The planning, construction and management towards sustainable cities in China needs the environmental internet of things

Jingzhu Zhao a, Xiancao Zheng a, Rencai Dong b, Guofan Shao c

Abstract：China’s rapid urbanization and its success in developing the Internet of Things (IoT) will decide its future development direction. The construction of sustainable cities is crucial to China because China has such a large population. The Xiamen Long-term Urban Ecosystem Observation and Research Station (Xiamen LUEORS) was started in 2006, together with the research related to the Environmental Internet of Things (EIoT) for Xiamen LUEORS. This paper explains the purpose, general framework and main features of the EIoT, and outlines the results of performing EIoT experiments in some areas, including a ‘town village’, a peculiar phenomenon of China’s urbanization. It also discusses the development trends of the IoT and proposes the concept of ZeroSpace Interconnection of Things (ZeroIoT, or ZeroSIT).

Keywords：environmental internet of things (EIoT); urbanization; sustainable city; town village; ZeroSpace Interconnection of Things (ZeroIoT)

摘要：中国快速城市化进程和物联网的发展水平将在很大程度上决定中国未来的发展走向。对于人口众多的中国而言，可持续城市建设至关重要。我们于2006年开始建设“厦门城市生态系统观测研究站”，同时开展与环境物联网相关的研究工作。本文阐述了这一环境物联网的建设思路、总体框架和相关内容，概要介绍了相关的研究进展，分析了（cèn, or town village）”这一中国城市化进程中特有的现象。最后，讨论了物联网未来发展趋势，提出了“物灵网”（ZeroSpace Interconnection of Things）的思路。

引言

近200年，特别是近100年来，人口向城市大规模聚集，导致城市化速度明显加快。一般认为世界上最早的城市诞生在公元前3500年左右，由于种种原因在此之后的很长时间里城市化进程非常缓慢，直到1800年世界城市人口占总人口的比例仅为10%左右，1900年这一比例增至15%左右。2008年是人类发展进程中极为重要的一年，世界城市人口有史以来第一次超过了农村人口（United Nations Population Fund，2008），这一突破标志着人类已经进入城市型社会(Zhao et al. 2010)。

改革开放以来，中国的城市化进程突飞猛进，城市化率由1978年的17.4％激增到2011年的51.27％ (UBSC 2012)。城市的不断迅速扩张也引发了一些经济、社会、城市建设与管理等问题，特别是环境与发展的矛盾日益突出。特别是发达国家过去100年分阶段出现的环境问题，在我国快速经济增长的30年中集中显现。这些现实问题和未来潜在问题告诉我们，中国可持续城市建设目前比世界其他国家显得更为重要和更为迫切（Zhao et al. 2011）。

同时，面对中国快速城市化进程及其伴随着产生的环境问题，迫切需要我们开展城市环境科学或城市环境研究。城市环境科学主要是研究可持续城市如何集成和耦合城市发展规律和生态环境规律来实现可持续城市的目标（Zhao et al，2008）。一般认为，可持续城市是指改善城市生活质量，包括生态、文化、政治、机制、社会和经济等方面，而不给后代遗留负担的城市发展模式。简而言之，可持续城市是具有保持和改善城市生态系统服务能力，并能够为其居民提供可持续福利的城市。城市生态系统服务一般是指作为社会－经济－自然复合生态系统的城市为人们的生存与发展所提供的各种条件和过程。福利是指收入和财富给人们带来的效用，即人们的需要得到满足的程度（Zhao et al. 2009）。

城市环境科学的研究目标和研究内容决定了它将是一门非常复杂的综合学科研究，因此需要有效的研究手段或途径作为支撑。我们认为，环境物联网(environmental internet of things)(EIoT)将为城市环境科学研究提供有效的手段，同时也将为可持续城市规划、建设与管理提供重要的技术支持。

2006年，我们按照数字生态园的理念开始建设我们中国科学院城市环境研究所园区。数字生态园是指，按照生态学原理进行规划、设计和建设，运用环境物联网进行综合监测和管理的花园式园区。同时，我们开始进行与环境物联网相关的一些研究工作，该环境物联网一方面是为了研究所园区（数字生态园）的需要，也是为“厦门城市生态系统长期观测与研究站”提供相应的技术支持。厦门城市生态系统长期观测与研究站是以我们研究所园区为中心展开的（图1）。到目前为止，我们已经建成了相对比较完整的环境物联网和以其支撑的“厦门城市生态系统长期观测与研究站”，并取得了一些相关的研究进展。

Figure 1. The locations of Xiamen LUEORS and other monitoring sites.

