shù)據(jù)體系包括實體要素數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)要素數(shù)據(jù)和事件要素數(shù)據(jù)三大類。實體要素數(shù)據(jù)是人工要素或已被人類介入的自然要素的總和，包括城市分區(qū)、城市建筑、城市交通、城市水利、城市管線等方面；經(jīng)濟(jì)要素數(shù)據(jù)是在城市中具有自由行為方式，獨立負(fù)責(zé)行為并獲得經(jīng)濟(jì)利益的有機(jī)體，包括政府?dāng)?shù)據(jù)、企業(yè)數(shù)據(jù)和個人數(shù)據(jù)；事件要素數(shù)據(jù)是城市運行過程中，實體要素和經(jīng)濟(jì)要素參與下的活動數(shù)據(jù)總稱，包括城市安全、城市管理、城市運營等方面的數(shù)據(jù)。

其中，城市事件和經(jīng)濟(jì)要素都是以城市實體要素為基礎(chǔ)進(jìn)行掛接，從而形成一個以空間位置為依托的龐大城市信息綜合體，而這三大城市數(shù)據(jù)要素又在空間維度的基礎(chǔ)上，在時間、用戶和專題上進(jìn)行重新劃分，形成城市多維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（4）脈動分析

城市脈動分析能夠基于城市的大數(shù)據(jù)體系，挖掘出有價值的信息，揭示各類數(shù)據(jù)隨時空變化規(guī)律，展現(xiàn)城市脈動的發(fā)展情況，有效提高城市的建設(shè)和管理水平，也是觀察和診治“城市病”的重要技術(shù)手段。

圖6 城市大數(shù)據(jù)組織模式

圖7 城市脈動一張圖

3 城市專題應(yīng)用

城市專題應(yīng)用是智慧城市建設(shè)成效的直接體現(xiàn)，需要以政府、企業(yè)和大眾用戶為導(dǎo)向，打造平臺服務(wù)的模塊化、精細(xì)化和宜用化，實現(xiàn)平臺服務(wù)與手機(jī)、PAD等移動終端實時推送與相互調(diào)用。對于政府和企業(yè)，側(cè)重移動辦公和重要事件實時推送，建設(shè)專題應(yīng)用、微應(yīng)用等模塊植入辦公系統(tǒng)等；對于公眾，主要側(cè)重手持移動終端實時調(diào)用，地圖定位等，強(qiáng)調(diào)公共平臺與移動終端的無縫對接，完善移動辦公、智能信息推送等平臺延伸服務(wù)。專題應(yīng)用涉及的方向和內(nèi)容眾多，在此不做詳細(xì)介紹。

在過去的20多年里，國家遙感應(yīng)用工程技術(shù)研究中心“空間信息集成與城市應(yīng)用研究團(tuán)隊”一直在城市信息化之路上默默探索，雖然已經(jīng)在北京、天津、福建、江蘇等地建設(shè)了大量的城市信息化工程，在數(shù)據(jù)共享和服務(wù)技術(shù)上有所突破，但在惠民、利民工程的建設(shè)上仍然處于摸著石頭過河的階段，而這也體現(xiàn)了我國智慧城市建設(shè)的普遍現(xiàn)狀。在實踐過程中，我們清晰認(rèn)識到，智慧城市治城市于未病，建設(shè)宜先行，需要加強(qiáng)頂層設(shè)計，空間信息技術(shù)可以發(fā)揮紐帶作用；此外，智慧城市建設(shè)任務(wù)復(fù)雜性需要多行業(yè)領(lǐng)域協(xié)同攻關(guān)，整體解決方案需要不同專業(yè)不同領(lǐng)域不同角度的協(xié)同設(shè)計；最后，智慧城市運營服務(wù)需要產(chǎn)、學(xué)、研、商、政、資協(xié)同支撐，打造頂天、觸地、人在其中的應(yīng)用示范。