智慧城市中的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施

作者簡介：

龔健雅（1957-），中國科學院院士，教授，博士生導師。現(xiàn)任武漢大學遙感信息工程學院院長、測繪遙感信息工程國家重點實驗室主任。1957年4月生于江西省樟樹市。1982年畢業(yè)于華東地質(zhì)學院測量系，1992年于武漢測繪科技大學獲博士學位。2011年當選中國科學院院士。國家杰出青年基金獲得者、教育部“長江學者”特聘教授、973項目首席科學家、國家自然科學基金創(chuàng)新群體學術(shù)帶頭人、國家測繪局科技領(lǐng)軍人才、國務(wù)院第六屆、第七屆學科評議組測繪學科組召集人，國際攝影測量與遙感學會第六委員會主席。

主要從事地理信息理論和幾何遙感基礎(chǔ)研究。在20世紀90年代初提出了面向?qū)ο蟮乩硇畔⑾到y(tǒng)的概念和數(shù)據(jù)模型，現(xiàn)已成為GIS軟件的主流技術(shù)，并率先研發(fā)了面向?qū)ο驡IS軟件GeoStar，在我國測繪、國土和電力管理等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。于本世紀初系統(tǒng)地提出了空間信息共享與互操作理論與方法，研發(fā)出多源空間信息共享服務(wù)平臺GeoSurf和網(wǎng)絡(luò)三維信息共享集成平臺GeoGlobe，成為我國軍民各類地理信息公共服務(wù)平臺如天地圖的基礎(chǔ)軟件。在攝影測量與遙感方面，他提出了遙感廣義幾何成像模型與精確處理方法，主持研發(fā)了我國遙感衛(wèi)星地面處理系統(tǒng)，并大幅提高了國產(chǎn)遙感衛(wèi)星影像自主定位精度。

先后承擔國家和省部級科研項目30多項。出版專著和教材13部（其中第一作者專著6部），國際標準1項、國家標準4部，發(fā)表論文430多篇，論著他引共10000多次。獲國家科技進步創(chuàng)新團隊獎1項（排名第三）、國家科技進步一等獎1項（排名第三）、國家科技進步二等獎3項（2項排名第一、1項排名第二）、省部級特等獎2項，一等獎6項、國際攝影測量與遙感學會（ISPRS）Dolezal成就獎1項。

一.智慧城市的概念與核心技術(shù)

1.智慧城市的概念

智慧城市是數(shù)字城市的智能化，是數(shù)字城市功能的延伸、拓展和升華，通過物聯(lián)網(wǎng)把數(shù)字城市與物理城市無縫連接起來，利用云計算等技術(shù)對實時感知數(shù)據(jù)進行即時處理并提供智能化服務(wù)。

2.智慧城市的核心技術(shù)

透徹感知（圖1）：

圖1.透徹感知

無處不在的智能傳感器，對物理城市實現(xiàn)全面、綜合的感知和對城市運行的核心系統(tǒng)實時感測，實時獲取物理城市的各種信息。

廣泛互聯(lián)：

通過物聯(lián)網(wǎng)將無所不在的智能傳感器連接起來，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的高效傳輸和存儲。

時空分析

在智慧城市信息設(shè)施基礎(chǔ)上，對海量感知時空數(shù)據(jù)進行實時處理管理、融合與分析，為智能服務(wù)提供信息支持。

3.智慧城市的邏輯框架

（見圖2）

圖2.智慧城市的邏輯框架：利用高性能計算機平臺，通過Internet透測感知（廣泛互聯(lián)）進行時空分析（高效的計算），并提供廣泛的服務(wù)。

二.空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的概念

1.基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure）是指為社會生產(chǎn)和居民生活提供公共服務(wù)的物質(zhì)工程設(shè)施，是用于保證國家或地區(qū)社會經(jīng)濟活動正常進行的公共服務(wù)系統(tǒng)。它是社會賴以生存發(fā)展的一般物質(zhì)條件。

