智慧城市“挖掘”大数据

智慧城市概念的诞生可以追溯到上个世纪90年代，1993年美国时任总统克林顿提出推进信息高速公路的计划，到1998年美国时任副总统戈尔提出数字地球、数字城市、数字社区的概念。而随着近年来信息化浪潮的兴盛，2008年IBM公司提出了智慧地球的概念，2009年2月，美国总统奥巴马提出信息化只有与工业化一起进步，才能解决美国当前面临的经济危机。

中国有关部门也于1995年宣布推进信息高速公路及建设国家“金字工程”，信息化涵盖了国家经济命脉的各个重要行业。1999年在北京召开了第一届国际数字地球大会，首次成立了中国数字地球学会。中国国家总理温家宝在任期间两次在无锡提出物联网、智慧中国的概念，为云计算和物联网在国内的全面发展吹响了号角。

未来中国的发展动力是什么？“十二五”规划中提出要四化并举，即城镇化、农业现代化、工业化、信息化，未来中国城市发展就是要依靠城镇化、工业化、信息化，其发展产物就是智慧城市，目标是追求低碳、绿色、可持续发展的城市。

目前很多城市已经建成的数字城市，是把基础地理信息、街景景象、全景影像、三维模型等数据结合在一起形成的数据库。政府各部门和企业市民只要在政务网上注册，就可以实现数据信息服务共享，同时有关部门如果在政府公共平台、互联网上通过二次开发提供各种交通、导航、旅游、文物、购物等服务，利用云计算物联网技术就能够实现人与人、人与机器、机器与机器的互联互通，实现智慧城市的各种应用。

智慧城市的应用可以干什么？我们认为，城市是人类生存繁衍、经济发展和社会交往的地方，也是享受文化生活的地方。按照这四个功能，我们提出了城市智能化，比如智慧安防、智慧环保、智慧能源、智慧城管、智慧养老、智慧国土规划、智慧社区、智慧家居等，都是让人们有更好的环境来生存繁衍；对于经济发展来说，已经推动的有智慧制造、工业互联网、物联网等；在社会交往方面则有智慧交通、智能购物、社会综合管理等；在文化生活享受方面，可以考虑智慧户外流媒体、智慧教育、智慧旅游等等。目前住房和城乡建设部门提出的智慧城市试点工程，其实质内容都包含上述这些领域。

城市中的大数据需求

在城市的建设和应用中，将产生从TB到PB（1PB=1024TB）级的海量数据，智慧城市从而进入了大数据时代。2011年，Science杂志就指出大数据时代已经到来，美国工程院院士也撰文指出大数据可以让我们实现海量数据，一个利用大数据技术可以实现预测、建模、可视化和发现新规律的时代就要到来。目前美国政府已经正式启动大数据研究计划，美国总统奥巴马表示大数据就是未来世界的“石油”，这个计划要超过美国以前提出的“信息高速公路计划”，可见以大数据为中心的智慧城市时代已经到来。

大数据首先体现在城市空间数据的激增。城市空间数据随着空间传感器资源的增多而增加。据统计，目前美国拥有185颗卫星，中国也拥有91颗卫星，这一趋势还在不断发展，到2020年中国将拥有200多颗卫星，卫星每天回传的数据可以达到PB级。包括空间数据库、信息处理和空间信息、地学知识库资源都可以传到网上，通过可视化的服务精神，在保证服务质量的基础之上，利用云计算环境，实现包括计算资源、网络资源和存储资源的共享。

