智慧城市天空地一體化協同觀測與脈動分析

文｜池天河

按照國家新型智慧城市的建設目標，我們立足智慧城市建設的實際需求，整合中科院的技術資源，依托對地觀測空間信息技術，集聚生態環境、物聯網、大數據、云計算、人工智能等先進技術成果，提出構建智慧城市協同創新平臺，打造智慧城市天地一體化協同觀測與空間信息公共平臺的構想。平臺可以提供脈動分析服務能力，將有力支撐城市各種智慧應用，高效服務于政務管理、企業服務和社會民生。

智慧城市發展現狀分析

智慧城市是信息社會城市發展的高級形態，是我國城市政府發揮后發優勢、進入信息文明前沿陣地的戰略機遇。迄今為止，對于智慧城市的定義有多種角度的解讀。

李德仁院士認為智慧城市建立在數字城市基礎框架上，通過物聯網將現實世界與數字世界有機融合，實時感知現實世界人和物各種狀態和變化，為城市運行提供各種智能化手段。童慶禧院士認為智慧城市是通過全面感知、充分整合、激勵創新、協同運作等方式使得城市的各個要素、部件和過程“聰明”起來，使城市資源更加優化，環境更加友好，城市更加充滿活力，運作更加高效。周成虎院士則認為智慧城市建設須從城市布局與規劃、信息基礎設施、綠色低碳經濟、公共管理和服務、市民民生與福祉、城市人文科學素質和環境管理與生態保護七個維度來理解。

經過20多年來的團隊實踐，我們認為智慧城市無法嚴格定義，城市及其信息化發展的不同階段，其內涵和外延也有不同。智慧城市是一個復雜巨系統，其建設的內核是智慧城市公共平臺，需要利用各種數據采集和更新手段，構建全生命周期、多維特性數據體系，采用多種面向主題的數據挖掘分析及智能表達方法，接入全方位的服務接口來支撐應用需求。總之，智慧城市建設需要以應用為導向、數據為驅動。從這個層面來講，智慧城市基礎框架與對地觀測技術密切相關。對地觀測技術發展，特別是高分辨衛星影像、無人機遙感、激光雷達（LIDAR）、連續運行參考站系統（CORS）和光場相機（Light Field Camera）技術，將使城市地理空間數據，尤其是三維空間數據的采集更高效快捷，這些技術為城市地理空間框架建設和領域應用提供更多的數據。

目前，基于我國的智慧城市建設現狀，通過構建智慧城市天地一體化協同觀測感知公共平臺，分層、分級、分門類、全方位把控關注范圍及重點地區深度信息，支撐精準管理，再通過基于空間信息公共平臺的信息服務及大數據分析應用，將有效提升政府的管理水平、保障城市的安全、支持企業的發展、優化民眾的生活。

圖1 天空地一體化智慧城鎮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

建設思路

智慧城市建設是個復雜的系統工程，需要多技術領域協同創新，運營服務也需要產、學、研、商、資協同作戰。在此背景下，我們提出建立智慧城市協同創新中心，對中國科學院遙感與數字地球研究所及相關研究所多年技術成果及物聯網、人工智能、虛擬現實等相關技術成果集聚、打包、設計和規劃，為新型城鎮化建設提供對地立體觀測服務并進行空間大數據挖掘與分析，建立天空地一體化智慧城鎮立體觀測公共平臺。

該平臺包括三大部分：

感知平臺。構建城市立體感知網，涉及位于城市信息化體系前端的信息采集設施與技術，如遙感技術、射頻識別技術、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末梢，實現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據，集聚城市數據資源，為城市精準管理提供數據支撐。

公共信息平臺。包括數據匯聚和大數據分析兩部分。前者對數據進行匯聚、處理、存儲、管理與融合，以及數據交換與數據分發服務，實現整個城市的信息管理、流程管理、應用請求響應、應用服務提供等任務。后者用來展現城市的變化規律和異動，為智慧城市經營管理提供決策支持與信息服務。

專題應用系統。構建基于公共信息平臺的政務管理、企業服務、社會民生方面的智慧應用服務，選擇典型用戶對象開展應用示范，帶動區域經濟協同發展。智慧政務應用涵蓋政務管理信息化及城市經營網絡化，涉及城市資源管理、規劃管理、環境保護等；智慧企業側重于為城市產業經濟發展提供智慧應用服務；智慧民生緊密圍繞社會公眾在衣食住行各方面個性化需求，提供便捷、文明、安全和健康的服務。

1 感知平臺

城市感知平臺綜合應用天、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，相關觀測方法可分為航天遙感（天），航空遙感（空），地面傳感（地）三類。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據內容。

