從數字城市到智慧城市的理論與實踐

李德仁，邵振峰，楊小敏

(武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079）

從數字城市到智慧城市的理論與實踐

李德仁，邵振峰，楊小敏

(武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北武漢430079）

從總結數字城市建設和發展的成就出發，基于智能傳感器網和對地觀測網等物聯網新技術的浪潮，探討了數字城市發展到智慧城市的必然趨勢和基礎理論，實踐了智慧城市的相關典型應用，并展望了未來智慧城市的美好前景。

數字城市；智能傳感器網絡；對地觀測網；物聯網；智慧城市

1 數字城市的發展及成就

數字城市是城市地理信息和其他城市信息相結合、并存儲在計算機網絡上的、能供用戶訪問的一個將各個城市和城市外的空間連在一起的虛擬空間，是數字地球的重要組成部分，是賽博空間的一個子集。數字城市為城市規劃、智能化交通、網格化管理和服務、基于位置的服務、城市安全應急響應等創造了條件，是信息時代城市和諧發展的重要手段。數字城市發展至今取得了很多成就，總結如下：

1.1 從二維城市到三維城市的跨越

地圖是傳統的表達、傳輸和研究地理信息的方式及載體，數字地球和數字城市的出現打破了這一傳統觀念，使人類在描述和分析地表空間事物的信息上，獲得了從二維到三維的突破性飛躍。三維城市模型是城市規劃的重要手段，目前已經用于軍事、微氣候研究、空氣污染分析、無線電公司的定位設計、無線電信號傳播、噪音傳播分析和社會生態研究等各個領域。如圖1所示的城市三維模型表達方式，a為泰州市地上三維圖（人民公園）；b為武漢市地上地下三維圖。

圖1 城市三維模型

1.2 面向服務的新一代城市數字規劃平臺

數字城市的一個主要應用就是城市規劃和設計，數字規劃平臺是服務于數字城市的空間數據基礎設施。GIS與AutoCAD的一體化，可以實現面向服務的新一代城市規劃信息共享平臺，包括支持城市應急響應的數字規劃平臺和提供物流配送、房地產銷售等支撐的三維規劃平臺。

1.3 基于數字城市的城市網格化管理與服務

網格化管理是指采用網格技術，以單元網格為基本單位，將城市行政區域劃分成若干個網格狀的單元，單元網格明確各級地域責任人為轄區城市管理責任人，由城市管理監督員對所分管的網格單元實施全時段監控，從而實現對城市的分層、分級、全區域管理。城市網格化管理與服務系統通過綜合運用數字城市相關技術，使城市管理無縫化、精細化、人性化、科學化、透明化、高效化和客觀公正化。

1.4 實現了城市實景影像的可視化和可量測

數字地球影像體系要求提供從遙遠的太空到地面cm級的地球感知能力。移動測量系統（MMS）通過在機動車上集成GPS（全球定位系統）、CCD（影像、視頻系統）、INS（慣性導航系統）或航位推算系統（電子羅盤/里程計）等先進的傳感器和設備，可以在車輛高速行進中，快速采集道路及道路兩旁地物的空間位置數據、屬性數據和城市實景影像 (Digital Measurable Images)。可視、可量測、可挖掘的實景影像地圖所包含的豐富地理、經濟和人文信息是聚合用戶數據和實現空間信息社會化服務的全新數據源[4]。

1.5 基于數字城市的空間信息共享與服務

數字城市是城市空間信息集成的平臺，基于數字城市的空間信息共享與服務包括利用Web Service技術對各種空間信息資源進行注冊和提供在線服務。對各種服務資源進行組合，可以加工提取更高級的信息，提供更智能化的服務。圖2為數字泰州公共信息服務系統。

