陳寶權(quán)，程章林

1. 山東大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 濟南 250101；2. 中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055

大數(shù)據(jù)與智慧城市

陳寶權(quán)1，程章林2

1. 山東大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 濟南 250101；2. 中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院 深圳 518055

城市大數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析與智能提取是智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵，通過構(gòu)建真實城市沉浸式交互分析環(huán)境，將復(fù)雜的城市大數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果以形象直觀的方式展現(xiàn)給用戶，讓用戶以視覺理解的方式獲取數(shù)據(jù)中蘊含的信息并進行交互，實現(xiàn)人類智能和機器智能的有機融合是解決復(fù)雜城市問題的有效途徑。分析了城市大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)、發(fā)展現(xiàn)狀、處理流程以及技術(shù)要點，最后探討了智慧城市的發(fā)展趨勢。

大數(shù)據(jù)；智慧城市；交互式可視分析；機器智能

1 智慧城市與城市大數(shù)據(jù)

隨著我國城市化進程的不斷推進，人口和資源迅速向城市集中，中國城市化比例已經(jīng)超過了50%，是世界上城市人口最多的國家。城市化雖然提高了人們的生活水平，但同時也帶來一系列的社會和環(huán)境問題。目前，各大城市普遍出現(xiàn)了以人口膨脹、交通擁堵、資源緊缺、環(huán)境惡化、生態(tài)破壞、事故頻發(fā)等為特征的“城市病”。此外，中國城市的空間結(jié)構(gòu)和社會環(huán)境尤為復(fù)雜，繁華的城市中心人口密度大、人員結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流動性大、犯罪率高，成為城市發(fā)展的不穩(wěn)定因素，給城市管理和公共安全防護帶來極大的困難。這些問題已成為制約城市健康、可持續(xù)發(fā)展的難題，如何妥善解決這些問題并提供更好的城市生活已經(jīng)迫在眉睫。目前漸趨成熟的“智慧城市”理念為解決上述問題提供了思路，成為促進未來城市發(fā)展的新理論和實踐。目前，智慧城市建設(shè)已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、發(fā)展和改革委員會等多個部委紛紛制定了相關(guān)政策和方案推動智慧城市建設(shè)，至今已有近百個城市（區(qū)）在進行智慧城市建設(shè)試點。

智慧城市建立在數(shù)字城市基礎(chǔ)之上，可以看作數(shù)字城市的高級形態(tài)，旨在將云計算、物聯(lián)網(wǎng)以及數(shù)據(jù)挖掘等先進技術(shù)充分地運用到城市的各行各業(yè)，人類可以用一種更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達到“智慧”的狀態(tài)。隨著十多年來數(shù)字城市項目的開展，目前國內(nèi)各大城市都構(gòu)建了較好的城市信息化基礎(chǔ)設(shè)施，給智慧城市建設(shè)提供了海量的城市大數(shù)據(jù)：在市民家庭方面，移動電話、有線電視、寬帶網(wǎng)絡(luò)基本普及；在政府層面，電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺基本形成，對外提供信息公開和網(wǎng)上辦事等功能，人口、交通、土地、房屋、企業(yè)、市政、地理等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫不斷完善；在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子病歷、健康檔案開始試點；幾十萬甚至幾千萬個監(jiān)控攝像頭覆蓋整個城市；電子商務(wù)不斷發(fā)展壯大。通過各種傳感設(shè)備可以實現(xiàn)人類對城市環(huán)境各種數(shù)據(jù)的獲取，總的來說，城市大數(shù)據(jù)包含兩方面的內(nèi)容：一類是城市數(shù)字化（數(shù)字城市、數(shù)字交通、數(shù)字醫(yī)療、數(shù)字政務(wù)等）產(chǎn)生的物理實體感知數(shù)據(jù)，另一類是人類社會交往產(chǎn)生的社會感知數(shù)據(jù)（E-mail、微信、微博等）。這些數(shù)據(jù)從多個維度描述了城市現(xiàn)實物理環(huán)境和社會生活的方方面面，構(gòu)成了一個與之平行的虛擬鏡像。這使得城市大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出明顯的“4V”特性：海量的數(shù)據(jù)規(guī)模（volume）、多樣的數(shù)據(jù)類型（variety）、實時動態(tài)數(shù)據(jù)（velocity）、巨大的數(shù)據(jù)價值（value）。智慧城市的一個重要內(nèi)涵就是通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、分析，提取知識和智能，挖掘其中蘊含的巨大價值，實現(xiàn)城市運行與管理的智能化。

