地理信息系統(tǒng)在智慧城市中的應(yīng)用

張英亮，張兄明

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

黨的十九大報(bào)告中指出，加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，為建設(shè)智慧社會提供有力支撐。在不斷加快建設(shè)智慧城市的進(jìn)程中，各種創(chuàng)新技術(shù)層出不窮，而地理信息系統(tǒng)則為智慧城市的發(fā)展提供了不可或缺的數(shù)據(jù)支持，成為研究和發(fā)展智慧城市的重要環(huán)節(jié)。

2 地理信息系統(tǒng)的概念

地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)的支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、分析和顯示的技術(shù)系統(tǒng)[1]。

自20世紀(jì)50年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，與計(jì)算機(jī)相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、存儲技術(shù)、空間分析技術(shù)、模擬技術(shù)及可視化技術(shù)也逐漸發(fā)展起來，這就構(gòu)成了地理信息系統(tǒng)形成的基礎(chǔ)技術(shù)條件。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，地理信息系統(tǒng)與我們每個人的聯(lián)系也越來越緊密。

3 智慧城市的概念

智慧城市是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，促進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化的新理念和新模式[2]。其主要目的就是使公共服務(wù)便捷化、城市管理精細(xì)化、生活環(huán)境宜居化、基礎(chǔ)設(shè)施智能化、網(wǎng)絡(luò)安全長效化。

智慧城市的概念起源于由IBM公司在2008年提出“智慧的地球”這一愿景。從最開始的簡單將智慧城市等同于數(shù)字城市與物聯(lián)網(wǎng)的融合[3]，到現(xiàn)在不單單從技術(shù)層面定義智慧城市，而是向人文、社會、環(huán)境以及技術(shù)之間的聯(lián)動和可持續(xù)發(fā)展，通過將城市中的水、電、油、氣、交通等公共服務(wù)資源信息通過互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)連接起來，做出智能化安排，更好地服務(wù)于市民學(xué)習(xí)、生活、工作、娛樂、出行、教育、醫(yī)療等方面的需求，以及改善政府對公共服務(wù)的管理、環(huán)境等。相較過去，更加突出了人在城市中的幸福指數(shù)。

4 地理信息系統(tǒng)在智慧城市中的應(yīng)用

政府、公眾和企業(yè)構(gòu)成了城市的三大主體，三者間幾乎時時刻刻都會通過信息的交流產(chǎn)生互動，而地理信息系統(tǒng)很大程度上承載了這種互動所需的數(shù)據(jù)采集、上傳、儲存、分析的功能(圖1)。

圖1 智慧城市三大主體

地理信息系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為載體，顯示和描述了與地理信息相關(guān)的各種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對物體和地點(diǎn)的空間定位和信息疊加，主要由二維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、三維地理信息系統(tǒng)、影像數(shù)據(jù)和場景數(shù)據(jù)構(gòu)成。目前應(yīng)用最為廣泛的三維地理信息系統(tǒng)主要由應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層構(gòu)成[4](圖2)。

4.1 在城市規(guī)劃和建設(shè)中的應(yīng)用

通過收集測繪數(shù)據(jù)，對城市地表進(jìn)行地理信息三維建模(圖3)，作為城市規(guī)劃和建設(shè)的參考依據(jù)。三維模型可以更直觀、更立體的反應(yīng)地物信息，以及物與物之間的空間位置關(guān)系，便于工作人員對整個城市的建設(shè)進(jìn)行全盤考慮、統(tǒng)一規(guī)劃。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，通過對已有的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，根據(jù)該城市的人口、資源等情況，確定城市基礎(chǔ)設(shè)施的種類、數(shù)量、密度等信息。這比過去單一的二維地理數(shù)據(jù)具有明顯優(yōu)勢，確保了智慧城市的規(guī)劃和建設(shè)更加科學(xué)合理。

圖2 城市三維地理信息系統(tǒng)構(gòu)架圖

圖3 城市規(guī)劃和建設(shè)

4.2 為城市居民提供便捷化服務(wù)

以地理信息系統(tǒng)為數(shù)據(jù)支撐的基于位置服務(wù)(Location Based Service，縮寫為LBS)，已成為當(dāng)下我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂米顝V泛的一種服務(wù)，通過個人終端設(shè)備智能手機(jī)，基于位置服務(wù)走入了普羅大眾的日常生活。我們目前所使用的導(dǎo)航、外賣訂餐、共享單車等服務(wù)都屬于LBS。

