基于GIS虚拟现实技术的智慧城市综合应用平台

城市综合应用平台

研究成果报告：解决方案

1项目概述

1.1项目背景

过去100多年，全球经历了史无前例的城市化进程。1900年，全球仅13％的人口居住在城市，当时百万级人口的城市仅12个；20世纪中叶，全球30％人口居住在城市，百万级人口城市数量增至83个；到2008年，城市人口首次超过农村人口；现在，百万级人口城市已超过400个，其中20个都市圈人口超过1000万。全球城市还将继续快速扩张。据预测，到2050年，全球将有超过70％的人口生活在城市。

随着经济社会发展，城市人口不断挑战历史新高，城市规模持续加速增长。城市经济增长和社会发展所造成了包括基础设施资源紧张、环境恶化等一系列前所未有的挑战，需要创新性地引入新的方法解决问题。

为了让城市维持增长并在经济发展中发挥积极的、核心的作用，城市必须变得更加智慧。提供交通运输、医疗保健、教育、公共安全、能源和水资源等关键服务的城市基础设施必须依赖大量新信息和新技术，以便让城市以智能化的方式感知并响应其日益膨胀的人口的需求。智慧城市建设，不仅使城市实现跨越式、可持续发展，而且为增强城市综合竞争力，破解城市发展难题提供了一次难得的机遇。

根据IBM在2009年8月所发布的《智慧的城市在中国》中的定义，智慧城市是城市发展的一种新型策略，即在城市发展过程中，在其管辖的环境、公共事业、城市服务、本地产业发展中，充分利用信息通信技术，智慧地感知、分析、集成和应对地方在行使经济调节、市场监管、社会管理和公共服务职能的过程中的相关活动和需求，创造一个美好的生活、工作、休息和娱乐环境。

作为未来城市发展的一种模式，智慧城市是面向应用、面向用户、面向产业升级的新一代城市信息化发展方向。智慧城市综合应用平台致力于提供城市完整的智能化解决方案，注重行业信息智能化、服务智慧化、综合信息集成化、平台搭建简单化、支撑环境物联化。

1.2项目建设目标

通过运用高精度新型传感器、GIS虚拟现实技术等新一代IT技术，将所有城市设施和信息化资源共同融入到智慧城市中，整合成一个透明的整体，实现城市各领域信息的全面感知、智能决策与处理，实现各行业间业务的智慧协同，全方位提升城市信息化建设层次，不断完善城市智慧化运作。

系统目标是建立基于大型数据库GIS虚拟现实技术的智慧城市综合应用平台。具体目标可划分如下： 

面向人员的决策支持与管理平台:提供基于网络化、虚拟现实、智能化的地质信息服务和快速反应平台,为城市规划、建设和管理提供决策支持。

面向工商产业的分析评价与共享平台：在满足相关标准下，城市各行业可通过信息服务网络任意调用所有行业对外发布的信息服务，满足自身应用需要。通过用户授权方式实现服务的差异性，提供行业分析评价数据材料，提供高效而有竞争力的手段，为企业提升工作效率，增强产业能力。

面向社会公众的信息共享与服务平台:提供基于Internet 的公共医疗卫生、教育、交通、环境、食品安全等公众信息共享平台,实现公众信息发布,以及其他信息的增值服务。

1.3项目功能简介

根据分析角度的不同，项目功能在横向上按照数据信息的应用对象不同分类，纵向上按数据信息的应用方式不同分类。

表1.1 横向功能简介表

智慧城市的构建是一项复杂的系统工程，还有一些需要配套解决的问题。

1.4.1 信息安全

智慧城市系统无疑掌握了整个城市发展的“智慧密码”，这样的核心数据如何保管，如何界定信息的查询权、处理权、保管权、经济开发利用权等都是需要解决的重要问题。这不仅是一个行政管理的问题，更是公共信息产权系统的立法和司法问题，同时也是一个问题。

1.4.2 风险控制

正如交通工具的速度越来越快，风险也越来越高一样，智慧城市作为下一代城市管理模型也会在新的层次上产生风险。这需要加强系统的风险控制，做到“速度越快的交通工具出事故的概率也越低”。

1.4.3 物联网的边界需要立法界定

需要立法明确界定把哪些对象纳入到物联网是合法的，私人信息是否应该主动或被动“物联”的问题。“主动物联”指哪些私人信息有义务进入智慧城市系统，必须被物联，例如汽车销售的时候是否必须安装传感装置。“被动物联”指合理的物联信息会不会连带透露私人信息，例如手机作为传感器，主人带着手机四处旅行．私人旅行被“窥视”是否合法。