2 城市大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)

智慧城市建設(shè)是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，在城市復(fù)雜事件分析決策過程中需要對復(fù)雜事件的對象（who）所涉及的行為和狀況（what）、時間（when）、地點（where）和起因（why）等關(guān)鍵要素有及時、全面、精準(zhǔn)的了解，并且隨著事件的演化，能夠?qū)@些要素的動態(tài)性進行及時捕獲與感知。因而，相比其他領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)，面向城市智能分析與決策的城市大數(shù)據(jù)面臨以下挑戰(zhàn)。

（1）數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系復(fù)雜

現(xiàn)代城市作為人類社會的政治、經(jīng)濟、文化、商業(yè)、教育和科技中心，具有基礎(chǔ)設(shè)施高度聚集、空間結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜和社會管理高度動態(tài)的三“高”特征?？v橫交錯的城市運行系統(tǒng)使得人流、資金流、物資流、能量流、信息流高度交匯，在城市物理環(huán)境、信息空間和人類社會之間形成了多要素、多維度、多結(jié)構(gòu)、多層次的關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系。單個系統(tǒng)的異動都會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響，甚至引起連鎖反應(yīng)。一些原本在物理世界突發(fā)的局部范圍的自然災(zāi)害或社會事件，可通過網(wǎng)絡(luò)媒體迅速廣泛傳播，進而影響到大眾行為，并對原始事件產(chǎn)生影響。網(wǎng)絡(luò)與社交媒體的普及使得公眾群體不僅是信息的生產(chǎn)、加工和傳播者，而且是事件演化的推動者。如社交網(wǎng)絡(luò)助推的突尼斯等中東非國家騷亂事件、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上進行的人肉搜索等，都體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)活動對現(xiàn)實社會的重要影響，這就導(dǎo)致城市大數(shù)據(jù)間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系。

（2）數(shù)據(jù)整合與共享不足

在我國現(xiàn)階段，城市基礎(chǔ)信息資源依然不夠完整，信息的橫向整合和共享嚴(yán)重不足，城市數(shù)據(jù)碎片化地分散在不同的系統(tǒng)中，從而難以建立有效的智能分析與決策支持系統(tǒng)。如2013年在青島發(fā)生的中石化輸油管道泄漏爆炸特別重大事故，共造成62人死亡，136人受傷，其發(fā)生的主要原因在于爆炸區(qū)域各種地下管道的分布信息沒有共享與整合，導(dǎo)致現(xiàn)場處理事故的工作人員不能清晰完整地了解輸油管道與附近市政管道之間的復(fù)雜關(guān)系；同時，工作人員對市政管道內(nèi)出現(xiàn)的高濃度油氣累積狀況缺乏有效的現(xiàn)場檢測與感知手段，形成了信息盲區(qū)，因而導(dǎo)致了慘劇的發(fā)生。類似地，在一些城市大型交通樞紐、公共場館、商業(yè)中心等地點，涉及的對象的種類、關(guān)聯(lián)性、狀態(tài)的演變等特性遠(yuǎn)比上述情形復(fù)雜，其信息也牽涉更多管理部門，在分析決策時亟需將分散在不同系統(tǒng)的碎片化數(shù)據(jù)有機整合在一起。

（3）需要臨場獲取時效性數(shù)據(jù)

對于一個快速演化的事件，迫切需要將各種相關(guān)信息快速匯聚，完整地呈現(xiàn)在各級決策者面前，以及時建立對事件的準(zhǔn)確評測、便捷決策和快速響應(yīng)，從而掌控整個事態(tài)的發(fā)展進程。但是，已有的信息化數(shù)據(jù)不可能恰好可以滿足對某事件評估決策的具體要求，往往需要按需主動抓取，甚至現(xiàn)場采集補充新的數(shù)據(jù)，與已有信息進行有效融合，才能實現(xiàn)對事件更完整、更精細(xì)的刻畫，從而為及時精準(zhǔn)的決策和服務(wù)提供足夠的信息。

