地理信息科学在智慧城市建设中的地位和作用

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地理信息科学在智慧城市建设中的地位和作用

地理信息科学在智慧城市建设中的作用研究基于2个事实：一是人类生活在地球上一切活动都在一定的时空(时间和空间)中进行，信息都是人类活动(社会、生产和生活等)的产物，信息的时空属性是一切信息关联的纽带;二是可视化是人类获取与表达信息的主要途径，大数据所承载的信息，往往通过可视化的手段，才能被人直观地理解。地理空间数据可视化把地理空间数据转换成为便于人们理解的图形或图像，从而动态地、形象地、多视角地、全方位地、多层面地描述地理事物与现象，这不仅可以反映地理现象空间分布、相互联系和动态过程信息，也弥补了人类自然语言对地理现象描述的不足，提高了人们对地理空间的认知能力。地理信息科学在智慧城市建设中的地位和作用主要表现在以下几个方面：

3.1 地理科学是智慧城市的理论支撑之一 城市是一种包含复杂物质要素、社会关系和活动内容的客体， 以它为研究对象形成了城市地理学、城市经济学、城市社会学和城市规划学等许多学科. 现代地理学是一门研究地理环境及其与人类活动间相互关系的综合性、交叉性学科. 它以分布、形态、类型、关系、结构、联系、过程和机制等概念构筑理论体系，注重地理事物的空间格局与地理现象的发生、发展及变化规律， 以人地系统的优化为目标， 即人口、资源、环境与社会经济协调发展. 城市地理学着重从空间观点研究个别城市或区域城镇体系的功能结构、层次结构和地域结构. 地理信息科学从信息流的角度研究地球表层自然要素与人文要素的相互作用及其时空变化规律， 通过对地表各圈间信息的形成和变化机制及传输规律进行研究， 揭示地理信息的发生和形成及其相互作用机理. 为了控制和调节城市系统的物质流、能量流和人流等社会化指标， 使之转移到期望的状态和方式， 实现动态平衡和持续发展， 人们开始考虑对其组成要素的空间状态、相互依存关系、变化过程、相互作用规律、反馈原理和调制机理等进行数字模拟和动态分析， 发现和建立反映事物的数学模式， 利用和发展数学工具对其进行分析和推理， 获得对城市事物运动机理的认知， 从而达到预测和控制事物运动的目的， 解决城市发展人口、住宅、就业、交通、治安、环境和经济产业等问题.

3.2 地理信息科学是多学科的融合和综合 地理信息系统描述和管理的对象是地理. 现代地理学研究涉及自然科学和人文科学， 在自然和人文间架起一座桥梁. 自然地理学的研究对象是自然地理环境， 涉及水文、气候、植被(生物)、土壤、地貌、冻土和冰川等领域. 人文地理是一门探讨各种社会、政治、经济和文化现象的地理分布、扩散和变化， 以及人类社会活动的地域结构的形成和发展规律的学科， 包括社会文化地理学、政治地理学和经济地理学等. 地理信息科学的应用涉及城市、区域、土地、灾害、资源、环境、交通、水利(水务)、农业、产业、人口、文化、卫生、治安、住房、城管、基础设施和规划管理等领域的政府部门、企业规划、物流和大众出行服务.






地理空间数据涵盖了所有的数据类型. 地理空间数据是描述地球表面一定范围(地理圈和地理空间)内地理事物的(地理实体)位置、形态、数量、质量、分布特征、相互关系和变化规律的数据， 是地理空间物体的数字描述和离散表达. 作为数据的一类， 地理空间数据不仅具有空间特征、属性特征和时间特征3 个基本特征，还具备抽样性、时序性、详细性、概括性、专题性、选择性、多态性、不确定性、可靠性与完备性等特点，这些特点构成了地理空间数据与其他数据的差别.

地理信息系统开发应用了所有计算机技术， 包括高效海量数据存储技术、复杂的数据模型和结构、虚拟可视化技术、嵌入式和组件式、高速网络传输技术、并行计算处理以及图形图像输入输出技术. 地理空间数据具有海量、空间、异构和多时态等特点. 地理信息学科吸收信息科学的精华， 与计算机技术结合， 形成了网络、嵌入式和组件式等各种各样的地理信息系统，同时也推动了计算机信息科学与技术的发展.

