智慧城市概念的誕生可以追溯到上個(gè)世紀(jì)90年代，1993年美國時(shí)任總統(tǒng)克林頓提出推進(jìn)信息高速公路的計(jì)劃，到1998年美國時(shí)任副總統(tǒng)戈?duì)柼岢鰯?shù)字地球、數(shù)字城市、數(shù)字社區(qū)的概念。而隨著近年來信息化浪潮的興盛，2008年IBM公司提出了智慧地球的概念，2009年2月，美國總統(tǒng)奧巴馬提出信息化只有與工業(yè)化一起進(jìn)步，才能解決美國當(dāng)前面臨的經(jīng)濟(jì)危機(jī)。

中國有關(guān)部門也于1995年宣布推進(jìn)信息高速公路及建設(shè)國家“金字工程”，信息化涵蓋了國家經(jīng)濟(jì)命脈的各個(gè)重要行業(yè)。1999年在北京召開了第一屆國際數(shù)字地球大會(huì)，首次成立了中國數(shù)字地球?qū)W會(huì)。中國國家總理溫家寶在任期間兩次在無錫提出物聯(lián)網(wǎng)、智慧中國的概念，為云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)的全面發(fā)展吹響了號(hào)角。

未來中國的發(fā)展動(dòng)力是什么？“十二五”規(guī)劃中提出要四化并舉，即城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)化、信息化，未來中國城市發(fā)展就是要依靠城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、信息化，其發(fā)展產(chǎn)物就是智慧城市，目標(biāo)是追求低碳、綠色、可持續(xù)發(fā)展的城市。

目前很多城市已經(jīng)建成的數(shù)字城市，是把基礎(chǔ)地理信息、街景景象、全景影像、三維模型等數(shù)據(jù)結(jié)合在一起形成的數(shù)據(jù)庫。政府各部門和企業(yè)市民只要在政務(wù)網(wǎng)上注冊，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息服務(wù)共享，同時(shí)有關(guān)部門如果在政府公共平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)上通過二次開發(fā)提供各種交通、導(dǎo)航、旅游、文物、購物等服務(wù)，利用云計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)智慧城市的各種應(yīng)用。

智慧城市的應(yīng)用可以干什么？我們認(rèn)為，城市是人類生存繁衍、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)交往的地方，也是享受文化生活的地方。按照這四個(gè)功能，我們提出了城市智能化，比如智慧安防、智慧環(huán)保、智慧能源、智慧城管、智慧養(yǎng)老、智慧國土規(guī)劃、智慧社區(qū)、智慧家居等，都是讓人們有更好的環(huán)境來生存繁衍；對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展來說，已經(jīng)推動(dòng)的有智慧制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等；在社會(huì)交往方面則有智慧交通、智能購物、社會(huì)綜合管理等；在文化生活享受方面，可以考慮智慧戶外流媒體、智慧教育、智慧旅游等等。目前住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部門提出的智慧城市試點(diǎn)工程，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容都包含上述這些領(lǐng)域。

城市中的大數(shù)據(jù)需求

在城市的建設(shè)和應(yīng)用中，將產(chǎn)生從TB到PB（1PB=1024TB）級(jí)的海量數(shù)據(jù)，智慧城市從而進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代。2011年，Science雜志就指出大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)到來，美國工程院院士也撰文指出大數(shù)據(jù)可以讓我們實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)，一個(gè)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測、建模、可視化和發(fā)現(xiàn)新規(guī)律的時(shí)代就要到來。目前美國政府已經(jīng)正式啟動(dòng)大數(shù)據(jù)研究計(jì)劃，美國總統(tǒng)奧巴馬表示大數(shù)據(jù)就是未來世界的“石油”，這個(gè)計(jì)劃要超過美國以前提出的“信息高速公路計(jì)劃”，可見以大數(shù)據(jù)為中心的智慧城市時(shí)代已經(jīng)到來。