這些挑戰(zhàn)給城市大數(shù)據(jù)分析、理解和應(yīng)用帶來了非常大的困難。在很多情況下，其復(fù)雜性已超出目前機器智能所能解決的范疇?？紤]到人類智能與機器智能的互補性，機器的高速信息處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人腦，而在處理某些復(fù)雜問題尤其是高層次理解問題上，人腦的直覺和判斷要遠(yuǎn)勝機器智能，機器智能無法完成的對復(fù)雜事件的理解和分析，需要借助人腦智能與機器智能共同完成。另一方面，城市復(fù)雜事件的處理與分析事關(guān)社會公共安全和生命財產(chǎn)，潛在風(fēng)險大，臨場應(yīng)變程度高，人是進行決策的最后也是最重要的一環(huán)。因此，有必要融合人腦智能和機器智能，在城市大數(shù)據(jù)分析理解過程中既有機器的智能參與，也需要人腦智能的判斷與決策。

可視分析技術(shù)為實現(xiàn)機器智能和人腦智能的有機融合提供了一條可行的途徑。可視分析是一個涉及數(shù)據(jù)挖掘、人機交互和可視化等的交叉學(xué)科，其引導(dǎo)的分析推理模式是探索復(fù)雜數(shù)據(jù)中蘊涵的新規(guī)律和新現(xiàn)象的催化劑[1]。美國的國家可視化與分析中心（NVAC）于2005年出版的《可視分析的研究和發(fā)展規(guī)劃》[2]指出，可視分析著重于對一個問題的全面解決，其核心是采用可視化和用戶交互方法，輔助用戶從大尺度、復(fù)雜、矛盾甚至不完整的數(shù)據(jù)中，快速挖掘有用的信息，以便做出有效決策。人類在理解、分析和決策時主要通過視覺方式獲取信息，可以通過可視界面和交互，將人的智能特別是“只可意會，不可言傳”的知識、個性化經(jīng)驗和直覺融入復(fù)雜數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析和推理決策過程[3]。

因此，對于復(fù)雜城市大數(shù)據(jù)的分析理解，需要構(gòu)建沉浸式的交互分析環(huán)境，將復(fù)雜的城市大數(shù)據(jù)以及機器智能處理結(jié)果真實、直觀地呈現(xiàn)出來，讓用戶以視覺理解的方式獲取數(shù)據(jù)中蘊含的信息，將機器的自動分析與用戶的視覺理解結(jié)合，通過實時交互的方式，迭代遞進完成城市數(shù)據(jù)感知任務(wù)。

圖1 Google Earth 3D和Microsoft Bing Map 3D示例

3 城市大數(shù)據(jù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過若干年發(fā)展，與智慧城市各方面相關(guān)的研究已經(jīng)有較多有形成果，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、模擬仿真、數(shù)字城市信息平臺以及典型的數(shù)字城市應(yīng)用案例等。

目前，城市大數(shù)據(jù)分析已有一些比較成功的典型案例，比如基于大規(guī)模出租車軌跡數(shù)據(jù)分析現(xiàn)有城市道路網(wǎng)的不足、提取城市中不同的功能分區(qū)、設(shè)計最佳行駛路徑等；利用有限的地面監(jiān)測空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合交通流、道路結(jié)構(gòu)、興趣點分布、氣象條件和人們流動規(guī)律等大數(shù)據(jù)，推斷整個城市細(xì)粒度的空氣質(zhì)量；基于社交網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的推薦系統(tǒng)、提煉群體智慧、發(fā)現(xiàn)異常事件等。以上這些研究主要基于城市數(shù)據(jù)采用機器學(xué)習(xí)等算法，僅僅利用機器智能自動挖掘出有價值的信息，很少有通過機器智能與人腦智能有機融合的方式實現(xiàn)城市大數(shù)據(jù)感知理解與決策。