“基礎(chǔ)設(shè)施”不僅包括公路、鐵路、機場、通訊、水電煤氣等公共設(shè)施，即俗稱的基礎(chǔ)建設(shè)（physical infrastructure），而且包括教育、科技、醫(yī)療衛(wèi)生、體育、文化等社會事業(yè)即“社會性基礎(chǔ)設(shè)施”（social infrastructure）。

2.信息基礎(chǔ)設(shè)施

信息基礎(chǔ)設(shè)施的范圍非常廣泛，包含了諸如通信管網(wǎng)（由光纖PSTN、同軸電纜、以太網(wǎng)線及其管道資源等組成）、無線基站、中繼設(shè)備、各級機房以及相關(guān)配套的電源、建筑等設(shè)施。信息基礎(chǔ)設(shè)施是國家基礎(chǔ)設(shè)施的重要內(nèi)容。

“信息高速公路”。

云計算與云存貯平臺。

圖3.目前我國已經(jīng)發(fā)射了16顆北斗導航衛(wèi)星，實現(xiàn)了亞太區(qū)域的衛(wèi)星導航定位，2020年建設(shè)目標發(fā)射30多顆衛(wèi)星，提供全球?qū)Ш矫准?、增強導航分米級、精確定位厘米級，國內(nèi)導航市場60%，并競爭國際市場。

3.空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施

美國總統(tǒng)克林頓入住白宮以后，1993年著手實施耗資上千億美元的“信息高速公路”計劃;1994年4月克林頓又發(fā)布了12906號總統(tǒng)令，“協(xié)調(diào)信息獲取和建立國家（地球）空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（NSDI）”。數(shù)字地球是以信息高速公路和空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施為依托的一個廣泛的概念。

國家空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施（NSDI）主要包括：地球空間數(shù)據(jù)框架、空間數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、管理與分發(fā)體系、空間數(shù)據(jù)交換網(wǎng)站和空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標準。

4.空間信息基礎(chǔ)設(shè)施

空間信息基礎(chǔ)設(shè)施是指對地球空間信息進行獲取、傳輸、處理與應(yīng)用的工程設(shè)施。除了“信息基礎(chǔ)設(shè)施”之外，它還包括為地球空間信息導航與定位的基礎(chǔ)設(shè)施—全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)（GNSS）及室內(nèi)導航定位系統(tǒng)，地球空間信息獲取的基礎(chǔ)設(shè)施—衛(wèi)星遙感、航空遙感及地面觀測網(wǎng)，以及地球空間信息應(yīng)用與服務(wù)系統(tǒng)。endprint

三.智慧城市中的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施

1.通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)包括：

1）有線網(wǎng)絡(luò)：互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)

2）無線網(wǎng)絡(luò)：移動、聯(lián)通、電信，（2G、3G、4G、5G）

3）空間網(wǎng)絡(luò)：星地通信網(wǎng)、星星通信網(wǎng)、機星地通信網(wǎng)

通信網(wǎng)絡(luò)的特性是實現(xiàn)自主組網(wǎng)和自維護，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通（三網(wǎng)融合）。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備維護動態(tài)路由的功能，保證整個網(wǎng)絡(luò)不會因為某些節(jié)點出現(xiàn)故障而導致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

2.導航與位置服務(wù)網(wǎng)

1）導航與位置服務(wù)網(wǎng)包括：

·全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（ Global Navigation Satellite System，GNSS）

·美國全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）

·俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）

·歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Galileo）

·中國全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（北斗）

2）北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)：

目前我國已經(jīng)發(fā)射了16顆北斗導航衛(wèi)星，實現(xiàn)了亞太區(qū)域的衛(wèi)星導航定位，2020年建設(shè)目標發(fā)射30多顆衛(wèi)星，提供全球?qū)Ш矫准?、增強導航分米級、精確定位厘米級，國內(nèi)導航市場60%，并競爭國際市場（見圖3）。

3）衛(wèi)星導航系統(tǒng)（見圖4）：

圖4.衛(wèi)星導航系統(tǒng)：地基增強服務(wù)系統(tǒng)（CORS）、衛(wèi)星直接定位精度（動態(tài)5-10米）、地基增強服務(wù)系統(tǒng)（動態(tài)0.1-0.5米）。

