空天大数据在新型智慧城市建设中的关键技术与应用探索

　　摘要：新型智慧城市的提出及发展带来了新的变革，也对空天大数据等技术的应用提出了更高的要求。分析了空天大数据在新型智慧城市建设中的应用价值，研究了空天大数据在新型智慧城市应用的关键技术，同时展示了空天大数据的典型应用场景，并提出了利用空天大数据推进新型智慧城市建设的建议。

　　关键词：空天大数据;智慧城市;大数据;数字孪生;知识图谱

　　引言

　　智慧城市是运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，利用先进的信息技术实现城市智慧式管理和运行。进入新世纪以来，国外城市纷纷加大新一代信息技术在城市管理、服务和运行中的应用，城市智能发展新模式的价值也越发凸显。

　　目前，全球在建或已启动的智慧城市已达上千个，而中国则以700个试点城市居于智慧城市建设数量的首位，形成了分布在东部沿海及中西部地区的数个大型智慧城市群。全球在建的智慧城市主要分布在美国，欧洲的瑞典、爱尔兰、德国、法国，以及亚洲的中国、新加坡、日本和韩国。为了增强经济竞争力和创新力，新加坡提出“智慧国”计划，促进信息与通信技术(informationandcommunicationstechnology，ICT)产业增长，提高产业竞争力;日本提出“智慧泛在”构想，将“uJapan”战略升级为“iJapan”战略;韩国松岛新市镇借助智慧城市建设，宣扬韩国的通信技术水准，发挥其对国际通信领域的影响力。

　　目前众多的智慧城市建设的顶层设计更注重面向民众的服务应用层，而忽略了实体空间;虽然各地也有以地理信息系统(geographicinformationsystem，GIS)为主的各类国土空间及地理信息管理平台，但更多以二维数据为主，数据丰富度不够，且在应用层考虑甚少。在新型智慧城市建设中，通过对城市基础设施的数字化，建立空天地一体化的数据资源体系，其既是智慧城市基础信息资源底座，也是其他信息共享交换、协同应用的通道及载体。与此同时，航空航天产业的快速发展，促进了卫星遥感对地观测、卫星导航和定位等应用需求急剧增长。

　　随着遥感、导航定位和地理信息系统等地理信息技术的快速融合，以及遥感卫星系统和全球定位导航系统等空天基础设施的快速发展，地理空间信息的外延已经拓展为空天大数据，并催生了以空天大数据为基础的数字地球技术。新型智慧城市建设需要解决城市运营态势监测、农业生产管理、自然资源监测、生态环境监测等一系列城市建设提出的新挑战，空天大数据为智慧城市建设提供了更大范围、更加客观的数据与及数据资源，在三维空间和时间交织构成的四维环境中为多源信息提供时空数据基础，实现基于统一时空数据基础的感测、规划、布局、分析和决策。

　　1空天大数据在智慧城市建设中的价值

　　1.1新型智慧城市思考

　　2016年4月19日习近平同志在全国网信工作会议上首次提出了新型智慧城市的概念，提出建设真正以人民为中心，实现民生服务便捷、社会治理精准、社会经济绿色、城乡发展一体、网络安全可控的智慧城市，打造美丽中国的新型智慧城市建设新思路、新阶段和新目标。我国智慧城市建设经历了多个阶段，目前普遍认为智慧城市建设在概念普及、政策推动、试点示范之后，已经进入快速增长阶段，智慧城市相关试点已达700个，开展智慧城市建设及顶层设计的省会城市(直辖市、国家社会与经济发展计划单列市)、地级市已分别达94%、71%。

　　大数据是智慧城市建设的关键因素，新型智慧城市建设需要打通各层级、各部门、各系统之间的数据融合[1]，同时建立信息共享和业务协同机制，各系统之间的衔接配合与关联约束关系问题需要使用系统科学的方法进行指导及规划设计。因此，笔者认为新型智慧城市建设应具备以下能力。空间互联：新型智慧城市建设需具有空间可扩展性，因此应能够将城乡全域作为一个空间整体进行管理、监控，既满足过去智慧城市微观精细化管理需求，又能够在宏观、中观层面体现城市和城乡整体的变化。即时处理：新型智慧城市建设需充分考虑城市的快速变化特征，因此应该具备快速发现、快速决策的能力，由被动改善转变化主动体察提前决策，减少城乡建设成本投入。

