地理信息系統在智慧城市中的應用

張英亮，張兄明

（中材地質工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

黨的十九大報告中指出，加強應用基礎研究，為建設智慧社會提供有力支撐。在不斷加快建設智慧城市的進程中，各種創新技術層出不窮，而地理信息系統則為智慧城市的發展提供了不可或缺的數據支持，成為研究和發展智慧城市的重要環節。

2 地理信息系統的概念

地理信息系統(GIS)是在計算機軟、硬件系統的支持下，對整個或部分地球表層空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、分析和顯示的技術系統[1]。

自20世紀50年代開始，隨著計算機技術的不斷進步，與計算機相關的數字化技術、存儲技術、空間分析技術、模擬技術及可視化技術也逐漸發展起來，這就構成了地理信息系統形成的基礎技術條件。隨著互聯網和信息技術的發展，地理信息系統與我們每個人的聯系也越來越緊密。

3 智慧城市的概念

智慧城市是運用物聯網、云計算、大數據、空間地理信息集成等新一代信息技術，促進城市規劃、建設、管理和服務智慧化的新理念和新模式[2]。其主要目的就是使公共服務便捷化、城市管理精細化、生活環境宜居化、基礎設施智能化、網絡安全長效化。

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字城市與物聯網的融合[3]，到現在不單單從技術層面定義智慧城市，而是向人文、社會、環境以及技術之間的聯動和可持續發展，通過將城市中的水、電、油、氣、交通等公共服務資源信息通過互聯網有機連接起來，做出智能化安排，更好地服務于市民學習、生活、工作、娛樂、出行、教育、醫療等方面的需求，以及改善政府對公共服務的管理、環境等。相較過去，更加突出了人在城市中的幸福指數。

4 地理信息系統在智慧城市中的應用

政府、公眾和企業構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生互動，而地理信息系統很大程度上承載了這種互動所需的數據采集、上傳、儲存、分析的功能(圖1)。

圖1 智慧城市三大主體

地理信息系統以計算機為載體，顯示和描述了與地理信息相關的各種數據，實現了對物體和地點的空間定位和信息疊加，主要由二維基礎地理數據、三維地理信息系統、影像數據和場景數據構成。目前應用最為廣泛的三維地理信息系統主要由應用層、業務邏輯層和數據層構成[4](圖2)。

4.1 在城市規劃和建設中的應用

通過收集測繪數據，對城市地表進行地理信息三維建模(圖3)，作為城市規劃和建設的參考依據。三維模型可以更直觀、更立體的反應地物信息，以及物與物之間的空間位置關系，便于工作人員對整個城市的建設進行全盤考慮、統一規劃。在基礎設施建設方面，通過對已有的地理信息系統數據庫的數據進行比對，根據該城市的人口、資源等情況，確定城市基礎設施的種類、數量、密度等信息。這比過去單一的二維地理數據具有明顯優勢，確保了智慧城市的規劃和建設更加科學合理。

圖2 城市三維地理信息系統構架圖

圖3 城市規劃和建設

4.2 為城市居民提供便捷化服務

以地理信息系統為數據支撐的基于位置服務(Location Based Service，縮寫為LBS)，已成為當下我們日常生活中使用最廣泛的一種服務，通過個人終端設備智能手機，基于位置服務走入了普羅大眾的日常生活。我們目前所使用的導航、外賣訂餐、共享單車等服務都屬于LBS。

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

地理信息系統的另一大應用場景就是“精細導航”和“汽車的自動駕駛”。目前市場導航系統的用戶體驗較過去幾年已有較大提升，但在空間位置關系和室內導航上還存在改進空間，而地理信息系統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、大型建筑群內部實現真實重現，完全避免了過去在二維地圖導航無法體現空間位置關系的弊端，實現了三維實景導航。無人駕駛汽車可以通過攝像頭和雷達感知路面情況，通過實時定位系統與地理信息系統的配合實現實時導航并規劃最優行駛線路。

4.3 幫助城市實現精細化管理

地理信息系統可以采集城市基礎設施的各項數據。比如通過收集路面信息，可以確定每一個井蓋的位置，當發生井蓋丟失或下沉造成路面破損、不平時，系統可立即通知相關管理方，經行井蓋修復，避免事故發生。數據采集方式是多種多樣的，從一開始的人工采集到現在的無人機數據采集器，大大節約了人工成本，提高了工作效率。目前很多單位以采取無人機數據采集的方式，開展輸電線路、鐵路軌道的巡查工作，確保城市各項基礎設施的正常運轉。

此外，通過地理信息技術可與環保監測系統實現聯網，進而對城市各個污染源進行實時監測，實現了對污染的實時掌控。

4.4 參與城市應急管理

當遭遇人群踩踏、洪水、火災、地質災害等危及人身、財產安全的事故和災害時，通過地理信息大數據，可迅速確定事故和災害發生地周邊應急物資的數量和位置，還可以通過3D建模，呈現事故和災害發生地點的地物信息，或建筑物的內部結構，以便救援人員規劃救援路線，制定施救方案和救援措施。

4.5 實現智慧城市的自我糾錯與修復

基于智慧城市的信息和數據實時共享的特點，身處其中的市民人人皆可參與智慧城市的完善和建設。通過智能手機、智能汽車等個體終端設備采集相關數據，并通過互聯網將數據上傳至地理信息數據云平臺，使地理信息大數據更加完善、準確，進而實現智慧城市的自我更新、自我維護特點。

5 結論

智慧城市不是數字城市、信息化建設和物聯網的簡單替代，而是使城市治理社會化、專業化、智能化和法治化的系統集合。它集中了當前城市空間開發和技術運用、數字產業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。而地理信息系統以其獨特的技術特性成為智慧城市規劃、建設和發展中不可或缺的基礎數據庫之一。相信將會有越來越多的個人終端設備成為地理信息系統的數據采集和傳輸端口，為智慧城市所必需的云平臺數據庫貢獻個體的力量。