在實現(xiàn)機器智能與人腦智能有機融合的過程中，要構(gòu)建沉浸式的交互分析環(huán)境，高精度城市三維信息平臺是基礎(chǔ)，需要以三維城市平臺為載體關(guān)聯(lián)、索引各種城市非結(jié)構(gòu)化信息，并直觀展示各種城市大數(shù)據(jù)及交互過程。

近年來，各種數(shù)字城市信息平臺發(fā)展迅速，Google Earth 3D[4]、微軟Bing Map 3D、Skyline和Worldwind是典型的數(shù)字城市平臺，如圖1所示。Google Earth可以提供二維和三維漫游顯示及用戶交互的接口，世界上任何一個用戶都可以通過Google Earth 3D瀏覽、增添三維模型、圖片文字等各種豐富的內(nèi)容信息。三維數(shù)字城市平臺在大眾服務(wù)方面的應(yīng)用實例也很多，如電子地圖、導(dǎo)航和虛擬旅游等。美國費城虛擬城市是典型例子，它為用戶提供俯視、沉浸的方式瀏覽虛擬城市，游客能夠身臨其境一般地在城市內(nèi)行走、觀光，得到沿途所見景點、商店、廣告等信息，甚至可以進入到建筑內(nèi)部，了解室內(nèi)布局或在固定視點環(huán)視室內(nèi)場景1http://www. philadelphiausa. travel/virtualphiladelphia，如圖2所示。

除了瀏覽漫游之外，三維數(shù)字城市建模在城市規(guī)劃、決策、應(yīng)急指揮等具有重要指導(dǎo)作用和意義。聯(lián)合國2006年就建立了“聯(lián)合國災(zāi)害管理和應(yīng)急空基信息平臺（UN-SPIDER）”，旨在普及各類與災(zāi)害管理有關(guān)的空間信息和服務(wù)；在文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域提供了很大幫助，如希臘亞里士多德大學(xué)古希臘Polyphemus巨人的巖洞的三維建模項目、國內(nèi)龍門石窟研究院與北京大學(xué)等合作的龍門石窟三維數(shù)字圖書館[5]、武漢大學(xué)敦煌莫高窟等數(shù)字化項目；在對社會行為分析決策方面也能提供幫助，如美國華盛頓大學(xué)在NSF支持下研發(fā)的UrbanSim2http://www. urbansim.org/，通過人口、交通網(wǎng)絡(luò)、土地狀況融合經(jīng)濟趨勢，對住房、商用地、城市擴張等提供決策，并在休斯頓、鹽城等城市進行了應(yīng)用。

目前城市三維空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)建設(shè)中，傳統(tǒng)的遙感、測繪方法仍是主要的數(shù)據(jù)獲取方式，構(gòu)建的主要信息交流平臺仍然是相對獨立的地理信息應(yīng)用，例如在平臺上顯示遙感影像、數(shù)字地圖和簡單的社會信息，提供簡單的交互查詢方式。大部分應(yīng)用是針對某個單獨領(lǐng)域的，而沒有整合為涉及城市方方面面應(yīng)用的巨系統(tǒng)，交互方式也以機器為主體。未來數(shù)字城市的發(fā)展方向應(yīng)該是以生活在城市中的人為中心，是融合建筑、交通、電氣、通信等實體和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以及植物、氣象、環(huán)境等自然要素的空間數(shù)據(jù)虛擬現(xiàn)實世界，也是社會經(jīng)濟等非空間信息的載體；數(shù)字城市基于空間、非空間信息而建立，同時在此框架下能夠跨越時間、空間，進行復(fù)雜的自然和社會現(xiàn)象的模擬。

4 城市大數(shù)據(jù)處理流程與框架

圖2 Philadelphia虛擬城市及其室內(nèi)瀏覽

從數(shù)據(jù)的角度講，智慧城市的核心在于全方位采集城市生產(chǎn)、生活等各方面的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、集成、統(tǒng)計、分析，提高城市生產(chǎn)、管理、運營的智能化水平，其流程框架如圖3所示，該框架由數(shù)字化（digitization）、計算（computation）、應(yīng)用（application）3部分組成。

