摘要：新型智慧城市的提出及發展帶來了新的變革，也對空天大數據等技術的應用提出了更高的要求。分析了空天大數據在新型智慧城市建設中的應用價值，研究了空天大數據在新型智慧城市應用的關鍵技術，同時展示了空天大數據的典型應用場景，并提出了利用空天大數據推進新型智慧城市建設的建議。

　　關鍵詞：空天大數據;智慧城市;大數據;數字孿生;知識圖譜

　　引言

　　智慧城市是運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵信息，利用先進的信息技術實現城市智慧式管理和運行。進入新世紀以來，國外城市紛紛加大新一代信息技術在城市管理、服務和運行中的應用，城市智能發展新模式的價值也越發凸顯。

　　目前，全球在建或已啟動的智慧城市已達上千個，而中國則以700個試點城市居于智慧城市建設數量的首位，形成了分布在東部沿海及中西部地區的數個大型智慧城市群。全球在建的智慧城市主要分布在美國，歐洲的瑞典、愛爾蘭、德國、法國，以及亞洲的中國、新加坡、日本和韓國。為了增強經濟競爭力和創新力，新加坡提出“智慧國”計劃，促進信息與通信技術(informationandcommunicationstechnology，ICT)產業增長，提高產業競爭力;日本提出“智慧泛在”構想，將“uJapan”戰略升級為“iJapan”戰略;韓國松島新市鎮借助智慧城市建設，宣揚韓國的通信技術水準，發揮其對國際通信領域的影響力。

　　目前眾多的智慧城市建設的頂層設計更注重面向民眾的服務應用層，而忽略了實體空間;雖然各地也有以地理信息系統(geographicinformationsystem，GIS)為主的各類國土空間及地理信息管理平臺，但更多以二維數據為主，數據豐富度不夠，且在應用層考慮甚少。在新型智慧城市建設中，通過對城市基礎設施的數字化，建立空天地一體化的數據資源體系，其既是智慧城市基礎信息資源底座，也是其他信息共享交換、協同應用的通道及載體。與此同時，航空航天產業的快速發展，促進了衛星遙感對地觀測、衛星導航和定位等應用需求急劇增長。

　　隨著遙感、導航定位和地理信息系統等地理信息技術的快速融合，以及遙感衛星系統和全球定位導航系統等空天基礎設施的快速發展，地理空間信息的外延已經拓展為空天大數據，并催生了以空天大數據為基礎的數字地球技術。新型智慧城市建設需要解決城市運營態勢監測、農業生產管理、自然資源監測、生態環境監測等一系列城市建設提出的新挑戰，空天大數據為智慧城市建設提供了更大范圍、更加客觀的數據與及數據資源，在三維空間和時間交織構成的四維環境中為多源信息提供時空數據基礎，實現基于統一時空數據基礎的感測、規劃、布局、分析和決策。

　　1空天大數據在智慧城市建設中的價值

　　1.1新型智慧城市思考

　　2016年4月19日習近平同志在全國網信工作會議上首次提出了新型智慧城市的概念，提出建設真正以人民為中心，實現民生服務便捷、社會治理精準、社會經濟綠色、城鄉發展一體、網絡安全可控的智慧城市，打造美麗中國的新型智慧城市建設新思路、新階段和新目標。我國智慧城市建設經歷了多個階段，目前普遍認為智慧城市建設在概念普及、政策推動、試點示范之后，已經進入快速增長階段，智慧城市相關試點已達700個，開展智慧城市建設及頂層設計的省會城市(直轄市、國家社會與經濟發展計劃單列市)、地級市已分別達94%、71%。

