智慧城市的空間信息支撐

●　文|中科院遙感與數字地球研究所　童慶禧北京大學地球與空間科學學院　鄔倫

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智慧城市的空間信息支撐

●文|中科院遙感與數字地球研究所童慶禧
北京大學地球與空間科學學院鄔倫

一、城市是社會發展的必然

城市化是社會發展的必然，智慧城市是城市化發展的高級階段。城市的形成通常是按照“居民點—居民區—鄉鎮—城鎮—城市”這樣的歷程發展來的，城市化的發展階段通常是按照發展“城市化—現代化—信息化—智能化和智慧化”進行的。另外，城市的發展模式是從傳統城市到現代城市，到數字城市再到智慧城市（含生態城市）最后延伸到未來城市的發展過程。

讓我們來回顧一下世界城市化發展過程和三次城市化發展浪潮：

1）以英國為代表，與工業革命發展相伴隨，1750年英國的城市化率為20%，到1950年基本完成城市化，歷時約200年。

2）以美國為代表，1860年美國的城市化率為20%，1950年達到71%，歷時90年。

3）以拉丁美洲及其他發展中國家為代表，如南美諸國在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70年。這些國家城市化的一個顯著特點就是人口大量集中于主要城市。

事實上，城市發展的階段都是與生產力的發展相適應的：奴隸社會對應的是城堡式的城市；封建社會對應的是傳統的舊城市形態；第一、二次產業革命（蒸汽機、電氣化）對應于現代城市；第三次產業革命（計算機）對應于數字城市；第四次產業革命對應于以新能源、信息技術和智能制造為標志的革命，低碳、綠色、生態，數字化和信息化將使城市邁向智慧，因此說數字城市、智慧城市是城市化發展的高級階段。

二、我國城市化的發展

城市化發展一般有如下的標志：① 勞動力從第一產業向第二、三產業轉移；② 城市人口在總人口中比重上升；③ 城市用地規模擴大；④ 城市生產的價值在GDP中比重大幅提高。中國的城市化實際上開始于20世紀80年代初，即國家改革開放之初，它基本包含在世界第三次城市化發展浪潮中。那時中國城鎮化率只有20%，全國8億多的人口居住在農村。如按2030年預測我國城鎮化率大于70%計，我國實現城鎮化用時約為50年。

1．我國幾個城市的發展軌跡

自改革開放以來，我國的各類城市和城鎮如雨后春筍，從沿海波及中部并又向西部擴展，與國家改革開放同步，蓬勃發展起來，每一個城市都有著自己的發展道路，以下是衛星遙感監測結果，可以再現每個城市的發展軌跡。

（1）北京城市的發展

北京1978－2010年建成區面積由161km2增至1734km2，城市擴展了近11倍。北京建成區如圖1所示。

圖1　北京市建成區的發展示意圖

（2）上海城市的發展

上海市建成區的發展1979—2010年建成區面積由138km2增至1921km2，擴展了近14倍，如圖2所示。

圖2　上海市建成區的發展示意圖

（3）廣州市和深圳市的發展

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

隨著城鎮的發展，特別是交通運輸、通信等基礎設施建設的提高，城市或城鎮間的關系更為緊密，互通更為便捷，以至于相鄰城鎮之間相互依存、相互促進、協調發展，這樣城市群就應運而生了。通過最近和最新衛星遙感數據對我國20個城市群的分析表明，城市群的發展在我國已成為重要趨勢并對經濟社會產生重要影響。城鎮化的過程，包括人的城鎮化、土地的城鎮化、設施的城鎮化、環境的城鎮化、經濟的城鎮化等形成了一個人口、資源、能源、智力、財富、消費的聚集過程，也是5個文明建設，即經濟、社會、政治、文化和生態文明的前沿陣地。城鎮化發展所產生的巨大效益和價值在推動社會發展中起著關鍵的作用。這也就是為什么中國的快速城市化不僅將對國內政治經濟產生重大影響，同時也將對世界的發展產生深遠的影響。

前世界銀行的副行長諾貝爾經濟獎得主J·斯蒂格利茨在一次報告中指出：“中國的城市化和美國的高科技發展是深刻影響21世紀人類發展的兩大關鍵因素”，并認為“中國的城鎮化將是區域經濟增長的火車頭，并將產生最重要的經濟利益”。改革開放以來中國城市化的發展恰是對他推論的最好詮釋。