　　数字孪生：新型智慧城市建设需结合城市的宏观特征，因此应能够通过数字孪生或虚拟镜像的方式对实时的实体城市进行模拟和同步，将新型智慧城市作为城乡全域各类信息汇聚、分析和展现的载体，形成与实体城市信息同步的城乡管理体系。知识服务：新型智慧城市建设需充分结合地理要素格局，实现对时空数据的知识挖掘，因此应通过知识图谱技术结合时空存量数据构建空间知识图谱，对基础时空数据及多源异构信息进一步分析、处理、挖掘、升华，与现有时空知识体系进行关联，形成对时空信息要素空间格局、相互关联和变化规律的系统性认识，打造数据信息服务走向知识服务的技术体系。

　　1.2空天大数据的应用价值及科学问题

　　为了及时感知新型智慧城市中的治理问题，实现城市的精细化和动态化管理，基于空天大数据技术构建的空天地一体化宏观辅助决策系统应运而生。其不仅为传统智慧城市数据中心提供了大量的新型资源数据，同时也为经济发展、城市治理、功能服务、应急指挥、环境保护、交通出行等智慧应用提供了新型的监测手段及服务方式[2]。

　　空天大数据技术具有全时空感知、全周期监测、全数据实时融合、全要素评估等核心能力。由此衍生出对新型城市建设的风险立体感知、城市运行规律主动洞察、人和物轨迹追踪回溯、事件精准定位管控、决策分析动态推演、预案可视化仿真演练、预案调优和执行、要素资源评估配置等多种能力，这将对构建城市现代化治理体系和治理能力提供强有力的支撑。

　　全时空实时感知：新型智慧城市的基础是空天地实时感知网络以及感知网络获取的实时数据[3]。基于我国数座卫星地面站，能够实时获取卫星观测资料，实时获取高中低不同空间分辨率数据，可以在接到卫星下传数据后的几分钟内给出人们需要的地球物理参数，实现对城乡全域的快速感知，为新型城市建设的运行规律洞察提供支撑。全周期实时监测：在建立全时空实时感知数据体系的基础上，建立起“事前-事中-事后”的全生命周期管理系统。

　　基于空天大数据技术建立遥感影像特征库和地表光谱库，为多源多尺度光学遥感数据的特定目标快速发现和城市利用变化自动检测提供数据分析基础，从而实现对城乡问题的快速发现、快速反馈。全场景实时融合：智慧城市本底时空数据以城市存量时空数据为核心，结合实时感测的空天数据，构建多层次、多维度的时空数据融合统一框架，形成以多源空天数据为基础、以政务数据为主干、以社会数据为补充的全空间、全要素、全过程、一体化的时空孪生数据体系，使智慧城市建设能被更加精确全面地呈现和表达出来，更准确地实现动态监测、趋势预判、虚实互动。

　　全要素实时评估：城乡的复杂构成离不开“山、水、林、田、湖、海、草”等基础自然资源要素，而全要素的自然资源也是评价城乡生态环境的关键所在。因此基于“全时空实时感知”“全周期实时监测”和“全场景实时融合”实现城乡全要素的实时智能评价是智慧城市建设的重要目标之一。由此建立“感知—体检—评估—预警—更新”的智能迭代系统是新型智慧城市的大“智”所在。

　　2空天大数据在智慧城市应用中的关键技术

　　从典型场景和技术架构方面分析，笔者认为空天大数据在新型智慧城市应用中的关键技术包含“感-融-管-谱-视”5大核心技术。一是一体化感知技术，采集城市脉搏数据，反映城市实时运行状态;二是全要素数据融合供给技术，构建城市语义信息模型，实现现实世界与数字世界精准映射;三是时空数据管理分析技术，有序治理数据资源，建立数据资源关系，促进数据高效开发利用;四是空间知识图谱技术，基于城市运行规律构建行业分析算法模型，在数字空间提中前推演运行效果;五是全场景可视化呈现技术，渲染数字呈现效果，实现虚实映射的可视化界面。

　　2.1一体化感知技术

　　一体化感知技术是指利用卫星遥感技术、航空遥感技术、卫星定位技术、地面监测技术等空天地一体化立体监测手段，实时或间断采集任何需要监控、观测、连接、互动的物体及过程，采集其光、声、电、热、位置、力学、化学、生物等各种需要的信息，构建的综合立体感知技术体系。一体化感知技术通过“空”“天”“地”“网”的监测手段“感知”真实的物理城市，建立物理城市的精准映射，实现对海量空间数据的智能解译，进而为智慧城市提供海量运行数据，使得城市得到可以服务城市管理的本底数据集。

