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1、空间信息技术与智慧城市,报告内容 一、空间信息技术以及相关技术发展情况 二、智慧城市技术内涵 三、智慧城市的几个案例 四、智慧城市的基础技术经纬度与XY坐标的批量快速转换 五、发展智慧城市的条件 结语,现在 GPS 可以支持每台游动站 1秒 采集一个定位数据。用于车辆的定位设备款式多样，价格从 500元 到 5000元 之间。我国北斗卫星定位技术已经实现部分地区，东经 70140度、北纬555度 地区覆盖定位，整体技术水平与美国的 GPS 还有差距，但是可以支持短信息通讯，具有一定特色。3、地理信息系统技术。目前，地理信息系统正酝酿一个变革，即实现全网格化，逐渐取代矢量数据。但是这种网格不是传
2、统意义的网格，是正六边形网格，严格意义上每个网格都处于不同平面，类似蜂窝状，可以无重叠、无遗漏地覆盖全球。由此带来很多技术优势，无需分带，当然在数学上还有一些理论问题需要解决。4、蓝牙、Zig-Bee 等短距离数字通讯技术。这类技术使用通用无线电频道、通讯距离一般在 1km 或 4km以内，有较强的抗干扰能力，可同时与 6万 多个个设备保持无线通讯。,5、遥感图像处理技术 现在，1米几何分辨率的遥感影像可以在1周时间内覆盖地球一遍，12.5万景影像可以在影像数据库的统一管理下提供人们查询、分析。构建“数字地球”的目标已经实现。遥感图像处理技术的研究热点：时间序列遥感影像数据挖掘研究，可将十年以
3、上的中分辨率系列影像放在一起研究，发现研究区域的生态异常信息，包括灾害（森林与草场火灾、病虫害、水灾、地质灾害等）的发生及其对生态环境的影响，生态环境的发展变化趋势等。影像的场景分类，不同于土地覆盖分类，对于公园、飞机场、铁路交通枢纽、高尔夫球场等复杂场景进行识别、分类。影像中的离散、稀疏、移动目标进行识别分类，如行进的车辆、飞机跑道上的细小异物等。使用多光谱激光雷达（LIDAR）遥感数据进行影像分类识别、三维重建，生成高精度三维影像数据。全极化雷达遥感影像分类识别，特别是用于军事目标的识别。毒品作物（罂粟、大麻）非法种植的侦测识别。,7、数据库管理技术 关系型数据库管理系统（RDMS）是传统
4、、成熟的数据库管理系统，但是该系统有一定的缺陷。目前关系型数据库有了较大的发展，构建了No-SQL数据库管理系统，这一系统保留了传统关系型数据库系统的所有优点，并突破了原系统要求数据遵守第一范式（first normal form）的限制，不要求每一记录（横行）的字节数为定长，允许在一个记录中嵌套更复杂的数据结构，在关系型表格的一个空格中允许存放多维的数据，这就为带有时间维空间数据或其他多维数据存储及管理带来了方便。二、智慧城市技术内涵 智慧城市（smart city，intelligent city）是社会信息化进程中提出的一个新概念，对于这一概念，可以做这样的理解：通过以移动通讯技术为代表
5、的物联网（Internet of Things，Web of Things）、云计算技术等综合应用，辅以相关软硬件设备，实现公民全面感知、泛在互联（interconnection）、普适计算（pervasive computing）,的一种城市信息化技术体系。从社会发展的视角，智慧城市通过各种社交网络（Social Networking ServicesSNS）等信息通讯工具和方法的应用，实现用户创新、开放创新、协同创新，强调通过价值创造，以人为本，实现经济、社会、环境的全面可持续发展。智慧城市的实质在于通过信息与信息技术实现市民与城市管理者、市民与市民之间全面的沟通，以求社会生产效率以及市民