·地基增強服務(wù)系統(tǒng)（CORS）：衛(wèi)星直接定位精度：動態(tài)：5-10米;地基增強服務(wù)系統(tǒng)：動態(tài)：0.1-0.5米。

4）廣域?qū)崟r精密定位服務(wù)系統(tǒng)（MASS）：

·基準站系統(tǒng)

·控制與處理中心系統(tǒng)

·信息播發(fā)系統(tǒng)

·用戶系統(tǒng)

·亞米級服務(wù)

5）室內(nèi)與地下導航定位（見圖5）：

圖5.室內(nèi)與地下導航定位：基于傳感器和無線信號的智能手機定位。二維碼城市控制點用于導航定位，在已有三維城市模型中建立布設(shè)二維碼形式的三維控制點。智能手機攝像頭采集影像，通過影像上已知三維控制點信息解算當前位置。

室內(nèi)與地下空間等無衛(wèi)星信號覆蓋區(qū)域的定位，可以利用射頻、藍牙、WIFI、蜂窩基站等無線信號，以及陀螺儀、加速度計、電子羅盤等傳感器進行室內(nèi)與地下的導航定位。

基于傳感器和無線信號的智能手機定位。二維碼城市控制點用于導航定位，在已有三維城市模型中建立布設(shè)二維碼形式的三維控制點。智能手機攝像頭采集影像，通過影像上已知三維控制點信息解算當前位置。

6）天地融合的導航與位置服務(wù)網(wǎng)（見圖6）：

·基于衛(wèi)星定位

·基于無線信號定位

·基于傳感器定位

·混合定位

7）導航與位置服務(wù)網(wǎng)（曦和計劃）（見圖7）：

圖6.天地融合的導航與位置服務(wù)網(wǎng)：基于衛(wèi)星定位、基于無線信號定位、基于傳感器定位、混合定位。

圖7.導航與位置服務(wù)網(wǎng)（曦和計劃）

圖8.天空地傳感器網(wǎng)（遙感網(wǎng)）

圖9.2020年建設(shè)目標：全天時、全天候、全球精細觀測，發(fā)射14顆衛(wèi)星，分辨率達0.3m，高分數(shù)據(jù)的自給率達60%。

3.天空地傳感器網(wǎng)（遙感網(wǎng)）（見圖8）：

1）我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)：

2020年建設(shè)目標：全天時、全天候、全球精細觀測，發(fā)射14顆衛(wèi)星，分辨率達亞米級，高分數(shù)據(jù)的自給率達60%（圖9）。

·空間基礎(chǔ)設(shè)施（遙感、通信、導航衛(wèi)星）

·全球?qū)崟r監(jiān)視系統(tǒng)（衛(wèi)星群）

高分一號遙感衛(wèi)星（表1;圖11-1;圖11-2）;

高分一號--伊朗（GF-1影像， 2m）（圖12）;endprint

GF-2影像，0.8m（圖13）;

航空遙感（有人機遙感）;

蘆山縣太平鎮(zhèn)災前災后影像對比圖（無人機航空遙感）（圖10）;

2）移動道路測量系統(tǒng)

·多平臺移動測量裝備與高精度建模：車載CCD，LiDAR與POS集成的高精度快速測量裝備，實現(xiàn)大規(guī)模三維場景快速三維建模（圖14）。

3）地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)

基于自組網(wǎng)技術(shù)的地面大氣、水文傳感網(wǎng)，自動連續(xù)實地測量環(huán)境參數(shù)

4）大氣環(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)

5）水下傳感網(wǎng)

多層次自組織網(wǎng)絡(luò)和Internet組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)水下傳感器和遠程終端之間的信息交流。

地下傳感器（圖18）;

傳感網(wǎng)絡(luò)。

4.地理空間信息服務(wù)平臺網(wǎng)

地理信息技術(shù)實現(xiàn)了從二維到三維的跨越，從地理信息系統(tǒng)到地理信息服務(wù)的跨越。如：地理空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺（圖17）、地上下、室內(nèi)外一體的三維GIS、武漢市地上地下一體化三維地理信息系統(tǒng)。