　　大數據是智慧城市建設的關鍵因素，新型智慧城市建設需要打通各層級、各部門、各系統之間的數據融合[1]，同時建立信息共享和業務協同機制，各系統之間的銜接配合與關聯約束關系問題需要使用系統科學的方法進行指導及規劃設計。因此，筆者認為新型智慧城市建設應具備以下能力。空間互聯：新型智慧城市建設需具有空間可擴展性，因此應能夠將城鄉全域作為一個空間整體進行管理、監控，既滿足過去智慧城市微觀精細化管理需求，又能夠在宏觀、中觀層面體現城市和城鄉整體的變化。即時處理：新型智慧城市建設需充分考慮城市的快速變化特征，因此應該具備快速發現、快速決策的能力，由被動改善轉變化主動體察提前決策，減少城鄉建設成本投入。

　　數字孿生：新型智慧城市建設需結合城市的宏觀特征，因此應能夠通過數字孿生或虛擬鏡像的方式對實時的實體城市進行模擬和同步，將新型智慧城市作為城鄉全域各類信息匯聚、分析和展現的載體，形成與實體城市信息同步的城鄉管理體系。知識服務：新型智慧城市建設需充分結合地理要素格局，實現對時空數據的知識挖掘，因此應通過知識圖譜技術結合時空存量數據構建空間知識圖譜，對基礎時空數據及多源異構信息進一步分析、處理、挖掘、升華，與現有時空知識體系進行關聯，形成對時空信息要素空間格局、相互關聯和變化規律的系統性認識，打造數據信息服務走向知識服務的技術體系。

　　1.2空天大數據的應用價值及科學問題

　　為了及時感知新型智慧城市中的治理問題，實現城市的精細化和動態化管理，基于空天大數據技術構建的空天地一體化宏觀輔助決策系統應運而生。其不僅為傳統智慧城市數據中心提供了大量的新型資源數據，同時也為經濟發展、城市治理、功能服務、應急指揮、環境保護、交通出行等智慧應用提供了新型的監測手段及服務方式[2]。

　　空天大數據技術具有全時空感知、全周期監測、全數據實時融合、全要素評估等核心能力。由此衍生出對新型城市建設的風險立體感知、城市運行規律主動洞察、人和物軌跡追蹤回溯、事件精準定位管控、決策分析動態推演、預案可視化仿真演練、預案調優和執行、要素資源評估配置等多種能力，這將對構建城市現代化治理體系和治理能力提供強有力的支撐。

　　全時空實時感知：新型智慧城市的基礎是空天地實時感知網絡以及感知網絡獲取的實時數據[3]。基于我國數座衛星地面站，能夠實時獲取衛星觀測資料，實時獲取高中低不同空間分辨率數據，可以在接到衛星下傳數據后的幾分鐘內給出人們需要的地球物理參數，實現對城鄉全域的快速感知，為新型城市建設的運行規律洞察提供支撐。全周期實時監測：在建立全時空實時感知數據體系的基礎上，建立起“事前-事中-事后”的全生命周期管理系統。

　　基于空天大數據技術建立遙感影像特征庫和地表光譜庫，為多源多尺度光學遙感數據的特定目標快速發現和城市利用變化自動檢測提供數據分析基礎，從而實現對城鄉問題的快速發現、快速反饋。全場景實時融合：智慧城市本底時空數據以城市存量時空數據為核心，結合實時感測的空天數據，構建多層次、多維度的時空數據融合統一框架，形成以多源空天數據為基礎、以政務數據為主干、以社會數據為補充的全空間、全要素、全過程、一體化的時空孿生數據體系，使智慧城市建設能被更加精確全面地呈現和表達出來，更準確地實現動態監測、趨勢預判、虛實互動。

　　全要素實時評估：城鄉的復雜構成離不開“山、水、林、田、湖、海、草”等基礎自然資源要素，而全要素的自然資源也是評價城鄉生態環境的關鍵所在。因此基于“全時空實時感知”“全周期實時監測”和“全場景實時融合”實現城鄉全要素的實時智能評價是智慧城市建設的重要目標之一。由此建立“感知—體檢—評估—預警—更新”的智能迭代系統是新型智慧城市的大“智”所在。