6、生活质量全面的提高，将社会管理与各类资源的利用效益提高到极致，达到人与人之间以及人与自然之间全面和谐，城市可持续发展、全面合理发展的目标。智慧城市的工作对象是全民，全民既是智慧城市的工作者，又是智慧城市效益的享用者，社会的各种资源得到充分、合理的利用。对于智慧城市可以有以下认识：智慧城市是社会信息化发展到一定程度的产物，是数字地球发展的必然结果，需要有各种现代信息技术，包括3S技术、数字通讯技术、传感器技术的支持；,智慧城市需要有多种基础设施，因而有相当的社会经济能力完成这些基础设施的建设；智慧城市旨在提高社会资源的利用效益、提高全民的生活质量，其工作对象不是少数人，而是数以百万计的社会公民，
7、这些人既是智慧城市的服务对象，又是参与者，社会公民的文化素质，特别是信息意识决定着智慧城市的发展进程；智慧城市涉及到现代社会的方方面面，是一个长期的发展过程，智慧城市的内涵还在不断的扩大和发展，为城市发展、农村发展开拓了一个发展方向；智慧城市只是一个社会发展的理念，并没有固定的模式，发展需要创新，需要摸索一条适合本地区、现阶段的社会经济、人文实际情况的发展道路，从去年下半年才兴起的淘宝网形式的电子商务是智慧城市的一个发展模式，这一发展经验值得学习汲取；智慧城市已经在潜移默化地、持续地改变着我们的工作与,生活，包括生产与经营模式、学习方式、生活方式等等。三、智慧城市的几个案例 1、智慧共乘。交通
8、是城市的命脉。随着城市人口的增加，人们生活水平的提高，交通拥堵、汽车污染等一系列问题成为世界各国的一种“城市病”。应对这一问题人们研究出多种方法，各有一定效果，但是都无法根治这一“城市病”顽症。在诸多治理“城市病”的方法中，“智慧（汽车）共乘”是一种有效的方法。所谓“智慧共乘”是指在自愿、共赢的原则下，私家车辆或出租车多人共乘（搭乘），以提高车辆运输及道路使用效率，缓解交通拥堵、减少城市污染。智慧共乘通过汽车共乘信息系统自动实现车主与乘客的组织工作。由于该系统是将乘客和车主进行介绍与搭配，因此这种系统又称作共乘“媒合”系统。,智慧共乘信息系统的运行可以是如下方式：（1）系统通过 GPS 系统获
9、知出租车以及愿意搭载乘客的车主实时位置信息；（2）系统接到多位乘客通过手机发来的要求共乘的寻呼，报告乘车目的地，同时系统通过 GPS 系统获知各位乘客各自所在的地点；（3）系统启动相应模型（模型见后介绍），查询符合共乘条件的车辆以及乘客；（4）系统通过通讯系统分别通知相应车主及乘客，报告车费，征询意见；（5）接到车主及所有乘客同意共乘反馈意见后，此次共乘组织宣告成功，分别用手机通知车主及乘客准备出发（包括乘客各自的上车地点及下车地点）；（6）否则宣告此次共乘组织失败，分别用手机通知车主及乘客继续等待。当然智慧共乘还可以有其他运行方式。,多位乘客与车主能否达成交易，关键是实现共赢。如何判定是否共
10、赢，确定共赢以后又如何选定行车路线、如何分配每位乘客的车费，需要构建相应的计算机模型解决这一问题。构建这一模型在数学上属于“多目标动态规划”问题。因为：在汽车共乘解决方案中乘车起点、终点以及乘客都是动态的，“乘客与车主的经济效益最佳”这一目标又是多个，而决定行车路线以及分配车费方案是一种规划决策。“共乘”这种多目标动态规划问题在数学上没有固定解（确切解），因为问题的变量太多、不确定性过大，即乘客人数不定、乘车起止地点不定；而约束条件（约束方程）又太少。研究解决这一问题的策略是，根据具体情况将问题具体化：（1）乘客人数确定为 3人，这是一般出租车的人数；（2）将出发点或终点确定为一个，即 3个出
11、发点、1个终点；或1个出发点、3个终点。事实上，这两种情况在数学上可视为一种情况，设想用汽车“正开”与“倒开”就可以将两种情况概括。为方便叙述，以下就用1个出发点、3个终点的情况进行分析。,对3位共乘乘客的交费，可以做如下设定，即按照每人单独乘车的距离占3位乘客分别单独乘总和距离的比例分摊出租车费用。讨论：在选定路线时，使用地理信息系统路网分析的功能，确定最短路径。这里可以使用穷举法，对于A、B、C三个目的地，比较按照 A-B-C、A-C-B、B-A-C、B-C-A、C-A-B、C-B-A，6种行车路线，选其最短距离的路线作为行车路线。以上算法原则上可以推广到多于3位乘客的情况中。如果不是乘客