大數(shù)據(jù)首先體現(xiàn)在城市空間數(shù)據(jù)的激增。城市空間數(shù)據(jù)隨著空間傳感器資源的增多而增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前美國擁有185顆衛(wèi)星，中國也擁有91顆衛(wèi)星，這一趨勢還在不斷發(fā)展，到2020年中國將擁有200多顆衛(wèi)星，衛(wèi)星每天回傳的數(shù)據(jù)可以達(dá)到PB級(jí)。包括空間數(shù)據(jù)庫、信息處理和空間信息、地學(xué)知識(shí)庫資源都可以傳到網(wǎng)上，通過可視化的服務(wù)精神，在保證服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)之上，利用云計(jì)算環(huán)境，實(shí)現(xiàn)包括計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)資源的共享。

今天城市中已經(jīng)擁有海量的空間大數(shù)據(jù)，由我國自主研發(fā)的天地圖軟件已經(jīng)上線，目前天地圖的數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到了100TB。天地圖通過傾斜相機(jī)等工具采集城市空間信息，進(jìn)而建立城市三維模型，我們最近在貴陽市已經(jīng)做了很多這方面的工作。通過天地圖監(jiān)測技術(shù)我們能夠解決城市中的哪些問題呢？拿上海來說主要就是監(jiān)測地表下沉，如果把各種雷達(dá)數(shù)據(jù)放在一起，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和挖掘，就可以隨時(shí)隨地監(jiān)測地表下沉情況。通過監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)下沉速度不同，有些地區(qū)每年下沉20毫米，有些只有幾毫米，特別是遠(yuǎn)郊區(qū)和市中心的下沉情況大不相同。這些結(jié)果可以為城市建設(shè)提供決策參考。我們拿天地圖檢測到的空間數(shù)據(jù)跟上海市國土局監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，精度可以達(dá)到2.5毫米，目前通過意大利有關(guān)的檢測方法精度是3.7毫米。天地圖已經(jīng)對(duì)上海、蘇州、天津、廣州等大城市的空間信息進(jìn)行了監(jiān)測，同時(shí)還監(jiān)測了三峽大壩，未來還要監(jiān)測高鐵運(yùn)行情況。

另一個(gè)重要的需求領(lǐng)域是城市安防。2005年國務(wù)院有關(guān)部門宣布啟動(dòng)平安城市建設(shè)以來，現(xiàn)在全國約600個(gè)城市安裝了超過2000萬個(gè)攝像頭，投資超過3000多億元。通過攝像頭可以保證城市的平安、交通的通暢，但是問題在于目前的數(shù)據(jù)量太大，現(xiàn)有設(shè)備難以存儲(chǔ)。僅以天津?yàn)槔健笆濉逼谀┨旖虺鞘袑惭b60萬個(gè)攝像頭，按照公安部的要求這些數(shù)據(jù)將要被保留3個(gè)月，數(shù)據(jù)總量將達(dá)到4600多個(gè)PB，這比現(xiàn)有的整個(gè)城市空間數(shù)據(jù)量還要大。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，僅保存這些數(shù)據(jù)每年就要花費(fèi)580多億元，相當(dāng)于2012年西藏的GDP總和。同時(shí)數(shù)據(jù)量太大，也會(huì)導(dǎo)致信息查詢很難進(jìn)行，海量的數(shù)據(jù)超過了人工處理的極限。如果監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)揮不了作用，城市安全就難以保障，公安部門在案件破案效率、速度、質(zhì)量方面難以獲得提高。這是今天城市安防面臨的一個(gè)嚴(yán)峻問題。

目前大數(shù)據(jù)在城市各個(gè)領(lǐng)域都有巨大的需求，在城市交通領(lǐng)域同樣如此。目前中國有13億多人口，城市汽車保有量近幾年增加非?？?，和交通有關(guān)的數(shù)據(jù)量也在飛速增長，達(dá)到了PB級(jí)，并且城市每天24小時(shí)都有交通流量更新，我們要把這些數(shù)據(jù)保存起來，沒有大數(shù)據(jù)的技術(shù)基本上是不可能實(shí)現(xiàn)的。在智慧安防領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)365天×24小時(shí)城市監(jiān)控，沒有大數(shù)據(jù)技術(shù)也是不行的。在智慧養(yǎng)老方面，現(xiàn)在中國超過65歲的人已達(dá)到2億～2.5億，要使老人得到及時(shí)的救護(hù)和幫助，就要把每天的變化記錄下來，需要保存的數(shù)據(jù)不可估量。在制造領(lǐng)域的數(shù)據(jù)量也很大。這些領(lǐng)域都已經(jīng)離不開大數(shù)據(jù)技術(shù)。