2项目建设内容

2.1系统总体框架

智慧城市在架构上分为四层，分别是感知层、网络层、技术平台层和应用层。通过这四层软硬件的结合，构建一个统一平台，设立城市数据中心。通过分层建设，达到平台能力及应用的可持续扩展，创造面向未来的智慧城市系统框架。

感知层主要有各种数据采集设备组成，网络层主要有通信网、互联网和物联网组成，技术平台层主要包含GIS、虚拟现实、云计算等技术，应用层则是根据业务架构分为“智慧政务”、“智慧产业”和“智慧民生”，其中各个业务架构内还可进行详细划分。

系统的总体框架图如下所示。

图2.1 系统总体框架图

2.2建设内容

2.2.1 智能停车场管理系统

建设路面停车场和封闭式停车信息管理系统，实现停车场停车计时收费，采集停车场车位数据，同时向后台信息管理平台发送这些数据。

建设停车场信息管理平台建设，以实现停车场网络化管理、数据实时查询、统计，以及违法停车等功能。

完成公共服务平台建设，以实现公众网上查询车位、电话或短信在线预订车位。

2.2.2移动定位与追踪信息服务系统

利用“3G”技术，即全球定位系统（GPS）、全球移动通讯技术（GSM）、地理信息系统（GIS），结合个人电脑、GIS软件、移动终端设备等的综合利用，对特定人、车、物等目标进行可视化跟踪，以网络、短信、语音等方式为用户提供目标的位置信息服务，并实现对目标的实时监控和指挥调度的应用系统。本系统是针对移动目标进行跟踪定位并能够提供必要服务，是一种安全可靠的智能化服务系统，从真正意义上实现对业务人员、重点人群、重点车辆以及物流的实时定位与控制。

2.2.3动力机房环境监控系统

目前，机房监控系统系统已经应用于通信行业、银行、税务、、海关、通信、电力等网络机房交换机房的局站群的监控，现随着市场需求的发展，已延伸到各个领域的不同行业。建设该系统，以确保机房能够集中管理、统一监控并迅速做出反应，降低机房监控维护成本，提高运行维护质量等目标。

2.2.4视频抓拍系统

利用嵌入式车辆检测器对机动车辆违法行驶行为进行检测，然后通过高清工业摄像机抓拍机来完成记录、图像处理存储及数据传输。对违法行驶车辆的检测和抓拍是整个系统的核心。视频图像信息直接送入视频检测器，检测器对接收的视频图像进行处理，提取车辆信息。在红灯状态下，当视频检测器检测到有车辆通过违法检测区时，检测器将触发抓拍机对机动车的违法过程和车辆外形及号牌进行连续3张抓拍。

2.2.5广电资源管理系统

广电网络资源管理的数据庞大、工作繁杂，地形勘察、图纸设计、工程施工等工作，手工操作容易产生文档版本混乱、数据资料丢失、查询不便等问题，导致工作紊乱。该管理系统定义了规范的工作流程，解决了上述问题，降低工作出错率，并完整地保存工作资料，从而大大提高了工作效率。

3 关键技术与创新点

3.1关键技术

3.1.1”云”计算与存储技术

“云”计算技术人员需要协调有史以来最大规模的服务器群，并保证整个系统能够持续不断正常运行。“云”计算是用户的大量关键数据、关键业务和关键应用被转移到云端，因此服务器租用商的安全性、大存储、高性能成为对云计算系统的基本要求。 

 对于智慧城市来讲，云存储技术是最有利系统管理平台的重要功能之一，它意味着通过互联网提供可扩展的以及虚拟化的计算资源。但云不单单是这样，还有更多功能。它集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。

 云存储是构建在高速分布式存储网络上的数据中心，它将网络中大量不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，形成一个安全的数据存储和访问的系统，云计算服务器租用适用于各个行业和部门用户的数据资料存储、备份、归档等一系列需求。云存储最大优势在于将单一的存储产品转换为数据存储与服务，在单一的存储服务基础衍生出更多增值的服务。数据分层技术将数据存储在不同的介质，可以帮助客户高效移动数据。重复数据删除和压缩等技术可以帮助客户更有效地对数据进行保护，并且使投资获得最大回报。

