劉增賢 高 峻

0 引言

智慧城市是以城市可持續(xù)發(fā)展為目標，將高科技信息技術(shù)與城市經(jīng)營服務(wù)理念相融合，充分發(fā)揮信息通信（ICT）產(chǎn)業(yè)、無線射頻識別技術(shù)（RFID）相關(guān)技術(shù)、電信業(yè)務(wù)及信息化基礎(chǔ)設(shè)施優(yōu)良等優(yōu)勢，形成基于海量信息和智能過濾處理的面向未來構(gòu)建全新的城市形態(tài)[1]。它的主要特征是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化，需要以移動技術(shù)為代表的物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)實現(xiàn)全面感知、泛在互聯(lián)、智能處理與實效。上海市政府于2010年正式提出 “智慧上?！苯ㄔO(shè)方針，以新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)為支撐，重點實施云計算、物聯(lián)網(wǎng)、高端軟件、車聯(lián)網(wǎng)以及信息服務(wù)在內(nèi)的8個專項，為物聯(lián)網(wǎng)以及地理信息系統(tǒng)等高技術(shù)領(lǐng)域提供了廣闊的發(fā)展空間[2]。

物聯(lián)網(wǎng)是以感知為目的的物物互聯(lián)，已成為“智慧城市”的核心部分。通過物聯(lián)網(wǎng)將城市各種需求有機結(jié)合起來，人們可以隨時隨地得到各種信息，獲取各種服務(wù)，極大提升城市信息化與智能網(wǎng)絡(luò)水平。物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建被認為是信息領(lǐng)域一次重大的發(fā)展和變革機遇，是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信之后引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)浪潮的核心領(lǐng)域[3]。物聯(lián)網(wǎng)被稱為全球下一個萬億美元級規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)之一，發(fā)達國家和地區(qū)已紛紛開展物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的規(guī)劃布局，美國2009年9月提出《美國創(chuàng)新戰(zhàn)略》，將物聯(lián)網(wǎng)作為振興經(jīng)濟、確立優(yōu)勢的關(guān)鍵戰(zhàn)略；歐盟2009年6月制定物聯(lián)網(wǎng)行動方案，推動物聯(lián)網(wǎng)標準戰(zhàn)略，確保物聯(lián)網(wǎng)的可信度、接受度和安全性；日本、韓國也紛紛出臺了相關(guān)政策，推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[4]。我國也把物聯(lián)網(wǎng)與新能源、綠色制造等并列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，且作為重點研究領(lǐng)域被列入《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006—2020）》和“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”重大專項[5]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)空間規(guī)模的擴大，地理信息系統(tǒng)（GIS）以其在地理位置的空間分析與查詢方面的獨板特優(yōu)勢更好地促進物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市的建設(shè)。本文通過對物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術(shù)特點的分析，將GIS相關(guān)理論與技術(shù)方法引入物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，從數(shù)據(jù)融合、模型構(gòu)建等方面分析GIS與物聯(lián)網(wǎng)的信息集成，并以“智慧上?！睘槔接懫鋵τ跇?gòu)建智慧城市的探索與示范作用。

1 物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義及發(fā)展

目前物聯(lián)網(wǎng)公認的定義為：通過紅外感應(yīng)器、射頻識別裝置、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等傳感設(shè)備，依據(jù)一定的協(xié)議，用互聯(lián)網(wǎng)把任何物品相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[6]。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）概念由Kevin Ashton于1998年春在Procter&Gamble公司的演講中最早提出。它借助無線射頻識別技術(shù)、GPS、二維碼等傳感器裝備到電網(wǎng)、鐵路、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、油氣管道以及家用電器等各種真實物體上，達到遠程控制或者實現(xiàn)物與物的直接通信，實現(xiàn)人與物體以及物物之間的溝通和對話[7]。美國麻省理工學(xué)院在1999年深化提出的網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別技術(shù)系統(tǒng)，實現(xiàn)物品的智能化識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)打破了人們的傳統(tǒng)觀念，將物理基礎(chǔ)設(shè)施與服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)、計算中心等IT基礎(chǔ)設(shè)施整合為統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施，使人類社會與物理世界更加自由地交互、融合。物聯(lián)網(wǎng)從無到有再到發(fā)展壯大主要是經(jīng)歷了孤島式發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相融合，以及泛在網(wǎng)絡(luò)三部分，從單一的傳感網(wǎng)發(fā)展為與互聯(lián)網(wǎng)緊密相連，并實現(xiàn)泛在網(wǎng)絡(luò)的充分自由交互。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)由EPC（產(chǎn)品電子代碼）標簽、解讀器、分布式Savant軟件系統(tǒng)、Internet、ONS（Object Naming Service）服務(wù)器、PML（Physical Markup Language）服務(wù)器以及眾多數(shù)據(jù)庫組成，各部分之間分工合作，通過傳送、感應(yīng)、管理等過程，實現(xiàn)物與物之間的感知[8]。