依靠云計(jì)算與數(shù)據(jù)挖掘

可以肯定，目前城市海量的數(shù)據(jù)信息已經(jīng)離不開云計(jì)算和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。今天科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了多個(gè)階段，從最早靠經(jīng)驗(yàn)，后來靠理論，今天我們進(jìn)入了通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)知識(shí)的時(shí)代，在這一階段云計(jì)算技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。人們已經(jīng)可以把計(jì)算、存儲(chǔ)、交互等方面的能力放在云端，按需使用，這種服務(wù)叫云計(jì)算服務(wù)。今天我們進(jìn)入了以虛擬化為特點(diǎn)的云計(jì)算時(shí)代，出現(xiàn)了大批以云計(jì)算為中心的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，即在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上除了自身的計(jì)算資源之外，還有一些企業(yè)提供云服務(wù)器或者集成服務(wù)。這些商業(yè)主體構(gòu)成了一個(gè)云計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈條，它們無所不在，隨時(shí)隨地為大家提供服務(wù)。

遙感云就是其中一個(gè)重要例子。它把海量的遙感數(shù)據(jù)以及復(fù)雜的遙感處理與分析方法放在遠(yuǎn)程的云計(jì)算平臺(tái)上，利用云計(jì)算平臺(tái)彈性的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)資源共享，用戶無需購買數(shù)據(jù)、不需搭建環(huán)境，也不需要買軟件，只需要選擇數(shù)據(jù)和算法后即可獲得計(jì)算結(jié)果。我們的服務(wù)不再是提供一個(gè)文件拷貝和數(shù)據(jù)共享，而是基于云計(jì)算的注冊服務(wù)。我們現(xiàn)在正在做的遙感云英文是OpenRS-Cloud，這是一個(gè)開放的遙感云，目前對(duì)個(gè)人用戶是不收錢的，在這里可以檢查任務(wù)進(jìn)行的速度，也可以查看計(jì)算結(jié)果，把需要計(jì)算的數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去后可以直接在瀏覽器上察看到結(jié)果，用戶使用起來非常方便?，F(xiàn)在大家已經(jīng)可以上網(wǎng)免費(fèi)體會(huì)OpenRS了。以氣候應(yīng)用為例，通過該系統(tǒng)可以搜索下雨之前的衛(wèi)星影像，還可以搜索下雨之后的衛(wèi)星影像，有了這些影像以后自動(dòng)生成了服務(wù)鏈條，得到遙感服務(wù)的結(jié)果。

另一個(gè)熱門應(yīng)用領(lǐng)域是位置云。位置云將手機(jī)收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)與其他定位相關(guān)的傳感器信息傳輸?shù)皆朴?jì)算中心，通過實(shí)時(shí)計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外高精度的手機(jī)連續(xù)位置定位和實(shí)時(shí)導(dǎo)航。不僅地理國情檢測員需要位置云，而且災(zāi)情報(bào)告員、土地調(diào)查員和城管員都需要。通過這樣的系統(tǒng)把衛(wèi)星定位方法、室內(nèi)的傳感器定位方法、無線信號(hào)定位方法糅合在一起，就叫做混合定位。

目前我國自主開發(fā)的北斗定位系統(tǒng)正在研發(fā)相關(guān)的位置服務(wù)云，北斗定位系統(tǒng)從2012年已經(jīng)全面民營化運(yùn)營，目前已經(jīng)有120個(gè)文字的短信報(bào)文功能。在導(dǎo)航定位功能方面北斗做了增強(qiáng)，220公里的距離內(nèi)可以保證導(dǎo)航精度達(dá)到每秒鐘十個(gè)精度，如果是60公里內(nèi)則可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域三頻厘米級(jí)精密定位。在相同的條件下，如果采用GPS定位系統(tǒng)，信號(hào)完好率只有44%，初始化時(shí)間需要40多秒。如果采用GPS雙頻加北斗三頻，就可以保證每平面精度達(dá)到1厘米、高程精度達(dá)到3.6厘米，信號(hào)完好率達(dá)到100%，初始化時(shí)間也只有6秒，這樣的提升是非常明顯的?，F(xiàn)在運(yùn)營商已經(jīng)把這個(gè)軟件運(yùn)行起來，進(jìn)行精密定位只收0.1～0.2毛錢，通過高精度導(dǎo)航性能分析，可以避免95%的誤差，精度達(dá)到了1.4米，這個(gè)成果可用于智慧交通中的車輛控制和智能駕駛。目前物資運(yùn)送規(guī)定只能在慢車道行駛，但實(shí)際上很難控制物資車輛是否超速，如果有了米級(jí)精度定位就可以實(shí)現(xiàn)車輛控制，一旦車輛犯規(guī)，城市交通指揮中心馬上就會(huì)知道。

