智慧城市

2016-09-26 01:15:44編者按

中國學術期刊文摘 2016年14期

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智慧城市

·編者按·

智慧城市是在新一代信息技術支撐下，在數字城市、物聯網和云計算建立的現實世界與數字世界的融合的基礎上，以實現對人和物的感知、控制和智能服務的新型城市形態。

數字城市存在于網絡空間（cyber space）中，虛擬的數字城市與現實的物理城市相互映射，是現實生活的物理城市在網絡世界中的一個數字再現。智慧城市則是建立在數字城市的基礎框架上，通過無所不在的傳感網將它與現實城市關聯起來，將海量數據存儲、計算、分析和決策交由云計算平臺處理，并按照分析決策結果對各種設施進行自動化的控制。在智慧城市階段，數字城市與物理城市可以通過物聯網進行有機的融合，形成虛實一體化的空間（cyber physical space）。在這個空間內，將自動和實時地感知現實世界中人和物的各種狀態和變化，由云計算中心處理其中海量和復雜的計算與控制，為人類生存繁衍、經濟發展、社會交往等提供各種智能化的服務，從而建立一個低碳、綠色和可持續發展的城市。

智慧城市對經濟轉型發展、城市智能管理和對大眾的智能服務具有廣泛的前景，從而使得人與自然更加協調的發展。智慧城市建設是一個系統工程，需要根據每個城市自身的特點，在做好頂層設計后統一規劃，分步實施。智慧城市的實現需要建設更加完善的信息基礎設施和包括智慧城市運營為主的技術支撐，才能保證各種智慧城市的應用能夠用得好、用得起。智慧城市建設中會產生多種類型的大數據，這既是一個科學前沿問題，也是推進智慧城市發展的源動力，它必將帶來新的機遇和挑戰。因此，需要有針對性地加快有關大數據的技術創新和重點攻關研究，才能推動和加速智慧服務產業的發展，以更好、更多的智慧應用服務大眾的同時，讓城市更加科學、高效、低碳和安全地運行。

本專題得到甄峰教授（南京大學建筑與城市規劃學院）的大力支持。

·熱點數據排行·

截至 2016年 6月 12日，中國知網（CNKI）和Web of Science（WOS）的數據報告顯示，以“智慧城市”“數字城市”“城市信息化”為詞條可以檢索到的期刊文獻分別為1099條與1982條，本專題將相關數據按照：研究機構發文數、作者發文數、期刊發文數、被引用頻次進行排行，結果如下。

研究機構發文數量排名（CNKI）

研究機構發文數量排名（WOS）

作者發文數量排名（CNKI）

作者發文數量排名（WOS）

（數據來源：中國知網、Web of Science，檢索時間：2016-07-01）

期刊發文數量排名（CNKI）

期刊發文數量排名（WOS）

根據中國知網（CNKI）數據報告，以“智慧城市”“數字城市”“城市信息化”為詞條可以檢索到的高被引論文排行結果如下。

國內數據庫高被引論文排行

根據Web of Science統計數據，以“智慧城市”“數字城市”“城市信息化”為詞條可以檢索到的高被引論文排行結果如下。

國外數據庫高被引論文排行

·經典文獻推薦·

基于Web of Science檢索結果，利用Histcite軟件選取LCS（Local Citation Score，本地引用次數）TOP50文獻作為節點進行分析，得到本領域推薦的經典文獻如下。

本領域經典文獻

來源出版物：International Journal of Remote Sensing, 1995, 16(12): 2165-2185

Using nighttime DMSP/OLS images of city lights to estimate the impact of urban land use on soil resources in the United States

Imhoff, ML; Lawrence WT; Elvidge, CD; et al.

Abstract: Nightime “city light” footprints derived from DMSP/OLS satellite images were merged with census data and a digital soils map in a continental-scale test of a remote sensing and geographic information system methodology for approximating the extent of built-up land and its potential impact on soil resources in the United States. Using image processing techniques and census data, we generated maps where the “city lights”class represented mean population densities of 947 persons km-2and 392 housing units km-2, areas clearly not available to agriculture. By our analysis, such “city lights” representing urban areas accounted for 2.7% of the surface area in the United States, an area approximately equal to the State of Minnesota or one half the size of California. Using the UN/FAO Fertility Capability Classification System to rank soils, results for the United States show that development appears to be following soil resources, with the better agricultural soils being the most unbanized. Some unique soil types appear to be on the verge of being entirely coopted by “urban sprawl.” Urban area figures derived from the DMSP/OLS imagery compare well to those derived from statistical sources. Further testing and refinement of the methodology remain but the technique shows promise for possible extension to global evaluations of urbanization, population and even global productivity.

來源出版物：Remote Sensing of Environment, 1997, 59(1): 105-117

Potential and limitations of 1D modelling of urban flooding

Mark O; Weesakul S; Apirumanekul C; et al.

Abstract: Urban flooding is an inevitable problem for many cities around the world. In the present paper, modelling approaches and principles for analyses of urban flooding are outlined. The paper shows how urban flooding can be simulated by one-dimensional hydrodynamic modelling incorporating the interaction between(i) the buried pipe system,(ii) the streets(with open channel flow) and(iii) the areas flooded with stagnant water. The modelling approach is generic in the sense that it handles both urban flooding with and without flood water entry into houses. In order to visualize flood extent and impact, the modelling results are presented in the form of flood inundation maps produced in GIS. In this paper, only flooding from local rainfall is considered together with the impact in terms of flood extent, flood depth and flood duration. Finally, the paper discusses the data requirement for verification of urban flood-models together with an outline of a simple cost function for estimation of the cost of the flood damages.

來源出版物：Journal of Hydrology, 2004, 299(3-4): 284-299

A comparison of urban mapping methods using high-resolution digital imagery

Thomas, N; Hendrix C; Congalton RG

Keywords: cost function; digital elevation model; flood map; GIS; sewers; one-dimensional urban drainage; stormwater; urban flooding

來源出版物：Journal of Hydrology, 2004, 299(3-4): 284-299

Continuous sky view factor maps from high resolution urban digital elevation models

Lindberg F; Grimmond, C S B

Abstract: This paper presents a new method to calculate sky view factors(SVFs) from high resolution urban digital elevation models using a shadow casting algorithm. By utilizing weighted annuli to derive SVF from hemispherical images, the distance light source positions can be predefined and uniformly spread over the whole hemisphere, whereas another method applies a random set of light source positions with a cosine-weighted distribution of sun altitude angles. The 2 methods have similar results based on a large number of SVF images. However, when comparing variations at pixel level between an image generated using the new method presented in this paper with the image from the random method, anisotropic patterns occur. The absolute mean difference between the 2 methods is 0.002 ranging up to 0.040. The maximum difference can be as much as 0.122. Since SVF is a geometrically derived parameter, the anisotropic errors created by the random method must be considered as significant.

Keywords: urban climate; urban geometry; urban surface parameters; geographical information systems; sky view factor; London

來源出版物：Climate Research, 2010, 42(3): 177-183

·推薦綜述·

以數據為中心的智慧城市研究綜述

王靜遠，李超，熊璋，單志廣

在信息技術革命的推動下，以計算機、網絡通信等信息通信技術為動力的信息化浪潮席卷全球。經過近10年的信息化與數字化建設，現代城市的運行方式與城市居民的生活環境已經發生了根本性的改變。城市的經濟、文化、交通、娛樂等方面都已經和信息的數字空間緊密融合，網絡空間（cyberspace）成為城市居民生活的組成部分。完善的信息基礎設施以及豐富的數字化應用成為現代數字化城市的基本特征之一豐碩的城市信息化建設成果在為人類生活帶來極大便利的同時，也為現代城市形態的進一步演進奠定了技術與數據的基礎。

進人21世紀，以大數據、數據活化為代表的數據科學與技術開始受到人們的廣泛關注。以數據為中心的研究方法與技術理念在信息、生物、能源、醫藥、社會學等不同的學科領域都得到了廣泛應用與認可，并促成了大量科研成果的誕生。以信息技術為支撐的數據分析與研究方法正深刻地改變著傳統科學探索的工作方式，成為人類科技發展與知識獲取的一種新興模式。

在城市信息化浪潮與數據科學崛起的共同推動下，智慧城市在全球范圍內成為下一代城市化發展的新理念和新實踐。智慧城市是一種以新一代信息技術為基礎，通過對城市各部分數據進行動態監測、分析、整合和利用，實現對城市生活環境的透徹感知、城市資源的全面調控、城市中各個部分協調配合、城市方方面面便捷運作、人和城市之間和諧共贏等目標的新型城市形態。世界各國尤其是歐、美、日、韓等發達國家和地區都在積極開展相關的理論研究與技術探索，發掘城市的數據資源，研發城市智慧應用系統，開展相應的城市試點。在我國，從中央到地方也都在積極探討發展和建設智慧城市。

在智慧城市建設的過程中，數據科學與技術發揮著不可替代的重要作用。為了使信息領域的科研人員盡快了解數據科學在智慧城市領域中的最新應用與研究進展，本文對以數據為中心的智慧城市技術研究現狀進行了綜述和分析，首先對現有智慧城市研究所采用的城市數據類型與特性進行了歸納和梳理，然后從技術體系、相關研究、核心技術與理論3個方面對現有工作進行了綜述介紹，并在此基礎上對現有工作的特點進行了總結，最后對未來可能的研究方向進行了展望。

智慧城市是一個多學科交叉、多領域融合的綜合性學科，相關工作涉及的內涵和外延都非常廣。本文將綜述視角放在信息科學領域，內容緊密圍繞以數據為中心這一主題，分析相關研究工作的整體結構與脈絡。對于非信息學科視角、數據研究以外的相關工作，由于篇幅問題，不作太多涉及。

1城市數據

1.1城市數據類型

在信息城市與數字城市的建設過程中，城市的信息基礎設施在提供信息服務功能的同時，也積累了海量的城市動態數據，這些數據種類繁多，難以盡述。在這里，我們對在現有智慧城市研究工作中較為常用的城市數據類型進行簡要的介紹。

1）地圖與興趣點數據

街道與建筑是城市的基本構架，地圖數據是對城市構架進行描述的基本方式，而興趣點（point of interest, POI）數據則是介紹城市各功能單元的基本信息。因此，城市地圖和興趣點數據是進行以數據為中心的智慧城市研究的最基本原料，也是在對其他類型城市數據進行融合時的空間錨點數據。

2）GPS數據

安裝有 GPS接收芯片的移動設備可以收集城市中人、車等流動物體活動信息。例如目前應用比較廣泛的浮動車技術就是將出租車、公交車等公共交通工具上安裝GPS設備，將其作為傳感器對于城市的交通情況進行采樣。安裝有GPS接收芯片的智能手機也可以當作個人行為軌跡的收集設備。但是由于隱私、安全等諸多問題，手機GPS數據很難大規模收集應用，目前只能依靠志愿者進行小范圍收集和研究。

3）客流數據

城市中市民采用不同交通工具進行日常通勤的數據稱為客流數據。出租車的客流數據可以使用浮動車GPS數據配合出租車計費表的乘客狀態獲得。公交車與地鐵的客流數據則可以使用市政交通一卡通的刷卡記錄進行收集。客流數據包含的城市活動信息非常豐富，可以被用于城區功能分析、人口流動監測、城市交通系統評估、多交通工具人類行為研究、城市交通經濟學研究等領域。

4）手機數據

手機是人們日常生活必不可少的通訊工具，其所能提供的數據類型很多，包括：通訊錄、通話記錄、GPS定位信息、與基站間的信令記錄、上網記錄和APP使用記錄等。這些數據可以反映城市中居民活動的興趣偏好、活動范圍、規模頻率、社交關系等內容，因此具有非常巨大的應用潛力。

5）LBS位置服務數據

LBS（location based service）位置服務是移動互聯網時代一種新興的網絡服務方式，通過LBS應用所收集到的數據具有明確的地理位置坐標并兼具傳統 Web服務的語義特性。LBS數據是對POI數據的一種深度的描述和補充，與地圖和POI等簡單的城市地理數據相比，LBS數據包含有大量的語義信息，可以幫助人們更加深刻地理解城市運行動態。

6）視頻監控數據

視頻監控技術已經被廣泛地應用在交通管理、社區安保、室內安防、娛樂通訊等城市生活的各個方面。視頻監控設備所采集的海量視頻數據記錄著城市中居民生活的分分秒秒，在數字空間中形成了對物理城市的虛擬“映像”。充分利用這些視頻數據可以從某種程度再現城市生活的歷史，具有巨大的理論研究與應用價值。

7）環境與氣象數據

氣象數據很早便受到城市科學研究的充分關注，近些年，隨著人們對于環境與健康問題的日漸重視，以空氣質量為代表的城市環境數據也開始成為人們關注的焦點。城市的環境與氣象數據的一個重要的特點是其地理與時間采樣密度低。如何實現細粒度、高精度的環境與天氣數據收集和分析是該應用類數據的一個重要挑戰。

8）社會活動數據

城市社會活動數據包括城市中的人口戶籍、金融物價、醫療衛生、能源消耗等各種社會動態數據。社會活動數據是深人理解和分析城市社會化行為的必備原料。由于城市社會活動數據行業性較強，容易受到行業條塊分割的影響，往往彼此分割孤立。打破行業條塊分割、實現多源異構城市數據的融合，是深度利用城市社會活動數據所面臨的首要任務。

1.2城市數據的特性

1）大數據特性

城市是人類活動最為密集的區域，海量的人類活動與社會運行數據不可避免地在城市當中爆發。以北京為例，每天有超過千萬的市民出行，每天我們的交通卡產生5000萬條刷卡記錄，有900萬的車輛在運營，每天僅出租車GPS數據就會產生8000萬條左右，同時有近萬個交通固定檢測器在采集車的瞬時車速，有近億萬條的手機通訊數據，還有千億級的交通影視影像數據。城市數據種類繁多（variety），規模龐大(volume），對數據的輸人和處理速度要求也很高（velocity）。城市數據包含的信息與知識極為豐富，對于推動人類認識的擴展與科學技術的進步有著巨大的價值，同時由于數據稀疏性的影響，城市數據的價值密度也很低（veracity）。綜上可以看出，城市數據完全符合大數據（big data）所具有的4V特性。城市數據可謂是大數據概念范疇當中的一個極具代表性的典型樣本。