EIoT建设思路与框架

伴随着物联网(internet of things)(IoT)的出现与发展，很多科学家和技术专家等都对其进行了深入系统的研究工作，同时从不同的角度对物联网给出了很多科学解释。依据他们的成果，我们认为物联网是围绕某一特定目标，通过各种可能的技术途径的集成，实现信息采集、传输和应用的数字化、智能化、网络化，也就是以快速而准确的形式完成信息采集、传输和应用等这一过程。

环境物联网是围绕某一特定目标，通过各种可能的技术途径的集成，以快速而准确的形式完成环境及相关信息的采集、传输和应用等这一过程。按照这样的思路，我们建立了环境物联网，用于支撑以“厦门城市生态系统长期观测与研究站”为核心的的城市生态环境观测体系（图2）。

这一环境物联网依据城市环境的典型特征，集成了固定的、周期性移动和随机移动的传感器（无人机、无人船、汽车、自行车、手机等），同时还融入了地理信息系统、空间定位系统和遥感等空间信息技术。这一环境物联网可以对水、

Figure 2. The central platform of our EIoT to support Xiamen LUEORS.

大气、土壤、声、风等环境要素的一些表征指标进行监测，同时以在线、实时、原位、远程的方式实现了对这些监测指标的信息采集、传输、处理、模拟、预警、应用等（图3），进而为可持续城市的规划、建设与管理提供科技支撑。

Figure 3. The outline of our EIoT.

为了城市环境对比分析的需要，结合我们的科研工作，我们还在福建省的平潭岛和洪坑村、云南省的香格里拉、浙江省的宁波、广东省的自立村分别建立了环境监测站点，并通过我们的环境物联网将这些站点集成到环境物联网中心平台（中国科学院城市环境研究所）（图1）。未来我们将结合实际需要，进一步布置新的监测站点或与已有的监测站点相结合，希望其逐步形成“中国环境物联网”。

基于EIoT的部分研究内容

通过我们研究组几年的辛勤工作，我们不仅在环境物联网建设方面取得了重要的进展，同时我们基于我们的环境物联网进行了环境监测和研究，并取得了一些有益的成果。在本期杂志中，王豪伟比较详细地阐述了我们环境物联网的总体框架结构和主要内容（Wang et al. 2013b），苏晓丹介绍了我们环境物联网的监测与管理的集成技术（Su et al. 2013），董仁才介绍了城市环境观测站观测样点选取方法（Dong et al. 2013），张兆基和高进波分别介绍了他们基于环境物联网对水环境和湿地-土壤环境的研究成果（Zhang et al. 2013; Gao et al. 2013），陈进生和邓君俊分别介绍了他们基于环境物联网在大气环境的研究成果（Chen et al. 2013; Deng et al. 2013），王翠平和郑栓宁分别介绍了他们基于环境物联网对声环境和风环境的研究成果（Wang et al. 2013a; Zheng et al. 2013），李春明介绍了如何通过环境物联网实现公众有效参与可持续城市管理方面的研究成果（Li et al. 2013），唐立娜介绍了如何通过环境物联网研究中国环境与发展的有效途径（Tang et al. 2013）。

（发音为cèn，通常就写为cèn，英文为Town village）是中国特有的一种现象，它是由中国的农村户籍制度、土地所有与使用制度所决定而在中国快速城市化进程背景下产生的一种现象（Zhao 2012). 居住在这些村庄并具有这里户口的人们，按照中国现行的户籍体制，他们被称为“农民”，他们所在的家庭被称为农户，当然他们相应地也就拥有进行农业生产的最基本条件，即农田的使用权（不是所有权）。在这些村庄里，有相当一部分农民（或农户）不以或不完全以农业生产作为谋生手段，他们自己或把房屋/土地出租给他人在村庄里从事小型的或初级的制造业、农副产品加工与销售、餐饮服务、旅游服务、运输等“非农经济”活动。

中国快速城市化进程不仅对城市本身及周边地区产生极大的影响，而且对中国广大农村地区的影响更为深刻，对农村人们的生产、生活方式，特别是对人们的思想观念和思维方式影响巨大。cèn的发展过程中不仅影响了居于其中的人们的生产和生活方式，也对其资源和环境产生了一定的影响，特别是对当地的经济发展及人们的观念意识正在产生并将继续产生重要的影响。对于cèn的研究非常重要，也非常必要，因为在某种意义上可以说cèn必将成为影响中国农村未来，甚至中国，发展走向的重要因素之一。

