叶嘉安院士：未来城市交通与地理信息系统

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在2018第七届高校GIS论坛上，中国科学院院士、香港大学教授叶嘉安做特邀报告《未来城市交通与地理信息系统》，从未来智慧城市发展、智慧城市交通、未来智慧城市交通对GIS信息的需求三个方面解读未来城市交通与地理信息系统的发展。

未来智慧城市发展

根据报告《Smart Cities-Ronking of Europeon Medium-Sized Cities》，智慧城市的六个特征是：智慧市民、智慧交通、智慧经济、智慧环境、智慧生活、智慧政府。

智慧城市是在ICT信息和通讯技术的推动下逐步实现的，大致分为三个阶段：第一阶段是1985-1995年数字城市建设，是伴随着电脑的普及和局域网的出现实现的，这个阶段数字城市建设的主要参与者是政府和企业；第二阶段是1995-2010年智能城市建设，是伴随着互联网的出现和传感器的丰富实现的，这个阶段的主要参与者是政府和企业，并逐步惠及普通群众；第三阶段是2010年至今智慧城市建设，是伴随着智能手机及WIFI技术普及实现的，这个阶段的主要参与者是政府、企业和群众，且其服务无时无处不在。

智慧城市的关键技术是GIS、传感器、ICT、WIFI。智慧技术设计多个方面，数据采集方面包含3S（GIS、GPS和RS）、传感器、物联网、大数据等技术；信息处理方面包含云计算、数据挖掘、机器学习等技术；在服务提供方面设计群众、政府部门、商业/工业等。且基于对“智慧”的要求，其关键是要实现自动、实时、自我学习、数据控制、容易使用。

未来随着5G、人工智能、AR/VR、自动驾驶等技术的发展，应用的实现，智慧城市建设也将被推动到另外一个层次。

智慧城市交通

1、高精度定位和基于位置的服务

高精度定位和基于位置的服务是当前智慧城市相关技术和服务的热点。特别是随着高精度导航的发展，基于车道的导航、自动驾驶等越来越成为可能。随着定位精度迈进1m，甚至向厘米、毫米计算，对于智慧城市、智慧交通的影响将是革命性的。

2、多层高架路网中的汽车3D导航

在城市交通中，比较常见多层的高架桥、立交桥，汽车导航系统不能有效识别车辆在这种多层路网上哪一层次上行驶。基于这种需要，叶院士及其团队研究出了道路和汽车角度相差方法，利用GPS定位、车载量角仪等，来判断汽车行驶在路面还是天桥。该项技术也可以在无人驾驶中进行运用。

3、室内导航和智慧城市

人们80%时间都处于室内，虽然GPS定位技术非常精准，但在室内却由于无法接收到信号造成无法使用，所以研究室内定位和室内导航非常有必要。室内导航使用户在室内能精确确定自己的位置，还能快速找到最佳路径到达想要去的位置。特别是大型购物中心、会展中心和博物馆导航，以及室内紧急逃生路线规划。当前主要技术有：基于磁力传感技术的室内导航，主要是通过室内环境中的磁场强度来实现定位；基于无线射频识别及物联网的室内定位，该技术在仓库、工厂、商场中货物、商品运转定位中被广泛使用；基于Wi-Fi/蓝牙技术的室内定位，在智能家居中运用越来越广泛；基于iBeacon技术的室内定位，适用于低功耗蓝牙，支持Android和Windows设备，当前运用比较广泛。

4、智慧路灯

在智慧城市的规划和实施方面，新加坡的很多想法和做法都让人眼前一亮。其中，利用路灯智能化升级组网，搭建城市共享基础设施的做法，迈出了从理论到实践的关键一步。智慧路灯除了可以实现智能的照明之外，还可以提供导航等服务，但相对的费用也较高。

5、智慧城市管理

眼下，有很多驾驶员已经安装行车记录仪，当车辆行驶时可以记录下前方的交通影响，让交通事故有据可依，可是绝大多数记录下的画面“沉睡”在卡片里，发生意外时才会取出。今后通过新型的智慧型行车记录仪，公交车、出租车司机乃至普通市民驾驶员，都可能在不知不觉中成为了“智慧交通”建设者。特别是随着5G时代的到来，覆盖城市的车辆及行车记录仪将随时记录城市运行状况，比如一旦发现马路上某个路段的窨井盖缺损，会在监测中心的显示器上有所显示，让工作人员立刻获取到信息并作出相应处理。

6、智慧导游

“智慧导游”是一个全新的命题，它是一种以物联网、云计算、下一代通信网络、高性能信息处理、智能数据挖掘等技术在旅游体验、产业发展、行政管理等方面的应用，使旅游物理资源和信息资源得到高度系统化整合和深度开发激活，并服务于公众、企业、政府等的面向未来的全新的旅游形态。