航天遙感數據實現城市地表信息的連續監測，如中科院遙感與數字地球研究所已建成密云、喀什、三亞在內的3個陸地觀測衛星數據接收站，覆蓋我國全部領土和亞洲70%陸地區域，可實現國內外大部分遙感衛星數據接收、處理與分發。航空數據由遙感飛機裝載航空相機、成像光譜儀、成像雷達等多種遙感器獲取，可以進行不同電磁波范圍的遙感儀器飛行監測，形成優勢互補，技術先進的高分辨率、全天時、全天候運行系統。地面傳感器實時監測重點區域的地上和地下信息，通過物聯網傳輸匯聚到智慧城鎮數據中心，多樣化展現城市脈動變化規律。

圖4 智慧城市公共信息平臺的技術框架

圖5 城市大數據體系

2 公共平臺

城市公共平臺定位于整個智慧城市建設的核心，其基于天、空、地一體化感知手段匯聚各種異質異構城市數據，形成集城鎮法人、人口、經濟、建筑與資源環境數據的五庫合一時空數據庫，通過互聯化和智能化的方式進行管理，并協同多源數據在城市環境、能源、交通、經濟、規劃等方面進行脈動分析，通過電子地圖、街景、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）等技術進行可視化展示，為城市建設管理、功能提升、政務辦公、民生生活提供智慧服務。

（1）數據匯聚

在城市的發展過程中，與城市相關的數據越來越多，數據無論從規模還是數量上都超過了城市現有管理系統的承載能力，這其中涉及圖片、視頻、音頻、文字和基于位置信息在內的各種類型的數據。數據匯聚功能包括可靈活拓展的各類匯交接口、網絡數據采集接口、無線數據采集接口、WebService接口、前置機數據庫鏡像接口等。數據匯聚所獲得的原始庫，通過數據管理功能進行重新組織和提純。

（2）數據管理

數據管理包括數據源配置、數據智能化管理、數據服務監控和數據安全保障四個方面。數據源配置實現可配置數據中心的管理功能，可根據實際業務需求進行擴展；數據智能化管理基于空間編碼、空間關聯、全庫索引等時空數據倉庫技術，實現空間、非空間、文檔等數據自動索引以及各類數據靈活查詢與展示；數據服務監控實現對平臺服務運行情況的實時監控，保障及時發現、追蹤、維護服務運行過程中的問題；數據安全保障在物理、系統、服務三個層級避免數據收到外來侵害。

（3）城市大數據體系

智慧城市脈動分析的內容就是城市大數據，而城市大數據體系通過數據管理實現重新組織獲得。城市大數據涉及到城市中方方面面的數據，具有海量、多源、異構、多尺度的特性。建立清晰的城市數據體系，可以為城市脈動分析提供完備的數據支撐，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、高效和準確。

城市大數據體系包括實體要素數據、經濟要素數據和事件要素數據三大類。實體要素數據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、城市建筑、城市交通、城市水利、城市管線等方面；經濟要素數據是在城市中具有自由行為方式，獨立負責行為并獲得經濟利益的有機體，包括政府數據、企業數據和個人數據；事件要素數據是城市運行過程中，實體要素和經濟要素參與下的活動數據總稱，包括城市安全、城市管理、城市運營等方面的數據。

其中，城市事件和經濟要素都是以城市實體要素為基礎進行掛接，從而形成一個以空間位置為依托的龐大城市信息綜合體，而這三大城市數據要素又在空間維度的基礎上，在時間、用戶和專題上進行重新劃分，形成城市多維數據結構。

（4）脈動分析

城市脈動分析能夠基于城市的大數據體系，挖掘出有價值的信息，揭示各類數據隨時空變化規律，展現城市脈動的發展情況，有效提高城市的建設和管理水平，也是觀察和診治“城市病”的重要技術手段。

圖6 城市大數據組織模式

圖7 城市脈動一張圖

3 城市專題應用

城市專題應用是智慧城市建設成效的直接體現，需要以政府、企業和大眾用戶為導向，打造平臺服務的模塊化、精細化和宜用化，實現平臺服務與手機、PAD等移動終端實時推送與相互調用。對于政府和企業，側重移動辦公和重要事件實時推送，建設專題應用、微應用等模塊植入辦公系統等；對于公眾，主要側重手持移動終端實時調用，地圖定位等，強調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。專題應用涉及的方向和內容眾多，在此不做詳細介紹。

在過去的20多年里，國家遙感應用工程技術研究中心“空間信息集成與城市應用研究團隊”一直在城市信息化之路上默默探索，雖然已經在北京、天津、福建、江蘇等地建設了大量的城市信息化工程，在數據共享和服務技術上有所突破，但在惠民、利民工程的建設上仍然處于摸著石頭過河的階段，而這也體現了我國智慧城市建設的普遍現狀。在實踐過程中，我們清晰認識到，智慧城市治城市于未病，建設宜先行，需要加強頂層設計，空間信息技術可以發揮紐帶作用；此外，智慧城市建設任務復雜性需要多行業領域協同攻關，整體解決方案需要不同專業不同領域不同角度的協同設計；最后，智慧城市運營服務需要產、學、研、商、政、資協同支撐，打造頂天、觸地、人在其中的應用示范。