地理信息系统在智慧城市中的应用

张英亮，张兄明

（中材地质工程勘查研究院有限公司，北京 100102）

1 引言

党的十九大报告中指出，加强应用基础研究，为建设智慧社会提供有力支撑。在不断加快建设智慧城市的进程中，各种创新技术层出不穷，而地理信息系统则为智慧城市的发展提供了不可或缺的数据支持，成为研究和发展智慧城市的重要环节。

2 地理信息系统的概念

地理信息系统(GIS)是在计算机软、硬件系统的支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、分析和显示的技术系统[1]。

自20世纪50年代开始，随着计算机技术的不断进步，与计算机相关的数字化技术、存储技术、空间分析技术、模拟技术及可视化技术也逐渐发展起来，这就构成了地理信息系统形成的基础技术条件。随着互联网和信息技术的发展，地理信息系统与我们每个人的联系也越来越紧密。

3 智慧城市的概念

智慧城市是运用物联网、云计算、大数据、空间地理信息集成等新一代信息技术，促进城市规划、建设、管理和服务智慧化的新理念和新模式[2]。其主要目的就是使公共服务便捷化、城市管理精细化、生活环境宜居化、基础设施智能化、网络安全长效化。

智慧城市的概念起源于由IBM公司在2008年提出“智慧的地球”这一愿景。从最开始的简单将智慧城市等同于数字城市与物联网的融合[3]，到现在不单单从技术层面定义智慧城市，而是向人文、社会、环境以及技术之间的联动和可持续发展，通过将城市中的水、电、油、气、交通等公共服务资源信息通过互联网有机连接起来，做出智能化安排，更好地服务于市民学习、生活、工作、娱乐、出行、教育、医疗等方面的需求，以及改善政府对公共服务的管理、环境等。相较过去，更加突出了人在城市中的幸福指数。

4 地理信息系统在智慧城市中的应用

政府、公众和企业构成了城市的三大主体，三者间几乎时时刻刻都会通过信息的交流产生互动，而地理信息系统很大程度上承载了这种互动所需的数据采集、上传、储存、分析的功能(图1)。

图1 智慧城市三大主体

地理信息系统以计算机为载体，显示和描述了与地理信息相关的各种数据，实现了对物体和地点的空间定位和信息叠加，主要由二维基础地理数据、三维地理信息系统、影像数据和场景数据构成。目前应用最为广泛的三维地理信息系统主要由应用层、业务逻辑层和数据层构成[4](图2)。

4.1 在城市规划和建设中的应用

通过收集测绘数据，对城市地表进行地理信息三维建模(图3)，作为城市规划和建设的参考依据。三维模型可以更直观、更立体的反应地物信息，以及物与物之间的空间位置关系，便于工作人员对整个城市的建设进行全盘考虑、统一规划。在基础设施建设方面，通过对已有的地理信息系统数据库的数据进行比对，根据该城市的人口、资源等情况，确定城市基础设施的种类、数量、密度等信息。这比过去单一的二维地理数据具有明显优势，确保了智慧城市的规划和建设更加科学合理。

图2 城市三维地理信息系统构架图

图3 城市规划和建设

4.2 为城市居民提供便捷化服务

以地理信息系统为数据支撑的基于位置服务(Location Based Service，缩写为LBS)，已成为当下我们日常生活中使用最广泛的一种服务，通过个人终端设备智能手机，基于位置服务走入了普罗大众的日常生活。我们目前所使用的导航、外卖订餐、共享单车等服务都属于LBS。

智慧城市的信息是可以共享的，要实现数据和信息的共享，必将用到两种大数据：时空大数据和实时大数据，而这两种大数据都可通过地理信息系统进行采集和储存，并做实时分享。当所有数据上传到云平台时，就可以根据个体需求，通过智能手机、智能汽车等个人终端硬件向有需求的个体进行推送服务。当市民需要出行时，可以为其推荐最为快捷的出行方式；当市民有骑行需求时，可以为其推送距离最近的共享单车位置并开锁；当市民需要外出用餐时，可根据用户需求向其推荐口碑最好或位置最近的美食；当市民外出旅行时，可根据其所在位置，通过手机实时推送该位置文字、语音或视频版景点介绍，免去在当地租借导游设备的麻烦，甚至可以为游客和景区提供该市各个景点的实时游览人数，便于游客提前安排出行，也便于景区做好分流工作。

地理信息系统的另一大应用场景就是“精细导航”和“汽车的自动驾驶”。目前市场导航系统的用户体验较过去几年已有较大提升，但在空间位置关系和室内导航上还存在改进空间，而地理信息系统恰恰能解决这一问题。通过三维建模可以对山城、立交桥上下层、大型建筑群内部实现真实重现，完全避免了过去在二维地图导航无法体现空间位置关系的弊端，实现了三维实景导航。无人驾驶汽车可以通过摄像头和雷达感知路面情况，通过实时定位系统与地理信息系统的配合实现实时导航并规划最优行驶线路。

4.3 帮助城市实现精细化管理

地理信息系统可以采集城市基础设施的各项数据。比如通过收集路面信息，可以确定每一个井盖的位置，当发生井盖丢失或下沉造成路面破损、不平时，系统可立即通知相关管理方，经行井盖修复，避免事故发生。数据采集方式是多种多样的，从一开始的人工采集到现在的无人机数据采集器，大大节约了人工成本，提高了工作效率。目前很多单位以采取无人机数据采集的方式，开展输电线路、铁路轨道的巡查工作，确保城市各项基础设施的正常运转。

此外，通过地理信息技术可与环保监测系统实现联网，进而对城市各个污染源进行实时监测，实现了对污染的实时掌控。

4.4 参与城市应急管理

当遭遇人群踩踏、洪水、火灾、地质灾害等危及人身、财产安全的事故和灾害时，通过地理信息大数据，可迅速确定事故和灾害发生地周边应急物资的数量和位置，还可以通过3D建模，呈现事故和灾害发生地点的地物信息，或建筑物的内部结构，以便救援人员规划救援路线，制定施救方案和救援措施。

4.5 实现智慧城市的自我纠错与修复

基于智慧城市的信息和数据实时共享的特点，身处其中的市民人人皆可参与智慧城市的完善和建设。通过智能手机、智能汽车等个体终端设备采集相关数据，并通过互联网将数据上传至地理信息数据云平台，使地理信息大数据更加完善、准确，进而实现智慧城市的自我更新、自我维护特点。

5 结论

智慧城市不是数字城市、信息化建设和物联网的简单替代，而是使城市治理社会化、专业化、智能化和法治化的系统集合。它集中了当前城市空间开发和技术运用、数字产业和社会治理的多个课题，在这个平台之上，每个人都不再是旁观者，或简单的批判者，而是共建共治共享的主体。而地理信息系统以其独特的技术特性成为智慧城市规划、建设和发展中不可或缺的基础数据库之一。相信将会有越来越多的个人终端设备成为地理信息系统的数据采集和传输端口，为智慧城市所必需的云平台数据库贡献个体的力量。