3.1.2 GIS技术

建设智慧城市，组织开发GIS应用是重要基础。智慧城市建设中，所涉及到的几乎所有的管理和运营对象都与地理空间位置有关，规划者和决策者需要在掌握基础空间信息和各类管理运营对象空间位置分布的基础上，借助GIS的空间分析能力，对这些空间对象进行挖掘和分析，找出能够反映趋势和规律的信息，并给予直观明了的可视化表达。GIS满足规划者和决策者这方面需求的能力，是其它技术和方法所难以取代的。在智慧城市管理系统中，管理着城市的基础地理信息、地名信息和重要的部件、事件信息，并通过工作流程实现了数据的共享，这是数字城市概念的典型体现。随着数字化城市管理的运行，系统所涉及的内容将不断扩展。在一些城市的实践中，工商、税务、等部门已经借鉴网格化管理的概念，将其利用到各自的业务当中。

GIS在智慧城市中的应用，从空间数据的获取、加工处理到建库管理，从满足基本的查询检索要求到对空间信息的深度挖掘、综合分析、服务发布，从单一系统的应用到涉及多个部门的系统整合，再扩展到能够将GIS与各个职能部门的核心业务及运营流程紧密结合起来的企业级GIS应用。 

3.1.3 网络技术

网络技术是指采取一定的通信协议,将分布在不同地点上的多个计算机系统,通过互联通道(即通信线路)连接在一起,从而实现数据和服务共享的计算机技术,是现代计算机技术与通信技术相结合的产物。网络技术把互联网上分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作，使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息。资源包括高性能计算机、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、大型数据库、网络、传感器等。 

网络可以构造地区性的网络、企事业内部网络、局域网网络，甚至家庭网络和个人网络。网络的根本特征并不一定是它的规模，而是资源共享，消除资源孤岛。网络技术能同时调动数百万台计算机完成某一个计算任务，能汇集数千科学家之力共同完成同一项科学试验，还可以让分布在各地的人们在虚拟环境中实现面对面交流。

网络的关键技术有网络结点、宽带网络系统、资源管理和任务调度工具、应用层的可视化工具。网络结点是网络计算资源的提供者，包括高端服务器、集群系统、MPP系统大型存储设备、数据库等。宽带网络系统是在网络计算环境中，提供高性能通信的必要手段。资源管理和任务调度工具用来解决资源的描述、组织和管理等关键问题。任务调度工具根据当前系统的负载情况，对系统内的任务进行动态调度，提高系统的运行效率。网络计算主要是科学计算，它往往伴随着海量数据。如果把计算结果转换成直观的图形信息，就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难。这需要开发能在网络计算中传输和读取，并提供友好用户界面的可视化工具。 

3.1.4 传感技术

获取信息靠各类传感器，它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。按照信息论的凸性定理，传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量，是高品质传感技术系统的构造第一个关键。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。它利用被识别（或诊断）对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。因此，传感技术是遵循信息论和系统论的。它包含了众多的高新技术、被众多的产业广泛采用，它也是现代科学技术发展的基础条件。

传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为智慧城市的三大支柱。从智慧城市结构来看，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。

传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器（又称换能器）、信息处理和识别的规划设计、开发、制／建造、测试、应用及评价改进等活动。

3.2.创新点

(1) 基于“云平台“的城市海量数据挖掘

本系统利用 “云”技术平台对城市资源数据统一管理、分发。系统以图层和目录树方式实现遥感影像、城市道路、房屋、建筑、楼高等多源、多期次、多比例尺、异构综合地理数据的一体化存储与管理，实现了数据查询，统计，分析等多项基本功能。并在平台基础上，建立起海量数据一体化存储管理与快速处理的机制，实现对各类城市要素的一体化存储管理。在这些数据的基础上，利用数据挖掘技术获取城市运行内在信息。

(2) 基于GIS技术的城市多源异构数据、资源的集成、整合与应用

软件系统集成地理信息技术(GIS)、全球卫星定位(GPS)、基站定位技术（GSM）、无线通信(3G)与互联网技术(WEB)集成一体，构建应用于企业信息化、智能交通、智能家居和社区、城市管理和城市公共安全等信息技术领域，为市民、企业和提供全方位、多层次信息服务，打造集成、统一、高效的城市运营管理平台。

(3) 基于专家系统的城市重大事件防范与应急

人类对天灾人祸、各种犯罪、事故和自然灾害的认识有限，它们对我们带来的痛苦和心里影响是长久的。作为人们的家园，城市需要变得更加安全、更加和谐。本系统通过先进探测技术、风险预测及应急处置技术，为城市的管理者、市民及时准确地发出各种预警和指示，提高人们抵御和应对风险的能力。

