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2.从数 字城 市到智慧城市 的理论 与实践

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2.从数 字城 市到智慧城市 的理论 与实践

2011年12月 第9卷第6期 地理空间信息 GEOSPATIAL INFORM ATl0N Dee..2011 V01.9.No.6 从数字城市到智慧城市的理论与实践 李德仁,邵振峰,杨小敏 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉430079 摘要从总结数字城市建设和发展的成就出发..基于智能传感器网和对地观测网等物联网新技术的浪潮,探讨了数字城 市发展到智慧城市的必然趋势和基础理论,实践了智慧城市的相关典型应用,并展望了未来智慧城市的美好前景。 关键词数字城市;智能传感器网络;对地观测网;物联网;智慧城市 中图分类号P208 文献标志码B 文章编号1672462320l106.0001 05 1 数字城市的发展及成就 数字城市是城市地理信息和其他城市信息相结合、 并存储在计算机网络上的、能供用户访问的一个将各 个城市和城市外的空间连在一起的虚拟空间,是数字 地球的重要组成部分,是赛博空间的一个子集。数字 城市为城市规划、智能化交通、网格化管理和服务、基 于位置的服务、城市安全应急响应等创造了条件,是 信息时代城市和谐发展的重要手段。数字城市发展至 今取得了很多成就,总结如下 1.1从二维城市到三维城市的跨越 地图是传统的表达、传输和研究地理信息的方式 及载体,数字地球和数字城市的出现打破了这一传统 观念,使人类在描述和分析地表空间事物的信息上,获 得了从二维到三维的突破性飞跃。三维城市模型是城 市规划的重要手段,目前已经用于军事、微气候研究、 空气污染分析、无线电公司的定位设计、无线电信号 传播、噪音传播分析和社会生态研究等各个领域。如 图1所示的城市三维模型表达方式,a为泰州市地上三 维图人民公园;b为武汉市地上地下三维图。 a泰 Il市地上三维图人民公园 b武汉市地上地下三维图 图1城市三维模型 1.2面向服务的新一代城市数字规划平台 数字城市的一个主要应用就是城市规划和设计,数 字规划平台是服务于数字城市的空间数据基础设施。 GIS与AutoCAD的一体化,可以实现面向服务的新一 代城市规划信息共享平台,包括支持城市应急响应的 数字规划平台和提供物流配送、房地产销售等支撑的 三维规划平台。 1.3基于数字城市的城市网格化管理与服务 网格化管理是指采用网格技术,以单元网格为基 本单位,将城市行政区域划分成若干个网格状的单元, 单元网格明确各级地域责任人为辖区城市管理责任人, 由城市管理监督员对所分管的网格单元实施全时段监 控,从而实现对城市的分层、分级、全区域管理。城 市网格化管理与服务系统通过综合运用数字城市相关 技术,使城市管理无缝化、精细化、人性化、科学化、 透明化、高效化和客观公正化。 1.4实现了城市实景影像的可视化和可量测 数字地球影像体系要求提供从遥远的太空到地面 cm级的地球感知能力。移动测量系统MMS通过在 机动车上集成GPS全球定位系统、CCD影像、视 频系统、INS惯性导航系统或航位推算系统电 子罗盘/里程计等先进的传感器和设备,可以在车辆 高速行进中,快速采集道路及道路两旁地物的空间位 置数据、属性数据和城市实景影像Digital Measurable Images。可视、可量测、可挖掘的实景影像地图所包 含的丰富地理、经济和人文信息是聚合用户数据和实 现空间信息社会化服务的全新数据源 。 1.5基于数字城市的空间信息共享与服务 数字城市是城市空间信息集成的平台,基于数字 城市的空间信息共享与服务包括利用WebService技术 对各种空间信息资源进行注册和提供在线服务。对各 种服务资源进行组合,可以加工提取更高级的信息,提 供更智能化的服务。图2为数字泰州公共信息服务系统。 收稿日期201I一712 项目来源 家863计划 点资助项fll2009AA121404f央高校 水科研、Jk务费 项资金资助项11】056。 万方数据 2 地理空间信息 第9卷第6期 数孕囊’H器蒿 菡 嘲“ - .1 _ ■ I离 一‘ 肇 Ill;I一 ■●瞳辨■■■I ■■■■__■ 酗 蔓 落 ≯ 图2数字泰州公共信息服务系统 2从数字城市到智慧城市 数字地球以空间位置为关联点整合相关资源以 地理信息系统和虚拟现实技术集成各类数据资源,实 现了“秀才不出门,能知天下事” 。物联网将与水、 电、气、路一样,成为地球上的一类新的基础设施。当 今世界,“数字地球”正向“智慧地球’转型,“智慧 城市”孕育而生。世界将继续“缩小”、“扁平化”和 “智慧”,我们正在迈入全球一体化和智慧的经济、社 会和地球的时代。数字地球把遥感技术、地球信息系 统和网络技术与可持续发展等社会需要联系在一起,为 全球信息化提供了一个基础框架。而我们将数字地球 与物联网结合起来,就可以实现“智慧的地球”。 