智慧城市综合感知

第1章城市感知概述 1.1　城市感知简要介绍 1.1.1　城市感知的概念 21世纪以来，随着城市不断扩张以及全球人口数量的激增，全球城市发展面临着各种困难与挑战，如资源短缺、环境污染、食品短缺和公共安全威胁等（许庆瑞等，2012；郁亚娟等，2008）。与此同时，近年来科学技术发展突飞猛进，如物联网、云计算、大数据的出现，推动当前城市逐步走向智能化和可持续发展的道路，正逐步形成以人为本的社会化智慧创新方案，这成为破解目前诸多“城市病”的重要途径（李建明，2014）。 智慧城市是数字城市的智能化升级，旨在通过物联网技术将物理城市与数字城市进行无缝连接，利用云计算以及大数据技术将实时获取的感知数据进行处理并提供智能化服务（李德仁等，2011；张永民和杜忠潮，2011；Cassandras，2016；Shi and Abdel-Aty，2015）。从系统工程的观点出发，城市的“智慧”表现为由“生理智能”、“社会智能”和广义“人工智能”等三种智能形式综合形成的“整体谐生智能”，即智慧城市是对城市信息化、城市智慧成长与可持续发展，以及知识与创造力城市等三方面发展思潮的综合（夏昊翔和王众托，2017）。智慧城市的概念一经提出，便成为诸多学者关注的焦点。2019年，国家先后发布的《智慧城市时空大数据平台建设技术大纲（2019版）》和《2019年新型城镇化建设重点任务》文件指出，智慧城市发展是建设智慧社会的重要基础。目前我国已经制定了详细的智慧城市建设计划并在逐步推进（冯圣中和樊建平，2012；冯圣中等，2019；彭玲等，2016）。 智慧城市的基础是智慧的城市感知。城市感知是以城市信息化建设为基础，采用各种信息通信技术手段，获取城市中每时每刻都在产生的海量数据，并基于此更好地提高城市运作效率，满足城市居民当前和未来的经济、环境和社会需求（龚健雅和王国良，2013；王静远等，2014；陈能成等，2018）。从广义角度来看，城市感知的内容主要包括针对城市管理以及治理的公共部件和环境的感知、针对城市居民生活场所以及周围环境的信息感知、针对突发事件大众网络舆情发展趋势的社会感知等。从狭义角度来看，城市感知则主要包括有关城市公共安全，城市居民生活，城市可持续发展的人、物、环境和事件等信息的综合感知（杨靖等，2018；陈波和马向平，2019）。 1.1.2　城市感知的作用 城市感知是实现城市管理“自动感知、快速反应、科学决策”的关键，在智慧城市建设中具有重要意义。通过在城市中布设各类感知设备，可以实现对城市范围内水环境、大气环境、土壤、人群、车辆、设施和人文等各项关键信息的采集、监测和识别。在“数字孪生”理念的基础上，城市感知有望将物质世界数字化，在信息空间重建一个1∶1真实还原的数字孪生体，从而在信息空间中实时地掌握城市运行状态（杨林瑶等，2019；李德仁，2020；张新长等，2021）。 从城市感知的内涵来看，城市感知是建设智慧城市的基础。感知需求在智慧城市架构中是一项基本的需求，搭建城市感知网能够有效地促进智慧城市的发展。智能感知技术作为新一代信息技术，是智慧城市收集复杂数据和信息的关键手段，更是整个智慧城市感知体系的关键部分。过去，城市的各个职能部门感知网络建设相互独立，城市感知存在着覆盖面窄、感知方式单一、感知传输和处理能力欠缺等不足（李德仁等，2011）。经过近10年由普通城镇向智慧城市的转型，城市感知已经由过去孤立的在线感知状态逐步演变为当前多网融合的综合感知。“更全面地感知”作为智慧城市的一个特征，要求智慧城市基础设施能够更深入地收集各类数据和信息，以便整合和分析海量的跨地域、跨行业的数据和信息，为城市共享服务和运营管理提供基础的底层资源。 从城市感知的外延来看，实现智慧城市综合感知的**技术首要是物联网，通过万物互联支撑上层智慧（龚健雅等，2019；Scuotto et al.，2016）。