王斌

廣東省核工業(yè)地質(zhì)局測繪院 廣東 廣州 510800

IBM公司的 CEO彭明盛在2009年首次提出“智慧地球”這個概念，旨在鼓勵各國政府在新世紀(jì)中加大對城市智能基礎(chǔ)設(shè)施的投資，從而推動現(xiàn)代化城市的全面發(fā)展。溫家寶總理還在會上發(fā)表了《科技驅(qū)動發(fā)展》的演講，指出了物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，對后 IP時代的技術(shù)發(fā)展起到了推動作用[1]。這標(biāo)志著中國進(jìn)入了一個新的時代，以信息化帶動工業(yè)的發(fā)展，社會發(fā)展的方向也隨之確立，也就是持續(xù)朝著信息化的發(fā)展。而這項技術(shù)，更是被納入到了國家的科技發(fā)展和中長期發(fā)展計劃之中。在這樣的大環(huán)境下，測繪地理信息學(xué)被賦予了新的任務(wù)，如何把握這個新的機(jī)遇，進(jìn)一步推動這一行業(yè)的發(fā)展，也就成了眾多專家和學(xué)者所關(guān)心的問題。

1 智慧地球概念

1.1 智慧地球概念的提出

在2009年的時候，美國的IBM公司總裁首次將“智慧地球”的構(gòu)想提出,并積極倡導(dǎo)政府應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對智能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重視。而我國政府與當(dāng)年的11月份也制定了《讓科技引領(lǐng)中國可持續(xù)發(fā)展》的報告,此篇報告的主要內(nèi)容是倡導(dǎo)各科技公司應(yīng)繼續(xù)加大對于傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，以此為基礎(chǔ)引領(lǐng)我國盡早跨入后 IP時代，并讓我國的信息網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化升級，做好充分準(zhǔn)備迎接信息化社會的到來。時至今日,我國已經(jīng)把該技術(shù)的發(fā)展納入到了國家的中長期科學(xué)發(fā)展計劃之中[2]。

這些概念和計劃都集中在如何將各種不同的傳感器有效地連接在一起，從而構(gòu)成一個物聯(lián)網(wǎng)，并且利用超級計算機(jī)和云計算，對從物聯(lián)網(wǎng)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的分析和控制。使數(shù)字地球和真實的物質(zhì)世界相結(jié)合。利用這些數(shù)據(jù)，可以通過大量的實時數(shù)據(jù)，對人們的生產(chǎn)、生活進(jìn)行更細(xì)致、更有效的管理。這樣才能進(jìn)入靈性境界。智慧地球是一種基于網(wǎng)絡(luò)、傳感器、計算資源等基礎(chǔ)設(shè)施的可視、可測量、可感知、可分析、可控制的智能運(yùn)行機(jī)制。當(dāng)智慧地球發(fā)展到現(xiàn)在階段,我們應(yīng)合理利用智慧技術(shù)促進(jìn)我國各行業(yè)的發(fā)展，在各個領(lǐng)域科學(xué)應(yīng)用智慧服務(wù),通過智慧地球讓我們的日常生活變得更加豐富多彩，同時也能讓我們的生活和工作變得更加便利。這同時也對我國的測繪地理信息科學(xué)提出了新的要求，應(yīng)不斷提升智能化程度,確保為智慧地球的建設(shè)提供有力的技術(shù)支持。

1.2 從數(shù)字地球到智慧地球

智慧地球是以各種不同的先進(jìn)技術(shù)為依托，在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上逐漸形成，同時先進(jìn)技術(shù)也促進(jìn)了智慧地球的快速發(fā)展。智慧地球的基本框架基礎(chǔ)是“數(shù)字地球”，通過不同類型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，將人類和它們的固定或移動物體進(jìn)行鏈接，并通過云計算平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、計算和交互，從而實現(xiàn)對不同設(shè)備的自動控制。數(shù)字地球把經(jīng)濟(jì)、文化、交通、能源、教育等各方面的資源按照一定的地理坐標(biāo)進(jìn)行整合，從而為智慧地球的數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)。在數(shù)字化的基本架構(gòu)下，利用物聯(lián)網(wǎng)的各類信息收集和感知裝置，按照協(xié)議的協(xié)議，將其與互聯(lián)網(wǎng)相連，從而實現(xiàn)對各個管理目標(biāo)的智能化識別、定位、跟蹤和監(jiān)控[3]。但是，目前對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，僅靠現(xiàn)有的終端計算資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此，為了解決海量的數(shù)據(jù)、更新、實時性的計算問題，提出了一種基于計算資源的動態(tài)調(diào)整與可擴(kuò)展的云計算模型。

2 智慧地球的支撐技術(shù)

2.1 數(shù)字地球相關(guān)技術(shù)