　　(1)立体感知物理世界、人类社会、信息空间构建的人机物三元世界是动态开放的网络社会。在这个人机物三元世界中，一方面，人们采用测量、遥感、野外调查和最近兴起的传感网等技术采集获取物理世界的各种信息;另一方面，人们利用互联网、社会调查以及传感器、智能手机、可穿戴设备等工具获取人类社会经济信息。这些感知获取的多源、异构、海量的时空数据包含了复杂的社会网络关系，这些信息共同形成了智慧城市的海量时空大数据。

　　立体感知技术是通过整合、汇集多种感知手段，利用天基、空基、地基、网基不同的感知方式，服务于天、空、地表、地下、水域等不同智慧城市维度的数据需求。例如通过卫星遥感影像监测山水林田湖草的修复程度;通过无人机监测违章建筑的变化;通过传感器与地下管廊、路灯基础设施融合，对其运行状态进行管理，实现设施的“被感知”;基于信号基站，满足各场景下的感知、计算、控制需求等。

　　(2)态势感知我国古代的《孙子兵法》就提出了态势感知(situationawareness)这个概念。态势感知首先需要获取态势要素，通过数据分析进行态势理解，进而实现对未来短期时间内的态势预测。态势感知最终达成的目标是实现动态、准实时的未来短期预测，其核心部分是一个渐进明晰的过程。在新型智慧城市建设中，海量时空数据的获取能够为城市态势分析提供支撑，与海量物联数据汇聚分析的结果可指导城市运行的物理规律和机理分析。同时在海量时空数据的基础上，同云计算、深度学习等技术融合，推演城市环境中不同管理要素的变化规律，实现态势预测。

　　2.2全要素数据融合供给技术

　　全要素数据融合供给技术本质上是为城市物理实体提供数据处理与建模服务，通过空、天、地、海的多层面和多级别的数据采集，结合一体化感知技术，对城市进行全要素全场景数字化和语义化建模，实现从宏观到微观、从室外到室内、从地上到地下、从二维到三维等不同粒度、不同精度的数字化孪生还原，形成全空间一体化且相互关联的城市数据底座，实现数字空间与物理空间的映射，为新型智慧城市可视化呈现、立体监测、智能决策等提供数据基础，共同支撑智慧城市应用。全要素数据融合供给技术是时空数据管理分析技术、空间知识图谱技术、全场景可视化呈现技术的基础支撑，其由空天大数据快速处理技术及空天大数据数字化智能解译技术构成。

　　2.3时空数据管理分析技术

　　时空数据管理分析技术包括时空数据管理共享技术及时空数据空间分析技术，其中时空数据管理共享技术是以多源空天数据为基础、以政务数据为主干、以社会数据为补充的全空间、全要素、全过程、一体化的时空孪生数据体系;时空数据空间分析技术是指结合时空网格技术、时空布尔运算技术等，针对具体业务需求进行空间数据计算、分析、查看、展示的能力，包括距离测量、面积测量、体积测量等测量能力，叠加分析、序列分析和预测分析等时空分析能力，路径规划、度游定制、可视域分析等场景分析能力。

　　2.3.1时空数据管理共享技术

　　(1)分布式的时空大数据管理技术分布式的时空大数据管理技术汇聚、处理、动态管理时空数据、政务数据、物联网感知数据，建立管理信息模型，实现地上到地下、室内到室外、虚拟到孪生的时空大数据一体化管理，克服使用关系数据库存储时空大数据时存在的存储与访问的效率低下、难以满足高并发等问题，解决大数据量下的实时性要求，充分发挥非关系数据库的性能优势。

　　分布式的时空大数据管理技术能够支撑分布式存储、大数据量下高效存取、精确检索、高并发下并发响应及负载均衡，从而提升时空大数据的查询效率、吞吐量、可用性、容错性以及稳定性。多源异构时空大数据的共享、互操作和无缝流转，支持不同类型数据库的有效集成，并提供应用层面的统一访问接口、统一查询方式和统一操作行为。

　　(2)多源异构数据动态聚合与自适应共享分发技术现阶段智慧城市大多围绕“云-边-端”模式构建，时空数据的管理共享技术以多源异构巨量数据、内容、关系的统一聚合、组织、动态关联和共享分发为主要目标，多源异构数据结合基于属性基加密的隐私个性化访问控制方法，以及基于高拓展性安全多方计算的数据隐私共享查询方法，实现权限可伸缩的多模态数据隐私共享访问。