12、，而是输送货物，显然这种算法也适用。这种程序对于当前流行的特快专递、淘宝网送货，很有使用价值。2、智能公共汽车人性化服务系统。（1）需求分析：需要系统提供某一公交线路上的各车站显示下一,辆车到站时间信息。（2）场景以技术装备分析：公交线路上有多辆本线路运行的公共汽车和多个车站，相邻车站在线路上的距离一般不超过 2 km；汽车分布不一定均匀，即，有可能相邻两车站之间有多辆车，也可能没有车；而且在同一线路上行驶两个方向的多辆汽车。对于某个车站 Si，在公交线路上与车站 Si同一侧的公共汽车都是一个行驶方向，但可能有两个行进状态：一个是远离车站 Si 的状态，即已经经过了车站 Si；另一个是朝向车站
13、 Si 的状态，即朝向车站Si行驶，在这个方向上距离车站Si最近车的信息即为车站Si站牌需要显示的相关信息。公共汽车上需要配备 DGPS（差分式全球定位系统游动站）设备，实时提供该车位置信息数据；公交车中还需要配备计算机终端设备，设备内装有 GIS 软件以及公交运营地区数字地图，该地图有各车站的位置数据，GIS 担负路网分析的任务。,各车站站牌内要有计算机及其 GIS 软件和简单的公交线路数字地图，线路同一侧各车站统一编号，比如按照某一方向，依次用奇数编号；另一侧各车站依次用偶数编号。站牌内还装有 Zig-Bee 设备，担负与本线路公共汽车信息联络的任务，并装有电子信息显示屏幕，按照系统指令显
14、示相应信息。整个系统纳入云计算技术系统，作为云计算系统的一个子系统，接受云计算系统的监控与调度及指令。（3）技术分析：车站站牌必须接收道路中心线同一侧公共汽车的位置信息数据，而且必须是朝向车站行驶并最靠近车站的汽车发来的信息，为此，道路两侧车站分别用奇偶数标码以示区分是必要的；以公交车平均 40km/h 时速计算，为准确测量行车速度，需要车上的 DGPS 间隔 5s（秒）连续发两次跟踪车辆的位置信息数据，以确定车辆行驶状态、判断是否遭遇拥堵；,以相邻两辆车到达车站间隔时间 8min（分钟）计算，在正常情况下每隔 5min 就应向前进方向各车站发出本车所在坐标位置信息的讯号，每个车站站牌内的计算
15、机 GIS 系统可以根据此信息预测最近向本站行驶车辆的到达时间，如果途中遇到事故或拥堵，还可以增发事故信息。（3）工作主要程序步骤：云计算负责智能公共汽车人性化服务的子系统启动各所属公共汽车以及线路各车站站牌相关软硬件设备。本线路公交车获取 GPS 设备获取的实时定位信息数据，交付车内计算机的 GIS 系统中，GIS 系统搜索本车沿线路所在两个车站之间的路段，向行驶方向各车站发出本车位置信息；又根据两个时间 GPS 设备获取的位置信息，判断汽车的行驶速度。线路各车站站牌的计算机根据线路上各车发来的实时位置与行驶速度信息，运行相应程序、计算最近距离的汽车与本站的线路距离，根据汽车的行驶速度预测到
16、达时间。,根据计算信息数据，在站牌屏幕上显示相应信息。类似上面两个案例的智慧城市案例很多，例如公厕查询、停车场导引、旅游区旅游导览、多目标公交换乘导引、旅游餐饮旅店一条龙咨询、购物及乘车咨询、突发事件或事故处理咨询、车队管理，如此等等有益于提高生产效率以及便民、民生的实用型系统。这些系统不大，多数开发不难，现在已经具备数据、软硬件设备等外部条件，但是根本的问题是开发者的技术理念问题，要求开发者善于从生产、生活中挖掘问题。事实上，提出一个有价值的问题，哪怕具有小一点的价值，要比解决、实现都要难。四、智慧城市的一个技术基础问题经纬度与 XY 坐标转换 GPS 全球定位系统是手机、飞机及汽车导航等器