從技術(shù)上，物聯(lián)網(wǎng)主要分成3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，進行信息的采集，并建立數(shù)據(jù)存儲庫，類似于人體結(jié)構(gòu)中的皮膚和五官的部分；網(wǎng)絡(luò)層是通過各種有線/無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的快速、可靠、安全傳輸。類似于人體結(jié)構(gòu)中的傳輸神經(jīng)部分；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，主要負責(zé)對海量的感知信息進行匯總、共享、分析，相當于人體的大腦，針對處理結(jié)果進行智能決策。各種應(yīng)用實現(xiàn)對感知信息的分析使用，實現(xiàn)對獲取大量的物物信息的綜合處理，并應(yīng)用到各個實際的環(huán)境場景中[9]。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 無線射頻識別技術(shù)

無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identi fi cation，RFID），是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。它通過射頻信號識別目標對象并獲取其屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對物體的檢測、控制和跟蹤，一般由閱讀器、應(yīng)答器（標簽）和應(yīng)用系統(tǒng)三部分組成。

1.3.2 智能嵌入式技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，由以下幾部分組成：嵌入式微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、外圍硬件設(shè)備，以及客戶端應(yīng)用程序等，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理——云技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)中包含了無數(shù)的傳感器節(jié)點及信息采集設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)的爆炸式增長給數(shù)據(jù)處理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，云計算是一種利用大規(guī)模、低成本運算單元通過IP網(wǎng)絡(luò)連接，以提供各種計算和存儲服務(wù)的IT技術(shù)。云平臺為城市各領(lǐng)域的智能化應(yīng)用提供底層數(shù)據(jù)平臺，系統(tǒng)規(guī)模幾乎可以無限擴大，可以資源動態(tài)分配與跨地域資源共享。

2 GIS與物聯(lián)網(wǎng)的融合

2.1 理論融合原理

地理信息系統(tǒng)（GIS）是對地理空間位置等信息進行采集、管理、分析、建模與可視化的軟件工具，在對空間要素的數(shù)字化存儲、地理位置的空間分析與查詢方面有著獨特的優(yōu)勢。GIS可以分析和處理一定地理區(qū)域內(nèi)事物現(xiàn)象和變化過程，解決復(fù)雜的監(jiān)測、規(guī)劃和管理問題，是逐漸解決物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)空間問題最有力的工具。

借助地理信息系統(tǒng)這一處理地理信息的工業(yè)化標準平臺，物聯(lián)網(wǎng)對信息的存儲和管理的手段更加豐富，能夠提高對空間和非空間數(shù)據(jù)的分析、挖掘能力，強化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的信息管理水平?？梢灶A(yù)見的是，隨著相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)、空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)的成熟，物聯(lián)網(wǎng)與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合將會越來越緊密，地理信息系統(tǒng)將會成為推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮的主要力量。

2.2 GIS在物聯(lián)網(wǎng)中的作用

GIS作為“數(shù)字地球”的核心技術(shù)，它在物聯(lián)網(wǎng)的作用表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）GIS為物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建基礎(chǔ)地理信息平臺

物聯(lián)網(wǎng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)對于事物的空間定位、空間分析、可視化等功能，地理信息平臺能夠建立完善的系統(tǒng)支持。把物聯(lián)網(wǎng)中的物聯(lián)對象集成到統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺上，建立基于服務(wù)器與客戶端的呼應(yīng)，實現(xiàn)統(tǒng)一的部署與調(diào)控。構(gòu)建起基于物聯(lián)網(wǎng)的智能空間決策平臺，它以地理數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫，通過豐富的數(shù)學(xué)、邏輯等計算建立決策模型來輔助管理者解決一些半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的實際問題，并采用地理信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的處理與顯示，如智能城市規(guī)劃決策、智能交通決策、災(zāi)害管理決策等。