“自导信息系统”使游客能够不依赖于传统导游人员，自由选择行程及路线，提升游客在食、住、行、游、购、娱每个旅游消费环节中的附加值，游客在旅游前、旅游中、旅游后，都能够轻松地获取资讯、规划出行、预订票务、安排食宿、消费支出等，极大改善旅游体验。

7、智慧运营

在智慧城市建设及城市交通运营中，大数据是关键的数据技术支撑。大数据包括大小超过常用软件工具获取、创建、管理和处理能力的数据集。他是一个丰富的用于城市研究和规划的信息数据源，如GPS轨迹数据、手机数据、公交卡数据。

GPS轨迹数据常用于交通领域，对于许多应用非常有价值，例如城市规划管理，商业和人类行为分析等。手机网络定位和手机数据已经广泛应用于出行模式和行为研究；公交卡数据已用于识别通勤模式，可用来研究城市空间结构；众筹地理信息，运用各类传感器收集的数据，例如位置、交通状况、空气质量、温度、湿度等，可广泛应用于城市交通规划、运营、管理等。

8、自动汽车

从无自动化到全自动化，从手动全程参与到驾驶者不参与，每阶段都标志着更高水平的自动化，汽车的驾驶和控制将逐渐从“人”转向“机器”。世界各地都在根据自动汽车的发展，对其城市交通进行规划，例如深圳已在规划使用。

对于GIS来说，已经从传统的二维，变成三维。目前，地理信息的发展对于室外汽车及行人的导航已经广泛应用，但是针对室内导航及自动驾驶，其精度及自动化水平仍难以满足。

未来智慧城市交通对GIS信息的需求

智慧交通是智慧城市建设的核心。从数字化到智能化、智慧化，未来智慧交通的发展对于GIS也提出了需求，特别是在室内外导航路线的智慧自动化建立和更新、智慧地址、GIS和BIM的融合、高精度地图、自动驾驶等方面。

1、室内外导航路线的智慧自动化建立和更新

一般来说，城市道路可分为车道和人行道，基于车辆及行人导航的需求，需要室内外导航路线的智慧自动化建立和更新方法的优化。

汽车及行人路线可以视为由多个“多边形”所组成。基于道路路标系统的“分层次多边形产生法”的汽车道路导航信息的建立及更新方法，可以更加方便准确地实现道路信息的采集更新。基于该方法方法，以及纵向行车道标志以及横向路面标志等众多丰富的标志信息，可以很容易地构建汽车导航、行人导航等的路线。

从BIM（建设信息模型）到DIM（区域信息模型），再到CIM（城市信息模型），基于BIM的室内行人导航图形的自动提取是实现室内外导航的关键。但是，BIM模型的数据结构过于复杂，无法很好支持室内导航的实现，且由于大型室内开放空间的室内活动通常具有复杂性，在室内大型开放空间中提供精确的导航路线规划具有很大挑战性。

混合式“骨架-网络”导航信息模型（HSGNG），能够将室内空间“多边形化”，将空间从3D实体空间转化为2D多边形，并基于该模型实现对BIM数据的自动提取。

2、智慧地址

当前地址匹配与地理编码的成本高昂、耗时，且错误普遍存在。需要更家智慧的匹配方式。

从方法上来说，直接用大地坐标值对建筑物进行地理编码，简单精确，但难以记忆、无法推广。邮政编码系统发展较为完善，可利用各建筑物在其邮政编码分区中间的相对位置进行地理编码。

该邮政建筑物编码方法的公众应用推广，可由政府建立全市建筑物编码数据库，该数据库中包含变准话的地址和每栋建筑物的位置坐标及邮政建筑物编码。居民可通过在线地图点击查询各建筑物的彼岸准建筑物地址及邮政建筑物编码等相关信息。政府亦可向居民派发带IC芯片或二维QP码的地址卡，推广该编码的应用。

3、高精度地图

近年来，导航地图逐渐从标准清晰度地图向高精地图发展。和标准清晰度地图相比，高精度题图具有高分辨率、高精度、高信息量和即时性的特点。

高精度地图为西东驾驶提供提供具有高精度和高效率的决策平台，有助于在实际环境中做出有效和实时的反映和决策。高精度地图在自动驾驶中的主要应用有：全自动紧急刹车、协助在交通拥堵中行驶、可适应性的汽车导航控制、车道识别、自动停车、全自动驾驶等。

注：文章根据叶嘉安院士《未来城市交通与地理信息系统》报告整理，未经本人确认。

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来源：高校GIS论坛（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 / 胡方霞   审核 /  肖紫寒　胡方霞

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129）