今天城市中已经拥有海量的空间大数据，由我国自主研发的天地图软件已经上线，目前天地图的数据已经达到了100TB。天地图通过倾斜相机等工具采集城市空间信息，进而建立城市三维模型，我们最近在贵阳市已经做了很多这方面的工作。通过天地图监测技术我们能够解决城市中的哪些问题呢？拿上海来说主要就是监测地表下沉，如果把各种雷达数据放在一起，进行数据分析和挖掘，就可以随时随地监测地表下沉情况。通过监测得到的数据，我们会发现不同地区下沉速度不同，有些地区每年下沉20毫米，有些只有几毫米，特别是远郊区和市中心的下沉情况大不相同。这些结果可以为城市建设提供决策参考。我们拿天地图检测到的空间数据跟上海市国土局监测到的数据进行对比，精度可以达到2.5毫米，目前通过意大利有关的检测方法精度是3.7毫米。天地图已经对上海、苏州、天津、广州等大城市的空间信息进行了监测，同时还监测了三峡大坝，未来还要监测高铁运行情况。

另一个重要的需求领域是城市安防。2005年国务院有关部门宣布启动平安城市建设以来，现在全国约600个城市安装了超过2000万个摄像头，投资超过3000多亿元。通过摄像头可以保证城市的平安、交通的通畅，但是问题在于目前的数据量太大，现有设备难以存储。仅以天津为例，到“十二五”期末天津城市将安装60万个摄像头，按照公安部的要求这些数据将要被保留3个月，数据总量将达到4600多个PB，这比现有的整个城市空间数据量还要大。据有关部门统计，仅保存这些数据每年就要花费580多亿元，相当于2012年西藏的GDP总和。同时数据量太大，也会导致信息查询很难进行，海量的数据超过了人工处理的极限。如果监控数据发挥不了作用，城市安全就难以保障，公安部门在案件破案效率、速度、质量方面难以获得提高。这是今天城市安防面临的一个严峻问题。

目前大数据在城市各个领域都有巨大的需求，在城市交通领域同样如此。目前中国有13亿多人口，城市汽车保有量近几年增加非常快，和交通有关的数据量也在飞速增长，达到了PB级，并且城市每天24小时都有交通流量更新，我们要把这些数据保存起来，没有大数据的技术基本上是不可能实现的。在智慧安防领域，要实现365天×24小时城市监控，没有大数据技术也是不行的。在智慧养老方面，现在中国超过65岁的人已达到2亿～2.5亿，要使老人得到及时的救护和帮助，就要把每天的变化记录下来，需要保存的数据不可估量。在制造领域的数据量也很大。这些领域都已经离不开大数据技术。

依靠云计算与数据挖掘

可以肯定，目前城市海量的数据信息已经离不开云计算和数据挖掘技术。今天科学技术的发展已经经历了多个阶段，从最早靠经验，后来靠理论，今天我们进入了通过数据发现知识的时代，在这一阶段云计算技术应运而生。人们已经可以把计算、存储、交互等方面的能力放在云端，按需使用，这种服务叫云计算服务。今天我们进入了以虚拟化为特点的云计算时代，出现了大批以云计算为中心的生态产业链，即在同一个网络上除了自身的计算资源之外，还有一些企业提供云服务器或者集成服务。这些商业主体构成了一个云计算产业链条，它们无所不在，随时随地为大家提供服务。

遥感云就是其中一个重要例子。它把海量的遥感数据以及复杂的遥感处理与分析方法放在远程的云计算平台上，利用云计算平台弹性的计算能力实现资源共享，用户无需购买数据、不需搭建环境，也不需要买软件，只需要选择数据和算法后即可获得计算结果。我们的服务不再是提供一个文件拷贝和数据共享，而是基于云计算的注册服务。我们现在正在做的遥感云英文是OpenRS-Cloud，这是一个开放的遥感云，目前对个人用户是不收钱的，在这里可以检查任务进行的速度，也可以查看计算结果，把需要计算的数据输入进去后可以直接在浏览器上察看到结果，用户使用起来非常方便。现在大家已经可以上网免费体会OpenRS了。以气候应用为例，通过该系统可以搜索下雨之前的卫星影像，还可以搜索下雨之后的卫星影像，有了这些影像以后自动生成了服务链条，得到遥感服务的结果。