2.中國城市化對經濟社會發展的貢獻

我國的城市自改革開放以來，城市化率不斷提高，2002—2011年，我國城市化率以平均每年1.35個百分點的速度發展，城市人口平均每年增長2096萬人。2011年，我國城市人口（6.9億）在歷史上第一次超過了鄉村人口（6.6億），而我國的城市化率仍然逐年不斷提高。

由于城市化的發展大量人口向城鎮聚集，提高了勞動生產效率；與此同時，大量土地流轉為城鎮用地，土地的產值更是大幅度飆升，城市化成為了經濟發展的發動機。一個顯著的結果就是生產價值或國內生產總值GDP快速提升。1980—2014年，我國的一線城市建成區平均擴展了10倍左右，我國城市化率提高了近3倍，接近55%。而我國的GDP從1980年的3015億美元增長到2014年的10.4萬億美元，增長幅度接近35倍。創造了世界發展史上的奇跡，對此，城市化的發展是功不可沒的。

近三十余年的實踐證明中國是世界上城市化推進最快的國家，有人預測中國有望在2025—2030年間完成城市化的進程，即城鎮人口與總人口的比例大于70%。

城市發展對經濟增長的貢獻起到關鍵的作用。以北京、上海、廣州、深圳、天津、重慶等主要中心城市2013年的國內生產總值（GDP）為例，這6個城市GDP的總和為88697億元，在全國GDP總量中的占比高于1/6，即使計算上述6城市的行政區面積（包括重慶巨大的郊區，甚至農村都計算在內）也僅占全國國土面積的1.3%，也就是說，這幾個重要中心城市僅以略占全國1/80的國土面積貢獻了占全國約1/6的GDP，由此可見中心城市在國家經濟發展中的貢獻。我國主要城市群面積擴展與國家GDP增長的大趨勢如圖3所示。

圖3　我國主要城市群面積擴展與國家GDP增長的大趨勢

中國GDP逐年增長與城市化的關系示意圖如圖4所示。

圖4　中國GDP逐年增長與城市化的關系示意圖

三、智慧城市是城市化發展的高級階段

在城市的設施和功能不斷提高和完善的驅使下，城市不可逆轉地向著其高級階段，即智能化和智慧化的方向發展。所謂智慧化的城市，即在原來以城市各組成要素數字化和信息化以及人與人在互聯網的相通基礎上，發展形成物-物相通的物聯網并以能感知物體特征、狀態、空間位置和動態過程的傳感網和遙感網以及具有大數據智能計算和智慧處理的云計算平臺相集成形成城市智慧體系。

一個智慧體系至少要包括以下三個世界：一是物理世界，就是我們感覺觸摸到的東西，是現實的世界；二是虛擬世界，由互聯網組成，通過電腦、移動終端獲取感知；三是智能世界，是由傳感網、遙感網、物聯網和云計算等系統所組成。

智慧城市的特征包括如下幾個方面：高速、寬帶、融合、無線、互聯的信息基礎設施；精細、準確、可視、可靠的傳感中樞和網絡系統；科學、綠色、生態、超脫、便捷的城市體系；虛擬化、個性化和位置化的服務；高效、安全的信息流通；對城市事件的快速、高效、智能處置和決策支持能力；以人為本的可持續發展和創新。

智慧城市在當下還主要是一種發展愿景，是一個戰略思想。城市的智慧化，是一個巨大的科技、工程和生態體系。人為什么會有智慧？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部位上超過十億（109）個感知細胞或神經末梢，它們無時無刻不在感知或收集著來自各方的信息，這些信息經人體的神經系統傳輸至大腦（處理中心），經大腦分析并做出決策的信息再經神經系統傳遞到人體的相關肌肉、骨骼、臟器等來執行。這一系統是相互緊密連接的，是自我學習、自我完善的，這就是知識的積累過程，即人的一生也是集聚知識或智慧的一生。

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

信息技術的發展為數字城市向智慧城市發展提供了重要的技術支撐，其中最為重要的有：傳感網、射頻識別器（RFID）、互聯網、物聯網、遙感對地觀測網、云計算，以及面向各種不同應用的智能模型和軟件等。

其中物聯網保證了物與物的相通；互聯網保證了人與物相通；RFID能夠提供物體的位置信息，保證物-物和人-物的互通；傳感網用來提供物體的本征特性、狀態特性保證其現勢性和真實性；遙感網用于保證人-物空間位置、狀態、過程及其相互關系的準確性和精準性；云計算則保證海量數據的處理和智能解決。