　　2空天大數據在智慧城市應用中的關鍵技術

　　從典型場景和技術架構方面分析，筆者認為空天大數據在新型智慧城市應用中的關鍵技術包含“感-融-管-譜-視”5大核心技術。一是一體化感知技術，采集城市脈搏數據，反映城市實時運行狀態;二是全要素數據融合供給技術，構建城市語義信息模型，實現現實世界與數字世界精準映射;三是時空數據管理分析技術，有序治理數據資源，建立數據資源關系，促進數據高效開發利用;四是空間知識圖譜技術，基于城市運行規律構建行業分析算法模型，在數字空間提中前推演運行效果;五是全場景可視化呈現技術，渲染數字呈現效果，實現虛實映射的可視化界面。

　　2.1一體化感知技術

　　一體化感知技術是指利用衛星遙感技術、航空遙感技術、衛星定位技術、地面監測技術等空天地一體化立體監測手段，實時或間斷采集任何需要監控、觀測、連接、互動的物體及過程，采集其光、聲、電、熱、位置、力學、化學、生物等各種需要的信息，構建的綜合立體感知技術體系。一體化感知技術通過“空”“天”“地”“網”的監測手段“感知”真實的物理城市，建立物理城市的精準映射，實現對海量空間數據的智能解譯，進而為智慧城市提供海量運行數據，使得城市得到可以服務城市管理的本底數據集。

　　(1)立體感知物理世界、人類社會、信息空間構建的人機物三元世界是動態開放的網絡社會。在這個人機物三元世界中，一方面，人們采用測量、遙感、野外調查和最近興起的傳感網等技術采集獲取物理世界的各種信息;另一方面，人們利用互聯網、社會調查以及傳感器、智能手機、可穿戴設備等工具獲取人類社會經濟信息。這些感知獲取的多源、異構、海量的時空數據包含了復雜的社會網絡關系，這些信息共同形成了智慧城市的海量時空大數據。

　　立體感知技術是通過整合、匯集多種感知手段，利用天基、空基、地基、網基不同的感知方式，服務于天、空、地表、地下、水域等不同智慧城市維度的數據需求。例如通過衛星遙感影像監測山水林田湖草的修復程度;通過無人機監測違章建筑的變化;通過傳感器與地下管廊、路燈基礎設施融合，對其運行狀態進行管理，實現設施的“被感知”;基于信號基站，滿足各場景下的感知、計算、控制需求等。

　　(2)態勢感知我國古代的《孫子兵法》就提出了態勢感知(situationawareness)這個概念。態勢感知首先需要獲取態勢要素，通過數據分析進行態勢理解，進而實現對未來短期時間內的態勢預測。態勢感知最終達成的目標是實現動態、準實時的未來短期預測，其核心部分是一個漸進明晰的過程。在新型智慧城市建設中，海量時空數據的獲取能夠為城市態勢分析提供支撐，與海量物聯數據匯聚分析的結果可指導城市運行的物理規律和機理分析。同時在海量時空數據的基礎上，同云計算、深度學習等技術融合，推演城市環境中不同管理要素的變化規律，實現態勢預測。

　　2.2全要素數據融合供給技術

　　全要素數據融合供給技術本質上是為城市物理實體提供數據處理與建模服務，通過空、天、地、海的多層面和多級別的數據采集，結合一體化感知技術，對城市進行全要素全場景數字化和語義化建模，實現從宏觀到微觀、從室外到室內、從地上到地下、從二維到三維等不同粒度、不同精度的數字化孿生還原，形成全空間一體化且相互關聯的城市數據底座，實現數字空間與物理空間的映射，為新型智慧城市可視化呈現、立體監測、智能決策等提供數據基礎，共同支撐智慧城市應用。全要素數據融合供給技術是時空數據管理分析技術、空間知識圖譜技術、全場景可視化呈現技術的基礎支撐，其由空天大數據快速處理技術及空天大數據數字化智能解譯技術構成。