2）時空多維特性

以地圖為基礎的空間結構是城市數據的一種基本組織方式，而城市快節奏的生活方式也使得城市數據對于時間維度的變化非常敏感。因此，時空多維特性成為城市數據的另一個重要特點。在空間上，根據城市地理規模的不同，城市數據具有不同尺度的空間跨度。在時間上，根據產生的時間不同，城市數據具有時間相關的變化和分布。因此在進行城市數據分析和應用時，一方面需要考慮時間和空間兩個維度的數據演化特性，另一方面還需要充分利用時間和空間不同維度之間的數據關聯關系。這對城市數據的利用技術提出了很高的要求。

3）多尺度與多粒度

研究和利用城市數據除了要考慮時間和空間等多個維度之外，還需要考慮數據尺度和數據粒度對于數據特性的影響。在規模的尺度上，城市可以分為小型城市、中型城市、大型城市、超大型城市等；在地理尺度上，對于城市數據的描述可以小到幾個街區或大到數千平方公里；在時間尺度上，城市數據的覆蓋時間可以短到一些事件的監控，長到上百年的城市變遷。在地理采樣粒度上，可以像遙感測繪數據一樣精確到數米，也可以向氣象環境數據一樣以區縣、地區、甚至省市為單位；在時間粒度上，更是根據數據采樣設備的時鐘、存儲與傳輸能力、計算速度等因素產生不同的時間粒度。在時空多維度的條件下，高效處理多尺度與多粒度的海量數據，是有效利用城市數據所必須解決的核心技術問題之一。

4）多元與異構

如前文所述，城市數據具有非常多的類型與來源，即數據的多元性。這些不同來源的城市數據無論是從結構上、組織方式上、維度尺度與粒度上都會存在巨大差異，即數據的異構性。智慧城市的應用需求要求我們必須將這些多元異構數據進行有機的融合，通過挖掘活化數據之間的相關性與相互作用方式來獲取新知識。如何在一個統一的構架上分析異構性極強的多元數據，是學術界和工業界在進行智慧城市探索方面所面臨的一項共同挑戰。

從本節的介紹可以看出現有工作對于城市數據的應用類型還非常有限。城市作為人類生活活動最為密集的場所，所產生的數據類型和數量都是難以盡數的，僅就現有的研究工作來看，我們對于城市數據的開發還遠遠不足，城市這座數據寶庫中積累了無盡的數據資源，等待著科研人員進行深人的開發。

2相關研究

2.1技術體系研究

智慧城市技術體系研究作為對整個智慧城市技術研究工作的頂層設計，對于指導領域技術的發展方向、明確研究工作的內涵與外延、優化現有研究資源的配置與分布等均具有非常重要的意義。

早期的智慧城市技術體系研究由 IBM公司的研究人員發起，文獻[3]對IBM的Smarter Cities技術功能進行了詳細的介紹，其提出的智慧城市功能范圍更多的是以服務和基礎設施為中心，對于數據的重要性沒有作過多的強調。文獻[4]從整合的角度對智慧城市框架系統的框架進行了理解，提出了一種智慧城市的初步框架。該框架認為智慧城市要從政策、組織和技術3個角度將政府、居民社區、經濟、基礎設施、自然環境相整合，對于技術細節沒有作過多的討論。文獻[5]對一些早期的智慧城市技術框架進行了總結，認為智慧城市的根本要素包括人、機構和技術3個方面，在技術方面又可以細分為數字城市、智能城市、無線城市、信息城市等。這些智慧城市技術體系的研究工作更多是圍繞城市建設的基本要素展開，對于一些數據科學與技術在城市中扮演的角色沒有作過多討論。

近些年，學術界開始逐步關注到數據科學對于智慧城市技術的重要性，并提出了一些相應的技術體系。浙江大學的潘綱教授在 2013年《IEEE Communication Magazine》的Smart Cities專題中闡述了基于軌跡數據分析與挖掘的智慧城市技術體系框架。

該框架將基于軌跡數據的智慧城市技術體系分為軌跡感知（trace）、知識發現（knowledge）和具體應用（applications） 3個層次。該框架從概略的層面上系統描述了以數據為中心的智慧城市技術的整體技術路線。

該技術體系將城市計算的技術框架細分為“城市感知與數據捕獲”“城市數據管理”“城市數據分析”“服務提供”等4個層次。該框架的一個特色在于其引人了“服務提供”層對于真實物理世界的反饋回路，更加完善地考慮了智慧城市技術對于城市生活的影響。

在科技部 863計劃“智慧城市（一期）”項目的支持下，863計劃智慧城市項目（一期）總體組提出了“六橫兩縱”的智慧城市技術框架。該框架將智慧城市技術體系按照依賴關系劃分為“城市感知層”“數據傳輸層”“數據活化層”“支撐服務層”“應用服務層”以及“行業應用層”等 6個橫向的層次，即“六橫”；同時還引人了貫穿6個層次的兩大保障體系：“標準與評估體系”以及“安全保障體系”，即“兩縱”。該技術框架的一大特色在于其十分具體地細化了各個層次所應包含的技術集合以及其之間的相互依賴關系，為智慧城市技術的整體發展提供了詳細的布局性指導。我國未來智慧城市的技術體系建設很有可能將會參照該體系進行豐富和完善。

綜合看來，上述幾種智慧城市的技術體系框架均有一個共同的特性，即以數據的獲取與管理技術作為底層的支撐，以數據挖掘、處理和分析技術作為整個框架的核心構成，在此基礎之上對城市用戶提供多樣化的服務應用。換言之，未來智慧城市的技術的發展方必將是以數據為中心，在這一點上學術界已經從頂層設計的角度達成了基本共識。

2.2數據驅動的智能交通

城市交通系統是城市中信息化程度較高的部分，浮動車、一卡通、微波線圈、攝像頭等交通傳感與信息化設備可以有意或無意地將城市中交通參與者的交通行為記錄下來，從而為數據驅動的科學研究提供研究樣本。同時，由于城市交通領域自身的數據富集優勢，又使得以數據為中心的智慧城市技術能夠率先在智能交通領域中發揮重要作用，我們稱這類技術為數據驅動的智能交通技術。以數據為驅動的智能交通技術研究中所采用的城市數據主要包括地圖與POI數據、GPS數據、客流數據、道路微波測量數據等，并通過多種手段對采集到的數據進行分析和理解，實現感知城市的交通運行狀況，為市民提供交通引導、導航、推薦等智能服務。

數據驅動的智能交通技術可以被細分為支撐層面和應用層面兩個層次的研究。

支撐層面的研究工作集中在全城交通的感知與分析方面，其目的是感知城市的總體交通狀況、分析全市交通的統計行為特征，建立分析模型，為具體的智能交通應用提供數據分析與交通狀態評估支撐。例如，基于城市交通監控數據的實時路況報告作為一種成熟的技術已經得到非常廣泛的應用，對于城市中具有特殊特性路段的檢測和查詢、平均通勤時間評估、交通異常與事故的檢測等研究可以極大地提高城市道路交通的管理效率。另外，通過對于GPS數據的深人挖掘和分析，可以進一步理解城市中交通運行的具體模式，提供交通流量的評估、預測和管理等應用服務。

應用層面的研究則集中在城市交通管理與運行的各項服務應用中。基于GPS的路徑導航服務是最為典型的應用之一，豐富詳盡的地圖數據配合實時的路況分析結果可以為用戶提供非常優質的行駛路徑導航服務。包含有人類行為信息車輛 GPS數據則可以提供汽車司機的駕駛知識來進一步優化導航路徑的選擇，微軟亞洲研究院開發的T-Driver車輛導航系統就采用了這樣的設計理念。T-Driver系統統計了北京市城區出租車的GPS行駛數據，然后將不同地標之間駕駛技術最嫻熟的出租車司機的駕駛路徑用圖的方式組織起來，就形成了一張包含了出租車司機駕駛知識的地標圖。用該地標圖來進行路徑導航，可以有效地提高車輛在擁堵時段的行駛效率。該研究的主要特色在于將數據統計中獲得的人類智慧應用到傳統的信息化交通服務中，將車輛導航應用由傳統的“以計算為中心”變為“以數據為中心”，所采用的核心技術也由傳統的規劃技術變為以數據為驅動的統計技術，其意義非常深刻。

另一類被廣泛研究的應用是出租車與乘客之間的推薦服務。該類研究最重要的任務就是理解出租車與乘客的行為模式以及兩者之間的交互關系。法國電信研究院的Zhang等人通過對5350輛出租車駕駛行為的研究，分析比較了不同出租車尋客策略的有效性。文獻[29-30]對如何通過優化出租車的載客策略來提高出租車司機 s收入進行了深入研究。北京航空航天大學的Xu等人，通過對北京 1200輛出租車的乘客數據分析，研究了優化的乘客打車策略，并基于該研究開發了名為TaxiWaiter的打車輔助系統。T-Finder系統則同時考慮了出租車與乘客兩個方面的需求，通過對街道打車概率的統計和分析來進行出租車尋客路線和乘客打車路線的推薦。

路徑導航（行車路線推薦）、出租車尋客路線推薦和乘客打車地點推薦都屬于有資源約束的分配推薦問題，其本質是一個帶約束的多方博弈，現有的研究工作提供的均是局部優化的解決方案。博弈論的相關知識告訴我們，分布式的局部最優并不能保證帶來最終的全局最優解。如果所有的出租車均按照推薦的行駛路線到乘客較多的地點爭奪乘客，那么一方面會導致這些地點成為較難尋找顧客的地點，另一方面還會導致其他地點的乘客由于缺乏出租車而打不到車。解決該問題的一個途徑是采用集中調度的手段實現全局的車輛負載均衡，這種方案雖有較好的理論性能，但是實現起來非常困難。另一個途徑是在推薦算法的設計上引人博弈懲罰機制，以多輪博弈的方式實現分布式的全局最優。相關的理論與應用研究還需要進一步深人探討。

出租車行駛的異常軌跡檢測也是學術界非常關心的問題。如何區分出租車司機為躲避擁堵而進行的適當繞行和惡意的“宰客”繞行是該類問題要解決的核心問題。法國國立電信學院設計提出的iBAT/iBOAT算法可以有效地對繞行出租車進行在線識別或是軌跡識別，其分析結果顯示，偏愛繞路的司機所對應的月收人并不比不繞路司機的平均值高，一些司機想通過惡意繞行來增加收人往往只是一種心理安慰行為，這對于設計合理的出租車收費政策、避免司機惡意繞行有著非常重要的價值。

以數據為驅動的智能交通技術還可以在優化城市公共交通系統方面發揮巨大的作用。B-Planner系統使用出租車GPS數據所提供的城市通勤需求信息，重新設計了杭州市夜間公交車的行車路線，滿足了不同時段人們對公交線路的不同需求。T-Share出租車拼車系統通過綜合考慮打車人的位置、目的地以及出租車的行駛路徑等因素，對出租車的拼車路線進行了合理規劃，在充分利用出租車自由靈活特性的同時提高了搭載乘客的通勤效率。Flexi則使用GPS數據設計了一種靈活性介于公交車和出租車之間的小型綠色公交系統。隨著軌道交通系統在各個城市的發展，乘坐地鐵出行成為城市居民越來越多的選擇，針對地鐵軌道交通的智慧城市交通數據研究也受到越來越多的重視。北京航空航天大學使用北京地鐵系統的客流數據，對北京市軌道交通的負載流量進行了預測分析，其研究成果對于保障軌道交用運營安全、提高軌道交通運營效率有著非常重要的意義，Capra等人對倫敦地鐵系統（tube）的客流擁堵模式進行了系統的分析，并以此為依據提出了避免地鐵擁堵的技術方案，除此之外，綜合利用多種交通工具的客流數據，還可以實現對用戶全出行路徑的系統規劃與通勤時間估計，以此為基礎開發的城市交通公共服務系統，對于優化城市的整體通勤效率、改善市民的出行交通體驗等都有著非常巨大的幫助。

從上述工作可以看出，科研人員們在數據驅動的智能交通領域均取得了豐碩的研究成果。值得注意的是，現有的系統與成果大多是依靠浮動車GPS一卡通、微波探測線圈等結構化較好的數據源。對于包含豐富語義信息但結構化程度低、信息維度高的城市交通視頻監控數據，現有研究使用的還非常少。有關監控視頻的應用研究依然停留在視頻處理、語義提取、事件理解等階段，在智慧城市技術體系中扮演著數據準備的角色，尚不足以完全支撐以知識發現為目標的集成應用。這一方面是因為高維視頻語義分析理解難度大，相關技術尚不成熟；另一方面也是因為視頻數據的體量過大，很難按照城市的規模進行協同組織與處理。解決城市交通監控視頻上述兩個方面的挑戰，將會是以數據為中心的智慧城市研究在智能交通領域所要面臨的一項重要任務。

2.3城市計算技術

城市計算是計算機科學以城市為背景，與城市規劃、交通、能源、環境、社會學和經濟學等學科融合的新興領域，城市計算技術從城市的全局著眼，通過整合、分析和應用跨行業、跨領域的城市數據，來設計更加高效的城市服務與應用系統，并希望通過這些技術的應用來實現“人-環境-城市”三者的和諧發展。城市計算技術的核心是數據挖掘、分析與應用技術，以數據為中心的城市計算技術是構建智慧城市所必不可少的一項支撐技術。在本節，我們從城市動態特性研究、城市功能識別與規劃、附加行業應用等3個方面，介紹在城市計算領域圍繞城市數據應用所取得的一些最新研究進展。