17、械普遍使用的定位设备。但是GPS原始数据是经纬度地理坐标数据，通常系统使用的是XY坐标数据。这就需要将经纬度数据转换为 XY坐标，一般GIS平台都具有这种数据转换的功能。但是使用GIS进行这种数据,转换存在两个问题：1）速度较慢，在批量转换、实时数据处理的场合不适用，比如有几千辆、上万辆车同时需要这种转换，GIS转换速度不满足要求；2）在使用云计算技术时，需要将GIS系统软件上传到相应专业“云”系统中，在“云”系统中进行多个系统的切换既不方便、也影响工作速度。由于这两个原因，需要自行设计一套软件，解决这种转换问题。经纬度数据转换为某种投影下的 XY 数据是经典地图学的一个问题，研究在计算机环境
18、下实现高速转换需要从地图投影原理进行研究。地图制作基本原理是将地球表面各点投影到可展投影面上，然后将投影面展开，缩小比例尺、切割形成地图。可展投影面有：圆锥面、圆柱面以及平面三种。通常1：50万以下比例尺地图使用圆柱面作为投影面，即称为高斯-克吕格投影。高斯-克吕格投影面展成平面后，地球球面或旋转椭球面与圆柱面或椭圆柱面的切线是地球的一条经线，称为中央子午线，在投影面展平后成为直线，以此作为纵坐标，地球赤道的投影展平后也是直线，以此作为横坐标。于是在地图上任意一点有两个坐标：其一为经纬度坐标、其二为XY坐,x,y,高斯-克吕格投影原理图,标。由高斯-克吕格投影地图（一般地图）观察可以得到，图上
19、经线与纬线具有如下性质：（1）除中央子午线以及赤道呈现直线以外，所有的经线与纬线都是光滑的曲线，即，任意一条经线都缓慢而一致性地向中央子午线收敛最终到达南北极点，越靠近中央子午线的经线曲率半径越大，越接近直线，直到经线的经度趋近于中央子午线经度，经线趋近于直线、经线曲率半径趋近于无穷大；（2）在中央子午线两侧的经线以中央子午线为东西对称，在赤道两侧的纬线以赤道为南北对称；（3）任意一条北半球纬线都缓慢而一致性地向上翘起，纬线越远离赤道、翘起越显著，即随着纬度的增高，纬线曲率半径趋向于减小，反之纬线越接近赤道、翘起越不显著、趋于平缓，即随着纬度的降低，纬线曲率半径趋向于增大，直到纬线的纬度接近0
20、0，纬线,趋近于直线，纬线曲率半径趋近于无穷大；（4）处于中央子午线同一侧、并同在北半球两条不同经度的经线之间形成一个狭长的南北向条带，这一条带越靠近北边、经线之间切割纬线的长度越短，反之越靠近南边，经线之间切割纬线的长度越长，参见图2，线段DC小于线段AB，而且DC的斜率大于AB；（5）处于中央子午线同一侧、并同在北半球的两条不同纬度的纬线之间形成一个狭长的东西向条带，这一条带越靠近西边、纬线之间切割经线的长度越短，反之越靠近东边，纬线之间切割经线的长度越长，参见图2，线段AD小于线段BC，而且AD相比BC越接近垂直；（6）从图1（a）可以看出，中央子午线就是地球球面与投影面相切的切线，在这
21、一切线上纬线是按等距离分割中央子午线的，因而在这条线上，纬度转换为 Y 坐标仅仅是一个线性比例问题，没有误差，距离中央子午线越近，纬度与 Y 坐标之间的转换误差就越小。,以上特点的第（1）与第（3）都提到经线与纬线走向变化的“一致性”，这里“一致性”是指两种曲线斜率变化自曲线的起点（对于经线指经线与赤道的交点，对于纬线指纬线与中央子午线的交点）到终点（对于经线指经线的南极或北极的极点，对于纬线指纬线在一个 30 或 60 带中与分割条带边界经线的交点）都保持同一变化趋势的性质。下图是展示经纬线分布形态的一个示意图，纵坐标轴 Y 为中央子午线；横坐标轴 X 为赤道。红线表示经线与纬线。两条经线与