3.3 位置是智慧城市数据整合与关联的基石

基于云计算的数据整合、关联分析和数据挖掘处理是智慧城市的灵魂. 美国地理学家Waldo Tobler 认为任何事物都相关， 只是相近的事物关联更紧密， 即地理学第一定律. 位置作为人、事和物间相互关联的信息基本属性之一， 在实践过程中， 政府、军事和企业等不同部门为了满足自身需求， 从不同应用、不同专业、不同角度对地理物体和现象的信息进行描述和记录， 但实现区域内自然和人文地理要素的整体全息表达十分艰难. 智慧城市建设覆盖所有政府公共部门， 其核心目标是建立全市域信息模型， 构建城市核心系统的运行全图. 城市数据的深度整合指针对分割和碎片化数据， 以部分服从整体的系统论为核心理念， 以业务协同和资源共享为特征， 以目标、机构、资源、业务、服务及其提供途径等要素的整合为内容， 以网络信息技术为支撑， 实现数据跨部门协作.

3.4 位置感知是智慧城市的物质基础

获取物体位置信息的技术叫做位置信息感知技术. 基于位置的服务叫做移动定位服务. 位置服务是通过电信移动运营商的GSM 网、CDMA 网、3G/4G、GPS、北斗定位系统和室内定位等获取移动数字终端设备的位置信息， 在地理信息系统平台的支持下， 为用户提供的一种增值服务. 位置服务具有确定某人的位置和为某人提供适合的服务两大功能. 基于物联网技术的信息感知是智慧城市建设的物质基础. 位置感知和物联网技术相结合可以为智慧城市基础设施提供更加智能的技术手段， 有助于逐步构建城市智慧服务体系， 从而进一步为城市民众提供有针对性的新服务和新模式.

3.5 天空地遥感是感知城市环境变化的主要手段

天空地遥感感知在智慧城市中的主要功能是识别物体和采集信息， 用于解决人类世界和物理世界的数据获取问题. 采用传感器技术、条形码技术、智能终端(智能手机、平板电脑、智能电视和智能卡等)、RFID技术、影像采集、卫星遥






感、无人飞机摄影以及车载/机载三维激光雷达等实现对城市范围内人、事件、基础设施、环境和建筑等方面元素的实时动态识别和信息采集. 将传感器与通讯网络相连接， 形成物物相连的物联网， 实现信息数据的全面透彻感知和特征提取，为智慧城市环境变化监测和业务应用提供更多有价值的数据信息.

3.6 可视化是智慧城市知识获取的主要途径 大数据可视化是数据挖掘与分析研究的热点， 视觉信息感知可以辅助大数据分析. 地理空间数据可视化运用计算机图形图像处理技术， 将复杂的地理科学现象、自然景观和人类社会经济活动等抽象概念图形化， 以帮助人们理解地理现象、发现地理学规律和传播地理知识， 提升人类地理空间认知能力. 可视化是人类感知世界主要途径. 人类日常生活中接受的信息80%来自视觉， 而图形图像是人类最容易接受的视觉信息. 信息可视化技术使人们可以通过观看可视化的图形、图像获取信息的内涵和潜在结构， 大大降低了人的认知负担.

3.7 时空分析与过程模拟推演为决策提供依据

时空分析与过程模拟推演是地理学研究的基本方法. 把城市体系作为一个动态的复杂系统， 用定性定量相结合的方法对其进行分解和简化， 确定大系统和子系统所要实现的目标和制约条件， 探讨系统的最优结构和功能. 系统分析通常运用数学模型反映城市系统的特征、结构和发展过程， 运用地理信息技术把时空分布的地理现象、社会发展、空间环境及动态变化进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述， 从而实现对城市生态环境的监控、模拟、推演、时空分析和评价， 进而进行科学预测和辅佐决策， 提高政府决策的科学性和效率.

3.8 地理信息系统是智慧城市的核心软件支撑

在智慧城市建设中， 运用地理信息系统手段对城市进行多尺度、多时空和多种类的数据描述， 以物联网为基础实现城市信息动态、实时、连续、全覆盖的获取， 应用数学方法， 结合智能科学的相关理论和技术， 构建城市建设和发展空间的决策模型， 认识和解决城市发展过程中相关非结构化问题， 深入研究城市系统的结构特征， 预测变化趋向， 实现对城市建设和发展的监控、模拟、推演、时空分析和评价， 提高城市建设决策的科学性和效率. 地理信息系统使智慧城市不仅拥有全方位的信息采集能力， 还具备更强有力的信息处理、分析、共享和协同等能力. 在越来越多的智慧城市实践中， 空间信息和以此为基础建立的空间信息共享、协同平台， 以及由此衍生的空间信息服务生态体系已成为智慧城市建设的核心支撑之一.

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