讨论与展望

我们虽然在环境物联网方面开展了一些有益的工作，也取得了一些进展，但我们的环境物联网仍需要不断地完善和不断地向前推进，特别是要与科学技术及社会经济实践需求紧密结合。科技助推和应用牵引将是环境物联网发展的根本动力。因此在环境物联网建设与研发过程中，既要密切关注相关科学技术的创新和发展方向，更要关注社会经济发展的实践需求，特别是要对城市发展的未来走向做出科学的研判。

物联网本身就是一个不断向前推进的过程，它将随着相关理论、方法和技术的不断完善和发展而不断完善和发展。随着科学技术的不断发展，物联网的理念将不断升华、内涵将不断丰富，外延将不断扩展。Internet和物联网在未来的表现形式可能会以完全不同于今天的形式而表现，也可能完全被另一种全新的形式所代替。

事实上，在中国和其他一些国家古代的“烽火台”系统中就可以寻觅到物联网的思想萌芽，或许我们可以称其为当时历史条件和科学技术条件下的“物联网”。未来的“物联网”，或许我们可以称其为“物灵网”（ZeroSpace Interconnection of Things, ZeroIoT 或ZeroSIT)，它将实现信息采集、传输、处理、模拟、预警、应用等的“零”间隔（ZeroSpace），这里的“零”意味着这一过程的时间和空间“距离”趋近于“零”，同时“误差”和“不安全性”（insecurity）也趋近于“零”（zero）。总之，这个“零”意味着“灵便和灵验”，即“物灵网”将“无时不灵、无处不灵”。

参考文献

Chen J, Niu Z, Xu L, Yin L, Zhang F. 2013. Application of the environmental Internet of Things on the monitoring of PM2.5 in a coastal urbanizing region, southeast China. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Deng J, Du K, Mu C, Yuan F. 2013. Study on atmospheric visibility variations and the impacts of meteorological parameters using high temporal resolution data: an application of Internet of Things at a Long-term Urban Environment Research Station (LUERS) in China. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Dong R, Tang M, Zhou K, Li S, Wu G. 2013. Study on the quadrat sampling method for urban ecosystem network monitoring. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Gao J, Wu Q, Li Q, Ma J, Xu Q, Groffman PM, Yu S. 2013. Preliminary results from monitoring of stream nitrogen concentrations, denitrification and nitrification potentials in an urbanizing watershed in Xiamen, Southeast China. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Li C, Wei D, Liu J. 2013. Towards a societal scale environmental sensing network with public participation. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Su X, Tang L, Shao Guofan. 2013. Integrating Monitoring and Management System for Urban Environment Based on Internet-of-Things. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Tang L, Zheng X, Guofan Shao, Su X, Zheng S, Zhao J. 2013. IoT applications in mobile monitoring and real-time analysis of the environment for town villages in China. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

[UNPF] United Nations Population Fund. 2008. State of World Population 2007: Unleashing the Potential of Urban Growth. [30 September 2009]. Available from: http://www.unfpa.org/public/publications/pid/408.

[UBSC] National Bureau of Statistics of China. 2012. China statistical yearbook 2012. Beijing: China Statistics Press.

Wang C, Chen G, Dong R, Wang H. 2013a. Traffic noise monitoring and simulation research in Xiamen City based on the Environmental Internet of Things. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Wang H, Zhang T, Quan Y, Dong R. 2013b. Research on Framework of Environmental Internet of Things. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Zhang Z, Wang S, Ye Z, Wang X, Lin X, Chen S. 2013. Application of Internet of Things on water quality management of urban scenic river. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.

Zhao J. 2012. Preliminary Discussion of the cèn (Town Village); [cited 2012 November 18]. Available from http://www.iue.cas.cn/xwzx/kydt/201211/t20121118_3684907.html.

Zhao J, Shi L, Gao L, Guo Q, Cui S, Yan C, Qiu Q, Tang L, Vause J, Shao G, Wei X. 2011. Towards sustainable cities in China: analysis and assessment of some Chinese cities in 2008. New York, Dordrecht, Heidelberg, London: Springer.

Zhao J, Dai DB, Lin T, Tang LN. 2010. Rapid urbanisation, ecological effects and sustainable city construction in Xiamen, Int J Sustain Dev World Ecol. 17(4): 271-272.

Zhao J, Cui S, Yan C, Guo Q. 2009. Theoretical thinking of sustainable city construction of China. Chinese J Environ Sci. 30(4):1244-1248 (in Chinese).

Zhao J, Liu H, Dong R. 2008. Sustainable urban development: policy framework for sustainable consumption and production. Int J Sustain Dev World Ecol. 15(4):318-325.

Zheng S, Xiong X, Liu J. 2013. Real-time measurement of urban wind environment comfort using Internet of Things technology. Int J Sustain Dev World Ecol. 20:forthcoming.