22、两条纬线切割成一个转换区间。如果两条经线的经差以及两条纬线的纬差足够地小，这个区间范围边界的纬线或经线片段都可以看作是直线，由此组合成一个近似而不规则的 ABCD 梯形。在这一梯形范围。内，所有的经线、纬线都视为直线。这些经线、纬线相互并不平行，斜率相差不大，但是斜率的变化也呈线性变化。这就给我们将原本非常复杂的经纬度向 XY 坐标转换用简单的线性变换来代替。显然使用线性变换可以大幅度地提高经纬度向 XY 坐标转换的工作速度，但是转换精度要有损失。如果转换区间越小，即ABCD 梯形边界线的经差与纬差越小，转换的误差就越小，转换精度就越高。,将上面两式联立起来，就是我们所需要的坐标转换方程。这里
23、变换区间三个顶点，即 A、B、D 这 3 点的经纬度值以及 XY 坐标值是由 GIS 系统根据传统方法计算得到的理论值。如果计算机数据库中备有式（1）及式（2）所需的各转换区间参数值，那么对于任意一个经纬度数值，就可以在数据库中检索到相应转换区间的参数值，将参数值以及给出的经纬度数值，就可以用式（1）及式（2）计算得到相应的 XY 坐标值。由于经线与纬线走向变化的“一致性”，用以上转换方法可以适用于地球表面绝大多数地区，除南北极附近少量地区。变换区间的近似梯形几何面可以无间隙地连续覆盖高斯-克吕格投影的经差 60、30 以及 20 的各个分割带，进而覆盖除地球南北极地的绝大多数地区，只是近似梯
24、形几何面随着纬度的增高其面积逐渐减小。三、精度验证以台湾本岛全岛范围为试验区，约有3.58km2，地理位置在东经12001220、北纬 21055，25031 之间，中央子午线在东经1210，,测试使用 2 分变换区间，比较 GIS（软件为 ARC/GIS）与本方法的坐标转换效率。效能测试使用两组测试点，第一组测试点为全台湾本岛各变换区间内各随机取出一点，共计 6480点；第二组测试点则为全台湾本岛范围内随机取出 10,000点。两组分别测试三次，每次纪录转换所有测试点所需的总时间，再计算单点转换的时间，最后取平均，得出以下结果：本方法在两组测试数据中的表现，均能提升约 37%的转换效能。结论
25、（1）在大面积工作区域中事先划分等经度与纬度差的近似梯形变换区间，对于每一变换区间，用 GIS 系统分别获取西南（A）、东南（B）、西北（D）三个顶点（参见图 2）的经纬度坐标和 XY 坐标理论值，作为转换参数，按照本文式（1）与式（2）即可进行坐标转换，将变换区间内任意一点的经纬度坐标转换为XY坐标。（2）经纬度坐标向XY坐标转换的精度取决于变换区间的大小，试验证实，经差与纬差均为2分的变换区间的转换精度可以在1m,测试使用 2 分变换区间，比较 GIS（软件为 ARC/GIS）与本方法的坐标转换效率。效能测试使用两组测试点，第一组测试点为全台湾本岛各变换区间内各随机取出一点，共计 6480
26、点；第二组测试点则为全台湾本岛范围内随机取出 10,000点。两组分别测试三次，每次纪录转换所有测试点所需的总时间，再计算单点转换的时间，最后取平均，得出以下结果：本方法在两组测试数据中的表现，均能提升约 37%的转换效能。五、发展智慧城市的条件 智慧城市为信息技术、特别是空间信息技术应用开拓出一条新的道路，同时也为这一领域提出了严峻而又苛刻的挑战。这一挑战包括以下主要内容：智慧城市对于空间信息技术挑战性的需求无非分为硬件与软件两个方面，综合这两个方面：,时空精度需要不断改善。时间与空间是一切客观事物演化的依托与框架。目前空间信息技术对于物件的识别以及在时间与空间的测试精度常常还不能满足需要，
27、比如对于车辆牌号的识别、车辆速度及行驶状态（污染）的测试，就因为时、空测量精度不够，以至测量精度不够，不能满足交通管理上的需求。物件群体精确时空测量的响应速度需要改进。精确时空测量与测量响应速度两者是矛盾的：目前精确的时空测量需要较长的测量响应速度，特别是多个物件（如数以千计的车辆）的时空测量更是如此；而为了提高测量响应速度，又需要牺牲一定的时空测量精度。时空信息获取深度有待于加强。现代高质量的生活，人们已不满足于浅层次的表象信息，而需要更深层次的信息，比如自动遥测人体或动物的体温、血压、脉搏、甚至癌症的病灶；又比如非接触监测移动载具（车辆、飞行器等）的运行状态、废气排放量，,诊断其机械故障、
