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数字城市

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中文名 数字城市 外文名 Digital City 基 础 计算机技术、多媒体技术和大规 纽 带 宽带网络 技 术 遥感、全球定位系统 三维GIS

数字城市 (Digital City)是指利用空间信息构筑虚拟平台，将包括城市自然资源、社会资源、基础设施、人文、经济等有关的城市信息，以数字形式获取并加载上去，从而为政府和社会各方面提供广泛的服务。

概述

数字城市(Digital City)是指利用空间信息构筑虚拟平台，将包括城市自然资源、社会资源、基础设施、人文、经济等有关的城市信息，以数字形式获取并加载上去，从而为政府和社会各方面提供广泛的服务。数字城市能实现对城市信息的综合分析和有效利用，通过先进的信息化手段支撑城市的规划、建设、运营、管理及应急，能有效提升政府管理和服务水平，提高城市管理效率、节约资源，促进城市可持续发展。数字城市建设过程中的基础设施建设，数字城市的各种高端应用都需要通过空间信息平台实现，并受空间信息平台的建设情况制约，空间信息平台与数字城市的关系就如同道路、桥梁与实体城市的关系。

“数字城市”系统是一个人地(地理环境)关系系统，它体现人与人、地与地、人与地相互作用和相互关系，系统有政府、企业、市民、地理环境等，既相对独立又密切相关的子系统构成。政府管理、企业的商业活动、市民的生产生活无不体现出城市的这种人地关系。CUDI国际城市发展研究院认为城市的信息化实质上是城市人地关系系统的数字化，它体现“人”的主导地位，通过城市信息化更好地把握城市系统的运动状态和规律，对城市人地关系进行调控，实现系统优化，使城市成为有利于人类生存与可持续发展的空间。城市信息化过程表现为地球表面测绘与统计的信息化(数字调查与地图)，政府管理与决策的信息化(数字政府)，企业管理、决策与服务的信息化(数字企业)，市民生活的信息化(数字城市生活)，以上四个信息化进程即数字城市。

提出发展

美国副总统戈尔于1998年1月21日提出了数字地球的概念之后，中国学者特别是地学界的专家认识到“数字地球”战略将是推动我国信息化建设和社会经济、资源环境可持续发展的重要武器，并于1999年11月29日至12月2日在北京召开了首届国际“数字地球”大会。从这之后，与“数字地球”相关相似的概念层出不穷。“数字中国”、“数字省”、“数字城市”、“数字化行业”、“数字化社区”等名词充斥报端和杂志，成了当前最热门的话题之一。甚至许多省、市把它作为“十五”经济技术发展的一个重要战略来抓。国家测绘局在2000年全国局长干部会议上明确提出，测绘局系统今后一个时期的主要任务是构建“数字中国”的基础框架;海南、湖南、山西、福建等省都已正式立项启动“数字海南”、“数字湖南”、“数字山西”、“数字福建”工程，其他省区的立项也在紧锣密鼓地筹划之中，而数字城市的立项更是如火如荼。

2018年4月，《河北雄安新区规划纲要》提出，坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，推动全域智能化应用服务实时可控，建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。

构建

“数字城市”的一个参考逻辑结构如下：

宽带网络。城市宽带网技术发展很快，据报道，国内已有城市开始建立每秒10G的宽带网络。这种宽带网络可以满足“数字城市”的需要。

分布式数据库和数据仓库。分布式数据库和数据仓库一般是指同种同类数据的组织管理。这里的邦联数据库除了包含分布式的概念以外，它还指异构数据库和空间数据的多比例尺数据库。

“数字城市”中的数据一般包含五种类型：二维矢量图形数据、影像数据、数字高程模型数据、属性表格数据、城市三维图形与纹理数据。由于城市各部门的应用不同，它们可能还是多比例尺的和分布式的。

数据共享是“数字城市”建设需要解决的核心问题，除了政策和行政协调方面需要解决的问题外，技术上仍有大量的问题需要解决。数据共享有多种方法，其中最简单的方法是通过数据转换，不同的部门分别建立不同的系统，当要进行数据集成或综合应用时，先将数据进行转换，转为本系统的内部数据格式再进行应用。

地理空间数据，这就为空间数据的可视化提供了一个展示丰富多彩的现实世界的一个机会。“数字城市”的空间数据包括二维数据和三维数据。

城市基础设施建筑设施、管线设施、环境设施; 交通设施地面交通、地下交通、空中交通; 金融业银行、保险、交易所; 文教卫生教育、科研、医疗卫生、博物馆、科技馆、运动场、体育馆，名胜古迹; 安全保卫消防、公安、环保; 政府管理各级政府、海关税务、户籍管理与房地产;城市规划与管理背景数据(地质、地貌、气象，水文及自然灾害等)、城市监测、城市规划。