4项目建设技术路线

4.1技术路线图

图4.1应用平台开发技术路线图

程序结构采用B/S结构，基于Web的技术开发，项目采用.Net Framework 2.0技术架构。

数据库管理系统采用Micorsoft SQL Server 2005。

程序开发采用Microsoft Visual Studio 2005之C+语言。

如果需要访问数据库，三维和二维系统均直接访问各自数据库的方式（采用ado.net技术）；

三维和二维系统的集成调用采用Asp.Net页面字符串参数的方式进行。

系统程序接口和通讯采用XML技术，客户端编程采用AJAX技术。

4.2 Micorsoft SQL Server 2005

SQL Server 2005 是一个全面的数据库平台，使用集成的商业智能 (BI) 工具提供了企业级的数据管理。SQL Server 2005 数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全可靠的存储功能，使您可以构建和管理用于业务的高可用和高性能的数据应用程序。 

SQL Server 2005 数据引擎是数据管理解决方案的核心。此外 SQL Server 2005 结合了分析、报表、集成和通知功能。可以构建和部署经济有效的BI解决方案，通过记分卡、Dashboard、Web services 和移动设备将数据应用推向业务的各个领域。

4.3 ADO.NET技术

ADO.NET技术通过数据处理将数据访问分解为多个可以单独使用或者一前一后使用的不连续组建。直接处理检索到的结果，或将检索到的结果放入ADO.NET对象中，以便与来自多个源的数据或在层之间进行远程处理的数据组合在一起，以特殊方式向用户公开。ADO.NET Dataset对象可以于.Net Framework数据提供程序使用，用来管理应用程序本地的数据或来自xml的数据。

ADO.NET 对象模型中有五个主要的组件，分别是Connection 对象、Command 对象、DataSetCommand、DataSet 以及DataReader。

①Connection对象

Connection 对象主要是开启程序和数据库之间的连结。没有利用连结对象将数据库打开，是无法从数据库中取得数据的。这个物件在ADO.NET 的最底层，可以自己产生这个对象，或是由其它的对象自动产生。

②Command对象

Command 对象主要可以用来对数据库发出一些指令，例如可以对数据库下达查询、新增、修改、删除数据等指令，以及呼叫存在数据库中的预存程序等。这个对象是架构在Connection 对象上，也就是Command 对象是透过连结到数据源的Connection 对象来下命令的；所以Connection连结到哪个数据库，Command 对象的命令就下到哪里。

③DataSetCommand对象

DataSetCommand 对象主要是在数据源以及DataSet 之间执行数据传输的工作，它可以透过Command 对象下达命令后，并将取得的数据放入DataSet 对象中。这个对象是架构在Command对象上，并提供了许多配合DataSet 使用的功能。在Beta 2 版中DataSetCommand 物件会更名为DataAdapter。

④DataSet对象

DataSet 这个对象可以视为一个暂存区（Cache），可以把从数据库中所查询到的数据保留起来，甚至可以将整个数据库显示出来。DataSet 的能力不只是可以储存多个Table，还可以透过DataSetCommand 对象取得一些例如主键等的数据表结构，并可以记录数据表间的关联。

DataSet 对象可以说是ADO.NET 中重量级的对象，这个对象架构在DataSetCommand 对象上，本身 不具备和数据源沟通的能力;也就是说我们是将DataSetCommand 对象当做DataSet 对象以及数据源间传输数据的桥梁。

⑤DataReader对象

提供连接dataset对象和数据源的桥梁，dataadapter对象使用command对象在数据源中执行SQL命令，以便将数据加载到dataset中，并确保dataset中数据的更改与数据源保持一致。

4.4 AJAX技术

AJAX即“Asynchronous JavaScript and XML”（异步JavaScript和XML)，AJAX并非缩写词，而是由Jesse James Gaiiett创造的名词，是指一种创建交互式网页应用的网页开发技术。

AJAX并不是一门新的语言或技术,它实际上是几项技术按一定的方式组合在一起共同的协作中发挥各自的作用,它包括：

使用XHTML和CSS标准化呈现;

使用DOM实现动态显示和交互;

使用XML和XSLT进行数据交换与处理;

使用XMLHttpRequest进行异步数据读取;

最后用JavaScript绑定和处理所有数据。

AJAX的工作原理相当于在用户和服务器之间加了—个中间层,使用户操作与服务器响应异步化。并不是所有的用户请求都提交给服务器,像—些数据验证和数据处理等都交给AJAX引擎自己来做,只有确定需要从服务器读取新数据时再由AJAX引擎代为向服务器提交请求。