數(shù)字化的任務(wù)是對城市實體（包括空中、地面、地下以及靜態(tài)和動態(tài)對象）進行幾何、空間數(shù)據(jù)信息的測量和收集，建立城市靜態(tài)三維模型和動態(tài)時空演變模型。比如以車載結(jié)合機載的激光掃描獲取空中與地面的大規(guī)模城市三維場景，研究基于激光掃描點云的自頂向下的交互式三維建模技術(shù)；通過新型聲波探地技術(shù)進行地下管網(wǎng)的三維成像；利用各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集城市的動態(tài)信息；對城市公共場所的火警、污染氣體擴散等進行監(jiān)測，對家庭用水、用電情況進行采集分析等。

圖3 智慧城市數(shù)據(jù)流程與框架

計算是指以第一部分?jǐn)?shù)字化得到的高精度城市三維模型、城市動態(tài)采樣信息為基礎(chǔ)，通過建立物理演變模型和人物行為模擬等，針對城市中不同應(yīng)用需求進行預(yù)測和決策。

應(yīng)用與數(shù)字化和計算緊密相關(guān)。數(shù)字城市的應(yīng)用主要分為城市的資源管理和應(yīng)急反應(yīng)兩大方面，資源管理是指支撐相關(guān)部門對水、氣、土地、通信基礎(chǔ)設(shè)施等進行規(guī)劃，對能源、交通、人口等進行管理調(diào)度；應(yīng)急反應(yīng)則是對突發(fā)疾病、反恐、污染、洪水、反常天氣等小概率但危害嚴(yán)重的事件進行預(yù)測和決策，從而最大程度地減少損失，保護人們的生命財產(chǎn)安全。

通過上述智慧城市技術(shù)流程框架可以看出，智慧城市具備“三維、動態(tài)、實時”三大特點，這三大特點將引領(lǐng)數(shù)字生活到數(shù)字城市（digital life to digital city）、數(shù)字城市到數(shù)字生活（digital city to digital life）的革命性進步，是智慧城市應(yīng)用的新需求。雖然目前建立城市的高精度三維模型仍需要耗費大量物力、財力，但很多應(yīng)用需求卻促使必須向“二維到三維（2D map to 3D world）”的特點邁進。例如，對高層建筑火災(zāi)情況的應(yīng)急救援和人群疏散、氣體污染物泄漏擴散、由城市三維模型生成“三維數(shù)字噪聲地圖”的城市噪音仿真模擬等應(yīng)用都不是傳統(tǒng)的二維數(shù)字城市系統(tǒng)所能解決的，而這些應(yīng)用正是提高城市中人們安全保障和生活質(zhì)量的有效途徑。城市絕對不僅是擁有不變結(jié)構(gòu)和設(shè)施的靜態(tài)城市，還包括生活在其中的人群所進行的各種各樣的動態(tài)活動、各種設(shè)施的動態(tài)運轉(zhuǎn)進程以及隨時可能發(fā)生的各種險情和災(zāi)害。那么哪些應(yīng)用使得僅僅擁有高精度的三維數(shù)字城市模型還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而需要數(shù)字城市“從靜態(tài)到動態(tài)（static to dynamic）”發(fā)展呢？獲取大樓內(nèi)火災(zāi)各個階段的發(fā)展?fàn)顟B(tài)、人群的流動分布等動態(tài)信息，將促進更加高效地對火災(zāi)進行應(yīng)急救援和疏散；市民出行查詢最優(yōu)交通路線，將不再是僅僅查找“最短”路徑，而是綜合城市交通的靜態(tài)道路和動態(tài)路況信息進行最優(yōu)選擇；通過手機信號等采集城市人口流動情況，將能有效地識別各個不同時段人流在工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)等的分布狀況，為政府部分和相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供更好的區(qū)域規(guī)劃設(shè)計輔助。總之從本質(zhì)上來說，我們所處的真實城市本身就是一個充滿動態(tài)的城市，如果說前面列舉的應(yīng)急救援、動態(tài)交通路徑等應(yīng)用讓人覺得僅是美妙的海市蜃樓，那么“從批處理到實時（batch to real-time）”則是讓海市蜃樓落地生根變?yōu)楝F(xiàn)實的力量源泉。要實現(xiàn)大規(guī)模污染擴散、應(yīng)急救援、動態(tài)交通等應(yīng)用模擬和決策，所需的信息采集量和模擬運算量將非常驚人。由于受到計算能力的制約，通常只能在災(zāi)害事發(fā)過后對記錄的數(shù)據(jù)進行分析和過程重建，但這樣僅能起到“事后諸葛”的作用，不能真正發(fā)揮對應(yīng)急救援等應(yīng)用的支撐輔助決策。目前，高性能計算機發(fā)展迅速，國家對超算中心建設(shè)的重視與投入為各種實時應(yīng)用提供了有利的基礎(chǔ)，使得很多智慧城市的大規(guī)模實時應(yīng)用都將不再虛幻。

