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數字城市

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中文名 數字城市 外文名 Digital City 基 礎 計算機技術、多媒體技術和大規 紐 帶 寬帶網絡 技 術 遙感、全球定位系統 三維GIS

數字城市 (Digital City)是指利用空間信息構築虛擬平台，將包括城市自然資源、社會資源、基礎設施、人文、經濟等有關的城市信息，以數字形式獲取並加載上去，從而為政府和社會各方面提供廣泛的服務。

概述

數字城市(Digital City)是指利用空間信息構築虛擬平台，將包括城市自然資源、社會資源、基礎設施、人文、經濟等有關的城市信息，以數字形式獲取並加載上去，從而為政府和社會各方面提供廣泛的服務。數字城市能實現對城市信息的綜合分析和有效利用，通過先進的信息化手段支撐城市的規劃、建設、運營、管理及應急，能有效提升政府管理和服務水平，提高城市管理效率、節約資源，促進城市可持續發展。數字城市建設過程中的基礎設施建設，數字城市的各種高端應用都需要通過空間信息平台實現，並受空間信息平台的建設情況制約，空間信息平台與數字城市的關係就如同道路、橋樑與實體城市的關係。

「數字城市」系統是一個人地(地理環境)關係系統，它體現人與人、地與地、人與地相互作用和相互關係，系統有政府、企業、市民、地理環境等，既相對獨立又密切相關的子系統構成。政府管理、企業的商業活動、市民的生產生活無不體現出城市的這種人地關係。CUDI國際城市發展研究院認為城市的信息化實質上是城市人地關係系統的數字化，它體現「人」的主導地位，通過城市信息化更好地把握城市系統的運動狀態和規律，對城市人地關係進行調控，實現系統優化，使城市成為有利於人類生存與可持續發展的空間。城市信息化過程表現為地球表面測繪與統計的信息化(數字調查與地圖)，政府管理與決策的信息化(數字政府)，企業管理、決策與服務的信息化(數字企業)，市民生活的信息化(數字城市生活)，以上四個信息化進程即數字城市。

提出發展

美國副總統戈爾於1998年1月21日提出了數字地球的概念之後，中國學者特別是地學界的專家認識到「數字地球」戰略將是推動我國信息化建設和社會經濟、資源環境可持續發展的重要武器，並於1999年11月29日至12月2日在北京召開了首屆國際「數字地球」大會。從這之後，與「數字地球」相關相似的概念層出不窮。「數字中國」、「數字省」、「數字城市」、「數字化行業」、「數字化社區」等名詞充斥報端和雜誌，成了當前最熱門的話題之一。甚至許多省、市把它作為「十五」經濟技術發展的一個重要戰略來抓。國家測繪局在2000年全國局長幹部會議上明確提出，測繪局系統今後一個時期的主要任務是構建「數字中國」的基礎框架;海南、湖南、山西、福建等省都已正式立項啟動「數字海南」、「數字湖南」、「數字山西」、「數字福建」工程，其他省區的立項也在緊鑼密鼓地籌劃之中，而數字城市的立項更是如火如荼。

2018年4月，《河北雄安新區規劃綱要》提出，堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，適度超前布局智能基礎設施，推動全域智能化應用服務實時可控，建立健全大數據資產管理體系，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市。

構建

「數字城市」的一個參考邏輯結構如下：

寬帶網絡。城市寬帶網技術發展很快，據報道，國內已有城市開始建立每秒10G的寬帶網絡。這種寬帶網絡可以滿足「數字城市」的需要。

分布式數據庫和數據倉庫。分布式數據庫和數據倉庫一般是指同種同類數據的組織管理。這裡的邦聯數據庫除了包含分布式的概念以外，它還指異構數據庫和空間數據的多比例尺數據庫。

「數字城市」中的數據一般包含五種類型：二維矢量圖形數據、影像數據、數字高程模型數據、屬性表格數據、城市三維圖形與紋理數據。由於城市各部門的應用不同，它們可能還是多比例尺的和分布式的。