　　2.4空间知识图谱技术

　　传统的空间数据一般被认为是地形地物位置分布、形态大小、相互关系的数字化描述与表达，以矢量、影像、数字高程模型等形式呈现，兼具空间载体和知识存量两大作用。但空间数据具备的知识存量缺乏挖掘分析，可提供的知识服务较少。构建和提供空间知识服务时，需要充分考虑其影响因素，技术体系涉及知识抽取、知识挖掘、图谱自动化构建、空间推理、空间知识服务、可视化表达等关键技术。

　　(1)知识挖掘或抽取的智能化基于空天数据直接提取语义信息，构建其基础空间的领域知识体系。按类型分析空间知识的信息特点，分析其内涵、来源和用途，并按照体系进行粒度划分，揭示和描述其全面、深层次的概念关系，实现知识组织的深度序列化。(2)空间知识图谱的自动化构建根据基础地理知识图谱的时空特性，解决空间关联关系的自动提取、关联数据的动态维护等问题，实现自动化的动态关联技术。(3)空间知识推理通过基于规则的推理、基于图的推理、基于深度学习的空间推理以及混合知识推理等方法，重新组合知识元和知识关联的结构，形成和提供描述型、诊断型、引导型和方案型的知识服务。

　　2.5全场景可视化呈现技术

　　全场景可视化呈现技术是指通过图形引擎，以数字化方式多层次精准映射、实时渲染呈现智慧城市物理实体的能力。在新型智慧城市需求中，可视化呈现技术既能够渲染宏大开阔的城市场景，又可展示地理信息局的部特征;既能够实现“天空地海网”多维度的城市全貌展示，又可对城市细节进行微观染。呈现的内容映射展现了城市样貌、自然环境、城市细节、城市实时交通等各种场景，同时实现分析挖掘结果、数据分析结果、仿真结果等的可视化，实现大屏端、桌面端、网页端、移动端、虚拟现实(virtualreality，VR)/增强现实(augmentedreality，AR)设备端多终端一体化展示，满足不同业务和应用场景需求。

　　3空天大数据在智慧城市中的应用

　　3.1城市运营态势监测专题

　　空天大数据在资源环境应用中具有先天的优势，基于高分遥感影像，可进行城市土地利用现状调查、城市扩张监测、城市环境质量监测、城镇发展格局动态监测、交通路网动态监测、城市重点区域产业布局监测、重大工程监管。在城市运营态势监测中，通过以上专项调查结果，可判断城市布局的合理性、城市绿地是否足够、城市运营中存在的问题及需要如何改进等，从而因地制宜地为城市制定相应的规划、建设和管理方案[7]。

　　(1)城市土地利用现状调查利用空天大数据技术，可进行城市用地类型的空天一体化调查，获取相应的遥感数据资料，利用绘制的土地利用现状图和土地利用演变图，可监测区域内各类用地的面积、分布、变化情况及发展趋势。

　　(2)城市扩张遥感监测城市的发展是一个时间上的动态过程，它的发展变化不仅表现在人口的增加、经济的发展和功能的变化上，而且也表现在城市空间结构的变化上。这些要素的数量、形态、分布、结构、功能等对城市整体的建设规划乃至城市的可持续发展具有直接的影响。

　　利用空天大数据技术，以除农村居民点外的城镇建设用地及交通基础用地为主要监测对象，开展对城市主建成区、距主建成区边缘集中连片建设用地、新城新区建设用地、城市间大型基础设施和区县城镇建设用地等的监测，形成系列监测数据、图件和专题报告成果;对不同时期城市的建设规模、扩展形态和动态变化状况进行定量分析，客观、系统地反映城市的演变历史，对准确掌握城市建设现状、研究城市时空演变情况、优化城镇体系和地域空间结构等都具有重要的战略意义。

　　4结束语

　　空天大数据时代的到来使人们面临前所未有的挑战和机遇。空天大数据带来了科学范式的变化，可能是解决当前面临挑战的具有本质性的理论、方法与技术;空天大数据推动了空天大数据产业的变化，空天大数据技术无论在军事领域还是民生领域都具有广泛的应用，其中民生领域的新型智慧城市建设是大数据时代发展的趋势，由此建立的“感知—体检—评估—预警—更新”的智能迭代系统是新型智慧城市的大“智”所在。作为新型智慧城市中枢的空天大数据平台，在智慧城市建设和城市运行管理中将得到广泛深入应用，尤其在城市运行态势监测、自然资源开发利用、生态文明建设以及公众服务的智能化应用中发挥基础支撑作用。建设智慧城市空天大数据平台对提高城市管理能力和水平，促进城市科学、高效、可持续发展具有重要意义。

　　参考文献：

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　　作者：史经业1,2，李攀1