2.3.1城市動態特征的檢測與分析

在地理結構上一座城市可以近似地看作一個基于經緯度坐標系的二維平面空間，通過城市傳感設施所獲得的城市數據則可以看作對于二維城市平面空間的動態特性的時間采樣。這樣，按照經緯度地理位組織起來的城市數據采集設備就形成了一個隨著時間變化的二維時變信號源。信號源的采樣對象是城市的內在動態特性，城市的人口、交通、經濟、環境等各種深層次的動態行為都會在該信號源上有所體現，不同的數據收集方式相當于采用了不同類型的傳感器，任何一種城市數據都是城市的內在動態特性在某一特殊傳感信號空間上的映射。例如，使用安裝有GPS設備的出租車與公交車輛收集到的浮動車數據，可以被理解為使用浮動車作為傳感器對于整個城市的動態特性進行采樣，所收集到的GPS位置信息實際上是城市深層動態特性在浮動車GPS信號空間上映射。盡管浮動車的GPS數據直接表現出來的是車輛的位置、速度分布等道路交通信息，但事實上整個城市的市民生活方式、經濟文化分布、城市地理結構等深層次的城市特性都會在 GPS信號空間上有所反映。如果我們能夠綜合有效地利用信號分析、統計學習、數據挖掘等技術對浮動車 GPS數據等城市感知數據進行挖掘，就可以有效地檢測發現城市動態特性的內在模式和運行規律，從而改善和優化城市環境，實現城市發展與運行的智慧化。

在使用城市感知數據對城市動態特性進行研究的現有工作可以分為城市動態檢測和城市動態分析兩大類。接下來，我們對這兩大類的代表性工作進行簡要介紹。

1）城市動態特征檢測

城市動態特征檢測研究的目標是對城市感知數據中包含的城市空間特征和時間特征進行檢測發現。如圖5所示，空間特征是指在時間上頻繁或規律出現而在地理上具有獨特分布的城市數據特征。城市的空間信號特征往往對應于城市中具有特殊功能的熱點地區，例如商業區、交通樞紐站、事故多發點等。早期的熱點檢測方法以城市數據信號的強度和密度特性作為衡量指標，不同的強度和密度對應不同的空間特征。香港科技大學Lionel教授的團隊最早提出了一種基于移動特性而非密度特性的熱點檢測方法。微軟亞洲研究院的Zheng等人通過將GPS數據同POI數據相結合的方式，計算了北京各個城市區域中屬于某一個功能區劃的概率，并以此為依據實現城市功能區的劃分，該工作的底層支撐技術就是城市空間信號的特征檢測。類似的工作還有使用推特文本數據流的時空動態檢測，根據大規模出租車的運動行為對城市的社交功能分布進行檢測、以及對城市人口的移動特性檢測等。

城市時間特征是指在時間上隨機出現的異常于該地理區域通常時間分布的異常信號特征，該類特征往往對應于城市中一些特殊事件的發生，例如演出、大型活動、交通管制等。文獻[57]使用出租車浮動車的GPS數據設計了分析城市交通流量異常的檢測算法。文獻[58]在前述算法的基礎上進一步實現了對于交通異常模式的早期檢測，利用該算法提供的服務，可以更早地對道路交通中的一些擁堵事件進行具有前攝性的預防處置。文獻[59]則使用群體感知的方式收集了城市中市民的活動數據和社交網絡的媒體數據，并利用這些數據進行城市交通事件的異常檢測。由于社交網絡中的媒體數據具有更加豐富語義特性，因此可以獲得更加準確的檢測效果。

2）城市動態特征分析

城市動態特性的分析工作更加側重于對城市中時間和空間模式的成因及內在聯系進行分析和理解。例如，文獻[60]提供了對于道路交通中異常事件根本成因的分析挖掘的方法。文獻[61]將研究重點放在了城市空間動態特性的分析之上，其利用浮動車的GPS的軌跡數據建立了城市不同空間特征之間的交互作用模型。文獻[62]進一步分析了城市空間特征與時間特征背后的成因聯系，將城市動態特性分解為一些基本模式，并將復雜的城市空間與時間特征用這些基本模式的線性組合表示，研究的實驗結果具有很好的可解釋性。文獻[63]則使用可視化的方式，對于北京市城市交通擁堵事件的關聯關系進行了分析。

比起面向具體城市應用的研究工作，城市動態特性的檢測與分析的內涵和外延都更加抽象，研究工作范圍邊界很難明確界定，很多研究都作為具體應用的支撐技術在相關文獻中進行介紹，系統性不強。但是作為應用研究的支撐基礎，該類研究工作的價值不容忽視，構建和梳理系統的城市動態特性檢測分析技術與理論體系是深人開展該項研究工作的當務之急。

2.3.2城區功能識別與規劃

識別城市不同區域的主要功能作用是理解城市特點的首要任務之一，開展城市規劃工作是指導城市建設發展的主要手段，以數據為中心的智慧城市技術在上述領域同樣發揮了非常重要的作用。

城區的功能識別是指利用城市運行數據和動態特征，對于城市的各個不同區域按照其在整個城市中所承擔的功能進行識別和標注。例如劃分出商業區、住宅區、工業區、行政區等。該類研究的難點一方面在于城市的功能區劃往往具有非常大的重疊性和混合性，即便是采用人工標注的方法也很難準確定義某一個城區的所承擔的具體功能；另一方面，由于城市的功能區劃屬于城市動態特性的深層次語義，并沒有非常適當的城市監控指標可以直接反映城市區域的功能，科研人員需要從不同城市數據空間中將城市功能區劃的投影從眾多深層次特性的投影當中提取出來，這具有非常大的難度；此外，由于城區功能是城市的深層次特性不能直接觀測，因此很難對檢測算法的檢測正確性進行直接驗證，這也造成了對于研究工作評價的困難。盡管具有諸多挑戰，但是該類研究的價值依然是顯而易見的，對于城市的設計者來說，城市的功能結構對應了城市的內在發展規律，通過了解城市內在的發展規律，可以指導未來城市的建設方向，糾正已有不合理的城市規劃方案等。

早期的城市功能區域識別工作只能對城區進行粗粒度的功能區分，例如文獻[64-68]僅能區分住宅區、非住宅區兩種類型的城市功能區劃。文獻[69]將分區的精度提到3種，即住宅區、工商業區、公共機構區。文獻[70]則將城市的功能區進一步細化為4種，即商業區、工業區、服務區、住宅區。這些粗粒度的城市功能區域劃分在一些結構單一、形成時間短、規劃效果好的城市當中能夠表現出較好的性能。但對于我國城市普遍存在的一些問題，例如城區功能復雜、混合程度高、先建設后規劃等問題，上述算法很難滿足實際的應用需求，還需要有更加細粒度的城區識別技術。針對上述需求，文獻[62]將城市的日常通勤模式劃分成住宅區模式、工作區模式和其他模式，每一個城區的功能可以被建模為 3種不同模式根據自身功能需求而形成的線性組合，線性組合的系數可以被用來當作該城區功能成分的度量。例如，如果某一城區在住宅區通勤模式上的系數比較大并有中等的工作區通勤模式系數，那么該區域就可以被認為包含有較多的住宅，同時還兼有一部分工作區的功能。文獻[52]對于一個城市商業區的密度水平進行了評估，每一個城區都可以使用該文獻提出的算法來估算商業功能在該個城區中的概率。文獻[53]提出了對于城市的住宅區密度分布進行測算的方法，這些方法可以用來度量某個城區屬于住宅區的概率。文獻[71]使用 OD語義流來探究不同出發—到達城區之間的相互關系。浙江大學的Pang等人使用出租車的GPS數據對于杭州市不同城區的功能進行了細粒度的劃分，該研究通過細致的城市區域功能特征設計，使用基本的SVM算法獲得高達95%的城區功能識別率。微軟亞洲研究院的Zheng等人借鑒自然語言處理領域中文章主題分類的方法對北京市的城區域功能進行了識別和分類，該研究的核心思想是將不同的城市區域建模為文章主題分類模型中的文章，城市的區域功能類型建模為文章的主題，將城區的通勤模式分布建模為文章的詞頻分布，并配合POI數據使用改進的 LDA對城市區域進行分類，取得了非常好的分類效果。

除了使用交通通勤數據外，文獻[73]使用手機數據對城市的區域功能進行了識別和劃分。類似的技術還可以應用到對于道路和特殊興趣點的類型劃分，例如，文獻[74-75]對于城市的街道類型進行了識別和劃分。文獻[76]發現城市軌道交通的客流數據在反映乘客出行情況的同時，也揭示了城市區域間的功能聯系和演進規律，因此使用北京市的地鐵客流進出站數據對北京地鐵站周邊的城市區域進行了功能識別與劃分，為北京城市地鐵站周邊區域的規劃與設計提供了指導信息。文獻[77]則使用紐約地鐵的客流數據對紐約地鐵站的功能類型進行了劃分，為紐約地鐵的建設規劃提供了指導幫助。

使用城市數據對于建設規劃的合理性進行評估也是近兩年新興的一個研究方向。文獻[49]使用城市出租車GPS軌跡數據測算了北京市不同城區之間的連通性，并設計了3種指標對于城區之間的交通性能進行評估。該研究所取得的成果可以用來檢測城市的設計失誤和評價城市的設計優劣。

上述研究工作可以看作是對城市動態特征檢測技術的一種應用，它們的一個共同特點是并不關心城市數據與某一具體城市動態特性之間的相關關系，而是使用城市數據所包含的整體信息來對城市的結構特性進行理解。其研究方法則是直接對采集到的城市數據進行模式提取與分類，并用分類后的結果近似城市的功能區劃。這些研究之所以能夠這樣做是因為城市的功能與規劃本身就是多種城市動態特性的綜合體現，我們可以不用具體理解某一特定的城市動態特征對城區功能的直接作用方式，而只需要比較其之間的差異性即可。在該類研究中，所采用城市數據的種類越豐富，數據包含的城市動態信息越多，越有利于問題的求解。

2.3.3附加行業應用

以數據為中心的智慧城市技術也能為不同的城市行業應用提供巨大的幫助，海量的城市數據的收集過程本身就是為了支持與之相對應的行業應用。例如，GPS浮動車數據是為了監測道路的擁堵狀況；手機數據是為了提供手機通訊服務；一卡通客流數據是為了提供方便的公共交通服務等。除了這些數據本身所對應的專門應用之外，城市數據還可以用于提供與最初數據收集過程無關的行業應用，我們稱之為附加行業應用。附加行業應用的一個重要特點是，人們無法獲得充分的目標行業數據，而只能采用相關的外圍城市數據，建立行業信息同外圍數據之間的關聯模型，再利用模型和綜合數據反推行業應用所需的信息。如何從包含了城市綜合特性的外圍城市數據當中提取某一特定附加行業應用所需要的信息，是附加行業應用研究所面臨的主要挑戰。一些具有代表性的研究工作包括能源消耗、空氣質量、住房價格和地圖測繪等。接下來我們對這些工作進行簡要介紹。

1）能源消耗

能源是維系城市運轉的動力所在，隨著全球能源的日益枯竭，降低城市能源消耗、構建綠色城市成為智慧城市建設的核心目標之一然而，城市作為一個復雜的能量代謝系統，即便是弄清楚城市對某一種特定形式能源的消耗量也是非常困難的。為解決這一問題，微軟亞洲研究院的Zheng等人利用出租車GPS數據和城市加油站的POI數據對北京市機動車輛的每日汽油消耗量進行了估算。該研究所要解決的挑戰一方面在于出租車并不能完全代表城市中全部車輛的行為，每一個加油站中正在加油的車輛中只有一小部分是出租車，也并非每個加油站每時每刻都有出租車輛在進行加油；另一方面 GPS數據只包含出租車的行駛軌跡與運營狀態信息，沒有明確的車輛行駛意圖信息，一輛出租車在加油站附近出現并不能說明其正在加油，需要有專門的算法對出租車的加油行為進行檢測和判斷。針對上述兩個方面的問題，Zheng等人設計實現了從GPS軌跡數據中發現加油事件的檢測方法，提出了一種能夠在稀疏張量當中分析汽車在加油站中加油所消耗時間的評估算法，并實現了能夠通過加油時間推斷加油站車輛到達頻率的排隊計算方法。該研究可以為普通用戶提供加油站的推薦服務，也可以為石油公司的加油站建設規劃提供意見，同時還可以讓政府了解和掌握整個城市的能源消耗情況，從而制定更為合理的能源管理政策。

除了Zheng等人的研究工作之外，文獻[79]還通過分析城市人口、車輛GPS數據以及POI等數據來規劃電動汽車充電站的建設。文獻[80]則通過分析車內總線傳感器的數據來設計更加節能環保的汽車駕駛方式。

2）空氣質量

大氣污染問題是我國主要大型城市所面臨的一個巨大的環境問題。尤其是近幾年，北京的空氣質量問題受到了從政府到公眾的一致關注，PM2.5、霧霾、空氣指數等不斷成為新聞媒體所熱議的關鍵詞。為解決我國城市近兩年持續出現的空氣污染問題，國務院于2013-09-10日印發了《大氣污染防治行動計劃》，提出要從 10個方面采用綜合手段防治大氣污染。然而，空氣污染也具有非常復雜的成因，人們在對于大氣污染的認識依然存在著許多空自。比如大氣中的首要污染物就是竟是由什么原因造成的，交通、工廠、氣候、天氣、人口、植被，究竟哪一個才是對空氣質量影響最大的因素，現有的空氣監控系統能否滿足大氣污染治理的實際需要等。只有回答了這些問題才能夠真正實現對于大氣污染的有效防治。

基于城市計算技術的U-Air系統在該領域取得了初步的研究進展。U-Air系統對北京市22個空氣監測站的PM2.5數據讀數進行了分析研究，發現即便是在相同的天氣條件下，距離非常接近的兩個空氣監測站的 PM2.5數據讀數依然會有數倍的差距。這意味著如果采用線性差值的方法，目前較為稀疏的監測站分布并不能完全反映整個北京市的空氣質量情況。市民在得知空氣質量較好的情況下，很可能會外出進人一個空氣質量非常差的市區，從而引發健康問題。為了解決這一問題，U-Air系統利用機器學習技術，使用城市的氣象數據、交通數據、城市結構數據、POI數據等訓練獲得了城市空氣質量的時空模型，并使用該模型實現了以1 km2為單位的細粒度城市空氣質量報告。此外，該模型還能夠很好地度量不同城市動態因素對空氣質量的影響情況。該研究成果為進一步的空氣質量預報和空氣污染治理等大氣污染防治工作奠定了初步的基礎。