圖2 數字泰州公共信息服務系統

2 從數字城市到智慧城市

數字地球以空間位置為關聯點整合相關資源 (以地理信息系統和虛擬現實技術集成各類數據資源)，實現了“秀才不出門，能知天下事”[3]。物聯網將與水、電、氣、路一樣，成為地球上的一類新的基礎設施。當今世界，“數字地球”正向“智慧地球”轉型，“智慧城市”孕育而生。世界將繼續“縮小”、“扁平化”和“智慧”，我們正在邁入全球一體化和智慧的經濟、社會和地球的時代。數字地球把遙感技術、地球信息系統和網絡技術與可持續發展等社會需要聯系在一起，為全球信息化提供了一個基礎框架。而我們將數字地球與物聯網結合起來，就可以實現“智慧的地球”。

2.1 智慧城市的出現

“智慧城市”的概念，最早起源于“智慧的地球”這一愿景。2008年11月，在紐約召開的外國關系理事會上，創立于1911年的目前全球最大信息技術和業務解決方案提供商國際商業機器公司（IBM）提出了“智慧的地球”這一理念。

所謂“智慧的地球”，實際上就是在各行各業中充分應用新一代的IT技術，把感應器嵌入和裝備到全球各個角落，將電網、鐵路、橋梁、隧道、公路等各種物體普遍連接，形成所謂“物聯網”，再通過“互聯網”將“物聯網”整合起來，使人們能以更加精細和動態的方式管理生產和生活，實現全球的“智慧”狀態。

作為“智慧的地球”的重要組成部分，“智慧城市”無疑是最關系民生的內容之一。智慧城市是數字城市與物聯網相結合的產物，包含智慧傳感網、智慧控制網和智慧安全網。智慧城市與智慧電網、智慧油田、智慧企業等，都是構成智慧地球的重要組成部分。智慧城市的理念是把傳感器裝備到城市生活中的各種物體中形成“物聯網”，并通過超級計算機和云計算實現物聯網的整合，從而實現數字城市與城市系統整合。通過智慧城市，可以實現城市的智慧管理及服務。簡而言之，“智慧城市=物聯網+互聯網”。

2.2 智能傳感器網絡

現代信息技術的三大基礎是傳感器技術、通信技術和計算機技術，它們分別完成對信息的采集、傳輸和處理。傳感器網絡是由一定數量的傳感器節點通過某種通信協議連接起來形成的測控系統，與通常的計算機網絡相比，具有更好的容錯性、實時性和對環境變化的自適應能力。隨著傳感技術、計算機硬軟件技術、網絡通信（包括無線和移動通信、衛星通信等）技術的進步，未來的傳感器將構成價廉、大中小型相結合、無處不在的、接觸或非接觸的智能傳感器網絡。

智能傳感器網絡是使智能傳感器處理單元實現網絡通信協議,從而構成一個分布式智能傳感器網絡系統。在該網絡中,傳感器成為一個可存取節點,在該網絡上可以對智能傳感器數據和信息進行遠程訪問、對功能進行在線編程。2009年8月7日，溫家寶總理在中科院無錫高新微納傳感網工程技術研發中心考察時指出，傳感網是一個全新的技術領域，實現了物與物的互聯而被稱作“物聯網”。

廣義空間信息網格[1]是指在網格技術支撐下空間數據獲取、更新、傳輸、存儲、處理、分析、信息提取、知識發現到應用的新一代空間信息系統。廣義空間信息網格由智能傳感器網絡、基于網格計算的多傳感器數據-信息-知識的智能處理系統。其中智能傳感器網絡是是空間信息網格的數據輸入系統，也是現代信息技術的三大基礎之一[2]。Neil Gross將傳感器網絡描述為“行星地球上附著的一層電子皮”。

在信息技術和傳感器技術飛速發展的時代，每天都可以通過各種遙感傳感器接收到信息量極為豐富的多源遙感數據源，這為遙感定量化、動態化、網絡化、實用化和產業化及利用遙感數據進行城市各種資源的管理、動態監測和服務提供了數據保障。

2.3 物聯網是工業化和信息化融合的產物

物聯網(IOT)是近年來正在迅猛發展的一項技術，是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[5]。具體地說，就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統、大壩、油氣管道等各種物體中，并且被普遍連接，形成物聯網。物聯網實現了人與人、人與機器、機器與機器的互聯互通。