5 技術(shù)要點

5.1 城市場景幾何建模與可視化

目前在計算機視覺和計算機圖形學(xué)領(lǐng)域，針對城市場景的三維建模出現(xiàn)了很多種不同的解決方法，其中典型的一種方法是程序式建模（procedural modeling），該方法基于各種語法（grammar）或規(guī)則（rule），能夠快速構(gòu)建大規(guī)模城市場景中各種復(fù)雜的建筑物、墻面及街道的三維模型，但是該類方法主要用于生成虛擬的城市場景，很難重建真實城市場景中各種建筑物的復(fù)雜形狀變化和結(jié)構(gòu)模式。要針對現(xiàn)實城市場景重建其逼真的三維模型，首先必須獲取場景的三維空間數(shù)據(jù)，這構(gòu)成了城市場景建模的另一類方法——基于測量數(shù)據(jù)的城市場景三維建模。

在早期除了人工測量之外主要利用遙感技術(shù)和航空攝影測量的方式獲取大規(guī)模城市場景的影像數(shù)據(jù)。這種大范圍攝影的方法獲取的主要是城市場景中建筑物頂面的信息和建筑物的整體結(jié)構(gòu)信息，很難獲得建筑物立面的大量幾何細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和紋理信息，基于此重建出來的三維模型由一些比較簡單的線框結(jié)構(gòu)組成，模型的逼真度和真實感較差。在計算機視覺領(lǐng)域，研究人員多從地面街道上拍攝場景的高分辨率圖像，采用基于圖像的方法恢復(fù)城市場景的三維外形數(shù)據(jù)。這種基于圖像的方法還不夠頑健，很難全自動地獲取三維信息，只適用于小范圍場景數(shù)據(jù)獲取與建模工作，而且重建的模型精度有限。

近年來，隨著三維激光掃描設(shè)備的發(fā)展，各種激光掃描設(shè)備也被用于獲取城市場景三維數(shù)據(jù)，通過激光掃描能夠直接獲取物體表面高精度的三維外形信息。普通的地面定點式激光掃描需要將掃描儀固定在一個視點掃描，測量完成后再換個視點開始新的掃描，不能連續(xù)掃描，只適合于小規(guī)模場景的數(shù)據(jù)獲取。移動激光掃描是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型空間立體數(shù)據(jù)獲取手段和工具，這是一種非接觸式的激光測量方式。將激光掃描儀裝載在汽車上，能夠跟隨車輛前進快速捕捉道路兩旁目標(biāo)物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，包括位置、顏色、反射強度等信息，隨帶的高清攝像機同時獲得點云數(shù)據(jù)對應(yīng)場景的紋理圖像。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度可以達到50 km/h以上，一天內(nèi)就能夠完成核心城區(qū)街區(qū)場景的三維數(shù)據(jù)采集與建模工作，非常適用于大規(guī)模城市場景的三維外形和表面紋理數(shù)據(jù)獲取，而且場景中各種目標(biāo)物體的測量與重建精度能達到測繪標(biāo)準(zhǔn)。目前比較成熟的移動三維激光掃描系統(tǒng)有加拿大Optech公司的三維激光測量車Lynx3http://www.optech. ca/press_LYNX_ Release.htm和英國 3D Laser Mapping公司的StreetMapper4http://www. streetmapper. net/。