3）城市經濟

城市經濟學是經濟學的一個重要分支，其研究對象是城市中各要素在社會經濟系統中的相互作用關系和運行方式。以數據為中心的智慧城市技術采用全新的視角來分析城市經濟學問題，與傳統的經濟學分析模型不同，數據挖掘、機器學習等人工智能技術在這里扮演了核心角色。

英國科研人員設計開發的Geo-Spotting系統使用機器學習的方法，利用Foursquare應用提供的LBS數據，對紐約城區的店鋪地理位置與營業收益的關系進行了分析，并以此為依據幫助商戶進行店鋪選址。文獻[85-86]使用POI數據對城市的經濟活動分布進行研究。此外，一些關于城市商業區分布的城市功能區域識別工作也可以列人城市經濟學的范疇當中。

4）地圖測繪

城市交通數據在地圖的測繪方面也能夠發揮非常大的作用，對于城市當中一些新修建但并未進行地圖測繪的街道，可以使用車輛行的駛軌跡數據進行測量，這樣的測繪方式可以極大地提升城市地圖的測繪效率并有效地降低測繪成本。文獻[87]率先研究了使用城市交通的GPS數據進行地圖繪制的方法，文獻[88]提出了一種能夠檢測雙向道路路鏈的地圖生成算法，文獻[89]則進一步設計了能夠對城市中立交橋交叉點進行檢測地圖繪制方法。

綜上所述，附加行業應用的相關研究專注于智慧城市建設某一領域的特殊需求，核心任務是建立已知城市數據同城市未知特性之間的關系模型。該類研究所面臨的關鍵挑戰在于如何降低現有數據同無關特性之間的稠合程度，挖掘數據同目標應用之間的相關聯系。在該類應用當中數據所包含的城市動態信息越單一越有助于問題的求解。

2.4城市人類行為統計力學

人類行為統計力學是統計物理學的一個重要分支，主要研究內容是使用統計的手段揭示人類行為的內在規律，采用的研究手段以復雜網絡、復雜系統等物理學工具為主，并綜合融人了信息科學、社會學等多學科研究工具。該領域的研究早期由物理學家發起，近幾年越來越多地受到信息科學等其他領域科研人員的關注.城市環境下的人類行為統計力學研究我們稱之為城市人類活動統計力學。該類研究與智能交通、城市計算等信息學科研究的不同之處在于其更加關注揭示數據背后所蘊含的自然規律，應用色彩并不濃重。接下來，本文從城市交通網絡分析和市民行為建模兩個方面簡要介紹相關的研究工作。

2.4.1城市交通網絡分析

與城市交通網絡分析相關的統計力學研究來源于復雜網絡的相關研究。1998年 W atts和 Strogatz在《Nature》上發表文章提出了小世界（small world）網絡模型，該模型描述了從完全規則的網絡到完全隨機網絡的網絡轉變。小世界網絡既具有與規則網絡類似的聚類特性，又具有與隨機網絡類似的較小直徑。隨后，1999 年Barabasi和Albert在《Science》上發表文章指出許多實際的復雜網絡的連接度分布都具有冪律形式，由于冪律分布沒有明顯的特征長度，該類網絡又被稱為無標度（scale free）網絡。在兩篇經典網絡研究論文的推動之下，復雜網絡理論開始在各個學科顯現出巨大的能量，并逐漸成為交叉學科研究的熱點之一。

在城市研究領域，道路交通網絡特別是軌道交通網絡成為復雜網絡理論應用的主要領域。文獻[92-94]分別對美國波士頓市的交通網絡、印度的鐵路網絡、以及波士頓和維也納軌道交通網絡進行了研究，發現上述網絡均滿足小世界特性。文獻[95]采用公共交通數據和私人交通數據對韓國的高速公路網絡進行了研究。研究結果顯示，公共高速公路網絡為無標度網絡。但與私人交通網絡合并后，網絡不再具備無標度網絡特點，而是符合重力模型。文獻[96]對韓國首爾的地鐵網絡進行了研究，研究顯示首爾地鐵邊的權重分布為冪律分布，對于客流數據通過生成樹模型構造出的圖，其強度為對數正態分布，度分布為冪律分布。文獻[97]對新加坡公共交通網絡進行了分析。結果顯示，就網絡拓撲特性而言，軌道交通網絡更接近于隨機網絡。但在考慮客流網絡后，網絡整體呈現出無標度網絡特性。文獻[98]則對加拿大多倫多市的地鐵網絡的未來發展規劃進行了評估，結果顯示多倫多地鐵網絡在之后25年將更加優化。

由于我國城市軌道交通發展的相對較晚，國內城市交通網絡的研究目前主要集中于公交網絡，涉及到地鐵網絡的只有對北京和上海地鐵網絡的研究。但這些研究大多局限于利用仿真模擬方法討論網絡抗毀性方面的特性等。

2.4.2城市居民行為建模

城市居民的行為建模是人類時空動力學研究的一個子集二。人類行為的時空動力學研究開始于 2005年Barabasi教授在《Nature》上發表了一篇有關人類行為時間特性的論文。該文認為人類行為在時間上分布并不符合對泊松過程，并提出了一種基于優先級的排隊論模型，該模型顯示人類活動的時間分布更加接近于冪律分布（power law）。隨后，Broekmann等人在《Nature》上發表了關于人類行為空間標度律的研究，該研究顯示人類長程旅行中表現出來空間行為的既不同于隨機游走過程又不同于 Lévy飛行過程的獨特性質。在文獻[106-107]的推動下，人類行為的時空動力學很快成為統計物理學和復雜性科學研究的熱點領域。

城市作為人類活動最為密集的區域之一，在該研究領域中必然不會缺席。在眾多城市數據當中，最先被用來分析人類時空行為的是手機數據。文獻[108]使用志愿者3~6個月的短消息通信記錄進行了人類活動的時間分析，發現其行為符合冪指數在1.2~1.7之間的冪律分布。文獻[109]利用2006年新年期間600萬用戶的3000萬條短信數據進行統計分析，發送時間間隔和回復時間間隔均符合截尾冪律分布。文獻[110]對來自3家公司14萬用戶的150萬條短信記錄進行了分析，并發現其符合雙模分布，即前段為冪律分布，后段為指數分布。

在人類空間行為研究方面，文獻[111]分析了 10萬名手機用戶在6個月內的通話地點記錄，發現這些用戶的移動距離服從帶有指數尾的冪律分布。進一步，文獻[112]使用同樣的手機通話地點數據對人類空間活動模式的可預測性進行了分析。分析結果顯示，樣本數據中的用戶活動在空間上具有93%的可預測性，且不同個體的可預測性差異并不大。

文獻[113]使用瑞典4個城市中50輛出租車6個月的GPS軌跡數據，對出租車乘客的出行行為進行了統計分析，研究認為出租車乘客的乘車距離服從雙段的冪律分布。北航的Xu等人使用北京市近兩萬輛出租車3個月內的GPS軌跡數據，對出租車乘客的乘車距離特征進行了更加精確的統計測算。其結果發現，出租車乘客的乘車距離與時間長度均服從指數分布，而非文獻[113]所認為的冪律分布。Bazzani教授的研究小組使用意大利羅馬、博洛尼亞、西尼加利亞和佛羅倫薩等城市的私家車GPS數據，對私家車主駕車出行的行為特征進行了統計分析，統計結果顯示這3個城市的車輛行駛里程都近似服從指數分布，驗證了文獻[114]的統計結論。

文獻[119]使用倫敦地鐵中200萬名乘客在一周時間內的IC卡刷卡數據，對于乘客的乘車距離進行了統計，研究發現地鐵乘客的乘車距離更加近似于負二項式分布，而非通常認為的冪律分布或是類似于出租車乘客/私家車主出行距離的指數分布。文獻[120]對230名志愿者填寫的日常出行日志數據進行了研究，該研究的一大亮點在于對個體行為的空間特性進行了分析。研究結果顯示，在混合交通情況下，交通費用通常與出行距離通常具有線性關系而出行時間與距離則具有“對數+線性”關系，出行距離分布近似為帶有指數截斷的冪函數律；而在單一交通工具出行時間和距離是線性關系。

2012年Barabási教授在《Nature》上發表的一篇文章提出了一種關于城市間市民通勤活動范圍的“輻射”模型，該模型相比交通領域中傳統的引力模型更加準確且沒有參數。該文很快引起了學術界對城市交通通勤行為的關注。人們對于城市的人類活動行為的研究重點也開始從出行距離的標度律研究擴展到了城市/城區之間的人口移動流量研究。北京航空航天大學Xu等人基于多個城市的出租車與出行數據分析，提出了一種新的群體移動模型，能夠模擬和預測城市內不同區域間的人口移動的流量。基于這一模型的理論分析進一步表明造成出租車出行距離呈指數分布的根本原因在于城市內人口密度呈指數衰減。針對城市內通勤模式與城市間通勤模式的不同特性，北京師范大學的Wang教授等人提出了一種conductiorrlike stochastic process模型來進一步準確刻畫城市內人口流動的通勤特性。

綜合上述研究可以看出，利用來源豐富的城市多源數據以及強大的統計物理工具，我們可以深刻地理解城市道路、交通結構以及人類活動行為的本質特性。相對于基于機器學習、數據挖掘的等計算機技術的城市計算等研究，該類研究領域的研究結論具有很強的可解釋性。在應用方面，該領域的文獻雖然很少介紹具體的應用方式，但是我們可以看出，相關的理論研究成果可以很好地為智慧城市中的交通規劃建設、定制推薦、傳染病防控等應用服務。

3技術與研究特點

3.1核心技術與理論

1）數據感知技術

以數據為中心的智慧城市技術從頂層設計到具體的技術細節，均是以海量的城市數據作為核心支撐的，因此城市數據的感知與獲取技術就成為研究工作的整體技術基礎。傳統的城市傳感器技術在為不同的行業應用提供服務的同時，也直接或間接地收集到了大量的城市動態感知數據，這些數據使得現有的研究工作成為可能。與此同時，隨著移動互聯網的興起，人們可以隨時隨地的記錄和分享自己的所見所聞，使得“以人為傳感器”對城市進行感知的群體感知技術開始日漸興起。例如文獻[124]使用微博數據對2012年北京市“7·21”暴雨的積水點進行了檢測，其結果與實際積水地點基本相符。目前，群體感知技術在智慧城市應用當中還只是傳統數據獲取方式的一種補充，相信在不久的將來，群體感知技術將會逐步走向前臺，成為智慧城市應用的一項主要數據來源。

2）數據管理技術

海量城市數據的存儲、管理與檢索是一項非常具有挑戰性的工作，已有的一些研究工作顯示，分布式數據庫、Hadoop等現有的數據管理方式尚無法完全滿足智慧城市應用對于海量數據查詢與管理的實時性和靈活性要求。造成該問題的根本原因在于，用于智慧城市應用的海量城市數據并非專門為建設智慧城市而收集（多為城市信息化和數據化過程中的信息基礎設施），數據管理系統的設計者更多考慮的是其初始的數據應用需求，而沒有對智慧城市應用作任何數據管理優化。同時城市計算等智慧城市技術在數據利用方面又有著異常廣闊的想象空間，即便是智慧城市研究的專家也無法列舉所有可能的應用模式。這就導致數據管理系統的設計者在開發系統時無法獲知系統應用者的具體應用需求，從而引起數據管理系統與應用系統之間的不匹配，影響系統的整體性能。如何解決這一問題目前學術界和工業界尚并沒有非常成熟的技術方案和支撐理論。

3）數據挖掘技術

數據挖掘技術是大數據時代進行數據利用和知識發現的另一項核心關鍵技術，構建以數據為中心的智慧城市也必然需要數據挖掘技術的大力支持。該領域一個主要的挑戰在于如何在海量多源的城市數據當中尋找合適具體應用的數據子集。例如，城市動態檢測研究往往需要所使用的城市數據子集盡可能多的涵蓋城市動態特性的各個方面，而具體的附加行業應用則要求數據所包含的信息盡可能的單一純粹。這些互斥性的數據需求給城市數據的收集、管理和挖掘都帶來了巨大挑戰。解決好數據子集的選擇問題與子集間不同數據的融合問題，是在智慧城市領域進行數據挖掘研究的關鍵所在。

4）數據活化技術

數據活化（data vitalization）概念是由北京航空航天大學熊璋教授所提出的一種全新的數據管理與應用模式。數據活化也就是賦予數據生命的意思，數據活化技術的核心思想在于將真實物理世界中的數據內在聯系映射到數據存儲與管理的數字空間中，使存儲空間中相互隔離的數據變為一個有機的整體，恢復數據在物理世界當中的關聯性，并突破信息空間在進行數據利用時的局限性。數據活化體系結構采用“活化細胞”(vitalized cell）的對數據進行組織。活化細胞作為數據組織和管理的最基本單元，一方面具有對數據的存儲能力，另一方面也具有映射物理空間中數據聯系與相互作用的計算能力。活化細胞在存儲數據的同時，會根據實際應用的不同，不斷地學習用戶應用行為并對細胞中的數據進行重組織，使數據可以更好地適應多樣化的用戶需求。同時，當物理世界中數據描述對象發生變化時，活化細胞還可以通過自主演化的方式來改變數據的儲存結構和內容，從而實現存儲數據的代謝與演化過程。

數據活化技術非常適合追蹤物理世界中的對象實體在數據空間中的映射演進過程，是處理海量城市數據、構建智慧城市的有力工具。例如，文獻[127]使用數據活化的思想設計了一種海量城市數據聯網的數據組織工具（the Internet of data，IOD），該工具可以對現有物聯網數據的活化組織，非常適合城市中海量物聯網與傳感器數據的管理。文獻[128]將數據活化思想直接應用到了智慧城市當中，設計了一種面向城市數據的數據活化體系架構。文獻[129]使用數據活化技術對監控視頻數據進行結構化的描述，該研究的成果可以用以解決城市視頻監控數據的高維度和非結構化問題。除此之外，數據活化技術也受到了工業界的密切關注，如圖7所示，美國Bardess Group Ltd. 公司基于數據活化技術開發了一種Data Revitalization的數據管理解決方案。該方案的數據管理架構共有5層組成，并且具有更新、學習和演進的能力，使用該架構可以有效的提高企業數據資產的整體管理質量。

