从数字城市到智慧城市的技术发展机遇与挑战文：总工程师梁军1998年1月，在加利福尼亚科学中心开幕典礼上，时任美国副总统的戈尔发表了题为“数字地球——理解21世纪我们的星球”的演说，提出了“数字地球”的概念，数字地球是“一种关于地球的可以嵌入海量地理数据的、多分辨率和三维的表示”。
此概念被引伸到城市，使“数字城市”成为城市信息化的热点。
到2011年末，由国家测绘局推动的数字城市地理空间框架建设已在全国29个省、自治区、直辖市的220个城市展开，其中地级市约180个，占我国全部地级市的60%。
虽然地理空间框架只是数字城市的基础部分，但也说明了数字城市建设已成为国内城市信息化的着力点。
图1 城市系统的组成结构2008年11月6日，在纽约召开的美国对外关系委员会上，IBM总裁兼首席执行官彭明盛发表了题为“智慧地球——下一个领导人议程”的演讲，提出了“智慧地球”的概念，“大量的计算资源都能以一种规模小、数量多、成本低的方式嵌入各类非电脑的物品中”，通过在地球内各种有需要的物体（things）上嵌入传感器或智能芯片，使这些物体成为具有智能的信息采集或可控制装置，通过物与物的网络相联形成的物联网（Internet of Things）汇集数据和反馈指令，实现地球内各子系统的智能化调控，构建人类生活和工作的智能环境（intelligent environments）或周边智能（ambient intelligence）。
“智慧地球”的概念，同样被引伸到城市，继“数字城市”之后，“智慧城市”（Smart City）也开始成为城市信息化的热词。
从数字城市到智慧城市发展反映了城市信息化的与时俱进，同时也需要我们更深入的思考数字城市与智慧城市的关系，应对智慧城市带来的技术发展机遇与挑战。
数字城市、智慧城市与城市系统的关系图2 现实城市与数字城市和智慧城市的概略系统分析分析城市与数字城市、智慧城市之间关系有利于理解和认识数字城市与智慧城市发展目标和发展方向的因果关系本原。
1. 城市信息化是数字化、网络化和智能化的互动过程城市是以非农业人口和非农业活动为主的人类聚居地。
它是以人为主体，以空间利用为特点，以集聚效益为目的集约人口、集约经济、集约科学文化的空间地域系统，是一定区域范围内政治、经济、文化和信息的中心，城市是一种复杂、开放的混合系统（hybrid system），包括了自然和人工系统。
城市在中国现阶段的工业化、信息化、城镇化、市场化和国际化高速发展的进程中，发挥着核心的作用，而城市信息化则在工业化、城镇化、市场化和国际化进程发挥着穿针引线的作用。
城市信息化是指城市社会经济结构从以物质与能量为重心，向以信息与知识为重心转变的一种发展过程1 ，是在城市经济、政治、社会、文化等领域运用信息技术和信息基础设施改变其运行方式及增强城市功能的过程2。
城市信息化涉及城市的数字化、网络化和智能化交互的过程，数字化是指城市的各种信息以数字化形式采集、存贮、处理和使用的过程；网络化是城市数字化信息通过网络流动与分发的过程；智能化是信息采集及系统调控的自动化过程，三者之间是相互作用的，数字化是城市信息化的基础，网络化是保障，智能化是终极目标。
信息化将从多个层面和方位改变城市系统的结构、行为和功能，城市的行为将更加智能。
2. 城市与数字城市的关系数字城市建设是以城市的数字化和网络化为重点的城市信息化过程。
数字城市是在城市的网络基础设施之上，通过城市系统各组成要素及其关系的数字化，构建的由数据和软件组成的实体城市的数字模型，是现实城市在信息空间的影射。
它不仅要反映城市系统组成要素及其结构的静态特征，而且要反映其动态变化过程，其本质是建模城（modeling our city）。
城市系统的构成如下图所示，体现为一个基础框架、三大主体和三大子系统。
数字城市基于城市空间地域系统特征，以城市地理空间的数字化所构建的地理空间信息框架为基础，嵌入或集成城市的自然资源与自然环境、基础设施、经济与社会乃至历史和文化信息，形成数字形式的虚拟城市。
图1 城市系统的组成结构基于地理空间信息框架的城市信息嵌入或集成是数字城市的本质特征，其核心在于将各种信息所隐含的空间属性与地理空间实体（如地址、道路、房屋、水体、区划单元等）关联或落实到地理空间的具体坐标上，按地理空间框架加以组织、索引和分析，以二、三维及多分辨率地图或场景的形式可视化表达。
地理信息系统在城市地理空间框架的构建中发挥着核心的作用，成为数字城市的核心组成部分。
城市的三大主体——政府、企业和公众通过数字城市的人机交互界面获取城市系统的各种信息或视图（view），实现基于网络基础设施和各种智能终端的信息互动，进而对三大主体自身行为和城市系统的子系统或相关要素进行调控，如汽车导航、交通和电力系统的控制等，使城市系统规划、建设与运行管理更有序，经济发展更高效，市民生活更美好，应对突发事件的响应更敏捷，最终达到城市可持续发展的终极目标。
3. 智慧城市与数字城市的关系城市的数字化和网络化是手段，城市的可持续发展是终极目标。
从系统的角度，可持续发展的关键在于城市系统的宏观和微观的高效和科学的调控。
由于现阶段数字城市的信息获取以人机信息交互的方式为主，即基于人机交互的桌面模式（the model of human-computer interaction）。