物聯網是以感知為目的的“物物互聯”，已成為“智慧地球”的核心部分[6]。美國 START-IT雜志和M 2M雜志將物聯網市場分為6大支柱應用，分別為遙感監測、遠程通信與信息處理、智能服務、傳感器網絡、RFID和遠程控制等[7]。物聯網的具體用途還遍及智能交通環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、老人護理、人生健康、花卉栽培、水系監測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等應用領域中。借助物聯網的發展，人類可以提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然間的關系。

2.4 全IP網絡架構的物聯網

IP規定了計算機在因特網上進行通信時應當遵守的規則，任何廠家生產的計算機系統只要遵守IP協議就可以與因特網互聯互通。未來的網絡將是全IP網絡，全IP能無縫集成各種接入方式，將寬帶、移動因特網和現有的無線系統都集成到IP層中，通過一種網絡基礎設施提供所有通信服務，并為運營商帶來許多好處，如節省成本，增強網絡的可擴展性和靈活性，提高網絡運作效率，創造新的收入機會等。

物聯網由統一的編碼系統、智能傳感器網以及信息網絡系統組成。智能傳感器網是物聯網的數據采集和事務監督系統，它利用各種儀器設備實現對靜止或移動物體的自動識別，并進行數據交換。信息網絡系統由本地網絡和全球互聯網組成，是實現信息管理、信息流通的功能模塊。

全IP網絡架構的物聯網集智能傳感網、智能控制網、智能安全網的特性于一體，真正做到將識別、定位、跟蹤、監控、管理等智能化。國際電聯曾預測，未來世界是無所不在的物聯網世界，到2017年，將有7萬億傳感器為地球上的70億人口提供服務，通過集成有線光纖、城域網、局域網以及用戶的固定/游牧/移動式應用，構建一個無處不在的網絡基礎設施。

3 智慧城市的基礎理論

智慧城市是城市全面數字化基礎之上建立的可視化和可量測的智能化城市管理和運營，包括城市的信息、數據基礎設施以及在此基礎上建立網絡化的城市信息管理平臺與綜合決策支撐平臺。智慧城市的理論是智慧城市應用和實踐的基礎。

3.1 智慧城市的特征

把數字城市和物聯網結合起來的所形成的智慧城市將具備以下一些特征[3]：

1）“智慧城市”是基于物聯網的智能城市。物聯網就是“物物相連的互聯網”，其核心與基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡，它將網絡用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，相互之間可以進行信息的交換和通訊[5]。物聯網的 3個基本特征：①全面感知：即利用RFID、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；②可靠傳遞：通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；③智能處理：利用云計算，模糊識別等各種智能計算技術，對海量的數據和信息進行分析和處理，對物體實施智能化的控制。

2）“智慧城市”面向應用和服務。無線傳感器網絡是無線網絡和數據網絡的結合，與以往的計算機網絡相比,它更多的是以數據為中心。由微型傳感器節點構成的無線傳感器網絡則一般是為了某個特定的需要設計的，與傳統網絡適應廣泛的應用程序不同的是，無線傳感器網絡通常是針對某一特定的應用,是一種基于應用的無線網絡，各個節點能夠協作地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些數據進行處理，從而獲得詳盡而準確的信息，將其傳送到需要這些信息的用戶。

3）“智慧城市”與物理城市融為一體。在無線傳感器網絡當中，各節點內置有不同形式的傳感器，用以測量熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號等，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物質現象。傳統的計算機網絡以人為中心，而無線傳感器網絡則是以數據為中心。

4）“智慧城市”能實現自主組網、自維護。一個無線傳感器網絡當中可能包括成百上千或者更多的傳感器節點，這些節點通過隨機撒播等方式進行安置。對于由大量節點構成的傳感網絡而言，手工配置是不可行的。因此,網絡需要具有自組織和自動重新配置能力。同時，單個節點或者局部幾個節點由于環境改變等原因而失效時，網絡拓撲應能隨時間動態變化。因此，要求網絡應具備維護動態路由的功能,，才能保證網絡不會因為節點出現故障而癱瘓。