三网连接：电话网、有线电视网与Internet，三网实现互联互通;通过网络将分散的分布式数据库、信息系统连接起来，建立互操作平台;建立数据仓库与交换中心、数据处理平台、多种数据的融合与立体表达、方正与虚拟技术的数据共享平台。

虚拟商场、网上市场管理;

电子金融：网上银行、网上股市、网上期货、网上保险;

网上教育：虚拟教室、虚拟试验、虚拟图书馆;

网上医院：网上健康咨询、网上会诊、网上护理;

网上政务：网上会议等。

优势

1、城市交通的智能管理与控制;

2、城市通讯的建设与管理;

3、城市资源的监测与可持续利用;

4、城市人口，经济，环境的可持续发展决策制定;

5、城市灾害的防治;

6、城市生活的网络化和智能化;

7、城市环境，治理与保护。

关键技术

体系结构

“数字城市”虽然不只含有一个系统，但从广义上说仍属于计算机及网络所支持的系统群集。因而它具有计算机信息系统的基本特征，有比较严密的逻辑结构。“数字城市”的一个参考逻辑结构如图所示：

宽带网络

“数字城市”涉及到大量图形、影像、视频等多媒体数据，数据量非常大，目前的因特网难以胜任，必须使用宽带网络。城市宽带网技术发展很快，据报道，国内已有城市开始建立每秒10G的宽带网络。这种宽带网络可以满足“数字城市”的需要。但是，要特别注意网络的互联与接口问题。中国城市的宽带网建设可能会以企业为主，中国电讯放开经营以后，一些有实力的企业都盯住城市宽带网建设，这样形成竞争的局面是一件好事，不过它可能会形成美国那样多家公司的通讯电缆都通到一个小区，小区用户可以任意选择一家的电话或因特网。如果协调得好，这也未尝不可，但是如果协调不好，它不仅造成电缆资源的浪费，甚至相互封闭，互不联通，或通过“很远”的路径联通，造成许多不便。所以建立“数字城市”首先要把网络建设规划和高效联通的问题协调好，千万不能造成相互割据的局面。

海量存贮

除了网络外，计算机服务器与存贮设备是一个至关重要的问题。由于“数字城市”涉及地理数据，数据量大，一个大中型城市的数据可能以TB计算。当前计算机的硬件已经能够满足这些要求，多CPU高性能服务器的价格大幅降低，上千GB的Raid硬盘也相当便宜。“数字城市”的数据存贮可能是采用多服务器，分布式管理，如何将它们有效连接和协调管理是“数字城市”建设的关键技术。

联邦数据库

这里提出的联邦数据库(Federated DataBase)的概念有别于分布式数据库和数据仓库。分布式数据库和数据仓库一般是指同种同类数据的组织管理。这里的邦联数据库除了包含分布式的概念以外，它还指异构数据库和空间数据的多比例尺数据库。异构数据有两个概念，一个是同一种类型的数据，使用不同数据库管理系统管理，如矢量图形数据或属性数据，不同的部门采用不同的系统管理，它们的数据类型相同，只是数据的物理存贮结构不同，形成异构数据;另一个概念是数据的类型也不相同，如DEM数据和影像数据，它们与矢量图形数据的类型不同。

“数字城市”中的数据一般包含五种类型：二维矢量图形数据、影像数据、数字高程模型数据、属性表格数据、城市三维图形与纹理数据。由于城市各部门的应用不同，它们可能还是多比例尺的和分布式的。所以，“数字城市”需要用到“邦联数据库”的概念。

数据共享与互操作

数据共享是“数字城市”建设需要解决的核心问题，除了政策和行政协调方面需要解决的问题外，技术上仍有大量的问题需要解决。数据共享有多种方法，其中最简单的方法是通过数据转换，不同的部门分别建立不同的系统，当要进行数据集成或综合应用时，先将数据进行转换，转为本系统的内部数据格式再进行应用。我国已经颁布了“地球空间数据交换格式标准”，使用该标准可以进行有效的数据转换。但是这种数据共享方法是低级的，它是间接的延时的共享，不是直接的实时共享。建立“数字城市”应该追求直接的实时的数据共享，就是说用户可以任意调入“数字城市”各系统的数据，进行查询和分析，实现不同数据类型、不同系统之间的互操作。当然这是一个很难的课题。美国OGC联盟推出的Open GIS，开始了这方面的探索。国际摄影测量与遥感协会成立了“邦联数据库与互操作”工作组，其宗旨就是协调国际间该方面的讨论与研究。本文作者作为该工作组组长，正在组织“邦联数据库与互操作”的研讨工作，欢迎有兴趣的学者加盟和参与该工作组。