　　2.3時空數據管理分析技術

　　時空數據管理分析技術包括時空數據管理共享技術及時空數據空間分析技術，其中時空數據管理共享技術是以多源空天數據為基礎、以政務數據為主干、以社會數據為補充的全空間、全要素、全過程、一體化的時空孿生數據體系;時空數據空間分析技術是指結合時空網格技術、時空布爾運算技術等，針對具體業務需求進行空間數據計算、分析、查看、展示的能力，包括距離測量、面積測量、體積測量等測量能力，疊加分析、序列分析和預測分析等時空分析能力，路徑規劃、度游定制、可視域分析等場景分析能力。

　　2.3.1時空數據管理共享技術

　　(1)分布式的時空大數據管理技術分布式的時空大數據管理技術匯聚、處理、動態管理時空數據、政務數據、物聯網感知數據，建立管理信息模型，實現地上到地下、室內到室外、虛擬到孿生的時空大數據一體化管理，克服使用關系數據庫存儲時空大數據時存在的存儲與訪問的效率低下、難以滿足高并發等問題，解決大數據量下的實時性要求，充分發揮非關系數據庫的性能優勢。

　　分布式的時空大數據管理技術能夠支撐分布式存儲、大數據量下高效存取、精確檢索、高并發下并發響應及負載均衡，從而提升時空大數據的查詢效率、吞吐量、可用性、容錯性以及穩定性。多源異構時空大數據的共享、互操作和無縫流轉，支持不同類型數據庫的有效集成，并提供應用層面的統一訪問接口、統一查詢方式和統一操作行為。

　　(2)多源異構數據動態聚合與自適應共享分發技術現階段智慧城市大多圍繞“云-邊-端”模式構建，時空數據的管理共享技術以多源異構巨量數據、內容、關系的統一聚合、組織、動態關聯和共享分發為主要目標，多源異構數據結合基于屬性基加密的隱私個性化訪問控制方法，以及基于高拓展性安全多方計算的數據隱私共享查詢方法，實現權限可伸縮的多模態數據隱私共享訪問。

　　2.4空間知識圖譜技術

　　傳統的空間數據一般被認為是地形地物位置分布、形態大小、相互關系的數字化描述與表達，以矢量、影像、數字高程模型等形式呈現，兼具空間載體和知識存量兩大作用。但空間數據具備的知識存量缺乏挖掘分析，可提供的知識服務較少。構建和提供空間知識服務時，需要充分考慮其影響因素，技術體系涉及知識抽取、知識挖掘、圖譜自動化構建、空間推理、空間知識服務、可視化表達等關鍵技術。

　　(1)知識挖掘或抽取的智能化基于空天數據直接提取語義信息，構建其基礎空間的領域知識體系。按類型分析空間知識的信息特點，分析其內涵、來源和用途，并按照體系進行粒度劃分，揭示和描述其全面、深層次的概念關系，實現知識組織的深度序列化。(2)空間知識圖譜的自動化構建根據基礎地理知識圖譜的時空特性，解決空間關聯關系的自動提取、關聯數據的動態維護等問題，實現自動化的動態關聯技術。(3)空間知識推理通過基于規則的推理、基于圖的推理、基于深度學習的空間推理以及混合知識推理等方法，重新組合知識元和知識關聯的結構，形成和提供描述型、診斷型、引導型和方案型的知識服務。

　　2.5全場景可視化呈現技術

　　全場景可視化呈現技術是指通過圖形引擎，以數字化方式多層次精準映射、實時渲染呈現智慧城市物理實體的能力。在新型智慧城市需求中，可視化呈現技術既能夠渲染宏大開闊的城市場景，又可展示地理信息局的部特征;既能夠實現“天空地海網”多維度的城市全貌展示，又可對城市細節進行微觀染。呈現的內容映射展現了城市樣貌、自然環境、城市細節、城市實時交通等各種場景，同時實現分析挖掘結果、數據分析結果、仿真結果等的可視化，實現大屏端、桌面端、網頁端、移動端、虛擬現實(virtualreality，VR)/增強現實(augmentedreality，AR)設備端多終端一體化展示，滿足不同業務和應用場景需求。