2.1智慧城市的出现 “智慧城市”的概念,最早起源于“智慧的地球” 这一愿景。2008年11月,在纽约召开的外国关系理事 会上,创立于1911年的目前全球最大信息技术和业务 解决方案提供商国际商业机器公司IBM提出了“智 慧的地球”这一理念。 所谓“智慧的地球”,实际上就是在各行各业中充 分应用新一代的IT技术,把感应器嵌入和装备到全球 各个角落,将电网、铁路、桥梁、隧道、公路等各种 物体普遍连接,形成所谓“物联网”,再通过“互联网” 将“物联网”整合起来,使人们能以更加精细和动态 的方式管理生产和生活,实现全球的“智慧”状态。 作为“智慧的地球’’的重要组成部分,“智慧城市” 无疑是最关系民生的内容之一。智慧城市是数字城市 与物联网相结合的产物,包含智慧传感网、智慧控制 网和智慧安全网。智慧城市与智慧电网、智慧油田、智 慧企业等,都是构成智慧地球的重要组成部分。智慧 城市的理念是把传感器装备到城市生活中的各种物体 中形成“物联网”,并通过超级计算机和云计算实现物 联网的整合,从而实现数字城市与城市系统整合。通 过智慧城市,可以实现城市的智慧管理及服务。简而 言之,“智慧城市物联网互联网”。 2.2智能传感器网络 现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技 术和计算机技术,它们分别完成对信息的采集、传输 和处理。传感器网络是由一定数量的传感器节点通过 某种通信协议连接起来形成的测控系统,与通常的计 算机网络相比,具有更好的容错性、实时性和对环境 变化的自适应能力。随着传感技术、计算机硬软件技 术、网络通信包括无线和移动通信、卫星通信等技 术的进步,未来的传感器将构成价廉、大中小型相结 合、无处不在的、接触或非接触的智能传感器网络。 智能传感器网络是使智能传感器处理单元实现网 络通信协议,从而构成一个分布式智能传感器网络系 统。在该网络中,传感器成为一个可存取节点,在该网 络上可以对智能传感器数据和信息进行远程访问、对 功能进行在线编程。2009年8月7日,温家宝总理在 中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时 指出,传感网是一个全新的技术领域,实现了物与物 的互联而被称作“物联网”。 广义空间信息网格Ⅲ是指在网格技术支撑下空间 数据获取、更新、传输、存储、处理、分析、信息提 取、知识发现到应用的新一代空间信息系统。广义空 间信息网格由智能传感器网络、基于网格计算的多传 感器数据.信息.知识的智能处理系统。其中智能传感器 网络是是空间信息网格的数据输入系统,也是现代信 息技术的三大基础之一 。NeilGross将传感器网络描 述为“行星地球上附着的一层电子皮”。 在信息技术和传感器技术飞速发展的时代,每天 都可以通过各种遥感传感器接收到信息量极为丰富的 多源遥感数据源,这为遥感定量化、动态化、网络化、 实用化和产业化及利用遥感数据进行城市各种资源的 管理、动态监测和服务提供了数据保障。 2-3物联网是工业化和信息化融合的产物 物联网1OT是近年来正在迅猛发展的一项技术, 是通过射频识别RFID、红外感应器、全球定位系 统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把 任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以 实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络 。具体地说,就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、 桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道 等各种物体中,并且被普遍连接,形成物联网。物联网 实现了人与人、人与机器、机器与机器的互联互通。 物联网是以感知为目的的“物物互联’’,已成为 “智慧地球”的核心部分 。美国START-IT杂志和 M2M杂志将物联网市场分为6大支柱应用,分别为遥 万方数据 第9卷第6期 李德仁等从数字城市到智慧城市的理论与实践 3 感监测、远程通信与信息处理、智能服务、传感器网 络、RFID和远程控制等 。物联网的具体用途还遍及 智能交通环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、 智能消防、工业监测、老人护理、人生健康、花卉栽 培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等应 用领域中。借助物联网的发展,人类可以提高资源利 用率和生产力水平,改善人与自然间的关系。 2.4全IP网络架构的物联网 IP规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守 的规则,任何厂家生产的计算机系统只要遵守IP协议 就可以与因特网互联互通。