數據活化技術已經在智慧城市、視頻數據分析、企業數據資產管理等數據密集性應用領域初步展示了其技術優勢。使用數據活化技術對城市數據的組織與管理方式進行重構，從數據的底層結構開始實現數據的智慧化，將會是未來智慧城市技術研究的一個重要的發展方向。

5）數據可視化技術

智慧城市技術是一種與普通民眾生活緊密結合的應用技術，友好親切的服務呈現方式是其中必不可少的環節。數據可視化技術能夠將復雜紛繁的城市數據以一種簡潔有序的方式呈獻給用戶，可以很好地填補技術到用戶之間的理解鴻溝。在城市數據應用的推動下，數據可視化必然會成為未來智慧城市技術體系當中至關重要的一環。

6）統計物理學理論

物理學是研究物質世界最基本結構、最普遍相互作用、最一般運動規律及所使用實驗手段和思維方法的自然科學。基礎物理理論對于工業應用技術的影響是往往是變革性的。17世紀牛頓經典力學引發的工業革命、20世紀量子力學引發的新技術革命都是非常好的證明。進人 21世紀之后，人類活動行為的基礎理論研究成為了統計物理學的一個新興研究熱點，復雜網絡理論、人類活動時空動力學等研究成果不斷涌現，這些成果必然會引發城市技術的發展的巨大變革。在這樣的大趨勢下，誰能夠更好地利用統計物理學的相關研究成果，誰就能夠在日趨激烈的智慧城市技術競爭中占領先機。

3.2領域研究特點

3.2.1多學科交叉

以數據為中心的智慧城市是一個多學科、多領域相互交融的交叉學科。該領域的工作涉及到信息科學、交通科學、環境科學、規劃與建筑學、統計物理學以及社會科學等多個不同領域的基本理論與技術工具。并給出了不同學科在以數據為中心的智慧城市技術研究中所扮演的角色地位。

由于數據收集、管理、分析、處理與應用均需要依賴于信息技術，因此信息科學在整個領域當中起到了核心的主導作用。同時，與城市生活運行密切相關的各項專業學科知識作為信息科學的在某一專業領域的知識補充，極大地擴展了信息技術所能夠涵蓋的應用范圍。在對城市數據進行應用時，某一專門學科的專業知識可以幫助信息技術建立所需的數據分析與處理模型。在整個以數據為中心的智慧城市研究領域當中，信息技術即是多學科進行交叉合作的關聯核心，也是支撐各個學科發揮其專業優勢的公共技術平臺。如果沒有信息技術作為銜接，專業學科知識很難在完全不相關的領域當中建立起必要的聯系。同時，如果沒有專業學科知識的幫助，信息技術所能發揮的作用也只能停留在信息領域當中，無法發揮出其應有的強大作用。

因此在智慧城市領域開展數據研究時，技術思路上需要充分考慮其學科交叉的特點，注意吸收和使用多學科的知識、經驗與技術。一方面要使用信息技術的視角，將信息科學的知識與核心思想應用到不同的學科領域當中，解決智慧城市建設過程中的不同領域的應用問題。另一方面也需要多多借鑒其他學科的問題分析與解決模式，將其融合到信息技術領域，從而豐富和擴展信息技術的內涵與外延。

3.2.2以數據為中心

為了理清以數據為中心的智慧城市研究中，城市信息基礎設施、城市運行動態以及城市數據所扮演的不同角色及其相關關系，我們用一個“X-Ray模型”來對城市數據應用的總體模式進行說明。

我們將想要了解的城市運行動態比作一個需要檢查身體的病人，病人身體中的神經、血管、肌肉、骨骼、內臟等器官分別代表了城市當中的交通、人口、環境、能源、經濟、物流等深層次的動態韻律。如果想要了解一個城市的健康狀況，我們必須對這些深層次的動態進行感知。最直接的方式是安裝傳感設備對我們想要了解的城市動態行為進行直接監測，但是由于成本、技術、隱私等問題，直接監測往往難以實現，我們只能使用從現有信息基礎設施中的獲得的外圍數據來對城市進行分析。這就好比醫生不能總是通過穿刺、手術等有損的方式來了解病人的身體狀況一樣，我們需要通過一些類似X光的醫學影像技術來了解病人。例如，車輛的GPS導航定位數據和手機通信的基站位置數據雖然并非了研究城市中人類活動行為而收集，但是卻可以在不侵犯用戶隱私和引起個體反感的情況下，對于人類日常活動的行為方式進行研究。這些城市數據就像 X光射線一樣，無損地透過城市的肌體將城市內大量有用的信息呈現給了科研人員。

智慧城市研究中進行分析數據的研究人員，需要像醫生將X片影像同疾病建立起聯系一樣，將不同的城市數據同所要分析的具體城市動態特性建立起聯系。在這一過程中，豐富的數據來源同精湛的分析技術都是必不可少的因素。充足的數據來源可以極大降低問題求解的難度，但是最終結果的可靠性還是需要依賴于研究人員對分析算法的設計和選取。就像綜合采用 CT、核磁、超聲等復合醫學影像手段可以更好的幫助醫生診斷病情，但最終的治療效果依然取決于醫生憑借專業知識與個人經驗而給出的系統治療方案。智慧城市領域的研究人員需要綜合運用信息科學、物理學、人類學、社會學知識等多學科知識，系統分析所能獲得的多種城市動態數據，對智慧城市的建設中所存在的問題作出精準判斷，然后因地制宜、對癥下藥的解決所面臨的問題。這就是以數據科學在智慧城市領域進行應用的學科特點，也是以數據為中心的智慧城市技術的魅力所在。

3.2.3區域特性

城市是人們生活的空間，關注城市科學的科研人員也身處其中，因此在進行智慧城市研究時，科研人員受到自身知識感受環境和數據項目來源的影響，會自覺或不自覺地首先選擇自己身處或離自己較近的城市作為研究對象。這就導致智慧城市的相關研究工作具有很強的區域性。美國的科研人員會優先選擇紐約、洛杉磯等大型發達城市進行研究，歐洲的科研工作更多的集中在歐洲中小城市的范圍內，而中國和華裔的科學家更加關注北京、上海等超大型發展中城市存在的問題。智慧城市研究的這種區域性特點為中國的科研人員帶來了得天獨厚的優勢。首先，中國具有非常豐富的城市資源。根據最新的統計數字顯示，截至 2012年我國的城市化水平已經達到 52.57%，全球人口超過百萬的特大城市21%位于中國。豐富的城市資源為我國學者提供了充分且熟悉的研究樣本。其次，隨著我國國民經濟的發展，我國城市的信息基礎設施的建設水平也有了顯著的提高，城市的信息化程度有了長足的進步。物聯網、GPS終端、智能手機、市政信息化等城市數據采集設施與渠道日漸普及與暢通，這使得我國學者可以相對較容易地獲得豐富的城市數據。除此之外，在提高城市管理水平、改善城市環境、治理擁堵污染等城市病、建設和諧社會、構建智慧城市方面，我國從政府到民間均有著非常迫切的需求和實際投人，這使得我國的科研人員可以得到充足的研究條件支持。上述3個方面優勢使得我國科研人員在以數據為中心的智慧城市研究領域中有可能率先實現理論和技術上的突破，從而引領世界智慧城市發展的潮流。

4研究展望

學術界和工業界圍繞著以數據為中心的智慧城市這一主題展開了多層次、多視角、多方位的理論與技術探索，并取得了令人矚目的研究成果。然而，構建和諧宜居的智慧城市系統，實現人與環境、人與城市和諧發展的智慧城市愿景，依然存在有諸多挑戰，這些挑戰需要多學科、多領域的研究人員們相互配合、凝聚智慧、共同面對。在這里，我們對未來在以數據為中心的智慧城市領域可能有所突破的研究方向和有待突破的研究問題進行展望。

1）多源城市數據的緊稠合

城市是一個復雜的、龐大的復雜動態系統，其任何一方面的動態特性都會在不同的數據空間中有所體現。現有的智慧城市研究工作往往只能利用到城市數據空間中的一兩種數據，即使是多源數據融合的研究工作也往往是某一類數據為核心，加之地圖/POI等城市GIS錨定數據作支撐，例如：出租車GPS數據+地圖/POI數據等。多源數據的稠合度并不高，利用模式也相對單一如何充分挖掘城市核心數據的關聯性，實現多源數據之間的緊稠合，將會是未來智慧城市中數據應用技術發展的必然趨勢。

2）信息世界一物理世界的交互

開展智慧城市技術研究的根本目的是為了服務城市與市民，即將信息空間的智慧應用到真實的物理世界當中。同時，應用了智慧城市新技術的物理世界也會發生變化，并在信息空間中有所反映，研究人員還需要根據這些反饋進一步改進技術。這種信息世界同物理世界的交互過程將不斷地迭代進行，并且逐步實現自主演化，最終構成一個具有自我改進能力的反饋系統。目前業界還沒有太多相關工作的報道，但相信不久的將來，物理世界與信息世界的交互研究將會成為智慧城市研究的一個重要方向。

3）城市深層次數據的利用

城市的運行過程涵蓋了交通、經濟、社會、物流等多層次、多方面的社會活動。現有研究工作所采用的地圖數據、交通數據、通信數據、環境數據等都只是反映了城市活動的物理與信息接觸行為，并且均是以地理位置坐標進行錨定標注的。對于一些深層次的城市邏輯行為，例如資金流動、政策導向、社會心理、流行時尚等，現有研究工作都少有涉及。開發利用城市深層次數據、挖掘城市運行的內在邏輯關系將會是智慧城市技術發展的未來方向之一。

4）城市行為動力學理論體系

城市行為動力學是理解城市內在行為與市民活動規律的基礎理論，其在整個智慧城市研究的理論體系當中扮演著非常重要的角色。目前的城市行為動力學理論研究還只是依附于人類活動時空動力學的一個統計物理學分支，尚沒有形成完整的理論體系，具體內涵與外延邊界也尚不清晰。因此，未來完善和發展系統的城市行為動力學理論，構建完整獨立的理論體系，將會是智慧城市基礎理論研究的核心任務。

5結束語

構建智慧城市是未來現代化城市的發展方向，以數據為中心的智慧城市技術是支撐智慧城市建設的技術基礎，相關研究具有很重要的在理論價值與現實意義。為了使讀者能夠對于這一領域的研究現狀有一個概要性的整體認識，本文從數據、研究與特點3個大的角度，對以數據為中心的智慧城市理論與技術進行了綜述。

隨著城市信息基礎設施建設的日漸成熟，人們對城市智慧化的需求也越來越迫切，智慧城市建設正在受到來自不同學科科研人員的密切關注。無論是在信息科學領域、城市科學領域，還是環境、能源、物理學等學科領域，以數據為中心的智慧城市都在逐步成為人們感興趣的熱點領域。尤其是在數據科學崛起的大背景之下，以數據為中心的智慧城市很可能會成為數據信息技術從虛擬數字空間走向真實物理世界的第一步階梯，未來的前景與影響力不可估量。

【作者單位：北京航空航天大學計算機學院；北京航空航天大學深圳研究院數據活化（智慧城市）深圳市重點實驗室；國家信息中心信息化研究部】

（摘自《計算機研究發展》2014年6期）

·高被引論文摘要·

被引頻次：150

數碼城市GIS的設計與實現

朱慶，李德仁，龔健雅

在介紹用于數碼城市GIS建設的CCGIS體系結構的基礎上，討論了不同細節層次的三維建模方法、集成化空間數據庫管理方式，包括基于面向對象思想的矢量、影像和DEM三庫一體化的空間數據庫模型和三維動態可視化表示機制等。該系統已被用于上海、深圳和北京等城市的數碼小區示范工程建設。實踐證明，它是建設數碼城市的有效平臺。

數碼城市；GIS；細節層次；數據庫集成

來源出版物：武漢大學學報（信息科學版）, 2001, 26(1): 8-11

被引頻次：136

論“數字城市”及其三維再現關鍵技術

顧朝林，段學軍，于濤方，等

摘要：“數字城市”是以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，運用 3S技術、遙測、仿真—虛擬技術等對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述。通過“數字城市”技術可以將現代城市的信息收集、整理、歸納起來，并按照地理坐標建立完整的空間數據模型，經過網絡聯結使每個人都能快速、完整、形象地了解城市的過去、現狀和未來。目前國內外“數字城市”研究基本上是停留在軟硬環境建設方面，至多處于研究的初期階段，并沒有在“數字城市”研究方面取得實質性的進展。本文主要探討我國實現“數字城市”的關鍵技術，諸如：數字城市空間基礎設施、多種GIS系統集成模型研究、3D GIS、三維城市規劃、城市仿真與虛擬現實技術、數字城市支持下的數字社區等等。

關鍵詞：數字城市；關鍵技術；三維城市規劃；虛擬現實

來源出版物：地理研究, 2002, 21(1): 14-24

被引頻次：112

面向服務的數字城市共享平臺框架的設計與實現

李德仁，黃俊華，邵振峰

摘要：以空間信息向全社會服務為目標，提出了新一代數字城市空間信息共享的理論框架，并且分析了其技術特點。基于SOA（service-oriented architecture）架構，設計了地理空間信息共享平臺的體系結構和基于 SOA的空間數據共享模型。基于ArcGIS Server開發框架，實現了城市多源空間信息共享平臺的原型系統。