為了重建大規(guī)模城市場景完整的高精度三維幾何模型，本文綜合利用多種數(shù)據(jù)來源，采用不同的方法重建城市場景幾何模型。如圖4所示，該系統(tǒng)主要通過車載激光掃描和機載激光掃描分別獲取城市場景中各種物體（主要是建筑物、樹木、道路等）的側(cè)面和頂面三維信息，隨帶的高清攝像機同時獲得對應(yīng)的紋理信息，融合這些數(shù)據(jù)通過點云處理和重建算法獲得高精度的城市三維模型。二維照片、衛(wèi)星影像、定點激光掃描數(shù)據(jù)在城市重建中起輔助作用，滿足不同的需求，比如對于重點或地標(biāo)性建筑物，可以通過定點激光掃描/拍照獲取更加全面、完整的信息。

5.2 動態(tài)信息采集與數(shù)據(jù)處理

城市土地、人口、交通、氣象、水質(zhì)等方面的動態(tài)信息，對城市環(huán)境監(jiān)測與改善、土地利用與開發(fā)、公共實施管理等都具有重要的參考價值。利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)低耗自組、異構(gòu)互連、泛在協(xié)同的基本特征以及RFID（radio frequency identification）、數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和高性能數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)字城市領(lǐng)域動態(tài)信息采集的獨特應(yīng)用，達到對動態(tài)數(shù)據(jù)的及時發(fā)現(xiàn)、實時采集和快速處理的目的。根據(jù)數(shù)字城市提供的數(shù)據(jù)資料和信息模型，最大限度地利用信息資源，從而促進生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟利益的平衡與協(xié)調(diào)，達到耗損最少、效益最優(yōu)，充分發(fā)揮整體優(yōu)勢，確保城市的可持續(xù)發(fā)展。圖5是動態(tài)數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)。

5.3 城市模擬與分析

城市模擬主要包括物理模擬、城市人口流動采樣與建模、人群行為模擬等。物理模擬是基于城市場景模型對城市暴雨積水、危險物泄漏、毒氣擴散、火災(zāi)撲救、氣象預(yù)報等進行模擬。例如，應(yīng)用計算流體力學(xué)的方法以高性能計算機為依托，使用數(shù)字城市提供的城市地理幾何數(shù)據(jù)和氣象部門提供的實時天氣條件，可以快速模擬由突發(fā)性污染源產(chǎn)生的污染物在城市樓群街區(qū)（包括封閉或半封閉的公共場所）內(nèi)的傳輸和擴散。在很短的時間內(nèi)模擬出污染物的分布及其隨時間的演化，并實時地演示動態(tài)分布圖，可以為應(yīng)對措施的抉擇提供依據(jù)和參考，并對公眾提供相關(guān)的信息。城市人口流動采樣與建?？杀粡V泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通規(guī)劃與管理、環(huán)境評估與監(jiān)測、災(zāi)害研究與應(yīng)急、流行病的監(jiān)測與預(yù)報、城市經(jīng)濟發(fā)展研究理等。利用水、電、氣消耗、手機通信數(shù)據(jù)，可以對城市人口流動進行采樣和建模，構(gòu)建中國城市人口時空動態(tài)分布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。人群行為模擬則是城市公共安全事故、災(zāi)害事故等突發(fā)事件的預(yù)防、預(yù)測、監(jiān)控、預(yù)警、應(yīng)急救援等方面的基礎(chǔ)研究技術(shù)，是建立城市公共安全應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)和城市群綜合防災(zāi)體系的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。