數(shù)字地球這個構(gòu)想最初是由美國前任副主席阿爾·戈爾在1998年推出數(shù)碼地球時所設(shè)想的。具體地說，數(shù)字地球是一種以地理位置為基礎(chǔ)的、以地理位置為基礎(chǔ)的、以全球為單位的、以各種形式分布的、遍布全球的、遍布全球的各種數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)。它不僅反映了各種自然、人文、社會信息之間的聯(lián)系，而且還可以根據(jù)方便的地理學(xué)坐標(biāo)來進(jìn)行查詢和使用。數(shù)碼地球就是數(shù)碼世界里我們居住的星球的復(fù)制品。數(shù)字地球的有關(guān)技術(shù)涉及到獲取、管理和使用等各個領(lǐng)域的信息。從數(shù)據(jù)收集到服務(wù)的過程中，數(shù)字地球所包含的技術(shù)主要有以下五個方面。

（1）天地空一體化的空間信息獲取技術(shù)：《自然》雜志在2006年度的封面文章《Vision》中提出，觀測網(wǎng)絡(luò)將會第一次實現(xiàn)對真實世界的實時數(shù)據(jù)的采集。從衛(wèi)星遙感和GPS衛(wèi)星到航空遙感平臺，到陸地上的移動測控平臺，都有衛(wèi)星和衛(wèi)星的數(shù)據(jù)采集。（2）海量的空間數(shù)據(jù)調(diào)度和管理技術(shù)：在數(shù)據(jù)容量不斷增長、數(shù)據(jù)種類不斷增多的情況下，PB （PetaByte）級別和更大的數(shù)據(jù)量越來越需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)度和管理技術(shù)，其中包括索引、數(shù)據(jù)庫、分布式存儲等[4-5]。（3）空間資訊可視化：從傳統(tǒng)的二維影像到3D的數(shù)碼影像，數(shù)碼影像的呈現(xiàn)方式，從傳統(tǒng)的平面立體影像向真實的立體影像轉(zhuǎn)變，從而使人類在對都市空間事務(wù)的描述與分析上有了質(zhì)的飛躍。通過對城市的實際紋理進(jìn)行分析，可以應(yīng)用到城市規(guī)劃、景觀分析、虛擬地理環(huán)境、數(shù)字化文化遺產(chǎn)等方面。（4）空間資訊分析及發(fā)掘技術(shù)：以影像為基礎(chǔ)的數(shù)碼地球三維實景影像模型，可形成大面積的立體正射影像，并可根據(jù)需要自行測量。能夠挖掘出有用的資訊。（5）網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)技術(shù)：利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合和服務(wù)，利用數(shù)字地球作為空間信息的基本架構(gòu)，能夠?qū)⒏鞣N與地球空間信息有關(guān)的社會、經(jīng)濟(jì)信息進(jìn)行綜合、綜合。再利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)，將其應(yīng)用于專業(yè)機(jī)構(gòu)和社會大眾。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

ICT聯(lián)合會在突尼斯召開的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005:物聯(lián)網(wǎng)》中正式介紹了物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)被定義為：通過無線射頻識別、紅外傳感器、GPS、激光掃描儀等信息感知裝置，通過協(xié)議將所有物體與因特網(wǎng)相連。為了實現(xiàn)智能化的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理，進(jìn)行信息交流和通信。具體來說，傳感器是在電網(wǎng)，鐵路，橋梁，隧道，公路，建筑，供水系統(tǒng)，大壩，石油管道等所有的物體上，并廣泛的連接起來，構(gòu)成了一個物聯(lián)網(wǎng)。中國于1999年提出了這一概念，并在當(dāng)時被稱作“傳感網(wǎng)絡(luò)”。物聯(lián)網(wǎng)可以使人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的相互連接，使人和機(jī)器的優(yōu)勢得到最大程度的發(fā)揮。2006年六月， WWW論壇預(yù)測，全球70億人口將在2017年達(dá)到7兆。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，使以往的物理設(shè)備和 IT設(shè)備之間的隔離成為可能。物聯(lián)網(wǎng)將像水、電、氣、路一樣，將會是一個新的世界。

2.3 云計算技術(shù)