（2）GIS為物聯(lián)網(wǎng)提供空間定位與查詢分析服務(wù)

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS的“智慧城市”支撐框架

數(shù)據(jù)的存儲是構(gòu)建智慧城市的基本保證。以GIS為主導(dǎo)的3S技術(shù)，起到了重要的數(shù)據(jù)獲取與處理作用。用于獲取空間位置的GPS可以滿足全球位置服務(wù)的要求，而衛(wèi)星遙感技術(shù)（RS）使得數(shù)據(jù)的快速準確獲取和更新成為可能。在空間定位的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對于基礎(chǔ)設(shè)施與目標的查詢，并通過緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析與地統(tǒng)計分析等空間分析方法，實現(xiàn)地理計算與空間數(shù)據(jù)挖掘[10]。

（3）VRGIS可以為物聯(lián)網(wǎng)提供虛擬可視化展示平臺

VRGIS是一種用于研究地球科學(xué)或者以地球系統(tǒng)為研究對象的虛擬現(xiàn)實、GIS和多媒體等多種技術(shù)的綜合體，它可以為用戶提供一個集視覺、聽覺、觸覺等為一體的真實的三維虛擬環(huán)境。建立具有三維可視化的、可實時交互的、能進行空間分析和查詢的應(yīng)用系統(tǒng)。用戶足不出戶通過瀏覽器即可看到城市的景觀、虛擬小區(qū)等，也將給智慧校園、智慧交通、智慧城管等營造一種虛擬的環(huán)境。

（4）移動GIS為物聯(lián)網(wǎng)提供移動計算平臺

移動GIS是集合了GIS、GPS、移動通信（GSM/GPRS/CDMA）3種技術(shù)于一體。GIS已經(jīng)開始利用云計算技術(shù)搭建統(tǒng)一的平臺，移動GIS為物聯(lián)網(wǎng)提供了天然的移動計算平臺，與RFID在智能移動終端逐漸普及的今天，移動GIS可以很好地實現(xiàn)與智能終端設(shè)備的內(nèi)嵌，從而為用戶提供更便捷的定位、追蹤和模擬決策。

3 GIS與物聯(lián)網(wǎng)對于“智慧上?！苯ㄔO(shè)的貢獻

3.1 “智慧上海”發(fā)展規(guī)劃與前景

2009年，上海GDP增長8.2%，繼續(xù)低于全國平均水平的8.7%。在增長乏力的現(xiàn)實下，上海迫切需要找到新的城市增長動力。智慧城市因為涉及交通、通訊、水、能源、醫(yī)療、教育等與城市功能相關(guān)的各個領(lǐng)域，對城市管理、功能轉(zhuǎn)型帶來了極大的促進作用，同時具有巨大的產(chǎn)業(yè)拉動作用，很自然會進入上海決策層視野。2010年11月9日通過的《上海市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃的建議》中，首次在市政府文件中提出，“大力實施信息化領(lǐng)域領(lǐng)先發(fā)展和帶動戰(zhàn)略，加快建設(shè)‘智慧城市’”[11]。

上海市計劃到2013年年底，基本建成研發(fā)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用3個層次的載體，即以上海物聯(lián)網(wǎng)中心為核心技術(shù)研發(fā)平臺，以上海物聯(lián)網(wǎng)中心產(chǎn)業(yè)化基地作為產(chǎn)業(yè)發(fā)展支撐，上?！爸腔鄢鞘小奔味ㄊ痉秴^(qū)引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用。從而，使嘉定區(qū)成為國內(nèi)最具競爭力、具有國際影響力的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)源地，從而逐步推廣到整個上?！爸腔鄢鞘小钡慕ㄔO(shè)。在數(shù)字城市建設(shè)的基礎(chǔ)上，進行智慧化行業(yè)拓展，主要的工程項目包括：智慧政務(wù)、智慧交通、智慧安全、智慧樓宇、智慧電網(wǎng)，以及智慧環(huán)保等[12]（圖1）。