圖5 動態(tài)數(shù)據(jù)實時采集與處理

6 結(jié)束語

美國林登（Linden）實驗室開發(fā)的“第二人生（second life）”游戲5http://secondlife. com/就可以由玩家構(gòu)建一個全三維的虛擬世界，在這個世界中，玩家可以制造物品、買賣交易、旅行休閑等，可以選擇不同的交通工具去任何想去的地方，如商場、夜總會、體育館、教堂、圖書館、賭場等，玩家在這里可以換一種身份、性別和角色展開另外一種逼真的生活，經(jīng)歷不同的人生，體驗不同的感受。所有這一切都來源于真實世界，其與真實世界的區(qū)別在于游戲中的三維場景是虛構(gòu)的。如果將這里的虛擬場景換成基于真實城市大數(shù)據(jù)構(gòu)建的數(shù)字城市，建立起現(xiàn)實世界的一種數(shù)字化再現(xiàn)，人們就可以在這個數(shù)字化的世界中體驗真實的人生，稱之為“第一人生”。

“第一人生”表現(xiàn)的是一個高度模仿人類現(xiàn)實世界的虛擬世界，它復(fù)制了現(xiàn)實世界的場景及其具有的各種信息屬性，可以看作是現(xiàn)實世界的信息化虛擬鏡像，很多原來需要在現(xiàn)實世界中完成的工作都可以轉(zhuǎn)化到這個虛擬世界中實現(xiàn)，成為社會、經(jīng)濟、政治、軍事等活動的試驗場。比如傳統(tǒng)的旅游、教育、電子商務(wù)、游戲娛樂、軍事演習(xí)等活動都可以在這個虛擬世界中完成。隨著虛擬世界的進一步發(fā)展，它與現(xiàn)實世界的分界越來越模糊，兩個世界就融合在一起，成為人類生存的一個新空間，實現(xiàn)人類生活的飛躍。

[1] Johnson C, Moorehead R, Munzner T. NIHNSF Visualization Research Challenges Report. Los Alamitos: IEEE Computer Society Press, 2006

[2] Thomas J J, Cook K A. Illuminating the Path: The Research and Development Agenda for Visual Analytics. Los Alamitos: IEEE Computer Society Press, 2005

[3] Tufte E R. Envisioning Information. Dorval: Graphics Press, 1990

[4] Jones M T. Google’s geospatial organizing principle. IEEE Computer Graphics and Applications, 2007, 27(4): 8～13

[5] Ma W, Zha H B. Surveying and mapping caves by using 3D digital technologies. Proceedings of the 12th International Conference on Virtual Systems and Multimedia, Xi’an, China, 2006

陳寶權(quán)，博士，山東大學(xué)計算科學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長、教授、博士生導(dǎo)師，山東大學(xué)軟件學(xué)院院長。曾任SIGGRAPH ASIA 2014會議主席、2005年IEEE可視化會議主席和2004年IEEE可視化會議程序委員會主席。現(xiàn)任IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics編委，SIGGRAPH Asia與IEEE VIS會議指導(dǎo)委員會成員。主要研究方向為大規(guī)模場景的三維數(shù)字化獲取及海量數(shù)據(jù)可視化。

程章林，博士，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院副研究員、碩士生導(dǎo)師。2008年畢業(yè)于中國科學(xué)院自動化研究所，主要研究方向為城市場景三維建模、場景理解等?，F(xiàn)為深圳大數(shù)據(jù)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟專家委員會委員、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會成員、深圳市高層次專業(yè)人才。

Chen B Q, Cheng Z L. Big data and intelligent city. Big Data Research, 2015006

Big Data and Intelligent City

Chen Baoquan1, Cheng Zhanglin2
1. College of Computer Science and Technology, Shandong University, Jinan 250101, China; 2. Shenzhen Institutes of Advanced Technology, CAS, Shenzhen 518055, China

Fusion and analysis of urban big data is the key to achieving city intelligence. Specifically, to solve for the complex urban problems, it is imperative to build an immersive and interactive visual analytics environment where humans can make sense of out of the otherwise disconnected and abstract data. The state of the art and challenges in urban big data were summarized, and then a work flow for urban data analysis and the trend in the future intelligent city were presented.

big data, intelligent city, interactive visual analytics, machine intelligence

2015-05-11；

2015-05-12

陳寶權(quán)，程章林. 大數(shù)據(jù)與智慧城市. 大數(shù)據(jù), 2015006