可视化与虚拟现实

“数字城市”的基础之一是地理空间数据，这就为空间数据的可视化提供了一个展示丰富多彩的现实世界的一个机会。“数字城市”的空间数据包括二维数据和三维数据。二维数据的可视化问题已基本解决，剩余的问题属于艺术加工的范畴，三维数据的可视化或者说虚拟现实技术目前仍是一个难点。如何高效逼真地显示我们的“数字城市”是我们需要尽快解决的一个问题。虚拟现实技术可以通过三维建模逼真的模拟现在和未来的城市，支持数据分析、方案论证和优化，支持地理信息系统等，通过这些详实的数据和相关资料可以是直观真实固化方案评估、审核以及管理等日常工作，更为重要的是它可以为多部门参与和协同工作提供了有效的平台。这也是为什么虚拟现实在数字城市中得到广泛应用的主要原因。

超链接技术

因特网得益于万维网的超链技术，它将世界各地的网站通过IP地址超链接起来，使我们忽略了空间距离。“数字城市”将来也有很多的系统，或者说很多网站，需要把它们超链接起来。从硬件技术和网络协议上说，超文本链接的问题已经解决，但是“数字城市”涉及到图形、图象等数据，远没有超文本链接那么简单。这里需要涉及到前面所说的许多技术，特别是互操作技术。当前我们已经进行了一系列研究工作，实现“数字城市”各系统之间的超链接已为期不远。

政策规划

雄安新区

2018年4月，《河北雄安新区规划纲要》提出，坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，推动全域智能化应用服务实时可控，建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。

根据规划纲要，雄安新区将充分引入和运用大数据、云计算、人工智能等新技术，加强智能基础设施建设，提供全面智能化应用服务。

全面部署感知设施系统。未来雄安新区的建筑、道路、桥梁、停车场、信号灯乃至灯杆、井盖、垃圾桶都是智能的，它们有自己的身份证，构建时时处处能够感知、万物互联、信息相通的智能城市体系，出现问题也能及时得到快速响应处理。城市统一的物联网平台将真正实现，整个新区的基础设施智慧化水平将大于90%。

建设多网协同的泛在无线网络。雄安新区的地上地下全通达、多网协同的泛在无线网络将全面构建。5G网络将在雄安新区全面覆盖，实现千兆宽带入户，万兆宽带入企。

大数据得到充分运用。依托大数据，新区的智能城市信息管理中枢将成为“城市大脑”，它具有深度学习、自我决策、自我优化能力，通过大数据模拟仿真，制定最优方案，实现科学决策。

当前，多数城市的治理决策缺乏足够准确的数据支撑，导致城市问题频现，如城市规划布局不合理，学校医院分布不均衡，交通信号灯设计不科学等。而雄安新区则可通过大数据的汇聚、分析，了解城市运行状态和问题，预测未来的趋势，既能防患未然，又能良性引导。

根据规划纲要，新区将构建实时感知、瞬时响应、智能决策的新型智能交通体系框架，建设道路网、信息网和能源网“三网合一”的智能交通基础设施。同时，构建全息泛在互联的感知系统，重点加强环境信息、路面状况信息、交通流信息等感知设施装备的布设，实现道路网中各要素的全息感知，并依托全覆盖的通信网络实现泛在互联。

智能是创新城市交通的技术支撑。未来，在雄安新区，车很智能，路更智能，车辆超视距感知、全程绿波通行、多车协同编队、智能泊车引导、公共智能驾驶服务、无人化物流配送将走进人们的生活。

利用智能交通技术，未来的雄安新区将打造智能运行、层次丰富的公共交通。公交系统分快线、干线与支线组织。同时，还将发展需求响应型的无人驾驶定制化公共交通系统，采用乘坐10人左右的智能驾驶车辆，智能生成线路，动态响应需求，为人们提供“门到门”服务。

在雄安新区，人们将享受到这样的智能交通服务：出门前，打开手机应用，各种路线选择、出行方式组合便展现在眼前，去目的地花费的时间、消耗的卡路里等都会计算出来。通过手机应用可以完成各类交通服务的预约与定制，人们只需要通过手机应用，一键下单、一键支付，便可完成“指尖上的出行”。