智慧城市的信息是可以共享的，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的共享，必將用到兩種大數(shù)據(jù)：時空大數(shù)據(jù)和實(shí)時大數(shù)據(jù)，而這兩種大數(shù)據(jù)都可通過地理信息系統(tǒng)進(jìn)行采集和儲存，并做實(shí)時分享。當(dāng)所有數(shù)據(jù)上傳到云平臺時，就可以根據(jù)個體需求，通過智能手機(jī)、智能汽車等個人終端硬件向有需求的個體進(jìn)行推送服務(wù)。當(dāng)市民需要出行時，可以為其推薦最為快捷的出行方式；當(dāng)市民有騎行需求時，可以為其推送距離最近的共享單車位置并開鎖；當(dāng)市民需要外出用餐時，可根據(jù)用戶需求向其推薦口碑最好或位置最近的美食；當(dāng)市民外出旅行時，可根據(jù)其所在位置，通過手機(jī)實(shí)時推送該位置文字、語音或視頻版景點(diǎn)介紹，免去在當(dāng)?shù)刈饨鑼?dǎo)游設(shè)備的麻煩，甚至可以為游客和景區(qū)提供該市各個景點(diǎn)的實(shí)時游覽人數(shù)，便于游客提前安排出行，也便于景區(qū)做好分流工作。

地理信息系統(tǒng)的另一大應(yīng)用場景就是“精細(xì)導(dǎo)航”和“汽車的自動駕駛”。目前市場導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)較過去幾年已有較大提升，但在空間位置關(guān)系和室內(nèi)導(dǎo)航上還存在改進(jìn)空間，而地理信息系統(tǒng)恰恰能解決這一問題。通過三維建模可以對山城、立交橋上下層、大型建筑群內(nèi)部實(shí)現(xiàn)真實(shí)重現(xiàn)，完全避免了過去在二維地圖導(dǎo)航無法體現(xiàn)空間位置關(guān)系的弊端，實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)景導(dǎo)航。無人駕駛汽車可以通過攝像頭和雷達(dá)感知路面情況，通過實(shí)時定位系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)的配合實(shí)現(xiàn)實(shí)時導(dǎo)航并規(guī)劃最優(yōu)行駛線路。

4.3 幫助城市實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理

地理信息系統(tǒng)可以采集城市基礎(chǔ)設(shè)施的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。比如通過收集路面信息，可以確定每一個井蓋的位置，當(dāng)發(fā)生井蓋丟失或下沉造成路面破損、不平時，系統(tǒng)可立即通知相關(guān)管理方，經(jīng)行井蓋修復(fù)，避免事故發(fā)生。數(shù)據(jù)采集方式是多種多樣的，從一開始的人工采集到現(xiàn)在的無人機(jī)數(shù)據(jù)采集器，大大節(jié)約了人工成本，提高了工作效率。目前很多單位以采取無人機(jī)數(shù)據(jù)采集的方式，開展輸電線路、鐵路軌道的巡查工作，確保城市各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

此外，通過地理信息技術(shù)可與環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而對城市各個污染源進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了對污染的實(shí)時掌控。

4.4 參與城市應(yīng)急管理

當(dāng)遭遇人群踩踏、洪水、火災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害等危及人身、財(cái)產(chǎn)安全的事故和災(zāi)害時，通過地理信息大數(shù)據(jù)，可迅速確定事故和災(zāi)害發(fā)生地周邊應(yīng)急物資的數(shù)量和位置，還可以通過3D建模，呈現(xiàn)事故和災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)的地物信息，或建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以便救援人員規(guī)劃救援路線，制定施救方案和救援措施。

4.5 實(shí)現(xiàn)智慧城市的自我糾錯與修復(fù)

基于智慧城市的信息和數(shù)據(jù)實(shí)時共享的特點(diǎn)，身處其中的市民人人皆可參與智慧城市的完善和建設(shè)。通過智能手機(jī)、智能汽車等個體終端設(shè)備采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至地理信息數(shù)據(jù)云平臺，使地理信息大數(shù)據(jù)更加完善、準(zhǔn)確，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智慧城市的自我更新、自我維護(hù)特點(diǎn)。

5 結(jié)論

智慧城市不是數(shù)字城市、信息化建設(shè)和物聯(lián)網(wǎng)的簡單替代，而是使城市治理社會化、專業(yè)化、智能化和法治化的系統(tǒng)集合。它集中了當(dāng)前城市空間開發(fā)和技術(shù)運(yùn)用、數(shù)字產(chǎn)業(yè)和社會治理的多個課題，在這個平臺之上，每個人都不再是旁觀者，或簡單的批判者，而是共建共治共享的主體。而地理信息系統(tǒng)以其獨(dú)特的技術(shù)特性成為智慧城市規(guī)劃、建設(shè)和發(fā)展中不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫之一。相信將會有越來越多的個人終端設(shè)備成為地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸端口，為智慧城市所必需的云平臺數(shù)據(jù)庫貢獻(xiàn)個體的力量。