云計算是以因特網(wǎng)為基礎(chǔ)的一種計算方式,在具體的形成過程中主要是以網(wǎng)絡(luò)資源分配方式為基礎(chǔ)，同時也會隨著分配方式的變化而發(fā)生改變，是在分布式計算與網(wǎng)格計算的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展。電腦硬件和軟件水平曾經(jīng)是阻礙此項技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵因素，直到社會中出現(xiàn)了云計算技術(shù)，此項技術(shù)可以在很大程度上擺脫計算機(jī)硬件的束縛。同時也不需要過多關(guān)注硬件的維護(hù)問題。云計算技術(shù)的誕生，有利于各種資源進(jìn)行相互融合，也促進(jìn)了各種信息之間的共享，資源的利用效率也得到了有效提升，從而讓計算逐漸演變?yōu)橐苑?wù)為導(dǎo)向[6]。云計算可以迅速地處理世界各地的大量數(shù)據(jù)，并為數(shù)以百萬計的用戶提供服務(wù)。云計算的核心技術(shù)，使用戶不必?fù)?dān)心操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和平臺的軟件環(huán)境、底層硬件環(huán)境、地理位置、軟件供應(yīng)商、業(yè)務(wù)通道等。在航天信息處理方面，云計算平臺可以充分發(fā)揮其計算資源的潛能，實現(xiàn)對復(fù)雜的分析、處理和經(jīng)驗的充分共享，對復(fù)雜空間信息的分析與處理能力有了很大的提升。

3 智慧地球的特征

3.1 智慧地球建立在數(shù)字地球的基礎(chǔ)框架上

數(shù)字地球以地域為單位，以不同的地理位置為單位，統(tǒng)一地構(gòu)建了各種數(shù)據(jù)指標(biāo)和模式，為監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化奠定了基本的架構(gòu)。智慧地球的建設(shè)是基于數(shù)字地球所構(gòu)建的地理空間，以及與自然、人文、社會等不同信息之間的內(nèi)在的有機(jī)關(guān)聯(lián)與關(guān)聯(lián)，并將感知、控制與分析等作用結(jié)合在一起。

3.2 智慧地球包含物聯(lián)網(wǎng)和云計算

在這個基礎(chǔ)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，智慧地球的實時數(shù)據(jù)采集、分析、分析、監(jiān)控，而物聯(lián)網(wǎng)、云計算則是智慧地球的核心。物聯(lián)網(wǎng)與云計算的核心與根基依然是因特網(wǎng)，它是以因特網(wǎng)為基礎(chǔ)的延伸與拓展，它的使用者范圍將會延伸至所有物件與物件。彼此交流和溝通，靈活的處理和分析。

3.3 智慧地球面向應(yīng)用和服務(wù)

在智慧地球上，由傳感器、數(shù)據(jù)組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的電腦網(wǎng)路，其核心是傳感器和資料。傳感器網(wǎng)絡(luò)通常被設(shè)計成用于特定的應(yīng)用，它可以通過無線或有線的方式進(jìn)行通信。通過協(xié)同工作，實時監(jiān)控、收集不同地理位置的各類環(huán)境、物體的信息，然后通過云計算進(jìn)行實時的分析、處理，獲取詳細(xì)、精確的數(shù)據(jù)及決策信息。然后把它發(fā)送給那些有需求的人。

3.4 智慧地球與現(xiàn)實城市融為一體

進(jìn)入智慧地球時代之后，智慧技術(shù)和我們的城市發(fā)展也產(chǎn)生了很大關(guān)聯(lián)，就像是在城市中安裝了許多傳感器和控制器，從而實現(xiàn)成功獲得城市環(huán)境以及城市物體的各種數(shù)據(jù)信息的目[7]。隨著智慧地球的不斷發(fā)展，城市中的各種傳感器、控制器數(shù)量也不斷增多，種類也變得更加豐富，利用這些傳感器和控制器能夠加強(qiáng)與電子世界之間的聯(lián)系，促進(jìn)與城市基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的相互融合，從而實現(xiàn)對城市各種基礎(chǔ)設(shè)施的自動化控制，比如可以對城市環(huán)境、空氣質(zhì)量、人口數(shù)量以及道路交通等情況進(jìn)行實時監(jiān)測，并成功獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)信息。

4 智慧地球時代測繪地理信息學(xué)的新使命

4.1 位置云

自從 GPS技術(shù)進(jìn)入民用市場后，美國 GPS、俄羅斯GNSS、中國北斗、歐盟伽利略等都陸續(xù)或正在為國內(nèi)的客戶提供 GPS定位，但是因為種種原因，目前的 GPS定位精度還不能滿足大多數(shù)工業(yè)客戶的需求。為改善 GPS的定位準(zhǔn)確率，建立了一個持續(xù)的基準(zhǔn)臺，但是，受其應(yīng)用方式的局限，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到很大的制約。通過向地理位置云服務(wù)中心發(fā)送定位數(shù)據(jù)，在1秒之內(nèi)，該系統(tǒng)就能將定位的準(zhǔn)確度分解為次米級別并進(jìn)行回饋。

4.2 遙感云

基于云計算平臺，可以使各種復(fù)雜的遙感解譯技術(shù)得到充分發(fā)揮，并能充分利用各種復(fù)雜的分析、處理算法和相關(guān)經(jīng)驗。通過對遙感影像進(jìn)行自然語言解碼，實現(xiàn)了對復(fù)雜空間信息的分析與處理，從而使更多的工業(yè)使用者可以從這些領(lǐng)域中獲得所需的資料。