未来的网络将是全IP网络, 全IP能无缝集成各种接入方式,将宽带、移动因特网 和现有的无线系统都集成到IP层中,通过一种网络基 础设施提供所有通信服务,并为运营商带来许多好处, 如节省成本,增强网络的可扩展性和灵活性,提高网 络运作效率,创造新的收入机会等。 物联网由统一的编码系统、智能传感器网以及信 息网络系统组成。智能传感器网是物联网的数据采集 和事务监督系统,它利用各种仪器设备实现对静止或 移动物体的自动识别,并进行数据交换。信息网络系 统由本地网络和全球互联网组成,是实现信息管理、信 息流通的功能模块。 全IP网络架构的物联网集智能传感网、智能控制 网、智能安全网的特性于一体,真正做到将识别、定 位、跟踪、监控、管理等智能化。国际电联曾预测,未 来世界是无所不在的物联网世界,到2017年,将有7 万亿传感器为地球上的70亿人口提供服务,通过集成 有线光纤、城域网、局域网以及用户的固定/游牧/移动 式应用,构建一个无处不在的网络基础设施。 3智慧城市的基础理论 智慧城市是城市全面数字化基础之上建立的可视 化和可量测的智能化城市管理和运营,包括城市的信 息、数据基础设施以及在此基础上建立网络化的城市 信息管理平台与综合决策支撑平台。智慧城市的理论 是智慧城市应用和实践的基础。 3.1智慧城市的特征 把数字城市和物联网结合起来的所形成的智慧城 市将具备以下一些特征 1“智慧城市”是基于物联网的智能城市。物联 网就是“物物相连的互联网”,其核心与基础仍然是互 联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络,它将 网络用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,相 互之间可以进行信息的交换和通讯 。物联网的3个 基本特征①全面感知即利用RFID、传感器、二维 码等随时随地获取物体的信息;②可靠传递通过各 种电信网络与互联网的融合,将物体的信息实时准确 地传递出去;③智能处理利用云计算,模糊识别等 各种智能计算技术,对海量的数据和信息进行分析和 处理,对物体实施智能化的控制。 2“智慧城市”面向应用和服务。无线传感器网 络是无线网络和数据网络的结合,与以往的计算机网 络相比,它更多的是以数据为中心。由微型传感器节点 构成的无线传感器网络则一般是为了某个特定的需要 设计的,与传统网络适应广泛的应用程序不同的是,无 线传感器网络通常是针对某一特定的应用,是一种基 于应用的无线网络,各个节点能够协作地实时监测、感 知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信 息,并对这些数据进行处理,从而获得详尽而准确的 信息,将其传送到需要这些信息的用户。 3“智慧城市”与物理城市融为一体。在无线传 感器网络当中,各节点内置有不同形式的传感器,用 以测量热、红外、声纳、雷达和地震波信号等,从而 探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成 分、移动物体的大小、速度和方向等众多.,k4rl感兴趣 的物质现象。传统的计算机网络以人为中心,而无线 传感器网络则是以数据为中心。 4“智慧城市”能实现自主组网、自维护。一个 无线传感器网络当中可能包括成百上千或者更多的传 感器节点,这些节点通过随机撒播等方式进行安置。对 于由大量节点构成的传感网络而言,手工配置是不可 行的。因此,网络需要具有自组织和自动重新配置能 力。同时,单个节点或者局部几个节点由于环境改变 等原因而失效时,网络拓扑应能随时间动态变化。因 此,要求网络应具备维护动态路由的功能,,才能保证 网络不会因为节点出现故障而瘫痪。 3.2智慧城市的架构 智慧城市的核心是以一种更智慧的方法通过利用 以物联网、云计算等为核心的新一代信息技术来改变 政府、企业和人们相互交往的方式,对于包括民生、环 保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需 求做出快速、智能的响应,提高城市运行效率,为居 民创造更美好的城市生活。从功能角度来看,智慧城 市的架构应包含4个层次1物联网设备层,该层是 智慧地球的神经末梢,包括传感器节点、射频标签、手 机、个人电脑、PDA、家电、监控探头等;2基础网 络支撑层,该层是泛在的融合的网络通信技术保障,体 现出信息化和工业化的融合,包括无线传感网、P2P网 万方数据 万方数据 第9卷第6期 李德仁等从数字城市到智慧城市的理论与实践 5 无线城域网接入,比如紧急救护无线通信;无线局域 网接入,比如医院内部通信等;端到端的系统集成应 用。图6为基于智慧城市的远程医疗服务系统。 研先机袖 垂母研先量抖犀 譬毫t妒无线it信 静馕蝗j暖 见||‘重■ 妒嗣【侣囊囊. 坤蕾l 期L囊I4t-t. 图6基于智慧城市的远程医疗服务 4基于智慧城市的数字家庭应用。数字家庭是以 计算机技术和网络技术为基础,各种家电通过不同的 互连方式进行通信及数据交换,实现家用电器和其他 家用品之间的“互联互通”,不论我们在室内还是在户 外,通过物联网和各种接入终端,可以让每个家庭都 能感受到智慧地球的信息化成果。 