智慧城市综合感知与智能决策的进展及应用
龚健雅1,2,3,张翔1,3,向隆刚1,3,陈能成1,3
1.武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,湖北武汉;2.武汉大学遥感信息工程学院,湖北武汉;3.地球空间信息技术协同创新中心,湖北武汉
基金项目：国家重点研发计划(YFB;YFB);国家自然科学基金();湖北省自然科学基金创新群体项目(CFA)
第一作者简介：龚健雅(-),男,博士,教授,中国科学院院士,研究方向为地理信息系统、摄影测量与遥感。E-mail:gongjy
whu.edu.cn通信作者：陈能成,E-mail:cnc
whu.edu.cn摘要：城市感知与决策是实现城市智慧化的首要前提。针对当前的最新研究进展，分别从基于空天地集成化传感网的城市综合感知、城市时空大数据的管理与分析、面向多层次用户的智能决策等3方面进行了分析论述，对比分析了当前城市时空信息平台及应用，在此基础上，提出了未来智慧城市感知决策面临的"三高"挑战，即高度融合的物理感知与社会感知，高度智能化的城市管理分析能力，以及高置信度的城市信物融合系统决策。
关键词：综合感知实时管理智能决策物联网传感网智慧城市
1智慧城市
智慧城市是数字城市的智能化，是数字城市功能的延伸、拓展和升华[1-5]，通过物联网把数字城市与物理城市无缝连接起来，利用云计算和人工智能等技术对实时感知数据进行即时处理并提供智能化服务[6]。因此，智慧城市的基础是感知，关键是管理，价值是决策。年起，国家科技部先后部署了“智慧城市(一期)”计划主题项目、“智慧城市(二期)”计划重大项目、“物联网与智慧城市关键技术及示范”国家重点研发计划专项等，在智慧城市技术架构[7-9]、数据活化[10]、数据融合[11-12]、数据获取[13-14]、系统互联[15]、高性能分析[16-17]、时空模拟[18-22]、动态呈现[23-25]和信息服务[26-27]等方面取得了一系列系统性的成果[28]。特别是近几年，在物联网、社会感知、大数据、人工智能和信物融合等领域涌现出一批创新的思想、方法、技术和产品，对于我国智慧城市的集成研究和示范应用具有重要意义。
为此，本文聚焦城市综合感知、时空大数据管理分析与多层次信息智能决策等智慧城市前沿研究领域，综述最新进展，梳理城市时空信息平台及典型应用，最后分析了未来智慧城市感知、管理与决策面临的挑战。
2基于空天地集成化传感网的城市综合感知2.1智慧城市中的空间信息基础设施
空间信息基础设施是国家信息基础的重要组成部分，也是城市智慧化的重要前提。当前我国城市空间信息基础设施包含导航与位置服务网[29-30]、地理信息服务网[31-32]和行业感知网[33-34]等3大类及10余种子类，具体表现形式和特征见表1。当前城市各类空间信息基础设施正逐步完善，其感知能力、服务标准和应用规范基本可以满足城市相应领域需求。
表1智慧城市中的空间信息基础设施Tab.1Spatialinformationinfrastructureinsmartcity
空间信息基础设施大类空间信息基础设施子类典型表现形式特征导航与位置服务网全球卫星导航系统中国北斗卫星导航系统(BDS)、美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯系统(GLONASS)和欧洲伽利略卫星导航系统(Galileo)实现多种精度的位置信息服务能力，逐步发展为室内外一体化导航与位置服务地面广域实时精密定位服务系统千寻位置室内与地下导航定位声光电场综合定位天地融合的导航与位置服务网羲和系统地理信息服务网权威二三维电子地图服务天地图电子地图浏览逐步发展为提供二、三维、实景、实时地理信息服务电子地图和出行信息服务高德地图、百度地图街景地图服务腾讯地图、我秀中国行业感知网卫星遥感网气象、海洋、环境、灾害、资源、测绘和高分卫星实现多种尺度的时空及属性信息感知能力，服务众多行业移动测量系统LD系列陆基移动测量系统地面传感网气象站、水文站、RFID微网工业物联网供水管网监测、燃气管网监测视频网公安视频网、交通视频网车联网华为车联网解决方案表选项