關鍵詞：數字城市；Web服務；SOA；空間數據共享

來源出版物：武漢大學學報（信息科學版）, 2008, 33(9): 881-885

被引頻次：100

車載式城市信息采集與三維建模系統

盧秀山，李清泉，馮文灝，等

摘要：空間數據快速采集是數字城市工程的關鍵技術。研制了具有自主控制和移動地理坐標框架特點的車載式三維數據采集系統和相應的數據處理軟件包。系統集成了多種傳感器，實時完成載體的GPS定位數據、激光掃描數據以及CCD影像數據的綜合采集。自主開發的軟件包具有的功能包括：后處理GPS數據，以提供載體的地理位置、速度和各傳感器的坐標和方位；后處理激光掃描數據，以提供建筑物的距離、高度或寬度乃至特征線；后處理CCD影像數據，提供糾正后的目標紋理；建立目標三維模型，實現目標三維重建。作為空對地觀測技術的一種必要技術補充，擬解決城市高層建筑遮擋區、高層建筑物立面、多層建筑物復雜結構的信息獲取，以及城市和眾多工程建設所需的高速度三維測量問題。

關鍵詞：數字城市；移動地理坐標框架；全球定位系統；數字相機；激光掃描系統；三維建模

來源出版物：武漢大學學報（工學版）, 2003, 36(3): 76-80

被引頻次：77

數字城市若干理論問題探討

李琦，劉純波，承繼成

摘要：該文從城市與區域信息化、數字城市工程建設的角度，結合數字城市工程實踐，綜合城市建設領域、3S領域、測繪科學領域、計算機科學領域專家學者對數字城市的研究成果，對數字城市的基本概念、數字城市的理論框架、數字城市的工程框架等理論問題，進行了初步的研究，提出了數字城市的基本理論框架。

關鍵詞：數字城市；數字城市概念；數字城市理論；數字城市工程

來源出版物：地理與地理信息科學, 2003, 19(1): 32-36

被引頻次：72

智慧城市研究的模型構建及方法思考

王世福

摘要：中國的城市化既有世界城市化進程的普遍性，又具有后發展人口大國處于全球化、信息化交織的工業化進程的特殊性。智慧城市作為基于信息技術在各領域廣泛應用的新型城市理念和實踐，開展在城市規劃領域的研究十分必要。該研究的內容包括對廣義智慧城市的認識、智慧城市研究的概念模型及多學科協同的研究方法準備等。

關鍵詞：城市化進程；智慧城市；研究方法

來源出版物：規劃師, 2012, 28(4): 19-23

被引頻次：62

智慧城市中的大數據

李德仁，姚遠，邵振峰

摘要：探討了智慧城市的概念，總結了其發展歷程，剖析了中國建設智慧城市的動力和目標，闡述了智慧城市的支撐技術，并提出了智慧城市的基礎架構，即在數字城市的基礎上有機地融合物聯網和云計算技術，以實現對現實城市中人和物的自動控制和智能服務。針對無所不在的傳感器網對智慧城市的大數據進行了分析，面對智慧城市中大數據將帶來的諸多問題和挑戰，提出了應對大數據的策略和思路，重點論述了云計算與數據挖掘，并給出了云平臺的基礎框架，提出了建立智慧城市運營中心的建議，最后展望了智慧城市未來美好的前景。

關鍵詞：智慧城市；大數據；數字城市；物聯網；云計算；數據挖掘；智能服務

來源出版物：武漢大學學報（信息科學版）, 2014, 39(6): 631-640

被引頻次：55

以數據為中心的智慧城市研究綜述

王靜遠，李超，熊璋

摘要：在城市信息化浪潮與數據科學崛起的共同推動下，智慧城市開始在全球范圍內成為未來城市發展的新理念與新實踐。大數據、數據活化、數據挖掘等數據管理、應用與分析技術在智慧城市建設當中具有核心作用.站在信息科學的視角之上，圍繞以數據為中心這一主題，對當前智慧城市研究工作的最新動態進行了綜述.梳理了當前智慧城市相關研究中廣泛采用的城市數據類型及其特點，并從相關研究工作和技術與研究特點兩個大的方面對該領域的研究工作現狀進行了介紹。其中相關研究涵蓋了技術體系研究、數據驅動的智能交通、城市計算技術和城市人類活動的統計力學等方面。而技術與研究特點的介紹包括核心技術與理論，以及領域研究的學科交叉、城市數據為中心、區域特性等方面。最后對該研究領域未來可能的發展方向進行了總結和展望。

關鍵詞：智慧城市；城市計算；大數據；數據活化；研究進展

來源出版物：計算機研究與發展, 2014, 51(2): 239-259

被引頻次：55

論“數字城市”關鍵技術及其實現

顧朝林，段學軍，于濤方，等

摘要：對“數字城市”的概念進行了界定，在分析國內外研究進展的基礎上，主要探討我國實現“數字城市”的關鍵技術，諸如：虛擬現實技術（Virtual Reality）、數字城市空間基礎設施、多種GIS系統集成模型研究、3D-GIS、三維城市規劃、城市仿真與虛擬現實技術、數字城市支持下的數字社區等等。

關鍵詞：數字城市；虛擬現實；空間基礎設施；城市規劃；城市仿真

來源出版物：城市規劃, 2002, 26(1): 16-20

被引頻次：52

“數字城市”的初步研究

段學軍，顧朝林，于濤方

摘要：在分析“數字城市”研究背景的基礎上，對“數字城市”的定義、特征提出見解，探討“數字城市”的基本框架以及所必需的技術基礎，指出了“數字城市”的研究意義。

關鍵詞：數字城市

來源出版物：地理學與國土研究, 2001, 17(2): 33-38

被引頻次：420

Exploring A V-I-S(vegetation-impervious surface-soil) model for urban ecosystem analysis through remote-sensing-comparative anatomy for cities

Ridd, MK

Abstract: Growing interest in urban systems as ecological entities calls for some standards in parameterizing biophysical composition of urban environments. A vegetationimpervious surface-soil(V-I-S) model is presented as a possible basis for standardization. The V-I-S model may serve as a foundation for characterizing urban/near-urban environments universally, and for comparison of urban morphology within and between cities. Inasmuch as the model may be driven by satellite digital data, it may serve as a global model of urban ecosystem analysis and comparison world-wide. The V-I-S model may prove useful for urban change detection and growth modelling, for environmental impact analysis from urbanization, for energy- and water-related investigations, and for certain dimensions of human ecosystem analysis of the city as well.

來源出版物：International Journal of Remote Sensing, 1995, 16(12): 2165-2185

被引頻次：140

A comparison of urban mapping methods using high-resolution digital imagery

Thomas, N; Hendrix, C; Congalton, RG

Abstract: Recent advances in digital airborne sensors and satellite platforms make spatially accurate, high-resolution multispectral imagery readily available. These advances provide the opportunity for a host of new applications to address and solve old problems, High-resolution imagery is particularly well suited to urban applications. Previous data sources(such as Landsat TM) did not show the spatial detail necessary to provide many urban planning solutions. This paper provides an overview of a project in which one-meter digital imagery was used to produce a map of pervious and impervious surfaces to be used by the city of Scottsdale, Arizona for storm-water runoff estimation. The increased spatial information in onemeter or less resolution imagery strains the usefulness of image classification using traditional supervised and unsupervised spectral classification algorithms. This study assesses the accuracy of three different methods for extracting land-cover/land-use information from highresolution imagery of urban environments:(1) combined supervised/unsupervised spectral classification,(2) raster-based spatial modeling, and(3) image segmentation classification using classification tree analysis. A discussion of the results and relative merits of each method is included.

來源出版物：Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 2003, 69(6): 963-972

被引頻次：127

An object-oriented approach for analysing and characterizing urban landscape at the parcel level

Zhou, W; Troy, A

Abstract: This paper presents an object-oriented approach for analysing and characterizing the urban landscape structure at the parcel level using highresolution digital aerial imagery and Light Detection and Ranging(LIDAR) data. Additional spatial datasets including property parcel boundaries and building footprints were used to both facilitate object segmentation and obtain greater classification accuracy. The study area is the Gwynns Falls watershed, which includes portions of Baltimore City and Baltimore County, MD. A three-level hierarchical network of image objects was generated, and objects were classified. At the two lower levels, objects were classified into five classes, building, pavement, bare soil, fine textured vegetation and coarse textured vegetation, respectively. The object-oriented classification approach proved to be effective for urban land cover classification. The overall accuracy of the classification was 92.3%, and the overall Kappa statistic was 0.899. Land cover proportions as well as vegetation characteristics were then summarized by property parcel. This exercise resulted in a knowledge base of rules for urban land cover classification, which could potentially be applied to other urban areas.

來源出版物：International Journal of Remote Sensing, 2008, 29(11): 3119-3135

被引頻次：122

Benchmarking 2D hydraulic models for urban flooding

Hunter, N. M; Bates, PD; Neelz, S; et al.

Abstract: This paper describes benchmark testing of sixtwo-dimensional(2D) hydraulic models(DIVAST, DIVAST-TVD, TUFLOW, JFLOW, TRENT and LISFLOOD-FP) in terms of their ability to simulate surface flows in a densely urbanised area. The models are applied to a 1.0 km x 0.4 km urban catchment within the city of Glasgow, Scotland, UK, and are used to simulate a flood event that occurred at this site on 30 July 2002. An identical numerical grid describing the underlying topography is constructed for each model, using a combination of airborne laser altimetry(LiDAR) fused with digital map data, and used to run a benchmark simulation. Two numerical experiments were then conducted to test the response of each model to topographic error and uncertainty over friction parameterisation. While all the models tested produce plausible results, subtle differences between particular groups of codes give considerable insight into both the practice and science of urban hydraulic modelling. In particular, the results show that the terrain data available from modern LiDAR systems are sufficiently accurate and resolved for simulating urban flows, but such data need to be fused with digital map data of building topology and land use to gain maximum benefit from the information contained therein. When such terrain data are available, uncertainty in friction parameters becomes a more dominant factor than topographic error for typical problems. The simulations also show that flows in urban environments are characterised by numerous transitions to supercritical flow and numerical shocks. However, the effects of these are localised and they do not appear to affect overall wave propagation. In contrast, inertia terms are shown to be important in this particular case, but the specific characteristics of the test site may mean that this does not hold more generally.

Keywords: floods & floodworks; hydraulics & hydrodynamics; mathematical modelling

來源出版物：Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management, 2008, 161(1): 13-30

被引頻次：118

The integration of geographic data with remotely-sensed imagery to improve classification in an urban area

Harris, PM; Ventura, SJ

Abstract: Management and planning of urban areas requires current and accurate information about land use. Satellite imagery or aerial photography typically provide this information. The choice of a remotely sensed data source entails tradeoffs between cost, accuracy, specificity, and timeliness; requirements are often dictated by particular applications of the land-use data. This paper investigates the incorporation of ancillary spatial data to improve the accuracy and specificity of a land-use classification from Landsat Thematic Mapper(TM) imagery for nonpoint source pollution modeling in a small urban area-the city of Beaver Dam, Wisconsin. A post-classification model was developed to identify and correct areas of confusion in the Landsat TM classification. Zoning and housing density data were used to modify the initial classification. Land-use classification accuracy improved and the number of identifiable classes increased. Additionally, confusion between classes that were commonly misclassified(for example, commercial and industrial areas) was reduced.

來源出版物：Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 1995, 61(8): 993-998

被引頻次：114

Using nighttime DMSP/OLS images of city lights to estimate the impact of urban land use on soil resources in the United States

Imhoff, ML; Lawrence, WT; Elvidge, CD; et al.

Abstract: Nightime “city light” footprints derived from DMSP/ OLS satellite images were merged with census data and a digital soils map in a continental-scale test of a remote sensing and geographic information system methodology for approximating the extent of built-up land and its potential impact on soil resources in the United States. Using image processing techniques and census data, we generated maps where the “city lights” class represented mean population densities of 947 persons km-2and 392 housing units km-2, areas clearly not available to agriculture. By our analysis, such “city lights” representing urban areas accounted for 2.7% of the surface area in the United States, an area approximately equal to the State of Minnesota or one half the size of California. Using the UN/FAO Fertility Capability Classification System to rank soils, results for the United States show that development appears to be following soil resources, with the better agricultural soils being the most unbanized. Some uniquesoil types appear to be on the verge of being entirely coopted by “urban sprawl.” Urban area figures derived from the DMSP/OLS imagery compare well to those derived from statistical sources. Further testing and refinement of the methodology remain but the technique shows promise for possible extension to global evaluations of urbanization, population and even global productivity.

來源出版物：Remote Sensing of Environment, 1997, 59(1): 105-117

被引頻次：98

Potential and limitations of 1D modelling of urban flooding

Mark, O; Weesakul, S; Apirumanekul, C; et al.

Keywords: cost function; digital elevation model; flood map; GIS; sewers; one-dimensional urban drainage; stormwater; urban flooding

來源出版物：Journal of Hydrology, 2004, 299(3-4): 284-299

被引頻次：92

Monitoring and modelling of urban sprawl using remote sensing and GIS techniques

Jat, Mahesh Kumar; Garg, PK; Khare, Deepak

Abstract: The concentration of people in densely populated urban areas, especially in developing countries, calls for the use of monitoring systems like remote sensing. Such systems along with spatial analysis techniques like digital image processing and geographical information system(GIS) can be used for the monitoring and planning purposes as these enable the reporting of overall sprawl at a detailed level. In the present work, urban sprawl of the Ajmer city(situated in Rajasthan State of India) has been studied at a mid scale level, over a period of 25 years(1977-2002), to extract the information related to sprawl, area of impervious surfaces and their spatial and temporal variability. Statistical classification approaches have been used for the classification of the remotely sensed images obtained from various sensors viz. Landsat MSS, TM, ETM+ and IRS LISS-III. Urban sprawl and its spatial and temporal characteristics have been derived from the classified satellite images. The Shannon’s entropy and landscape metrics(patchiness and map density) have been computed in terms of spatial phenomenon, in order to quantify the urban form(impervious area). Further, multivariate statistical techniques have been used to establish the relationship between the urban sprawl and its causative factors. Results reveal that land development(160.8%) in Ajmer is more than three times the population growth(50.1%). Shannon’s entropy and landscape metrics has revealed the spatial distribution of the urban sprawl over a period of last 25 years.