另一个热门应用领域是位置云。位置云将手机收到的导航卫星信号与其他定位相关的传感器信息传输到云计算中心，通过实时计算，可以实现室内外高精度的手机连续位置定位和实时导航。不仅地理国情检测员需要位置云，而且灾情报告员、土地调查员和城管员都需要。通过这样的系统把卫星定位方法、室内的传感器定位方法、无线信号定位方法糅合在一起，就叫做混合定位。

目前我国自主开发的北斗定位系统正在研发相关的位置服务云，北斗定位系统从2012年已经全面民营化运营，目前已经有120个文字的短信报文功能。在导航定位功能方面北斗做了增强，220公里的距离内可以保证导航精度达到每秒钟十个精度，如果是60公里内则可以实现区域三频厘米级精密定位。在相同的条件下，如果采用GPS定位系统，信号完好率只有44%，初始化时间需要40多秒。如果采用GPS双频加北斗三频，就可以保证每平面精度达到1厘米、高程精度达到3.6厘米，信号完好率达到100%，初始化时间也只有6秒，这样的提升是非常明显的。现在运营商已经把这个软件运行起来，进行精密定位只收0.1～0.2毛钱，通过高精度导航性能分析，可以避免95%的误差，精度达到了1.4米，这个成果可用于智慧交通中的车辆控制和智能驾驶。目前物资运送规定只能在慢车道行驶，但实际上很难控制物资车辆是否超速，如果有了米级精度定位就可以实现车辆控制，一旦车辆犯规，城市交通指挥中心马上就会知道。

数据挖掘是今天离不开的另一项关键技术。目前现实世界看到的数据往往并不是我们需要的结果，今天我们需要的是挖掘信息或知识，找到最终结果。现在有些书籍就是专门讲解如何利用大数据挖掘知识，用这种数据分析方法可以从中挖掘发现我们想要的知识。

在对平安城市视频数据分析中，需要经常要对市民的行为进行智能分析和挖掘。这就不仅需要对视频数据进行自动处理，从而把这些PB级的数据压缩下来，而且接下来还要通过智能设备对人体异常行为和异常事件进行监测分析和挖掘，这是公安部门最感兴趣的。比如通过对人群奔跑、翻墙、徘徊等数据进行分析挖掘，武汉市公安部门破解了一桩盗窃案件。波士顿爆炸案的两个嫌犯被抓，主要就是人家都往外走他们却往里走，最终被人怀疑。有个专业术语叫异动，他们的行为都属于这一范畴，所以就被抓住了。我们曾做过一个试验，通常人眼看监视屏幕，一个人两个屏幕看了22分钟，错误率达到95%，怎么办呢？能不能用计算机做这类事情呢？如果计算机可以对目标进行跟踪，不但不会出现误差，还能自动对被监测物体中的运动目标进行检测、分离、跟踪，对他们的行为进行有效识别，那么就能解决很多问题了。如果有了这个软件，视频数据就能被充分利用，正常人隐私的活动应该会被删去，把可疑的数据留下来，从而实现高效的处理结果。

统一规划、分步实施

未来，智慧城市一定是基于数字城市、物联网和云计算建立的现实世界与数字世界的融合，以实现对人和物的感知、控制和智能服务。感知是数字城市的功能，控制和智能服务是智慧的高级阶段，智慧城市对经济转型发展、城市职能管理和对大众的智慧服务具有广阔的前景，使得人与自然更加协调。但是做这件事情也不是很容易，需要注意一些事项。

首先要让大家把网络基础设施建好，让大家用得好、用得起，如果网络用不好、用不起，智慧化就等于零，这是工信部等政府部门肩负的重要任务。其次作为专家和企业的任务是抓好技术创新和攻关研究，抓住智慧城市带来的数字服务产业发展机会，更好地实现各种智能化的应用。最后，智慧城市是在具体一个城市里进行和建设的项目，城市一把手对智慧城市的建设规划和走向很重要，在国内外智慧城市都是一把手工程，我们要根据每个城市的特点做好顶层设计、统一规划、分步实施。

（本文是李德仁院士在智慧城市论坛上的发言整理。）

作者简介：李德仁，中国科学院院士、中国工程院院士。