　　3空天大數據在智慧城市中的應用

　　3.1城市運營態勢監測專題

　　空天大數據在資源環境應用中具有先天的優勢，基于高分遙感影像，可進行城市土地利用現狀調查、城市擴張監測、城市環境質量監測、城鎮發展格局動態監測、交通路網動態監測、城市重點區域產業布局監測、重大工程監管。在城市運營態勢監測中，通過以上專項調查結果，可判斷城市布局的合理性、城市綠地是否足夠、城市運營中存在的問題及需要如何改進等，從而因地制宜地為城市制定相應的規劃、建設和管理方案[7]。

　　(1)城市土地利用現狀調查利用空天大數據技術，可進行城市用地類型的空天一體化調查，獲取相應的遙感數據資料，利用繪制的土地利用現狀圖和土地利用演變圖，可監測區域內各類用地的面積、分布、變化情況及發展趨勢。

　　(2)城市擴張遙感監測城市的發展是一個時間上的動態過程，它的發展變化不僅表現在人口的增加、經濟的發展和功能的變化上，而且也表現在城市空間結構的變化上。這些要素的數量、形態、分布、結構、功能等對城市整體的建設規劃乃至城市的可持續發展具有直接的影響。

　　利用空天大數據技術，以除農村居民點外的城鎮建設用地及交通基礎用地為主要監測對象，開展對城市主建成區、距主建成區邊緣集中連片建設用地、新城新區建設用地、城市間大型基礎設施和區縣城鎮建設用地等的監測，形成系列監測數據、圖件和專題報告成果;對不同時期城市的建設規模、擴展形態和動態變化狀況進行定量分析，客觀、系統地反映城市的演變歷史，對準確掌握城市建設現狀、研究城市時空演變情況、優化城鎮體系和地域空間結構等都具有重要的戰略意義。

　　4結束語

　　空天大數據時代的到來使人們面臨前所未有的挑戰和機遇。空天大數據帶來了科學范式的變化，可能是解決當前面臨挑戰的具有本質性的理論、方法與技術;空天大數據推動了空天大數據產業的變化，空天大數據技術無論在軍事領域還是民生領域都具有廣泛的應用，其中民生領域的新型智慧城市建設是大數據時代發展的趨勢，由此建立的“感知—體檢—評估—預警—更新”的智能迭代系統是新型智慧城市的大“智”所在。作為新型智慧城市中樞的空天大數據平臺，在智慧城市建設和城市運行管理中將得到廣泛深入應用，尤其在城市運行態勢監測、自然資源開發利用、生態文明建設以及公眾服務的智能化應用中發揮基礎支撐作用。建設智慧城市空天大數據平臺對提高城市管理能力和水平，促進城市科學、高效、可持續發展具有重要意義。

　　參考文獻：

　　[1]龔健雅,張翔,向隆剛,等.智慧城市綜合感知與智能決策的進展及應用[J].測繪學報,2019,48(12):14821497.GONGJY,ZHANGX,XIANGLG,etal.Progressandapplicationsforintegratedsensingandintelligentdecisioninsmartcity[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2019,48(12):14821497.

　　[2]李德仁,邵振峰.論物理城市、數字城市和智慧城市[J].地理空間信息,2018,16(9):14,10.LIDR,SHAOZF.Researchonphysicalcity,digitalcityandsmartcity[J].GeospatialInformation,2018,16(9):14,10.

　　[3]MARRB.智能大數據SMART準則:數據分析方法、案例和行動綱領[M].秦磊,曹正鳳,譯.北京:電子工業出版社,2015.MARRB.UsingSMARTbigdata,analyticsandmetricstomakebetterdecisionsandimproveperformance[M].TranslatedbyQINL,CAOZF.Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2015.

　　[4]王家耀.大數據時代的智慧城市[J].測繪科學,2014,39(5):37.WANGJY.Smartcityintheeraofbigdata[J].ScienceofSurveyingandMapping,2014,39(5):37.

　　[5]楊國東,王民水.傾斜攝影測量技術應用及展望[J].測繪與空間地理信息,2016,39(1):1315,18.

　　作者：史經業1,2，李攀1