学术论文|龚健雅院士：智慧城市中的空间信息基础设施
1.智慧城市的概念
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，通过物联网把数字城市与物理城市无缝连接起来，利用云计算等技术对实时感知数据进行即时处理并提供智能化服务。
2.智慧城市的核心技术
透彻感知（图1）：无处不在的智能传感器，对物理城市实现全面、综合的感知和对城市运行的核心系统实时感测，实时获取物理城市 的各种信息。广泛互联：通过物联网将无所不在的智能传感器连接起来，通过互联网实现感知数据的高效传输和存储。 时空分析在智慧城市信息设施基础上，对海量感知时空数据进行实时处理管理、融合与分析，为智能服务提供信息支持。
图1.透彻感知
3.智慧城市的逻辑框架 (见图2)
图2.智慧城市的逻辑框架：利用高性能计算机平台，通过Internet透测感知（广泛互联）进行时空分析（高效的计算），并提供广泛的服务。
1.基础设施
基础设施（infrastructure）是指为社会生产和居民生活提供公共服务的物质工程设施，是用于保证国家或地区社会经济活动正常进行的公共服务系统。它是社会赖以生存发展的 一般物质条件。
“基础设施”不仅包括公路、铁路、机场、通讯、水电煤气等公共设施，即俗称的基础建设（physical infrastructure），而且包括教育、科技、医疗卫生、体育 、文 化 等社 会事 业 即“ 社 会基 础设施 ”（ social infrastructure）。
2.信息基础设施
信息基础设施的范围非常广泛，包含了诸如通信管网 （由光纤PSTN、同轴电缆、以太网线及其管道资源等组 成）、无线基站、中继设备、各级机房以及相关配套的 电源、建筑等设施。信息基础设施是国家基础设施的重要工作。
3.空间数据基础设施
美国总统克林顿入住白宫以后，1993年着手实施耗资上千亿美元的“信息高速公路”计划；1994年4月克林顿又发布了12906号总统令，“协调信息获取和建立国家(地球)空间数据基础设施(NSDI)”。数字地球是以信息高速公路和空间数据基础设施为依托的一个广泛的概念。
国家空间数据基础设施(NSDI)主要包括：地球空间数据框架、空间数据协调、管理与分发体系、空间数据交换网站和空间数据转换标准。
4.空间信息基础设施
空间信息基础设施是指对地球空间信息进行获取、传输、处理与应用的工程设施。除了“信息基础设施”之外，它还包括为地球空间信息导航与定位的基础设施—全球卫星导航定位系统（GNSS）及室内导航定位系统，地球空间信息获取的基础设施—卫星遥感、航空遥感及地面观测网，以及地球空间信息应用与服务系统。
智慧城市中的空间信息基础设施
1.通信网络
通信网络包括：
1)有线网络：互联网、电信网、广电网 ；
2)无线网络：移动、联通、电信，（2G、3G、4G、5G）；
3)空间网络：星地通信网、星星通信网、机星地通信网。通信网络的特性是实现自主组网和自维护，实现网络互联互通（三网融合）。网络应具备维护动态路由的功能，保证整个网络不会因为某些节点出现故障而导致整个网络瘫痪。
2.导航与位置服务网
1)导航与位置服务网包括：
• 全球导航卫星系统（Global Navigation SatelliteSystem，GNSS）
• 美国全球导航定位系统（GPS）
• 俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）
• 欧洲全球导航卫星系统（Galileo）
• 中国全球导航卫星系统（北斗）
2)北斗导航卫星系统：目前我国已经发射了16颗北斗导航卫星，实现了亚太区域的卫星导航定位，2020年建设目标发射30多颗卫星，提供 全球导航米级、增强导航分米级、精确定位厘米级，国内导航市场60%，并竞争国际市场（见图3）。
3)卫星导航系统（见图4）：