目前基于身份感知、位置感知、图像感知、环境感知、设施感知和安全感知等多样化的物联网手段，可以提供针对智慧城市基础设施、生态环境、设备、人员等方面的快速识别、信息采集、实时监测和反向控制，使智慧城市的各个感知单元具有信息感知和指令执行的能力。其次是云计算和边缘计算方法，两者相辅相成，应用于云中心和网络边缘端的大数据处理能力，较好地解决了智慧城市中高效处理大数据的难题（陈康和郑纬民，2009；汪芳等，2011；施巍松等，2017）。各种感知技术的广泛应用，能够为智慧城市基础设施提供更加智能的技术手段，实现信息数据的全面透彻感知和特征提取，为智慧城市大数据挖掘和顶层业务应用提供更多有价值的数据信息，从而逐步构建城市智慧服务体系，并进一步为城市民众提供有针对性的新服务和新模式。 1.1.3　城市感知的内容 城市感知将城市作为主体对象，以广泛分布的感知节点为基础，通过无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）和射频识别（radio frequency identification，RFID）等技术手段，搜集、管理并应用多种类型城市数据。城市感知旨在打造高感度、数字化和智慧化城市，把握城市“脉搏”，并不断推进城市治理、居民生活走向专业化、智能化（Uusitalo，2006）。城市全面感知主要指对可持续性发展的人、物、空间环境以及事件的综合信息进行感知。具体而言，城市感知包括以下几方面内容。 1.感知城市的时空底板 时空底板主要包括城市的三维地理信息、定位信息和时间信息。三维地理信息数据是重要的基础空间信息。借助传统平面地图的概念，叠加空间矢量数据、地物兴趣点数据以及三维模型数据，可形成可视化三维城市展示系统，该系统能够全方位、直观地为人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息，并可以使用户以**人称的身份进入城市，实现与实地观察相似的体验感。建立基于真实影像的“三维城市”，人们可以直观地判读出山川、河流、楼宇和道路。从另一个角度来说，城市三维地理信息主要由基础数据和三维地理模型数据组成（朱庆，2014）。基础数据包括数字线划数据、影像与纹理数据、数字地面模型和对象属性数据等。三维地理模型包括地形建模、比较规则的实体建模、树木草地建模、小品建模和特效的绘制（如火、烟雾等特效）。城市定位信息指通过全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）等导航卫星或室内定位技术获取的城市目标几何位置数据。在智慧城市服务和城市规划方面，地理空间或地理定位技术的作用非常重要。2022年，自然资源部办公厅印发《关于全面推进实景三维中国建设的通知》，文件明确到2025年，50%以上的政府决策、生产调度和生活规划可通过线上实景三维空间完成。实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息，是国家重要的新型基础设施，可以通过“人机兼容、物联感知、泛在服务”实现数字空间与现实空间的实时关联互通，为数字中国提供统一的空间定位框架和分析基础，是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素。实景三维中国建设是面向新时期测绘地理信息事业服务经济社会发展和生态文明建设新定位、新需求，对传统基础测绘业务的转型升级，是测绘地理信息服务的发展方向和基本模式，已经纳入“十四五”自然资源保护和利用规划。因此，面向未来实景三维中国的建设需求，城市时空底板的感知能力还需进一步提高（李莹等，2017；李德仁，2019；朱庆等，2020；李清泉等，2022）。每个智慧城市解决方案本质上都基于地理位置数据。