2.2空天地集成化传感网的思想与方法
虽然具备了较为全面的城市空间信息基础设施，但如何有效地集成利用，构建一体化空间信息基础设施，应对“三多现状”(多观测耦合、多协议互联、多主题交互)和“三高需求”(高时空感知、高精度感知、高智能感知)一直面临巨大挑战。经过10余年的研究，笔者认为，构建空天地集成化传感网，是应对这一挑战最有希望的解决方案[13-14]。空天地集成化传感网，利用高速通信网络和无处不在的感知手段，遵循观测、数据、处理和服务等标准规范，集成现有空间信息基础设施，采用异构资源集成管理、多平台协同观测、多源数据融合，以及信息聚焦服务等多种方法和技术，构建互联互通的城市感知基础体系(如图1所示)。这一体系属于空间信息网络的一种实例化[35]，将从系统论和协同论角度构建满足智慧城市的多尺度、高时变和多样化感知需求，特别是对资源环境灾害和各种人流、物流及事件流的监测与跟踪具有重要意义。
图1空天地集成化传感网的架构Fig.1Architectureofspace-air-groundintegratedsensorweb图选项
正确理解空天地集成化传感网要把握4个层次的内涵：首先，它是一种系统性、多维度和多尺度监测分析的新思想，要求从系统论的角度思考城市感知问题，从协同论的角度融合空天地多种手段，这对传统感知行业的从业者来说，是一种思想革新；其次，它是一种互联互通大规模城市监测资源的新技术，包括海量传感器组网通信[36]、异构传感器接入[37-38]、传感网资源管理[39]、传感网服务组合[40-41]、流式数据挖掘分析[42-43]和地理信息互操作[44-45]等技术；再次，它是一种协同多源异构城市感知资源的新方法，包括传感器信息建模[46-47]、观测能力评价[48-51]、协同监测[52-53]、点面观测数据融合[54-55]和按需聚焦服务[56]等方法；最后，它是一种实现城市泛在感知与深度智能的新愿景，无论是李德仁院士谈到的4W到4R信息服务能力[57]，还是城市感知脑[58]，还是未来通导遥一体化蓝图[59]，其基础都包括空天地集成化传感网。
2.3基于空天地集成化传感网的城市综合感知
基于空天地集成化的传感网，有望实现前所未有的城市感知能力，其中最有价值的就是多尺度感知能力。多尺度的城市感知意味着从感知手段、内容、精度和时效都是多尺度的，感知手段包括观测平台(卫星、无人机、测量车、行业网、机器人、智能手机)；感知范围包括城市群、城市和街区；感知精度以米、分米、厘米；感知时效性包括季度、周、即时。这种由一张网和一平台支撑的综合感知信息，可实现城市群趋势分析、城市运行状态监测和街区个体行为跟踪。这是基于空天地集成化传感网的城市综合感知相比于传统的城市感知网络最突出的特征和最大的优势。
依托“物联网与智慧城市关键技术及示范”国家重点研发计划重点专项“城市多尺度综合感知技术与体系”，国内多家单位强强联合，开展基于空天地集成化传感网的城市综合感知相关技术研发、平台集成与应用示范(如图2所示)。其主要目标在于实现城市群至街区尺度的自然地表要素、人车物运动目标和街区复杂场景的在线感知，获取海量时空数据[23]，构建多尺度综合感知服务系统，并提供主动按需即时服务。主要研究内容包括：①建立多尺度综合感知指标、共性技术与标准体系，研究城市群地表要素空间无缝感知技术，构建城市群地表要素无缝感知系统和典型产品；②研究多尺度智能光场视频成像与分析技术，建立十亿像素光场视频成像装置和城市多尺度交通感知分析平台；③研发精细场景时空感知设备与在线监测技术，构建街区突发事件立体感知网；④研制城市多尺度综合感知服务系统，开展城市群至街区尺度暴雨内涝、区域交通和江河湖生态环境示范。
图2基于空天地集成化传感网的城市多尺度综合感知概念图Fig.2Conceptofmulti-scaleand