在交通管控上，雄安新区将建立数据驱动的智能化协同管控系统，探索智能驾驶运载工具的联网联控，采用交叉口通行权智能分配，保障系统运行安全，提升系统运行效率。

结合网络化布局、智能化管理、一体化服务，雄安新区将高效融入“轨道上的京津冀”，通过高速铁路网，20分钟可到北京新机场，30分钟到北京、天津，60分钟到石家庄。

按照习近平总书记要求，规划建设雄安新区，要坚持以人民为中心、注重保障和改善民生。雄安新区规划建设的一个核心理念就是把城市还给人。

在数字化基础设施支撑下，雄安新区的公共服务将朝着均等化、普惠化、便捷化的方向发展，以触手可及的智能应用，丰富百姓数字生活，推动健全城市智能民生服务。

不断发展的数字城市

数字城市狭义上是指以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、仿真-虚拟等技术，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现。广义则是指城市的数字化，通过数字化的手段来处理、分析和管理整个城市，促进城市运行的通畅和协调。

早期的数字城市是现代信息技术对城市社会经济信息进行的全面整合，实现城市各种信息的共享与服务。可以说前期的数字城市是智慧城市发展的前提和基础，它最主要的内容就是在信息相同的前提下，将其信息技术本身所具有的优势完全发挥出来，以此让实体城市向数字化方向发展。

而随着物联网、云计算等新一代信息技术以及移动通信、人工智能等工具和方法的不断发展，实现城市信息全面透彻的感知、宽带泛在的互联以及智能融合的应用已经具备了条件，城市的发展正在由“数字化”时代进入“智慧化”时代。智慧城市是在信息港和数字城市的基础上发展起来的新方向。在智慧城市阶段，智慧园区、智慧社区、智慧工地等平台、应用、场景成为建设的重点。

智慧城市的建设源于智慧地球。智慧地球本身是在各个行业之中使用新的IT技术，然后将感应器镶嵌在全球的每一个地方，将铁路、电网、桥梁等全部链接起来，最终形成物联网。智慧城市在本质上其实是一个小型的智慧地球，将智慧地球本身所存在的各项内容完全体现在了城市之中。它能够让整个城市变得更加智慧，这主要是因为运用互联网能将城市之中的各个传感器设备进行相互连接，由此构建起来一个区域之中的物联网，让城市可以被全面感知。

随着互联网以及信息技术的发展，越来越多的其他领域的新概念应用到智慧城市建设中。近年来，数字孪生——这一工业互联网中的重要概念开始与智慧城市的建设不断融合，基于数字孪生理念的新时代数字城市成为新的潮流，尤其是《河北雄安新区规划纲要》中提出“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，推动全域智能化应用服务实时可控，建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市”以来，数字孪生城市成为现阶段最前沿的理念。

“孪生”成为数字城市的新内核

在雄安新区建设的指引下，数字孪生城市建设在行业内一时炙手可热。数字孪生城市的兴起并非偶然，智慧城市建设弊端的不断涌现、越来越多互联网技术与理念和城市建设的不断融合、现阶段新基建的兴起，也为数字孪生在全行业迎来新一轮爆发制造契机。数字孪生的意义就在于让真实世界很高成本、很难实现的事情，可以在虚拟世界里低成本、快速地去实施。无论是全域规划一张图，还是城市治理一盘棋，数字孪生都作为新型智慧城市的基础设施，以数字化的虚拟映射来模拟城市全要素和时空全过程，从而打通智慧产业集群之间的信息互联互通，推动新基建大潮下各领域的数字升级。

与传统基建不同，新基建作为当前经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键助力，其最大的特征就是数字化。智慧城市信息处理核心也是数字化，通过大数据、云计算、5G、人工智能、物联网、智能感知等方式推进城市治理现代化，加速万物互联、全感知全连接、虚实交互的数字城市的到来。

此外，对于数字孪生城市，物联网也是十分重要的一环，没有物联网的建设，数字孪生城市是建不起来的。因为从现实城市到数字城市，要把数据采集到数字城市中，全域数字化之后，在数字城市进行映射，从而自动发现问题。无论是新基建还是传统基建，物联网以及智能感知技术的发展都是不可或缺的。无所不在的传感网络将实现城市部件的实时感知与自主联网，地理信息系统将水、电、气、交通、环境等基础信息与特定时空下的城市事件紧密关联、实时融合，将全面满足城市人与物的联通、管理、响应的需要。

基于物联网以及智能感知设备，营造全域数据汇聚、融合共享的环境，实现物理世界与虚拟世界的虚实交互，打通数据流通通道，从源头上避免数据壁垒的产生，促进数据融合、开放的常态化、制度化和规范化。以城市信息模型为关键技术建设数字孪生城市，全面推动海量数据的跨领域融合应用，构建安全、有序的数据开放生态，充分释放数据资源价值，打造融合城市灾害预警、应急管理、公共服务等功能的一体化智能城市管理服务模式，推动城市运转的全面数字化、智能化，让城市居民生活更舒适、更方便。