城市时间信息是对城市目标或行为赋予时间标签，目前主要是通过GNSS时间同步、网络时间协议（network time protocol，NTP）以太网同步、码分多址（code division multiple access，CDMA）/窄带物联网（narrow band internet of things，NB-IoT）同步、WiFi时间同步、远距离无线电（long range radio，LoRa）同步和通用无线分组业务（general packet radio service，GPRS）远程时间控制等方式，实现精准授时。 2.感知城市的基础设施 城市基础设施是城市生存和发展所必须具备的工程性基础设施和社会性基础设施的总称，是城市中为顺利进行各种经济活动和其他社会活动而建设的各类设备的总称。按服务性质分为三类：①生产基础设施，包括服务于生产部门的供水、供电、道路和交通设施，仓储设备，邮电通信设施，排污、绿化等环境保护和灾害防治设施；②社会基础设施，指服务于居民的各种机构和设施，如商业和饮食、服务业、金融保险机构、住宅和公用事业、公共交通、运输和通信机构、教育和保健机构、文化和体育设施等；③制度保障机构，如公安、政法和城市建设规划与管理部门等。基础设施水平随经济和技术的发展而不断提高，种类不断增多，服务更加完善。城市的基础设施是城市赖以生存和发展的工程设施，因此对基础设施的感知就是对城市基础物质条件的感知。 2018年12月，中央经济工作会议首次提出了“新型基础设施建设”（即新基建）这一概念；2020年3月，中共中央政治局常务委员会会议强调，加快5G（第五代移动通信技术）网络、数据中心等新型基础设施建设进度，“新基建”成为数字经济和智慧城市发展的一个重要抓手。新型基础设施主要包括三方面内容：一是信息基础设施，包括以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施，以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等；二是融合基础设施，主要指深度应用互联网、大数据、人工智能等技术，支撑传统基础设施转型升级，进而形成的融合基础设施，如智能交通基础设施、智慧能源基础设施等；三是创新基础设施，主要是指支撑科学研究、技术开发、产品研制的具有公益属性的基础设施，如重大科技基础设施、科教基础设施、产业技术创新基础设施等（袁勇和王飞跃，2016；Biswas and Muthukkumarasamy，2016）。当前“新基建”的内涵和内容正进一步深化扩展，对感知的需求也进一步提高。 3.感知城市的生态环境 城市生态环境由自然生态环境和社会经济环境以及沟通自然、社会、经济的各种人工设施和上层建筑组成，简而言之即城市中的自然环境和人工环境（曹学章等，2016；项志勇等，2018）。自然环境包括物理及生物环境，如日照、空气、温度、河流、土地、植被等；人工环境包括市政基础服务设施，如建筑、街道交通、水、电、园林绿化等。组成城市生态环境各要素之间、各部分之间的有机组合，使城市生态环境通过生物地球化学循环、投入产出的生产代谢，以及物质供需和废物处理，形成一个内在联系的统一整体。 在城市人口剧增、社会经济迅速发展、科学技术日新月异的今天，人类活动对城市生态环境结构变动的影响，无论在深度、广度还是速度、强度上都是空前的。优雅舒适的城市生态环境是人们生活学习的前提和基础，也是社会进步发达的体现。良好的生态环境建设对整个城市系统的管理和运行起到至关重要的作用。维护城市生态环境，符合城市的可持续发展战略，能够创造友好的、和谐的、良性的发展环境。智慧生态城市建设感知，需要把人、物与环境连接起来，进行信息交换和通信，实现智能识别、定位、跟踪、监控、处理、应用、管理、决策，引领城市发展。目前智慧城市重视数字技术的应用，相对缺乏对智慧城市生态环境建设的感知，不利于智慧城市的健康发展（王鹏跃等，2019）。因此，人类在城市建设和发展过程中应当高度重视城市生态环境这一重要课题。城市环境保护必须遵循生态系统稳定性和经济发展的规律，从整体和长远的利益出发，解决好人口、能源、水资源、污染控制和土地利用等主要的城市环境问题，确保城市健康、协调地发展。 4.感知城市的运动对象 城市中存在着大