3.2 智慧城市的架構

智慧城市的核心是以一種更智慧的方法通過利用以物聯網、云計算等為核心的新一代信息技術來改變政府、企業和人們相互交往的方式，對于包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求做出快速、智能的響應，提高城市運行效率，為居民創造更美好的城市生活。從功能角度來看，智慧城市的架構應包含4個層次：1）物聯網設備層，該層是智慧地球的神經末梢，包括傳感器節點、射頻標簽、手機、個人電腦、PDA、家電、監控探頭等；2）基礎網絡支撐層，該層是泛在的融合的網絡通信技術保障，體現出信息化和工業化的融合，包括無線傳感網、P2P網絡、網格計算網、云計算網絡；3）基礎設施網絡層，該層包括Internet網、無線局域網、3G等移動通信網絡；4）應用層，該層包括各類面向視頻、音頻、集群調度、數據采集的應用。圖3為智慧城市的架構圖。

圖3 智慧城市的架構圖

3.3 智慧城市的模型

智慧城市的模型可以用 ISGBP模型進行描述，ISGBP模型由5個部分組成：分別是公共基礎設施（Infrastructure）、服務（Service）、政府（Government）、企業（Business）、公眾（Public）。政府、企業、公眾是城市的主體，他們三者通過智能服務進行協調形成良好的互動，從而降低行政成本，提高綜合效益。ISGBP模型強調智能服務的核心地位，將服務進一步分為：數據服務、功能服務和模型服務，并提出了基于物聯網的智能服務的概念。

在這個模型中，更加強調政府、企業、公眾三者的協作，它們通過基于物聯網的智能服務形成良好的互動。如圖 4所示的武漢智能城市模型是全要素、全時段、全覆蓋的智能化的城市管理和諧新模式，它依賴智能化的手段，圍繞提供優質高效的服務，充分調動政府、企業（社會單位）、市民（社區）三者之間的和諧互動，實現城市管理智能化與行業管理網格化的結合，實現條塊資源整合與聯動，建立政府監督協調、企業規范運作、市民廣泛參與的聯動機制。

在該模型中公共基礎設施（I）是物，政府（G）、企業（B）和公眾（P）是人，這四者之間存在多種相互關聯的關系，如：G-I關系、B-I關系、P-I關系、GB關系、G-P關系、B-P關系、B-B關系、P-P關系等，這些關系都是通過智能服務進行關聯，每種關系在模型中都表現成一系列具體的服務，而各種具體的服務之間又可能相互組合形成更高層次的服務和更復雜的關系，最終形成一個立體交叉的智能服務體系。

4 智慧城市典型應用的設計和實踐

智慧城市通過IP地址整合相關資源，使城市的運轉更加智能化。智慧城市給城市的各行各業都帶來了更有意義的、嶄新的發展契機，這里列出一些具體的典型應用和實踐。

圖4 智慧城市模型

1）基于智慧城市的網格化管理與服務。智慧城市可以更有效地實現城市網格化管理和服務。例如，武漢市有200多萬個部件設施，800多萬人，每年超過60萬件事情，我們可以通過智能采集數據、智能分析，將些部件設施、人口、事件進行有效的管理和服務。

2）基于智慧城市的智能交通。智能交通系統通過對傳統交通系統的變革，提升交通系統的信息化、智能化、集成化和網絡化，智能采集交通信息、流量、噪音、路面、交通事故、天氣、溫度等，從而保障人、車、路與環境之間的相互交流，進而提高交通系統的效率、機動性、安全性、可達性、經濟性，起到保護環境，降低能耗的作用。又如，泰州市基于車載移動傳感器，采集了1100多 km全市可量測實景影像和4萬個興趣點，同電子地圖、正射影像一起，面向服務架構發布成公眾服務，為老百姓和游客的衣食住行提供更便捷的服務，如圖5所示。