Keywords: remote sensing; GIS; urbanisation; land use; modelling; urban sprawl

來源出版物：International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2008, 10(1): 26-43

被引頻次：88

An automated method for large-scale, ground-based city model acquisition

Fruh, C; Zakhor, A

Abstract: In this paper, we describe an automated method for fast, ground-based acquisition of large-scale 3D city models. Our experimental set up consists of a truck equipped with one camera and two fast, inexpensive 2D laser scanners, being driven on city streets under normal traffic conditions. One scanner is mounted vertically to capture building facades, and the other one is mounted horizontally. Successive horizontal scans are matched with each other in order to determine an estimate of the vehicle’s motion, and relative motion estimates are concatenated toform an initial path. Assuming that features such as buildings are visible from both ground-based and airborne view, this initial path is globally corrected by Monte-Carlo Localization techniques. Specifically, the final global pose is obtained by utilizing an aerial photograph or a Digital Surface Model as a global map, to which the ground-based horizontal laser scans are matched. A fairly accurate, textured 3D cof the downtown Berkeley area has been acquired in a matter of minutes, limited only by traffic conditions during the data acquisition phase. Subsequent automated processing time to accurately localize the acquisition vehicle is 235 minutes for a 37 minutes or 10.2 km drive, i.e. 23 minutes per kilometer.

Keywords: laser scanning; navigation; self-localization; mobile robots; 3D modeling; Monte-Carlo localization

來源出版物：International Journal of Computer Vision, 2004, 60(1): 5-24

被引頻次：47

Internet of things for smart cities

Zanella, Andrea; Bui, Nicola; Castellani, Angelo; et al.

Abstract: The Internet of Things(IoT) shall be able to incorporate transparently and seamlessly a large number of different and heterogeneous end systems, while providing open access to selected subsets of data for the development of a plethora of digital services. Building a general architecture for the IoT is hence a very complex task, mainly because of the extremely large variety of devices, link layer technologies, and services that may be involved in such a system. In this paper, we focus specifically to an urban IoT system that, while still being quite a broad category, are characterized by their specific application domain. Urban IoTs, in fact, are designed to support the Smart City vision, which aims at exploiting the most advanced communication technologies to support addedvalue services for the administration of the city and for the citizens. This paper hence provides a comprehensive survey of the enabling technologies, protocols, and architecture for an urban IoT. Furthermore, the paper will present and discuss the technical solutions and bestpractice guidelines adopted in the Padova Smart City project, a proof-of-concept deployment of an IoT island in the city of Padova, Italy, performed in collaboration with the city municipality.

Keywords: Constrained Application Protocol(CoAP); Efficient XML Interchange(EXI); network architecture; sensor system integration; service functions and management; Smart Cities; testbed and trials; 6lowPAN

來源出版物：IEEE Internet of Things Journal, 2014, 1(1): 22-32

·推薦論文摘要·

基于模糊聚類的智慧城市多源信息協同結構測度與優化

陳銳，賈曉豐，趙宇

摘要：傳統的城市系統多源信息協同模式較為單一，協同效率低下，且缺少對協同結構的有效測度。針對以上問題，基于模糊聚類算法構建了給定置信區間的多源信息協同差異測度模型，分析了協同網絡結構中的凝聚子群及其相互關系，從差異測度和關系測度兩個層面提出了多源信息協同的模式優化策略。通過實證數據分析表明，所構建的模型能有效測度多源信息協同的差異水平，對信息協同流程的優化率達到57.35%，協同效率提升明顯。

關鍵詞：模糊聚類；多源信息協同；結構測度；凝聚子群；模式優化

來源出版物：計算機應用研究, 2016, 33(7): 31-37

智慧城市視角下城市洪澇模擬研究綜述

劉勇，張韶月，柳林，等

摘要：智慧城市是城市發展的新興模式。然而，近年來頻發的城市洪澇給智慧城市的管理和發展帶來了嚴峻的挑戰。暴雨洪澇模擬是城市防洪減災的關鍵技術之一，也是智慧城市風險應急管理中重要的決策支持依據。本文首先分析了智慧城市以及智慧水務的內涵，探討了智慧城市發展和管理對于城市洪澇模擬新的需求；在此基礎上梳理了智慧城市發展給城市洪澇模型帶來的新的數據支撐；面向智慧城市應急管理決策，對比分析了3種現有的水文模型方法，認為在智慧城市大數據和技術的支持下，基于物理基礎的分布式模型是未來城市洪澇模擬的主流發展方向。最后，探討了建立城市洪澇模型的建模機制、尺度、基礎數據庫的建立、更新和管理、地表與地下管網模擬并重等關鍵問題，分析認為精細化、與RS和GIS技術融合、注重時空過程和智慧服務是智慧城市背景下城市洪澇模擬發展的必然趨勢。

關鍵詞：城市洪澇；基礎地理數據；洪澇模型；智慧城市；應急決策支持

來源出版物：地理科學進展, 2015, 34(4): 494-504

智能電網對智慧城市的支撐作用研究

高志遠，姚建國，郭昆亞，等

摘要：智能電網在智慧城市建設中的支撐地位、作用還沒有得到充分的挖掘。在系統化梳理智慧城市體系架構的基礎上，分析了智能電網和智慧城市相互之間的促進和制約作用，并對兩者間的協調和支撐作用做了定量分析，最后對智能電網支撐智慧城市建設的關鍵技術和應用做了系統梳理。指出能源技術和信息、通信技術一樣是智慧城市的基本支撐技術，智能電網和智慧城市在其交集范圍內具有相互促進或者制約的關系，智能電網中各環節的技術和應用對智慧城市建設的支撐作用依據其密切程度呈現層次化分布的特點。

關鍵詞：智能電網；智慧城市；變權綜合；均衡函數；能源技術；信息通信技術

來源出版物：電力系統保護與控制, 2015, 43(11): 148-153

基于地理視角的智慧城市規劃與建設的理論思考

甄峰，席廣亮，秦蕭

摘要：智慧城市建設是推動城鎮化發展的重要動力，其建設除了技術支撐之外，還應充分考慮信息技術對城市政府、企業和居民活動及其空間的影響。本文在對國內智慧城市建設現狀與問題分析思考的基礎上，認為智慧城市的出現是適應當前城市化戰略轉型、公共服務提升、社區發展和城市問題解決的必然趨勢，從多源異構數據整合、信息系統和空間分析平臺兩個方面梳理智慧城市建設的關鍵技術，從流動空間以及新的人地關系、時空協調發展等方面提出智慧城市的理論支撐，并進一步明確地理學應對和研究重點。同時，提出基于城市地理研究的智慧城市規劃與建設實踐的主要方向，包括頂層設計、功能和空間布局、基礎設施整合、城鄉治理等內容。

關鍵詞：信息技術；智慧城市；地理學；流動空間；人地關系

來源出版物：地理科學進展, 2015, 34(4): 402-409

基于智慧城市的可持續城市空間發展模型總體架構

曹陽，甄峰

摘要：在智慧城市建設上升為國家戰略的大背景下，以城市人口、經濟、資源、環境等歷史數據分析為基礎的傳統城市空間發展模型面臨著數據來源與研究框架的革新。本文首先闡述了智慧城市與可持續發展理念產生的時代背景、概念內涵、相互關系，進而在梳理國內外可持續發展視角下的城市模型相關研究基礎上，認為智慧城市建設為城市模型研究提供了更為精細、實時、全面的數據來源，拓寬了城市模型研究的時空尺度，并在城市系統運行模擬與仿真方面提供新的技術手段。本文從城市數據監測采集與互聯共享、城市系統運行問題梳理與綜合分析、城市空間發展模擬仿真與決策評估、城市空間發展規劃體系4個層面嘗試構建基于智慧城市的可持續城市空間發展模型總體架構，對于豐富城市可持續發展研究理論框架，指導智慧城市空間規劃與建設實踐具有重要意義。

關鍵詞：信息技術；智慧城市；可持續發展；空間發展模型；大數據

來源出版物：地理科學進展, 2015, 34(4): 430-437

智慧城市背景下的智慧規劃思考與實踐

王芙蓉，遲有忠

摘要：描述了智慧規劃的建設現狀，分析了產生其差異性的緣由，提出了打造智慧規劃、助推智慧城市、開啟城鄉規劃管理新范式的新目標，并針對生地闡述了開展智慧規劃頂層設計的新定位、新平臺和新機遇，以及踐行智慧規劃行動的新變革、新標準、新技術、新渠道和新評估。

關鍵詞：智慧城市；智慧規劃；新范式；頂層設計

來源出版物：現代城市研究, 2015,(1): 13-18

智慧城市空間信息基礎設施支撐力評價體系研究

藍榮欽，王家耀

摘要：針對當前智慧城市規劃、建設中對空間信息基礎設施作用普遍認識不足的問題，深入分析了空間信息基礎設施對于智慧城市建設、運營的重要支撐作用。通過空間信息服務體系分析并根據研究者近年來從事智慧城市規劃建設的實踐經驗，提出從空間信息基礎設施的服務能力、融合能力和協同能力等3個方面綜合評價其支撐能力。在此基礎上，建立綜合評價指標體系，以便提升城市空間信息基礎設施建設力度，完善智慧城市建設的評價指標體系。也為下一步開展定量分析和綜合評價打下堅實基礎。

關鍵詞：智慧城市；空間信息；空間信息基礎設施；支撐能力；評價體系

來源出版物：測繪科學技術學報, 2015, 32(1): 78-81

國際智慧城市發展實踐與研究前瞻

沈山，曹遠琳，孫一飛

摘要：智慧城市是智慧地推進新型城鎮化建設，是加強城市規劃、建設、管理和運行的新模式。智慧城市試點是住房和城鄉建設部推進新型城鎮化工作的重要部署，已在逐步地影響并引導著越來越多城市的發展模式、建設重點、創新特色等發展道路，也不斷地涌現了各樣的創建典型并暴露了各樣的不足與教訓。因此，進一步深化智慧城市的理念與內涵、總結創建工作的經驗與不足，不僅對當前的試點管理工作、城市創建與產業發展有幫助，也更利于我國智慧城市工作的整體健康發展。

關鍵詞：智慧城市試點；實踐經驗；共性問題

來源出版物：現代城市研究, 2015(1): 42-48

信息社會的城市空間策略——智慧城市熱潮的冷思考

趙渺希，王世福，李璐穎

摘要：以空間的視角來考察信息社會議題，從功能組織、交通出行、空間意象等方面廓清了信息技術對城市空間的作用機制，并提出信息社會的空間規劃策略。在信息技術作用下，城市功能組織的集聚—擴散、交通出行需求的變化增加了城市空間結構的復雜性，城市意象的數字媒介傳遞則促進了現實空間與虛擬空間的交融。研究指出，信息社會是已然的客觀存在，而智慧城市則是一種具有美好愿景的規劃范式，因此信息社會的空間應對要從工具理性和價值理性兩方面進行策略建構：智慧城市的建設首先應依托信息技術關注空間效率的提升，注重城市發展過程中的空間或然性問題，使得各層次空間具有應對不同情景的適應性；另一方面，智慧城市的空間策略必須回歸到以人為本的基本價值觀，通過塑造本地化的空間場所以應對全球流動性的挑戰，最終實現地區發展的可持續性。

關鍵詞：信息社會；城市空間；智慧城市；彈性

來源出版物：城市規劃, 2014, 38(1): 91-96

大數據時代的智慧城市

王家耀

摘要：城市是人類文明進步的重要標志，是社會物質和精神財富生產、積聚和傳播的中心，城市化是實現國家現代化的一項重要任務。當今，人們都在談論“大數據”，全球信息化已邁入“大數據時代”，地球表層的幾何特征、物理特征和屬性特征，城市的所有物理設施、系統、大氣、水質、環境，人的行為、位置甚至身體、生理特征，等等，都成了可被感知、記錄、存儲和分析的數據。幾乎沒有什么大數據是不需要和不可以同地理空間數據集成融合并實時動態可視化的。大數據帶來的信息風暴正在變革人們的生活、工作和思維，必將開啟一次重大的時代轉型，即思維變革、商業變革和管理變革。《測繪科學》曾在2014年第一期對李德仁院士做過專訪，李院士就智慧地球時代的測繪地理信息學科建設以及位置云、遙感云、視頻與GIS融合以及空天地一體化傳感網等方面給我們系統展示了智慧地球。2014年2月28日上午，中國工程院院士、地圖學與地理信息工程專家、解放軍信息工程大學教授王家耀應中國測繪科學研究院邀請，作了：《“大數據時代”的到來與“智慧城市”的興起》的報告。之后《測繪科學》編輯部對王家耀院士進行了專訪。王院士從城市信息化建設入手，圍繞大數字時代的智慧城市建設可持續發展需求，回答了什么是“智慧城市”的概念，以及對為什么要建、建一個什么樣和怎樣建設智慧城市等問題做了精彩的闡述。

關鍵詞：數字城市；地理信息；天地一體化；城市核心競爭力；地理空間；測繪科學；動態可視化；王家；李德仁；財富生產

來源出版物：測繪科學, 2014, 39(5): 3-7

大數據時代智慧城市空間規劃方法探討

秦蕭，甄峰

摘要：在信息技術快速發展和智慧城市建設上升為國家戰略背景下，傳統城市空間規劃研究范式面臨轉型。本文在梳理傳統城市空間規劃存在問題的基礎上，重點從方法論和編制方法兩個層面對智慧城市空間規劃方法進行探討，并強調了大數據應用在規劃轉型中的重要作用。研究表明智慧城市空間規劃應該以滿足政府、企業及居民需求和解決城市問題為導向，更加關注城市空間的流動、土地混合利用、微觀個體分析及空間相關研究，并充分發揮網絡、信息設備及傳感器等大數據采集和挖掘分析技術在城市空間發展戰略制定、質量評價、規模預測及用地布局等方面的革新作用，從而實現城市可持續發展的目標。

關鍵詞：大數據；智慧城市；空間規劃；方法

來源出版物：現代城市研究, 2014(10): 18-24

大數據在智慧城市研究與規劃中的應用

甄峰，秦蕭

摘要：在信息與通信技術快速發展和智慧城市建設上升為國家新型城鎮化發展戰略的背景下，大數據在城市研究中的地位日趨重要，并影響著智慧城市規劃理念和方法的創新。本文通過對國內外應用大數據進行城市研究的文獻梳理，認為大數據可以為智慧城市研究與規劃提供新的數據思維和理念，并加強城市管理者分析和解決城市問題的能力。基于此，本文主要從多規協同體系、智慧空間規劃體系、規劃與建設重點以及體制與機制創新等四個層面構建了基于大數據應用的智慧城市規劃框架，對于豐富和補充傳統城市研究與規劃理論，及指導智慧城市建設與管理實踐具有重要意義。