數據共享是「數字城市」建設需要解決的核心問題，除了政策和行政協調方面需要解決的問題外，技術上仍有大量的問題需要解決。數據共享有多種方法，其中最簡單的方法是通過數據轉換，不同的部門分別建立不同的系統，當要進行數據集成或綜合應用時，先將數據進行轉換，轉為本系統的內部數據格式再進行應用。

地理空間數據，這就為空間數據的可視化提供了一個展示豐富多彩的現實世界的一個機會。「數字城市」的空間數據包括二維數據和三維數據。

城市基礎設施建築設施、管線設施、環境設施; 交通設施地面交通、地下交通、空中交通; 金融業銀行、保險、交易所; 文教衛生教育、科研、醫療衛生、博物館、科技館、運動場、體育館，名勝古蹟; 安全保衛消防、公安、環保; 政府管理各級政府、海關稅務、戶籍管理與房地產;城市規劃與管理背景數據(地質、地貌、氣象，水文及自然災害等)、城市監測、城市規劃。

三網連接：電話網、有線電視網與Internet，三網實現互聯互通;通過網絡將分散的分布式數據庫、信息系統連接起來，建立互操作平台;建立數據倉庫與交換中心、數據處理平台、多種數據的融合與立體表達、方正與虛擬技術的數據共享平台。

虛擬商場、網上市場管理;

電子金融：網上銀行、網上股市、網上期貨、網上保險;

網上教育：虛擬教室、虛擬試驗、虛擬圖書館;

網上醫院：網上健康諮詢、網上會診、網上護理;

網上政務：網上會議等。

優勢

1、城市交通的智能管理與控制;

2、城市通訊的建設與管理;

3、城市資源的監測與可持續利用;

4、城市人口，經濟，環境的可持續發展決策制定;

5、城市災害的防治;

6、城市生活的網絡化和智能化;

7、城市環境，治理與保護。

關鍵技術

體系結構

「數字城市」雖然不只含有一個系統，但從廣義上說仍屬於計算機及網絡所支持的系統群集。因而它具有計算機信息系統的基本特徵，有比較嚴密的邏輯結構。「數字城市」的一個參考邏輯結構如圖所示：

寬帶網絡

「數字城市」涉及到大量圖形、影像、視頻等多媒體數據，數據量非常大，目前的因特網難以勝任，必須使用寬帶網絡。城市寬帶網技術發展很快，據報道，國內已有城市開始建立每秒10G的寬帶網絡。這種寬帶網絡可以滿足「數字城市」的需要。但是，要特別注意網絡的互聯與接口問題。中國城市的寬帶網建設可能會以企業為主，中國電訊放開經營以後，一些有實力的企業都盯住城市寬帶網建設，這樣形成競爭的局面是一件好事，不過它可能會形成美國那樣多家公司的通訊電纜都通到一個小區，小區用戶可以任意選擇一家的電話或因特網。如果協調得好，這也未嘗不可，但是如果協調不好，它不僅造成電纜資源的浪費，甚至相互封閉，互不聯通，或通過「很遠」的路徑聯通，造成許多不便。所以建立「數字城市」首先要把網絡建設規劃和高效聯通的問題協調好，千萬不能造成相互割據的局面。

海量存貯

除了網絡外，計算機服務器與存貯設備是一個至關重要的問題。由於「數字城市」涉及地理數據，數據量大，一個大中型城市的數據可能以TB計算。當前計算機的硬件已經能夠滿足這些要求，多CPU高性能服務器的價格大幅降低，上千GB的Raid硬盤也相當便宜。「數字城市」的數據存貯可能是採用多服務器，分布式管理，如何將它們有效連接和協調管理是「數字城市」建設的關鍵技術。