地理空間信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模式：

·縱向多級，分級管理。國家、省、市分別建立基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，分級維護和管理。

·橫向多庫，分建分管。基礎(chǔ)地理信息和各部門專業(yè)信息分別建庫，各自管理與維護

·異構(gòu)共享，在線集成。兼容不同軟硬件環(huán)境，實現(xiàn)縱橫異構(gòu)地理信息在線共享與集成

·統(tǒng)一標準，協(xié)同服務(wù)。制定統(tǒng)一標準，保障縱向、橫向各種空間數(shù)據(jù)在獲得許可情況下互聯(lián)互通，協(xié)同服務(wù)。

圖10.蘆山縣太平鎮(zhèn)災前災后影像對比圖（無人機航空遙感）

圖11-1.高分一號遙感衛(wèi)星。

圖11-2.高分一號遙感衛(wèi)星。

圖12.高分一號——伊朗（DF-1影像.2m）。

圖13.GF-2影像，0.8m

國家地理信息公共服務(wù)平臺;

國家與省節(jié)點的無縫聚合;

國家、省、市節(jié)點服務(wù)聚合;

天地圖的多級服務(wù)平臺（圖16）;

基于天地圖的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)—國家災害應(yīng)急系統(tǒng);

基于天地圖開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)—中國地震網(wǎng)（圖15）;

地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)與地理信息服務(wù)網(wǎng)的集成;

視頻與地理信息服務(wù)網(wǎng)的集成—天眼系統(tǒng)。

軌跡追蹤，通過時間-空間約束關(guān)系，排除不可能的路徑，計算嫌疑目標軌跡。從案發(fā)點，依據(jù)路段長度和逃逸速度，形成具時空關(guān)聯(lián)關(guān)系的一組錄像，在此錄像中發(fā)現(xiàn)和追蹤嫌疑目標。

四.結(jié)語

空間信息基礎(chǔ)設(shè)施是國家信息基礎(chǔ)的重要組成部分，衛(wèi)星導航、航空航天遙感、空間信息服務(wù)技術(shù)已經(jīng)成熟，標準和規(guī)范基本可以滿足要求，剩余的問題是推廣應(yīng)用;構(gòu)建一體化的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施對于促進智慧城市的應(yīng)用，以及資源環(huán)境和各種人流、物流、交通流、信息流的監(jiān)測與分析抉擇具有重要意義。

圖14.多平臺移動測量裝備與高精度建模：車載CCD，LiDAR與POS集成的高精度快速測量裝備，實現(xiàn)大規(guī)模三維場景快速三維建模。

資料鏈接：

克林頓政府的“信息高速公路”計劃

1993年9月，克林頓就任美國總統(tǒng)后不久，便正式推出跨世紀的“國家信息基礎(chǔ)設(shè)施”工程計劃。該計劃在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了極為廣泛的影響，同時，也造就了美國信息經(jīng)濟日后的輝煌。

“國家信息基礎(chǔ)設(shè)施”的英文全稱是National Information Infrastracture，簡稱NII。人們將其通俗地稱為“信息高速公路”戰(zhàn)略，借助這條高速路，美國信息經(jīng)濟走在了世界各國的前面。

克林頓政府頒布的“信息高速公路”戰(zhàn)略，計劃投資4000億美元，用20年時間，逐步將電信光纜鋪設(shè)到所有家庭用戶;1994年，美國政府提出建設(shè)全球信息基礎(chǔ)設(shè)施的倡議，旨在通過衛(wèi)星通訊和電信光纜連通全球信息網(wǎng)絡(luò)，形成信息共享的競爭機制，全面推動世界經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展?！靶畔⒏咚俟贰笔且粋€前所未有的電子通訊網(wǎng)絡(luò)，四通八達，將每個人都連在一起，并可提供你能想象得出的任何電子通信，其目的是：提供遠距離的銀行業(yè)務(wù)、教學、購物、納稅、聊天、游戲、電視會議、點播電影、醫(yī)療診斷……

圖15.基于天地圖開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)—中國地震網(wǎng)

?圖16.天地圖的多級服務(wù)平臺

圖17.地理空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺

圖18.地下傳感器