5基于智慧城市的城市公共安全服务。城市公共 安全服务也是智慧城市的典型应用之一,基于智慧城 市建立的城市公共安全服务可以有效实现住宅小区、交 通设施、校园、城市工地等的安防监控。图7为基于 智慧城市的城市公共安全服务。 图7基于智慧城市的城市公共安全服务 6智慧城市其他方面的典型应用。智慧城市其他 方面的典型应用和实践还包括基于智慧城市的户外流 媒体服务和基于智慧城市的城市应急联动响应系统等 方面的应用。未来的智慧城市将能够实现便民利民、消 除城乡差距、提升政府效率、促进经济发展以及治安 安防等的全面智能化。 5结语 数字城市CyberCity为城市规划、智能化交通、 网格化管理和服务、基于位置的服务、城市安全应急 响应等创造了条件,是信息时代城市和谐发展的重要 手段,数字城市加上物联网可走向智慧城市,智慧城 市支持人与人、人与机器、机器与机器的参与和沟通, 提供面向IP的灵性服务。本文总结了数字城市的总体 架构、发展以及所取得的成就,围绕智能传感器网络 和物联网,提出了顺应数字地球到智慧地球的发展趋 势,数字城市必将发展到智慧城市的趋势。本丈设计 了基于全IP架构的物联网的平台框架,实践了基于智 慧城市的相关行业的典型应用,展望了未来数字城市 的美好前景。 参考文献 [1】李德仁,沈欣.论智能化对地观测系统[J]_测绘科学,2005,30 491 1 [2】李德仁.论广义空间信息网格和狭义空间信息网格[J].遥感 学报,2005,955 13.520 [3】 李德仁,龚建雅,邵振峰.从数字地球到智慧地球【J].武汉大 学学报信息科学版,2010,352127132 【4] 李德仁,胡庆武.基于可量测实景影像的空间信息服务【J】. 武汉大学学报信息科学版,2007,325377380,418 【5]刘强,崔莉,陈海明.物联网关键技术与应用【J].计算机科学, 201061-4 [6]李清泉,李必军.物联网应用在GIS中需要解决的若干技术 问题[J].地理信息世界,20105711 [7]Antonio J.Jara,Miguel A.Zamora,Antonio E G.Skarmeta.An Intemet of Thingsbased Personal Device for Diabetes Therapy Management in Ambient Assisted LivingAAL[J].Pers Ubiquit Comput,201115431-440 第一作者简介李德仁,中国科学院院士,中国工程院院士, 国际欧亚科学院院士,武汉大学教授、博士生导师,主要从事 以遥感RS、全球卫星定位系统GPS和地理信息系统GIS 为代表的空间信息科学与多媒体通讯技术的教学和科研工作。 万方数据 从数字城市到智慧城市的理论与实践 作者 李德仁, 邵振峰, 杨小敏 作者单位 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉,430079 刊名 地理空间信息 英文刊名 Geospatial Information 年,卷期 20116 被引用次数 23次 参考文献7条 1.李德仁;沈欣 论智能化对地观测系统[期刊论文]-测绘科学 200504 2.李德仁 论广义空间信息网格和狭义空间信息网格[期刊论文]-遥感学报 200505 3.李德仁;龚建雅;邵振峰 从数字地球到智慧地球[期刊论文]-武汉大学学报信息科学版 201002 4.李德仁;胡庆武 基于可量测实景影像的空间信息服务[期刊论文]-武汉大学学报信息科学版 200705 5.刘强;崔莉;陈海明 物联网关键技术与应用[期刊论文]-计算机科学 201006 6.李清泉;李必军 物联网应用在GIS中需要解决的若干技术问题[期刊论文]-地理信息世界 201005 7.Antonio J.Jara;Miguel A.Zamora;Antonio E G.Skarmeta An Interact of Things-based Personal Device for Diabetes Therapy Management in Ambient Assisted LivingAAL 2011 引证文献23条 1.李永喜 浅谈基础测绘在数字城市建设中的地位与作用[期刊论文]-科技视界 201323 2.石伟伟.杨桂菊.肖开能 智慧城市的理论与落地建设[期刊论文]-测绘与空间地理信息 2013z1 3.毛炜青 服务于智慧城市的3维地理信息建设和应用研究[期刊论文]-测绘与空间地理信息 201311 4.吴素芝.刘洋 基于ADS40技术的蜂窝式电话网站规划3DCM构建[期刊论文]-测绘通报 20133 5.鄢淑清.李慧杰.曹殿才 数字城市到智慧城市建设思考[期刊论文]-中国科技成果 201323 6.闫彬彬 智慧城市建设经验及启示以台湾桃园为例[期刊论文]-当代经济 201311 7.张鸿恩.童丽闺 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