關鍵詞：大數據；信息通信技術；城市研究；智慧城市規劃；新型城鎮化

來源出版物：國際城市規劃, 2014, 29(6): 44-50

大數據時代的智慧城市規劃：國際經驗

劉倫，劉合林，王謙，等

摘要：本文著重探討大數據時代背景下智慧城市規劃的國際實踐經驗。首先，文章回顧了信息與通信技術與智慧城市概念的演進歷程；在此基礎上根據十余個國外典型智慧城市案例，梳理了當前大數據相關技術在智慧城市規劃與建設中的應用；最后，指出目前大數據相關應用仍處于起步探索階段，大數據時代的智慧城市規劃在理論與實踐層面面臨著一系列挑戰。

關鍵詞：智慧城市；大數據；國際經驗

來源出版物：國際城市規劃, 2014, 29(6): 38-65

未來的智慧城市

邁克爾·巴蒂，趙怡婷，龍瀛

摘要：本文初步概括了智慧城市的組成要素。智慧城市是指運用新數字技術進行協同與整合，將現代信息通信技術與城市傳統基礎設施有機結合起來的城市。首先，我們提出了智慧城市的7個目標：（1）發現理解城市問題的新視角；（2）高效靈活地整合城市技術；（3）不同尺度城市時空數據的模型與方法；（4）開發通信與傳媒新技術；（5）開發城市管理與組織新模式；（6）定義與城市、交通、能源等相關的重大問題；（7）識別智慧城市中的風險、不確定性及災害。為實現以上目標，我們的研究需要在六個方面有所突破：（1）通過管理、控制和優化，使智慧城市的基礎設施與實際運行、前期規劃更好的銜接；（2）探索城市作為創新實驗室的新理念；（3）提供城市模擬技術目錄，為未來設計提供指引；（4）探索更加公平合理的技術方法以實現更好的城市生活品質；（5）探索促進有效公眾參與以及公眾認知的民主化城市管理新技術；（6）保障更加便捷高效的人口流動性以及機會獲取渠道。文章首先梳理了當前城市技術發展概況，并對智慧城市科學進行定義。我們將目前的智慧城市歸納為 6種情景類型：（1）舊城的智慧型更新；（2）科技園建設；（3）圍繞高新技術的科技城建設；（4）運用當前信息通信技術的城市公共服務；（5）運用信息通信技術開發新的城市智慧功能；（6）運用網絡以及移動客戶端開發公眾參與新模式。接下來，我們提出了七類可探索的項目領域：（1）智慧城市綜合數據庫的建立；（2）數據采集、網絡分析技術以及新社交媒體的影響；（3）網絡及移動行為建模；（4）城市土地使用、交通、經濟互動的建模；（5）城市勞動市場與住房市場交易活動的建模；（6）智慧城市的決策支持，如城市智能技術，公眾參與式城市管理以及（7）智慧城市規劃架構等。最后，我們期望通過這項研究，轉變傳統的城市研究范式，并進一步探索促進智慧城市科學形成和發展的關鍵要素。

關鍵詞：智慧城市科學；信息通信技術；范式轉換

來源出版物：國際城市規劃, 2014, 29(6): 12-30

Sensing as a service model for smart cities supported by Internet of Things

Perera, Charith; Zaslavsky, Arkady; Christen, Peter

Abstract: The world population is growing at a rapid pace. Towns and cities are accommodating half of the world’s population thereby creating tremendous pressure on every aspect of urban living. Cities are known to have large concentration of resources and facilities. Such environments attract people from rural areas. However, unprecedented attraction has now become an overwhelming issue for city governance and politics. The enormous pressure towards efficient city management has triggered various smart city initiatives by both government and private sector businesses to invest in information and communication technologies to find sustainable solutions to the growing issues. The Internet of Things(IoT) has also gained significant attention over the past decade. IoT envisions to connect billions of sensors to the Internet and expects to use them for efficient and effective resource management in smart cities. Today, infrastructure, platforms and software applications are offered as services using cloud technologies. In this paper, we explore the concept of sensing as a service and how it fits with the IoT. Our objective is to investigate the concept of sensing as a service model in technological, economical and social perspectives and identify the major open challenges and issues.

來源出版物：Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 2014, 25(1): 81-93

An information framework for creating a smart city through internet of things

Jin, Jiong; Gubbi, Jayavardhana; Marusic, Slaven; et al.

Abstract: Increasing population density in urban centers demands adequate provision of services and infrastructure to meet the needs of city inhabitants, encompassing residents, workers, and visitors. The utilization of information and communications technologies to achieve this objective presents an opportunity for the development of smart cities, where city management and citizens are given access to a wealth of real-time information about the urban environment upon which to base decisions, actions, and future planning. This paper presents a framework for the realization of smart cities through the Internet of Things(IoT). The framework encompasses the complete urban information system, from the sensory level and networking support structure through to data management and Cloud-based integration of respective systems and services, and forms a transformational part of the existing cyber-physical system. This IoT vision for a smart city is applied to a noise mapping case study to illustrate a new method for existing operations that can be adapted for the enhancement and delivery of important city services.

Keywords: information management; Internet of Things(IoT); network architecture; noise mapping; smart cities

來源出版物：IEEE Internet of Things Journal, 2014, 1(2): 112-121

Escaping from ancient Rome! Applications and challenges for designing smart cities

Heo, Taewook; Kim, Kwangsoo; Kim, Hyunhak

Abstract: From ancient Europe, the renaissance and industrialisation eras, to the modern times, urban planning paradigms have evolved in many ways, advancing the environments where people live in. Nevertheless, the recent development of wireless and wired communication network technologies and low-power miniature sensors for various application domains provide us with another chance of revolutionising cities by making them smarter. Smart cities, propelled by a city-scale infrastructure, where information provided from different application systems integrate together, will initiate the development of new applications that can benefit our everyday lives. This article presents an overview of representative applications that consist a smart city with their respective challengesand application requirements. Furthermore, we share our experiences obtained from designing and deploying examples of such smart systems in multiple application domains and summarise the remaining challenges for making the vision of designing smart cities a reality.

來源出版物：Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, 2014, 25(1): 109-119

A multilevel method to assess and design the renovation and integration of Smart Cities

Mattoni, B; Gugliermetti, F; Bisegna, F

Abstract: Contemporary cities are the scenes of sudden and numerous changes from social, economical and environmental points of view. The capability for cities to endorse, foster, enhance ongoing transformations and modern challenges is obstructed by the unsuitableness and lack of communication and integration of both material and immaterial infrastructures. The new vision of smart cities can fill these gaps, as it represents a balance among hardware and software aspects, technology and human capital, and it aims at realizing and guaranteeing the quality of life to the inhabitants. At today, there is absence of uniformity both in the definition and in the concept development of a smart city, and there are not practical methodologies supporting the evaluation models developed in literature. The approach often does not appear as a holistic, complete and integrated, but as a combination of sector-based non communicating and non integrated actions. In this framework, the aim of this paper is to outline a planning methodology of actions to realize a smart city that provides a holistic and specific approach to territories and cities by taking into account the specific features of the context and by developing different and appropriate strategies. According to this, a way to integrate the various aspects of a smart city through the definition of the relations existing among all the subsystems of the city, considered as a whole(human) organism, has been developed.

Keywords: smart cities; methodology; network

來源出版物：Sustainable Cities and Society, 2015, 15: 105-119

European smart cities: The role of zero energy buildings

Kylili, Angeliki; Fokaides, Paris A

Abstract: The European “Smart Cities & Communities Initiative” of the Strategic Energy Technology Plan(SET-Plan) supports cities and regions in taking ambitious measures to progress by 2020 towards a 40% reduction of greenhouse gas emissions through sustainable use and production of energy. This initiative aims to pool resources to support the demonstration of energy, transport and information and communication technologies in European urban areas. In this effort, the zero energy buildings(ZEB) are expected to play a crucial role. The main objective of this paper is to present the potential contribution of the ZEB principle towards achieving smart cities in Europe. In terms of this study, the evolution of building standards towards the ZEB concept will be presented, followed by discussions regarding the provisions of a SET-Plan smart city and the ZEB definition. Additionally, past studies discussing on the role of zero energy buildings in smart energy regions will also be reviewed. The conclusions of the analysis on the potential of ZEBs in SET-Plan smart cities will provide some useful insight towards the actions required in the building assessment methodologies’developments, in order to achieve the envisioned smart cities in Europe.

Keywords: zero energy buildings; Smart Cities & Communities Initiative; Strategic Energy Technology Plan

來源出版物：Sustainable Cities and Society, 2015, 15: 86-95

A communications-oriented perspective on traffic management systems for smart cities: Challenges and innovative approaches

Djahel, Soufiene; Doolan, Ronan; Muntean, Gabriel-Miro; et al.

Abstract: The growing size of cities and increasing population mobility have determined a rapid increase in the number of vehicles on the roads, which has resulted in many challenges for road traffic management authorities in relation to traffic congestion, accidents, and air pollution. Over the recent years, researchers from both industry and academia have been focusing their efforts on exploiting the advances in sensing, communication, and dynamic adaptive technologies to make the existing road traffic management systems(TMSs) more efficient to cope with the aforementioned issues in future smart cities. However, these efforts are still insufficient to build a reliable and secure TMS that can handle the foreseeable rise of population and vehicles in smart cities. In this survey, we present an up-to-date review of the different technologies used in the different phases involved in a TMS and discuss the potential use of smart cars and social media to enablefast and more accurate traffic congestion detection and mitigation. We also provide a thorough study of the security threats that may jeopardize the efficiency of the TMS and endanger drivers’ lives. Furthermore, the most significant and recent European and worldwide projects dealing with traffic congestion issues are briefly discussed to highlight their contribution to the advancement of smart transportation. Finally, we discuss some open challenges and present our own vision to develop robust TMSs for future smart cities.

Keywords: traffic management system(TMS); smart cities; smart transportation; data sensing and gathering; vehicular ad hoc networks(VANETs); route planning; traffic prediction

來源出版物：IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2015, 17(1): 125-151

Urban planning and building smart cities based on the Internet of Things using Big Data analytics

Rathore, M. Mazhar; Ahmad, Awais; Paul, Anand

Abstract: The rapid growth in the population density in urban cities demands that services and an infrastructure be provided to meet the needs of city inhabitants. Thus, there has been an increase in the request for embedded devices, such as sensors, actuators, and smartphones, leading to considerable business potential for the new era of the Internet of Things(IoT), in which all devices are capable of interconnecting and communicating with each other over the Internet. Thus, Internet technologies provide a way of integrating and sharing a common communication medium. With this knowledge, in this paper, we propose a combined IoT-based system for smart city development and urban planning using Big Data analytics. We propose a complete system consisting of various types of sensor deployment, including smart home sensors, vehicular networking, weather and water sensors, smart parking sensors, and surveillance objects. A four-tier architecture is proposed that includes 1) Bottom tier-1, which is responsible for IoT sources and data generation and collection, 2) Intermediate tier-1, which is responsible for all types of communication between, for instance, sensors, relays, base stations, and the Internet, 3) Intermediate tier 2, which is responsible for data management and processing using a Hadoop framework, and 4) Top tier, which is responsible for application and usage of the data analysis and the results generated. The system implementation consists of various steps that begin with data generation and move to collection, aggregation, filtration, classification, preprocessing, computing and decision making. The proposed system is implemented using Hadoop with Spark, voltDB, Storm or S4 for real time processing of the IoT data to generate results to establish the smart city. For urban planning or city future development, the offline historical data are analyzed with Hadoop using MapReduce programming. IoT datasets generated by smart homes, smart parking weather, pollution, and vehicle data sets are used for analysis and evaluation. This type of system with full functionality does not currently exist. Similarly, the results demonstrate that the proposed system is more scalable and efficient than existing systems. Moreover, system efficiency is measured in terms of throughput and processing time.

Keywords: big data; Smart City; urban planning; IoT

來源出版物：Computer Networks, 2016, 101: 63-80

Qualitative indicators for smart city business models: The case of mobile services and applications

Walravens, Nils

Abstract: This article introduces a theoretical framework for the analysis of business models that involve public actors, and city governments in particular, in the value network. It starts from an established business model framework and expands it to include an additional set of indicators required to successfully perform a qualitative analysis of the business models of new(digital) services offered by cities. It then applies this framework to several divergent cases from the mobile services sector in which city governments are involved as part of their efforts in becoming “smarter cities”. By weighing the indicators for each case study, we can create a grid that allows for their direct comparison and gives an indication of diverging strategies. The newly introduced structured framework and its qualitative indicators are the main contribution of this work and can be used to set out or evaluate smart city strategies on a meso-level, as part of a broader policy exercise within cities.

Keywords: business models; public governance; smart city; public value; mobile services

來源出版物：Telecommunications Policy, 2015, 39(3-4): 218-140

編輯：衛夏雯

Exploring A V-I-S(vegetation-impervious surfacesoil) model for urban ecosystem analysis through remote-sensing-comparative anatomy for cities

Ridd, MK

Growing interest in urban systems as ecological entities calls for some standards in parameterizing biophysical composition of urban environments. A vegetationimpervious surface-soil(V-I-S) model is presented as a possible basis for standardization. The V-I-S model may serve as a foundation for characterizing urban/near-urban environments universally, and for comparison of urban morphology within and between cities. Inasmuch as the model may be driven by satellite digital data, it may serve as a global model of urban ecosystem analysis and comparison world-wide. The V-I-S model may prove useful for urban change detection and growth modelling, for environmental impact analysis from urbanization, for energy-and waterrelated investigations, and for certain dimensions of human ecosystem analysis of the city as well.

cost function; digital elevation model; flood map; GIS; sewers; one-dimensional urban drainage; stormwater; urban flooding

中國學術期刊文摘2016年14期

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