• 地基增强服务系统（CORS）:卫星直接定位精度：动态：5-10米；地基增强服务系统：动态：0.1-0.5米。
4)广域实时精密定位服务系统（MASS）:
• 基准站系统
• 控制与处理中心系统
• 信息播发系统
• 用户系统
• 亚米级服务
5)室内与地下导航定位（见图5）：室内与地下空间等无卫星信号覆盖区域的定位，可以利用射频、蓝牙、WIFI、蜂窝基站等无线信号，以及陀螺仪、加速度计、电子罗盘等传感器进行室内与地下的导航定位。基于传感器和无线信号的智能手机定位。二维码城市控制点用于导航定位，在已有三维城市模型中建立布设二维码形式的三维控制点。智能手机摄像头采集影像，通过影像上已知三维控制点信息解算当前位置。
6)天地融合的导航与位置服务网(见图6)。
• 基于卫星定位
• 基于无线信号定位
• 基于传感器定位
• 混合定位
7)导航与位置服务网(曦和计划)(见图7)。
图3.目前我国已经发射了16颗北斗导航卫星，实现了亚太区域的卫星导航定位，2020年建设目标发射30多颗卫星，提供全球导航米级、增强导航分米级、精确定位厘米级，国内导航市场60%，并竞争国际市场。
图4.卫星导航系统：地基增强服务系统（CORS）、卫星直接定位精度（动态5-10米）、地基增强服务系统（动态0.1-0.5米）。
图5.室内与地下导航定位：基于传感器和无线信号的智能手机定位。二维码城市控制点用于导航定位，在已有三维城市模型中建立布设二维码形式的三维控制点。智能手机摄像头采集影像，通过影像上已知三维控制点信息解算当前位置。
图6.天地融合的导航与位置服务网：基于卫星定位、基于无线 信号定位、基于传感器定位、混合定位。
图7.导航与位置服务网（曦和计划）
3.天空地传感器网（遥感网）(见图8)：
1)我国高分辨率对地观测系统:2020年建设目标：全天时、全天候、全球精细观测，发射14颗卫星，分辨率达亚米级，高分数据的自给率达60%（图9）；
• 空间基础设施(遥感、通信、导航卫星）；
• 全球实时监视系统（卫星群）；
• 芦山县太平镇灾前灾后影像对比图（无人机航空遥感）（图10）；
• 高分一号遥感卫星（表1;图11-1;图11-2）；
表1.GF-1卫星轨道贺姿态控制参数
参数 | 指标 |
轨道类型 | 太阳同步回归轨道 |
轨道高度 | 645km（标称值） |
倾角 | 98.0506度 |
降交点地方时 | 10:30AM |
侧摆能力（滚动） | ±25度 ，机动25度的时间 ≤200s，具有应急侧摆（滚 动）±35能力 |
• 高分一号--伊朗（GF-1影像, 2m）（图12）；
• GF-2影像，0.8m（图13）；
• 航空遥感（有人机遥感）；
2)移动道路测量系统，多平台移动测量装备与高精度建模：车载CCD，LiDAR 与POS集成的高精度快速测量装备，实现大规模三维场景快 速三维建模（图14）；
3)地面传感网基于自组网技术的地面大气、水文传感网，自动连续实地测量环境参数；
4)大气环境综合监测系统；
5)水下传感网多层次自组织网络和Internet组成的异构网络实现水下传；
感器和远程终端之间的信息交流。地下传感器（图15）；传感网络。
图8.天空地传感器网（遥感网）
图9.2020年建设目标：全天时、全天候、全球精细观测，发射14颗卫星，分辨率达0.3m，高分数据的自给率达60%。
图10.芦山县太平镇灾前灾后影像对比图（无人机航空遥感）
图11-1.高分一号遥感卫星。
图11-2.高分一号遥感卫星。
图12.高分一号——伊朗（GF-1影像.2m）
图13.GF-2影像，0.8m
图14.多平台移动测量装备与高精度建模：车载CCD，LiDAR与POS集成的高精度快速测量装备，实现大规模三维场景快速三维建模。
图15.地下传感器
4.地理空间信息服务平台网