信息的种类、数量、内容及时效性远远不能满足城市系统宏观和微观调控的要求，如经济结构的宏观调控、日用品供应的计划制定与物流配送、某一路灯的控制以及冰箱根据带电子标签的存储物的自动适应等，从闭环控制系统角度，数字城市的信号正向通路和反馈通路有不完善之处。
随着传感器网络（Sensor Web）或物联网的发展，城市系统的组成物体（包括人）的状态或者物流、能流和信息流的信息可以通过电子标签（RFID）、传感器或其它智能芯片获取，并通过网络汇集，为数字城市信息采集提供新的技术手段，并使这些物体的远程控制成为可能。
物联网与数字城市的结合，促进了智慧城市的发展，使城市信息化进入智能化为主的阶段。
在人机交互方面，随着多点触摸、MS Kinect和SIRI等自然用户界面（Natural User Interface）技术发展，进入了人机交互的后桌面模式（the post model of human-computer interaction）时代。
智慧城市=数字城市+物联网如果将人与城市类比，智慧城市是人的神经系统，数字城市是人的大脑或中枢神经系统，物联网则是人的神经末梢或周围神经系统，城市的中枢与周围神经系统的发展使城市信息化进入了智能化时代。
智慧城市将是现代城市的不可或缺的组成部分，如同神经系统是人体的有机组成部分。
数字城市负责城市各组成要素的数据的处理、存贮、分析和表达，甚至包括对城市组成部分或要素的控制指令下达；而物联网负责各组成要素（物体）的信息采集和控制指令的传输和执行。
由数字城市与物联网组成的智慧城市构成了一个动态信息采集（信号正向通路）、处理与分析以及反馈与控制（反馈通路）的闭环控制系统，促进了城市的数字神经网络系统的发展。
4. 城市与数字城市、智慧城市的系统分析将城市与数字城市分别作为一个整体来看，数字城市是实体城市通过数字化而构建的数字模型，此模型由数据和软件构成。
按照面向对象技术的观点，软件由对象构成，数字城市中的软件对象主要是城市系统组成要素及其行为和要素间相互关系的影射，而数据是这些对象与关系状态（或属性）的持久化。
这种影射关系由城市内相关领域的领域模型以及系统设计与实现方法所决定，软件对象及其关系的规则（规律）通过领域知识模型反映，知识模型是对城市系统进行模拟、预测和控制的基础，也是城市智能化的核心。
领域模型与知识模型是建模城市的元模型或基因。
城市与数字城市、智慧城市的关系如下图所示：图2 现实城市与数字城市和智慧城市的概略系统分析智慧城市建设的目标是通过数字化和对城市系统运行状态的动态监测（也是一种数字化手段）驱动动态数字模型，实现到城市系统的调控，这种调控可以通过对城市主体的行为的调控，或城市组成要素的控制实现，涉及宏观、中观和微观层面的调控，也涉及城市的规划、设计、建设、运行管理和服务过程的调控。
由于城市发展，涉及规划或设计以及实施或建设过程，规划或设计可以实际系统的数字模型为输入，产出设计阶段系统的数字模型，用于指导实施和建设。
建设成果可通过动态监测驱动的实际系统数字模型反映，用于实施和建设过程控制，并与设计阶段的数字模型进行比对、跟踪和评估。
因此，设计阶段系统的数字模型也将成为数字或智慧城市的一个组成部分。
建筑设计方面，以Autodesk公司为代表的CAD软件厂商，已突破了传统CAD制图的概念，提出了建筑信息模型（Building Information Model）或建筑信息建模（Building Information Modeling）的概念，从设计阶段开始信息化，直接形成建筑物及附属设施（如管线）或设施的三维模型，并用于建设项目全过程管理，体现了计算机辅助设计从机助制图到信息建模（现实或设计实体的软件对象化）的发展过程，促进了建筑物与设施的规划、设计、建设、监理和运维的信息全生命周期业务协同应用模式的发展。
英国政府2011年6月的时候宣布了一项5年计划，到2016年底前对所有公建项目完成BIM的普及，要求参与建筑项目的各方从2016年起使用BIM工具和技术，并以兼容的信息格式提供模型信息，并可扩展到设施管理（FM）。
BIM将为智慧城市的建设提供数据源，也是智慧城市的一个组成部分，BIM将使城市建筑乃至内部结构的三维建模成为可能，也为GIS与BIM的集成带来了挑战。
围绕智慧城市建设，Esri总裁Jack Dangermond提出的“建模我们的世界”（Modeling our World）和“地理设计（GeoDesign）”，超图软件董事长钟耳顺研究员提出“地理控制”（GeoControl），Autodesk和Trimble公司提出了数字建设（Digital Construction）等概念，都可以在智慧城市中应用。
从数字城市到智慧城市的发展是建模我们的世界（Modeling Our World）、地理设计（GeoDesing）、地理监测（GeoMonitoring）和地理控制（GeoControl）等理念在城市信息化中的实现，反映了城市信息化与时俱进的过程。
从数字城市到智慧城市的技术发展机遇与挑战从数字城市到智慧城市的演进是人类对城市信息化认知和技术发展的必然结果，与智慧城市建设相关的技术主要包括网络通信技术、物联网、大数据（Big Data）与NoSQL、SOA与ESB、云计算、地理信息技术与BIM、社会计算（Social Computing）及其它相关技术等，这些技术为智慧城市的建设奠定了基础，同时也将面临新的挑战。