4.3 空天地一體化的傳感網(wǎng)與實時GIS

從數(shù)據(jù)導(dǎo)向、向用戶導(dǎo)向、從接收數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)到利用數(shù)據(jù)，向從數(shù)據(jù)收集、分析數(shù)據(jù)到利用數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)收集、分析數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、主動數(shù)據(jù)獲取?？仗煲惑w化的感知網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Σ煌耐恋仡愋?、建筑、道路、市政設(shè)施等進(jìn)行動態(tài)的監(jiān)測。集成的傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)使用者的需要，對衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡和觀察角度進(jìn)行調(diào)整，對用戶的要求做出迅速的反應(yīng)[8]。GIS從以往的使用歷史資料轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驅(qū)崟r獲得、甚至是對將來進(jìn)行預(yù)約的信息。比如，通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)資源，可以根據(jù)火災(zāi)發(fā)生地點，對火災(zāi)發(fā)生和周邊區(qū)域進(jìn)行動態(tài)的實時圖像采集，為科學(xué)決策提供了科學(xué)依據(jù)。

4.4 視頻與GIS的融合

由于傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)中的資料規(guī)模愈大，資料的更新時間愈久，而深入社區(qū)、樓宇及樓宇內(nèi)部的資料則不能即時更新。目前，隨著圖像采集系統(tǒng)的不斷增加，采集到的圖像數(shù)量也在不斷增加，但由于各傳感器都是根據(jù)代碼進(jìn)行搜索和監(jiān)測，因此很難實現(xiàn)其功能。同時，在 GIS中引入大量的視頻傳感器，可以充分利用圖像傳感器的實時效應(yīng)和GIS的數(shù)據(jù)處理能力，為 GIS的智能應(yīng)用奠定基礎(chǔ)[9]。

4.5 智能手機(jī)作為無處不在的傳感器

在智慧地球時代，可以將我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)看作聯(lián)網(wǎng)傳感器，在我們平時的活動過程中還可以讓手機(jī)變?yōu)榭梢砸苿拥膫鞲衅?，從而獲得各種數(shù)據(jù)信息，同時還可以實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)信息的共享目的，而我們每個人都可以成為數(shù)據(jù)信息的收集與提供者，同時還可以享受到別人提供的各種資訊。

4.6 室內(nèi)與地下空間定位及導(dǎo)航

在室內(nèi)、地下這種環(huán)境中，衛(wèi)星信號無法正常到達(dá)，可以通過傳感器、地面無線電等手段實現(xiàn)對目標(biāo)的定位，我們常用的無線信號種類較多，比如無線通信網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)字電視、藍(lán)牙和WiFi等。以這些無線信號為基礎(chǔ)，然后通過衛(wèi)星發(fā)出的信號進(jìn)行定位，利用傳感器獲得相應(yīng)的位置，還可以利用地面上的無線電頻率實現(xiàn)定位，從而形成一種新型的組合形式的導(dǎo)航方式。

4.7 空間數(shù)據(jù)挖掘

目前我國已逐漸形成了大量的、各類靜態(tài)、動態(tài)的數(shù)據(jù)采集體系，針對各種客觀存在的數(shù)據(jù)信息，尤其是和空間存在較大聯(lián)系的數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)對它們的分析與挖掘，還能進(jìn)一步加強(qiáng)對這些數(shù)據(jù)信息的科學(xué)應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)信息的利用效率，確保這些數(shù)據(jù)信息的重要功能和作用能夠充分發(fā)揮出來，從而為城市的管理和服務(wù)奠定良好基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

智慧地球是以數(shù)字地球、物聯(lián)網(wǎng)、云計算為基礎(chǔ)，并將現(xiàn)實世界和數(shù)字世界聯(lián)系在一起，從而達(dá)到信息感知、數(shù)據(jù)控制以及智能服務(wù)的目的。智慧地球時代的來臨，為我們的日常生活和工作提供了多種智能化服務(wù)，有利于進(jìn)一步促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展。要想讓“智慧地球”獲得進(jìn)一步發(fā)展，就需要加強(qiáng)對信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)力度，讓信息基礎(chǔ)設(shè)施更加完善，從而為智慧地球的發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)。測繪地理信息產(chǎn)業(yè)是智慧地球的基礎(chǔ)，必須大力推進(jìn)與智慧地球有關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，把傳統(tǒng)的測繪技術(shù)升級為能夠?qū)崟r、智能的采集和處理海量空間數(shù)據(jù)、信息和知識，為智慧測繪工作服務(wù)，只有這樣才能在實現(xiàn)智慧地球和智慧城市的進(jìn)程中更好地發(fā)揮出作用。