聯邦數據庫

這裡提出的聯邦數據庫(Federated DataBase)的概念有別於分布式數據庫和數據倉庫。分布式數據庫和數據倉庫一般是指同種同類數據的組織管理。這裡的邦聯數據庫除了包含分布式的概念以外，它還指異構數據庫和空間數據的多比例尺數據庫。異構數據有兩個概念，一個是同一種類型的數據，使用不同數據庫管理系統管理，如矢量圖形數據或屬性數據，不同的部門採用不同的系統管理，它們的數據類型相同，只是數據的物理存貯結構不同，形成異構數據;另一個概念是數據的類型也不相同，如DEM數據和影像數據，它們與矢量圖形數據的類型不同。

「數字城市」中的數據一般包含五種類型：二維矢量圖形數據、影像數據、數字高程模型數據、屬性表格數據、城市三維圖形與紋理數據。由於城市各部門的應用不同，它們可能還是多比例尺的和分布式的。所以，「數字城市」需要用到「邦聯數據庫」的概念。

數據共享與互操作

數據共享是「數字城市」建設需要解決的核心問題，除了政策和行政協調方面需要解決的問題外，技術上仍有大量的問題需要解決。數據共享有多種方法，其中最簡單的方法是通過數據轉換，不同的部門分別建立不同的系統，當要進行數據集成或綜合應用時，先將數據進行轉換，轉為本系統的內部數據格式再進行應用。我國已經頒布了「地球空間數據交換格式標準」，使用該標準可以進行有效的數據轉換。但是這種數據共享方法是低級的，它是間接的延時的共享，不是直接的實時共享。建立「數字城市」應該追求直接的實時的數據共享，就是說用戶可以任意調入「數字城市」各系統的數據，進行查詢和分析，實現不同數據類型、不同系統之間的互操作。當然這是一個很難的課題。美國OGC聯盟推出的Open GIS，開始了這方面的探索。國際攝影測量與遙感協會成立了「邦聯數據庫與互操作」工作組，其宗旨就是協調國際間該方面的討論與研究。本文作者作為該工作組組長，正在組織「邦聯數據庫與互操作」的研討工作，歡迎有興趣的學者加盟和參與該工作組。

可視化與虛擬現實

「數字城市」的基礎之一是地理空間數據，這就為空間數據的可視化提供了一個展示豐富多彩的現實世界的一個機會。「數字城市」的空間數據包括二維數據和三維數據。二維數據的可視化問題已基本解決，剩餘的問題屬於藝術加工的範疇，三維數據的可視化或者說虛擬現實技術目前仍是一個難點。如何高效逼真地顯示我們的「數字城市」是我們需要儘快解決的一個問題。虛擬現實技術可以通過三維建模逼真的模擬現在和未來的城市，支持數據分析、方案論證和優化，支持地理信息系統等，通過這些詳實的數據和相關資料可以是直觀真實固化方案評估、審核以及管理等日常工作，更為重要的是它可以為多部門參與和協同工作提供了有效的平台。這也是為什麼虛擬現實在數字城市中得到廣泛應用的主要原因。

超鏈接技術

因特網得益於萬維網的超鏈技術，它將世界各地的網站通過IP地址超鏈接起來，使我們忽略了空間距離。「數字城市」將來也有很多的系統，或者說很多網站，需要把它們超鏈接起來。從硬件技術和網絡協議上說，超文本鏈接的問題已經解決，但是「數字城市」涉及到圖形、圖象等數據，遠沒有超文本鏈接那麼簡單。這裡需要涉及到前面所說的許多技術，特別是互操作技術。當前我們已經進行了一系列研究工作，實現「數字城市」各系統之間的超鏈接已為期不遠。

政策規劃

雄安新區

2018年4月，《河北雄安新區規劃綱要》提出，堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，適度超前布局智能基礎設施，推動全域智能化應用服務實時可控，建立健全大數據資產管理體系，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市。

根據規劃綱要，雄安新區將充分引入和運用大數據、雲計算、人工智能等新技術，加強智能基礎設施建設，提供全面智能化應用服務。

全面部署感知設施系統。未來雄安新區的建築、道路、橋樑、停車場、信號燈乃至燈杆、井蓋、垃圾桶都是智能的，它們有自己的身份證，構建時時處處能夠感知、萬物互聯、信息相通的智能城市體系，出現問題也能及時得到快速響應處理。城市統一的物聯網平台將真正實現，整個新區的基礎設施智慧化水平將大於90%。