3.2 GIS與物聯(lián)網(wǎng)在“智慧上海”建設(shè)中技術(shù)支撐

3.2.1 多元數(shù)據(jù)融合與網(wǎng)絡(luò)互連

信息網(wǎng)絡(luò)是“智慧城市”建設(shè)的基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)具有海量、多源、動態(tài)、異構(gòu)、分散等特點，數(shù)據(jù)有效聚合才能保證物物感知交互聚合[13]。物聯(lián)網(wǎng)中普遍存在著地理實體之間具有空間特性的關(guān)系，這種空間關(guān)系在GIS中主要體現(xiàn)為拓撲關(guān)系、順序關(guān)系、度量關(guān)系，分別表現(xiàn)為城市道路的相鄰和連通關(guān)系，以及路徑分析等；方位的確定與物體空間排序；目標間的距離等。通過GIS數(shù)據(jù)庫處理物聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系，從而為智慧城市提供更豐富數(shù)字信息網(wǎng)絡(luò)平臺，尤其是在智能交通與智能物流等領(lǐng)域更能突顯地理信息的空間特性。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析與查詢的運作操控層

智慧城市主要分為信息采集、運作操控與決策支持3個層次。構(gòu)建核心的運作操控層需要對信息流具有更精確的控制和分析能力，如數(shù)據(jù)采集目標的精確位置、采集時間、時效要求、相互之間的影響作用和流動趨勢等， 使用GIS的空間分析技術(shù)從物聯(lián)網(wǎng)空間數(shù)據(jù)中獲取焦點物體的空間位置、分布、形態(tài)等基本信息，進行統(tǒng)一的事件處理，自動選擇應(yīng)對措施，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備監(jiān)控等操作。

3.2.3 構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)決策移動終端

將云計算與GIS技術(shù)完美結(jié)合，是智慧城市的最佳載體，實現(xiàn)系統(tǒng)搭建輕松化、數(shù)據(jù)共享廣泛化、服務(wù)使用便捷化。挖掘移動對象的變化規(guī)律、個體間的聯(lián)系，以及對物聯(lián)環(huán)境的感知，從而為城市空間物聯(lián)信息的應(yīng)用提供基礎(chǔ)?；贕IS物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市管理信息系統(tǒng)，在以WebGIS為服務(wù)器核心，采用物聯(lián)網(wǎng)電子標簽和RFID技術(shù)，尤其是VR-GIS的發(fā)展，作為決策與應(yīng)用層的用戶能夠?qū)崿F(xiàn)移動終端設(shè)備的真三維可視化，使得物聯(lián)目標的定位、調(diào)查與維護更加方便，可以進一步提升“智慧上?！钡男省?/p>

3.2.4 GIS在物聯(lián)網(wǎng)中的建模

僅依靠空間分析技術(shù)在“智慧城市”的建設(shè)中尚不能滿足解決未知領(lǐng)域問題的需要。GIS應(yīng)用建模技術(shù)是針對專門應(yīng)用構(gòu)建相應(yīng)的應(yīng)用模型的技術(shù)。它建模是面對復(fù)雜的現(xiàn)實世界中針對具體問題采取的解決方案，被稱為是GIS技術(shù)生命力的源泉。在當前物聯(lián)網(wǎng)比互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境面臨更多的復(fù)雜問題，物聯(lián)網(wǎng)與GIS的應(yīng)用建模技術(shù)相融合來構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型，能夠減少物聯(lián)網(wǎng)項目建設(shè)的盲目性，為拓寬“智慧上?！睉?yīng)用領(lǐng)域，構(gòu)架更高效的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型。

4 結(jié)語

上海市建設(shè)“智慧城市”的總體規(guī)劃主要依托互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)完成信息流的傳遞，GIS以其獨特的空間分析能力為“智慧城市”提供空間技術(shù)指導(dǎo)，因此應(yīng)重視發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)與GIS在上海城市智能化的進程中發(fā)揮的重要促進作用（圖1）[14]。上海的信息化水平居全國前列，但是與發(fā)達國家與國際先進城市相比，仍需進一步努力。隨著國家建設(shè)“智慧城市”的力度加大，又促進了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的繁榮，也是GIS在后IP時代的重大發(fā)展機遇。

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