只有在上述技術支撐下，智慧城市的建設才有可能。智慧城市的重要基礎要體現在這個城市的信息化水平或城市的信息基礎設施的完善程度，包括信息獲取能力、信息處理能力、信息表達能力、信息存儲能力、信息傳輸能力、信息共享水平和信息應用能力，以及基于信息的智能決策能力。也只有在這一基礎上城市的相關要素的智慧化和智能化水平才能大幅度提高，并體現在各個方面，如智慧城市管理，智慧人口管理，智慧生產管理，智慧金融管理，智慧社區管理，智慧文化管理，智慧醫療和智慧健康，智慧家居或智慧家庭，智慧資源管理，智慧土地管理，智慧市場管理，智慧犯罪管理，智慧或智能交通，智慧災害管理，智慧環境管理，智慧水、電、氣等管網管理。

四、空間信息技術為智慧城市提供支撐

自1970年以來我國已向太空發射了200多顆人造地球衛星，其中大部分均為遙感對地觀測衛星；已形成了國家層面的氣象、海洋、資源、環境減災以及高分衛星；地方和商業化層面的北京一號、北京二號和吉林一號等系列衛星。

近期在國家中長期科技發展規劃框架下實施的高分辨率對地觀測系統（簡稱高分專項）所發射的高分衛星（GF-1、GF-2）以及北京系列和吉林系列衛星的空間分辨率都達到了米級和亞米級，已可為數字城市和智慧城市建設提供對城市總體和城市部件進行高分辨率監測的遙感信息支撐。

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

高分二號衛星的典型影像如圖6所示。

圖6　高分二號衛星典型影像

吉林一號衛星是由長光衛星技術有限公司研制和發射的小衛星系統。它用吉林省的名字來命名。

衛星于2015年10月7日發射升空。吉林一號由4顆衛星組成，其中一顆為420kg的光學遙感衛星，其空間分辨率可達0.72m；2顆為質量95kg的視頻觀測小衛星，第4顆為空間技術試驗衛星。圖7為吉林一號第一幅光學影像。

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

我國第一個商業衛星系統——北京一號是高性能對地觀測小衛星，是國家“十五”科技攻關計劃和高技術研究發展計劃聯合支持的研究成果，同時被列為“北京數字工程”、“奧運科技（2008）行動計劃”重大專項。“北京一號”小衛星全重166kg，在軌壽命為5年，衛星上裝有4m全色和32m多光譜雙傳感器，其32m/600km幅寬的對地觀測相機，是目前全世界在軌衛星幅寬最寬的中分辨率多光譜相機，可實現對熱點地區的重點觀測。

北京二號由3顆光學衛星，組成星座于2015年7月11日發射。軌道為650km的太陽同步軌道，地面分辨率全色優于1m，多光譜優于4m，幅寬24km，重訪周期1天。

圖8為北京二號的影像圖。

圖8　北京天安門廣場和國家大劇院影像

智慧城市建設是我們邁向未來的重要一步，也是我們在城市信息化面臨的最大挑戰。當我們考慮智慧城市建設時往往比較重視如網絡系統（互聯網、物聯網）、計算中心、數據庫、云計算、大數據、物流交通、金融醫療、城市安全等城市基礎設施建設和微觀層面的事物，而容易忽略帶全局性、宏觀性的空間信息應用問題。遙感數據的分辨率越高，對城市的探測、監測能力就越強，其應用價值也越高。遙感網是城市智慧的眼睛，遙感空間信息的應用能讓大眾把握城市的宏觀變化和發展狀況、評估城市的空間結構、建筑和生態環境現狀、道路交通狀況、城市部件的空間布局和損毀情況、城市災害（火、水、地面沉降、滑坡）風險評估、周邊對城市的影響、違章建筑處置等。

城市的科學發展、合理布局、城市及其周邊的協同、生態城市體系的發展、人居環境的保護、災害風險的規避等恰是城市大智慧之所在。為此，把握好遙感技術與信息也是智慧城市建設之大計，十分值得重視！

說明與致謝

本文的許多觀點均為作者的一管之見，認識初淺，錯誤之處再所難免，還望讀者予以批評指正，如能引起討論更是作者所期望的。文中分析引用的數據，如圖3、圖4所依據的數據均來自各種網絡，圖6的高分衛星影像和圖7中吉林一號衛星影像也引自網絡。有些插圖，如圖1和圖2是未經發表的內部分析資料，這里對原作者表示感謝；更要特別感謝的是二十一世紀空間技術應用股份有限公司，是他們提供了最近試運行接收的北京二號星座的部分影像（文中圖8）。