數(shù)據(jù)挖掘是今天離不開的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前現(xiàn)實(shí)世界看到的數(shù)據(jù)往往并不是我們需要的結(jié)果，今天我們需要的是挖掘信息或知識(shí)，找到最終結(jié)果?，F(xiàn)在有些書籍就是專門講解如何利用大數(shù)據(jù)挖掘知識(shí)，用這種數(shù)據(jù)分析方法可以從中挖掘發(fā)現(xiàn)我們想要的知識(shí)。

在對(duì)平安城市視頻數(shù)據(jù)分析中，需要經(jīng)常要對(duì)市民的行為進(jìn)行智能分析和挖掘。這就不僅需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理，從而把這些PB級(jí)的數(shù)據(jù)壓縮下來，而且接下來還要通過智能設(shè)備對(duì)人體異常行為和異常事件進(jìn)行監(jiān)測分析和挖掘，這是公安部門最感興趣的。比如通過對(duì)人群奔跑、翻墻、徘徊等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘，武漢市公安部門破解了一樁盜竊案件。波士頓爆炸案的兩個(gè)嫌犯被抓，主要就是人家都往外走他們卻往里走，最終被人懷疑。有個(gè)專業(yè)術(shù)語叫異動(dòng)，他們的行為都屬于這一范疇，所以就被抓住了。我們曾做過一個(gè)試驗(yàn)，通常人眼看監(jiān)視屏幕，一個(gè)人兩個(gè)屏幕看了22分鐘，錯(cuò)誤率達(dá)到95%，怎么辦呢？能不能用計(jì)算機(jī)做這類事情呢？如果計(jì)算機(jī)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，不但不會(huì)出現(xiàn)誤差，還能自動(dòng)對(duì)被監(jiān)測物體中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測、分離、跟蹤，對(duì)他們的行為進(jìn)行有效識(shí)別，那么就能解決很多問題了。如果有了這個(gè)軟件，視頻數(shù)據(jù)就能被充分利用，正常人隱私的活動(dòng)應(yīng)該會(huì)被刪去，把可疑的數(shù)據(jù)留下來，從而實(shí)現(xiàn)高效的處理結(jié)果。

統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施

未來，智慧城市一定是基于數(shù)字城市、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算建立的現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的融合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人和物的感知、控制和智能服務(wù)。感知是數(shù)字城市的功能，控制和智能服務(wù)是智慧的高級(jí)階段，智慧城市對(duì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展、城市職能管理和對(duì)大眾的智慧服務(wù)具有廣闊的前景，使得人與自然更加協(xié)調(diào)。但是做這件事情也不是很容易，需要注意一些事項(xiàng)。

首先要讓大家把網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建好，讓大家用得好、用得起，如果網(wǎng)絡(luò)用不好、用不起，智慧化就等于零，這是工信部等政府部門肩負(fù)的重要任務(wù)。其次作為專家和企業(yè)的任務(wù)是抓好技術(shù)創(chuàng)新和攻關(guān)研究，抓住智慧城市帶來的數(shù)字服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)，更好地實(shí)現(xiàn)各種智能化的應(yīng)用。最后，智慧城市是在具體一個(gè)城市里進(jìn)行和建設(shè)的項(xiàng)目，城市一把手對(duì)智慧城市的建設(shè)規(guī)劃和走向很重要，在國內(nèi)外智慧城市都是一把手工程，我們要根據(jù)每個(gè)城市的特點(diǎn)做好頂層設(shè)計(jì)、統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施。

（本文是李德仁院士在智慧城市論壇上的發(fā)言整理。）

作者簡介：李德仁，中國科學(xué)院院士、中國工程院院士。