地理信息技术实现了从二维到三维的跨越，从地理信息 系统到地理信息服务的跨越。如：地理空间信息网络服务平台（图16）、地上下、室内外一体的三维G I S、武汉市地上地下 一体化三维地理信息系统。
地理空间信息服务网络构建模式：纵向多级，分级管理。国家、省、市分别建立基础地 理信息数据库，分级维护和管理。横向多库，分建分管。基础地理信息和各部门专业信息分别建库，各自管理与维护·异构共享，在线集成。兼容不同软硬件环境，实现纵横异构地理信息在线共享与集成统一标准，协同服务。制定统一标准，保障纵向、横向各种空间数据在获得许可情况下互联互通，协同服务。
• 国家地理信息公共服务平台；
• 国家与省节点的无缝聚合；
• 国家、省、市节点服务聚合；
• 天地图的多级服务平台（图17）；
• 基于天地图的应用系统开发—国家灾害应急系统；
• 基于天地图开发的应用系统—中国地震网（图18）；
• 地面传感网与地理信息服务网的集成；
• 视频与地理信息服务网的集成—天眼系统。轨迹追踪，通过时间-空间约束关系，排除不可能的路径，计算嫌疑目标轨迹。从案发点，依据路段长度和逃逸速度，形成具时空关联关系的一组录像，在此录像中发现和追踪嫌疑目标。
图16.地理空间信息网络服务平台
图17.天地图的多级服务平台
图18.基于天地图开发的应用系统—中国地震网
空间信息基础设施是国家信息基础的重要组成部分,卫星导航、航空航天遥感、空间信息服务技术已经成熟，标准和规范基本可以满足要求，剩余的问题是推广应用；构建一体化的空间信息基础设施对于促进智慧城市的应用，以及资源环境和各种人流、物流、交通流、信息流的监测与分析抉择具有重要意义。
资料链接：克林顿政府的“信息高速公路”计划：
1993年9月，克林顿就任美国总统后不久，便正式推出跨世纪的“国家信息基础设施”工程计划。该计划在世界范围 内产生了极为广泛的影响，同时，也造就了美国信息经济日后的辉煌。
“国家信息基础设施”的英文全称是National Information Infrastracture，简称NII。人们将其通俗地称为“信息高速公路”战略，借助这条高速路，美国信息经济走在了世界各国的前面。克林顿政府颁布的“信息高速公路”战略，计划投资4000亿美元，用20年时间，逐步将电信光缆铺设到所有家庭用户；1994年，美国政府提出建设全球信息基础设施的倡议，旨在通过卫星通讯和电信光缆连通全球信息网络，形成 信息共享的竞争机制，全面推动世界经济的持续发展。“信息高速公路”是一个前所未有的电子通讯网络，四通八达，将每个人都连在一起，并可提供你能想象得出的任何电子通信，其目的是：提供远距离的银行业务、教学、购物、纳税、聊天、游戏、电视会议、点播电影、医疗诊断……
来源：《科学中国人》
作者简介
龚健雅，中国科学院院士，教授，博士生导师。现任武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任，武汉大学遥感信息工程学院院长。1982年毕业于华东地质学院测量系，1992年于武汉测绘科技大学获博士学位。2011年当选中国科学院院士。国家杰出青年基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授、973项目首席科学家、国家自然科学基金创新群体学术带头人、国家测绘局科技领军人才、国务院第六、七届学科评议组测绘学科组召集人，国际摄影测量与遥感学会第六委员会主席。
本文原刊载于《科学中国人》（2016年2月），仅供学习与交流使用，不带有任何商业目的，版权归作者所有。感谢《科学中国人》编辑部对【慧天地】的支持！
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编辑：韩 鹏 闻小玖 焦 月
审核：朱林烨 李茂永
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