圖5 泰州市面向公眾服務的可量測實景影像服務

3）基于智慧城市的遠程醫療服務。基于智慧城市的遠程醫療服務能夠實現：視頻服務，比如遠程診斷、遠程培訓和遠程視頻會議等；短信服務，比如即時通信；信息實時取得服務，比如醫學研究資料庫實時使用；多媒體數據庫服務，比如電子病歷和影像處理等；無線城域網接入，比如緊急救護無線通信；無線局域網接入，比如醫院內部通信等；端到端的系統集成應用。圖6為基于智慧城市的遠程醫療服務系統。

圖6 基于智慧城市的遠程醫療服務

4）基于智慧城市的數字家庭應用。數字家庭是以計算機技術和網絡技術為基礎，各種家電通過不同的互連方式進行通信及數據交換，實現家用電器和其他家用品之間的“互聯互通”，不論我們在室內還是在戶外，通過物聯網和各種接入終端，可以讓每個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務。城市公共安全服務也是智慧城市的典型應用之一，基于智慧城市建立的城市公共安全服務可以有效實現住宅小區、交通設施、校園、城市工地等的安防監控。圖7為基于智慧城市的城市公共安全服務。

圖7 基于智慧城市的城市公共安全服務

6）智慧城市其他方面的典型應用。智慧城市其他方面的典型應用和實踐還包括基于智慧城市的戶外流媒體服務和基于智慧城市的城市應急聯動響應系統等方面的應用。未來的智慧城市將能夠實現便民利民、消除城鄉差距、提升政府效率、促進經濟發展以及治安安防等的全面智能化。

5 結 語

數字城市（CyberCity）為城市規劃、智能化交通、網格化管理和服務、基于位置的服務、城市安全應急響應等創造了條件，是信息時代城市和諧發展的重要手段，數字城市加上物聯網可走向智慧城市，智慧城市支持人與人、人與機器、機器與機器的參與和溝通，提供面向IP的靈性服務。本文總結了數字城市的總體架構、發展以及所取得的成就，圍繞智能傳感器網絡和物聯網，提出了順應數字地球到智慧地球的發展趨勢，數字城市必將發展到智慧城市的趨勢。本文設計了基于全IP架構的物聯網的平臺框架，實踐了基于智慧城市的相關行業的典型應用，展望了未來數字城市的美好前景。

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[2] 李德仁.論廣義空間信息網格和狹義空間信息網格[J].遙感學報,2005,9(5):513-520

[3] 李德仁，龔建雅，邵振峰.從數字地球到智慧地球[J].武漢大學學報:信息科學版,2010,35(2):127-132

[4] 李德仁，胡慶武.基于可量測實景影像的空間信息服務[J].武漢大學學報:信息科學版,2007,32(5):377-380,418

[5] 劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學, 2010(6):1-4

[6] 李清泉，李必軍.物聯網應用在GIS中需要解決的若干技術問題[J].地理信息世界,2010(5):7-11

[7] Antonio J.Jara,M iguel A.Zamora,Antonio F.G.Skarmeta.An Internet of Things-based Personal Device for Diabetes Therapy Management in Ambient Assisted Living(AAL)[J].Pers Ubiquit Comput,(2011)15:431-440

Theory and Practice from Digital City to Smart City

by LI Deren

This paper summarized the achievements in construction and development of the Smart City based on the wave of Internet of things including smart sensor networks and earth observation networks.This paper probed the inevitable trends and the basic theories of the development from Cyber City to Smart City,at the same time, this paper implemented the typical applications of the Smart City and also predicted the wonderful prospect of it.

Cyber City，smart sensor network，earth observation network，IOT，Smart City

2011-07-12

項目來源：國家863計劃重點資助項目（2009AA121404）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目 (111056)。

P208

B

1672-4623(2011)06-0001-05

李德仁，中國科學院院士，中國工程院院士，國際歐亞科學院院士，武漢大學教授、博士生導師，主要從事以遙感 (RS)、全球衛星定位系統 (GPS)和地理信息系統 (GIS)為代表的空間信息科學與多媒體通訊技術的教學和科研工作。