建設多網協同的泛在無線網絡。雄安新區的地上地下全通達、多網協同的泛在無線網絡將全面構建。5G網絡將在雄安新區全面覆蓋，實現千兆寬帶入戶，萬兆寬帶入企。

大數據得到充分運用。依託大數據，新區的智能城市信息管理中樞將成為「城市大腦」，它具有深度學習、自我決策、自我優化能力，通過大數據模擬仿真，制定最優方案，實現科學決策。

當前，多數城市的治理決策缺乏足夠準確的數據支撐，導致城市問題頻現，如城市規劃布局不合理，學校醫院分布不均衡，交通信號燈設計不科學等。而雄安新區則可通過大數據的匯聚、分析，了解城市運行狀態和問題，預測未來的趨勢，既能防患未然，又能良性引導。

根據規劃綱要，新區將構建實時感知、瞬時響應、智能決策的新型智能交通體系框架，建設道路網、信息網和能源網「三網合一」的智能交通基礎設施。同時，構建全息泛在互聯的感知系統，重點加強環境信息、路面狀況信息、交通流信息等感知設施裝備的布設，實現道路網中各要素的全息感知，並依託全覆蓋的通信網絡實現泛在互聯。

智能是創新城市交通的技術支撐。未來，在雄安新區，車很智能，路更智能，車輛超視距感知、全程綠波通行、多車協同編隊、智能泊車引導、公共智能駕駛服務、無人化物流配送將走進人們的生活。

利用智能交通技術，未來的雄安新區將打造智能運行、層次豐富的公共交通。公交系統分快線、幹線與支線組織。同時，還將發展需求響應型的無人駕駛定製化公共交通系統，採用乘坐10人左右的智能駕駛車輛，智能生成線路，動態響應需求，為人們提供「門到門」服務。

在雄安新區，人們將享受到這樣的智能交通服務：出門前，打開手機應用，各種路線選擇、出行方式組合便展現在眼前，去目的地花費的時間、消耗的卡路里等都會計算出來。通過手機應用可以完成各類交通服務的預約與定製，人們只需要通過手機應用，一鍵下單、一鍵支付，便可完成「指尖上的出行」。

在交通管控上，雄安新區將建立數據驅動的智能化協同管控系統，探索智能駕駛運載工具的聯網聯控，採用交叉口通行權智能分配，保障系統運行安全，提升系統運行效率。

結合網絡化布局、智能化管理、一體化服務，雄安新區將高效融入「軌道上的京津冀」，通過高速鐵路網，20分鐘可到北京新機場，30分鐘到北京、天津，60分鐘到石家莊。

按照習近平總書記要求，規劃建設雄安新區，要堅持以人民為中心、注重保障和改善民生。雄安新區規劃建設的一個核心理念就是把城市還給人。

在數字化基礎設施支撐下，雄安新區的公共服務將朝着均等化、普惠化、便捷化的方向發展，以觸手可及的智能應用，豐富百姓數字生活，推動健全城市智能民生服務。

不斷發展的數字城市

數字城市狹義上是指以計算機技術、多媒體技術和大規模存儲技術為基礎，以寬帶網絡為紐帶，運用遙感、全球定位系統、地理信息系統、仿真-虛擬等技術，對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，即利用信息技術手段把城市的過去、現狀和未來的全部內容在網絡上進行數字化虛擬實現。廣義則是指城市的數字化，通過數字化的手段來處理、分析和管理整個城市，促進城市運行的通暢和協調。

早期的數字城市是現代信息技術對城市社會經濟信息進行的全面整合，實現城市各種信息的共享與服務。可以說前期的數字城市是智慧城市發展的前提和基礎，它最主要的內容就是在信息相同的前提下，將其信息技術本身所具有的優勢完全發揮出來，以此讓實體城市向數字化方向發展。