28、监测其对环境的污染等。时空信息覆盖面存在大量空白点。城乡信息化需要深层次地覆盖城乡各个角落，至少在浅层次上不能有空白点。但是目前还没有达到这一要求。比如，GPS技术对于桥下、涵洞、隧道、地下停车场等地物内部不能进行跟踪测量，因 GPS使用的电磁波没有穿透地下的能力。而这些地方常常是发生事故的地方。目前，三维地理信息覆盖面十分有限，对于广大城乡地域而言，三维地理信息覆盖的地面仅仅是零星地点。即使技术相对简单的高清晰摄像设备还没有能覆盖城市各个角落。随着摄像设备大量增加，巨量数据的处理、物件辨识的难度也在增加。时空数据表达城乡信息仍显空乏，许多信息还不能表现。比如，对于水源的水质，尚不能准确充分表
29、达其动态性，尚不能分层次、小网格、高频率表达水源水质的动态变化，对于水源污染的多种成因不能定量、准确分析。又比如，对于人与动物交互传染的流行病疫、雾霾污染、气象与地质灾害等等，相关时空信息不足是,人们抵御能力低下的重要原因之一。巨量数据管理以及一体化技术面临挑战。随着智慧城市的深入，包括时空数据在内的大量数据与日俱增，当然其中也包括大量垃圾或过时作废的数据。以人们的证件、磁卡为例，有人统计现在可分为六大类、102种，诸如户口本、身份证、银行卡、公交卡、购物卡等等，有些已经作废。如何一体化管理、处理这些数据、变为“一卡通”，可以减少很多麻烦，当然也引发很多问题。地理时空数据全国乃至全球一体化还有
30、大量的理论与技术问题有待解决。发展智慧城市还需要有一个重要的条件，即社会文化氛围的条件。智慧城市改变着人们的生产与生活，旧有的生活方式，如购物方式、信息沟通方式、娱乐方式等等习惯、意识以及价值观念已经不适应信息社会的形势与环境，亟待改变。发展智慧城市与提高社会文化氛围，两者相辅相成。在人们诸多习惯、意识之中，建立使用信息与信息技术的习惯与意识是文化建设的一个重要内容。社会上许多人，特别是中老年人，,出于种种原因，信息意识淡薄，在需要做出生活决策之前，如旅行、购物、存款等等，宁可向亲友当面咨询或亲自跑商店、跑银行，不愿意或想不到借助计算机网络，从网上获取信息辅助决策。青少年是社会的未来，信息意识
31、以及信息技术的教育应当从这一群体开始。用健康内容以及网络及信息技术引导青少年走向正确的方向，从中接收正面的教育。其中，地理信息以及空间信息技术就是一个正面教育的重要内容。实践表明，这一内容可以教育青少年热爱家乡、热爱自然环境，增强青少年环境保护意识。这个内容也是城乡文化建设的一个重要内容。台湾教育部门规定，小学五年级设立地理信息技术必修课，32个学时，主要介绍如何使用遥感影像、如何打开数字地图查询一个地方的有关信息等，这就将智慧城市的教育贯穿于小学的教学之中，提高学生适应信息社会的能力。这一经验值得我们汲取。空间数据公开化（Open DATA）的问题，这个问题根本上不属于技术问题，属于管理体制以及管理理念的问题。数据公开化对于,智慧城市的发展影响很大，是发展智慧城市的一大障碍。这里涉及体制问、信息经济等更复杂的问题。结语 1、现在国家已经将网络安全与社会信息化提升为国家发展战略的高度来对待，智慧城市是社会信息化的主要内容之一，为此需要我们做大量的工作。2、空间信息技术在时空精度、响应及检索速度、采集与挖掘深度上有了巨大的进步，但也面临着严峻的技术挑战。3、智慧城市内容非常丰富，技术上已经不存在障碍，关键在于应用理念的创新。而应用理念创新需要有技术基础。4、智慧城市为信息技术、特别是空间信息技术开拓了广阔的应用空间，为学生就业、创业提供了大量机会。,