而隨着物聯網、雲計算等新一代信息技術以及移動通信、人工智能等工具和方法的不斷發展，實現城市信息全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯以及智能融合的應用已經具備了條件，城市的發展正在由「數字化」時代進入「智慧化」時代。智慧城市是在信息港和數字城市的基礎上發展起來的新方向。在智慧城市階段，智慧園區、智慧社區、智慧工地等平台、應用、場景成為建設的重點。

智慧城市的建設源於智慧地球。智慧地球本身是在各個行業之中使用新的IT技術，然後將感應器鑲嵌在全球的每一個地方，將鐵路、電網、橋樑等全部鏈接起來，最終形成物聯網。智慧城市在本質上其實是一個小型的智慧地球，將智慧地球本身所存在的各項內容完全體現在了城市之中。它能夠讓整個城市變得更加智慧，這主要是因為運用互聯網能將城市之中的各個傳感器設備進行相互連接，由此構建起來一個區域之中的物聯網，讓城市可以被全面感知。

隨着互聯網以及信息技術的發展，越來越多的其他領域的新概念應用到智慧城市建設中。近年來，數字孿生——這一工業互聯網中的重要概念開始與智慧城市的建設不斷融合，基於數字孿生理念的新時代數字城市成為新的潮流，尤其是《河北雄安新區規劃綱要》中提出「堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，適度超前布局智能基礎設施，推動全域智能化應用服務實時可控，建立健全大數據資產管理體系，打造具有深度學習能力、全球領先的數字城市」以來，數字孿生城市成為現階段最前沿的理念。

「孿生」成為數字城市的新內核

在雄安新區建設的指引下，數字孿生城市建設在行業內一時炙手可熱。數字孿生城市的興起並非偶然，智慧城市建設弊端的不斷湧現、越來越多互聯網技術與理念和城市建設的不斷融合、現階段新基建的興起，也為數字孿生在全行業迎來新一輪爆發製造契機。數字孿生的意義就在於讓真實世界很高成本、很難實現的事情，可以在虛擬世界裡低成本、快速地去實施。無論是全域規劃一張圖，還是城市治理一盤棋，數字孿生都作為新型智慧城市的基礎設施，以數字化的虛擬映射來模擬城市全要素和時空全過程，從而打通智慧產業集群之間的信息互聯互通，推動新基建大潮下各領域的數字升級。

與傳統基建不同，新基建作為當前經濟社會數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵助力，其最大的特徵就是數字化。智慧城市信息處理核心也是數字化，通過大數據、雲計算、5G、人工智能、物聯網、智能感知等方式推進城市治理現代化，加速萬物互聯、全感知全連接、虛實交互的數字城市的到來。

此外，對於數字孿生城市，物聯網也是十分重要的一環，沒有物聯網的建設，數字孿生城市是建不起來的。因為從現實城市到數字城市，要把數據採集到數字城市中，全域數字化之後，在數字城市進行映射，從而自動發現問題。無論是新基建還是傳統基建，物聯網以及智能感知技術的發展都是不可或缺的。無所不在的傳感網絡將實現城市部件的實時感知與自主聯網，地理信息系統將水、電、氣、交通、環境等基礎信息與特定時空下的城市事件緊密關聯、實時融合，將全面滿足城市人與物的聯通、管理、響應的需要。

基於物聯網以及智能感知設備，營造全域數據匯聚、融合共享的環境，實現物理世界與虛擬世界的虛實交互，打通數據流通通道，從源頭上避免數據壁壘的產生，促進數據融合、開放的常態化、制度化和規範化。以城市信息模型為關鍵技術建設數字孿生城市，全面推動海量數據的跨領域融合應用，構建安全、有序的數據開放生態，充分釋放數據資源價值，打造融合城市災害預警、應急管理、公共服務等功能的一體化智能城市管理服務模式，推動城市運轉的全面數字化、智能化，讓城市居民生活更舒適、更方便。